DC 마그네트론 스퍼터로 증착한 ZrO_(2) 박막의 미세구조와 전기적 특성 고찰 = (A) study of the microstructures and electrical properties of ZrO_(2) thin film on Si(100) deposited by reactive DC magnetron sputtering system

국문 초록 (Abstract)

박막의 증착조건 및 증착후 열처리조건의 변화에 따른 ZrO_(2) 박막의 미세구조와 전기적 특성의 변화에 대한 연구를 수행하였다.
P-type (100) 실리콘 기판 위에 DC 마그네트론 스퍼터링 증착법으로 ZrO_(2) 박막을 증착하였다. 증착한 박막을 아르곤, 질소, 산소 분위기에서 여러가지 조건으로 열처리한 후 ZrO_(2) 박막 및 실리콘 기판과의 계면을 Ellipsometry, XRD, AFM, TEM, RBS, XPS를 이용하여 증착직후의 시편들과 비교 관찰하였다. 또한 열처리에 따른 ZrO_(2) 박막의 전기적 특성의 변화를 Al/ZrO_(2)/p- type (100) Si의 Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) 구조를 형성한 후 캐패시턴스- 전압과 전류- 전압의 측정을 통해 전기적 특성을 분석하였다.
증착시 기판온도와 증착 power가 증가하고 열처리 온도가 증가할수록 ZrO_(2)의 굴절율이 증가함을 관찰하였다. 증착시 기판의 온도가 높을수록 ZrO_(2) 박막은 tetragonal과 monoclinic의 상을 갖는 다결정이었다. 또한 기판온도가 높을수록 박막은 치밀하고 향상된 결정성을 갖음을 관찰할 수 있었다. 산소분위기의 열처리를 행한 경우에 산소가 ZrO2 박막을 통해 확산되어 계면의 실리콘을 산화시켜 계면 산화막이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
Al/ZrO_(2)/p-type (100) Si의 MOS구조로 C-V과 I-V 특성을 관찰한 결과 질소분위기의 열처리를 통하여 박막이 치밀화되어 Cmax 값이 증가하고 산소분위기에서 열처리하는 경우는 계면 산화막의 두께증가로 Cmax 및 누설전류가 감소함을 알 수 있었다. 또한 열처리를 통하여 유전상수가 증가함을 관찰할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We investigated the changes of the microstructures and electrical properties of both the ZrO_(2) film and the interface between the film and Si (100) substrate with deposition and annealing conditions.
ZrO_(2) films deposited on p-type (100) silicon by DC magnetron sputtering system was annealed in Ar, N_(2) and O_(2) ambients, and then the microstructures of ZrO_(2) and the interface were investigated by Ellipsometry, XRD (X-Ray Diffraction), AFM (Atomic Force Microscopy), TEM (Transmission Electron Microscopy), RBS (Rutherford Backscattering spectroscopy), and XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy). Also, the electrical properties were assessed by C-V (Capacitance-Voltage) and I-V (Current-Voltage) measurements of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitor structure of A1/ZrO_(2)/p-type (100) silicon.
We observed that the refractive index value of the ZrO_(2) films increased with an increase in deposition powers and annealing temperatures. The ZrO_(2) films deposited at elevated temperatures are polycrystalline, and both of monoclinic and tetragonal phases exist in the films. The films with higher density and improved crystallinity are obtained at higher deposition temperatures. The interfacial oxide layer between ZrO_(2) films and Si substrates grew upon annealing in the O_(2) gas ambient, which is due to the oxidation of Si substrates by the diffusion of oxidizing species from O_(2) gas ambient. The accumulation capacitance value increased upon annealing in the N_(2) gas ambient due to the densification of the films, while it decreased in O_(2) gas ambient due to the growth of interfacial oxide layer.

목차 (Table of Contents)

• 차례
• 그림 차례 = ⅲ
• 표 차례 = Ⅵ
• 국문요약 = Ⅶ
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 이론적 배경 = 4
• 2.1. 게이트 실리콘 산화막의 두께감소에 따른 한계점 = 4
• 2.2. 고유전상수를 갖는 절연체 물질 = 5
• 2.3. ZrO_(2) 박막의 특징 = 8
• 제3장 실험방법 = 13
• 3.1. 시편제조 = 13
• 3.1.1. 시편 준비 = 13
• 3.1.2. 직류 마그네트론 스퍼터링 증착 장비 = 14
• 3.1.3. 증착 조건 = 14
• 3.2. 열처리 = 19
• 3.3. 분석방법 = 20
• 3.3.1. Ellipsometry = 20
• 3.3.2. XRD (X-ray Diffraction) = 20
• 3.3.3. AFM (Atomic Force Microscopy) = 20
• 3.3.4. RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy) = 21
• 3.3.5. XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) = 21
• 3.3.6. TEM (Transmission Electron Microscopy) = 21
• 3.3.7. 전기적 특성 평가 = 22
• 제4장 결과 및 고찰 = 25
• 4.1. 증착조건 및 열처리조건에 따른 ZrO_(2) 박막의 굴절률 변화 = 25
• 4.2. 증착조건 및 열처리조건에 따른 ZrO_(2) 박막의 결정성 관찰 = 29
• 4.3. ZrO_(2) 박막의 미세 구조 및 계면 반응 관찰 = 34
• 4.3.1 RBS을 통한 ZrO_(2) 박막의 조성 관찰 = 34
• 4.3.2 XPS를 통한 화학 결합 및 화학 조성의 변화 관찰 = 34
• 4.4. 증착조건 및 열처리조건에 따른 ZrO_(2) 박막의 표면 및 계면 변화 관찰 = 40
• 4.4.1. ZrO_(2) 박막의 표면 관찰 = 40
• 4.4.2. TEM을 통한 ZrO_(2) 박막과 실리콘의 계면 반응 관찰 = 45
• 4.5. 열처리에 따른 ZrO_(2) 박막의 전기적 특성 변화 관찰 = 53
• 4.5.1. 캐패시턴스-전압 특성 평가 = 53
• 4.5.2. 전류-전압 특성 평가 = 63
• 제5장 결론 = 67
• 참고문헌 = 69
• ABSTRACT = 72