[논문]에어로졸 데포지션으로 제조된 4H-SiC 위 Al2O3 게이트 산화막의 후열처리 공정에 따른 전기적 특성

김홍기; 김성준; 강민재; 조명연; 오종민; 구상모; 이남석; 신훈규

doi:10.7471/ikeee.2018.22.4.1230

초록
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에어로졸 데포지션 (aerosol deposition)공정을 통해 $Al_2O_3$막을 4H-SiC 상에 50 nm 두께로 제조하였고, 후열처리 공정에 따른 전기적 특성을 분석하였다. 그 결과 $N_2$분위기 열처리 시 $Al_2O_3$와 SiC 계면의 고정전하량이 감소하였으나 산소공공 생성에 의한 누설전류의 증가를 확인하였다. 본 결과로부터 계면특성 향상과 누설전류의 감소를 위해서는 적절한 $N_2$와 $O_2$가스의 혼합이 중요함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

$Al_2O_3$ films with the thickness of 50 nm were fabricated on 4H-SiC by aerosol deposition, and their electrical properties were characterized with different post annealing conditions. As a result, the $Al_2O_3$ film annealed in $N_2$ atmosphere showed decreased fix...

$Al_2O_3$ films with the thickness of 50 nm were fabricated on 4H-SiC by aerosol deposition, and their electrical properties were characterized with different post annealing conditions. As a result, the $Al_2O_3$ film annealed in $N_2$ atmosphere showed decreased fixed charge density at the interface area between the $Al_2O_3$ and SiC, and increased leakage currents due to the generation of oxygen vacancies. From this result, it was confirmed that proper $N_2$ and $O_2$ ratio for the post annealing process is important.

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표/그림 (4)

그림 Fig. 1. (a) surface SEM image of as-deposited Al₂O₃ film. cross-sectional SEM images of (b) as-deposited, (c) air annealed, and (d) N₂ annealed Al₂O₃ films, respectively. 그림 1. (a) 성막된 Al₂O₃ 막 표면 SEM 이미지. Al₂O₃ 막의 단면 SEM 이미지 (b) 열처리 전,（c) 대기분위기 열처리, (d) N₂분위기 열처리.
그림 Fig. 3. Dielectric properties of (a) as-deposited, (b) air annealed, and (c) N₂ annealed Al₂O₃ films, respectively. 그림 3. (a) 열처리 전, (b) 대기분위기 열처리, (c) N₂분위기 열처리 Al₂O₃ 막의 유전특성
그림 Fig. 2. High-frequency (1 MHz) C-V curves for (a) as-deposited, (b) air annealed, and (c) N₂ annealed Al₂O₃ films, respectively. 그림 2. (a) 열처리 전, (b) 대기분위기 열처리, (c) N₂분위기 열처리 Al₂O₃ 막의 고주파 (1 MHz) C-V 그래프
그림 Fig. 4. Leakage currents of (a) as-deposited, (b) air annealed, and (c) N₂ annealed Al₂O₃ films, respectively. 그림 4. (a) 열처리 전, (b) 대기분위기 열처리, (c) N₂분위 기 열처리 Al₂O₃ 막의 누설전류 특성

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 AD공정으로 제조된 Al₂O₃ 막의 후열처리에 따른 전기적 특성을 확인하였다. AD공정으로 제조된 Al₂O₃ 막은 50 nm의 얇은 두께에도 게이트 산화막으로 적용할만한 특성을 보였다.

제안 방법

또한 일반적으로 수 μm두께의 막을 형성하는데 사용되는 AD 공정을 50 nm이하 두께의 막 제조에 적용하여 박막공정으로써의 가능성도 평가하였다.
제조된 막은 α-step으로 그 두께를 확인하였으며, 이후 고온전기로에서 대기분위기와 N2분위기 1000도 온도 조건으로 6시간 동안 후열처리를 진행하였다.
또한, 세라믹 분말의 화학 조성이 그대로 막 내에도 유지되기 때문에 복잡한 화학조성을 가지는 고유전율 물질을 게이트 산화막으로 제조할 수 있는 특징이 있다. 이번연구에서는 AD 공정을 사용하여 Al₂O₃ 게이트 산화막을 제조하였고, N₂ 및 대기분위기 후열처리 조건에 따른 전기적 특성을 평가하였다. 또한 일반적으로 수 μm두께의 막을 형성하는데 사용되는 AD 공정을 50 nm이하 두께의 막 제조에 적용하여 박막공정으로써의 가능성도 평가하였다.
5 mm로 유지하여 약 120 mm/sec의 속도로 노즐을 스캔하였다. 분말 공급기 내 Al₂O₃ 분말의 유동성과 비산성을 향상시키기 위해 진동기를 사용하였고, 50 nm 두께의 박막 형성을 위하여 에어로졸을 저농도로 유지하였다. 비산된 분말은 5 L/min 유속으로 가속되었으며, 이송가스는 N₂ 가스를 사용하였다.
Front metal 형성을 위하여 photo lithography 공정으로 지름 500 μm의 패턴을 형성한 후, E-beam evaporator로 두께 200 nm Au를 증착하여 lift-off하였다. 막의 표면 및 단면을 관찰하기 위하여 SEM(scanning electron microscopy), FIBfocused ion beam)분석을 진행하였으며, Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer를 사용해 capacitance-voltage (C-V), 유전율, current-voltage (I-V) 분석을 진행하였다.

대상 데이터

n형 4H-SiC 기판(n=1×1015 cm-3)에 Al2O3 막을 형성하기 위하여 10×0.4 mm2의 orifice를 가지는 노즐을 사용하였고, 노즐과 기판과의 거리를 0.5 mm로 유지하여 약 120 mm/sec의 속도로 노즐을 스캔하였다.
출발 원료로서 500 nm의 크기와 구 형태를 가지는 Al₂O₃ 분말을 사용하였다. n형 4H-SiC 기판(n=1×10¹⁵cm^-3)에 Al₂O₃ 막을 형성하기 위하여 10×0.

성능/효과

α-step측정을 통해 50 nm정도 두께로 막이성장됨을 확인하였고, 이러한 얇은 두께에도 불구하고 기공이 없는 치밀한 형상이 확인되었다.
표면 방향과는 다르게 4H-SiC와 Al₂O₃ 막의 계면은 평평한 형상을 보였다. AD공정 중 발생하는 Al₂O₃ 입자의 물리적 충돌에도 강한 4H-SiC의 경도로 인해 4H-SiC층이 큰 변형이 일어나지 않음을 확인하였다.
막의 C-V특성을 나타낸다. 1 MHz의 고주파에서 시료들의 공핍영역부터 축적영역까지 확인해 보았는데, 대기분위기에서 열처리한 시료를 제외하고는 일반적인 n형 SiC 기판의 C-V 특성을 보였다. 대기분위기에서 열처리한 Al₂O₃ 막의 경우 정전용량의 값도 다른 시료에 비해 낮고, 더 높은 양의 전압에서는 오히려 정전용량의 값이 감소하였다.
7 V의 평탄화 전압 값 V_FB을 가졌다. 평탄화 전압 값은 계면 고정전하량에 비례하는데 N₂분위기 열처리 후 계면에 존재하는 고정전하량이 감소함을 확인할 수 있었다.
막의 후열처리에 따른 전기적 특성을 확인하였다. AD공정으로 제조된 Al₂O₃ 막은 50 nm의 얇은 두께에도 게이트 산화막으로 적용할만한 특성을 보였다. N₂ 분위기 후열처리 시 계면특성은 향상되었지만 산소공공의 증가에 따른 누설전류 값은 증가하였다.
대기분위기 열처리 시에는 계면특성의 열화를 확인하였다. 본 결과를 통해 적절한 N₂와 O₂ 비율의 후열처리가 중요함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에어로졸 데포지션의 장점은?	에어로졸 데포지션(aerosol deposition, AD) 공정은 고밀도의 세라믹 막을 고속으로 제조할 수 있는 기술로 수백나노 크기의 세라믹 분말을 운송가스에 실어서 기판에 분사함으로써 세라믹 막을 형성하게 된다 [2]. 저진공 공정이며 1 μm정도의 막 두께를 수분 이내에 성장이 가능한 고속공정이라는 장점이 있다. 또한, 세라믹 분말의 화학 조성이 그대로 막 내에도 유지되기 때문에 복잡한 화학조성을 가지는 고유전율 물질을 게이트 산화막으로 제조할 수 있는 특징이 있다.
	에어로졸 데포지션 공정이란?	에어로졸 데포지션(aerosol deposition, AD) 공정은 고밀도의 세라믹 막을 고속으로 제조할 수 있는 기술로 수백나노 크기의 세라믹 분말을 운송가스에 실어서 기판에 분사함으로써 세라믹 막을 형성하게 된다 [2]. 저진공 공정이며 1 μm정도의 막 두께를 수분 이내에 성장이 가능한 고속공정이라는 장점이 있다.
	탄화규소의 특성은?	탄화규소(silicon carbide, SiC)는 고에너지갭(Eg= 3.26 eV) 물질로서 실리콘(Si) 특성 대비 높은 절연파괴전계, 열전도도, 포화 전자 이동도로 인해 낮은 전력손실, 고온동작, 고전압작동 특성을 보이며 차세대 반도체 물질로 주목받고 있다. SiC물질 기반 반도체 소자 중 금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)는 핵심 스위칭 소자로서 특히 활발히 연구되고 있다.

참고문헌 (4)

V. V. Afanas'ev, A. Stesmans, F. Ciobanu, G. Pensl, K. Y. Cheong, and S. Dimitrijev, "Mechanisms Responsible for Improvement of $4H-SiC/SiO_2$ Interface Properties by Nitridation," Appl. Phys. Lett., vol.82, no.4, pp.568-570, 2003. DOI:10.1063/1.1532103

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J. AKedo, "Room Temperature Impact Consolidation (RTIC) of Fine Ceramic Powder by Aerosol Deposition Method and Applications to Microdevices," J. Thermal Spray Tech., vol.17, no.2, pp.181-198, 2008. DOI:10.1007/s11666-008-9163-7

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Z. Yao, C. Wang, Y. Li, H. K. Kim, and N. Y. Kim, "Effect of Starting Powder and Thermal Treatment on the Aerosol Deposited $BaTiO_3$ Thin Films toward less Leakage Currents," Nanoscale Res. Lett., vol.9, no.1, pp.435, 2014. DOI:10.1186/1556-276X-9-435

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M. Usman, M. Arshad, S. S. Suvanam, and A. Hallen, "Influence of Annealing Enviorment on the $ALD-Al_2O_3/4H-SiC$ Interface Studied through XPS," J. Phys. D:Appl. Phys., vol.51, pp.105111, 2018. DOI:10.1088/1361-6463/aaa9a1

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