[논문]SiC 전력소자 및 공정 최신기술 동향

양창헌; 강예환; 이정훈; 정은식

SiC 전력소자 및 공정 최신기술 동향 원문보기

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문제 정의

이러한 SiC 전력반도체 소자를 개발하기 위해서는 이론적 설계뿐만 아니라 공정개발 역시 필수적이다. 본고에서는 기본적인 SiC 특성과 시장의 동향 및 핵심 공정기술에 대하여 소개하고자 한다.
Si 대비 넓은 에너지 밴드갭, 높은 절연파괴전압, 열전도도 등 전기적 및 열적 특성이 우수함에도 불구하고, 공정 기술의 어려움으로 인해 상용화의 문제점으로 남아 있었다. 본고에서는 메이플세미컨덕터(주)에서 개발한 SiC 소자제작을 위한 핵심단위 공정 기술을 소개하고자 한다.

제안 방법

Dry Etcher는 plasma의 생성 방식에 따라 Capacitive Field Type, Inductive Field Type µ-wave type으로 분류하며 그 중에서 Capacitive Field Type인 CCP 장비를 사용하였다.
그림 13은 열처리 및 금속 증착에 따른 contact 저항을 그래프로 나타내었다. TEST 목적은 N-type, P-type 각각의 SiC Wafer Ohmic contact 저항의 개선이며 조건은 Ni와 Ti/Ni를 사용해 금속 증착하여 열처리 950℃, 1000℃ 온도 및 시간 60sec, 90sec, 120sec에 따라 진행하여 Split 조건에 따른 Contact 저항을 측정하였다.
SiC 소자는 고온의 이온주입온도(~650℃)와 높은 에너지(~360keV)를 사용하기 때문에 기존 Si base에서의 PR(Photo Resist) mask로는 사용이 불가하며, 불필요한 영역의 이온주입방지를 위해 Ti/Au, Ni/Mo, poly-si 등의 Hard mask를 사용한다. 그 중에서도 적은 공정비용으로 정확한 이온주입영역의 형성을 위해 비금속막인 SiO2를 이용한 최적화된 이온주입 mask 공정을 개발하였다. 그림 7은 메이플세미컨덕터(주)에서 2㎛ SiO2 mask를 사용하여 Al 이온 주입 후 SIMS 분석한 결과이며, SiO2의 두께는 2㎛ 이상이 되어야 이온주입 mask 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
그림 4는 일반적인 Accumulation FET 구조이다. 기본 구조와 차별화된 점은 채널 영역이 Accumulation 되어있어 동작 시 더 높은 유동성을 가지므로 더 낮은 온-저항을 가지며, 높은 에너지 밴드갭으로 이슈가 되었던 동작 시 높은 게이트전압도 구조적 특성을 통해 상대적으로 낮은 게이트전압으로 동작이 가능하도록 설계하였다.
SiC:SiO2 Etch Selectivity 1:10으로 Etch stop layer 없이 Etch stop 가능하며, 수직에 가까운 profile을 확보하였다. 또한 PR 탄화현상 개선을 위한 최적 공정 조건을 확보하여 Dry Etch 공정을 개선하였다.
양질의 게이트 산화막 data를 얻기 위해 전처리 과정으로 RCA Cleaning을 사용하였다. 이유는 유기물 오염과 금속 및 자연 산화막을 제거하기 위함이다.

이론/모형

반도체 Etching 공정은 Wafer 위에 형성된 패턴에 따라 하부 막을 제거하여 미세 패턴을 형성하는 공정으로 반도체 공정에서 중요한 공정 중 하나이다. SiC 소자 개발을 위해서 Dry Etch 방식을 적용하였다. Dry Etcher는 plasma의 생성 방식에 따라 Capacitive Field Type, Inductive Field Type µ-wave type으로 분류하며 그 중에서 Capacitive Field Type인 CCP 장비를 사용하였다.

성능/효과

TEST 결과 N-type SiC Wafer에서 Ni contact은 최저 2E-6Ω/㎠의 결과를 확보하였으며, Ti/Ni contact을 사용하면 최적 공정조건에서 5E-6Ω/㎠의 결과를 확보하였다. P-type SiC Wafer에서는 Ni contact의 경우 1E-2~1E-1 Ω㎠의 높은 저항값 및 넓은 산포도를 보였고, Ti/Ni contact의 최적 공정조건에서 3E-3Ω㎠ 이하의 낮은 저항 값을 나타내며 산포도 또한 개선된 효과가 나타났다. Ti/Ni contact이 Ni contact에 비해 특성이 개선되었으며, 그에 따른 원인은 연구를 통해 규명해나가야 할 부분이다.
TEST 결과 N-type SiC Wafer에서 Ni contact은 최저 2E-6Ω/㎠의 결과를 확보하였으며, Ti/Ni contact을 사용하면 최적 공정조건에서 5E-6Ω/㎠의 결과를 확보하였다. P-type SiC Wafer에서는 Ni contact의 경우 1E-2~1E-1 Ω㎠의 높은 저항값 및 넓은 산포도를 보였고, Ti/Ni contact의 최적 공정조건에서 3E-3Ω㎠ 이하의 낮은 저항 값을 나타내며 산포도 또한 개선된 효과가 나타났다.
또한, 산화막 Capacitance 형성 후 누설 전류 측정 결과 pin hole이 존재하지 않는 고품질의 산화막으로 확인되었다(그림 8). 개발한 Hard mask 공정으로 원하는 영역에 이온주입을 하고, 불필요한 영역은 mask 하기 위해 Hard mask Etch 공정이 필요하다.

후속연구

3인치부터 6인치까지의 호환성, 고에너지와 고온의 이온주입이 가능하고 Tilt 0~60°까지 가능한 사양으로 다양한 SiC 소자 연구개발에 박차를 가할 수 있을 것으로 예상된다.
하지만 탄화규소 전력반도체가 아무리 성능이 뛰어나더라도 현 시점에서는 가격적인 측면에서 아직 실리콘 소자에 비해 경쟁력을 갖추지는 못하였다. 그러나 탄화규소 단결정 웨이퍼의 대구경화와 재료의 가격이 지속적으로 하락하고 있고, 소재의 결함 역시 획기적으로 줄어들고 있어 앞으로 실리콘 전력반도체 소자보다 가격 대비 우수한 성능을 보일 것으로 기대된다. 또한 공정기술 부분에서도 Si기반의 공정능력과 노하우를 기반으로 SiC 공정기술 능력도 향상되고 있는 상황이다.
이를 해결하기 위해서는 선진사의 기술을 국내 기술로 변화시키는 노력은 물론이거니와 산학연 컨소시엄을 통하여 연구결과를 공유하여 발빠르게 대처하는 기술 능력이 절실히 요구된다. 앞서 말한 다양한 요구들이 충족될 시 SiC 전력반도체는 전자기기의 에너지 이용 효율을 크게 개선시킬 수 있기 때문에 그린 전력 IT 기술의 핵심소자로써 주목을 받을 것으로 기대된다.
초기에 상용화가 되었던 SiC 다이오드는 2 inch wafer 상에서만 구현이 가능하였으며, 현재는 4 inch 직경의 wafer로 양산을 진행하고 있다. 이러한 기술의 진보로 초기에는 특별한 응용분야에서만 사용이 가능하였던 고가의 SiC 다이오드 제품은 향후 보편적인 상용화의 움직임이 지속적으로 진행될 것으로 예견된다. 이와 더불어 과전류정격 한계 개선, 과도상태 열 특성한계 개선 등의 개발성과에 따른 SiC 소자의 상용화는 응용의 범용성을 확대시킬 것으로 예상된다.
앞서 언급한 바와 같이, SiC 전력반도체의 저손실화를 위한 개발은 앞으로도 가속될 것이라 생각된다. 이와 함께, 앞으로 저 전압대 전류화가 더욱 진행되면 MOSFET 특성 개선을 통해 향후 전원에의 다양한 요구를 실현할 수 있을 것이다. 이를 위해서는 여러가지 풀어야 할 과제들이 존재한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

4H-SiC의 특징은?

4H-SiC는 높은 전자 이동성과 넓은 밴드갭 특징으로 파워소자 장치 제조에 선호된다. 그러나 기판공정 기술의 어려움으로 인해 2001년이 되어서야 SiC Schottky Diode를 처음으로 상용화 시킬 수 있었다.

고온 고전압용 SiC 연구에서 문제점인 벌크 이동도 대비 낮은 채널 이동도를 해결하기 위한 과제는 무엇인가?

이로 인한 채널 내부의 전하량 감소가 저항을 크게 하는 원인이 되고 결국 SiC 소자의 특성을 저하시키는 원인이 된다. 이를 해결하기 위하여 계면의 결함 준위를 줄이는 기술과 높은 품질의 게이트산화막 성장기술, 고온이온주입 기술 등이 해결되어야 될 과제이다(그림 14). 이 뿐만 아니라, 전기자동차 송․배전시스템을 위해서는 고전압 대전류의 전력반도체 개발이 병행되어야 한다.

전력소자로써 SiC의 장점은?

전력반도체는 일반적으로 전원장치라 하며 대부분이 전력변환을 위한 스위칭 소자로 사용되고 있는데 최근 Si(silicon) 계열의 전력반도체 소자의 특성이 이론적 한계치에 다다르면서, Si의 한계를 뛰어넘는 고전압, 저저항, 고주파 및 고온 같은 극한 상황에서 작동할 수 있는 전력소자에 대한 요구가 커지고, 이에 만족하는 새로운 물질인 SiC(silicon carbide)가 이슈화 되었다. SiC는 Si에 비해 뛰어난 물성적 특성을 갖고 있어 성능 측면에서 뿐만 아니라, 전력변환 장치의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 특히 소자가 직접적으로 고온 환경에서 동작이 가능하면 신뢰성 있는 정확한 측정 및 제어가 가능할 뿐만 아니라, 시스템 소형 및 경량화 실현, 빠른 응답특성 등 결과적으로 효율향상 등의 여러 장점을 얻을 수 있기 때문에 현재까지 소자의 연구가 활발히 진행되고 있다.

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