[논문]CVD에 의한 고전력 디바이스용 단결정 3C-SiC 박막 성장

정귀상; 심재철

doi:10.4313/jkem.2010.23.2.098

CVD에 의한 고전력 디바이스용 단결정 3C-SiC 박막 성장
Growth of Single Crystalline 3C-SiC Thin Films for High Power Devices by CVD 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.23 no.2, 2010년, pp.98 - 102

정귀상 (울산대학교 전기전자정보시스템공학부) , 심재철 (울산대학교 전기전자정보시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes that single crystalline 3C-SiC (cubic silicon carbide) thin films have been deposited on carbonized Si(100) substrates using hexamethyldisilane (HMDS, $Si_2(CH_3){_6}$) as a safe organosilane single precursor and a nonflammable mixture of Ar and $H_2$ gas as the carrier gas by APCVD at $1280^{\circ}C$. The deposition was performed under various conditions to determine the optimized growth condition. The crystallinity of the 3C-SiC thin film was analyzed by XRD (X-ray diffraction). The surface morphology was also observed by AFM (atomic force microscopy) and voids between SiC and Si interfaces were measured by SEM (scanning electron microscopy). Finally, residual strain and hall mobility was investigated by surface profiler and hall measurement, respectively. From these results, the single crystalline 3C-SiC film had a good crystal quality without defects due to viods, a low residual stress, a very low roughness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 HMDS를 사용하여 탄화시킨 Si기 판위에 APCVD법으로 단결정 3C-SiC 박막을 이종성장하였으며 고전압용 반도체소자를 위한 최적의 성장 조건과 특성을 분석했다. 탄화된 Si 기판위에 박막의 결정성을 성장온도, HMDS 유량, H₂ 비율별로 분석한 결과 최적의 성장조건은 각각 1280℃, 1.
본 연구에서는 고온에 의해서 발생하는 결함을감소시키기 위해 APCVD법으로 HMDS (hexamethyldisilane: Si₂(CH₃)₆)를 단일 전구체로 사용하여 탄화된 Si 기판위에 고전압용 단결정 3C-SiC 박막을 성장했다.

제안 방법

그리고, 탄화막 형성시 C3H8 가스 (20∼100 sccm) 와 탄화온도 (1000∼1200℃)에 따른 결정성과 성장률을 분석했다.
또한, 성장 시 C3H8 가스 유량 (4 ∼13 sccm)을 변화시켜 박막의 평탄도을 분석하고, H2 비율 (8∼20%, H 2/carrier gas)의 변화에 따른 결정성을 분석했다.
본 연구에서 성장된 단결정 3C-SiC 박막의 결정성은 XRD (X-ray diffraction)으로 측정했으며 표면의 거칠기와 SiC와 Si계면간의 결함은 AFM (atomic force microscope)와 SEM (scanning electron microscopy)로 각각 분석하였다. 또한, 잔류응력, 전기적 특성을 분석하기 위해 surface profiler와 홀 측정을 사용했다.
불산 (HF)으로 자연 산화막을 제거한 Si(100) 기판은 SiC로 코팅된 graphite susceptor 위에 장착하였으며 RF 코일의 중앙에 위치에 놓았다. 반응관의 초기화를 위해 Ar purging을 10회 수행 후, 버퍼층을 형성하기 위해 Ar과 H₂가 혼합된 캐리어가스와 C₃H₈가스 (20 sccm, 5% C₃H₈ in H₂)를 주입하고 탄화온도 (1060℃)에서 8분간 탄화공정을 수행하였다. 이후, 성장온도 (1220∼1280℃)와 전구체인 HMDS 유량 (1.
본 연구에서 성장된 단결정 3C-SiC 박막의 결정성은 XRD (X-ray diffraction)으로 측정했으며 표면의 거칠기와 SiC와 Si계면간의 결함은 AFM (atomic force microscope)와 SEM (scanning electron microscopy)로 각각 분석하였다. 또한, 잔류응력, 전기적 특성을 분석하기 위해 surface profiler와 홀 측정을 사용했다.

대상 데이터

냉각팬을 사용하여 반응기의 벽을 차갑게 하여 증기/벽 반응을 감소시켜 입자들이 벽에서 떨어져 나오는 위험을 줄였다. 불산 (HF)으로 자연 산화막을 제거한 Si(100) 기판은 SiC로 코팅된 graphite susceptor 위에 장착하였으며 RF 코일의 중앙에 위치에 놓았다. 반응관의 초기화를 위해 Ar purging을 10회 수행 후, 버퍼층을 형성하기 위해 Ar과 H₂가 혼합된 캐리어가스와 C₃H₈가스 (20 sccm, 5% C₃H₈ in H₂)를 주입하고 탄화온도 (1060℃)에서 8분간 탄화공정을 수행하였다.

성능/효과

0 sccm으로 낮추며 성장된 박막의 SiC(200) 피크의 FWHM (full width at half maximum) 변화를 분석한 결과이다. 1.45 sccm이하의 HMDS 유량에서는 단결정 박막이 형성됐고, HMDS 유량이 감소할수록 SiC(200) 피크의 FWHM가 감소되어 결정성이 향상됨을 확인했다.
그림 6은 탄화막 증착시 온도에 따른 두께와 SiC(200) 피크의 FWHM 변화를 나타낸 것이다. 1060℃에서 다소 감소되었지만, 온도가 증가함에 따라 두께가 증가됨을 확인했다. 1060℃에서 성장된 박막보다 낮은 온도(1000℃)에서 성장된 박막이 두껍게 나타난 것은 단결정보다 성장률이 높은 다결정 성장이 이루어졌기때문으로 사료된다.
그림 5는 탄화막 증착시 C₃H₈ 유량에 따른 두께와 SiC(200) 피크의 FWHM 변화를 나타낸 것이다. C₃H₈ 유량이 증가함에 따라 두께가 증가되었으나, 40 sccm 이상에서는 감소됨을 확인했다. 낮은 유량에서는 낮은 핵 지점 밀도(nucleation site density)에 의해 3차원 성장을 하기 때문에 성장률이 낮은데 비해 높은 유량에서는 높은 핵 지점 밀도에 의한 2차원 성장을 하기 때문에 높은 성장률을 갖는다.
5이지만, 결정성 측면에서 보면 이보다 낮은 지점에서 나타났다. 그리고, SEM, surface profiler, 홀 측정을 통해 결함이 거의 존재하지 않으며, 잔류응력과 캐리어 농도가 낮은 3C-SiC 박막이 성장됨을 확인했다.
3 sccm의 C₃H₈ 유량)에서의 FWHM는 4 sccm일 때 보다 결정성이 높게 나타나 결정성이 감소됨을 확인했다. 따라서, C₃H₈ 유량을 줄여 C/Si 비율을 3.5보다 작게 하는 것이 결정성 향상에 적합할 것으로 사료된다.
25 sccm, 16%였으며, 동일한 성장조건에서 두께와 결정성을 탄화온도와 탄화시 C₃H₈ 유량별로 분석한 결과 최적의 탄화막 형성조건은 1120℃, 20 sccm였다. 또한, C₃H₈ 유량의 변화에 따른 우수한 평탄도를 나타내는 C/Si 비율은 3.5이지만, 결정성 측면에서 보면 이보다 낮은 지점에서 나타났다. 그리고, SEM, surface profiler, 홀 측정을 통해 결함이 거의 존재하지 않으며, 잔류응력과 캐리어 농도가 낮은 3C-SiC 박막이 성장됨을 확인했다.
1060℃에서 성장된 박막보다 낮은 온도(1000℃)에서 성장된 박막이 두껍게 나타난 것은 단결정보다 성장률이 높은 다결정 성장이 이루어졌기때문으로 사료된다. 또한, 온도의 증가에 따라 FWHM이 감소되어 결정성이 향상됐으나, 1120℃이상부터는 다시 증가하여 결정성이 감소됐다. 그리고, 1200℃이후에서는 단결정 박막이 형성되지 않았다.
1°에서 공통적으로 관측된 피크는 Si기 판에 의해 생성된 것이다. 본 연구에서는 1220℃에서 SiC(111) 피크와 SiC(200) 피크가 관측되었지만, 온도가 증가함에 따라 SiC(200) 피크만이 관측되었고, 크기는 강해지고 폭도 좁아졌다. 즉, 성장온도가 높을수록 3C-SiC 박막의 결정성이 향상됨을 확인했다.
본 연구에서도 H₂ 비율이 증가함에 따라 결정성이 향상됨을 확인하였으나, 수소의 비율이 16% 이상부터는 결정성에 있어 큰 차이를 보이지 않았다. 이것은 16%이상의 H₂가 HMDS와의 분해반응에 관여하지 않아 결정성향상에 영향을 주지 못한 것으로 사료된다.
그리고, 1200℃이후에서는 단결정 박막이 형성되지 않았다. 즉, 성장률은 온도가 증가함에 따라 증가되나, 결정성은 1120℃에서 가장 우수한 결과를 나타냈다.
본 연구에서는 1220℃에서 SiC(111) 피크와 SiC(200) 피크가 관측되었지만, 온도가 증가함에 따라 SiC(200) 피크만이 관측되었고, 크기는 강해지고 폭도 좁아졌다. 즉, 성장온도가 높을수록 3C-SiC 박막의 결정성이 향상됨을 확인했다.
본 연구에서는 HMDS를 사용하여 탄화시킨 Si기 판위에 APCVD법으로 단결정 3C-SiC 박막을 이종성장하였으며 고전압용 반도체소자를 위한 최적의 성장 조건과 특성을 분석했다. 탄화된 Si 기판위에 박막의 결정성을 성장온도, HMDS 유량, H₂ 비율별로 분석한 결과 최적의 성장조건은 각각 1280℃, 1.25 sccm, 16%였으며, 동일한 성장조건에서 두께와 결정성을 탄화온도와 탄화시 C₃H₈ 유량별로 분석한 결과 최적의 탄화막 형성조건은 1120℃, 20 sccm였다. 또한, C₃H₈ 유량의 변화에 따른 우수한 평탄도를 나타내는 C/Si 비율은 3.

후속연구

따라서, Si(100) 기판 위에 성장된 3C-SiC 박막은 고전압, 고출력, 고주파 응용분야에 적합한 차세대 고전압용 반도체 소자의 재료로서 유용하게 적용될 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SiC 전력반도체 소자는 어떤 특징이 있는가?	SiC 전력반도체 소자는 Si 기반 반도체에 비하여 8배 정도 높은 절연파괴 전계강도를 가지고 있어 보다 높은 내전압을 가진 소자를 만들 수 있다. 또한, Si보다 3배 높은 열전도율에 의해 별도의 히트 싱크나 냉각팬이 필요하지 않고 자체적으로 쉽게 열을 방출할 수 있는 장점을 지녀 고온에서 안정적인 특성을 가진다. 그리고, 높은 포화 드리프트 속도로 인해 전력변환 스위칭소자로 만들 경우 Si 기반의 전력소자와 비교하여 소자 크기와 도통 손실를 획기적으로 감소시킬 수 있다. 따라서, SiC는 고전압이면서도 저전력 손실이라는 특징과 더불어 고온에서도 안정적으로 동작가능한 차세대 전력반도체 소자용 재료로 연구가 진행되고 있다[4].
	3C-SiC는 어떤 성장이 가능한가?	이러한 특성을 지닌 SiC 중 3C-SiC는 4H, 6H와는 다르게 벌크 상태로 성장이 불가능하나 Si 기판 혹은 절연막 위에 이종성장에 의한 대면적의 성장이 가능하다. 또한, 전자 및 기계적 특성이 벌크 SiC에 상응하고 일괄공정에 의한 기존의 Si 기반기술을 이용할 수 있어 MEMS에 적용 가능하다[5].
	3C-SiC는 고온 성장 시 두 물질 간의 큰 격자부정합과 열팽창계수의 차이로 인해 결함이 발생하는데 이를 보완하는 방법은?	그러나, 고온 성장시 두 물질 간의 큰 격자부정합과 열팽창계수의 차이로 인해 결함이 발생한다[6]. 그래서, 결함이 작고 고온에서도 우수한 결정질을 갖는 박막을 성장하기위해 버퍼층으로 탄화막을 이용한다[7].

참고문헌 (11)

한국전력 전력통계속보, 370호, 2009.
김상철, “SiC 전력반도체 기술개발 동향”, 전력전자학회지, 14권, 1호, p. 21, 2009.

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C. E. Weitzel, J. W. Palmour, C. H. Carter, K. Moore, K. K. Nordquist, S. Allen, C. Thero, and M. Bhatnagar, “Silicon carbide high-power devices", IEEE Trans. Electron. Devices, Vol. 43, No. 10, p. 1732, 1996.

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M. Kitabatake, “SiC/Si heteroepitaxial growth", Thin Solide Films, Vol. 369, p. 257, 2000.

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M. Zielinski, A. Leycuras, S. Ndiaye, and T. Chassagne, “Stress relaxation during the growth of 3C-SiC/Si thin films", J. Appl. Phys., Vol. 89, p. 131906, 2006.
Y. Chen, K. Matsumoto, Y. Nishio, T. Shirafuji, and S. Nishino, “Heteroepitaxial growth of 3C-SiC using HMDS by atmospheric CVD", Materials Sci & Eng. B, Vol. 61, p. 579, 1999.

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R. J. Iwanowski, K. Fronc, W. Paszkowicz, and M. Heinonen, “XPS and XRD study of crystalline 3C-SiC grown by sublimation method", J. Alloys & compounds, Vol. 286, p. 143, 1999.

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N. Nordell, S. Nishino, J. W. Yang, C Jacob, and P. Pirouz, “Influence of H2 addition and growth temperature on CVD of SiC using hxamethyldisilane and Ar", J. Electrochem. Soc., Vol. 142, p. 565, 1995.

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V. Cimalla, K. V. Karagodina, J. Pezoldt, and G. Eichhorn, “Growth of thin fl-SiC layers by carbonization of Si surfaces by rapid thermal processing", Mat. Sci. & Eng. B, Vol. 29, p.170, 1995.

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W. L. Zhu, J. L. Zhu, S. Nishino, and G. Pezzotti, “Spatially resolved raman spectroscopy evaluation of residual stresses in 3C-SiC layer deposited on Si substrates with different crystallographic orientations", Appl. Surf. Sci., Vol. 252, p. 2346, 2006.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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