Study on Plasma-enhanced Atomic Layer Deposition of Molybdenum Compounds Thin Films Using Mo(CO)

서 론

Adsorption in ALD

흡착은 기체 원자나 분자가 고체에 용해되는 흡수와 다르며 고체 표면의 높은 에너지로 인해 발생합니다. 또, 흡착은 결합의 종류에 따라 물리적 흡착과 화학적 흡착으로 구분됩니다. 물리적 흡착은 고체 표면의 성질에 영향을 받지 않으며 기체, 고체의 종류에 관계없이 발생합니다.

Process of Atomic Layer Deposition

Characteristic of Atomic Layer Deposition

체는 공간적인 이유로 기판에 흡착될 수 있는 분자의 수를 제한합니다. 기판 자체의 화학적 특성(예: 기판의 표면 에너지)이나 전구체와 부산물 간의 중간 반응도 박막 성장에 영향을 미칩니다.

Fig. 2.2 ALD acceptable temperature window.

Merit of Atomic Layer Deposition

Plasma-enhanced Atomic Layer Deposition

Molybdenum compound

Molybdenum Trioxide
Molybdenum Disulfide

또 다른 방법은 화학기상증착(CVD)이다[13]. 광자와의 에너지 교환으로 인해 분자 내의 전자는 가상 상태로 여기된 다음 낮은 에너지 수준으로 돌아갑니다. 물질의 저항은 다양한 방법으로 측정할 수 있지만, 박막의 저항을 측정하는 데 가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나는 표면 저항을 통해 구하는 것입니다.

두 개의 프로브를 사용하여 측정하는 선 저항과 달리 표면 저항은 4개의 프로브를 사용하여 측정됩니다. Mo 및 MoO3 박막 증착을 위한 공정 사이클은 크게 4단계로 구성된다. O2와 H2 모두 사이클 횟수에 따라 박막의 두께가 선형적으로 증가했습니다.

PEALD법으로 성장한 Mo, MoO3, MoS2 박막의 화학적 결합상태를 XPS를 통해 확인하였다. XPS 결과는 MoO3, Mo 및 MoS2가 각 플라즈마 가스에 의해 선택적으로 성장한 것으로 나타났습니다. 따라서 H2플라즈마로 증착된 Mo박막의 저항성과 접착력을 PEALD법을 이용하여 조사하였다.

증착된 박막의 면저항은 4-point 탐침법을 이용하여 측정하였고, FESEM 단면으로 측정한 박막두께를 이용하여 비저항을 계산하였다.

Fig. 2.3 (a) Thermodynamically stable orthorhombic α-MoO 3 , (b) metastable monoclinic β-MoO 3 [36].

Characterization Principles

X-ray Diffraction (XRD)
Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM)
Raman spectroscopy
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)
Atomic Force Microscope (AFM)
Four-point Probe

실험장치 구성 및 방법

Precursor

본 실험에서는 Mo 전구체로 몰리브덴 헥사카르보닐(Mo(CO)6)을 사용하였다. Mo(CO)6는 그림과 같이 6개의 카르보닐기가 Mo에 결합된 구조를 가지고 있다. Mo(CO)6는 흰색 분말로 스테인리스 스틸 용기에 담아 40°C로 가열했습니다.

플라즈마의 경우 RFPT의 RF 제너레이터 및 매칭기를 이용하여 각각의 가스를 주입하면서 200W의 무선주파수(RF) 전력을 샤워헤드에 인가하였다. 플라즈마를 안정화시키기 위해 가스 주입 후 1초 후에 RF 전력을 인가하였다.

Atomic Layer Deposition of Mo, MoO 3 and MoS 2 thin Film

Characterization of Mo, MoO 3 and MoS 2 thin films

Mo(CO)6 및 H2 플라즈마를 이용하여 Mo 박막을 증착한 후 단면 FE-SEM(FE-SEM)을 관찰하여 두께를 확인하였다. 위의 실험과 헹굼 시간을 최적화하기 위한 추가 실험을 바탕으로 사이클 타임을 최적화했습니다. 이전의 자기 조절 성장 실험 Mo(CO)6의 결과를 바탕으로 합니다.

Mo에서 나타나는 O 1s 피크는 Mo(CO)6의 환원이 부족하여 나타나는데, 이는 Mo의 저항률에 영향을 미치는 것으로 생각된다. 먼저, Mo 박막의 저항률을 결정하기 위해 SiO2 기판에 60nm의 Mo를 증착했습니다. 크로스해치 테스트는 얇은 필름을 일정한 간격으로 잘라낸 후 테이프를 붙였다 떼었다 하면서 벗겨지는 정도를 관찰하는 방법이다. 본 실험에서는 절단칼을 사용하여 1.5mm 간격으로 격자를 생성하였다.

본 연구에서는 PEALD법을 이용하여 O2플라즈마, H2플라즈마, H2S플라즈마를 이용하여 Mo, MoO3, MoS2 박막을 선택적으로 증착하였고, FESEM, XRD, XPS를 통해 박막의 물성을 평가하였다. O2 플라즈마, H2 플라즈마, H2S 플라즈마를 이용하여 증착한 박막의 결합에너지를 확인한 결과 각각 MoO3, Mo, MoS2에 해당하는 결합에너지가 검출되어 각 플라즈마 가스에 의해 선택적으로 박막이 증착되는 것을 알 수 있었다. . 이번 연구는 PEALD를 이용하여 Mo, MoO3, MoS2를 선택적으로 증착하고, 동일한 환경에서 금속, 절연체, 반도체 재료를 증착한 실험이라는 점에서 의의가 있다.

이는 장치 제조의 다양한 단계를 통합함으로써 공정을 단순화하는 데 사용될 수 있다고 믿어집니다.

Fig. 4.1 Deposition rate of the ALD-MoO 3 films as a function of the deposition temperature.

Film Analysis

각 배양 필름에 대해 추가 분석을 수행했습니다. α-MoO3에 비해 화학적 성질이 우수한 β-MoO3는 단일상으로는 얻기 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 결과를 바탕으로 향후 β-MoO3를 가스 센서나 촉매로 활용하는 연구가 가능할 것으로 판단된다.

AFM으로 관찰한 MoO3박막의 표면 형상은 Fig. Mo는 스크린이나 태양전지의 후면전극으로 적용하기 위해 낮은 저항과 우수한 접착력을 목표로 연구되었습니다. 두 번의 실험 결과를 통해 Mo 박막의 특성이 H2 플라즈마의 조건에 영향을 받는 것을 확인하였다.

이는 스퍼터링된 Mo에 비해 산소 농도가 약간 높아진 결과인 것으로 생각된다. Mo 박막의 접착력을 확인하기 위해 나트륨 유리 기판 위에 PEALD 방법으로 80 nm의 Mo를 증착한 후 크로스해칭(cross-hatching) 테스트를 수행하였다. 라만 측정은 MoS2의 두께와 특성을 결정하는 데 가장 일반적으로 사용되는 측정 방법 중 하나입니다.

열처리를 할수록 El2g와 Alg 피크의 세기가 강해지며, 열처리 온도 700℃에서는 뚜렷한 피크가 관찰된다. Mo는 Mo(CO)6의 환원이 부족하여 스퍼터링된 Mo에 비해 저항값이 약간 높으나 소다석회유리와의 접착력은 우수하였다. 또한, ALD를 이용한 Mo 및 MoS2 박막 증착에 대한 보고는 많지 않은 만큼, 본 연구 결과를 바탕으로 Mo 및 MoS2를 보다 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 4.4 XPS spectra of the Mo 3d, and O 1s of Mo, MoO 3 , MoS 2

결론