[논문]원자현미경을 이용한 탄화규소 (SiC)의 국소산화

조영득; 방욱; 김상철; 김남균; 구상모

doi:10.4313/jkem.2009.22.8.632

원자현미경을 이용한 탄화규소 (SiC)의 국소산화
Local Oxidation of 4H-SiC using an Atomic Force Microscopy 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.22 no.8, 2009년, pp.632 - 636

조영득 (광운대학교 전자재료공학과) , 방욱 (한국전기연구원 재료응용연구단 고집적전원연구그룹) , 김상철 (한국전기연구원 재료응용연구단 고집적전원연구그룹) , 김남균 (한국전기연구원 재료응용연구단 고집적전원연구그룹) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The local oxidation using an atomic force microscopy (AFM) is useful for Si-based fabrication of nanoscale structures and devices. SiC is a wide band-gap material that has advantages such as high-power, high-temperature and high-frequency in applications, and among several SiC polytypes, 4H-SiC is the most attractive polytype due to the high electron mobility. However, the AFM local oxidation of 4H-SiC for fabrication is still difficult, mainly due to the physical hardness and chemical inactivity of SiC. In this paper, we investigated the local oxidation of 4H-SiC surface using an AFM. We fabricated oxide patterns using a contact mode AFM with a Pt/Ir-coated Si tip (N-type, 0.01-0.025 ${\Omega}cm$) at room temperature, and the relative humidity ranged from 40 to 50 %. The height of the fabricated oxide pattern (1-3 nm) on SiC is similar to that of typically obtained on Si ($10^{15}^{\sim}10^{17}$ $cm^{-3}$). We perform the 2-D simulation to further analyze the electric field between the tip and the surface. We demonstrated that a specific electric field (4 ${\times}$ $10^7\;V/m$) and a doping concentration ($^{\sim}10^{17}$ $cm^{-3}$) is sufficient to switch on/off the growth of the local oxide on SiC.

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문제 정의

고에너지밴드갭 물질인 4H-S1C 기반의 원자현미경 국소산화 연구는 물질의 특성상 성공 사례가 거의 없었다. 본 연구에서는 특정 도핑 농도와 전계 조건을 연구, 분석하여 4H-SiC에 원자현미경 국소산화를 성공하였다. 추가적으로 2-D 시뮬레이션을 이용하여 전계와 기판 도핑 농도가 국소산화에 미치는 영향을 분석하였다.

제안 방법

3-D 이미지이다. 가장 좌측부터 5, 7, 9 V 순으로 시료에 전압을 인가하여 패턴을 형성하였다. 5 V를 인가했을 경우, 약 1 nm 미만의 높이로 산화 패턴이 형성되었다.
그뿐만 아니라 그때의 전계값을 2-D 시뮬레이션을 통하여 비교 분석하였고, 추가적으로 도핑농도의 조건과 관련된 전계값에 대해서도 분석, 논의하였다.
본 연구에서는 습도 4(广50 %의 실온에서 원자 현미경(Surface Imaging Systems Gmbh, 독일)의 contact mode을 이용하여 국소산화를 수행하였고, tapping mode를 이용하여 표면분석을 수행하였다. 이때 사용된 팁은 실리콘(N-type, 0.
본 연구에서는 원자현미경 국소산화를 이용하여 4H-SiC 위에 나노 스케일의 패턴 형성을 성공하였다. 그뿐만 아니라 그때의 전계값을 2-D 시뮬레이션을 통하여 비교 분석하였고, 추가적으로 도핑농도의 조건과 관련된 전계값에 대해서도 분석, 논의하였다.
이러한 음이온들이 대기 중의 물 분자와 시료와 동시에 반응하게 되면 연쇄적인 화학반응이 일어나면서 산화물이 형성되게 된다. 산화 패턴을 형성시킨 이후에는 동일한 대기조건에서 시료 표면을 분석하였다. 실험에서 사용된 웨이퍼는 도핑농도 ~1(产에서 ~]016 cm「3 범위의 n-type, p-type 4H-SiC이다.
본 연구에서는 특정 도핑 농도와 전계 조건을 연구, 분석하여 4H-SiC에 원자현미경 국소산화를 성공하였다. 추가적으로 2-D 시뮬레이션을 이용하여 전계와 기판 도핑 농도가 국소산화에 미치는 영향을 분석하였다. 전압에 비례하여 전계가 높아짐에 따라 팁과 기판 사이의 화학작용이 증가하게 되므로 결과적으로 산화 높이가 증가함을 보였다.

대상 데이터

산화 패턴을 형성시킨 이후에는 동일한 대기조건에서 시료 표면을 분석하였다. 실험에서 사용된 웨이퍼는 도핑농도 ~1(产에서 ~]016 cm「3 범위의 n-type, p-type 4H-SiC이다. 추가적으로 2-D 시뮬레이션(Atlas, Silvaco Inc.

데이터처리

실험에서 사용된 웨이퍼는 도핑농도 ~1(产에서 ~]016 cm「3 범위의 n-type, p-type 4H-SiC이다. 추가적으로 2-D 시뮬레이션(Atlas, Silvaco Inc.)을 이용하여 전계 분포를 알아보았다.

성능/효과

layer)을 갖는 구조를 고려하였다. 기판에 +10 V의 바이어스를 가하였을 때, 팁과 맞닿는 기판 표면에서의 전계값이 최대값을 갖는 것을 확인하였다. 전계가 최대치를 갖는 영역에서부터 앞에서 설명한 OH-의 터널링이 증가하게 되고, 그에 따라 화학반응이 발생한다.
도핑 농도가 ~1(严 cm「3에서 ~10略 cm-3의 범위로 증가할 때, Si의 경우는 시료 표면에서 일정한 전계값약 5 X 107 V/m)을 볼 수 있지만, p-type SiC 의 경우는 Si에 비해 증가함을 알 수 있었다. 실제 국소산화의 결과를 보더라도 p-type 4H-SiC는 약 9 X 1015 cm「3의 도핑 농도 이상에서는 산화 패턴이 잘 형성됨을 보였다.
도핑 농도가 ~1(严 cm「3에서 ~10略 cm-3의 범위로 증가할 때, Si의 경우는 시료 표면에서 일정한 전계값약 5 X 107 V/m)을 볼 수 있지만, p-type SiC 의 경우는 Si에 비해 증가함을 알 수 있었다. 실제 국소산화의 결과를 보더라도 p-type 4H-SiC는 약 9 X 1015 cm「3의 도핑 농도 이상에서는 산화 패턴이 잘 형성됨을 보였다. 저농도 기판에서는 SiC가 Si 보다 고에너지밴드갭이므로 그만큼 캐리어 이동에 필요한 에너지가 크기 때문에 전계가 낮게 걸리고 고농도 기판에서는 그 효과가 감소하기 때문에 전계값이 유사함을 알 수 있다.
전압에 비례하여 전계가 높아짐에 따라 팁과 기판 사이의 화학작용이 증가하게 되므로 결과적으로 산화 높이가 증가함을 보였다. 약 9 X 1015 cm45이상에서의 도핑 농도값을 갖는 SiC 기판에서 약 4 X IO, V/m 이상의 문턱 전계값을 가해주면 산화 패턴이 생성됨을 보였다. 아직 SiC의 원자 현미경 국소산화 연구가 활발히 진행되지 않는 현 상황에서, 전계와 산화패턴 생성 메커니즘의 연구는 나노 소자 공정을 위한 중요한 역할을 할 수 있을 것이다.
추가적으로 2-D 시뮬레이션을 이용하여 전계와 기판 도핑 농도가 국소산화에 미치는 영향을 분석하였다. 전압에 비례하여 전계가 높아짐에 따라 팁과 기판 사이의 화학작용이 증가하게 되므로 결과적으로 산화 높이가 증가함을 보였다. 약 9 X 1015 cm45이상에서의 도핑 농도값을 갖는 SiC 기판에서 약 4 X IO, V/m 이상의 문턱 전계값을 가해주면 산화 패턴이 생성됨을 보였다.

참고문헌 (7)

J. S. Hwang, Z. S. Hu, Z. Y. You, T. Y. Lin, Chin L. Hsiao, and L. W. Tu, 'Local oxidation of InN and GaN using an atomic force microscope', Nanotechnology, Vol. 17, p. 859, 2006

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J. S. Hwang, Z. Y. You, S. Y. Lin, Z. S. Hu, C. T. Wu, C. W. Chen, and K. H. Chen, 'Effect of gold coating on local oxidation using an atomic force microscope', Appl. Phys. Lett., Vol. 86, p. 161901, 2005

상세보기
J. S. Hwang, Z. S. Hu, T. Y. Lu, L. W. Chen, S. W. Chen, T. Y. Lin, C.-L. Hsiao, K.-H. Chen, and L.-C. Chen, 'Photo-assisted local oxidation of GaN using an atomic force microscope', Nanotechnology, Vol. 17, p. 3299, 2006

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X. N. Xie, H. J. Chung, C. H. Sow, and A. T. S. Wee, 'Native oxide decomposition and local oxidation of 6H-SiC (0001) surface by atomic force microscopy', Appl. Phys. Lett., Vol. 84, p. 4914, 2004

상세보기
Howell, R. S., Buchoff, S., Van Campen, S. McNutt, T. R. Ezis, A., Nechay, B., Kirby, C. F., Sherwin, M. E., Clarke, R. C., and Singh, R., 'A 10-kV large-area 4H-SiC power DMOSFET with stable subthreshold behavior independent of temperature', IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 55, No. 8, p. 1807, 2008

상세보기
E. Dubois, P. A. Fontaine, and D. Stievenard, 'Characterization of scanning tunneling microscopy and atomic force microscopy- based techniques for nanolithography on hydrogen-passivated silicon', J. App. Phys., Vol. 84, No. 4, p. 1776, 1998

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P. Mazur, M. Grodzicki, S. Zuber, and A. Ciszewski, 'Current patterning of 6H？SiC(0 0 0 1) surface by AFM', Appl. Surface Science, Vol. 254, p. 4332, 2008

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