[논문]스퍼터링법으로 제조된 TaN 박막의 열처리 온도에 따른 전기적 물성에 관한 연구

김인성; 송재성; 김도한; 조영란; 허정섭

스퍼터링법으로 제조된 TaN 박막의 열처리 온도에 따른 전기적 물성에 관한 연구
Electrical characteristic of RF sputtered TaN thin films with annealing temperature 원문보기

김인성 (한국전기연구원 전자기소자연구그룹) , 송재성 (한국전기연구원 전자기소자연구그룹) , 김도한 (한국전기연구원 전자기소자연구그룹) , 조영란 (한국전기연구원 전자기소자연구그룹) , 허정섭 ((주) 메트론 기술연구소)

In recent years, The tantalum nitride(TaN) thin-film has been developed for the electronic resistor and capacitor. In this papers, The effect of thermal annealing in the temperature range of 300∼700$^{\circ}C$ on the sheet resistor properties and microistructure of tantalum nitride(TaN) thin-film deposited by RF sputtering was studied. XRD(X-ray diffractometer) and AFM were used to observe electrical properties and microstructrue of the TaN film and sheet resistance. The TCR properties of the TaN films were discussed in terms of annealing temperature, ratio of nitrogen, crystallization and thin films surface morphology due to annealing temperature. The leakage current of the TaN thin film annealed 400 $^{\circ}C$ was stabilized in the study. How its was found that the sheet resistance in the polycrystalline TaN thin film decreased with increasing the annealing temperature above 600 $^{\circ}C$ after sudden peak upen 400 $^{\circ}C$.

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문제 정의

본 연구에서는 박막 저항재료로 가장 많이 사용되고 있고 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있는 TaN을 선정하였고, 또한 기존의 연구는 N₂ 유량의 변화에 따른 특성 분석에 국한되었기 때문에 본 연구에서는 반응성 스퍼터링법으로 TaN 박막을 제작한 후, 열처리 온도(300~700 ©에 따라 TaN 박막의 Rs(sheet resistance)와 TCR 특성을 평가하고, X-선 회절 분석(XRD)과 AFM(Atomic Force Microscopy) 분석을 실시하여 미세구조 변화를 분석하였으며, 또한 이들 미세 구조의 분석과 측정된 전기적 물성의 상관관계를 고찰하고자 하였다.

제안 방법

RF 스퍼터링 법 방법으로 반응성 가스인 질소를 주입하면서 Tanlum nitride(TaN) thin fita을 증착한 후 열처리 온도에 따라 TaN 박막의 Rs(sheet resistance) 특성을 측정하고 미세구조 변화에 따른 전기적 특성 변화를 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
하지만 본 연구에서는 Ar, N₂ 유량과 증착 시간을 동일화하여 기체 분산효과에 의한 막의 두께 변화는 없는 것으로 판단되고, 또한 열처리 시, 10-6 torr 이하의 진공상태에서 열처리를 행하였으므로 산화 층 의 두께에 의한 전기저항 변화 역시 무시할 수 있을 것이라고 생각된다. 따라서 TaN 박막의 전기저항 변화를 고찰하기 위하여 그림 3~5에서와같이 as-deposition과 300 0 열처리한 TaN 박막시료에 대하여 XRD 회절 분석과 표면 형상 및 표면 조도를 세밀히 분석하였다.
5 seem으로 하여 200W, 5X10-3 torr에서 증착하였다. 증착된 TaN 박막의 열처리 온도에 따른 특성 변화를 고찰하기 위하여 진공 열처리 장치를 이용하여 진공도를 10-6 torr 이하로 한 후, 10 P /min의 승온 속도로 300 -700 P의 온도 범위에서 30분 동안 열처리를 행한 후 fan을 이용하여 상온까지 냉각시켰다.

대상 데이터

본 연구에서는 Tantalum Target과 반응성 가스로는 질소를 사용하였으며, 비정질 상의 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 (100) 으로 배향된 Si-wafer 위에 0.5 ㎛의 두께로 증착하였다. 초기 진공도는 3x10-6 torr 이하이고, 플라즈마 발생 기체 인 Ar 유량은 10 seem로 고정시키고 반웅성 기체로 N₂를 0.

이론/모형

증착된 박막의 두께는 표면 단차 측정기(a-step)와 주사전자현미경 (SEM)을 이용하여 측정하였고, 전기 비저항은 Promatrix Corp.사의 Versa Probe VP10을 이용하여 4 단자 법으로 측정하였으며, TCR 특성을 측정하기 위해 JapanAdvantest 사의의 모델 TR43C의 정밀 항온 조를 이용하여 상온에서 200 r까지 승온하였으며, 독일공업규격 DIN 43760의 식에 따라 계산하였다, 또한 열처리 온도에 따른 박막의 결정 구조는 XRD를 이용하여 분석하였고, 증착된 TaN 박막의 표면 형상을 관찰하기 위하여 AFM를 사용하였다.

성능/효과

3.저항의 변화는 400, 500, 600 "C에서 열처리한 박막은 (200) peak의 기여에 의해 300 P의 것보다 비교적 안정하였다.
1. TaN 박막을 열처리한 결과, 강한 (110) 의 회절 피 크를 보였다. 400 I에서 700 P까지 온도가 중가 할수록 (200) 피크가 성장함을 알 수 있었다.
2. 전기저항 변화는 열처리 온도에 따라 다소 차이가 있지만 150~160 ℃ 까지 비교적 안정하고 이후 급격히 감소하였다. (200)
4. 500 C까지는 표면형상이나 표면조도보다는 열처리 온도의 증가에 따른 TaN 박막의 결정구조 변화가 주요인으로 작용하고, 600 0와 700 0 열 처리 시에 결정립의 중가에도 불구하고 고온열처 리에 의한 표면조도가 증가하였다.
그림에서와같이 400 ℃에서 600 ℃까지는 (110) 회절피크와 성장하는 (200) 회절피크를 보이다가 700 ℃에서는 (200) 회절피크가 (110) 회절피 크보다 강하게 나타남을 알 수 있었다. 열처리 온도가 증가함에 따라 주 회절 선인 (110) 회절 면의 회절 각 20의 변화는 거의 없었고, 600℃ 이상의의 온도에 서는 (200) 면으로 우선 배향(preferred orientation)°] 강하게 나타났다.
그림에서와같이 열처리 전인 As-deposition 상태로부터 500 P까지는 큰 변화가 없지만 600 r 이상에서는 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과 분석으로 보아 그림 2와 같은 전기저항의 변화는 앞서 설명한 바와 같이 500 P까지는 표면 형상이나 표면 조도보다는 열처리 온도의 증가에 따른 TaN 박막의 결정구조 변화가 전기저항에 영향을 주는 주요인으로 작용하고, 600 P와 700 t 열처리 시에 결정립의 증가에도 불구하고 전기저항이 증가하는 것은 고온 열처리에 의한 표면 조도가 증가하였기 때문이라고 생각된다.

후속연구

산화 층의 두께, 그리고 표면 형상 및 표면 조도이다. 하지만 본 연구에서는 Ar, N₂ 유량과 증착 시간을 동일화하여 기체 분산효과에 의한 막의 두께 변화는 없는 것으로 판단되고, 또한 열처리 시, 10-6 torr 이하의 진공상태에서 열처리를 행하였으므로 산화 층 의 두께에 의한 전기저항 변화 역시 무시할 수 있을 것이라고 생각된다. 따라서 TaN 박막의 전기저항 변화를 고찰하기 위하여 그림 3~5에서와같이 as-deposition과 300 0 열처리한 TaN 박막시료에 대하여 XRD 회절 분석과 표면 형상 및 표면 조도를 세밀히 분석하였다.

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