[논문]초고온 MEMS용 단결정 3C-SiC의 Ohmic Contact 형성

정귀상; 정수용

doi:10.5369/jsst.2005.14.2.131

[국내논문] 초고온 MEMS용 단결정 3C-SiC의 Ohmic Contact 형성
Ohmic contact formation of single crystalline 3C-SiC for high temperature MEMS applications 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.14 no.2, 2005년, pp.131 - 135

정귀상 (울산대학교 전기전지정보시스템공학부) , 정수용 (동서대학교 정보시스템공학부)

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This paper describes the ohmic contact formation of single crystalline 3C-SiC thin films heteroepitaxially grown on Si(001) wafers. In this work, a TiW (Titanium-tungsten) film as a contact matieral was deposited by RF magnetron sputter and annealed with the vacuum and RTA (rapid thermal anneal) process respectively. Contact resistivities between the TiW film and the n-type 3C-SiC substrate were measured by the C-TLM (circular transmission line model) method. The contact phases and interface the TiW/3C-SiC were evaulated with XRD (X-ray diffraction), SEM (scanning electron microscope) and AES (Auger electron spectroscopy) depth-profiles, respectively. The TiW film annealed at $1000^{\circ}C$ for 45 sec with the RTA play am important role in formation of ohmic contact with the 3C-SiC substrate and the contact resistance is less than $4.62{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm^{2}$. Moreover, the inter-diffusion at TiW/3C-SiC interface was not generated during before and after annealing, and kept stable state. Therefore, the ohmic contact formation technology of single crystalline 3C-SiC using the TiW film is very suitable for high temperature MEMS applications.

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 3C-SiC를 이용한 초고온 M/NEMS를 개발하기 위한 선행연구로써 단결정 3C-SiC와 ohmic contact 물질로 열적으로 안정하며 확산방지기능을 갖는 TiW를 contact 물질로 형성하여 열처리 온도에 따른 접촉저항, 전류-전압 특성 그리고 계면 반응을 분석 및 평가하였다.
본 연구는 TiW 박막을 이용하여 APCVD법으로 Si기판위에 이종결정성장된 초고온 MEMS용 단결정 3C-SiC 박막의 ohmic contact에 관한 것이다.

제안 방법

본 연구에서는 낮은 온도에서도 쉽게 분해되며 위험성이 없는 HMDS(hexamethyl disilane; {CH₃₆}Si₂)를 단일 선구체로 사용하여 1350 ℃에서 APCVD법으로 Si(001)기판위에 이종결정 단결정 3C-SiC를 성장시켰다^[11]. 단결정 3C-SiC의 ohmic contact으로 10/90 vol.
먼저, 열처리에 의한 TiW/3C-SiC 박막의 결정상태와 상호확산 및 계면 안정성을 XRD(X-ray diffraction), SEM(scanning electron microscope) 그리고 AES (Auger electron spectroscopy) depth-profile로 각각 평가하였다. 또한, HP4155B semiconductor parameter analyzer와 C-TLM(circular transmission line model)법으로 열처리 조건에 따른 전류-전압 (I-V)특성과 비접촉저항을 측정하여 TiW/3C-SiC의 ohmic contact 특성을 분석하였다.
먼저, 열처리에 의한 TiW/3C-SiC 박막의 결정상태와 상호확산 및 계면 안정성을 XRD(X-ray diffraction), SEM(scanning electron microscope) 그리고 AES (Auger electron spectroscopy) depth-profile로 각각 평가하였다. 또한, HP4155B semiconductor parameter analyzer와 C-TLM(circular transmission line model)법으로 열처리 조건에 따른 전류-전압 (I-V)특성과 비접촉저항을 측정하여 TiW/3C-SiC의 ohmic contact 특성을 분석하였다.
그림 2는 TiW/3C-SiC 접촉에서 열처리 조건에 따른 TiW 박막의 결정성 변화를 분석한것이다. 박막의 회절 피크를 나타내기 위해 X선 입사각을 2 º - 4 º로 고정시키고 검출기의 경로 2θ만을 주사하여 박막을 회절분석했다. 그림 2(a)와 (b)는 각각 열처리 전과 1000 ℃에서 30분 진공 열처리 그리고 (c)는 1000 ℃에서 45초 RTA를 행한 TiW 박막의 XRD 분석 결과이다.
고온 열처리 공정으로 인한 3C-SiC기판위에서 증착된 TiW 박막의 crack 발생을 SEM으로 분석하였다. 그림 3(a)는 열처리 전이며 (b)는 1000 ℃에서 진공 열처리한 경우이고, (c)는 RTA를 행한 TiW 박막의 표면 SEM 이미지이다.

대상 데이터

단결정 3C-SiC의 ohmic contact으로 10/90 vol.%의 조성비를 갖는 TiW 타켓을 사용하여 2000 Å 두께의 TiW 박막을 RF 반응성 마그네트론 스퍼터링으로 증착했으며, 표 1은 증착조건을 요약한 것이고, 그림 1은 본 연구에서 제작한 샘플의 표면사진과 형상을 각각 나타낸 것이다.

이론/모형

본 연구에서는 C-TLM법으로 열처리 조건에 따른 TiW/3C-SiC의 접촉비저항을 측정하였다. 그림 1(b)에서 가장 안쪽의 원과 두 번째 링 사이의 저항 과 두 번째 링과 세 번째 링 사이의 저항 를 측정한 후, 식(1)을 이용하며 C-TLM법에 의한 ohmic contact의 접촉비저항을 계산한다^[13].

성능/효과

그림 4는 열처리 전후의 TiW와 SiC간의 상호확산 정도와 계면 안정성을 분석하기 위해 AES depth-profile를 나타낸 것이다. 열처리 후 TiW와 SiC간의 계면에서 상호 확산이 거의 일어나지 않는 안정한 상태를 가짐을 알 수 있다. 그러나, 그림4(a)처럼 표면층에서 열처리 전에는 O₂가 거의 나타나지 않았으나, 4(b)와 (c)에서는 열처리를 행함으로써 상당량의 O₂가 TiW 외부로 확산됨을 알수 있다.
그러므로 ohmic contact의 산화방지를 위해는 산화 방지막 형성이 요구된다^[12]. 따라서, Pt 혹은 Au를 산화 방지막으로 사용하면 TiW/3C-SiC는 고온에서도 충분히 안정적인 ohmic contact으로 사용가능할 것으로 사료된다.
TiW/3C-SiC 접촉은 열처리 전과 후에는 각각 schottky와 ohmic 특성을 나타냈다. 특히, 진공 열처리에 비해 RTA가 더욱 우수하며, 1000 ℃, 45초에서 가장 좋은 ohmic 특성을 얻었다. SEM과 AES 결과에서도 알 수 있듯이 열처리로 인하여 TiW 박막의 재결합과 TiW/SiC 경계면의 부착성의 향상으로 인하여 ohmic contact 특성이 크게 향상되었다.
특히, 진공 열처리에 비해 RTA가 더욱 우수하며, 1000 ℃, 45초에서 가장 좋은 ohmic 특성을 얻었다. SEM과 AES 결과에서도 알 수 있듯이 열처리로 인하여 TiW 박막의 재결합과 TiW/SiC 경계면의 부착성의 향상으로 인하여 ohmic contact 특성이 크게 향상되었다.
XRD 분석결과, 열처리를 행함으로써 TiW 박막의 결정성은 향상되었으며 열처리 후에도 AES와 SEM으로 각각 TiW/3C-SiC 계면에서 상호확산과 crack 발생이 없는 안전한 박막으로 존재함으로 확안하였다. 또한, I-V 곡선은 ohmic contact 특성을 나타냈으며 진공 열처리보다 RTA에서 더욱 우수했다.
XRD 분석결과, 열처리를 행함으로써 TiW 박막의 결정성은 향상되었으며 열처리 후에도 AES와 SEM으로 각각 TiW/3C-SiC 계면에서 상호확산과 crack 발생이 없는 안전한 박막으로 존재함으로 확안하였다. 또한, I-V 곡선은 ohmic contact 특성을 나타냈으며 진공 열처리보다 RTA에서 더욱 우수했다. 특히, C-TLM법으로 측정한 접촉 비저항은 1000 ℃, 45초에서 RTA를 행했을 때 가장 낮은 4.

후속연구

따라서, RF 마그네트론 스퍼터링으로 증착된 박막은 전기적, 열적 안정성과 상호확산이 발생하지 않기 때문에 초고온 M/NEMS용 TiW/3C-SiC ohmic contact의 전극 물질로 사용 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (13)

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원문보기 상세보기
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