Aluminum nitride (AIN) thin films have been deposited on the (100) silicon wafers by RF reactive magnetron sputtering at low temperature. As-deposited AIN films contained a high percentage of dangling bonds. Additionally the surface of the films was too rough to apply to electronic devices. Conventionally a method for enhancing AIN films was furnace annealing in nitrogen atmosphere. However, it revealed thermal damage, surface oxidation. N loss and interdiffusion etc. It was also difficult to improve surface morphology by conventional annealing method. In this work, we studied Nitrogen Plasma Treatment(NPT) as a new heat treatment. The surface of AIN films was flattened and AI-N bonding density was increased by NPT. The changes of bonding nature have been examined by FT-IR and XPS. As a result of NPT. chemical stability and electrical properties of AIN films were improved drastically in short treatment time and at low temperature. The plasma treatment was also applied to hydrogenated aluminum nitride (AIN :H) film. As-deposited AIN :H films had very smooth surface and low oxygen concentration, but embedded hydrogen caused blistering of the films. NPT could remove hydrogen successfully at low temperature. The mechanism of NPT was studied. Surface roughness was reduced mainly by ion bombardment. Bonding structure was improved by heating effects of radiation/ion bombardment and chemical effects of N-related ions and radicals in plasma. These effects could increase Al-N bonding density and electrical stability. Nitrogen Plasma Treatment is a powerful method for improving properties of AIN thin films. Additionally chemically unstability of AIN:H was improved, which had merits of low oxygen concentration and smooth surface.
AlN가 electronics, protective coating, 광학분야의 응용을 만족하기 위해서는 뛰어난 c-축 배향성, 평탄한 표면, 높은 Al-N 결합밀도, 뛰어난 화학적, 전기적 안정성을 요구한다. RF reactive sputtering의 증착변수를 조절하여 c-축 배향성이 뛰어난 박막을 제조하도록 하였다. 그러나 c축 배향성과 달리 평탄한 표면, Al-N bonding 개선은 저온 공정인 sputtering 증착 변수의 제어만을 통해서 위의 조건을 모두 만족시키기에는 한계가 있다. 따라서 후처리 공정으로서 Conventional furnace annealing방법과 질소 플라즈마 처리를 이용하였다. Conventional furnace annealing의 경우 표면 거칠기의 감소는 거의 관찰할 수가 없었다. 박막 내 Al-N결합은 온도와 시간이 증가하면서 점차 향상되었지만, 큰 향상은 관찰할 수 없었다. 이러한 열처리는 고온을 요구한다는 점과 N loss, 표면산화등 여러 문제점이 제기 되었다. 반면에 Nitrogen Microwave plasma heating은 표면 거칠기가 짧은 시간 내에 크게 줄어든 효과를 보여주었다. 20분내에 평탄한 박막이 형성되었고, 이것은 furnace 열처리에서는 볼 수 없었던 플라즈마의 bombardment 효과 때문이다. FT-IR분석결과 뛰어난 Al-N bonding의 향상을 확인 할 수 있었다. 결합밀도의 증가도 Conventional furnace 열처리하였을 때 보다 더 크게 나타났다. 저온에서 열처리가 가능하여 기판에 thermal damage를 주지 않았다. 이 결합증가는 플라즈마의 heating effect, 그리고 reactive N ion, radical 들이 박막표면과 반응한 chemical effect 때문이다. 화학적 안정성 측정을 위해 severe조건인 2M의 KOH 용액에서 etching 실험을 하였다. 그 결과 as-deposited AlN에 비해, 질소 플라즈마 처리했을 경우 에칭속도가 14배 이상 늦어지는 매우 안정한 박막이 형성되었다. 이는 박막 내에 안정한 결합이 증가하였기 때문이다. I-V 측정결과 누설전류 역시 크게 줄어드는 효과를 확인할 수 있었다. AlN 증착 중에 수소를 첨가함으로써, 박막의 표면 거칠기 감소, 응력 감소, 산소농도의 감소를 확인하였다. 그러나 AlN:H 박막은 화학적으로 불안정하고 N-H 결합으로 인해 Al-N의 결합이 방해받는 문제가 지적되었다. 수소의 영향을 제거하기 위해 AlN:H에 대해 질소 플라즈마 처리를 해주었다. 그 결과 수소첨가의 이점-평탄한 표면, 낮은 산소의 농도-을 그대로 살리면서 더욱 뛰어난 물성의 향상을 확인해 볼 수 있었다. 플라즈마 처리 후 저온열처리로 박막내의 수소의 양을 크게 줄일 수 있었고, 화학적인 불안정성도 거의 해결할 수 있었다. 최종적으로 뛰어난 평탄도, 적은 불순물 농도, 뛰어난 Al-N 결합밀도 및 화학적 안정성을 가지는 박막의 제조가 가능하였다. 질소 플라즈마 처리는 AlN(:H) 박막의 여러 물성을 동시에 개선시킬 수 있는 뛰어난 방법이다.
