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규칙성 메조포러스 실리카 박막의 기공구조 제어 및 low-k 응용 연구
Reports NRF is supported by Research Projects( 규칙성 메조포러스 실리카 박막의 기공구조 제어 및 low-k 응용 연구 | 2004 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 정상배(연세대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00027
Year(selected) 2004 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2006년 10월 18일
Year type 결과보고
Year(final report) 2006년
Research Summary
  • Korean
  • 차세대 초고집적 소자에 있어서 2.5 이하의 유전 상수를 가져야 하는 저유전 층간절연막은 전기적 특성뿐만 아니라 기공구조에 기인한 약한 기계적 특성을 개선해야 하는 문제점을 가지고 있다. 이에 본 논문에서는 규칙성 메조포러스 실리카 박막의 기공 구조 제어를 통해 저유전 층간절연막으로서의 응용에 대한 연구를 수행하였다. 실리카 전구체로는 TEOS와 MTES 두 가지를 사용하였고 Brij-76 공중합체를 사용하여 수 nm 크기의 기공을 규칙적으로 분포시키고자 하였다. 우선 다양한 조성에서 스핀 코팅시 자가접합에 의한 mesostructured 실리카 박막의 형성 원리 및 기공구조에 대한 연구를 수행하였다. 이후 화학적/전기적/기계적/열적 특성 분석을 통해 저유전 층간절연막으로서의 기본 물성을 파악한 후 최종적으로 저유전막으로서 규칙성 메조포러스 실리카 박막을 GaAs 소자에 적용하여 그 응용성을 살펴보고자 하였다.
    TEOS만을 실리카 전구체로 사용하여 졸 숙성 시간에 따른 구조 형성에 대한 연구를 수행한 결과 졸 조성 및 숙성 시간 제어를 통해 규칙적인 기공구조가 잘 정렬될 수 있는 조건을 확립하였다. 특히 공중합체와 실리카 전구체와의 몰비가 0.03 ~ 0.09인 경우 distorted bcc 구조가 얻어짐을 알 수 있었다. 용매의 양과 공중합체 몰비를 변화시키면서 구조분석을 수행한 결과 용매의 양과 공중합체의 몰비가 증가할수록 bcc 구조에서 2D hexagonal, 그리고 라멜라 구조가 얻어짐을 확인할 수 있었다. bcc 구조를 형성하는 공중합체 몰비 영역에서 몰비 변화에 따라 전기적 특성을 관찰한 결과 최대 2.1의 유전상수를 갖는 박막을 얻을 수 있었다. 규칙성 메조포러스 실리카 박막의 기계적 특성은 공중합체 몰비가 증가함에 따라 점차 퇴화함을 알 수 있었으나 기공의 규칙성으로 인해 규칙성 메조포러스 실리카 박막은 밀도 변화에 크게 민감하지 않는 우수한 기계적 특성을 나타내었다.
    한편 규칙성 메조포러스 실리카는 단일 용매만을 사용하였을 경우 표면 평탄화 특성이 매우 떨어지기 때문에 이를 개선하기 위하여 Acetone을 공용매로서 EtOH과 같이 사용하여 구조적인 규칙성과 표면 roughness 향상을 위한 실험을 수행하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다. Acetone 몰비가 0.3에서 0.45 일 때 striation이 나타나지 않는 표면 특성이 매우 우수한 박막을 얻을 수 있었다. 한편 구조적인 특성에 있어서도 Acetone의 큰 dipole moment 때문에 Acetone이 첨가될수록 마이셀의 크기가 증가하는 것을 알 수 있었다. 최종적으로 Acetone 첨가에 따라 전기적 특성을 관찰한 결과 기공이 열처리이후에도 잘 정렬된 채로 존재할 수 있도록 구조적으로 제어한 상태에서 표면 특성을 향상시킨다면 더 나은 전기적 특성을 나타냄을 규명할 수 있었다.
    TEOS와 MTES의 혼합 실리카 전구체에서 규칙성 메조포러스 실리카 박막의 기공구조 및 저유전 층간절연막으로의 특성에 대한 연구를 수행하였다. MTES의 빠른 축합 반응 속도 때문에 졸 제조 방법을 달리하여 제조하였으며 실리카 전구체 비율에 따라 2D hexagonal 구조와 bcc 구조가 얻어짐을 알 수 있었다. MTES와 TEOS의 몰비 변화에 따라 기공의 규칙성 및 기공의 크기에 따른 기계적 특성을 관찰한 결과 규칙성 메조포러스 실리카 박막의 경우에는 밀도 감소에 따라 오히려 기계적 특성이 향상되는 반면 불규칙적 메조포러스 실리카 박막의 경우에는 일반적으로 예측할 수 있는 밀도 감소에 따른 기계적 특성의 퇴화를 나타내었다. 특히 mesostructure에 따라서도 기계적 특성에서 크게 차이가 남을 알 수 있었는데 이를 통해 3차원적인 기공의 분포를 가지고 규칙적으로 기공구조를 만든다면 같은 밀도를 가지고 있다 할지라도 박막의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 가능성을 제시하였다. 또한 유전 상수 측면에서도 박막의 밀도감소 뿐만 아니라 framework의 결합 상태에 따라 같은 밀도에서도 유전상수를 더욱 낮출 수 있음을 확인할 수 있었다.
    GaAs를 기반으로 한 PHEMT 소자는 게이트 머리부분과 passivation 층사이의 기생 정전용량을 줄여야 하는 문제점을 가지고 있다. 이에 규칙성 메조포러스 실리카 박막과 Si3N4 박막을 혼합하여 passivation 층을 형성하였고 기존의 PHEMT 소자 특성과 비교하고자 하였다. 그 결과 소자의 DC 특성은 규칙성 메조포러스 실리카 박막을 제조하기 위해 필수적인 calcination시 발생하는 열적인 효과에 의하여 게이트 금속의 sinking이나 오믹 금속의 쇼트키 특성 저하로 인하여 약 22 % 정도 감소하는 것으로 관찰되었다. 그러나 RF 특성 관찰 결과 큰 DC 특성의 감소에도 불구하고 RF 특성은 약 10 % 정도만이 감소되는 것으로 보아 게이트와 소스 사이의 정전용량을 감소시키는 것이 소자의 RF 특성 향상에 매우 중요함을 알 수 있었다.
  • English
  • The reduced dimensions and increased integration in ultralarge scale integrated (ULSI) circuits cause an increased resistance on back end of the line (BEOL) metallization and increased interlevel and intralevel capacitances, which cause an increased signal delay. In order to improve the switching performance of future ULSI circuits, it is necessary to reduce these capacitances by introducing new dielectrics with dielectric constants significantly lower than that of SiO2. Ordered mesoporous silica films fabricated by the surfactant-templating method are possible candidates for low-k materials with excellent mechanical/electrical properties. In this work, physiochemical properties of ordered mesoporous silica film and its applicability to low-k dielectric were investigated.
    The following results were obtained when TEOS as the only silica precursor was used. Long silica aging period before spin coating increases the hydrocarbon chain length in the micelle and destroys pore-ordering. Mesostructure of ordered mesoporous silica films with Brij-76/TEOS molar ratio of 0.03 ~ 0.09 were indexed with bcc structure. In the composition range of bcc phase, the lowest dielectric constant of the film is 2.1. The mechanical properties of the film were degraded with the reduction of density. However, the relationship between density of the film and elastic modulus revealed that the ordered mesoporous silica film has the superior mechanical properties due to its ordered pore structure.
    The ordered mesoporous silica films sometimes exhibit a rough surface morphology due to Marangoni effect. So, it is necessary to introduce another solvent with a higher vapor pressure and surface tension than the common solvent, Ethanol. It was found that the film surface is extremely flat, and wavy characteristics were not observed when the Acetone molar ratio is between 0.3 and 0.45. As a conclusion, it was found that good electrical properties can be obtained when the structural ordering and surface roughness of the film are properly controlled.
    In order to endow the hydrophobicity to the ordered mesoporous silica film, MTES as silica precursor was additionally added and the following results were obtained. Disordered mesoporous silica films were obtained when the silica sol aging time is too long or MTES/TEOS molar ratio is over 0.3. Mesophase of the films with 0.1 ~ 0.2 MTES/TEOS molar ratio shows the 2-dimensional hexagonal structure while mesophase of the film with 0.25 MTES/TEOS molar ratio shows the bcc structure. Mechanical properties of the ordered mesoporous silica film represent the exceptional increase with increase of MTES/TEOS molar ratio or porosity. It is due to the fact that spherical pore geometry is mechanically more robust than hexagonally packed structure and pore periodicity is maintained. The dielectric constants can be lowered with increase of MTES/TEOS molar ratio due to reduction of film density and polarizability of the framework.
    Pseudomorphic high electron mobility transistors (PHEMTs) are promising devices for millimeter-wave and optical communications systems. In this study, ordered mesoporous silica film was introduced as passivation layer between T-gates. Si3N4 dielectric layer with ordered mesoporous silica film was stacked together and the device characteristics was discussed. DC characteristics of PHEMT device using ordered mesoporous silica film was degraded. Transconductance of the device was reduced by 22 %. And RF property was also degraded after deposition of ordered mesoporous silica film. However, only 10 % in the cutoff frequency of Si3N4-based PHEMT device was reduced after insertion of ordered mesoporous silica film even though large reduction of transconductance. It is due to the fact that reduced capacitance between source and gate prevent the reduction of cutoff frequency.
Research result report
  • Abstract
  • 차세대 초고집적 소자에 있어서 2.5 이하의 유전 상수를 가져야 하는 저유전 층간절연막은 전기적 특성뿐만 아니라 기공구조에 기인한 약한 기계적 특성을 개선해야 하는 문제점을 가지고 있다. 이에 본 논문에서는 규칙성 메조포러스 실리카 박막의 기공 구조 제어를 통해 저유전 층간절연막으로서의 응용에 대한 연구를 수행하였다. 실리카 전구체로는 TEOS와 MTES 두 가지를 사용하였고 Brij-76 공중합체를 사용하여 수 nm 크기의 기공을 규칙적으로 분포시키고자 하였다. 우선 다양한 조성에서 스핀 코팅시 자가접합에 의한 mesostructured 실리카 박막의 형성 원리 및 기공구조에 대한 연구를 수행하였다. 이후 화학적/전기적/기계적/열적 특성 분석을 통해 저유전 층간절연막으로서의 기본 물성을 파악한 후 최종적으로 저유전막으로서 규칙성 메조포러스 실리카 박막을 GaAs 소자에 적용하여 그 응용성을 살펴보고자 하였다.
    TEOS만을 실리카 전구체로 사용하여 졸 숙성 시간에 따른 구조 형성에 대한 연구를 수행한 결과 졸 조성 및 숙성 시간 제어를 통해 규칙적인 기공구조가 잘 정렬될 수 있는 조건을 확립하였다. 특히 공중합체와 실리카 전구체와의 몰비가 0.03 ~ 0.09인 경우 distorted bcc 구조가 얻어짐을 알 수 있었다. 용매의 양과 공중합체 몰비를 변화시키면서 구조분석을 수행한 결과 용매의 양과 공중합체의 몰비가 증가할수록 bcc 구조에서 2D hexagonal, 그리고 라멜라 구조가 얻어짐을 확인할 수 있었다. bcc 구조를 형성하는 공중합체 몰비 영역에서 몰비 변화에 따라 전기적 특성을 관찰한 결과 최대 2.1의 유전상수를 갖는 박막을 얻을 수 있었다. 규칙성 메조포러스 실리카 박막의 기계적 특성은 공중합체 몰비가 증가함에 따라 점차 퇴화함을 알 수 있었으나 기공의 규칙성으로 인해 규칙성 메조포러스 실리카 박막은 밀도 변화에 크게 민감하지 않는 우수한 기계적 특성을 나타내었다.
    한편 규칙성 메조포러스 실리카는 단일 용매만을 사용하였을 경우 표면 평탄화 특성이 매우 떨어지기 때문에 이를 개선하기 위하여 Acetone을 공용매로서 EtOH과 같이 사용하여 구조적인 규칙성과 표면 roughness 향상을 위한 실험을 수행하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다. Acetone 몰비가 0.3에서 0.45 일 때 striation이 나타나지 않는 표면 특성이 매우 우수한 박막을 얻을 수 있었다. 한편 구조적인 특성에 있어서도 Acetone의 큰 dipole moment 때문에 Acetone이 첨가될수록 마이셀의 크기가 증가하는 것을 알 수 있었다. 최종적으로 Acetone 첨가에 따라 전기적 특성을 관찰한 결과 기공이 열처리이후에도 잘 정렬된 채로 존재할 수 있도록 구조적으로 제어한 상태에서 표면 특성을 향상시킨다면 더 나은 전기적 특성을 나타냄을 규명할 수 있었다.
    TEOS와 MTES의 혼합 실리카 전구체에서 규칙성 메조포러스 실리카 박막의 기공구조 및 저유전 층간절연막으로의 특성에 대한 연구를 수행하였다. MTES의 빠른 축합 반응 속도 때문에 졸 제조 방법을 달리하여 제조하였으며 실리카 전구체 비율에 따라 2D hexagonal 구조와 bcc 구조가 얻어짐을 알 수 있었다. MTES와 TEOS의 몰비 변화에 따라 기공의 규칙성 및 기공의 크기에 따른 기계적 특성을 관찰한 결과 규칙성 메조포러스 실리카 박막의 경우에는 밀도 감소에 따라 오히려 기계적 특성이 향상되는 반면 불규칙적 메조포러스 실리카 박막의 경우에는 일반적으로 예측할 수 있는 밀도 감소에 따른 기계적 특성의 퇴화를 나타내었다. 특히 mesostructure에 따라서도 기계적 특성에서 크게 차이가 남을 알 수 있었는데 이를 통해 3차원적인 기공의 분포를 가지고 규칙적으로 기공구조를 만든다면 같은 밀도를 가지고 있다 할지라도 박막의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 가능성을 제시하였다. 또한 유전 상수 측면에서도 박막의 밀도감소 뿐만 아니라 framework의 결합 상태에 따라 같은 밀도에서도 유전상수를 더욱 낮출 수 있음을 확인할 수 있었다.
    GaAs를 기반으로 한 PHEMT 소자는 게이트 머리부분과 passivation 층사이의 기생 정전용량을 줄여야 하는 문제점을 가지고 있다. 이에 규칙성 메조포러스 실리카 박막과 Si3N4 박막을 혼합하여 passivation 층을 형성하였고 기존의 PHEMT 소자 특성과 비교하고자 하였다. 그 결과 소자의 DC 특성은 규칙성 메조포러스 실리카 박막을 제조하기 위해 필수적인 calcination시 발생하는 열적인 효과에 의하여 게이트 금속의 sinking이나 오믹 금속의 쇼트키 특성 저하로 인하여 약 22 % 정도 감소하는 것으로 관찰되었다. 그러나 RF 특성 관찰 결과 큰 DC 특성의 감소에도 불구하고 RF 특성은 약 10 % 정도만이 감소되는 것으로 보아 게이트와 소스 사이의 정전용량을 감소시키는 것이 소자의 RF 특성 향상에 매우 중요함을 알 수 있었다.
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구를 통하여 축적될 소재관련 기술은 저유전성 층간절연막의 제조와 함께 고기능화를 위한 핵심기술이다. 현재 활발한 연구가 진행 중에 있는 단열소재는 기존에 사용되고 있는 저온/고온 단열재에 비해 엄청난 에너지와 경비를 절감할 수 있는 환경친화적 단열재일 뿐만 아니라 획기적인 새로운 응용분야를 낳게 될 것으로 기대되고 있다. 광학적 기능면에서도 유리나 태양전지에서 반사를 막아주는 저반사 코팅막 혹은 레이저 거울로 이용되는 고반사 코팅의 분야에서도 수요 창출이 기대되고 있으며 미세회로, 광전자, 레이더 장비나 통신 장비에서 사용되는 마이크로웨이브 회로, 저정전용량 칩커넥터, 초경량 전자 팩키지, 발전시설용 고압 단열재, 진공관 내부의 전극을 위한 스페이서 분야, 평판디스플레이, 산화성 물질의 보호막, 광학 센서 등에 이르는 광범위한 분야에 까지도 응용범위가 확대될 수 있다.
  • Index terms
  • 저유전 박막, 규칙성 메조포러스 실리카 박막, 공중합체, Brij-76, 공용매, 기공구조, 유전 특성, 기계적 특성, GaAs, PHEMT
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