Silicon carbide(SiC)는 뛰어난 전기적, 열적, 물리적 특성 때문에 내환경 전자소자용 반도체 재료로 널리 연구되고 있다. 본 연구에서는 화학기상증착법으로 단결정 6H-SiC 동종박막을 성장시키고 이의 성장 특성을 조사하였다. 특히, 몰리브덴 (Mo)-plate를 이용하여 SiC를 코팅하지 않은 graphite susceptor를 사용한 6H-SiC 동종박막 성장조건을 성공적으로 얻었다. 대기압 상태의 RF-유도가열식 챔버에서 CVD성장을 수행하였고, <1120> 방향으로 $3.5^{\circ}$off-axis된 기판을 사용하였다. 성장 박막의 결정성을 평가하기 위하여 Nomarski 관찰, 투과율 측정 , 라만 분광, XRD, 광발광(PL) 분광, 투과전자현미경(TEM) 측 정 등의 방법을 이용하였다. 이상과 같은 실험을 통하여, 본 연구에서는 성장온도 $1500^{\circ}C$, C/Si flow ratio ($C_3H_8$ 0.2 sccm, $SiH_4$ 0.3 sccm)인 성장조건에서 결정성이 가장 좋은 6H-SiC 동종박막을 얻을 수 있었다.
Silicon carbide(SiC)는 뛰어난 전기적, 열적, 물리적 특성 때문에 내환경 전자소자용 반도체 재료로 널리 연구되고 있다. 본 연구에서는 화학기상증착법으로 단결정 6H-SiC 동종박막을 성장시키고 이의 성장 특성을 조사하였다. 특히, 몰리브덴 (Mo)-plate를 이용하여 SiC를 코팅하지 않은 graphite susceptor를 사용한 6H-SiC 동종박막 성장조건을 성공적으로 얻었다. 대기압 상태의 RF-유도가열식 챔버에서 CVD성장을 수행하였고, <1120> 방향으로 $3.5^{\circ}$off-axis된 기판을 사용하였다. 성장 박막의 결정성을 평가하기 위하여 Nomarski 관찰, 투과율 측정 , 라만 분광, XRD, 광발광(PL) 분광, 투과전자현미경(TEM) 측 정 등의 방법을 이용하였다. 이상과 같은 실험을 통하여, 본 연구에서는 성장온도 $1500^{\circ}C$, C/Si flow ratio ($C_3H_8$ 0.2 sccm, $SiH_4$ 0.3 sccm)인 성장조건에서 결정성이 가장 좋은 6H-SiC 동종박막을 얻을 수 있었다.
As a semiconductor material for electronic devices operated under extreme environmental conditions, silicon carbides (SiCs) have been intensively studied because of their excellent electrical, thermal and other physical properties. The growth characteristics of single- crystalline 6H-SiC homoepitaxi...
As a semiconductor material for electronic devices operated under extreme environmental conditions, silicon carbides (SiCs) have been intensively studied because of their excellent electrical, thermal and other physical properties. The growth characteristics of single- crystalline 6H-SiC homoepitaxial layers grown by a thermal chemical vapor deposition (CVD) were investigated. Especially, the successful growth condition of 6H-SiC homoepitaxial layers using a SiC-uncoated graphite susceptor that utilized Mo-plates was obtained. The CVD growth was performed in an RF-induction heated atmospheric pressure chamber and carried out using off-oriented ($3.5^{\circ}$tilt) substrates from the (0001) basal plane in the direction with the Si-face side of the wafer. In order to investigate the crystallinity of grown epilayers, Nomarski optical microscopy, transmittance spectra, Raman spectroscopy, XRD, Photoluninescence (PL) and transmission electron microscopy (TEM) were utilized. The best quality of 6H-SiC homoepitaxial layers was observed in conditions of growth temperature $1500^{\circ}C$ and C/Si flow ratio 2.0 of $C_3H_8$ 0.2 sccm & $SiH_4$ 0.3 sccm.
As a semiconductor material for electronic devices operated under extreme environmental conditions, silicon carbides (SiCs) have been intensively studied because of their excellent electrical, thermal and other physical properties. The growth characteristics of single- crystalline 6H-SiC homoepitaxial layers grown by a thermal chemical vapor deposition (CVD) were investigated. Especially, the successful growth condition of 6H-SiC homoepitaxial layers using a SiC-uncoated graphite susceptor that utilized Mo-plates was obtained. The CVD growth was performed in an RF-induction heated atmospheric pressure chamber and carried out using off-oriented ($3.5^{\circ}$tilt) substrates from the (0001) basal plane in the direction with the Si-face side of the wafer. In order to investigate the crystallinity of grown epilayers, Nomarski optical microscopy, transmittance spectra, Raman spectroscopy, XRD, Photoluninescence (PL) and transmission electron microscopy (TEM) were utilized. The best quality of 6H-SiC homoepitaxial layers was observed in conditions of growth temperature $1500^{\circ}C$ and C/Si flow ratio 2.0 of $C_3H_8$ 0.2 sccm & $SiH_4$ 0.3 sccm.
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문제 정의
본 연구에서는 단결정 SiC 박막 성장장치를 자체 제작하여 thermal CVD 방법으로 6HSC 동종박막을 성장시키고 이의 성장 특성을 조사하였다. -
본 연구에서는 자체 제작한 thermal CVD 성 징징 치를 이용하여 양질의 6H-SiC 동종박막을 성징시키는 조건을 조사하고, 성장시킨 시료의 성장 특성을 분석함으로써 본 성장 장치에서의 최적 조건을 확립하였다.
확인되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 화학기상증착법으로 단결정 6H-SiC 동종박막을 성장시키고 이의결정성을 평가.분석함으로써 양질의 박막성장을 위한 최적조건을 확립하였다.
제안 방법
6H-SiC 박막성장은 수평형 석영반응관에서 대기압 상태로 수행하였으며 특히, 본 연구에서는 일반적으로 SiC 박막 성장에 사용되고 있는 SiC-coated graphite susceptor 대신에 melting point가 높고 carbon과의 반응이 적은 몰리브덴 (Mo) plate를 이용한 uncoated graphite susceptor 를 사용하였다. 균일한 박막 두께를 얻기 위하여 susceptor# ga期 흐름방향으로 10° 정도 기울여 사용하였으며, <1120> 방향으로 3.
6H-SiC의 경우 흡수단은 400 nm 부근에 존재하는데, 본 연구에서는 UV-VIS-NIR Spectrophotometer(Hitachi U3501)를 이용하여 성장층의 투과 spectrum을 측정하였다.
석영반응관은 수냉이 가능하도록 이중관으로 제작하였고, susceptoife 고순도 고강도 POCO-graphite를 사용하여 제작하였다. Susceptor 의 가열은 주파수 400 kHz, 최대출력 25kW인 고주파발진기를 사용한 유도가열 방식을 이용하도록 구성하였으며, 기판시료는 susceptor의 상부 중앙에 위치하도록 설계하였다. 기판시료의 온도는 optical digital pyrometer를 사용하여 측정하며, 이를 위하여 susceptor 측면에 직경 5 mm 크기의 온도측정용 구멍을 기판시료 위치까지 뚫도록 설계하였다.
결정구조 및 결정성 평가에는 일반적으로 XRD(X-ray diffiraction)와 rocking curve 측정이 이용되는데, 본 연구에서도 XRD pattern으로 결정형을, rocking curve 측정에 의한 반치폭(FWHM)의 값으로 결정성을 평가하였다. 측정된 XRD pattern으로부터 성장시킨 모든 시료에서나타난 main peak들이 전형적인 6H-SiC의 main peak (35.
균일한 박막 두께를 얻기 위하여 susceptor# ga期 흐름방향으로 10° 정도 기울여 사용하였으며, 방향으로 3.5° off시킨 6H-SiC (0001) Si면을기판으로 사용하고, SiH4-C3H8-H2 system을 이용한 stepcontrolled epitaxy법으로 동종박막을 성장시켰다.
Susceptor 의 가열은 주파수 400 kHz, 최대출력 25kW인 고주파발진기를 사용한 유도가열 방식을 이용하도록 구성하였으며, 기판시료는 susceptor의 상부 중앙에 위치하도록 설계하였다. 기판시료의 온도는 optical digital pyrometer를 사용하여 측정하며, 이를 위하여 susceptor 측면에 직경 5 mm 크기의 온도측정용 구멍을 기판시료 위치까지 뚫도록 설계하였다. 고주파 유도가열 방식에 의한 susceptor의 온도 안정성은 매우 양호하였으며 (5℃ 이내), 1200℃에서 1650℃ 까지 조절이 가능하였다.
9(a)는 고분해능의 cross-sectional TEM image 로서, 6개의 원자층(15 A)이 한 unit cell을 이루고 있음을 보여준다[2이. 본 연구에서는 high-resolution TEM 관찰은 하지 못하였으나 전남대학교의 TEM 장비를 사용하여 상대적인 비교관찰을 시도하였다. 본 연구에서 관찰한 cross-sectional TEM image에서는 사진에 나타난 1개의 line이 한 unit cell을 나타내는 것으로, (b)에서 성장 박막의 image를 보여주고 있다.
이에 따라 본 연구에서는 화학기상증착법으로 단결정 6H-SiC 동종박막을 성장시키고 이의결정성을 평가.분석함으로써 양질의 박막성장을 위한 최적조건을 확립하였다.
본 연구에서 사용한 원료 gas는 SiH4(l % H2 희석)과 C3H8(1 % H2 희석)이고 carrier gas는 Ag-Pd puriHer로 정제된 고순도 见이다. 사용하는 gas의 누설을 방지하기 위하여 모든 연결부분은 VCR 및 swage-lock fitting을 하였고, gas 유도관은 stainless관을 사용하여 purity의 최적화를 도모하였다. 그리고 반응기체가 석영반응관에 유입되기 전에 gas mixing box를 거쳐 균일한농도분포의 혼합 gas가 공급되도록 하였으며, 원료 gas 및 carrier gas의 유량은 가스유량조절기 (MFC)를 사용하여 ±5% 이내로 조절이 가능함을 확인하였다.
vapor deposition) 장치이다. 석영반응관은 수냉이 가능하도록 이중관으로 제작하였고, susceptoife 고순도 고강도 POCO-graphite를 사용하여 제작하였다. Susceptor 의 가열은 주파수 400 kHz, 최대출력 25kW인 고주파발진기를 사용한 유도가열 방식을 이용하도록 구성하였으며, 기판시료는 susceptor의 상부 중앙에 위치하도록 설계하였다.
또한, 균일한 두께의 박막을 얻기 위하여 susceptor를 gas의 흐름방향으로 10° 정도 기울여 사용하였다. 성장시료의 결정성 분석은 Nomarski 관찰, 투과율측정, 라만 분광, X선 분광, 광발광 (PL) 분광, 투과전자현미경(TEM) 측정 등의 방법을 이용하였다.
성장시킨 6H-SiC 동종박막의 단면구조 및 표면구조를 조사하기 위하여 투과전자현미경 (TEM)으로 관찰하였다.
보인다. 성장시킨 6H-SiC 동종박막의 발광 특성으로부터 박막의 결정성을 비교하였다. 측정용 기기로는 325 nm 파장의 He-Cd laser, Liconix 4620ps 및 Spexl403 spectrometer를 사용하였고, 실온 및 11K에서 각각 측정하였다.
성장시킨 SiC 박막의 polytype 및 결정성 평가를 위하여 Raman spectrum을 측정하였다. 전형적인 6H-SiC에서 얻어지는 Raman spectra의 TO mode는 766 cm」, 789 cm」, 796 cm, 에서 main peak가 나타나며, LO mode는 966 cm」에서 main peak가 나타난다[16].
대단히 중요한 요소의 하나이다. 성장시킨 시료의 표면 morphology를 OLYMPUS PMG-3 광학현미경을 사용하여 Nomarski 관찰로 평가하였다.
5° off시킨 iitype 6H-SiC (0001)Si면을 기판으로 사용하였다. 성장특성의 C/Si flow ratio의 의존성을 확인하기 위하여 SiH4 은 0.15~0.45 seem, C3HBe 0.1—0.3 seem으로 유량을변화시켰고, 성장온도의 영역을 1300~ 1500℃로 하였다.
한편, 본 연구에서는 일반적으로 SiC 박막성장에 사용되고 있는 SiC-coated graphite susceptor 대신에, melting point가 높고 carbon과의 반응이 적은 몰리브덴 plate를 이용함으로써, graphite susceptor를 SiC로 coating 시키지 않고서도 고품위의 동종박막을 성장시킬 수 있는 조건을 확립하였다. 또한, 균일한 두께의 박막을 얻기 위하여 susceptor를 gas의 흐름방향으로 10° 정도 기울여 사용하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 SiC 박막 성장장치는 thermal CVD (chemical vapor deposition) 장치이다. 석영반응관은 수냉이 가능하도록 이중관으로 제작하였고, susceptoife 고순도 고강도 POCO-graphite를 사용하여 제작하였다.
본 실험에서는 방향으로 3.5° off시킨 iitype 6H-SiC (0001)Si면을 기판으로 사용하였다.
1(a)는 자체 제작한 horizontal type의 수냉식 이중 석영반응관이고, (b)는 고순도 graphite를 사용하여 제작한 susceptor와 석영관으로 제작한 susceptor holder> 보여주고 있다. 본 연구에서 사용한 원료 gas는 SiH4(l % H2 희석)과 C3H8(1 % H2 희석)이고 carrier gas는 Ag-Pd puriHer로 정제된 고순도 见이다. 사용하는 gas의 누설을 방지하기 위하여 모든 연결부분은 VCR 및 swage-lock fitting을 하였고, gas 유도관은 stainless관을 사용하여 purity의 최적화를 도모하였다.
성장시킨 6H-SiC 동종박막의 발광 특성으로부터 박막의 결정성을 비교하였다. 측정용 기기로는 325 nm 파장의 He-Cd laser, Liconix 4620ps 및 Spexl403 spectrometer를 사용하였고, 실온 및 11K에서 각각 측정하였다. Fig.
데이터처리
6°)와 일치하였고[21] 작은 peak들 역시 6H-SiC에서 나타나는 peak임을 확인할 수 있었다. Fig. 7은 X-ray rocking curve 측정 결과로, 본 실험에서의 최적성장조건으로 판단된 성장온도 1500℃, C/Si flow ratio 2.0인 경우와 기판에 대한 결과를 비교하였다. Fig.
이론/모형
또한, 균일한 두께의 박막을 얻기 위하여 susceptor를 gas의 흐름방향으로 10° 정도 기울여 사용하였다. 성장시료의 결정성 분석은 Nomarski 관찰, 투과율측정, 라만 분광, X선 분광, 광발광 (PL) 분광, 투과전자현미경(TEM) 측정 등의 방법을 이용하였다.
성능/효과
한편, PL spectra 및 Raman scattering spectra 결과들로부터 성장층이 단결정 6H-S1C 동종박막임을 확인할 수 있었다. PL 측정결과 6H-SiC의 전형적인 D-A pair recombination0)] 의한 peak가 약 2.5 eV 영역에서관측되었고, Raman 측정결과 역시 6H-SiC의 전형적인위치에서 peak가 나타났으며, XRD 결과 역시 35°와 75° 영역에서 6HSC의 전형적인 (0006)면과 (00012)면의 peak 를 확인하였다. 또한 성장충에 대한 단면 TEM image와표면 diffraction pattern 관측으로부터 성장시킨 박막은단결정 6H-SiC 동종박막으로 확인되었다.
성장온노가 1300℃ 보다도낮은 경우에는 본 system에서는 cubic과 hexagonal의 혼재를 확인할 수 있었다. Transmittance 측정결과로부터, 6H-SiG의 전형적인 흡수단인 400 nm 영역에서의 홉수단이나타남을 통하여 6H-SiC 동종박막이 성장되었음을 확인하였다. 한편, PL spectra 및 Raman scattering spectra 결과들로부터 성장층이 단결정 6H-S1C 동종박막임을 확인할 수 있었다.
3(c)의 경우는 결함이 거의 관측되지 않은 epi 성장층의 일부분을 보여주고 있으며, 이로부터 기판의결정성이 epi층 성장에 직접적인 영향을 미치고 있음을 알수 있었다. 결론적으로, 본 성장장치에서는 성장온도 1500℃ 인 경우가 표면 morphology 상으로는 기판의 '영향을 거의 받지 않고 매우 매끄러운 표면을 얻을 수 있는 최적의조건임을 확인하였다.
사용하는 gas의 누설을 방지하기 위하여 모든 연결부분은 VCR 및 swage-lock fitting을 하였고, gas 유도관은 stainless관을 사용하여 purity의 최적화를 도모하였다. 그리고 반응기체가 석영반응관에 유입되기 전에 gas mixing box를 거쳐 균일한농도분포의 혼합 gas가 공급되도록 하였으며, 원료 gas 및 carrier gas의 유량은 가스유량조절기 (MFC)를 사용하여 ±5% 이내로 조절이 가능함을 확인하였다.
2 seem) 경우에가장 양호함을 확인할 수 있었고, 이는 기 보고된 SiC-coated susceptor를 사용한 결과와 거의 동일함을 확인하였다. 단결정 6H-SiC 동종박막 성장은 1300℃까지 가능하였으며, 기판의 결정성이 epi층 성장에 직접적인 영향을미치고 있음을 알 수 있었다. 성장온노가 1300℃ 보다도낮은 경우에는 본 system에서는 cubic과 hexagonal의 혼재를 확인할 수 있었다.
0인 경우의 성장온도에 따른 성장층의 투과 spectrum을 기판과 비교하여 보여주고 있는데, 모든 경우에 전형적인 흡수단이 400nm 영역에 있다. 따라서 본 실험에서 성장시킨 성장층의 polytype 은 6H-SiC임을 확인할 수 있었다.
5 eV 영역에서관측되었고, Raman 측정결과 역시 6H-SiC의 전형적인위치에서 peak가 나타났으며, XRD 결과 역시 35°와 75° 영역에서 6HSC의 전형적인 (0006)면과 (00012)면의 peak 를 확인하였다. 또한 성장충에 대한 단면 TEM image와표면 diffraction pattern 관측으로부터 성장시킨 박막은단결정 6H-SiC 동종박막으로 확인되었다. 이상의 결과로부터, 본 연구에서의 6H-SiC 동종박막 최적 성장조건은 성장온도 1500℃, C/Si flow ratio 20인 경우로 확인되었다.
성장시킨 undoped 6H-SiC 동중박막의 Nomarski 에의한 surface morphology는 성장온도 1500℃, C/Si flow ratio 2.0 인 (SiH4:0.3 seem, C3H8: 0.2 seem) 경우에가장 양호함을 확인할 수 있었고, 이는 기 보고된 SiC-coated susceptor를 사용한 결과와 거의 동일함을 확인하였다. 단결정 6H-SiC 동종박막 성장은 1300℃까지 가능하였으며, 기판의 결정성이 epi층 성장에 직접적인 영향을미치고 있음을 알 수 있었다.
한편 (c)는 성장시킨 박막의 diffraction pattem으로, 기 보고된 전형적인 6H-SiC의 pattern과 일치함을 확인하였다[2이. 이러한 결과들로부터 성장시킨 박막은 6H-SiC 동종박막임을, 그리고 적층이 매우 우수한 양질의 박막이라는 결론을 얻을 수 있었다.
0인 조건으로 성장시킨 박막의 측정 결과는 거의 일치하고 있다. 이러한 발광특성 결과로부터 양호한 결정성을 가진 6H-SiC 동종박막이 성장되었음을 확인할 수 있었다.
27이었다. 이로 보아 1300℃에서 성장시킨 성장층은 3C와 6HSC의 혼재 가능성이 큰 경우임을 알 수 있었다. 반면에 1500℃에서 성장시킨 경우는 Fig.
또한 성장충에 대한 단면 TEM image와표면 diffraction pattern 관측으로부터 성장시킨 박막은단결정 6H-SiC 동종박막으로 확인되었다. 이상의 결과로부터, 본 연구에서의 6H-SiC 동종박막 최적 성장조건은 성장온도 1500℃, C/Si flow ratio 20인 경우로 확인되었다.
일정한 C/Si flow ratio에 대하여, 성장온도에 따른 표면 morphology는 대체적으로 양호한 것으로 평가되었다. Fig.
Transmittance 측정결과로부터, 6H-SiG의 전형적인 흡수단인 400 nm 영역에서의 홉수단이나타남을 통하여 6H-SiC 동종박막이 성장되었음을 확인하였다. 한편, PL spectra 및 Raman scattering spectra 결과들로부터 성장층이 단결정 6H-S1C 동종박막임을 확인할 수 있었다. PL 측정결과 6H-SiC의 전형적인 D-A pair recombination0)] 의한 peak가 약 2.
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