$Al_2O_3$, $TiO_2$, $HfO_2$와 같은 high-k (고 유전상수) 산화물 박막을 Si, $SiO_2$/Si, GaAs 기판에 각각 입혀서 주기적인 온도변화에 의해 발생되는 박막 표면에서의 반사율 변화를 이용한 열-반사율법을 이용하여 열전도도를 측정하였다. 그 결과, 약 50nm 두께에서 0.80~1.29 W/(mK)와 같은 높은 열전도도를 가지고 있어 CMOS와 메모리 디바이스와 같은 전자 회로에서 발생되는 열을 효과적으로 방산할 수 있고, 또 미세 입자의 크기에 따라 열전달이 변화하는 것을 확인하였다.
$Al_2O_3$, $TiO_2$, $HfO_2$와 같은 high-k (고 유전상수) 산화물 박막을 Si, $SiO_2$/Si, GaAs 기판에 각각 입혀서 주기적인 온도변화에 의해 발생되는 박막 표면에서의 반사율 변화를 이용한 열-반사율법을 이용하여 열전도도를 측정하였다. 그 결과, 약 50nm 두께에서 0.80~1.29 W/(mK)와 같은 높은 열전도도를 가지고 있어 CMOS와 메모리 디바이스와 같은 전자 회로에서 발생되는 열을 효과적으로 방산할 수 있고, 또 미세 입자의 크기에 따라 열전달이 변화하는 것을 확인하였다.
In this study, high-k oxide films like $Al_2O_3$, $TiO_2$, $HfO_2$ were deposited on Si, $SiO_2$/Si, GaAs wafers, and then the thermal conductivity was measured by using thermo-reflectance method which utilizes the reflectance variation of the film surface...
In this study, high-k oxide films like $Al_2O_3$, $TiO_2$, $HfO_2$ were deposited on Si, $SiO_2$/Si, GaAs wafers, and then the thermal conductivity was measured by using thermo-reflectance method which utilizes the reflectance variation of the film surface produced by the periodic temperature variation. The result shows that high-k oxide films with 50 nm thickness have high thermal conductivity of 0.80~1.29 W/(mK). Therefore, effectively dissipate the heat generated in the electric circuit such as CMOS memory device, and the heat transfer changes according to the micro grain size.
In this study, high-k oxide films like $Al_2O_3$, $TiO_2$, $HfO_2$ were deposited on Si, $SiO_2$/Si, GaAs wafers, and then the thermal conductivity was measured by using thermo-reflectance method which utilizes the reflectance variation of the film surface produced by the periodic temperature variation. The result shows that high-k oxide films with 50 nm thickness have high thermal conductivity of 0.80~1.29 W/(mK). Therefore, effectively dissipate the heat generated in the electric circuit such as CMOS memory device, and the heat transfer changes according to the micro grain size.
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문제 정의
29 W/(mK)의 가장 큰 열전도도 값을 갖는 것으로 조사되었다. 이러한 결과는 Al2O3, TiO2, HfO2 박막이 CMOS와 같은 전자회로의 게이트 물질로 사용되어 온 SiO2를 대신 할 물질로서의 대체 가능성을 제시하였다.
가설 설정
금속 박막이 일정한 교류 주파수 ω로 가열되지만 금속박막의 두께 방향으로의 교류 온도 구배가 발생될 수 있다. 이 시스템에서, 기판층의 두께는 무한대지만 금속층과 시편박막층의 두께는 유한하다고 가정한다. 이 시스템의 면에 수직한 방향의 1차원 열전달 방정식의 해인 표면의 온도는 다음 식과 같다 [7].
제안 방법
HfO2 박막은 TEMAH(Tetrakis [EthylMethy]Amino] Hafnium, Hf [N(CH3)(C2H5)]4)와 증류수(H2O)를 각각 Hf 전구체와 산화제를 사용하여 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)법을 이용하여 300℃의 온도에서 증착하였다 [9]. 액체상의 TEMAH는 60℃를 유지한 캐니스트에서 기화되었고, 질소를 Hf 전구체의 운반 기체 및 퍼지용 기체로 사용하였다.
금속 박막 양단에 전도성 에폭시로 전선을 구성하고 주파수 발생기의 사인파형 출력의 주파수를 500∼2,000 Hz 범위에서 Jouleheating시키면서 반사율을 10회 측정한다.
기판 위에 스퍼터링과 ALD를 이용하여 Al2O3, TiO2, HfO2을 증착한 후 금속박막 Bismuth를 열저항증착법으로 입힌다. 금속 박막 양단에 전도성 에폭시로 전선을 구성하고 주파수 발생기의 사인파형 출력의 주파수를 500∼2,000 Hz 범위에서 Jouleheating시키면서 반사율을 10회 측정한다.
기판의 열 투과도(thermal effusivity)를 사용하여 기울기 보정인자의 평균치를 1.17×10-4 m2K/(WV)로 결정하였다.
TiO2와 Al2O3 박막은 RF Sputtering 장치를 이용하여 증착하였다. 박막의 제작을 위해 터보펌프를 이용하여 10-7 Torr 이하까지 초기 진공상태를 만든 다음 Ar 가스를 일정하게 반응실 내로 주입시키면서 100 W의 RF 파워를 공급하여 플라즈마를 발생시켰다. 타겟과 기판과의 거리는 7 cm였으며, 증착시 압력은 2∼3 mTorr였다.
본 연구에서는 high-k 물질로 알려진 Al2O3, TiO2, HfO2 박막들의 열전도도를 측정하기 위해 Al2O3, TiO2, HfO2를 Si, SiO2/Si, GaAs 기판에 약 50 nm의 두께로 각각 증착하고, 열-반사율법을 이용하여 제작된 박막들의 열전도도를 측정하였다.
본 연구에서는 열-반사율법을 이용하여 박막의 열전달을 비교·분석하기 위해 high-k라고 불리는 고 유전상수 산화물 박막인 Al2O3, TiO2, HfO2를 Si, SiO2/Si, GaAs 기판에 증착하고 박막상태에서의 열전도도를 측정하였다.
시편의 크기는 10×10 mm였으며 수직으로 세워진 시편지지대 위해 설치되었고, 시편의 온도 상승을 막기 위해 열전 냉각장치를 이용하여 시편의 온도를 25℃로 일정하게 유지하였다.
1 mm인 마스크를 사용하여 열저항증착법으로 약 30 nm 두께로 증착되었다. 전도성 에폭시로 연결한 전극을 이용하여 시편표면에 교류전류를 공급하고 교류전압을 측정하였다. 파장이 632.
증류수를 보관한 캐니스트의 온도는 18℃로 일정하게 유지하였다 [10]. 증착된 박막의 두께는 ellipsometer (Plas-Mos SD 2302)로 측정하였으며 기판에 대한 계면산화물이나 열산화물은 한 점을 측정을 하였고, 시료박막에 대해서는 3점을 측정하여 두께를 결정하였다 [11].
파장이 632.8 nm인 He-Ne 레이저 빔을 입방 빛 나누개(CBS, Cubic Beam Splitter)를 이용하여 두 개로 나누고, 나누어진 두 개의 빔 중 하나는 시편 표면에서 반사시키고 다른 하나는 프리즘에서 반사시켜서 각각 실리콘 광다이오드로 들어가게 하여 각진동수가 ω인 교류 전류의 각진동수 변화에 따른 반사율 변화를 lock-in amplifier (Stanford, SR810)를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
O)를 각각 Hf 전구체와 산화제를 사용하여 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)법을 이용하여 300℃의 온도에서 증착하였다 [9]. 액체상의 TEMAH는 60℃를 유지한 캐니스트에서 기화되었고, 질소를 Hf 전구체의 운반 기체 및 퍼지용 기체로 사용하였다. 증류수를 보관한 캐니스트의 온도는 18℃로 일정하게 유지하였다 [10].
성능/효과
Fig. 4(a)의 결과에서 알 수 있듯이 전체 각진동수 영역에서 좋은 선형성을 보였으며, 세로축 절편값은 Al2O3에서 가장 컸으며 HfO2에서 가장 작았다. 기판의 열 투과도(thermal effusivity)를 사용하여 기울기 보정인자의 평균치를 1.
92 W/(mK)의 열전도도 값이 구해졌다. 그 중 TiO2 박막이 상대적으로 낮은 열전도도를 가졌고, HfO2 박막이 가장 높은 열전도도를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 Fig.
/Si, GaAs 기판에 증착하고 박막상태에서의 열전도도를 측정하였다. 박막의 미세구조 입자의 크기가 증가함에 따라 열전도도는 증가하였다. 세 물질 모두 Si 기판에서 가장 큰 열전도도를 보였으며, 그 중 HfO2 박막이 1.
이러한 결과는 TiO2 박막 두께가 감소함에 따라 열전도도가 작아짐을 의미한다. 본 연구에 의해 구해진 TiO2 박막의 열전도도는 0.74 W/(mK)로 덩이에 비해 약 16배, Takuji Maekawa의 결과에 비해 약 6.9배 작았다 [15]. 그 이유는 TiO2 박막의 두께가 Takuji Maekawa의 연구에 사용된 박막의 두께보다 74배 작았기 때문이며 그 때문에 열전도도가 현저히 감소한 것으로 해석된다.
박막의 미세구조 입자의 크기가 증가함에 따라 열전도도는 증가하였다. 세 물질 모두 Si 기판에서 가장 큰 열전도도를 보였으며, 그 중 HfO2 박막이 1.29 W/(mK)의 가장 큰 열전도도 값을 갖는 것으로 조사되었다. 이러한 결과는 Al2O3, TiO2, HfO2 박막이 CMOS와 같은 전자회로의 게이트 물질로 사용되어 온 SiO2를 대신 할 물질로서의 대체 가능성을 제시하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SiO2의 두께 감소가 필요하게된 배경은?
최근에 전자회로에서는 집적도 증가에 따른 금속-절연체-반도체 장치의 크기를 줄이기 위해 게이트인 SiO2의 두께 감소를 필요로 하게 되었다. 하지만 두께 감소에 의한 소자의 불안정과 누설전류의 증가, SiO2/Si 계면 열화에 의한 신뢰도의 감소 등의 문제점을 초래할 수 있다.
전기적 절연 박막의 열전도도 측정기술이 필요하게 된 배경은?
이러한 high-k 유전체 물질들이 박막 형태로 회로에 구성될 경우 발생되는 열에 의해 소자의 특성이 크게 변할 수 있으므로 박막 소자에서 실리콘 기판 등으로 이루어진 회로기판으로 흘러가는 열 소실(dissipation)을 알기위해 최근부터 전기적 절연 박막의 열전도도 측정기술을 필요로 하기 시작했다 [3].
전기적 절연 박막의 열전도도 측정기술은 무엇이 있는가?
박막의 열전도도 측정 방법들 중에는 기판에 증착된 박막의 면에 수직한 방향의 열확산도를 측정하는 Taketoshi 등의 피코초 열-반사율법(thermo-reflectance method) [4]과 기판위의 전기적 절연막의 면에 수직한 방향의 열전도도를 측정하기 위해 Lee와 Cahill이 개발한 3ω법이 있다 [5]. 하지만 이들의 방법은 열전도도가 낮은 박막이 열전도도가 높은 기판 위에 증착된 경우에는 적용되지 못한다는 점과 2차원 열전도도 측정 시스템에 기초하기 때문에 금속으로 된 미세 패턴이 시료 표면에 입혀져야 한다는 단점을 가지고 있다 [6].
참고문헌 (16)
G. D. Wilk, R. M. Wallace, and J. M. Anthony, J. Appl. Phys. 89, 5243 (2001).
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