2 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 1, January 2016 diffraction, HR-XRD, EMPYREAN)과 주사 전자현미경 (field emission scanning electron microscope, FESEM, S

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한헌 빈
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1 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 1, January 2016, pp Electrical Properties of Tantalum-nitride Films Prepared by Using Reactive Sputter Deposition Sumin Lee Yong Jei Lee Department of Physics, Kunsan National University, Gunsan 54150, Korea Myong Jae Yoo Korea Electronics Technology Institute (KETI), Sungnam 13509, Korea Ho Jung Sun Department of Materials Engineering, Kunsan National University, Gunsan 54150, Korea (Received 16 September 2015 : revised 25 September 2015 : accepted 25 September 2015) Tantalum-nitride (TaN) thin films were deposited onto Si(111) and plastic substrates at room temperature by using reactive radio frequency (RF) magnetron sputtering with adjusted deposition parameters. The films were investigated by using 4-point probe measurements, high-resolution X-ray diffraction (HR-XRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM, S-4800). The electrical resistivity increased as the amount of N 2 was increased. The electrical resistivity for the plastic substrates was higher than that for the Si(111) substrates. The two main TaN peaks were identified as being associated with the TaN(111) and the TaN(200) orientations. From the electrical and the structural analyses, the TaN(111) phase had a higher electrical resistivity. Columnar structures were observed in the deposited films and increased with decreasing amount of N 2 and increasing power. PACS numbers: a, r Keywords: TaN, Thin-film resistance detector, RF magnetron sputtering RF 반응성 스퍼터링을 이용해 증착한 TaN의 전기적 특성 이수민 이용제 군산대학교 물리학과, 군산 54150, 대한민국 유명재 전자부품연구원 (KETI) 부품소재 연구본부, 성남 13509, 대한민국 선호정 군산대학교 신소재공학과, 군산 54150, 대한민국 (2015년 9월 16일 받음, 2015년 9월 25일 수정본 받음, 2015년 9월 25일 게재 확정) RF 반응성 스퍼터링을 이용하여 TaN 박막을 상온에서 Si(111) 기판과 Plastic 기판에서 N 2 /Ar분 율, power에 따라 증착 하였다. 4-point probe, 고 분해능 엑스선 회절 분석기 (high resolution X-ray This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

$2 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 1, January 2016 diffraction, HR-XRD, EMPYREAN)과 주사 전자현미경 (field emission scanning electron microscope, FESEM, S-4800) 을 이용하여 전기적, 구조적 및 형상학적 분석을 하였다.$

2 2 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 1, January 2016 diffraction, HR-XRD, EMPYREAN)과 주사 전자현미경 (field emission scanning electron microscope, FESEM, S-4800) 을 이용하여 전기적, 구조적 및 형상학적 분석을 하였다. N 2 분율이 높아짐에 따라 비 저항이 증가하였으며, Plastic 기판의 경우 Si 기판 대비 높은 면 저항 값을 보였다. XRD 분석결과 TaN 박막의 주된 상은 TaN(111)과 TaN(200)로 확인하였고, 비저항 증가는 TaN(111)상의 상대적인 증가에 기인한 것으로 분석되었다. 형성된 박막의 형상은 대체로 주상조직의 형태가 관찰되었고, 분율이 높을수록 power가 낮을수록 주상조직의 영역이 감소함을 보였다. PACS numbers: a, r Keywords: TaN, 박막저항체, RF 반응성 스퍼터링 I. 서 론 Tantalum nitride (TaN)는 낮은 온도저항계수 (temperature coefficient of resistance, TCR), 화학적 안정성, 낮 은 비저항, 우수한 열전도성, 높은 녹는점 및 높은 경도를 가지고 있다 [1 5]. 이러한 우수한 특성으로 인해 TaN 박막 은 현재 저항체 소자 [6]와 반도체 공정 확산장벽 등 [7,8]에 관한 연구가 활발히 이루어져 왔다 [9 11]. 이러한 TaN박 막의 전기적인 물성은 화학적 정량비, power, 기판에 민감 하게 반응하여 증착 인자의 상호 상관관계에 관하여 연구가 필요한 실정이다 [12 14]. 본 연구에서는 RF 반응성 마그 네트론 스퍼터링을 이용하여 TaN을 Si(111) 기판과 laser direct structuring (LDS) Plastic 기판 위에 증착 하였고 박막의 전기적 특성을 제어할 수 있도록 질소 분율과 power 조절을 통하여 타겟 저항을 컨트롤 할 수 있는 실험을 진행 하였다. II. 실 험 TaN은 Si 기판과 LDS Plastic기판 위에 RF 반응성 마 그네트론 스퍼터링 공정으로 상온에서 증착이 진행되었다. 사용된 타겟은 Ta (99.999% purity, ϕ3inches) 이며, 타겟 과 기판사이의 거리는 44 mm이고, 증착시간은 20분이다. 공정분위기는 질소와 아르곤 유량을 합쳐 40 sccm, 그리고 7.0 mtorr의 공정압력 하에서 박막 증착이 이루어졌다. 실험변수로는 분율, power, 기판 3가지 변수를 두고 실험을 진행 하였다. 첫 번째 변수로는 질소 분율 (N 2 /(Ar+ N 2 )) 을 5 15%로 조절하였고 power, 시간, 기판은 각각 150 W, 20분, Si 기판인 상태에서 진행되었다. 두 번째 변수로는 power를 W까지 조절하였고 분율, 시간, 기판을 각각 5%, 20분, Si 기판에서 공정을 진행하였다. 마지막 으로 Si기판 과 LDS Plastic 기판에 증착하여 실험하였고 분율, 시간, power은 각각 5%, 20분, 150 W를 사용하였다. tricon.lee@kunsan.ac.kr Fig. 1. The cross-sectional SEM images of TaN thin films deposited on Si(111) with different N 2 gas flow ratio. 그리고 각 샘플의 분석은 4-point probe를 사용하여 전기적 특성을 측정 하였으며, HR-XRD를 통해 샘플들의 구조적 특성을 분석하였고, 주사 전자현미경을 통해 박막의 미세 구조, 두께 및 표면분석을 하였다. III. 결과 및 논의 Fig. 1은 질소 분율에 따라 Si 기판위에 증착한 TaN의 측면 SEM 이미지를 보여주고 있다. Fig. 1에서 질소 분율 이 2.5%에서 15.0%로 늘어남에 따라 두께가 718 nm에서 464 nm로 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 형성된 박막의 조직은 상부영역과 하부영역 두 영역으로 구분되는 것을 확인 할 수 있는데 하부 영역은 핵생성이 활발한 영역인 비정질 영역이며 상부 영역은 핵이 성장함으로써 발생한 주상조직 영역이다. 이러한 두께 감소와 박막 조직이 나뉘 는 원인은 전체 분율에 의한 증착률 때문인데, 질소 분율을 올려주게 되면 Ar의 절대량이 감소하게 되고 이러한 Ar 절대량 감소가 증착률 감소에 기인한 결과이다. 즉, 증착률 의 감소는 주상조직이 발달하기 위한 임계조건에 도달하기 위한 시간이 늦어지게 만들어 Fig. 1에서와 같이 질소 분율 이 늘어날수록 주상조직 영역이 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. Fig. 2는 질소 분율을 5%에서 12.5% 까지 측정한 TaN의 XRD 분석 결과이다. 20 에서 80 까지의 2θ 회절각도에서 TaN 샘플들의 측정이 이루어 졌다. 메인 픽 35.9 와 41.6 에서 TaN(111) 과 TaN(200) 로 확인되었다. TaN(111) 픽 의 세기는 질소 분율이 늘어날수록 세기가 증가하는 것을

3 Electrical Properties of Tantalum-nitride Films Prepared by Using Reactive Sputter Deposition Sumin Lee et al. 3 Fig. 2. (Color online) XRD patterns of the TaN thin films on Si(111) substrates with increasing the N 2 gas flow ratio. Fig. 4. (Color online) The film thickness and the electrical resistivity with increasing the sputtering power for TaN films on Si(111). Fig. 3. (Color online) Normalized XRD intensity, TaN(111)/TaN(200) and electrical resistivity vs. N 2 gas flow ratio for TaN films on Si(111). 볼 수 있고 TaN(200) 픽의 세기는 질소 분율이 늘어날수록 감소하고 있음을 확인 할 수 있다. 따라서 분율이 증가함에 따라 TaN(111)픽의 상대적인 세기가 TaN(200) 대비 월등 히 증가하는 것을 확인 할 수 있다. Fig. 3은 분율이 증가함에 따른 비저항과 TaN(111) 을 TaN(111)/TaN(200) 로 정규화 시킨 XRD분석 결과 이다. 분율이 5%에서 12.5%로 증가할수록 픽의 세기는 TaN(111) 픽이 TaN(200) 픽에 비해 상대적으로 증가하고 있으며 비 저항은 7.9 mω cm에서 82.3 mω cm로 급격하게 높아지는 것을 확인 할 수 있다. Fig. 1에서 확인해 보았을 때 두께가 감소한 정도 대비 비저항은 급격한 증가를 보이고 있는데 이러한 비저항의 증가는 두께에 의한 영향보다 XRD 결과에서 확인한 것과 같이 TaN(111) 픽의 상대적인 세기가 비저항에 영향을 주는 주요인임을 알 수 있다. Fig. 5. (Color online) XRD patterns of the TaN thin films on Si (111) substrates with increasing the sputtering power. Fig. 4는 power에 따른 두께와 비저항을 나타낸 그래프 이다. power가 100 W에서 200 W로 높아짐에 따라 512 nm에서 948 nm로 늘어났으며 비저항은 74.7 mω cm에서 0.4 mω cm로 급격하게 줄어들었다. power를 두 배 증가 시켜 주었을 때 증착 두께는 약 두 배정도 늘어난 것에 비해 비저항은 급격한 감소를 보이고 있다. Fig. 5는 power를 100 W, 150 W, 200 W에서 측정 한 TaN 의 XRD 분석 결과이다. power 가 증가할수록 TaN(111) 픽의 세기가 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. Fig. 3에서 확인한 것과 마찬가지로 전기적 특성에 영향을 주는 주된 요인으로 두께에 의한 영향 보다 TaN(200)대비 TaN(111) 의 상대적인 세기의 증가 때문인 것으로 볼 수 있다. Fig. 6은 power 증가에 따라 SEM으로 찍은 표면이미지 와 측면 이미지 이다. Grain의 크기는 100 W, 150 W, 200

4 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 1, January 2016 Fig. 6. The cross-sectional and top SEM images of TaN thin films deposited on Si(111) with increasing the sputtering power. Fig. 8.

4 4 New Physics: Sae Mulli, Vol. 66, No. 1, January 2016 Fig. 6. The cross-sectional and top SEM images of TaN thin films deposited on Si(111) with increasing the sputtering power. Fig. 8. (Color online) The electrical resistivity for TaN films with different kinds of substrates. Fig. 7. The cross-sectional SEM images of TaN thin films deposited on Si(111) and LDS Plastic substrates. W에서 15 nm, 34 nm, 54 nm로 측정되었으며, 증착 두께는 512 nm, 722 nm, 948 nm로 관측 되었다. 또한 power가 올라감에 따라 주상조직이 시작되는 지점은 빠르게 나타남 을 보였다. 이는 power가 올라감에 따라 증착률이 증가하 게 되는데, 이러한 증착률의 증가는 주장조직이 나타나기 시작하는 임계조건까지 도달하는 시간이 짧아지게 만들어 Fig. 6에서와 같이 power가 늘어날수록 주상조직이 발달한 영역이 빠르게 나타남을 확인 할 수 있다. Fig. 9. (Color online) Normalized XRD intensity, TaN(111)/TaN(200) with increasing the N2 gas flow ratio for TaN films on Si(111) and LDS Platic substrates. Fig. 7은 동일 조건에서 Si 기판과 LDS Plastic 기판에서 증착한 TaN의 SEM 이미지 이다. 증착된 막의 두께는 Si 핵 성장 자리가 충분히 많이 있어 성장 초기에 주상조직이 기판과 LDS Plastic 기판 각각 722 nm와 718 nm로 비슷 발달보다 미세결정립 성장이 우세할 것으로 사료된다. 이 했지만 초기 주상조직이 시작되는 지점은 Si 기판이 LDS 러한 온도와 표면의 영향 때문에 Fig. 7과 같이 Si 기판에서 Plastic 기판보다 빠르게 나타났다. 이는 Si 기판과 LDS 주상조직영역이 LDS Plastic 기판에서보다 빠르게 나타난 Plastic 기판의 열전도도와 표면 상태 등의 차이에 의한 결 과로 사료된다. 두 기판의 열전도도 차이 (Si: 149 W/m K, LDS Plastic: 0.45 W/m K) 에 의하여 Si 기판을 사용 할 경우 LDS Plastic 기판보다 50 C 이상 높은 온도를 유지 하는 것을 보여주었다. Movchan and Demchishin [15]과 Thornton [16]에 의해 제안된 박막의 미세구조는 온도와 것으로 분석된다. Fig. 8과 9는 Si(111) 기판과 LDS Plastic기판에 따른 비 저항과 TaN(111) 을 TaN(111)/TaN(200) 로 정규화 시킨 XRD분석 결과 이다. 동일 조건에서 기판만 Si(111) 에서 LDS plastic 기판으로 바꾸었을 때 power가 150 W일 경 압력에 따라 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 본 실험의 주 우와 200 W인 경우 모두 Si기판에서 보다 LDS plastic 기 상조직은 Zone1로 해석되며 온도가 높아질수록 주상조직이 판에서 높은 비저항을 가지는 것을 확인하였다. TaN(200) 뚜렷하게 발달한 결과이다. 또한 Si 기판은 경면 연마되어 대비 상대적인 TaN(111) 픽의 세기가 Si기판의 경우가 LDS (roughness: nm) 표면에 박막 성장의 핵 성장 자리가 Plastic 기판보다 낮은 걸 볼 수 있는데 이러한 TaN(111) 상대적으로 적으나, LDS Plastic기판은 표면에 결함이 높아 픽이 비저항 값에 영향을 줌을 알 수 있다.

5 Electrical Properties of Tantalum-nitride Films Prepared by Using Reactive Sputter Deposition Sumin Lee et al. 5 IV. 결 론 본 연구는 RF 마그네트론 스퍼터링으로 증착된 TaN 박막의 특성을 3가지 변수 (분율, power, 기판) 로 실험을 진행 하였으며, 전기적, 구조적, 형상학적 특성을 비교 분석 하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째로 TaN 박막의 전 기적 특성은 TaN(200)픽에 대한 TaN(111) 픽의 상대적인 세기에 의해 결정됨을 알 수 있다. 즉 TaN(111) 픽의 크기 가 클수록 비저항은 증가하였다. 두 번째로 LDS Plastic 기판이 Si 기판보다 비저항이 높게 나타나는데 이는 물질의 열전도도가 Si기판의 경우가 LDS Plastic 기판보다 높으며 정규화 된 TaN(111) 픽의 세기도 크기 때문으로 볼 수 있 다. 마지막으로 증착된 박막의 주상조직이 시작되는 지점은 증착속도, 기판의 열전도도와 표면 상태로 결정된다. REFERENCES [1] S. M. Kang, S. G. Yoon, S. J. Suh and D. H. Yoon, Thin Solid Films 516, 3568 (2008). [2] S. Uekusa and T. Hama, Mem. Inst. Sci. Tech. Meiji Univ. 46, 19 (2007). [3] N. Frety, J. Nazon, J. Sarradin, V. Flaud and J. C. Tedenac, J. Alloys Compd. 464, 526 (2008). [4] J. C. Yang, B. Kolasa, J. M. Bibson and M. Yeadon, Appl. Phys. Lett. 73, 2841 (1998). [5] C. Y. Chen, E. Y. Chang, L. Chang and S. H. Chen, Electron. Lett. 36, 1317 (2000). [6] K. Eda, T. Miwa, Y. Taguchi and T. Uwano, IEEE Trans. Microwave Technol. 38, 1949 (1990). [7] T. Oku, E. Kawakami, M. Uekubo, K. Takahiro and S. Yamaguchi et al., Appl. Surf. Sci. 99, 265 (1996). [8] M. Takeyama, A. Noya, T. Sase and A. Ohta, J. Vac. Sci. Technol. 14, 3263 (1996). [9] T. Riekkinen, J. Molarius, T. Laurila, A. Nurmela and I. Suni et al., Microelectron. Eng. 64, 289 (2002). [10] K. Radhakrishnan, N. G. Ing and R. Gopalakrishnan, Mater. Sci. Eng. B 57, 224 (1999). [11] C. M. Wang, J. H. Hsieh, U. T. Lam, T. P. Chen and Y. Q. Fu et al., Ceram. Int. 30, 1879 (2004). [12] H. Tajima, N. Shiobara, H. Katsumata and S. Uekusa, J. Surf. Anal. 17, 247 (2011). [13] H. Shen and R. Ramanathan, Microelectron. Eng. 83, 206 (2006). [14] D.-K. Kim, H. Lee, D. Kim and Y. K. Kim, J. Cryst. Growth 283, 404 (2005). [15] B. A. Movchan and A. V. Demchishin, Phys. Met. Metallogr. 28, 83 (1969). [16] J. A. Thornton, J. Vac. Sci. Technol. A 4, 3059 (1986).

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<30312DC1A4BAB8C5EBBDC5C7E0C1A4B9D7C1A4C3A52DC1A4BFB5C3B62E687770> Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회논문지(J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 19, No. 2 : 258~264 Feb. 2015 ID3 알고리즘 기반의 귀납적 추론을 활용한 모바일 OS의 성공과 실패에 대한