[논문]SIMS를 이용한 SiO2/PSG/SiO2/Al-1%Si 적층 박막내의 K 게터링 분석

김진영

doi:10.5695/jkise.2017.50.3.219

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The K gettering in $SiO_2/PSG/SiO_2/Al-1%Si$ multilevel thin films was investigated using SIMS(secondary ion mass spectrometry) and XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis. DC magnetron sputter techniques and APCVD(atmosphere pressure chemical vapor deposition) were utilized for th...

The K gettering in $SiO_2/PSG/SiO_2/Al-1%Si$ multilevel thin films was investigated using SIMS(secondary ion mass spectrometry) and XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis. DC magnetron sputter techniques and APCVD(atmosphere pressure chemical vapor deposition) were utilized for the deposition of Al-1%Si thin films and $SiO_2/PSG/SiO_2$ passivations, respectively. Heat treatment was carried out at $400^{\circ}C$ for 5 h in air. SIMS depth profiling was used to determine the distribution of K, Al, Si, P and other elements throughout the $SiO_2/PSG/SiO_2/Al-1%Si$ multilevel thin films. XPS was used to analyze binding energies of Si and P elements in PSG passivation layers. K peaks were observed throughout the $PSG/SiO_2$ passivation layers on the Al-1%Si thin films and especially at the $PSG/SiO_2$ interfaces. K gettering in $SiO_2/PSG/SiO_2/Al-1%Si$ multilevel thin films is considered to be caused by a segregation type of gettering. The chemical state of Si and P elements in PSG passivation appears to be $SiO_2$ and $P_2O_5$, respectively

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SiO₂/PSG/SiO₂/Al-1%Si 적층 박막에서 K 불순물의 편석형 게터링(segregation type gettering)에 관하여 연구하였다. K, Na 등 알칼리 불순물은 미량의 존재만으로도 미세 전자소자 성능에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있지만 알칼리 불순물 게터링에 대하여는 연구 발표된 것이 많지 않다고 사료된다[4].

제안 방법

그림 1은 SEM(Scanning Electron Microscope, JSM-7100F) 사진으로 Al-1%Si 박막 배선의 구조를 나타낸다. SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막 층 표면에서부터 Al-1%Si 박막 내부까지의 성분 분포는 동적 이차 이온 질량 분석기를 사용하여 크기 12 × 36 μm²인직사각형 부분을 중심으로 이온빔 스퍼터 에칭에 의한 깊이분포측정을 하여 분석하였다. SIMS 분석은 시편 표면의 가장 바깥 원자 층으로부터 방출되는 이차이온을 검출 분석하며, 표면에 민감한 분석 방법으로 극미량 원소 분석이 가능하여 불순물 등의 깊이분포측정에 널리 사용되고 있다[3].
Al-1%Si 박막은 실리콘 반도체 집적회로 기술에서 소자간의 박막배선 재료로서 오랫동안 사용되어지고 있다[6]. SiO₂/PSG/SiO₂/Al-1%Si 적층 박막의 Al-1%Si 박막과 SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막 층은 DC 마그네트론 스퍼터와 상압CVD 법으로 각각 증착하여 제조하였으며, 열처리는 400℃에서 5시간 동안 하였다. 동적 이차 이온 질량분석기(dynamic SIMS)를 이용하여 깊이 분포측정 (depth profiling) 분석 등을 통하여 K, Al, Si, P 등 성분 원소들의 분포를 확인하였으며, X-선 분광분석기(X-ray Photoelectron Spectroscopy)를 이용하여 결합에너지(binding energy) 분석 등을 통하여 Si, P 등 성분 원소들의 화학적 결합 상태를 확인함으로써 K 불순물의 SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막 내 게터링 현상에 관하여 연구하였다.
SiO₂/PSG/SiO₂/Al-1%Si 적층 박막의 Al-1%Si 박막과 SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막 층은 DC 마그네트론 스퍼터와 상압CVD 법으로 각각 증착하여 제조하였으며, 열처리는 400℃에서 5시간 동안 하였다. 동적 이차 이온 질량분석기(dynamic SIMS)를 이용하여 깊이 분포측정 (depth profiling) 분석 등을 통하여 K, Al, Si, P 등 성분 원소들의 분포를 확인하였으며, X-선 분광분석기(X-ray Photoelectron Spectroscopy)를 이용하여 결합에너지(binding energy) 분석 등을 통하여 Si, P 등 성분 원소들의 화학적 결합 상태를 확인함으로써 K 불순물의 SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막 내 게터링 현상에 관하여 연구하였다.
SIMS 분석은 시편 표면의 가장 바깥 원자 층으로부터 방출되는 이차이온을 검출 분석하며, 표면에 민감한 분석 방법으로 극미량 원소 분석이 가능하여 불순물 등의 깊이분포측정에 널리 사용되고 있다[3]. 스퍼터 에칭 현상에 의해 방출되는 입자의 이차이온 생성율(secondary ion yield)을 극대화하기 위해 산소이온(O₂⁺)빔과 세슘이온(Cs⁺)빔을 사용하였으며, 산소 이온빔의 경우 K, Al, Si 성분의 “+” 2차 이온 그리고 세슘 이온빔의 경우 P 성분의 “-” 2차 이온을 각각 검출 분석하였다. 사용된 SIMS(IMS 6F from CAMECA)에서 이온빔의 사용 가능한 최소 직경은 200 nm, 분석영역은 33 μm(Φ)이었으며, raster size는 50 × 50 μm²이었다.

대상 데이터

스퍼터 에칭 현상에 의해 방출되는 입자의 이차이온 생성율(secondary ion yield)을 극대화하기 위해 산소이온(O₂⁺)빔과 세슘이온(Cs⁺)빔을 사용하였으며, 산소 이온빔의 경우 K, Al, Si 성분의 “+” 2차 이온 그리고 세슘 이온빔의 경우 P 성분의 “-” 2차 이온을 각각 검출 분석하였다. 사용된 SIMS(IMS 6F from CAMECA)에서 이온빔의 사용 가능한 최소 직경은 200 nm, 분석영역은 33 μm(Φ)이었으며, raster size는 50 × 50 μm²이었다. 이온 빔에 따른 측정 성분들 그리고 분석 조건을 표 1과 표 2에 각각 나타내었다.

이론/모형

Magnetron Sputter)으로 제작하였다. Al-1%Si 박막층 위 SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막 층은 각각 300 nm 두께로 상압 CVD(chemical vapor deposition)법으로 증착하였다. 열처리는 400℃에서 5시간 동안 대기 중에서 하였다.

성능/효과

/Al-1%Si 적층 박막의 산소이온 빔에 의한 SIMS 깊이분포측정 분석결과로써, 스퍼터 시간이 길수록 표면에서부터 박막 내부로의 질량 27 알루미늄(Al)과 질량 30 실리콘(Si) 원소의 깊이에 따른 막내 성분분포를 나타낸다. Al1%Si 박막 층과 상부 SiO₂/PSG/SiO₂ 의 형성을 확인할 수 있으며, SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막 층은 모두 주성분이 실리콘과 산소로 보호막 층간 계면은 Si 원소의 성분 분포 상으로는 명확히 구별되어 나타나지 않음을 보여준다. Al 성분 피크가 내부 SiO₂ 열산화막 층에서 완만한 감소를 보이는 것은 Al의 SiO₂ 층으로의 상호확산에 의한 것이 아니고, 그림2에서 분석에 사용된 시편의 12 × 36 μm²인 직사각형구조 그리고 표 1에서 Raster size(50 × 50 μm²) 등 SIMS 분석 조건을 고려할 때 깊이분포측정에서 이온빔 스퍼터 에칭에 의한 깊이분해능(depth resolution)의 한계 때문일 것으로 사료된다.
SiO₂/PSG/SiO₂/Al-1%Si 적층 박막에서 K 불순물 게터링은 주로 PSG/SiO₂ 두 보호막 사이의 계면을 중심으로 편석형 게터링에 의해 이루어지는 것으로 판단된다. SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막은 반도체 적층 초고집적회로 기술에서 알칼리 불순물 게터링 효과 향상, 그리고 알칼리 불순물의 층간이동 및 확산 방지를 통한 전자소자 특성 향상을 위해 적합할 것으로 사료된다. 미량의 존재만으로도 미세 전자소자 성능에 치명적인 악영향을 미치는 것으로 알려져 있는 알칼리 불순물 게터링 특성에 대한 이해는 반도체 적층 초고집적회로 기술에서 전자소자의 성능 및 신뢰성 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.

후속연구

따라서 알칼리 불순물의 소자 활성영역으로부터의 제거 즉 게터링은 반도체 적층 초고집적회로 기술에서 전자소자의 성능 향상 및 생산 수율 증가를 위해 절실히 요구된다. SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막은 알칼리 불순물 게터링 효과 향상, 그리고 알칼리 불순물의 층간이동 및 확산 방지를 통한 전자소자 특성 향상을 위해 적합할 것으로 기대된다.
최근까지 게터링에 관한 연구는 Fe, Cu, Au 등 금속 불순물에 대한 internal gettering과 관련된 것이 대부분이고, 미량의 존재만으로도 적층 전자소자의 층간이동 및 확산 등을 통하여 미세 전자소자 성능에 치명적인 악영향을 미치는 것으로 알려진 알칼리 불순물 게터링에 대하여는 연구 발표된 것이 많지 않다고 사료된다. SiO₂/PSG/SiO₂/Al-1%Si 적층 박막내의 K 불순물 게터링에 관한 본 연구가 반도체 적층 초고집적회로 기술에서 알칼리 불순물 등의 게터링 특성 이해 및 전자소자의 성능 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.
SiO₂/PSG/SiO₂ 보호막은 반도체 적층 초고집적회로 기술에서 알칼리 불순물 게터링 효과 향상, 그리고 알칼리 불순물의 층간이동 및 확산 방지를 통한 전자소자 특성 향상을 위해 적합할 것으로 사료된다. 미량의 존재만으로도 미세 전자소자 성능에 치명적인 악영향을 미치는 것으로 알려져 있는 알칼리 불순물 게터링 특성에 대한 이해는 반도체 적층 초고집적회로 기술에서 전자소자의 성능 및 신뢰성 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	게터링에 관한 연구가 지속적으로 이루어지는 이유는?	미세 전자소자의 성능 향상을 위해서 불순물들의 소자활성영역에서의 불활성화 즉 게터링(gettering)에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다[1-3]. 게터링 메카니즘(gettering mechanism)의 명확한 규명을 위해서는 불순물들의 존재확인 및 미세농도 측정, 그리고 성분 원소의 화학적 결합상태 등 분석이 필요하지만 현재의 분석 장비의 공간 분해능(spatial resolution) 한계 등 이유로 아직까지도 명확히 밝혀지지 않고 있는 실정이다[3].
	게터링 메카니즘의 명확한 규명을 위해 무엇이 필요한가?	미세 전자소자의 성능 향상을 위해서 불순물들의 소자활성영역에서의 불활성화 즉 게터링(gettering)에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다[1-3]. 게터링 메카니즘(gettering mechanism)의 명확한 규명을 위해서는 불순물들의 존재확인 및 미세농도 측정, 그리고 성분 원소의 화학적 결합상태 등 분석이 필요하지만 현재의 분석 장비의 공간 분해능(spatial resolution) 한계 등 이유로 아직까지도 명확히 밝혀지지 않고 있는 실정이다[3].
	게터링 메카니즘 중 완화형 게터링은 몇 도에서 이루어지는 것이 일반적인가?	게터링 메카니즘은 일반적으로 완화형 게터링(relaxation type gettering)과 편석형 게터링(segregation type gettering)으로 구분할 수 있다[2]. 완화형 게터링은 Fe, Cu, Au 등 금속 불순물에 대한 internalgettering에서와 같이 1000℃ 이상의 높은 온도에서 이루어지는 것이 일반적이다[2]. 편석형 게터링은 최근 500℃ 이하 저온에서 계면 등을 게터링 센터로 게터링이 나타나는 것이 확인되면서 많은 연구가 이루어지고 있다[1-3].

참고문헌 (10)

H. Zhu, X. Yu, X. Zhu, Y. Wu, J. He, J. Vanhellemont, D. Yang, Low temperature iron gettering by grown-in defects in p-type Czochralski silicon, Superlattices and Microstructures 99 (2016) 192-196.

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M. Al-Amin and J. D. Murphy, Increasing minority carrier lifetime in as-grown multicrystalline silicon by low temperature internal gettering, J. Appl. Phys. 119 (2016) 235704.

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G. Kissinger, D. Kot, M. Klingsporn, M. Schubert, A. Sattler, and T. Muller, Investigation of the copper gettering mechanism of oxide precipitates in silicon, ESC J. Solid State Sci. and Technol., 4 (2015) N124-N129.

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S. Krivec, M. Buchmayr, T. Detzel, M. Nelhiebel, H. Hutter, Voltage-assisted sodium ion incorporation and transport in thin silicon dioxide films, Surf.Interface Anal., 42 (2010) 886-890.

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K. S. Choe, Silicon intrinsic gettering technology: understanding and practice, J. Kor. Mater. Res., 14 (2004) 9-12.

원문보기 상세보기
C. Hang, Y Tian, C. Wang, N. Wang, Ultrasonic bondability and antioxidation property of Ti/Cu/TaN/Ag multi-layers on Si substrate, Thin Solid Films, 524 (2012) 224-228.

상세보기
M. H. Lee, Thin Film Technology, Dooyangsa, Seoul (2009) 165.
J. Walls, VG Ionex, Methods of Surface Analysis, Cambridge University Press, Cambridge (1987) 36-40.
C. D. Wagner, W. M. Riggs, L. E. Davis, and J. F. Moulder, Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, G. E. Muilenberg, Perkin-Elmer Corp., Minnesota (1978) 54.
C. D. Wagner, W. M. Riggs, L. E. Davis, and J. F. Moulder, Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, G. E. Muilenberg, Perkin-Elmer Corp., Minnesota (1978) 52.

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