Nano-Mechanics 분석을 통한 질화 텅스텐 확산방지막의 질소 유량에 따른 박막내 응력 변화 연구

권구은,김수인,이창우 한국진공학회 2013 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2013 No.2

Nano-Mechanics 분석을 통한 질화 텅스텐 확산방지막의 질소 유량에 따른 연구

권구은,김성준,김수인,이창우,Kwon, Ku Eun,Kim, Sung Joon,Kim, Soo In,Lee, Chang Woo 한국진공학회 2013 Applied Science and Convergence Technology Vol.22 No.4

반도체 소자의 소형화, 고집적화로 박막의 다층화 및 선폭 감소로 인한 실리콘 웨이퍼와 금속 박막 사이의 확산을 방지하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구는 tungsten (W)을 주 물질로 증착시 nitrogen (N)의 유량을 2.5~10 sccm으로 변화시키며 증착된 확산방지막의 nano-mechanics 특성에 대해 연구하였다. 증착률, 비저항 및 결정학적 특성을 ${\beta}$-ray backscattering spectroscopy, 4-point probe, X-ray diffraction (XRD)을 이용하여 측정한 후 Nano-indenter를 사용하여 nano-mechanics 특성을 조사하였다. 그 결과 질소 가스 유량이 5 sccm 포함된 박막에서 표면 경도(surface hardness)는 10.07 에서 15.55 GPa로 급격하게 증가하였다. 이후 질소가스의 유량이 7.5 및 10 sccm에서는 표면 경도가 각각 12.65와 12.77 GPa로 질소 가스 유량이 5 sccm인 박막보다 표면경도가 상대적으로 감소하였다. 이는 박막 내 결정질과 비정질의 W과 N의 결합 비율의 차이에 의한 영향으로 생각되며, 또한 압축응력에 기인한 스트레스 증가가 원인으로 판단된다. Many studies have been conducted for preventing from diffusion between silicon wafer and metallic thin film due to a decrease of line-width and multi-layer thin film for miniaturization and high integration of semiconductor. This paper has focused on the nano-mechanical property of diffusion barrier which sample is prepared for various gas flow rate of nitrogen with tungsten (W) base from 2.5 to 10 sccm. The deposition rate, resistivity and crystallographic properties were measured by a ${\beta}$-ray back-scattering spectroscopy, 4-point probe and x-ray diffraction (XRD), respectively. We also has investigated the nano-mechanical property using the nano-indenter. As a result, the surface hardness of W-N thin film was increased rapidly from 10.07 to 15.55 GPa when the nitrogen gas flow was increased from 2.5 to 5 sccm. And the surface hardness of W-N thin film had 12.65 and 12.77 GPa at the nitrogen gas flow of 7.5 and 10 sccm respectively. These results were decreased by the comparison with the W-N thin film at nitrogen gas flow of 5 sccm. It was inferred that these severe changes were caused by the stoichiometric difference between the crystalline and amorphous state in W-N thin film. In addition, these results were caused by increased compressive stress.

Nano-mechanics 분석을 기반으로 Sol-gel PZT 박막의 Plasma에 의한 물리적 특성 변화 연구

김수인,김성준,권구은,김현석,엄은상,박준성,이정현,이창우 한국진공학회 2013 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2013 No.8

Nano-Indenter를 이용한 W-N 확산방지막의 Stress 거동 연구

이규영,김수인,김주영,권구은,이창우 한국진공학회 2012 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2012 No.2

UV 처리에 의한 T-OLED용 산화전극에 적합한 Ag 박막 연구

이규영,김수인,김주영,권구은,강용욱,손지원,전진웅,김민철,이창우 한국진공학회 2012 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2012 No.8

RF Sputtering의 증착 조건에 따른 HfO₂ 박막의 Nanocrystal에 의한 Nano-Mechanics 특성 연구

김주영,김수인,이규영,권구은,김민석,엄승현,정현진,조용석,박승호,이창우,Kim, Joo-Young,Kim, Soo-In,Lee, Kyu-Young,Kwon, Ku-Eun,Kim, Min-Suk,Eum, Seoung-Hyun,Jung, Hyun-Jean,Jo, Yong-Seok,Park, Seung-Ho,Lee, Chang-Woo 한국진공학회 2012 Applied Science and Convergence Technology Vol.21 No.5

현재 Hf (Hafnium)을 기반으로한 게이트 유전체의 연구는 여러 분야에서 다양하게 진행되어져 왔다. 이는 기존의 $SiO_2$보다 유전상수 값이 크고, 또한 계속되는 scaling-down 공정에서도 양자역학적인 터널링을 차단하는 특성이 뛰어나기 때문이다. MOSFET 구조에서 유전체 박막의 두께 감소로 인한 전기적 특성 저하를 보완하기 위해서 high-K 재료가 대두되었고 현재 주를 이루고 있다. 그러나 현재까지 $HfO_2$에 대한 nano-mechanical 특성 연구는 부족한 상태이므로 본 연구에서는 게이트 절연층으로 최적화하기 위하여 $HfO_2$ 박막의 nano-mechanical properties를 자세히 조사하였다. 시료는 rf magnetron sputter를 이용하여 Si (silicon) 기판 위에 Hafnium target으로 산소유량(4, 8 sccm)을 달리하여 증착하였고, 이후 furnace에서 400에서 $800^{\circ}C$까지 질소분위기에서 20분간 열처리를 실시하였다. 실험결과 산소 유량을 8 sccm으로 증착한 시료가 열처리 온도가 증가할수록 누설전류 특성 성능이 우수 해졌다. Nano-indenter로 측정하고 Weibull distribution으로 정량적 계산을 한 결과, $HfO_2$ 박막의 stress는 as-deposited 시료를 기준으로 $400^{\circ}C$에서는 tensile stress로 변화되었다. 그러나 온도가 증가(600, $800^{\circ}C$)할수록 compressive stress로 변화 되었다. 특히, $400^{\circ}C$ 열처리한 시료에서 hardness 값이 (산소유량 4 sccm : 5.35 GPa, 8 sccm : 5.54 GPa) 가장 감소되었다. 반면에 $800^{\circ}C$ 열처리한 시료에서는(산소유량 4 sccm : 8.09 GPa, 8 sccm : 8.17 GPa) 크게 증가된 것을 확인하였다. 이를 통해 온도에 따른 $HfO_2$ 박막의 stress 변화를 해석하였다. Over the last decade, the hafnium-based gate dielectric materials have been studied for many application fields. Because these materials had excellent behaviors for suppressing the quantum-mechanical tunneling through the thinner dielectric layer with higher dielectric constant (high-K) than $SiO_2$ gate oxides. Although high-K materials compensated the deterioration of electrical properties for decreasing the thickness of dielectric layer in MOSFET structure, their nano-mechanical properties of $HfO_2$ thin film features were hardly known. Thus, we examined nano-mechanical properties of the Hafnium oxide ($HfO_2$) thin film in order to optimize the gate dielectric layer. The $HfO_2$ thin films were deposited by rf magnetron sputter using hafnium (99.99%) target according to various oxygen gas flows. After deposition, the $HfO_2$ thin films were annealed after annealing at $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$ for 20 min in nitrogen ambient. From the results, the current density of $HfO_2$ thin film for 8 sccm oxygen gas flow became better performance with increasing annealing temperature. The nano-indenter and Weibull distribution were measured by a quantitative calculation of the thin film stress. The $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had tensile stress. However, the $HfO_2$ thin film with increasing the annealing temperature up to $800^{\circ}C$ had changed compressive stress. This could be due to the nanocrystal of the $HfO_2$ thin film. In particular, the $HfO_2$ thin film after annealing at $400^{\circ}C$ had lower tensile stress, such as 5.35 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 5.54 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. While the $HfO_2$ thin film after annealing at $800^{\circ}C$ had increased the stress value, such as 9.09 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 8.17 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. From these results, the temperature dependence of stress state of $HfO_2$ thin films were understood.

UV 처리에 의한 T-OLED용 산화전극에 적합한 Ag 박막연구: Nano-Mechanics 특성 분석을 중심으로

이규영,김수인,김주영,권구은,강용욱,손지원,전진웅,김민철,이창우,Lee, Kyu Young,Kim, Soo In,Kim, Joo Young,Kwon, Ku Eun,Kang, Yong Wook,Son, Ji Won,Jeon, Jin Woong,Kim, Min Chul,Lee, Chang Woo 한국진공학회 2012 Applied Science and Convergence Technology Vol.21 No.6

Ag (silver)의 일함수는 T-OLED (Top Emission Organic Light Emitting Diode)의 전극소자로 사용하기에는 다소 낮다는 단점이 있다(~4.3 eV). 이러한 단점을 해결하기 위한 대안으로 Ag 박막의 표면을 플라즈마, UV, 열처리를 통하여 일함수를 높이는 연구가 진행되어 왔다(~5.0 eV). 하지만 현재의 대부분 연구는 후 처리된 박막의 일함수에 초점을 맞춰 연구가 진행되어, 박막의 mechanical property에 대한 연구는 매우 부족하며 이는 T-OLED의 효율과 수명 등의 연구에 매우 중요하다. 본 논문에서는 Ag와 $AgO_x$ 박막의 mechanical property에 초점을 맞춰 분석을 실시하였다. Ag는 유리기판 위에 rf-magnetron sputter를 이용하여 100 W의 power에서 150 nm 두께로 증착되었다. 증착된 박막은 UV 램프를 이용하여 다양한 시간동안 UV 처리되었다(0~9분). 본 논문에서는 처리된 박막의 면저항을 측정하고 nano indenter, Scanning Probe Microscopy의 Atomic Force Microscopy mode를 이용하여 mechanical property를 분석하였다. 실험 결과 UV 처리 시간이 3분을 넘어가는 시편과 3분 이내의 시편은 면저항값 및 경도 값에 큰 차이가 있었다. 이러한 결과는 Ag 박막의 후처리에 따른 Ag 물질의 산화 및 결합상태에 따라 박막 내에 존재하는 stress의 영향으로 예상되어진다. The work function of Ag (silver) is too low (~4.3 eV) to be used as an electrode of T-OLED (Top Emission Organic Light Emitting Diode). To solve this weakness, researches used plasma-, UV-, or thermal treatment on Ag films in order to increase the work function (~5.0 eV). So, most of studies have focused only on the work function of various treated Ag films, but studies focusing on nanomechanical properties were very important to investigate the efficiency and life time of T-OLED etc. In this paper, we focused on the mechanical properties of the Ag and $AgO_x$ film. The Ag was deposited on a glass substrate with the thickness of 150 nm by using rf-magnetron sputter with the power was fixed at 100 W and working pressure was 3 mTorr. The deposited Ag film was UV treated by UV lamp for several minutes (0~9 min). We measured the sheet resistance and mechanical property of the deposited film. From the experimental result, there were some differences of the sheet resistance and surface hardness of Ag thin film between short time (0~3 min) and long time UV treatment. These result presumed that the induced stress was taken place by the surface oxidation after UV treatment.

게이트 유전체용 HfO₂박막의 증착 및 열처리 조건에 따른 Nano-Mechanical 특성 연구

김주영,김수인,이규영,권구은,김민석,엄승현,정현진,조용석,박승호,이창우 한국진공학회 2012 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2012 No.8

Nanoindenter를 이용한 박막의 신뢰도 측정과 열적 안정성 연구

김주영,김수인,이규영,최성호,노희윤,권구은,이창우 한국진공학회 2011 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.40 No.0

RF Sputtering의 증착 조건에 따른 HfO₂ 박막의 Nanocrystal에 의한 Nano-Mechanics 특성 연구

김주영(Joo Young Kim),김수인(Soo In Kim),이규영(Kyu Young Lee),권구은(Ku Eun Kwon),김민석(Min Suk Kim),엄승현(Seoung Hyun Eum),정현진(Hyun Jean Jung),조용석(Yong Seok Jo),박승호(Seung Ho Park),이창우(Chang Woo Lee) 한국진공학회(ASCT) 2012 Applied Science and Convergence Technology Vol.21 No.5

재 Hf (Hafnium)을 기반으로한 게이트 유전체의 연구는 여러 분야에서 다양하게 진행되어져 왔다. 이는 기존의 SiO₂보다 유전상수 값이 크고, 또한 계속되는 scaling-down 공정에서도 양자역학적인 터널링을 차단하는 특성이 뛰어나기 때문이다. MOSFET 구조에서 유전체 박막의 두께 감소로 인한 전기적 특성 저하를 보완하기 위해서 high-K 재료가 대두되었고 현재 주를 이루고 있다. 그러나 현재까지 HfO₂에 대한 nano-mechanical 특성 연구는 부족한 상태이므로 본 연구에서는 게이트 절연층으로 최적화하기 위하여 HfO₂ 박막의 nano-mechanical properties를 자세히 조사하였다. 시료는 rf magnetron sputter를 이용하여 Si (silicon) 기판 위에 Hafnium target으로 산소유량(4, 8 sccm)을 달리하여 증착하였고, 이후 furnace에서 400에서 800℃까지 질소분위기에서 20분간 열처리를 실시하였다. 실험결과 산소 유량을 8 sccm으로 증착한 시료가 열처리 온도가 증가할수록 누설전류 특성 성능이 우수 해졌다. Nano-indenter로 측정하고 Weibull distribution으로 정량적 계산을 한 결과, HfO₂ 박막의 stress는 as-deposited 시료를 기준으로 400℃에서는 tensile stress로 변화되었다. 그러나 온도가 증가(600, 800℃)할수록 compressive stress로 변화 되었다. 특히, 400℃ 열처리한 시료에서 hardness 값이 (산소유량 4 sccm : 5.35 GPa, 8 sccm : 5.54 GPa) 가장 감소되었다. 반면에 800℃ 열처리한 시료에서는(산소유량 4 sccm : 8.09 GPa, 8sccm : 8.17 GPa) 크게 증가된 것을 확인하였다. 이를 통해 온도에 따른 HfO₂ 박막의 stress 변화를 해석하였다. Over the last decade, the hafnium-based gate dielectric materials have been studied for many application fields. Because these materials had excellent behaviors for suppressing the quantum-mechanical tunneling through the thinner dielectric layer with higher dielectric constant (high-K) than SiO₂ gate oxides. Although high-K materials compensated the deterioration of electrical properties for decreasing the thickness of dielectric layer in MOSFET structure, their nano-mechanical properties of HfO₂ thin film features were hardly known. Thus, we examined nano-mechanical properties of the Hafnium oxide (HfO2) thin film in order to optimize the gate dielectric layer. The HfO₂ thin films were deposited by rf magnetron sputter using hafnium (99.99%) target according to various oxygen gas flows. After deposition, the HfO₂ thin films were annealed after annealing at 400℃, 600℃ and 800℃ for 20 min in nitrogen ambient. From the results, the current density of HfO₂ thin film for 8 sccm oxygen gas flow became better performance with increasing annealing temperature. The nano-indenter and Weibull distribution were measured by a quantitative calculation of the thin film stress. The HfO₂ thin film after annealing at 400℃ had tensile stress. However, the HfO₂ thin film with increasing the annealing temperature up to 800℃ had changed compressive stress. This could be due to the nanocrystal of the HfO₂ thin film. In particular, the HfO₂ thin film after annealing at 400℃ had lower tensile stress, such as 5.35 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 5.54 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. While the HfO₂ thin film after annealing at 800℃ had increased the stress value, such as 9.09 GPa for the oxygen gas flow of 4 sccm and 8.17 GPa for the oxygen gas flow of 8 sccm. From these results, the temperature dependence of stress state of HfO₂ thin films were understood.