[논문]중성자 조사한 4H-SiC MOSFET의 열처리에 의한 전기적 특성 변화

이태섭; 안재인; 김소망; 박성준; 조슬기; 주기남; 조만순; 구상모

doi:10.4313/jkem.2018.31.4.198

중성자 조사한 4H-SiC MOSFET의 열처리에 의한 전기적 특성 변화
The Electrical Properties of Post-Annealing in Neutron-Irradiated 4H-SiC MOSFETs 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.4, 2018년, pp.198 - 202

이태섭 (광운대학교 전자재료공학과) , 안재인 (광운대학교 전자재료공학과) , 김소망 (광운대학교 전자재료공학과) , 박성준 (광운대학교 전자재료공학과) , 조슬기 (광운대학교 전자재료공학과) , 주기남 (한국원자력연구원) , 조만순 (한국원자력연구원) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, we have investigated the effect of a 30-min thermal anneal at $550^{\circ}C$ on the electrical characteristics of neutron-irradiated 4H-SiC MOSFETs. Thermal annealing can recover the on/off characteristics of neutron-irradiated 4H-SiC MOSFETs. After thermal annealing, the interface-trap density decreased and the effective mobility increased in terms of the on-characteristics. This finding could be due to the improvement of the interfacial state from thermal annealing and the reduction in Coulomb scattering due to the reduction in interface traps. Additionally, in terms of the off-characteristics, the thermal annealing resulted in the recovery of the breakdown voltage and leakage current. After the thermal annealing, the number of positive trapped charges at the MOSFET interface was decreased.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

3.1×1010 n/cm2의 세기로 중성자 조사된 4H-SiC DMOSFET의 열처리 전후를 평가하였으며, 중성자 조사를 진행하고 열처리하지 않은 경우에 SiC 소자 내부에 n-type 도핑 농도가 증가하여 문턱 전압과 항복 전압이 이동하였다.
SiC 소재를 이용하여 4H-SiC DMOSFET을 제작하였다. 그 후, 중성자 조사를 하여 조사 후와 후속 열처리한 소자의 전기적 특성을 비교하고, 열처리가 소자에 미치는 영향을 확인하였다.
따라서 본 연구에서는 4H-SiC DMOSFET에 중성자를 조사한 후, 게이트 산화막의 interface trap과 oxiderap charge의 형성을 확인하고, 열처리를 통하여 특성을 개선하였다. 소자의 문턱 전압(threshold voltage)과 누설 전류(leakage current), 항복 전압(breakdown voltage), 유효 이동도(effective mobility)의 확인을 통해 전기적 특성이 개선된 것을 확인하였다.
1×10¹⁰ n/cm²의 세기로 60초 동안 한국 원자력연구원(Korea Atomic Energy Research)의 하나로(Advanced Neutron Application Reactor)를 이용하여 중성자 조사를 진행하였다. 마지막으로, 제작된 DMOSFET을 550℃에서 30분 동안 열처리하여 중성자조사 후 열처리되지 않은 소자와 전기적 성질을 비교하였다. 제작된 소자의 도핑을 확인하기 위해 SIMS 분석을 하였고, 소자의 전기적 특성을 비교⋅분석하기 위하여 반도체 분석 장비인 KEITHLEY 4200을 이용하여 current-voltage(I-V)와 capacitance-voltage(C-V)를 측정한 후에 문턱 전압과 항복 전압을 비교하였다.
본 연구에서는 중성자 조사된 4H-SiC MOSFET 소자에 열처리 공정을 더하여 전기적 특성을 비교 분석하였다. 3.
제작된 소자의 도핑을 확인하기 위해 SIMS 분석을 하였고, 소자의 전기적 특성을 비교⋅분석하기 위하여 반도체 분석 장비인 KEITHLEY 4200을 이용하여 current-voltage(I-V)와 capacitance-voltage(C-V)를 측정한 후에 문턱 전압과 항복 전압을 비교하였다.
이온주입법을 통해 P-well 영역과 N+영역, P+영역의 도핑농도를 각각 ~3×10¹⁷/cm³과 ~1×10¹⁹/cm³, ~1×10¹⁹/m³으로 형성하였다. 제작한 DMOSFET을 1,700℃에서 N₂O분위기에서 120분 동안 게이트 산화막을 성장시켰고, SiO₂와 SiC 계면 특성을 개선하기 위해 1,175℃에서 180분 동안 후속 열처리를 해 주었다. 소스와 드레인 전극은 니켈(Ni) 100 nm를 e-beam evaporation으로 형성한 후, 950℃에서 N₂ 분위기에서 90초 동안 급속 열처리(rapid thermal annealing, RTA)하여 저항성 접촉(ohmic contact)을 형성하였다.
중성자 조사는 상온에서 3.1×1010 n/cm2의 세기로 60초 동안 한국 원자력연구원(Korea Atomic Energy Research)의 하나로(Advanced Neutron Application Reactor)를 이용하여 중성자 조사를 진행하였다.
제작된 소자의 도핑을 확인하기 위해 SIMS 분석을 하였고, 소자의 전기적 특성을 비교⋅분석하기 위하여 반도체 분석 장비인 KEITHLEY 4200을 이용하여 current-voltage(I-V)와 capacitance-voltage(C-V)를 측정한 후에 문턱 전압과 항복 전압을 비교하였다. 추가적으로 DMOSFET의 interface-trap density와 전하 유효 이동도를 추출하여 확인하였다.

대상 데이터

N-type 4H-SiC 기판(ND＝5×1018 cm-3)에 드리프트 층(drift layer, ND＝~5×1015 cm-3)을 6 μm 성장시킨 웨이퍼를 사용하여 DMOSFET을 제작하였다(그림 1).
SiC 소재를 이용하여 4H-SiC DMOSFET을 제작하였다. 그 후, 중성자 조사를 하여 조사 후와 후속 열처리한 소자의 전기적 특성을 비교하고, 열처리가 소자에 미치는 영향을 확인하였다.

성능/효과

)는 C-V 측정을 통해 도출하여 그림 6에 나타내었다. DMOSFET를 중성자 조사 결과, D_it가 ~24% 증가하였으며, 열처리를 가함에 따라 ~9% 감소하였다.
SIMS 측정으로 중성자 조사 후에 n-type 도펀트인 인이 형성되어 도핑 농도가 증가함을 확인하였다. N-type 드리프트 층에 도핑 농도가 증가하였고, P-well의 실질적인 도핑 농도는 감소시켜, 문턱 전압과 항복 전압 변화에 기인하였다.
(a)는 중성자 조사 전의 DMOSFET이며, (b)는 중성자 조사 후의 DMOSFET이다. SIMS 측정으로 중성자 조사 후에 n-type 도펀트인 인이 형성되어 도핑 농도가 증가함을 확인하였다. N-type 드리프트 층에 도핑 농도가 증가하였고, P-well의 실질적인 도핑 농도는 감소시켜, 문턱 전압과 항복 전압 변화에 기인하였다.
95 V/decade로 증가한 것으로 보아, 이 과정에서 interface trap이 형성됨을 확인하였다. 누설 전류가 초기의 소자에 비하여 ~4.5배 증가되었으며, 후속 열처리 과정을 통하여 누설 전류는 개선되었다.
초기의 소자, 중성자 조사 소자, 중성자 조사 후 열처리한 소자에 동일한 게이트 전압을 가하면 초기의 소자보다 남은 두 개의 소자들은 높은 드레인 전류가 측정되지만, 열처리한 소자는 중성자 조사만 가한 소자에 비하여 낮은 드레인 전류가 흐른다. 또한, 중성자 조사 후에 DMOSFET의 게이트 산화막에 형성된 interface trap과 oxide-trap charge가 열처리함으로써 문턱 전압이 소폭 상승하고 드레인 전류가 감소함을 확인하였다(그림 5).
5 V 높은 문턱 전압을 가지는 것을 확인하였다. 소자의 Sub-threshold swing이 중성자에 조사된 후, 약 0.64 V/decade에서 0.95 V/decade로 증가한 것으로 보아, 이 과정에서 interface trap이 형성됨을 확인하였다. 누설 전류가 초기의 소자에 비하여 ~4.
따라서 본 연구에서는 4H-SiC DMOSFET에 중성자를 조사한 후, 게이트 산화막의 interface trap과 oxiderap charge의 형성을 확인하고, 열처리를 통하여 특성을 개선하였다. 소자의 문턱 전압(threshold voltage)과 누설 전류(leakage current), 항복 전압(breakdown voltage), 유효 이동도(effective mobility)의 확인을 통해 전기적 특성이 개선된 것을 확인하였다.
8 V만큼 낮은 전압에서 형성되었다고 판단된다 [3]. 중성자 조사 후 열처리를 가한 소자는 열처리하지 않은 중성자 조사 소자보다 ~0.5 V 높은 문턱 전압을 가지는 것을 확인하였다. 소자의 Sub-threshold swing이 중성자에 조사된 후, 약 0.
1×10¹⁰ n/cm²의 세기로 중성자 조사된 4H-SiC DMOSFET의 열처리 전후를 평가하였으며, 중성자 조사를 진행하고 열처리하지 않은 경우에 SiC 소자 내부에 n-type 도핑 농도가 증가하여 문턱 전압과 항복 전압이 이동하였다. 중성자 조사에 의해 산화막 내부에 생성될 수 있는 전자-정공 쌍 가운데 산화막에 남은 정공들이 표면 준위와 연계하여 소자 특성을 변화시킬 수 있으며, 이를 열처리함으로써 문턱 전압과 항복 전압이 개선됨을 확인하였다. 순방향 드레인 전류는 감소하고 이러한 결과는 중성자 조사에 의해 생성된 interface trap과 interfacial state를 열처리 공정으로 조절할 수 있음을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4H-SiC DMOSFET의 전기적 특성의 개선을 확인하는 법은?	따라서 본 연구에서는 4H-SiC DMOSFET에 중성자를 조사한 후, 게이트 산화막의 interface trap과 oxiderap charge의 형성을 확인하고, 열처리를 통하여 특성을 개선하였다. 소자의 문턱 전압(threshold voltage)과 누설 전류(leakage current), 항복 전압(breakdown voltage), 유효 이동도(effective mobility)의 확인을 통해 전기적 특성이 개선된 것을 확인하였다.
	금속 산화물 반도체에 중성자와 양성자가 조사되었을 때의 현상은?	고방사선 환경에서 금속 산화물 반도체(metal-oxideemiconductor field effect transistor, MOSFET) 소자의 원하는 동작 특성을 얻기 위해, 중성자(neutron)와 양성자(proton)가 조사되었을 때, 반도체 물질 및 소자에 미치는 특성 분석에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 중성자가 조사되면 MOS 구조에 interface trap과 oxide-trap charge가 생성되고, 양성자가 조사되면 감마선 결함이 발생한다 [11,12]. 그러나 이러한 결함과 interfacial state의 상세한 연구는 부족한 실정이다.
	SiC의 특징은?	26 eV)을 가지는 물질로 기존의 반도체물질의 한계점을 보완할 수 있는 물질로 각광받고 있다. SiC는 실리콘(Si)과 탄소(C)의 큰 결합에너지를 가지기 때문에 방사선 입자에 대한 저항성이 크고 화학적⋅물리적으로 안정하며 높은 전력 범위를 가지고 고온에서도 동작이 가능하여 전자⋅군사⋅우주 분야 등 방사능이 적용되는 사업 등에 적용 가능하다. 그러므로 SiC를 이용한 소자의 효율을 높이기 위해 다양한 연구개발이 진행되고 있다 [1-10].

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저자의 다른 논문 :

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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