[논문]Ni/AlN/4H-SiC 구조로 제작된 소자의 후열처리 효과

민성지; 구상모

doi:10.7471/ikeee.2020.24.2.604

초록
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본 연구에서는 RF 스퍼터를 이용하여 SiC 기판위에 AlN막을 증착하고 급속 열처리 (RTA) 공정의 온도에 따른 AlN/4H-SiC 구조의 전기적, 재료적 특성에 대한 영향을 분석하였다. 400도에서 RTA 공정을 진행한 Ni/AlN/4H-SiC SBD 소자의 온/오프 비율은 RTA 공정 전 그리고 600도에서 RTA 공정을 한 소자에 비해 약 10배정도 높은 값을 가졌다. 또한 오제이 전자현미경을 통한 원자성분 분석을 통해 증착한 AlN 층내의 존재하는 산소의 양이 후열 처리 조건에 따라 변화함을 확인하였고 소자의 온/오프 비율 그리고 온-저항 등 소자의 성능에 영향을 주는 것을 분석하였다. 추가적으로, 제작한 소자의 노출된 음향 주파수에 따른 전기적 특성변화를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated the influence of rapid thermal annealing on aluminum nitride (AlN) thin film Schottky barrier diodes (SBDs) manufactured structures deposited on a 4H-silicon carbide (SiC) wafer using radio frequency sputtering. The Ni/AlN/4H-SiC devices annealed at 400℃ exhibited Schottky bar...

We investigated the influence of rapid thermal annealing on aluminum nitride (AlN) thin film Schottky barrier diodes (SBDs) manufactured structures deposited on a 4H-silicon carbide (SiC) wafer using radio frequency sputtering. The Ni/AlN/4H-SiC devices annealed at 400℃ exhibited Schottky barrier diode (SBDs) properties with an on/off current ratio that was approximately 10 times higher than that of the as-deposited device structures and the devices annealed at 600℃ as measured at room temperature. Auger electron spectroscopy (AES) measurements revealed that atomic oxygen concentrations in the annealed AlN devices at 400℃, is ascribed to the improvement in on/off ratio and the reduction of on-resistance. Additionally, we investigated the electrical characteristics of the AlN/SiC SBD structures depending on the frequency variation of sound waves.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Structure of AlN Schottky barrier diode. 그림 1. AlN 쇼트키 장벽 다이오드 구조
그림 Fig. 2. AES depth profile depending on RTA conditions. 그림 2. 제작된 각 소자의 후열처리 조건에 따른 AES 분석 결과 그래프
그림 Fig. 3. measured J-V curve (a) forward bias (b) reverse bias (log scale). 그림 3. 제작한 소자들의 후열처리 조건에 따른 전기적 I-V 특성그래프 (a) 순방향 on 특성 (b) 역방향 off 특성 (log scale)
그림 Fig. 4. on-resistance and on/off ratio depending on RTA conditions. 그림 4. 열처리 조건별 제작한 소자의 온-저항 특성과 온/오프 비율
그림 Fig. 5. dependent of frequency variation of sound waves (a) J-V curve (b) piezoelectric current (inset：piezoelectric current test system). 그림 5. Ni/AlN/SiC구조의 (a) 음향 주파수별 I-V curve, (b) 주파수 증가에 따른 압전전류 변화 (inset：음향 주파수에 의한 압전전류 테스트 측정 시스템 모식도)

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 어닐링 공정을 통한 AlN 막층에 산소의 Vacancy의 감소는 AlN 기반 광검 출기의 감도, 응답 속도 및 정류비를 향상시키는 연구가 진행되어왔다[11]. 본 연구에서는 스퍼터 (Sputter)를 이용하여 4H-SiC 기판상에 AlN 박막을 형성하는 최적화 실험을 진행하였고 최적화 박막형성 조건을 도출하기 위하여 AlN/SiC 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)를 제작하고 RTA공정을 각 400도, 600도에서 진행하여 열처리 온도에 따른 SBD의 전기적특성을 분석하였고, 음파에 의한 압력에 따른 제작된 소자의 전기적 특성을 분석하였다. 또한 오제이 전자현미경(AES) 통해 급속열처리 공정을 통한 막의 변화를 분석하였다.

제안 방법

하부전극 형성을 위해 전자빔증착장비를 이용하여 니켈을 증착 한 후 오믹접촉을 형성하기 위하여 질소 분위기, 1050°C에서 90초 동안 RTA공정에 의해 니켈실리사이드을 형성했다. 그 후 고순도의 아르곤 가스 분위기에서 RF 스퍼터 장비를 사용해 AlN 막을 증착했다. RF 스퍼터링 공정은 직경 5.
증착된 AlN 막은 RTA공정을 통해 질소 분위기에서 5분 동안 각각 400 °C, 600 °C에서 열처리 되었다. 그 후 다시 전자 빔 증착장비를 사용하여 150nm 두께의 니켈 필름을 증착시켜 상부전극을 형성하여 Ni/AlN/SiC/ Ni 소자 구조를 형성하였고 제작한 소자의 전기적 특성은 반도체 파라미터 분석기(Keithely 4200-SCS) 를 이용하여 분석하였으며, 소리주파수에 의한 압력은 100～10000 Hz으로 주파수를 증가시켜주면서 측정하였다. 또한 AES 분석을 통해 각 소자의 알루미늄, 질소, 산소, 실리콘, 카본의 깊이별 프로파일을 확인하였다.
그 후 다시 전자 빔 증착장비를 사용하여 150nm 두께의 니켈 필름을 증착시켜 상부전극을 형성하여 Ni/AlN/SiC/ Ni 소자 구조를 형성하였고 제작한 소자의 전기적 특성은 반도체 파라미터 분석기(Keithely 4200-SCS) 를 이용하여 분석하였으며, 소리주파수에 의한 압력은 100～10000 Hz으로 주파수를 증가시켜주면서 측정하였다. 또한 AES 분석을 통해 각 소자의 알루미늄, 질소, 산소, 실리콘, 카본의 깊이별 프로파일을 확인하였다.
본 연구에서는 스퍼터 (Sputter)를 이용하여 4H-SiC 기판상에 AlN 박막을 형성하는 최적화 실험을 진행하였고 최적화 박막형성 조건을 도출하기 위하여 AlN/SiC 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)를 제작하고 RTA공정을 각 400도, 600도에서 진행하여 열처리 온도에 따른 SBD의 전기적특성을 분석하였고, 음파에 의한 압력에 따른 제작된 소자의 전기적 특성을 분석하였다. 또한 오제이 전자현미경(AES) 통해 급속열처리 공정을 통한 막의 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 AlN RF 스퍼터링 장비를 이용하 여 증착하여 Ni/AlN/SiC 다이오드소자를 제작하였으며, 후열처리 온도에 따른 AlN막의 AES 분석을 통해 박막 내의 원자별 농도를 파악하여 열처리에 의한 성분 변화를 확인하였다. 그리고 해당하는 소자들의 전기적 특성 분석을 통하여 수행하였고, 이를 통해 400도에서 열처리공정을 진행한 소자의 높은 포화전류와 낮은 전류를 가지는 것을 확인하였다.
증착된 AlN 막은 RTA공정을 통해 질소 분위기에서 5분 동안 각각 400 °C, 600 °C에서 열처리 되었다.

대상 데이터

그 후 고순도의 아르곤 가스 분위기에서 RF 스퍼터 장비를 사용해 AlN 막을 증착했다. RF 스퍼터링 공정은 직경 5.08cm 의 AlN 타겟에 150W의 스퍼터링 파워를 가했다. 고순도 아르곤 가스는 질량 흐름 제어기를 사용하여 5.
황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2)의 4:1 SPM 세척액에서 4H-SiC (Nepi= 5×1016cm-3)기판을 화학 세척한 후, SiO2 층은 산화물 에칭 용액(BOE)을 이용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 AlN RF 스퍼터링 장비를 이용하 여 증착하여 Ni/AlN/SiC 다이오드소자를 제작하였으며, 후열처리 온도에 따른 AlN막의 AES 분석을 통해 박막 내의 원자별 농도를 파악하여 열처리에 의한 성분 변화를 확인하였다. 그리고 해당하는 소자들의 전기적 특성 분석을 통하여 수행하였고, 이를 통해 400도에서 열처리공정을 진행한 소자의 높은 포화전류와 낮은 전류를 가지는 것을 확인하였다. 이러한 전기적인 특성 변화는 AlN 막 내의 산소원자농도에 의한 영향으로 파악되었으며 최적화 조건으로 분석된 소자를 이용하여 노출된 음향 주파수에 따른 전기적 특성변화를 분석하였으며, 500 Hz일때에 가장 낮은 전류값을 가짐을 확인하였다.
그림 2의 3개의 그래프를 통하여 AlN막 내에서 두께에 따른 알루미늄의 원자농도의 경우 거의 유사한 수준으로 나타남을 볼 수 있다. 산소원자의 경우는 표면으로부터～170 nm 깊이 까지의 열처리 전, 400도 열처리, 600도 열처리한 AlN막 내의 농도가 각각 36%, 25%, 35% 으로 나타났으며, 400도 열처리 한 막의 산소원자의 농도가 가장 낮은 것으로 나타났다. 또한 200 nm 이후의 depth profile에서는 AlN/SiC 계면에 가까워짐에 따라 SiC의 성분이 나타남을 확인 할 수 있다.
온-저항의 경우 열처리 전, 400도, 600도 열처리 소자에서 각각 2.7 Ω∙cm2, 0.3 Ω∙cm2 그리고 1.5 Ω∙cm2으로 측정되었으며, 400도에서 RTA공정을 한 소자가 가장 작은 값을 가졌다.
그리고 해당하는 소자들의 전기적 특성 분석을 통하여 수행하였고, 이를 통해 400도에서 열처리공정을 진행한 소자의 높은 포화전류와 낮은 전류를 가지는 것을 확인하였다. 이러한 전기적인 특성 변화는 AlN 막 내의 산소원자농도에 의한 영향으로 파악되었으며 최적화 조건으로 분석된 소자를 이용하여 노출된 음향 주파수에 따른 전기적 특성변화를 분석하였으며, 500 Hz일때에 가장 낮은 전류값을 가짐을 확인하였다.

후속연구

500 Hz의 음향 주파수 일 때, 소자에는 낮은 전류가 흘렀는데, 이는 AlN 물질의 500 Hz에서 음파 압전효과로 인해 음파에 의한 압력에 의해 제작된 AlN/SiC 소자의 격 자진동에 영향을 주어 전하의 흐름을 방해할 수 있기 하기 때문인 것으로 판단된다. 이에 대한 음향 센서로 적용하거나 심화된 포논의 영향을 분석하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질화 알루미늄 (AlN)의 특징은?	질화 알루미늄 (AlN)은 높은 밴드 갭 에너지(～6.2eV), 높은 열전도도, 높은 절연파괴강도 및 낮은 열 팽창 계수로 인하여 고온압력센서, 자외선 검출기, 레이저 및 단파장 방출기 및 검출기를 포함한 여러 응용 분야에 상당한 주목을 받는 물질이며 새로운 기능이 계속 개발되고 있다[1-2]. 또한 AlN물질은 3-5족 화합물 반도체로서 육방정계 Wurzite 결정 구조를 가지며 빠른 음향속도와 큰 압전 상수를 가지고 있으므로 AlN 박막을 표면 탄성파 소자 (SAW, Surface Acoustic Wave)나 음파에 의한 압력효과를 적용한 의학적인 용도의 초음파센서 등 응용하려는 연구가 주목받고 있다[3-5].
	열처리공정의 소자가 높은 포화전류를 갖는 이유는?	그리고 해당하는 소자들의 전기적 특성 분석을 통하여 수행하였고, 이를 통해 400도에서 열처리공정을 진행한 소자의 높은 포화전류와 낮은 전류를 가지는 것을 확인하였다. 이러한 전기적인 특성 변화는 AlN 막 내의 산소원자농도에 의한 영향으로 파악되었으며 최적화 조건으로 분석된 소자를 이용하여 노출된 음향 주파수에 따른 전기적 특성변화를 분석하였으며, 500 Hz일때에 가장 낮은 전류값을 가짐을 확인하였다.
	박막 성장에 있어 RF 스퍼터링 장비의 단점은?	MOCVD 또는 분자 빔 에피 택시(MBE, molecular beam epitaxy)를 사용하여 AlN 막을 성장시키기 위해선 고온에서 공정을 진행해야하는 반면, RF 스퍼터링 장비를 사용하게 되면 저온에서 AlN 막을 성장시킬 수 있어 마이크로 전자소자용 AlN 막을 제작하는데 유리하다. 그러나, RF 스퍼터링 장비로 막을 성장시키면 AlN 박막에 상당한 양의 산소 관련 불순물을 함유하게 되어 이동도를 감소시키고 소자의 전기적, 광학적 성능 감소에 영향을 줄 수 있다 [7-9]. 급속열처리 공정(RTA)은 GaAs, SiC 및 AlN과 같은 화합물 반도체에서 결함의 밀도를 감소시킬 수 있다[10].

참고문헌 (13)

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C. M. Lin, Y. Y. Chen, V. V. Felmetsger, W. C. Lien, T. Riekkinen, D. G. Senesky, A. P. Pisano, "Surface acoustic wave devices on AlN/3C-SiC/Si multilayer structures," J. Micromechanics Microengineering, vol.23, pp.25019, 2013. DOI: 10.1088/0960-1317/23/2/025019

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Y. Wang, X. Tao, R. Tao, J. Zhou, Q. Zhang, D. Chen, H. Jin, S. Dong, J. Xie, Y. Q. Fu, "Acoustofluidics along inclined surfaces based on AlN/Si Rayleigh surface acoustic waves," Sensors and Actuators A: Physical, vol.306, pp.111967, 2020. DOI: 10.1016/j.sna.2020.111967

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L. Vergara, M. Clement, E. Iborra, A. Sanz-Hervas, J. Garcia Lopez, Y. Morilla, J. Sangrador, M. A. Respaldiza, "Influence of oxygen and argon on the crystal quality and piezoelectric response of AlN sputtered thin films," Diam. Relat. Mater, vol.13, pp.839-842, 2004. DOI: 10.1016/j.diamond.2003.10.063

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J. H. Edgar, Z. Gu, L. Gu, D. J. Smith, "Interface properties of an AIN/(AIN) x(SiC) 1-x/4H-SiC heterostructure," Phys. Status Solid Appl. Mater. Sci, vol.203, pp.3720-3725, 2006. DOI: 10.1002/pssa.200622279

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X. H. Xu, H. S. Wu, C. J. Zhang, Z. H. Jin, "Morphological properties of AlN piezoelectric thin films deposited by DC reactive magnetron sputtering," Thin Solid Films, vol. 388, pp.62-67, 2001. DOI: 10.1016/S0040-6090(00)01914-3

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