Thermal atomic layer deposition of Molybdenum trioxide (MoO3) using metal organic precursor and H2O reactant

Abstract

Molybdenum trioxide (MoO3) thin films, a promising material for gate oxide of 2DFET, were deposited by thermal atomic layer deposition (ALD) using metal organic Mo precursor (Mecaro Advanced Precursor – Molybdenum / MAP - Mo) and H2O reactant. MAP - Mo precursor (350 ~ 400 ℃) which has a higher temperature window than Mo(CO6) (152 ~ 172 ℃), has the advantage of providing sufficient heat energy for the reaction and facilitating removal of impurities from the thin film. The X-ray reflectometry (XRR) showed 0.24 Å/cycle of growth rate with 4 s precursor feeding and 1 s reactant feeding at the temperature of 350 ℃. To increase crystallinity and reduce oxygen vacancies, 1 h of post annealing process was carried out with 30 Torr of O2 at 450 ℃ and 550 ℃. X-ray diffraction (XRD) analysis showed that as deposited MoO3 films were amorphous and annealed films crystalized to α-phase MoO3 films. It has also been confirmed that as annealing temperatures increase, the crystallinity of thin films increases. The result of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis showed that the oxygen vacancies (Mo5+ peak & O peak) reduced after post annealing process. Based on I-V and C-V measurement, leakage current reduced from 10-3 to 10-9 A and dielectric constant increased from 7 to 34, according to the annealing temperature increase. |차세대 반도체의 개발이 진행되면서 2 차원 물질이 반도체 물질로서 대두되고 있는 가운데, 다양한 2차원 물질 중에서도 전이금속 산화물의 2차원 물질의 특성이 독특하여 이에 관한 연구가 지속적으로 이어지고 있다. 그 중에서도 특히 몰리브덴 산화물의 경우는 물질의 전기적, 촉매적, 광학적 특성에 의해서 다양한 분야에서 응용되어 사용되고 있다. 대표적으로는 고체리튬베터리, 가스센서, 태양광셀의 레이어층 등이 있으며 그 중에서 몰리브덴 삼산화물의 α상에서는 부도체의 성질을 가지면서 2DFET 에서 Gate oxide 물질로 사용이 가능하여 지속적인 연구가 진행되고 있다. 또한 연구의 결과에 따르면 몰리브덴 삼산화물은 높은 k 값을 가지기 때문에 소자의 산화물 절연체로 쓰일 수 있음이 확인되었다. 본 논문에서는 이처럼 다양한 활용이 가능한 몰리브덴 삼산화물을 원자층 증착법을 이용하여 증착 하였으며, X-선 반사 측정을 통해 다양한 변수(온도, 프리커서 주입시간, 리액턴트 주입시간)들에 따른 박막의 두께와 증착률을 확인하였다. 또한, X 선 광전자 분광법을 통해 직접적 증착 박막과 열처리 후의 박막의 구성성분과 결합 상태를 분석을 하였다. 그 결과로 열처리를 진행함에 따라서 박막 내부의 산소결핍이 해결되었고, M6+ 이온이 더 지배적으로 존재하게 되는 것을 확인하였다. 박막의 결정성은 X-선 굴절 측정을 통해 확인하였는데, 직접 증착된 박막은 비결정성을 나타낸 반면, 열처리가 진행된 후의 박막은 α상의 결정성을 가진 삼산화 몰리브덴 박막임을 확인할 수 있었다. 열처리를 통해서 결정성이 향상된 α상의 삼산화 몰리브데넘 박막은 I-C 와 C-V 측정을 통해서 전기적인 성질을 확인할 수 있었는데, 열처리의 온도가 높아질수록 누설전류는 줄어들었고, k 값은 증가하였다. 즉, 결정성이 증가하고, 산소결핍이 해결됨에 따라서 절연층으로 사용 가능한 박막에 가까워지는 것을 확인할 수 있었다.