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(19) 한민 특허청(KR)

(12) 등 특허공보(B1)

(45) 공고 2016 09월02

(11) 등 10-1653463

(24) 등 2016 08월26

(51) 특허 (Int. Cl.)

C23C 16/448 (2006.01) C23C 16/22 (2006.01)(21) 원 10-2014-0177354

(22) 원 2014 12월10

심사청 2014 12월10

(65) 공개 10-2015-0068325

(43) 공개 2015 06월19

(30) 우 주

1020130153307 2013 12월10 한민 (KR)

(56) 행 사 헌

US20100258786 A1

KR1020120112924 A

US20100181655 A1

JP2011066427 A

(73) 특허

학 산학 단

울특별시 진 능동 209 ( 동, 학)

(72)

천승

울특별시 양재 1089 3동 905 (동,한양3차아 트)

경 도 고양시 양 156 42-47 (천동)

상균

울특별시 양천 3동 600-633

(74) 리

특허 상

체 청 항 : 9 항 심사 : 상진

(54) 칭 그 핀층 상 막 포함하는 그 핀층 상 막

(57) 약

그 핀층 상 막 포함하는 그 핀층 상 막 공한다. 는 그

핀층 포함한다. 상 그 핀층 상에, 상에 탄 함 하는 층 비하는 복 개 1 체

들, 그리고 상 1 체들 사 에 2 체 비하는 막 치 다.

도 - 도3c

등록특허 10-1653463

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지원한 가연 개 사업

과 고 1345200808

처 과학

연 리 한 연 재단

연 사업 연 ( )

연 과 그 핀 연

여 1/1

주 학 산학 단

연 간 2013.05.01 ~ 2014.04.30

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청 항 1

그 핀층;

상 그 핀층 상에 치 고, 복 개 1 체들, 그리고 상 1 체들 사 에

2 체들 비하 ,

상 1 체들 2 체들 각각 상에 탄 함 하는 층 막

포함하는 .

청 항 2

1항에 어 ,

상 1 체들과 상 2 체들 ,

Al2O3, HfO2, ZrO2, TiO2 , SiO2 루어진 택 는 어도 하나 함 하는 .

청 항 3

1항에 어 ,

상 그 핀층과 상 막 사 에 치 개질막 포함하는 .

청 항 4

3항에 어 ,

상 개질막 헥사 틸다 실 (Hexamethyldisilazane, HMDS), 트 틸다 실

(Tetramethyldiilazane, TMDS), 릴 트 카복실산 (perylene tetracarboxylic acid, PTCA), 틸트 클

실 (methyltrichlorosilane), 또는 들 복합층 .

청 항 5

그 핀층 상에 1 단 체 ALD 사 하여 하는 단계;

상 1 단 체가 탄 포함하는 에 냉각하여, 상 1 단 체 상

에 탄 포함하는 층 하는 단계; 상 1 단 체 상에 2 단 체 ALD 사 하

여 하는 단계 포함하는 막 .

청 항 6

5항에 어 ,

상 1 단 체는 1 체들 포함하는 막 .

청 항 7

5항에 어 ,

상 냉각 실 에 행 는 막 .

청 항 8

청 항 9

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5항에 어 ,

상 2 단 체는 2 체들 포함하는 막 .

청 항 10

5항에 어 ,

상 1 단 체 하 에,

상 그 핀층 상에 개질막 하는 단계 포함하는 막 .

본 막 , 욱 상 하게는 그 핀층 상에 막 하는 에 한 것 다.[0001]

그 핀(graphene) 탄 원 가 허니 태 격 열 2차원 시트상 질 , 연과 같 탄[0002]

질 재료 루는 본 블 도 하다. 러한 그 핀 학 , 열 도도, 강도, , 캐리어 동

도(mobility) 우 한 운 능 (current carrying capability)과 같 뛰어난 특 갖는다.

에, 도체 재료 실리 체 보 할 는 재 갖고 고, 상 연결 [0003]

(interconnection) 한 안 질 각 고 다. 에, 그 핀 도체 재료 사 하여 등

야에 하는 연 가 진행 고 다.

한편, 그 핀 도체 재료 한 만들 해 는 한 연막 필 다. 실리[0004]

도체 재료 사 한 에는 연막 Al2O3, HfO, 또는 SiO2 등 착 다. 또한, 상 연막

하 해 원 층 착 (atomic layer deposition, ALD) 주 사 한다. 하지만, 그 핀층 상에 ALD 공

사 하여 상 연막 할 시, 연막 균 하게 하지 않는 단 다.

도 1 SiO2층 상에 Al2O3 연막(a) 그 핀층 상에 Al2O3 연막(b) AFM 미지 다.[0005]

도 1(a) 참 하 , SiO2층 상에 연막 경우 비 균 한 태 하지만, 도 1(b)[0006]

참 하 , 그 핀층 상에는 연막 클러 태 울 하게 알 다.

해결하 는 과

에, 본 측 그 핀층 상에 균 하게 막, 그리고 그 핀층 상에 균 하게 막[0007]

시킬 는 공하는 에 그 다.

본 과 들 상에 언 한 과 한 지 않 , 언 지 않 또 다 과[0008]

들 아 재 당업 에게 하게 해 것 다.

과 해결 단

상 과 루 하여 본 측 공한다. 는 그 핀층 포함한[0009]

다. 상 그 핀층 상에, 상에 탄 함 하는 층 비하는 복 개 1 체들, 그리고

상 1 체들 사 에 2 체 비하는 막 치 다.

상 1 체들과 상 2 체는, Al2O3, HfO2, ZrO2, TiO2 , SiO2 루어진 [0010]

택 는 어도 하나 함 할 다.

상 그 핀층과 상 막 사 에 개질막 치 다. 상 개질막 헥사 틸다 실[0011]

(Hexamethyldisilazane, HMDS), 트 틸다 실 (Tetramethyldiilazane, TMDS), 릴 트 카복실산

(perylene tetracarboxylic acid, PTCA), 틸트 클 실 (methyltrichlorosilane), 또는 들 복합층

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다.

상 과 루 하여 본 측 막 공한다. , 그 핀층 상에 [0012]

1 단 체 ALD 사 하여 한다. 상 1 단 체가 탄 포함하는

에 냉각한다. 냉각 1 단 체 상에 2 단 체 ALD 사 하여 한다.

상 1 단 체는 1 체들 포함할 다. 상 2 단 체는 상 1 [0013]

체들 사 에 2 체 포함할 다.

상 냉각 단계는 실 에 행 다. 상 냉각 단계에 , 상 1 체들[0014]

상에 탄 포함하는 층 다.

상 1 단 체 하 에, 상 그 핀층 상에 개질막 할 다.[0015]

본 에 그 핀층 상 막 그 핀층 상에 거칠 가 개 막 시킬 [0016]

는 과가 다. 에 , 또한, 그 핀층 상에 치하는 막 연 과 향상시키고, 연에 필 한

막 께 감 시킬 다.

도 간단한

도 1 SiO2층 상에 Al2O3 연막(a) 그 핀층 상에 Al2O3 연막(b) AFM 미지 다.[0017]

도 2는 본 실시 에 그 핀 포함하는 단 도 다.

도 3a, 도 3b, 도 3c는 본 실시 에 막 하는 나타낸 단 도들 다.

도 4는 도 3a B 에 한 하여 나타낸 개략도 다.

도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d는 비 들 1 내지 3에 Al2O3 막 원 간 미경(AF

M) 사 하여 찰한 결과 나타낸 미지들과 그 프들 다.

도 6 2 진행과 에 HDMS 개질막 과 후 그 핀층 만 트럼 나타낸 그

프 다.

도 7a는 3에 Al2O3 막 단 한 고해상도 과 미경(HR-TEM) 사진들 고, 도 7b 도

7c는 3에 Al2O3 막 단 (EDS, Energy Dispersive X-ray Spectrometry) 결과들 나타

낸다.

실시하 한 체 내

하, 첨 한 도 들 참 하여 본 직한 실시 들 상 한다. 그러나, 본 여[0018]

는 실시 들에 한 지 않고 다 태 체 도 다. , 여 개 는 실시 들 개

시 내 철 하고 해질 도 그리고 당업 에게 본 사상 달 도 하

해 공 는 것 다. 도 들에 어 , 층들 역들 께는 하 하여 과 것 다.

체에 걸쳐 동 한 참 들 동 한 들 나타낸다.

다 게 지 않는 한, 거나 과학 어 포함하여 여 사 는 든 어들 본 [0019]

하는 야에 통상 지식 가진 에 해 해 는 것과 동 한 미 가지고 다.

사 는 사 에 어 는 것과 같 어들 맥상 가지는 미 치하는 미

가지는 것 해 어야 하 , 본 원에 하게 하지 않는 한, 상 거나 과도하게 식

미 해 지 않는다.

또한, 본 실시 에 는 편 상 극, 드 극 등 어 사 하여 하 나, 들 드시 트[0020]

지 극 것 아니다. , 극과 드 극 단 극 칭 별하 해 사 는

경우도 , 경우 컨 극 1 극 , 드 극 2 극 미하 도 한다. ,

하 실시 에 나타나는 는 , , 검 , 리 , 트 지 , 다 드 등

에 폭 게 는 것 해 어야 한다.

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도 2는 본 실시 에 그 핀 포함하는 단 도 다.[0021]

도 2 참 하 , 본 실시 에 그 핀계 는 (100), (100) 상에 치하는 연[0022]

막(10), 연막 상에 그 핀층(20), 그 핀층(20) 양단과 각각 하는 극(31) 드

극(32), 그 핀층(20) 상에 복 개 체 단 막 층 막(50), 막(50) 상에 게

트 극(60) 포함한다.

(100) 실리 , 리 , 플 틱 등 나, 에 한 는 것 아니 , [0023]

통 는 다양한 사 할 다.

연막(10) 연막 또는 고 산 막 다. 컨 , 연막 실리 질 막(SiNx) 또는 실[0024]

리 산 막(SiO2) , 고 산 막 하프늄 사 드(HfO2), 알루미늄 사 드(Al2O3), 지 늄

사 드(ZrO2) 또는 티타늄 사 드(TiO2) 다. 연막(10) 링 (sputtering), 학 상 착

(CVD) 또는 플 마 학 상 착 (PECVD) 할 나, 에 한 는 것 아니 ,

통 는 다양한 할 다.

그 핀층(20) 복 층 그 핀(multilayer graphene) 또는 단 층 그 핀(single-layer graphene) 다.[0025]

복 층 그 핀 그 핀 단 층 2 내지 20, , 2 내지 10층 비할 다. 그 핀층(20)

(100) 상에 하는 여러 가지가 는 , 그 는 사 쇄 (transfer printing) 들

다. 사 쇄 하는 경우, 별도 생 (도시하지 않 ) 에 생층(도시하지 않 ) 매층

(도시하지 않 ) 층한 다 , CVD 매층 에 그 핀층 시킨 후, 그 핀층

에 사 (도시하지 않 ) 착한 다 , 생층 거하여 생 리할 다. 어 매층

거하여 그 핀층 시킨 후, 그 핀층 (100)에 착하고 사 거할

다. 그러나, 에 한 지 않고 리 등 통해 얻 그 핀 (100) 상에 할 도 다. 그

핀층(20) 채 층 , 도체 가 - (turn-on) 는 경우, 그 핀층(20) 내에 극(31) 드

극(32) 사 에 하가 동하는 경 채 생 다.

극(31) 드 극(32) 상 그 핀층(20) 상 양단에 격 어 다. 컨 ,[0026]

극(31) 드 극(32) 도 질 다. 상 도 질 항 가지는 또는

산 다. 컨 , 항 가지는 알루미늄(Al), (W), 리(Cu), 니 (Ni), 크

(Cr), 몰리브 (Mo), 티타늄(Ti), (Pt) 탄탈 (Ta) 에 택 다. 또한, 산

ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 다. , 극(31) 드 극(32)

상 도 질 그 핀층(20) 에 하고, 리 그 피 공 통해 택 닝하여

할 다.

게 트 극(60) 도 질 다. 상 도 질 항 가지는 또는 산 [0027]

다. 컨 , 항 가지는 알루미늄(Al), (W), 리(Cu), 니 (Ni), 크 (Cr), 몰리브

(Mo), 티타늄(Ti), (Pt) 탄탈 (Ta) 에 택 다. 또한, 산 ITO(Indium Tin

Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 다. 게 트 극(60) , 도 질 막(50) 에

착한 후, 리 그 피 공 통해 택 닝하여 할 다. 상 착 RF 또는 DC

하여 달 다. 통해 막(50) 상 에 게 트 극 다.

도 3a, 도 3b, 도 3c는 본 실시 에 막 하는 나타낸 단 도들 다. 본 단[0028]

도들 도 2 A 에 한다.

도 3a 참 하 , 그 핀층(20) 상에 개질막(40) 할 다. 개질막(40) 막 고,[0029]

갖는 그 핀층(20) 친 개질시킬 는 막 , 헥사 틸다 실

(Hexamethyldisilazane, HMDS), 트 틸다 실 (Tetramethyldiilazane, TMDS), 릴 트 카복실산

(perylene tetracarboxylic acid, PTCA), 틸트 클 실 (methyltrichlorosilane), 또는 들 복합층

나 에 한 는 것 아니다. 개질막(40) 진공 착 , 크린 쇄 , 프린 , 핀

, 핑 또는 크 사 사 하여 착할 다. 상 개질막(40) 상 그 핀층(20) 상

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에 립 립 단 막 다.

상 개질막(40) 상에 ALD (Atomic Layer Deposition Technique) 사 하여 1 단 체 할[0030]

다. 1 단 체는 상 개질막(40) 상에 격하는 다 개 연 1 체들(5

1) 포함하는 클러 태 다. 다시 말해 , 1 체들(51) 사 에는 상 개질막

(40) 다. 1 체들(51) 1 체 나, 그 태는 에 한 지 않고

다각체 등 태 가질 도 다.

러한 1 단 체는 Al2O3, HfO2, ZrO2, TiO2 , SiO2 루어진 택 는 어도 하나[0031]

포함할 다. 상 1 단 체는 체 공 단계, 1 산 지단계, 산 공 단계,

2 산 지단계 루어진 단 사 클 10 내지 100 , 20 내지 60 복하여

할 다. 또한, 1 단 체 께는 약 10 내지 100nm, , 약 20 내지 60nm 다.

, 착 도는 50℃ 내지 200℃, 체 100℃ 내지 150℃ 다.

후, 1 단 체가 착 , 1 체들(51) 탄 포함하는 체 [0032]

에 냉각할 다. 탄 포함하는 체 는 CO2, CO 등 다. 냉각 도는 15℃

내지 20℃ 다. 또한 냉각 당 100℃ 도 격 행할 다. 러한 냉각단계는 ALD 비

1 체들(51) 언 하여, 실 에 행할 다. 그

러나, 에 한 지 않고, ALD 비 내에 1 체들(51) 상태에 , 비(또는

챔 ) 내 탄 포함하는 체, 들어 공 하 (또는 챔 ) 냉각시 행할 도

다.

상 탄 포함하는 체 에 냉각과 에 1 체들(51) 상에 탄 포함하는[0033]

층(S) 다. 체 , 1 체(51) 에 탄 도는 1

체(51) 내 에 비해 고, 내 갈 차 감 할 다.

도 3b 참 하 , ALD 비 내에 1 체들(51) 상에 ALD 사 하여 2 단 체 [0034]

할 다. 2 단 체 하는 것 도 3a 참 하여 한 1 단 체 하는 건과

실질 동 한 건에 행할 다. 과 에 , 1 체들(51) 상에

층(S)는 씨드 역할 행할 다. 그 결과, 2 단 체층 격하는 다 개 연 2

체들(52) 포함하는 클러 태 , 상 1 체(51) 에 하여 또는 상

1 체들(51) 사 에 상 개질막(40) 상에 다. 2 체들(52) 2

체 나, 그 태는 에 한 지 않고 다각체 등 태 가질 도 다. 같 , 1

2 체들(51, 52) 상 개질막(40) 상에 향 다.

어 , 2 단 체가 착 , 2 체들(52) 탄 포함하는 체 [0035]

에 냉각할 다. 러한 냉각 단계는 도 3a 참 하여 한 냉각 단계 건과 실질 동 한

건에 행할 다.

도 3c 참 하 , ALD 비 내에 1 2 체들(51, 52) 상에 ALD 사 하여 3 단 [0036]

체 할 다. 3 단 체 하는 것 도 3a 참 하여 한 1 단 체 하

는 건과 실질 동 한 건에 행할 다. 과 에 , 1 2 체들(51, 52)

상에 층(S)는 씨드 역할 행할 다. 그 결과, 3 단 체층 격하는 다

개 연 3 체들(53) 포함하는 클러 태 , 상 1 2 체

(51, 52) 에 하여 또는 상 1 2 체들(51, 52) 사 에 상 개질막(40) 상

에 다. 3 체들(53) 3 체 나, 그 태는 에 한 지 않고 다각

체 등 태 가질 도 다.

같 , 1, 2, 3 체들(51, 52, 53) 상 개질막(40) 상에 향 각각 [0037]

다. 그 결과, 1, 2, 3 체들(51, 52, 53) 포함하는 막(50) 거칠

가 개 다.

어 , 3 단 체가 착 , 3 체들(53) 탄 포함하는 체 [0038]

에 냉각할 다. 러한 냉각 단계는 도 3a 참 하여 한 냉각 단계 건과 실질 동 한

건에 행할 다.

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상 에 , 체들 에 걸쳐 하는 것 재하 나, 에 한 지 한고 체들[0039]

복 행한다 , 그 에는 한 없 다. 그러나, 는, 체들

2 내지 5 행할 다.

도 4는 도 3a B 에 한 하여 나타낸 개략도 다.[0040]

도 4 참 하 , 그 핀층(20) 상에 개질막(40) 할 다. 여 , 개질막(40) 헥사 틸다[0041]

실 (Hexamethyldisilazane, HMDS) 것 도시하 나, 에 한 지 않는다. , HMDS 틸

는 그 핀층(20) 과 에 해 그 핀층(20) 상에 치 다. 그러나, 러한

에 는 것 아니다.

상 개질막(40) 상에 H2O 공 할 다. 그 결과, CH4 /또는 NH3가 산 생 과 동시에 [0042]

개질막(40) 에 -Si-OH가 어, 막 친 변 다. 그러나, 러한

에 는 것 아니다. 단계는 ALD 행하 한 단 사 클들 하나 산 공 단계

다. 후, 산 지할 다. 같 , 그 핀층(20) 상에 Si-OH는 그 핀층(20)

에 친 변 시 후 는 체들 거칠 시키는 역할 행할

다.

어 , ALD 행하 한 단 사 클 체 공 단계 행할 다. 체[0043]

Al(CH3)3(trimethyl aluminium, TMA)가 공 는 것 도시 었 나, 에 한 는 것 아니다. 그 결과,

CH4가 산 생 과 동시에 -Si-(O-Al-CH3)n가 다. 후, 산 지할

다.

어 , ALD 행하 한 단 사 클 산 공 단계 , H2O 공 할 다. 그 결과, CH4가 [0044]

산 생 과 동시에 개질막(40) 상에 체 알루미늄 산 (51) 다. 후,

산 지할 다.

에 한 체 공 단계 산 공 단계 복 행하는 경우, 도 3a에 도시 같 [0045]

체(51)가 다.

하, 본 해 돕 하여 직한 실험 (example) 시한다. 다만, 하 실험 는 본 [0046]

해 돕 한 것 뿐, 본 하 실험 에 해 한 는 것 아니다.

<비 >[0047]

SiO2 상에 그 핀층 하 다. 그 후, ALD 시 하여 125 ℃에 1:2 몰비[0048]

TMA(trimethylaluminium) H2O 갈아 공 지하 , 그 핀층 상에 10nm 께 갖는 Al2O3 막

하 다.

< 1>[0049]

SiO2 상에 그 핀층 하 다. 그 후, ALD 시 하여 125 ℃에 1:2 몰비[0050]

TMA(trimethylaluminium) H2O 갈아 공 지하 , 그 핀층 상에 2.5 nm 1 Al2O3 단 막

착한 후, 1 Al2O3 단 막 착 공 에 실 당 100℃ 도 냉각하 다. Al2O3 단

막 착할 10 싸 클 당 1 nm Al2O3 단 막 도 하 다.

후, 같 건 2.5 nm 2 Al2O3 단 막 착한 후, 냉각하 다. 그 후, 역시 같 건 5 nm[0051]

3 Al2O3 단 막 착한 후, 냉각하 다. 그 결과, 차 층 2.5 nm/ 2.5 nm/ 5 nm Al2O3 단 막

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들 비하는 Al2O3 막 얻었다.

< 2>[0052]

SiO2 상에 그 핀층 한 , ALD 시 사 하여 Al2O3 막 하 에, 그 핀층 상에 HDMS[0053]

개질막 핀 한 것 하고는 비 과 동 한 공 행하여, 10nm 께 갖는 Al2O3 막

하 다.

< 3>[0054]

SiO2 상에 그 핀층 한 , ALD 시 사 하여 Al2O3 막 하 에, 그 핀층 상에 HDMS[0055]

개질막 핀 한 것 하고는 1과 동 한 공 행하여, 차 층 2.5 nm/ 2.5 nm/

5 nm Al2O3 단 막들 비하는 Al2O3 막 얻었다.

후, 원 간 미경(Atomic Force Microscope, AFM) 사 하여 비 들 1 내지 3에 [0056]

Al2O3 막 상태 균 도 찰했다.

도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d는 비 들 1 내지 3에 Al2O3 막 원 간 미경(AF[0057]

M) 사 하여 찰한 결과 나타낸 미지들과 그 프들 다.

도 5a 참 하 , 비 에 Al2O3 막 매우 울 하 평균 거칠 (Ra)가 약 4.45nm[0058]

알 다.

도 5b 참 하 , 1에 Al2O3 막 평균 거칠 (Ra)가 약 4.43nm , ALD 공 사 하여[0059]

Al2O3 단 막 착한 후 실 에 냉각함에 Al2O3 막 거칠 가 감 한 것 알 다.

도 5c 참 하 , 2에 Al2O3 막 평균 거칠 (Ra)가 약 4.23nm , 그 핀층 상에 HDMS [0060]

개질막 핀 함에 Al2O3 막 거칠 가 감 한 것 알 다.

도 5d 참 하 , 3에 Al2O3 막 평균 거칠 (Ra)가 약 0.92nm , 그 핀층 상에 HDMS [0061]

개질막 핀 하고 후 ALD 공 사 하여 Al2O3 단 막 착한 후 실 에 냉각함에 Al2O3

막 거칠 가 크게 감 한 것 알 다.

도 6 2 진행과 에 HDMS 개질막 과 후 그 핀층 만 트럼 나타낸 그[0062]

프 다.

도 6 참 하 , HDMS 개질막 과 후에 그 핀층 동 한 만 피크 나타냄 알 다.[0063]

, HDMS 개질막 그 핀층 질에 향 주지 않는 것 알 다.

도 7a는 3에 Al2O3 막 단 한 고해상도 과 미경(HR-TEM) 사진들 고, 도 7b 도[0064]

7c는 3에 Al2O3 막 단 (EDS, Energy Dispersive X-ray Spectrometry)결과들 나타

낸다.

도 7b, 도 7c 참 하 , Al2O3 체 탄 가 검 고, 탄 가 상에 치하[0065]

는 체들 사 에 다시 Al2O3 체가 것 할 다.

또한 도 7a 참 하 , 체들 상에 향 하여 치 , 빈 리가 거[0066]

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없 고 게 것 알 다.

러한 결과 , ALD 사 하여 1 Al2O3 단 막 착하 상 에 듬 듬 1 [0067]

체들 생 고, 후 실 에 냉각함에 1 체들 공 탄 함 체(CO2

등)과 하여 탄 함 하게 고, 러한 탄 함 그 다 ALD 단계에 2 Al2O3 단 막 착

할 씨드 역할 행할 어, 생 는 2 체 1 클러 들 사 에 생 하

도 도하는 것 다. 또한, 같 1, 2 , 가 3 체들 향

하여 에 , 막 거칠 가 크게 감 한 것 할 다.

상, 본 직한 실시 들어 상 하게 하 나, 본 상 실시 [0068]

에 한 지 않고, 본 사상 내에 당 야에 통상 지식 가진 에 하여 여러

가지 변 변경 가능하다.

도 1

도 2

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도 3a

도 3b

도 3c

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도 4

도 5a

도 5b

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도 5c

도 5d

도 6

도 7a

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도 7b

도 7c

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