[논문]SPM (Scanning Probe Microscopy)을 이용한 <tex> $SiO_2$</tex> layer에서의 실리콘 나노 크리스탈의 전기적 특성 분석

김정민; 허현정; 손정민; 이은혜; 강윤호; 강치중; 김용상

[국내논문] SPM (Scanning Probe Microscopy)을 이용한 $SiO_2$ layer에서의 실리콘 나노 크리스탈의 전기적 특성 분석
Characterization of Electrical Properties of Si Nanocrystals Embedded in a $SiO_2$ Layer by Scanning Probe Microscopy 원문보기

김정민 (명지대학교 전기공학과) , 허현정 (명지대학교 전기공학과) , 손정민 (명지대학교 물리학과) , 이은혜 (삼성종합기술원) , 강윤호 (삼성종합기술원) , 강치중 (명지대학교 물리학과) , 김용상 (명지대학교 전기공학과)

본 연구에서는 scanning probe microscopy(SPM)을 이용하여 국소영역에서 silicon nanocrystal(Si NC)의 전기적 특성을 분석하였다. Si NCs은 압축된 silicon powder를 laser로 분해하는 laser ablation 방식으로 제조되었고, sharpening oxidation 과정을 통하여 Si NC 주변에 oxide shell을 형성시켰다. 이 과정에서 Si NCs은 $10{\sim}50 nm$의 크기와 약 $10^{11}/cm^2$의 밀도로 $SiO_2$층에 증착되었다. SPM의 conducting tip을 통하여 전하는 각각의 Si NC로 주입되게 되고, 이로 인하여 발생하는 SCM image와 dC/dV curve의 변화를 통하여 Si NC에서 전하 거동을 모니터 하였다. 또한 국소영역에서 Si NC의 전기적 특성을 MOS capacitor 구조에서의 C-V 특성과 비교 분석하였다.

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문제 정의

하지만 일반적으로 이러한 측정은 gate 아래 Si NCs들의 전체적인 특성만을 보여준다. 따라서 본 연구에서는 SiO2층 내에 증착된 단일 Si NC의 특성올 규명하기 위하여 conducting tip을 이용한 SPM을 사용하여 [5-19] 국소영역에서 Si NC의 전기적인 특성을 측정하였다. Electrostatic force microscopy (EFM)를 이용하여 Si NC의 충전 현상을 관찰하였고, scanning capacitance microscopy (SCM)을 이용하여 dC/dV curve 이동과 image 변화를 측정함으로써 단일 Si NC에 나타나는 충전 현상과 절연 기판 위에 위치한 Si NCR] 충전될 수 있다는 것을 관찰하였다.

제안 방법

Si NCse size와 density에 따라 여러가지 다른 전기적 특성을 갖게 된다. 따라서 이런 전기적 특성을 분석하기 위하여 Si NCs의 C-V를 측정하였다. 하지만 일반적으로 이러한 측정은 gate 아래 Si NCs들의 전체적인 특성만을 보여준다.
따라서 본 연구에서는 SiO2층 내에 증착된 단일 Si NC의 특성올 규명하기 위하여 conducting tip을 이용한 SPM을 사용하여 [5-19] 국소영역에서 Si NC의 전기적인 특성을 측정하였다. Electrostatic force microscopy (EFM)를 이용하여 Si NC의 충전 현상을 관찰하였고, scanning capacitance microscopy (SCM)을 이용하여 dC/dV curve 이동과 image 변화를 측정함으로써 단일 Si NC에 나타나는 충전 현상과 절연 기판 위에 위치한 Si NCR] 충전될 수 있다는 것을 관찰하였다. 이 방식으로 각각의 Si NC의 전기적 특성을 더욱 정밀히 관찰 할 수 있었으며, 전자 주입 변수를 더욱 정밀하고 더욱 정확하게 제어하였다.
Si NC 바깥쪽에 1'2 nm oxide shell을 형성하는 sharpening oxidation 공정을 실시한 후 10~50 nm의 크기와 약 IQ'i/cnS의 density를 갖는 Si NCs을 4" Si wafer 위에 증착 하였다 (그림 1). 또한 C-V 측정을 위하여 100 umxlOO um 크기의 Al gate를 gate oxide 위에 증착하여 MOS 구조를 만들었다. 만들어진 samplee Keithley와 HP LCR meter를 이용하여 C-V를 측정하였고, 이를 통하여 Si NCs의 전기적 특성을 분석하였다.
또한 C-V 측정을 위하여 100 umxlOO um 크기의 Al gate를 gate oxide 위에 증착하여 MOS 구조를 만들었다. 만들어진 samplee Keithley와 HP LCR meter를 이용하여 C-V를 측정하였고, 이를 통하여 Si NCs의 전기적 특성을 분석하였다. 또한 이 실험에서는 단일 Si NC의 충전 효과를 분석하기 위하여 atomic force microscope (XE-100, PSIA crop.
만들어진 samplee Keithley와 HP LCR meter를 이용하여 C-V를 측정하였고, 이를 통하여 Si NCs의 전기적 특성을 분석하였다. 또한 이 실험에서는 단일 Si NC의 충전 효과를 분석하기 위하여 atomic force microscope (XE-100, PSIA crop.)에 매우 민감한 capacitor sensor를 부착한 SCM을 이용하여 국소영역에서의 Si NC의 전기적 특성을 분석 하였다 그림 2).
이는 높은음의 전압을 가할수록 더 많은 전자가 Si NC로 충전되기 때문이다. 좀더 자세하게 Si NC의 충전 효과를 관찰하기 위하여 우리는 EFM과 SCM를 이용하여 단일 Si NC의 충전 효과를 관찰하였다. Si NC의 과잉 전하들은 SPM tip과 sample사이의 정전기적 힘에 관계된다.
높이와 명암의 확연한 변화는 SPM이 전하 주입에 민감하게 반응하는 것을 나타낸다. 난일 Si NC의 충전 효과를 더욱더 정밀하게 관찰하기 위하여 매우 감도가 좋은 capacitance sensor (-10 F/V)가 부착된 SCM을 이용하여 Si NC에서의 dC/dV 변화량과 SCM image 변화를 관찰 하였다. SCMe SiNC에 전하의 충전과 충전된 전하의 시간에 따른 거동을 모니터 하는데도 유용한 툴로 이용될 수 있다.
NC을 형성시켰다. 단일 Si NC의 전기적 특성을 분석하기 위하여 SPM tip을 이용하여 단일 Si NC에 전하를 주입하였고 인가된 전압에 따른 EFM image와 SCM image를 측정하였다. 또한 SCM을 이용하여 dC/dV curve를 측정함으로써 Si NC에서 일어나는 충전 효과를 관찰하였다.
단일 Si NC의 전기적 특성을 분석하기 위하여 SPM tip을 이용하여 단일 Si NC에 전하를 주입하였고 인가된 전압에 따른 EFM image와 SCM image를 측정하였다. 또한 SCM을 이용하여 dC/dV curve를 측정함으로써 Si NC에서 일어나는 충전 효과를 관찰하였다. 이 결과는 MOS 구조에서 C-V 특성과 비교 분석하였다.
이 결과는 MOS 구조에서 C-V 특성과 비교 분석하였다. 충전현상에 의해 야기된 Si NC image 의 뚜렷한 명암 차이를 통하여 효과적인 충전 변수 제어를 위한 Si NCR] 크기와 주입 방향을 대략적으로 측정하였다.

대상 데이터

이런 여러 가지 장점으로 인하여 Si nanocrystals (NCQe 현 메모리 구조를 대체 할 수 있을 것으로 본다. 본 연구에서는 나노 크기의 입자로서 Si NCs을 이용하였다 [1-4]. Si NCse laser ablation방법을 이용하여 크기 10~50 nm, 밀도 약 1011 /cn?를 갖도록 만들었다.

데이터처리

또한 SCM을 이용하여 dC/dV curve를 측정함으로써 Si NC에서 일어나는 충전 효과를 관찰하였다. 이 결과는 MOS 구조에서 C-V 특성과 비교 분석하였다. 충전현상에 의해 야기된 Si NC image 의 뚜렷한 명암 차이를 통하여 효과적인 충전 변수 제어를 위한 Si NCR] 크기와 주입 방향을 대략적으로 측정하였다.

이론/모형

Si NCs 제작은 압축된 silicon 파우더를 lasei로분해하는 laser ablation 방법을 이용하여 생성하였다. 동종 가스 핵 형성에 의해 입자를 생성하고 기상증착 방식으로 성장시켰다.
본 연구에서는 절연 기판위에 laser ablation 방법으로 Si NC을 형성시켰다. 단일 Si NC의 전기적 특성을 분석하기 위하여 SPM tip을 이용하여 단일 Si NC에 전하를 주입하였고 인가된 전압에 따른 EFM image와 SCM image를 측정하였다.

성능/효과

Electrostatic force microscopy (EFM)를 이용하여 Si NC의 충전 현상을 관찰하였고, scanning capacitance microscopy (SCM)을 이용하여 dC/dV curve 이동과 image 변화를 측정함으로써 단일 Si NC에 나타나는 충전 현상과 절연 기판 위에 위치한 Si NCR] 충전될 수 있다는 것을 관찰하였다. 이 방식으로 각각의 Si NC의 전기적 특성을 더욱 정밀히 관찰 할 수 있었으며, 전자 주입 변수를 더욱 정밀하고 더욱 정확하게 제어하였다.

후속연구

또한 작은 셀 영역에서 누설전류를 억제할 수 있어 소자 집적도를 향상 시킬 수 있다. 이런 여러 가지 장점으로 인하여 Si nanocrystals (NCQe 현 메모리 구조를 대체 할 수 있을 것으로 본다. 본 연구에서는 나노 크기의 입자로서 Si NCs을 이용하였다 [1-4].

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