다결정 저마늄 박막의 질소 플라즈마 처리에 따른 전기적 특성 연구 = Effect of Nitrogen Plasma on the Electrical Properties of Polycrystalline Germanium Thin Films

국문 초록 (Abstract)

저마늄(Germanium, Ge)은 최근 반도체 후공정(Back-End-of-Line, BEOL)에서 저온 활성층 형성용 재료로 부상하고 있다. 특히 단일형 3차원 집적회로(Monolithic 3D Integrated Circuits, M3D ICs) 와 같은 적층 소자 구조에서는, Ge가 실리콘(Si)보다 높은 캐리어 이동도를 제공하고 결정화 온도가 낮아 저온 공정에 유리하다는 점에서 주목받고 있다. 이에 따라 500°C 이하의 공정 온도에서 SiO₂/Si 기판 위에 고품질의 Ge 박막을 형성하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
다결정 저마늄(polycrystalline Ge) 박막을 제조하는 다양한 기술 중, 고상 결정화(Solid-Phase Crystallization, SPC) 는 공정이 단순하면서도 비교적 낮은 온도에서 비정질 Ge를 결정화할 수 있는 방법으로 평가된다. 이 방식은 열처리(annealing)를 통해 균일한 결정 구조를 형성하여, 최대 약 690 cm²/V·s 수준의 높은 홀 이동도를 구현할 수 있는 것으로 보고된 바 있다. 또한 SPC 공정은 비용 효율성과 대면적 공정 적합성, 그리고 기존 Si 기반 제조 공정과의 호환성을 동시에 확보할 수 있어, BEOL 단계에서의 활성층 형성에 적합한 접근법으로 간주된다.
그러나 SPC 기반 다결정 저마늄 박막은 결정립계(grain boundary)와 표면 결함(surface defect) 에 기인한 비의도적 p형 도핑과 캐리어 산란(carrier scattering) 문제로 인해 이동도가 저하되는 한계를 갖는다. 이러한 결함은 주로 결정화 과정에서 발생하는 dangling bond, 공공(vacancy), 그리고 산화 잔류물에 의해 유발되며, 전하 이동 경로를 방해하여 소자 특성의 불안정성을 초래한다. 따라서 결함을 효과적으로 제어(passivation)하여 전기적 신뢰성을 확보하는 공정 기술이 필수적이다.
기존에는 수소 플라즈마 처리나 질소 분위기 열처리와 같은 방법이 시도되어 왔으나, 수소 패시베이션은 온도가 상승할 경우 Ge 내 결합 안정성이 저하되어 탈착 및 재활성화가 발생할 수 있고, 열처리 기반 질소 패시베이션 역시 높은 공정 온도에 따른 BEOL 공정 비호환성과 poly-Ge 박막에서의 이동도 향상 사례가 제한적이라는 한계를 가진다. 이에 반해 질소 플라즈마 처리(N₂ plasma passivation)는 활성화된 질소 라디칼이 Ge 표면의 dangling bond와 직접 반응하여 비교적 안정한 Ge–N 결합을 형성할 수 있으며, 이를 통해 전하 트랩(dangling bond trap) 밀도 감소와 산화 억제 효과를 동시에 기대할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 하지만, 이러한 질소 플라즈마 기반 결함 제어 연구는 대부분 단결정 Ge나 MOS 인터페이스 수준에 한정되어 있으며, SPC 다결정 Ge 박막에 적용된 사례는 매우 제한적이다. 또한 플라즈마 전력(power)과 처리 시간(duration)에 따른 표면 손상 및 산화–질화 균형의 상충 관계는 아직 체계적으로 규명되지 않았다.
이에 본 연구에서는 SPC 공정으로 형성된 다결정 Ge 박막을 대상으로 질소 플라즈마 처리 조건(전력·시간 변화)이 캐리어 이동도 및 결함 특성에 미치는 영향을 체계적으로 규명하였다.
Hall 측정 결과, 100W에서 60초 동안의 최적 플라즈마 처리 조건에서 정공 이동도가 크게 향상되고 캐리어 농도가 감소하는 것으로 나타나, 결함 패시베이션 효과가 유효함을 시사하였다. Raman 분광법 및 전자 후방 산란 회절(EBSD) 분석을 통해 이러한 전기적 특성의 개선이 결정성이나 입계 구조의 유의미한 변화 없이 발생함을 확인하였다. X-선 광전자 분광법(XPS) 분석 결과, Ge–N 및 Ge–OxNy 결합 상태가 형성되었으며, 중간 수준의 플라즈마 조건에서 질소가 가장 효과적으로 도입됨을 확인하였다. 반면, 고출력 또는 장시간 처리 조건에서는 표면 열화와 산소 함량 증가가 관찰되었다. 이러한 결과는 질소 플라즈마 처리를 통해 다결정 Ge의 결함을 화학적으로 제어하여 이동도를 향상시킬 수 있으나, 그 효과가 제한된 공정 윈도우 내에서만 나타남을 보여준다.
본 연구는 다결정 반도체 소자에서 플라즈마 기반 표면 공정을 최적화하기 위한 중요한 기초 정보를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the effects of nitrogen plasma treatment on the carrier mobility of solid-phase-crystallized polycrystalline Ge thin films. Hall measurements reveal that optimal plasma treatment at 100 W for 60 seconds significantly enhances hole mobility while reducing carrier concentration, suggesting effective defect passivation. Raman and electron backscattered diffraction analyses confirm that these electrical improvements occur without notable changes in crystallinity or grain structure. X-ray photoelectron spectroscopy reveals the formation of Ge-N and Ge-OxNy bonding states, with optimal nitrogen incorporation occurring at moderate plasma conditions. In contrast, high-power or prolonged treatment leads to surface degradation and increased oxygen incorporation. These findings demonstrate that nitrogen plasma treatment can improve carrier mobility in polycrystalline Ge through controlled chemical passivation, but only within a narrow processing window. The results provide critical insights for optimizing plasma-based surface engineering in polycrystalline semiconductor devices.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 문헌 연구 3
• 2.1 3차원 반도체 (3D IC) 3
• 2.2 TSV 및 미세 연결 기술 5
• 2.3 Monolithic 3D IC 7
• 2.4 고상 결정화 방식 9
• 2.5 저온 다결정 Ge (LTPG) 10
• 2.6 선행연구 11
• 2.6.1 수소 패시베이션 11
• 2.6.2 질소 패시베이션 12
• 제3장 실험방법 13
• 3.1. 다결정 Ge 박막 형성 13
• 3.1.1 비정질 Ge 박막 증착 13
• 3.1.2 Capping layer 증착 및 결정화 13
• 3.2. 질소 플라즈마 처리 14
• 3.3. 다결정 Ge 박막 특성 분석 15
• 3.3.1 Hall effect measurement 분석 15
• 3.3.2 EBSD 분석 16
• 3.3.3 Raman spectroscopy 분석 16
• 3.3.4 XRD 분석 16
• 3.3.5 XPS 분석 17
• 제4장 실험결과 및 고찰 18
• 4.1 전기적 특성 분석 18
• 4.2 결정립 크기 21
• 4.3 응력 효과 22
• 4.4 표면 화학 상태 분석 26
• 제5장 결론 30
• 참고문헌 31
• 영문초록 38
• 감사의 글 40