[논문 리뷰] XPS studies on AlN thin films grown by ion beam sputtering in reactive assistance of N+/N2+ ions: Substrate temperature induced compositional variations

Neha Sharma, S. Ilango외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 02.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 반응성 N+/N2+ 이온 보조를 통한 이온 비임프레션 스퍼터링 증착 중 기질 온도가 AlN 박막 조성에 미치는 영향을 조사한다. XPS 분석을 통해 실온에서 500 °C로 기질 온도를 상승시킬 경우 AlN 표면 농도가 74 at.%로 증가함을 입증하였으며, 다른 기법들과 비교해 높은 순도를 달성하였고, 부수 상이 거의 검출되지 않았다.

ABSTRACT

We report on an XPS study of AlN thin films grown on Si(100) substrates by ion beam sputter deposition (IBSD) in reactive assistance of N+/N2+ ions to unravel the compositional variation of their surface when deposited at different substrate temperatures. The temperature of the substrate was varied as room temperature (RT), 100oC and 500oC. The binding energy of Al-2p, N-1s and O-1s core electrons indicate the formation of 2H polytypoid of AlN. The increase in concentration of AlN with substrate temperature during deposition is elucidated through detailed analysis with calculated elemental atomic concentrations (at. %) of all possible phases at the film surface. Our results show that predominate formation of AlN as high as 74 at. % is achievable using substrate temperature as the only process parameter. This high fraction of AlN in thin film surface composition is remarkable when compared to other growth techniques. Also, the formation of other phases is established based on their elemental concentrations.

연구 동기 및 목표

• 이온 비임프레션 스퍼터링에 반응성 N+/N2+ 이온 보조를 통한 AlN 박막의 표면 조성에 기질 온도의 영향을 조사하기 위해.
• 다양한 증착 온도에서 박막 표면에 존재하는 상들을 식별하고 정량화하기 위해.
• AlN 상 농도를 최대화하고 부수 상을 최소화하기 위해 최적의 기질 온도를 결정하기 위해.
• 추가적인 공정 변수 없이 기질 온도만으로 고순도 AlN 박막을 얻는 것이 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• Si(100) 기질에 대해 반응성 N+ 및 N2+ 이온 보조를 통한 이온 비임프레션 스퍼터링 증착(IBSD)을 사용하여 AlN 박막을 성장시켰다.
• 기질 온도를 300 K(실온), 373 K(100 °C), 및 773 K(500 °C)로 체계적으로 변화시켰다.
• Al-2p, N-1s, 및 O-1s 전자의 코어 레벨 결합 에너지를 분석하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하였다.
• 모든 표면 상의 원소 원자 농도(at. %)는 XPS 데이터에서 계산하여 상 조성을 평가하였다.
• Al-2p 및 N-1s의 특징적인 결합 에너지 값에 기반하여 2H 다형체 AlN이 확인되었다.
• 원소 농도 추세 및 알려진 기준 값과의 비교를 통해 상 식별이 추가로 지지되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기질 온도는 N+/N2+ 반응성 보조를 통한 IBSD로 증착된 AlN 박막의 표면 조성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 기질 온도에서 박막 표면에서 도달 가능한 최대 AlN 농도는 얼마인가?
• RQ3 증착 중에 형성된 부수 상은 무엇이며, 온도에 따라 그 농도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 기본 공정 변수 없이 기질 온도만으로 고순도 AlN 박막을 얻을 수 있는가?

주요 결과

• 기질 온도를 500 °C로 상승시킬 경우 AlN 표면 농도가 74 at.%로 증가하였으며, 이는 이 연구에서 확보된 최고 수준의 AlN 분율을 나타낸다.
• 특징적인 Al-2p 및 N-1s 결합 에너지 값에 기반하여 2H 다형체 AlN이 확인되었으며, 이는 높은 구조적 품질을 의미한다.
• 모든 온도에서 산소 관련 종이 검출되었지만, 그 농도는 낮아 산화가 최소한임을 시사한다.
• Al2O3 및 AlN 관련 산화질화물과 같은 미세한 부수 상이 식별되었으며, 고온에서 그 농도가 감소함을 확인하였다.
• 500 °C에서 AlN 형성이著명하게 향상되어 스토이히오메트리와 표면 품질이 향상됨을 나타낸다.
• 결과적으로 기질 온도가 반응성 이온 보조 IBSD에서 AlN 박막 조성을 제어하는 데 매우 효과적인 매개변수임을 입증하였다.