산화알루미늄 박막의 두께 및 열처리 온도에 따른 Al2O3/GaN MIS 구조의 전기적 특성 변화 Change in Electrical Properties of Al2O3/GaN MIS Structures according to the Thickness of Al2O3 Thin Film and Annealing Temperature원문보기
We deposited $Al_2O_3$ thin films on GaN by remote plasma atomic layer deposition (RPALD) technique, trimethylaluminum(TMA) and oxygen were used as precursors, at fixed process condition, the number of cycle were changed. Growth rate per cycle was $1.2\;{\AA}$/cycle. and Growth...
We deposited $Al_2O_3$ thin films on GaN by remote plasma atomic layer deposition (RPALD) technique, trimethylaluminum(TMA) and oxygen were used as precursors, at fixed process condition, the number of cycle were changed. Growth rate per cycle was $1.2\;{\AA}$/cycle. and Growth rate was in proportion to a number of cycle, the GaN MIS capacitors that $Al_2O_3$ thin film were deposited above 12 nm, have excellent electrical properties, a low electrical leakage current density(${\sim}10^{-10}\;A/cm^2$ at 1.5 MV), but below 12 nm, we can see the degradation of the leakage current density. After post deposition annealing, Dielectric constant was estimated by 1 MHz high-frequency C-V method, it was varied with the anealing temperature from 6.9 at no post anealed to 7.6 at $800^{\circ}C$, and we can see a improvement of the leakage current density and breakdown voltage by post deposition anealing below $700^{\circ}C$, but, after anealed at $800^{\circ}C$, we can see the degradation of the leakage current density and breakdown voltage.
We deposited $Al_2O_3$ thin films on GaN by remote plasma atomic layer deposition (RPALD) technique, trimethylaluminum(TMA) and oxygen were used as precursors, at fixed process condition, the number of cycle were changed. Growth rate per cycle was $1.2\;{\AA}$/cycle. and Growth rate was in proportion to a number of cycle, the GaN MIS capacitors that $Al_2O_3$ thin film were deposited above 12 nm, have excellent electrical properties, a low electrical leakage current density(${\sim}10^{-10}\;A/cm^2$ at 1.5 MV), but below 12 nm, we can see the degradation of the leakage current density. After post deposition annealing, Dielectric constant was estimated by 1 MHz high-frequency C-V method, it was varied with the anealing temperature from 6.9 at no post anealed to 7.6 at $800^{\circ}C$, and we can see a improvement of the leakage current density and breakdown voltage by post deposition anealing below $700^{\circ}C$, but, after anealed at $800^{\circ}C$, we can see the degradation of the leakage current density and breakdown voltage.
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제안 방법
이용하여 알루미늄(6N-A1)을 직경 2。0 um 의원형 금속마스크를 이용하여 증착하였고, RTA장비를 이용하여 N2 분위기 상태에서 10분간 Post- Metalization-Annealing (PMA) 을 수행하였다. 그림 2는 제작한 GaN MIS capacitore] 단면도를 보여주고 있다,
12 nm(l(X) cycle)와 24 nm(200 cycle) 두께의 알루미늄 산화막이 증착된 GaN MIS소자의 누설전류특성은 서로 비슷한 결과를 보였지만, 6 nm (50 cycle) 이하의 두께의 알루미늄 산화막이 증착된 GaN MIS소자의 누설전류특성은 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 그래서 GaN MIS소자의 산화알루미늄 박막의 두께는 가장 누설전류특성이 양호하면서 동시에 가장 얇은 두께인 12 nm로 고정하여 실험을 진행하였다.
표 1은 본 연구실의 선행 연구에 의해 수립된 공정 조건이다. 반응 가스의 주입 시간은 TMA/Ar/Oz/Ar 을 각각 2/4/4Z4 sec, 공정 온도는 300 ℃, RF 파워는 25 W, 공정압력을 500 mTorr로 고정한 후, cycle수에 변화를 주어 산화알루미늄 박막을 증착 하였고, RTA장비를 이용하여 증착 후 실온에서 800 ℃ 까지 온도에 변화를 주어분위기에서 1분간 열처리를 수행 하였다’
본 논문에서는 RPALD를 이용하여 증착한 산화알루미늄의 두께 및 증착한 후 열처리 온도에 따른 GaN MIS capacitore] 전기적 특성의 변화를 확인하였다. 산화알루미늄 박막의 두께에 따른 GaN MIS capacitor의 누설전류특성은 12 nm (100 cycle)와 24 nm(200 cycle)두께의 알루미늄 산화막이 증착된 GaN MIS capacitor의 누설전류특성은 서로 비슷한 결과를 보였지만, 6 nm이하의 두께의 알루미늄 산화막이 증착된 GaN MIS capacitoi■의 누설전류특성은 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 본 연구실에서 실행한 기존 실험을 바탕으로 최적화 된 공정 조건에서 RPALD방법으로 증착한 산화알루미늄을 게이트 절연막으로 사용하여 GaN MIS capacitor를 제작 하였고[12], 산화알루미늄 박막의 두께 및 증착 후 열처리에 따른 GaN MIS capacitor의 전기적 특성의 변화를 확인하였다.
산화알루미늄 박막의 두께에 따른 GaN MIS 커패시터의 전기적 특성의 변화를 확인하기 위하여 선행 연구를 통하여 수립된 공정조건으로 25~200 cycle 까지 변화시키며 산화알루미늄 박막을 증착시켰다.
02 V/sec 속도로 측정하였다. 측정된 C-V 데이터의 Accumulation capacitance로부터 절연막 유전 상수(£ox)를 산출 하였다.
대상 데이터
GaN MIS capaciitor의 제작을 위해 웨이퍼는 Sapphire 위에 buffer층과 하부전극으로 사용하기 위해 Si이 도핑 된 4 如 두께의 n+(lxl018 c『3) 층, undoped(Nd=5><1016 cm-3) GaN층이 순차적으로 증착된 기판을 사용하였다. 기판은 유기 클리닝을 진행 한 후 황산(HSOG과 과산화수소(压0"를 4:1 로 혼합시킨 용액과 염산(HC1)과 DI Water를 1:1 로 혼합시킨 용액에 각각 10분 동안 클리닝을 진행한 후 즉시 챔버에 장착하였다.
그래프이다. GaN MIS capacitor의 C-V 특성은 1 MHz 주파수에서 HP 4284A LCR meter를 사용하여 측정하였다. 인가된 게이트 전압은 암실 상태에서 0.
박막의 두께는 파장 632.8 mm의 엘립소미터 (RUDOLPH RESEARCIVAuto EL)와 FE-TEMe 이용해 측정하였으며, MIS 커패시터의 게이트 누설전류를 측정하기 위해서 pA meter인 HP4140B 를 사용하였으며, 용량-전압 특성을 평가하기 위하여 LCR 측정기인 HP4284A* 사용하였다.
반응가스로는 trimethylaluminum(TNLA)소스와 B 가스가 사용되었고, 퍼지가스로 99.999 % 순도의 Ar을 사용하였다. 표 1은 본 연구실의 선행 연구에 의해 수립된 공정 조건이다.
성능/효과
12 nm(l(X) cycle)와 24 nm(200 cycle) 두께의 알루미늄 산화막이 증착된 GaN MIS소자의 누설전류특성은 서로 비슷한 결과를 보였지만, 6 nm (50 cycle) 이하의 두께의 알루미늄 산화막이 증착된 GaN MIS소자의 누설전류특성은 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 그래서 GaN MIS소자의 산화알루미늄 박막의 두께는 가장 누설전류특성이 양호하면서 동시에 가장 얇은 두께인 12 nm로 고정하여 실험을 진행하였다.
엘립소 미터로 측정한 두께는 12 nm였고 TEM 측정결과 동일한 두께로 일치함을 알 수 있었다. 그리고 GaN와 산화알루미늄 사이의 int(江face에도 다른 잔여물이나 자연산화막이 없음을 확인할 수 있었다.
이는 산화알루미늄의 결정화에 의한 현상으로 사료된다. 또한 1 MHz로 측정된 용량-전압 특성 데이터의 Accumulation capacitance로부터 산출 된 절연막의 유전 상수는 열처리를 수행하지 않은 GaN MIS capacitor의 절연막의 유전 상수가약 6.9, 열처리의 온도가 증가함에 따라 절연막의 유전 상수가 증가하여, 800 ℃에서 열처리를 수행한 후 제작 된 GaN MIS capacitor의 유전 상수는 약 7.6으로 나타났다.
85 MV/cm 의 우수한 breakdown voltage를 나타내었다. 반면 열처리 온도가 700 ℃ 이상 증가함으로 인해 누설전류밀도 및 breakdown voltage도 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 산화알루미늄의 결정화에 의한 현상으로 사료된다.
산화알루미늄 박막의 두께에 따른 GaN MIS capacitor의 누설전류특성은 12 nm (100 cycle)와 24 nm(200 cycle)두께의 알루미늄 산화막이 증착된 GaN MIS capacitor의 누설전류특성은 서로 비슷한 결과를 보였지만, 6 nm이하의 두께의 알루미늄 산화막이 증착된 GaN MIS capacitoi■의 누설전류특성은 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 열처리 온도에 따른 GaN MIS capacitor의 누설전류특성은 모두 L5 MV/cm의 인가전계까지는 약 bl0T。A/cn? 의 비슷한 범위의 누설전류밀도 특성을 보였다.
열처리를 수행하지 않은 GaN MIS capacitor 의 절연막의 유전 상수는 약 6.9이었고, 열처리의 온도가 증가함에 따라 절연막의 유전 상수가 증가하여, 800 °<3에서 열처리를 수행한 후 제작 된 GaN MIS capacitor의 유전 상수는 약 7.6으로 나타났다. 일반적으로 산화알루미늄은 약 800 ℃정도에서 결정화가 진행되고 결정화가 진행 되면서 유전율이 커지는 경향이 있는데 위 측정결과도 이에 기인된 것으로 판단된다.
5 MV/cm 의 인가전계까지는 약 lxl0<0 A/cm2 의 비슷한 범위의 누설전류밀도 특성을 보인다. 하지만 1.5 MV/cm 전계이상에서 부터는 열처리 온도가 700 ℃까지 증가함에 따라 누설전류밀도가 좀 더 좋아지는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 GaN MIS capacitor5] breakdown voltage도 증가 하여 700 ℃에서 열처리 한 소자의 경우 약 5.
5 MV/cm 의 인가전계까지는 약 lxl0<0 A/cm2 의 비슷한 범위의 누설전류밀도 특성을 보인다. 하지만 1.5 MV/cm 전계이상에서 부터는 열처리 온도가 700 ℃까지 증가함에 따라 누설전류밀도가 좀 더 좋아지는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 GaN MIS capacitor5] breakdown voltage도 증가 하여 700 ℃에서 열처리 한 소자의 경우 약 5.
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