[논문 리뷰] Effect of RF Sputtering Process Parameters on Silicon Nitride Thin Film Deposition

Sachin S Bharadwaj, GR Rajkumar외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 27.

Semiconductor materials and devices참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 실리콘 nitride 박막 증착을 위한 RF 스퍼터링 공정 조건—증착 전력, 시간, 아르곤 및 질소 유량—의 최적화를 조사한다. 태지우 L9 수직 배열을 사용하여 질소 유량이 박막 품질을 크게 향상시킴을 확인하였으며, 이로 인해 전기 저항률은 7.85×10¹³ Ω·m에 도달하고 굴절률은 최대 2.08에 이르렀다. 또한 SEM 및 XRD 분석을 통해 모든 샘플에서 비정질 구조가 확인되었다.

ABSTRACT

The objective of this work was to study the RF sputtering process parameters optimisation for deposition of Silicon Nitride thin films. The process parameters chosen to be varied were deposition power, deposition duration, flow rate of argon and flow rate of nitrogen. The parameters were varied at three levels according to Taguchi L9 orthogonal array. Surface topology, film composition, coating thickness, coating resistivity and refractive index were determined using SEM, XRD, profilometer, Semiconductor device analyser and UV spectrometer respectively. The measured film thickness values ranged from 127.8nm to 908.3nm with deposition rate varying from 1.47nm/min to a maximum value of 10.1nm/min. The resistivity of the film varied between 1.53x1013ohm-m to 7.85 x1013ohm-m. Refractive index of the film was calculated to be between 1.84 to 2.08. From the results, it was seen that film properties tend to be poor when there is no nitrogen flow and tend to improve with small input of nitrogen. Also, SEM images indicated amorphous structure of silicon nitride which was confirmed by XRD pattern.

연구 동기 및 목표

• 고품질 실리콘 nitride 박막 증착을 위한 RF 스퍼터링 공정 조건의 최적화를 목적으로 한다.
• 증착 전력, 시간, 아르곤 유량 및 질소 유량이 박막 성질에 미치는 영향을 평가한다.
• 원하는 전기적, 광학적 및 구조적 특성을 확보하기 위한 최적의 공정 조건 조합을 도출한다.
• 질소 유량이 박막 조성 및 품질에 미치는 영향, 특히 질소가 없는 조건에서의 영향을 평가한다.
• 공정 조건과 두께, 전기 저항률, 굴절률과 같은 측정 가능한 박막 성질 간의 상관관계를 분석한다.

제안 방법

• 증착 전력, 시간, 아르곤 유량 및 질소 유량을 각각 3단계로 설정하여 태지우 L9 수직 배열을 사용해 공정 조건을 체계적으로 변화시켰다.
• 제어된 플라즈마 조건 하에서 RF 스퍼터링을 이용해 실리콘 nitride 박막을 기질에 증착하였다.
• 두께는 프로필로미터를 사용해 측정하였으며, 측정값은 127.8 nm에서 908.3 nm 사이였다.
• 표면 미세 구조는 스캐닝 전자현미경(SEM)을 통해 분석하여 비정질 형태의 구조를 확인하였다.
• X선 회절(XRD)을 이용해 박막 조성 및 결정성을 분석하였으며, 모든 샘플에서 비정질 성질이 확인되었다.
• 반도체 장치 분석기로 전기 저항률을 측정하였고, 굴절률은 자외선-가시광선 분광법을 통해 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질소 유량이 RF 스퍼터링 실리콘 nitride 박막의 구조적 및 전기적 성질에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 증착 전력, 시간, 아르곤 및 질소 유량의 최적 조합은 박막 품질을 극대화하기 위해 어떤가?
• RQ3 스퍼터링 조건의 변화가 박막 두께 및 증착 속도에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 질소 유량과 증착된 실리콘 nitride 박막의 굴절률 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 질소 유량이 없는 경우 박막 품질이 얼마나 떨어지는가? 전기 저항률과 표면 형태를 통해 평가한다.

주요 결과

• 박막 두께는 127.8 nm에서 908.3 nm 사이로 변동하였으며, 증착 속도는 1.47 nm/min에서 10.1 nm/min 사이로 변화하였다.
• 전기 저항률은 1.53×10¹³ Ω·m에서 7.85×10¹³ Ω·m 사이로 변동하였으며, 최적의 질소 유량에서 높은 저항률이 관찰되었다.
• 질소 유량이 증가함에 따라 굴절률은 1.84에서 2.08로 증가하여 박막의 밀도 및 조성이 향상됨을 시사하였다.
• SEM 영상에서는 균일한 비정질 표면 형태가 관찰되었으며, XRD 피크에서 뚜렷한 피크가 없어 비정질 성질이 확인되었다.
• 질소 유량이 없는 경우 박막 품질이 열악하였으며, 저항률이 낮고 조성이 불안정하였다.
• 조절된 질소 유량에서 최적의 박막 성질이 확보되었으며, 이는 질소가 실리콘 nitride의 스토이히오메트릭 형성에 핵심적인 역할을 함을 시사한다.