Silicon nitride 화학 증착에서 증착 기구와 계면 전하 및 trap density 에 관한 연구

Abstract

IV-2. Si-Cl-N-H계에서 존재할 수 있는 각 화합물의 평형 농도는 입력조성과 mass balance를 유지하면서 자유에너지의 합의 최소가 되는 조건에서 구할 수 있다. $NH_3,\; SiCl_4,\; H_2$를 입력 반응물로 해서 온도, $SiCl_4$와 $NH_3$의 입력비, $H_2$의 입력분율, 압력을 변화시키면서 Si-Cl-N-H계의 평형 조성을 조사하여 다음과 같은 결론을 추론하였다. 1. $Si_3N_4$ 화학증착에서 증착 반응의 열역학적 수율은 800K와 1200K 사이에서 최대의 수율을 나타내며, $NH_3$에 대한 $SiCl_4$의 입력비가 1/60과 1/4 사이에서 역시 최대의 수율을 보인다. 그러나 $H_2$의 입력 분율이나 system의 압력에 따라서는 거의 일정한 수율을 나타낸다. 2. 이 Si-Cl-N-H계에서 열역학적으로 $Si_3N_4(s),\; SiCl,\; SiCl_2,\; SiCl_3,\; SiCl_4,\; SiClH_3,\; SiCl_2H_2,\; SiH$ 등의 다양한 Si 화합물이 존재할 수 있으며, 열역학적 수율이 높은 조건에서 비교적 다량 존재하는 Si 화합물은 $Si_3N_4(s),\; SiClH_3,\; SiCl_2,\; SiCl_3$ 등이다. 이상과 같은 결론으로부터 본 연구에서는 1100K의 온도와 300torr의 실험 압력과 $SiCl_4$ 분율 0.002, $NH_3$ 분율 0.2인 조건을 기준으로 하여 실험 조건을 선택하였다. V-9. $SiCl_4,\; NH_3$와 $H_2$ 혼합 기체를 이용하여 silicon 단결정 위에 silicon nitride를 화학증착시킬 때 반응 변수의 효과를 관찰함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. Silicon nitride의 화학 증착 반응은 증착 시간에 따라 일정한 증착 속도를 보이는 steady state에서 이루어진다. 2. 증착온도 1073K, 증착압력 300 torr일 때, 전체 유량 1 slm 이하에서는 화학 증착 반응의 지배 기구는 물질 전달 기구이며, 전체 유량 1 slm 이상에서는 화학 반응 기구의 특성을 보인다. 3. 증착 온도 873K에서 1073K의 온도 구간에서 silicon nitride 화학증착은 열활성화 반응인 증착 표면에서의 화학 반응에 의해 지배되며, 이 때 $22\pm0.5Kcal/mole$의 겉보기 활성환 에너지를 갖는다. 4. 이론적 증착 속도식 (V-2)는 화학반응 기구가 지배기구인 $$r= \frac{k_2k_6K_1 \quad \theta^2_{NH_3}}{P_{HCl^2}\quad (K_{-2}+k_6\theta^2_{NH_3}} \chi _{SiCl_4}\; \chi_{H_2} p^2_t\qquad (V-2)$$ 증착 조건에서 실험 결과와 정성적으로 매우 잘 일치한다. 5. 본 실험에서 증착된 silicon nitride 증착층은 cone의 형상을 가지는 비정질 silicon nitride이다. 6. 증착 ?쨉ae, 반응물의 입력비의 증가에 따라 증착된 silicon nitride 증착층의 Si-N antisymmetrical stretching bond가 증가하며, 증착 압력이나 전체 유량의 변화에 대해서는 아무런 변화가 없었다. VI-5. $SiCl_4,\; NH_3,\; H_2$ 혼합기체를 사용하여 silicon nitride를 화학 증착하여 MNOS 구조로 만들어 silicon nitride의 증착 변수인 증착 온도, 반응물의 입력비, 증착 압력의 변화에 따른 계면 전하와 trap site density의 변화를 관찰함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. $SiCl_4-NH_3$ 혼합 기체를 반응 기체를 하여 oxide위에 제조된 silicon nitride film은 양(positive)의 계면 전하는 갖는다. 2. MNOS구조에서의 계면 전하는 증착 온도나 $SiCl_4$에 대한 $NH_3$의 입력비가 증가할 때 감소함을 보였으며, 증착 압력의 변화에 대해서는 변화를 보이지 않았다. 이것은 V장의 IR-spectrum의 결과를 토대로 생각해 볼 때