펨토초 레이저 가공을 사용한 RF 스퍼터링된 베타 상 산화 갈륨 박막의 결함 제어

Abstract

본 연구에서는 RF 스퍼터링 기법으로 제작된 산화 갈륨 박막의 펨토초 단위 레이저 열처리를 통한 결함의 제어에 대한 확인과 고품질 박막을 제작하기 위한 공정 조건을 다양한 물성 분석과 시뮬레이션을 통해 비교 분석하였다. 기존 반도체 산업의 고효율 소자 제작을 위해서는 화학기상증착, 원자층증착과 같은 공정이 요구되는데 이는 복잡한 구조에서의 균일한 증착이 가능한 장점이 있다. 하지만 화학 반응 공정의 위험성과 다른 증착 공정 대비 많은 공정시간의 단점이 있다. 이와 같은 단점을 개선하고자 레이저 공정을 도입하였으며 펨토 초 단위의 열처리에 의한 결함 제어의 가능성을 확인하였다. 고품질 박막의 주요 결정 요소 중 하나는 결함이다. 결함은 박막 내 존재하는 결정립, 미세 응력, 전위밀도에 해당하며 증착된 박막의 소자 제작 시 전자의 트랩 현상으로 인한 소자 특성 저하를 발생시킬 수 있다. 따라서 레이저 열처리에 따른 효과와 결함의 수치 변화를 확인할 수 있는 반치폭와 Willamson-Hall plot 분석을 통해 레이저 열처리의 공정 변화에 따른 결함 제어를 비교 분석하였다. 결과적으로, 레이저 열처리를 통해 결정성, 광학적 특성이 개선되었음을 분석하였고, 반치폭과 Willamson-Hall plot 분석을 통해 레이저 열처리에 따라 결함이 제어되는 것을 확인하였다. 또한, MATLAB과 ANSYS 프로그램을 사용하여 공정을 구현함으로써 고온 유도와 열처리의 가능성을 확인하였다. 이러한 결과는 레이저 열처리에 따른 결함 제어와 산화 갈륨 박막을 활용한 다양한 반도체 및 전자 소자 개발에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.|In this study, we compared and analyzed methods for controlling defects in gallium oxide thin films produced by RF sputtering through Femtosecond laser annealing, as well as the process conditions required to obtain high-quality films, using various property analyses and simulations. To achieve efficient fabrication of semiconductor devices in the existing semiconductor industry, processes such as chemical vapor deposition and atomic layer deposition are required, which offer the advantage of uniform deposition in complex structures. However, these processes have disadvantages such as the risks associated with chemical reactions and longer process times compared to other deposition methods. To address these drawbacks, laser processing was introduced, and the potential for defect control through millisecond-scale annealing was verified. One of the key factors in obtaining high-quality films is defects. Defects encompass crystal defects, microstrain, and potential density within the film, and can lead to degradation of device characteristics due to trapping of electrons during the fabrication of deposited films. Therefore, through analysis of the effect of laser annealing and quantitative changes in defects using X-ray diffraction and Williamson-Hall plot analysis, we compared and analyzed defect control according to process variations in laser annealing. As a result, it was confirmed that the laser annealing improved crystallinity and optical properties, and through X-ray diffraction and Williamson-Hall plot analysis, it was observed that defects were controlled depending on the laser annealing process. Additionally, by implementing the process using the ANSYS program, the feasibility of high-temperature induction and annealing was confirmed. These results are expected to contribute to the development of various semiconductors and electronic devices utilizing defect control through laser annealing of gallium oxide thin films.