Ammonium sulfide ($(NH_4)_2S$) is used for the pretreatment of an InP (100) substrate and its conditions are optimized. The capacitance-voltage (C-V) characteristics of InP MOS capacitors are analyzed by changing the concentration and treatment time of the ammonium sulfide solution. It was found that a 10% $(NH_4)_2S$ treatment for 10 min exhibits the best electrical properties in terms of hysteresis and frequency dispersions in the a depletion or accumulation mode. After the InP substrate was passivated by the optimized ammonium sulfide, the results of x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the extracted interface trap density ($D_{it}$) prove that the growth of native oxide is suppressed
Si을 기반으로 한 CMOS 기술이 소자의 미세화에 따라 물리적 한계에 도달하였고 이를 극복하고자 새로운 기술들이 계속 도입되고 있다. 하지만 앞으로는 Si의 물리적 한계를 직접적으로 극복 가능할 수 있는 전자의 이동도가 높은 화합물 반도체의CMOS 대체 기술이 반드시 필요하며 이를 실현할 수 있도록 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 여러 화합물 중에서도 InP는 전자의 이동도도 높지만 무엇보다 비교적 큰 밴드갭을 가지고 있기 때문에 소자를 만들었을 때 단채널 효과와 같은 소자의 문제를 피할 수 있다.
그러나 이런 화합물 반도체들은 높은 유전율을 가지는 유전체와의 계면 특성이 좋지 못하기 때문에 $D_{it}$가 너무 높게 형성되어 소자를 구현하는데 큰 어려움이 따르고 있다. 이를 해결하고자 계면 특성을 높이려는 연구가 이루어지고 있는데 특히 $(NH_4)_2S$를 이용한 표면 패시베이션이 비교적 간단한 방법이지만 효과가 크기 때문에 많은 주목을 받고 있다. 하지만 패시베이션 과정에 대한 근본적인 이해가 부족하여 많은 연구 그룹들은 이를 중구난방으로 사용하고 있다.
본 연구에서는, $(NH_4)_2S$을 이용한 S 패시베이션 과정에 대한 연구를 진행하였다. 특히 가장 중요한 파라미터인 용액의 농도와 처리 시간을 중점적으로 확인하였다. 먼저 XPS 분석을 통하여 S 처리 전 후의 표면의 화학적 성질을 확인하였는데 패시베이션을 한 경우 native oxide와 관련된 결합에너지 피크가 확실히 감소하였다.
그리고 연구를 위해 제작된 MOS capacitor의 C-V 측정 결과에서 bulk oxide trap과 interface trap, border trap에 의한 stretch-out 현상, hysteresis, depletion 영역과 accumulation 영역에서의 frequency dispersion 현상을 관찰 하였을 때, 10%로 희석된 $(NH_4)_2S$ 용액에서 10분 간 처리했을 때 가장 좋은 전기적 특성을 얻을 수 있었으므로 이 조 건이 최적화 된 조건이라고 할 수 있다. 이는 G-V contour map에서도 확인할 수 있었는데, trap 감소에 따른 Fermi level 완화와 band bending이 효과적으로 이루어 짐을 확인할 수 있었다.
마지막으로 이렇게 최적화 된 조건을 이용하여 MOS capacitor를 제작하였을 때의 $D_{it}$를 추출하여 정량적으로 비교해보았으며, 실제로도 $D_{it}$가 감소했음을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통한 $(NH_4)_2S$ passivation 조건 최적화는 InP 기반의 CMOS 기술의 성능 개선 연구에 guideline이 될 것이다.
