[논문]ICP Source를 이용한 저온 증착 a-SiNx:H 특성 평가

강성칠; 이동혁; 소현욱; 장진녕; 홍문표; 권광호

doi:10.4313/jkem.2011.24.7.532

ICP Source를 이용한 저온 증착 a-SiNx:H 특성 평가
Low Temperature Deposition a-SiNx:H Using ICP Source 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.7, 2011년, pp.532 - 536

강성칠 (고려대학교 제어계측공학과) , 이동혁 (고려대학교 디스플레이반도체물리학과) , 소현욱 (고려대학교 디스플레이반도체물리학과) , 장진녕 (고려대학교 디스플레이반도체물리학과) , 홍문표 (고려대학교 디스플레이반도체물리학과) , 권광호 (고려대학교 제어계측공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The silicon nitride films were prepared by chemical vapor deposition using inductively coupled plasma. During the deposition, the substrate was heated at $150^{\circ}C$ and power 1,000 W. To evolution low temperature manufacture, we have studied the role of source gases, $SiH_4$, $NH_3$, $N_2$, and $H_2$, to produce Si-N and N-H bond in a-SiNx:H film growth. $SiH_4$, $NH_3$, and $N_2$ flow rate fixed at 100, 10, and 10 sccm, $H_2$ flow rate varied from 0 to 10 sccm by small scale. To get the electrical characteristics, we makes MIM structure, and analysis surface bonding state. Experimental data show that Si-N and N-H bond is increased and hence electrical characteristics is showed 3 MV/cm breakdown-voltage, and leakage-current $10^{-7}\;A/cm^2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 저온에서 게이트 절연막을 증착하는데 목적을 두고 있다. 본 연구에 쓰인 장비는 ICP 장비로써, 내부에 장착된 alumina internal antenna를 통하여 고밀도 플라즈마를 발생시켜 실리콘 질연막을 저온에서 증착하도록 한다.
이에 DLP (double langmuir probe)를 이용하여 그 거동을 추출한 뒤, 이에 대한 해석 메커니즘을 규명할 필요성이 있으나, 가스 조건에 따라서 많은 reaction이 생긴다. 수식의 복잡화와 거대화로 인하여, 본 논문에서는 OES를 이용하여 플라즈마 내의 radical과 하전입자에 따른 거동과 이에 따른 전기적 특성의 평가만을 다루었다. 이후 진행되는 연구에서는 DLP를 이용한 plasma 상태 분석과 이에 대한 해석 메카니즘을 구현하며, 150℃ 이하에서의 고품질의 박막을 얻을 수 있는 방법을 연구 진행하도록 한다.
수소 5 sccm이 첨가된 플라즈마 조건에서 가장 큰 Hα와 Hβ peak intensity를 통하여 앞에서 언급된 사실을 확인할 수 있다 [10,11]. 저온공정에서 부족한 결정 성장에 필요한 에너지를 대체하기 위해 플라 즈마 내에서 박막증착에 가장 주된 radical들과 하전 입자들을 만들어 내어 저온공정상에서 우수한 박막을 얻을 수 있는 것이다. 그림 2(b)에서 H₂ 0 sccm 과 5 sccm에서 얻어진 NH₃*와 N₂+의 OES peak intensity는 동일해 보인다.

제안 방법

SiH4/NH3/N2 플라즈마에 H2가 첨가되면서, 변화하는 OES spectrum의 특징에 대하여, Hα와 Hβ (655.3-658 nm, 485.3-487.4 nm), NH 3 * (336 nm) 그리고 N2*(300-450nm)를 관찰하였다 [8,9].
증착된 박막의 상태는 앞에서 언급한 p형 실리콘위에 증착된 박막을 FT-IR을 통하여 박막 내 Si-H와 N-H, 그리고 Si-N 결합을 분석하였다. 게이트 절연막으로 쓰일 a-SiN:H 의 전기적 특성은 유리기판위에 증착된 MIM구조를 HP4156C (LCR meter)을 이용하여 I-V curve를 측정 후, leakage-current와 breakdown-voltage를 계산하였다. 또한 HP4,284A (semiconductor parameter analyzer) 를 통하여 절연상수를 계산함으로써, 유전율을 계산하였다.
또한 HP4,284A (semiconductor parameter analyzer) 를 통하여 절연상수를 계산함으로써, 유전율을 계산하였다. 그리고 박막이 증착될 때의 플라즈마 상태를 관찰하기 위하여 OES (Avaspec-3,638, Avantes)를 통하여 분석하였다.
게이트 절연막으로 쓰일 a-SiN:H 의 전기적 특성은 유리기판위에 증착된 MIM구조를 HP4156C (LCR meter)을 이용하여 I-V curve를 측정 후, leakage-current와 breakdown-voltage를 계산하였다. 또한 HP4,284A (semiconductor parameter analyzer) 를 통하여 절연상수를 계산함으로써, 유전율을 계산하였다. 그리고 박막이 증착될 때의 플라즈마 상태를 관찰하기 위하여 OES (Avaspec-3,638, Avantes)를 통하여 분석하였다.
앞에서 언급된 그림 2와 그림 3의 내용을 그림 4를 통하여 검증하였다. 무한정 증가된 수소량이 아닌 일정량의 수소량이 첨가되었을 때 (본 실험 조건에서는 H₂, 5 sccm), 플라즈마 내의 a-SiNx:H의 증착을 위한 활성 radical과 하전입자들의 생성이 수소 여기로 인한 electron 들의 운동으로 생성량이 증가함으로써, 고품질의 게이트 절연막을 얻을 수 있었으며, 그 전기적 특성을 평가하였다.
를 첨가하여 이에 따른 고품질의 게이트 절연층 (a-SiNx:H) 을 증착한다. 박막의 특성평가를 위하여 fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) 측정과, plasma 활성종 상태 분석을 위한 OES (optical emission spectroscopy) 분석, 그리고 전기적 특성 평가를 위하여 I-V와 conductivity를 측정하였다.
sample-holder에 연결된 heater를 통하여 150℃를 유지하도록 한다. 박막이 증착될 기판은 fourier transfer-infrared absorption (FT-IR) 분석을 위한 2인치 p형 실리콘 웨이퍼와 전기적 특성분석을 위한 MIM (metal-insulator-metal) 구조를 증착할 유리 기판 (boron-alumina silicate, corning 1,737)을 아세톤과 알콜 세정 후, DI-water로 린스 처리하였다.
본 연구는 저온에서 게이트 절연막을 증착하는데 목적을 두고 있다. 본 연구에 쓰인 장비는 ICP 장비로써, 내부에 장착된 alumina internal antenna를 통하여 고밀도 플라즈마를 발생시켜 실리콘 질연막을 저온에서 증착하도록 한다. sample-holder에 연결된 heater를 통하여 150℃를 유지하도록 한다.
본 연구에서는 flexible display를 위하여 ICP source를 사용하여, 저온 공정 게이트 절연막인 a-SiNx:H의 증착과 특성평가가 진행되었다. 150℃ 에서 진행된 게이트 절연막 증착에서 플라즈마 내의 보다 많은 활성 radical과 하전입자들을 생성시키기 위하여, 수소가 첨가되었으며 일정량의 수소가 첨가 되었을 때, 빠져나온 electron들의 영향으로 많은 입자가 활성되었으며, 이로 인하여 고품질의 박막을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 저온에서의 gate 절연층인 a-SiNx:H 의 증착을 위하여 낮은 열에너지를 대체하여 ICP (inductively coupled plasma) source를 사용하여 플라즈마를 활성화시켰으며, 추가적으로 보다 안정적인 결과를 얻기 위하여 H₂를 첨가하여 이에 따른 고품질의 게이트 절연층 (a-SiNx:H) 을 증착한다. 박막의 특성평가를 위하여 fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) 측정과, plasma 활성종 상태 분석을 위한 OES (optical emission spectroscopy) 분석, 그리고 전기적 특성 평가를 위하여 I-V와 conductivity를 측정하였다.
증착된 박막의 두께는 300 nm (alpha-step 500, KLA-tencor)로 실험의 신뢰성을 위하여 통일하였다. 증착된 박막의 상태는 앞에서 언급한 p형 실리콘위에 증착된 박막을 FT-IR을 통하여 박막 내 Si-H와 N-H, 그리고 Si-N 결합을 분석하였다. 게이트 절연막으로 쓰일 a-SiN:H 의 전기적 특성은 유리기판위에 증착된 MIM구조를 HP4156C (LCR meter)을 이용하여 I-V curve를 측정 후, leakage-current와 breakdown-voltage를 계산하였다.

성능/효과

본 연구에서는 flexible display를 위하여 ICP source를 사용하여, 저온 공정 게이트 절연막인 a-SiNx:H의 증착과 특성평가가 진행되었다. 150℃ 에서 진행된 게이트 절연막 증착에서 플라즈마 내의 보다 많은 활성 radical과 하전입자들을 생성시키기 위하여, 수소가 첨가되었으며 일정량의 수소가 첨가 되었을 때, 빠져나온 electron들의 영향으로 많은 입자가 활성되었으며, 이로 인하여 고품질의 박막을 얻을 수 있었다.
의 값이 본 실험에서 얻은 가장 최적화된 전기적 특성을 보여준다. 150℃ 저온 공정에서 SiH₄/NH₃/N₂ 플라즈마 조건에 H₂의 가스를 첨가하면서, 수소가 5 sccm 일 때 가장 좋은 박막의 특성을 얻을 수 있었으며, 이때의 유전율은 8.63으로 나타났다. 기존의 nomalized된 공정에서 얻을수 있는 a-SiNx:H 박막의 특성과 비교해 보았을 때, 비교적 근접한 게이트 절연막의 특성을 얻었음을 확인하였다.
63으로 나타났다. 기존의 nomalized된 공정에서 얻을수 있는 a-SiNx:H 박막의 특성과 비교해 보았을 때, 비교적 근접한 게이트 절연막의 특성을 얻었음을 확인하였다.
전계에 대하여 3 MV/cm 이하에 대한 누설전류량은 단위면적 당 10^-7 A/cm² 의 값이 본 실험에서 얻은 가장 최적화된 전기적 특성을 보여준다. 150℃ 저온 공정에서 SiH₄/NH₃/N₂ 플라즈마 조건에 H₂의 가스를 첨가하면서, 수소가 5 sccm 일 때 가장 좋은 박막의 특성을 얻을 수 있었으며, 이때의 유전율은 8.

후속연구

본 연구에 있어 추가적으로 플라즈마내의 활성종 거동을 유출할 수 있는 방법이 필요하다. 이에 DLP (double langmuir probe)를 이용하여 그 거동을 추출한 뒤, 이에 대한 해석 메커니즘을 규명할 필요성이 있으나, 가스 조건에 따라서 많은 reaction이 생긴다.
수식의 복잡화와 거대화로 인하여, 본 논문에서는 OES를 이용하여 플라즈마 내의 radical과 하전입자에 따른 거동과 이에 따른 전기적 특성의 평가만을 다루었다. 이후 진행되는 연구에서는 DLP를 이용한 plasma 상태 분석과 이에 대한 해석 메카니즘을 구현하며, 150℃ 이하에서의 고품질의 박막을 얻을 수 있는 방법을 연구 진행하도록 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	a-SiNx:H를 증착할 때 암모니아를 챔버 내에 유입하는 이유는?	플라즈마 내의 주된 활성종인 SiH와 NH 가 반응하여 박막내의 수소함량에 따라 박막의 특성이 크게 좌지우지 된다. 암모니아를 첨가하는 것은 박막의 dangling-bond의 passivation이 주된 목적이다. 암모니아에서 분리된 수소가 일정함량을 기준으로 너무 많이 들어간다면 defect creation의 원인이 되어 박막내의 weak-bond들을 수소들이 파괴함으로써, localized-band를 형성시킴으로써, 전기적 특성을 저하시키며, 또한 너무 적은 수소가 첨가되면, trap이 형성되어 leakage current를 발생시킴으로써 소자 열화의 주된 원인이 된다 [4-6].
	박막 트랜지스터의 활성층 (a-Si)과 gate 절연층 (SiNx)의 증착에는 어떤 방법이 있는가?	게이트 절연막으로 쓰이는 실리콘 질화막 (silicon nitride)은 MEMS 공정에 있어 중요한 물질이다. 박막 트랜지스터의 활성층 (a-Si)과 gate 절연층 (SiNx)의 증착에는 약 750℃로 가열되어 증착되는 LPCVD (low-pressure chemical vapor deposition) 기법과 상대적으로 저온에서 (200 - 350℃) 증착되는 PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) 증착법이 있다. 최근 대두되고 있는 flexible display 적용을 위한 플라스틱 기판위에 공정을 진행되기 위해서는 저온 공정이 필수적으로 대두 되고 있다.
	PECVD의 단점은?	하지만 이에 대한 공정 기술 개발은 크게 이루어지고 r있지 않는 실정이다. 낮은 온도에서 (≤ 200℃) 증착 됨으로써, 플라즈마를 이용한 기상 증착법을 사용 시, 박막의 결정을 성장시키는데 열에너지가 부족하게 되고 이에 따른 박막의 균일도나 그 특성이 약해질 수가 있다. 특히 게이트 절연막으로 쓰이는 a-SiNx:H 의 증착을 위해서는 공정기술 개발이 필요하다.

참고문헌 (11)

J. Yota, J. Hander, and A. A. Saleh, J. Vac. Sci. Technol., A18 (2000).
D. L. Smith, A. S. Alimonda, C. C. Chen, S. E. Ready, and B. Wacker, J. Electro. Chem. Soc., 137, 614 (1990).

상세보기
D. Murley, I. French, S. Deane, and R. Gibson. J. Non-Cryst. Solids., 198, 1058 (1996).

상세보기
W. B. Jackson, J. M. Marshall, and M. D. Moyer. Phys. Rev., B39, 2 (1989).
C. V. Berkel and M. J. Powell. J. Non-Cryst. Soilds., 97, 903 (1987).

상세보기
M. J. Powell, IEEE Trans. Electron. Dev., 36, 2753 (1989).

상세보기
D. V. Tsu, G. Lucovsky, and M. J. Mantini, Phys. Rev., B33, 7069 (1986).

상세보기
P. Li and W. W. Fan, Chem. Phy. Lett., 367, 645 (2003).

상세보기
Y. B. Park and S. W. Rhee. J. Mater. Phys., 12, 515 (2001).
H. Ohta, A. Nagashima, M. Hori, and T, Goto, J. Appl. Phys., 89 (2001).
R. Wolf, K. Wandel, and B. Gruska. Surf. Coat. Technol., 142 (2001).

저자의 다른 논문 :

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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