[논문]마그네트론 스파터시 금속 극박막의 실시간 전기저항과 미세구조 변화

권나현; 김회봉; 황빈; 배동수; 조영래

doi:10.3740/mrsk.2011.21.3.174

마그네트론 스파터시 금속 극박막의 실시간 전기저항과 미세구조 변화
In-Situ Electrical Resistance and Microstructure for Ultra-Thin Metal Film Coated by Magnetron Sputtering 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.21 no.3, 2011년, pp.174 - 179

권나현 (부산대학교 재료공학부) , 김회봉 (부산대학교 재료공학부) , 황빈 (부산대학교 재료공학부) , 배동수 (동의대학교 신소재공학과) , 조영래 (부산대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Ultra-thin aluminum (Al) and tin (Sn) films were grown by dc magnetron sputtering on a glass substrate. The electrical resistance R of films was measured in-situ method during the film growth. Also transmission electron microscopy (TEM) study was carried out to observe the microstructure of the films. In the ultra-thin film study, an exact determination of a coalescence thickness and a continuous film thickness is very important. Therefore, we tried to measure the minimum thickness for continuous film (dmin) by means of a graphical method using a number of different y-values as a function of film thickness. The raw date obtained in this study provides a graph of in-situ resistance of metal film as a function of film thickness. For the Al film, there occurs a maximum value in a graph of in-situ electrical resistance versus film thickness. Using the results in this study, we could define clearly the minimum thickness for continuous film where the position of minimum values in the graph when we put the value of Rd3 to y-axis and the film thickness to x-axis. The measured values for the minimum thickness for continuous film are 21 nm and 16 nm for sputtered Al and Sn films, respectively. The new method for defining the minimum thickness for continuous film in this study can be utilized in a basic data when we design an ultra-thin film for the metallization application in nano-scale devices.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, 미세소자 배선용 금속박막에 대한 현재까지의 연구는 대부분 금속박막의 두께가 수십 nm 이상으로 두껍거나 원자층 몇 층의 두께로 아주 얇은 극초박막에 대해 수행되었기 때문에 유착두께와 최소 연속박막두께의 측정방법에 대한 연구결과는 많지 않는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 스파터법으로 Al과 주석(Sn) 금속박막을 유리기판에 형성시키면서 동시에 실시간으로 박막의 전기저항 변화를 측정함으로써 유착두께와 최소 연속박막두께를 보다 정확하게 측정하려고 노력하였다. 또한, 금속박막의 코팅시간 변화에 따른 전기저항의 변화와 투과전자현미경(TEM)을 사용한 미세구조의 분석 결과를 종합해서 각각의 금속박막에 대한 최소 연속박막두께를 좀 더 확실하게 측정할 수 있는 새로운 방법을 제시하고 평가하였다.
따라서, 본 연구에서는 스파터법으로 Al과 주석(Sn) 금속박막을 유리기판에 형성시키면서 동시에 실시간으로 박막의 전기저항 변화를 측정함으로써 유착두께와 최소 연속박막두께를 보다 정확하게 측정하려고 노력하였다. 또한, 금속박막의 코팅시간 변화에 따른 전기저항의 변화와 투과전자현미경(TEM)을 사용한 미세구조의 분석 결과를 종합해서 각각의 금속박막에 대한 최소 연속박막두께를 좀 더 확실하게 측정할 수 있는 새로운 방법을 제시하고 평가하였다.

가설 설정

⁴⁾ 반면에 Fig. 3(b)의 Sn박막은 박막의 두께가 증가함에 따라 전기저항은 계속적으로 감소한다. 박막의 두께 증가에 따른 전기저항의 변화는 금속박막의 종류에 따라 변한다고 보고된 바 있으며, 금속 클러스터의 경계면에 산화물의 형성이 상대적으로 어려운 백금(Pt)이나 은(Ag) 박막의 경우는 Sn 박막과 비슷한 경향을 나타낸다.

제안 방법

1은 극박막 금속박막의 제조공정을 보여주는 개략도이다. 그림에서 보듯이 시편의 제조는 박막을 코팅하면서 실시간으로 저항변화를 측정하기 위한 4개의 전극패드(electrode pad) 제작공정과 금속박막 제조공정으로 구분해서 실시하였다. 기판으로는 소다유리를 사용하고 전극 패드용 금속박막으로는 200 nm두께의 Al박막을 사용하였다.
측정의 정밀도를 높이기 위하여 동일한 조건에서 5개의 시편을 제작하여 두께의 평균값으로 증착율을 구했다. 금속박막의 형성시 최소 연속박막두께를 그래프 방법으로 측정하기 위해 전기저항과 박막의 두께의 조합으로 구성된 값들을 y축으로 두고 여러 가지 방법으로 시도하였다. 종래에 Rycroft등이 제안한 방법인 박막두께 변화에 대한 전기저항(R)에 박막두께의 제곱(d²)를 곱한 값(Rxd²)을 y축으로 사용한 그래프의⁹⁾ 문제점을 해결하기 위하여 전기저항에 박막의 두께를 세제곱(d³)한 값(Rxd³)을 y좌표로 사용해서 그래프로 도시해서 장단점을 비교 평가하였다.
종래에 Rycroft등이 제안한 방법인 박막두께 변화에 대한 전기저항(R)에 박막두께의 제곱(d²)를 곱한 값(Rxd²)을 y축으로 사용한 그래프의⁹⁾ 문제점을 해결하기 위하여 전기저항에 박막의 두께를 세제곱(d³)한 값(Rxd³)을 y좌표로 사용해서 그래프로 도시해서 장단점을 비교 평가하였다. 또한, 유착두께와 최소 연속박막두께에서 미세구조를 관찰하기 위해 금속박막을 비정질 탄소막(carbon film)이 코팅된 구리망사(Cu-grid)에 형성 후 투과전자현미경(TEM) 관찰을 하였다.
마그네트론 스파터법으로 수십 nm 두께의 극박막 범위에서 Al과 Sn 박막의 형성시 금속박막의 두께(d) 증가에 따른 실시간 전기저항(R)의 측정과 TEM관찰을 통한 미세구조의 분석 연구를 수행하였다. 금속박막의 전기저항과 박막두께의 조합인 Rxd³를 y축으로, 박막두께를 x축으로 두고 그래프를 도시함으로써 최소 연속박막두께(d_min)를 용이하게 측정할 수 있었는데, 측정된 최소 연속 박막두께는 Al과 Sn의 경우 각각 21 nm와 16 nm로 나타났다.
스파터 공정시 초기 진공도는 2 × 10−5 torr 이상으로 배기하였으며, 아르곤(Ar) 개스를 주입시켜 3 × 10−2 torr의 압력에서 코팅을 하였다.
2는 스파터 공정시 실시간 전기저항을 측정하기 위한 스파터 챔버내에 설치한 4개의 전극패드가 형성된 기판과 컴퓨터를 활용한 실시간 전기저항 변화를 측정하는 장치를 도식적으로 나타낸 것이다. 실시간 전기저항 변화는 은(Ag)으로 된 전선을 사용해서 전극패드를 스파터챔버 외부에 있는 전기저항 측정장치에 연결시킨 후 4개의 전극패드가 나란히 배열된 부분에만 코팅시키면서 실시간으로 측정하였다.
기판으로는 소다유리를 사용하고 전극 패드용 금속박막으로는 200 nm두께의 Al박막을 사용하였다. 전극패드의 패터닝은 반도체 제조공정에서 널리 사용하는 사진식각(photolithography) 공정으로 수행하였으며, 전극패드의 피치는 5 mm로 패터닝하였다. 극박막 금속박막의 형성은 고순도를 갖는 Al과 Sn타겟을 사용해서 수행하였다.
금속박막의 형성시 최소 연속박막두께를 그래프 방법으로 측정하기 위해 전기저항과 박막의 두께의 조합으로 구성된 값들을 y축으로 두고 여러 가지 방법으로 시도하였다. 종래에 Rycroft등이 제안한 방법인 박막두께 변화에 대한 전기저항(R)에 박막두께의 제곱(d²)를 곱한 값(Rxd²)을 y축으로 사용한 그래프의⁹⁾ 문제점을 해결하기 위하여 전기저항에 박막의 두께를 세제곱(d³)한 값(Rxd³)을 y좌표로 사용해서 그래프로 도시해서 장단점을 비교 평가하였다. 또한, 유착두께와 최소 연속박막두께에서 미세구조를 관찰하기 위해 금속박막을 비정질 탄소막(carbon film)이 코팅된 구리망사(Cu-grid)에 형성 후 투과전자현미경(TEM) 관찰을 하였다.
박막의 형성시 스파터 공정에 따른 증착율(deposition rate)은 유성펜을 사용한 국부적인 박막의 에칭법으로 만든 홈의 깊이를 surface profiler (Model: ET-4000AK)를 사용하여 측정하여 계산하였다. 측정의 정밀도를 높이기 위하여 동일한 조건에서 5개의 시편을 제작하여 두께의 평균값으로 증착율을 구했다. 금속박막의 형성시 최소 연속박막두께를 그래프 방법으로 측정하기 위해 전기저항과 박막의 두께의 조합으로 구성된 값들을 y축으로 두고 여러 가지 방법으로 시도하였다.

대상 데이터

전극패드의 패터닝은 반도체 제조공정에서 널리 사용하는 사진식각(photolithography) 공정으로 수행하였으며, 전극패드의 피치는 5 mm로 패터닝하였다. 극박막 금속박막의 형성은 고순도를 갖는 Al과 Sn타겟을 사용해서 수행하였다. 스파터 공정시 초기 진공도는 2 × 10⁻⁵ torr 이상으로 배기하였으며, 아르곤(Ar) 개스를 주입시켜 3 × 10⁻² torr의 압력에서 코팅을 하였다.
그림에서 보듯이 시편의 제조는 박막을 코팅하면서 실시간으로 저항변화를 측정하기 위한 4개의 전극패드(electrode pad) 제작공정과 금속박막 제조공정으로 구분해서 실시하였다. 기판으로는 소다유리를 사용하고 전극 패드용 금속박막으로는 200 nm두께의 Al박막을 사용하였다. 전극패드의 패터닝은 반도체 제조공정에서 널리 사용하는 사진식각(photolithography) 공정으로 수행하였으며, 전극패드의 피치는 5 mm로 패터닝하였다.
스파터 공정시 초기 진공도는 2 × 10⁻⁵ torr 이상으로 배기하였으며, 아르곤(Ar) 개스를 주입시켜 3 × 10⁻² torr의 압력에서 코팅을 하였다. 사용한 타겟의 지름은 3인치였으며, 마그네트론 스파터시 인가한 전력은 100 W로 고정하였다. Fig.

이론/모형

박막의 형성시 스파터 공정에 따른 증착율(deposition rate)은 유성펜을 사용한 국부적인 박막의 에칭법으로 만든 홈의 깊이를 surface profiler (Model: ET-4000AK)를 사용하여 측정하여 계산하였다. 측정의 정밀도를 높이기 위하여 동일한 조건에서 5개의 시편을 제작하여 두께의 평균값으로 증착율을 구했다.

성능/효과

^1-3) 특히, 극박막 알루미늄(Al) 박막에 대한 연구는 고집적도(ULSI)와 기가스케일 집적도(GSI) 금속배선을 사용한 나노기술의 개발에 있어서 필수적이다.⁴⁾ 극박막 범위에서 금속박막의 전기적 특성은 벌크 재료의 특성과 비교할 때 많은 차이를 보인다. 박막의 두께가 수 nm 이하로 더욱 얇아지게 되면 금속박막의 전기전도도(electrical conductivity)는 급격하게 낮아지는데, 이유는 전자의 평균자유행로(mean free path)가 박막의 두께보다 크게 되어 이동하는 전자들이 박막의 표면과 많은 충돌을 하기 때문으로 보고된 바 있다.
Rycroft등의 연구에 의하면 y축의 값을 Rxd²로 두고 박막의 두께 변화에 대한 y값의 변화시 나타나는 최소값을 나타내는 지점이 최소 연속박막두께라고 제안하였다.⁹⁾ 그런데 Al과 Sn 박막 형성시 y축의 값을 Rxd²로 하고 박막의 두께 변화에 대한 y값의 그래프에서는 y값의 최소값이 알아보기 어려울 정도로 애매하게 나타났다. Al박막과 Sn 박막에서 나타난 대략적인 최소값은 y축의 값이 Rxd²인 경우 각각 23 nm와 22 nm로 나타났다.
금속박막의 전기저항과 박막두께의 조합인 Rxd³를 y축으로, 박막두께를 x축으로 두고 그래프를 도시함으로써 최소 연속박막두께(d_min)를 용이하게 측정할 수 있었는데, 측정된 최소 연속 박막두께는 Al과 Sn의 경우 각각 21 nm와 16 nm로 나타났다. TEM 관찰과 실시간 전기저항 변화의 결과로부터 스파터시 Sn박막의 초기 성장은 Volmer-Weber의 박막성장 모델을 따른다는 것을 확인하였다. 극박막 범위에서 금속박막의 두께 증가에 따른 전기저항 그래프에서 Al 박막은 Sn박막과는 달리 최소 연속박막두께 이전에 전기 저항 값의 최대치가 나타나는 특이점이 발견되었는데, 이유는 미세한 Al 클러스터의 형성과 함께 이웃하는 클러스터의 경계면에 Al산화피막이 형성되기 때문으로 판단된다.
이웃하는 클러스터와의 연결이 시작되는 최초의 지점을 유착두께(coalescence thickness: d_c)라 정의하고, 기판을 완전히 코팅하는 최소한의 두께를 최소 연속박막두께(minimum thickness for continuous film: d_min)로 정의한다. 그들의 실험결과에 의하면, 기판의 온도가 증가할수록 유착두께는 1~3 nm범위에서, 최소 연속박막두께는 대략 3~7 nm 범위에서 점점 증가하는 경향을 보였다. Aswal 등은 분자빔 에피텍셜 방법으로 Si기판에 Al박막을 형성시키는 연구를 수행하여 유착두께와 최소 연속박막두께는 각각 35 nm와 60 nm임을 보고하였다.
마그네트론 스파터법으로 수십 nm 두께의 극박막 범위에서 Al과 Sn 박막의 형성시 금속박막의 두께(d) 증가에 따른 실시간 전기저항(R)의 측정과 TEM관찰을 통한 미세구조의 분석 연구를 수행하였다. 금속박막의 전기저항과 박막두께의 조합인 Rxd³를 y축으로, 박막두께를 x축으로 두고 그래프를 도시함으로써 최소 연속박막두께(d_min)를 용이하게 측정할 수 있었는데, 측정된 최소 연속 박막두께는 Al과 Sn의 경우 각각 21 nm와 16 nm로 나타났다. TEM 관찰과 실시간 전기저항 변화의 결과로부터 스파터시 Sn박막의 초기 성장은 Volmer-Weber의 박막성장 모델을 따른다는 것을 확인하였다.
즉, 서로 다른 방법으로 측정한 최소 연속박막두께의 값이 Al의 경유 21 nm와 23 nm이고, Sn 박막의 경우 16 nm와 22 nm로 비슷하였다. 따라서 본 연구에서 제시하는 y축의 값을 Rxd³로 두고 박막의 두께에 대한 그래프에서 나타나는 최소값으로부터 최소 연속 박막두께를 측정하는 것이 합리적이라고 판단한다.
Table에서 보듯이 동일한 조건에서 스파터한 시편에서 증착율은 거의 비슷하게 나타났다. 또한, 인가 전력이 증가하면 형성되는 Sn박막의 두께도 선형적으로 증가하였으며, 인가 전력이 100 W인 경우 Sn박막의 증착율은 약 0.43 nm/sec로 나타났다. 반면, 동일한 스파터 조건에서 Al박막의 형성시 증착율은 0.
이유는 스파터 박막의 형성시 Al원자와 Al원자 혹은 Sn원자와 Sn원자의 결합 경향이 Al원자와 Sn원자가 소다유리와 결합하려는 경향보다 크기 때문이다. 유착두께와 최소 연속박막두께는 기판의 상태와 전극의 상태에 따라 변할 수 있음을 알 수 있었다. Fig.
이상의 결과들을 종합하면, 부도체인 유리기판에 금속 박막의 형성시 새로운 방법으로 최소 연속박막두께를 측정하는 방법을 제시하고 금속박막의 성장모형을 도식적으로 제안하였다. Al과 Sn박막을 스파터법으로 유리기판에 형성하면 섬 형태의 수많은 클러스터들이 초기에 형성된 후 이웃하는 클러스터들이 접촉되어 박막을 형성하는 VW의 박막성장 모델을 따른다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유착두께란?	유착두께는 이웃하는 금속원자 클러스터들 사이에서 최초로 전기적 통로가 형성되는 지점이고, 최소 연속박막두께는 기판 등의 하부층이 배선용 금속박막에 의해서 완전히 피복되는 최저 두께로 정의되기 때문에 이들 2지점을 경계로 금속박막의 전기적 특성은 크게 달라진다. 따라서, 신뢰성이 높은 극박막 금속박막의 설계와 제조에 있어서 유착두께와 최소 연속박막두께를 정확하게 아는 것은 매우 중요하다.
	극박막 범위에서 금속박막의 경우 박막의 두께가 수 nm 이하로 더욱 얇아지게 되면 전기전도도가 급격하게 낮아지는데, 그 이유는?	4) 극박막 범위에서 금속박막의 전기적 특성은 벌크 재료의 특성과 비교할 때 많은 차이를 보인다. 박막의 두께가 수 nm 이하로 더욱 얇아지게 되면 금속박막의 전기전도도(electrical conductivity)는 급격하게 낮아지는데, 이유는 전자의 평균자유행로(mean free path)가 박막의 두께보다 크게 되어 이동하는 전자들이 박막의 표면과 많은 충돌을 하기 때문으로 보고된 바 있다.4) 박막의 두께가 수 nm 정도로 얇은 극초박막의 경우, 금속박막이 기판의 표면을 완전히 피복하지 못하기 때문에 금속박막은 섬(island) 형태의 불연속상으로 존재할 수 있다.
	박막의 두께가 수 nm 정도로 얇은 극초박막의 경우 금속박막이 섬 형태의 불연속 상으로 존재할 수 있는 이유는?	박막의 두께가 수 nm 이하로 더욱 얇아지게 되면 금속박막의 전기전도도(electrical conductivity)는 급격하게 낮아지는데, 이유는 전자의 평균자유행로(mean free path)가 박막의 두께보다 크게 되어 이동하는 전자들이 박막의 표면과 많은 충돌을 하기 때문으로 보고된 바 있다.4) 박막의 두께가 수 nm 정도로 얇은 극초박막의 경우, 금속박막이 기판의 표면을 완전히 피복하지 못하기 때문에 금속박막은 섬(island) 형태의 불연속상으로 존재할 수 있다. 이런 이유로 두께가 수십 nm이하로 얇은 극박막의 전기적 특성은 박막의 형성시 사용한 타겟 재료, 코팅 방법, 공정변수 및 기판의 종류와 상태 등에 따라 크게 변한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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