[논문]4H-SiC기판 위에 Aerosol Deposition으로 증착된 Al2O3박막의 후열처리 효과

유수산나; 강민석; 김홍기; 이영희; 구상모

doi:10.4313/jkem.2014.27.8.486

4H-SiC기판 위에 Aerosol Deposition으로 증착된 Al2O3박막의 후열처리 효과
Post Annealing Effect on the Characteristics of Al2O3 Thin Films Deposited by Aerosol Deposition on 4H-SiC 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.27 no.8, 2014년, pp.486 - 490

유수산나 (광운대학교 전자재료공학과) , 강민석 (광운대학교 전자재료공학과) , 김홍기 (광운대학교 전자재료공학과) , 이영희 (광운대학교 전자재료공학과) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

$Al_2O_3$ films on silicon carbide were fabricated by Aerosol deposition with annealing temperature at $800^{\circ}C$ and $1,000^{\circ}C$. The effect of thermal treatment on physical properties of $Al_2O_3$ thin films has been investigated by XRD (X-ray diffraction), AFM (atomic force microscope), SEM (scanning electron microscope), and AES (auger electron spectroscopy). Also electrical properties have been investigated by Keithley 4,200 semiconductor parameter analyzer to explain the interface trapped charge density ($D_{it}$), flatband voltage ($V_{FB}$) and leakage current ($I_o$). $Al_2O_3$ films become crystallized with increasing temperature by calculating full width at half maximum (FWHM) of diffraction peaks, also surface morphology is observed by topography measurement in non-contact mode AFM. $D_{it}$ was $2.26{\times}10^{-12}eV^{-1}.cm^{-2}$ at $800^{\circ}C$ annealed sample, which is the lowest value in all samples. Also the sample annealed at $800^{\circ}C$ has the lowest leakage current of $4.89{\times}10^{-13}A$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

박막을 ADM으로 증착하였으며, 증착한 박막의 결정성과 전기적 특성을 분석하였다. 또한, 후 열처리 (post annealing)공정이 박막 특성과 전기적 특성에 미치는 영향을 분석함으로써 AD로 증착시킨 Al₂O₃ 박막의 응용가능성을 평가하고자 하였다.
본 논문에서는 에어로졸 증착 법으로 성장시킨 Al₂O₃ 박막의 후열처리 공정이 박막의 물리적, 전기적 특성에 미치는 영향에 대한 고찰이 이루어졌다. 표면 morphology 분석 결과 average roughness는 as-grown과 열처리된 소자들을 비교하였을 때, 열처리 온도가 증가함에 따라 RMS roughness 또한 높아지는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 상온 저진공에서 짧은 시간에 증착이 가능한 AD를 사용하여 high-k 물질인 Al₂O₃를 증착하였으며, 후 열처리 (post annealing)가 박막의 물리적/전기적 특성에 미치는 영향을 살펴보았다.

제안 방법

4H-SiC 기판에 α-Al2O3 박막을 증착하기 위해 deposition chamber 내에 위치한 X Y 스테이지에기판을 고정시키고, 노즐과 기판 간 거리 (z-axis)는0.5 ㎜로 맞춘 후 좌우방향으로 약 120 ㎜/sec의 속도로 스테이지를 이송하였다.
4H-SiC 기판에 형성된 Al₂O₃ 막의 유전적 특성을알아보기 위해 C-V 측정이 1 MHz의 고주파에서 reference 소자와 열처리를 한 소자에 공핍영역부터 축적영역까지 sweep 방식으로 수행되었다. 식 (2),(3)을 이용해 평탄화 전압과 계면포획전하 밀도를 도출한 결과를 표 1에 나타내었다 [10,11].
As-grown (without annealing) 및 800, 1,000℃ 각각의 온도에서 열처리된 Al₂O₃ 박막의 미세구조 및표면 형상을 비교하기 위해 AFM, SEM 그리고 XRD분석을 수행하였다.
High temperature furnace를 이용하여 800, 1,000℃각각의 온도에서 1시간 동안 열처리 공정을 수행한 후, MIS capacitor 구조를 모든 샘플 위에 제작하였다. Back metal은 sputter를 사용하여 Ni증착 후RTA를 이용하여 90초 동안 950℃에서 오믹 접합을 형성하였다.
박막 특성 변화를 분석하기 위해 XRD (X-ray diffraction), AFM (atomicforce microscope, AES (auger electron spectroscopy)and SEM (scanning electron microscope)를 사용하였다. 그리고 전기적 특성은 Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer를 사용해 current-voltage (I-V),capacitance-voltage (C-V)를 측정하여 누설전류(leakage current, I_o)와 계면포획전하 밀도 (interfacetrap charge density, D_it), 평탄화 전압 (flatband voltage, V_FB)을 분석하였다.
또한, front metal 형성을 위하여 photolithography 공정으로 지름 1 mm의 패턴을 제작한후, E-beam evaporator를 사용하여 두께 100 nm의Ni을 증착하여 lift-off하였다. 박막 특성 변화를 분석하기 위해 XRD (X-ray diffraction), AFM (atomicforce microscope, AES (auger electron spectroscopy)and SEM (scanning electron microscope)를 사용하였다. 그리고 전기적 특성은 Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer를 사용해 current-voltage (I-V),capacitance-voltage (C-V)를 측정하여 누설전류(leakage current, I_o)와 계면포획전하 밀도 (interfacetrap charge density, D_it), 평탄화 전압 (flatband voltage, V_FB)을 분석하였다.
본 연구에서는 SiC 기판 위에 Al₂O₃ 박막을 ADM으로 증착하였으며, 증착한 박막의 결정성과 전기적 특성을 분석하였다. 또한, 후 열처리 (post annealing)공정이 박막 특성과 전기적 특성에 미치는 영향을 분석함으로써 AD로 증착시킨 Al₂O₃ 박막의 응용가능성을 평가하고자 하였다.
분말 공급기 내의 과립분말의 유동성과 비산성을 향상시키기 위하여 공급기는 진동기 (vibrator)를 이용하였으며, 비산된 분말은 5 L/min 유속으로 시료와의 반응성이 적은 N₂ 이송가스로 에어로졸화 되어 기판에 분사되었다. 4H-SiC 기판 위에 형성된 Al₂O₃박막의 두께는 α-step으로 측정한 결과 500∼600 nm정도임을 확인하였다.

대상 데이터

사용된 single 노즐의orifice의 크기는 10×0.4 mm2이다.
출발 원료로 0.5 μm의 크기와 구 형태를 가지는 Al2O3 분말을 사용하였다.

성능/효과

4H-SiC 기판 위에 형성된 Al2O3박막의 두께는 α-step으로 측정한 결과 500∼600 nm정도임을 확인하였다.
열처리 온도에 따른 RMS roughness의 평균값 변화를 그림 2(d)에 나타내었다. As-grown과 800, 1,000℃에서 열처리된 박막들의 RMS roughness는 각각 25.7, 29.0, 33.1 nm으로 온도가 증가할수록 RMS roughness가 증가하는 경향을 보였다.
89×10^-13 A으로 as-grown 소자와 비교하였을 때 약 45% 감소하였다. As-grown과 800, 1,000℃에서 열처리를 한 소자들 중, 800℃의 열처리를 거친 소자가 가장 우수한 계면포획전하 밀도와 낮은 누설전류 값을 보였다. 또한, 1,000℃의 열처리를 거친 소자는 표면 거칠기가 증가되어 scattering에 의한 채널 이동도가 낮아질 것으로 예상된다.
결과적으로 AD 기술을 이용한 SiC 기판 위의 Al2O3박막 성장에서, 열처리 공정은 박막의 결정화에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 누설전류 및 계면포획전하와 같은 전기적 특성 제어에도 적절한 후처리 공정임을 확인하였다.
또한 전기적 특성 분석 결과 Dit값은 800℃ 열처리 소자에서 2.26×1012 eV-1.cm-2으로 가장 낮았으며 as-grown 소자와 비교하였을 때 약 3% 감소하였고, leakage current는 4.89×10-13 A으로 as-grown 소자와 비교하였을 때 약 45% 감소하였다.
세 가지 샘플을 비교하였을 때, as-grown 상의 α-Al2O3 XRD 피크의 강도는 상대적으로 약하게 나타나고 있으며, 피크의 반가폭 (full width halfmaximum, FWHM) 또한 크게 나타남을 관찰할 수 있다.
박막의 후열처리 공정이 박막의 물리적, 전기적 특성에 미치는 영향에 대한 고찰이 이루어졌다. 표면 morphology 분석 결과 average roughness는 as-grown과 열처리된 소자들을 비교하였을 때, 열처리 온도가 증가함에 따라 RMS roughness 또한 높아지는 것을 알 수 있었다. 또한 전기적 특성 분석 결과 Dit값은 800℃ 열처리 소자에서 2.

후속연구

이는 1,000℃ 이상의 고온 열처리 시 막의 결정화가 진행되며 생성된 domain boundaries에 의하여 누설전류가 증가하는 것으로 판단되며, 후열처리 온도의 최적화를 통해 보다 더 낮은 계면포획전하와 누설류를 가지는 박막의 제조도 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 카바이드의 특징은?	실리콘 카바이드 (silicon carbide, SiC)는 전력 반도체 재료로서의 우수한 물질 특성을 갖고 있으며 특히 절연파괴 전계가 3×106 V/㎝로 실리콘의 약 10배, 에너지 밴드갭은 3.26 eV로 실리콘의 약 3배, 열전도도는 3.7 W/cm·K으로 실리콘의 약 3배로서, 이는SiC가 Si에 비하여 높은 항복전압을 가지면서도 손실은 적고 열방출 특성은 우수하여 고온 및 고방사 환경에서도 사용 가능한 반도체 재료이다 [1,2]. 또한, Si과 마찬가지로 SiC에서도 1,100℃ 이상의 높은 온도가 요구되는 wet/dry oxidation 공정 방법으로SiO2를 형성 가능하다.
	SiO2/SiC를 기반으로 하는 소자 이온주입공정 시 생기는 문제점을 개선하기 위해 SiO2를 대신하여 어떤 물질을 증착하려 하는가?	이를 개선하기 위해 SiO2를 대신하여 HfO2, ZrO2, Al2O3등의 high-k 물질을 ALD (atomic layerdeposition), CVD (chemical vapor deposition), AD(aerosol deposition)와 같은 방법을 사용하여 박막의 특성을 개선하는 연구가 진행되고 있다. 특히, ADM(aerosol deposition method)은 고밀도의 세라믹 막을 고속으로 제조할 수 있는 박막 형성 기술로 미세한 세라믹 분말을 운송 가스에 실어서 기판에 분사함으로써 기판 표면에 세라믹 박막을 형성하며, 1 ㎛ 이하의 박막뿐만 아니라 수백 ㎛ 이상의 치밀한 후막을 단시간에 얻을 수 있다.
	ADM 기술로 어떻게 박막을 형성하는가?	이를 개선하기 위해 SiO2를 대신하여 HfO2, ZrO2, Al2O3등의 high-k 물질을 ALD (atomic layerdeposition), CVD (chemical vapor deposition), AD(aerosol deposition)와 같은 방법을 사용하여 박막의 특성을 개선하는 연구가 진행되고 있다. 특히, ADM(aerosol deposition method)은 고밀도의 세라믹 막을 고속으로 제조할 수 있는 박막 형성 기술로 미세한 세라믹 분말을 운송 가스에 실어서 기판에 분사함으로써 기판 표면에 세라믹 박막을 형성하며, 1 ㎛ 이하의 박막뿐만 아니라 수백 ㎛ 이상의 치밀한 후막을 단시간에 얻을 수 있다. 상온에서 공정이 이루어지기 때문에 기판과 박막 사이에 어떠한 계면반응도 일어나지 않으며, 고분자나 금속과 같은 다양한 물질이 기판으로 사용될 수 있다.

참고문헌 (12)

H. MorKoc, S. Strite, G. B. Gao, M. E. Lin, B. Sverdlov, and M. Burns, J. Appl. Phys., 76, 1363 (1994).

상세보기
P. Masri, Surf. Sci. Rep., 48, 1.-SIC (2002).

상세보기
Y. Sato, Y. Uemichi, K. Nishikawa, and S. Yoshikado, J. Ceram. Soc. Jpn., 18, 092056 (2011).
J. Akedo, J. Am. Ceram. Soc., 89, 1834 (2006).

상세보기
Y. Y. Wang, H. J. Shen, Y. Bai, Y. D. Tang, K. A. Liu, C. Z. Li, and X. Y. Liu, Chin. Phys. B, 22, 078102 (2013).

상세보기
J. C. Park, Y. J, Yoon, H. T. Kim, E. H. Koo, S. M. Nam, J. H. Kim, and K, B. Shim, Journal of the J. Kor. Ceram. Soc., 45, 411 (2008).

원문보기 상세보기
D. W. Lee, H. J. Kim, Y. H. Kim, Y. H. Yun, and S. M. Nam, J. Amer. Ceram. Soc., 94, 3131 (2011).

상세보기
A. L. Patterson, Phys. Rev., 56, 978 (1939).

상세보기
T. W. Na, J. M. Kim, M. K. Kim, and H. J. Kim, J. Kor. Phys. Soc., 59, 452 (2011).

상세보기
C. K. Yew, J. H. Moon, D. Eom, H. J. Kim, W. Ahng, and N. K. Kim, ESL, 10, H69-H71 (2007).
D. K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization (John Wiley & Sons, New York, 1998).
C. M. Tanner, P. Ya-Chuan, C. Frewin, S. E. Saddow, and J. P. Chang, Appl. Phys. Lett., 91, 203510 (2007).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증