질화처리된 실리콘 기판 위에 성장된 □-SiC(111)의 특성연구

김광철, 심현욱, 남기석

전북대학교 반도체과학기술학과

The characterization of □-SiC(111) grown on nitrided silicon substrate

K. C. Kim, H. W. Shim and K. S. Nahm,

Department of Semiconductor Science & Technology

Chonbuk National University, Chonju. 561-756, Republic of Korea

Ⅰ. 서 론

□-SiC 는 넓은 에너지 간격(2.2 eV)과 높은 전자이동도(1000 cm2/Vs), 높은 포화 전자 이동도(2.7×107 cm/s)와 열적 안정성 등의 특징을 지니고 있기 때문에 고온, 고주파, 고출력 영역에서 사용할 수 있어 전자소자와 발광소자를 위한 반도체 재료로 각광받고 있다[1]. 이와 같이 SiC 는 전자재료로서 우수한 특징을 가지고 있지만 고융점 재료인 까닭에 제조상 많은 어려움이 있다. 또한 Si 기판에서 □-SiC 에피층 성장은 비교적 고온(1200 ℃∼1350 ℃)에서 수행됨으로 Si 와 SiC 사이의 20 % 격자부정합(lattice mismatch)과 8 % 열팽창계수(thermal coefficient)로 인하여 성장의 어려움이 있다. 그러나 Nishino등에 의하여  C를   포함하는 탄화수소기체를 가지고 완층층(buffer layer)을 형성시키는 탄화공정(carbonization process)을 수행하여 Si 위에 SiC 의 성장이 성공되었다[2]. 그러나 탄화공정은 SiC 와 Si 계면에서 Si의 outdiffusion 에 기인하는 Si 기판 자체의  Si 원자들이 C를 포함하는 공급기체에 의하여 직접적으로 SiC 가 되는 반응을 통하여 기공(void)을 생성하여 성장된 박막의 소자효율을 크게 저하시키는 단점이 있다[3].

본 실험에서는 열적 안정성이 우수하며 반응에 비교적 덜 참여하는 것으로 알려진 SiNx를 이용[4, 5]하여 계면으로 나오는 Si 원자를 막아 반응이 일어나지 않는 벽(barrier)의 역할을 함으로써 우수한 계면특성과 결정성을 얻고자 하였다.

본 연구에서는 Si와 C가 동시에 포함된 유기실란계인 TMS(tetramethylsilane ; (CH3)4Si)를 원료기체로 사용하고, 온도조절이 용이하며 모재를 통한 가열방식으로 장시간 성장이 가능한 고주파 유도가열(radio frequency-induction heater)을 이용하였다. 흑연(graphite)을 susceptor로 사용하여 발생되는 carbon 오염을 줄이기 위해 본 실험에서는 SiC가 코팅된 흑연을 사용하여 질화된 Si 기판 위에 SiC를 성장하였다. 성장온도는 광온도계를 이용하여 측정하였고, Ru/Pt의thermocouple를 이용하여 보정하였다. 질화된 Si 기판 표면의 성분 분석은 Energy dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR)등을,  SiC 박막의 결정성은  X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM), cross-section transmission electron microscopy (TEM), cross-section transmission electron diffraction (TED)등을 이용하여 분석하였다.

Ⅱ. 실 험

단결정 3C-SiC 성장을 위해 사용된 장치는 고주파 유도가열장치(RF-induction heater)로, 장치의 개략도는 Fig. 1 에 나타내었다. SiC 박막을 성장시키는 실험을 수행하는 중에는 외부관과 내부관 사이로 20 ℃의 물이 지속적으로 흐르도록 하였으며, 내부관에 작은 관을 넣어 벽면에 붙어있는 carbon 오염을 줄이고자 하였다.

본 실험에서는 Halogen-lamp 를 이용, 온도를 조절하는 rapid thermal chemical vapor deposition(RTCVD) 장치에서 NH3과 H2를 이용하여 Si 기판 위에 질화 처리를 하였다.

본 실험에 사용된 기판은 15mm×18mm 의 p-type Si(111) 로, 유기물과 자연산화막 제거를 위하여 초음파, acetone,  5% HF 세척 등을 하였다. RTCVD 장치에서 Si 기판 위에 질화처리를 위해 질화처리온도는 1050 ℃, NH3 과 H2 의 유량은 각각 1000 sccm, 500 sccm을 공급하였다. 또한 고주파유도가열장치에서 질화 처리된 Si 기판 위에 SiC 박막 성장을 위해 기체흐름방향에 대한 기판의 경사각은 4.5°, TMS 와 H2 의 유량은 각각 0.5 sccm, 1500 sccm, 성장 온도는 1250 ℃, 성장 시간은 30 min, 성장 압력은 10.1 torr 였다.

Ⅲ. 결 과.

Fig. 2 는 질화처리시간 변화에 따른 Si 표면의 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy)를 이용하여 성분을 분석한 결과이다. Fig. 2(a) 는 질화 처리를 하지 않은 Si에서 1.838 KeV에서 Si 피크를, 0.5249 KeV에서 O 피크를 관찰하였고[6], 정성분석결과 Si 성분이 91 %, N 성분이 0.1 %, O 성분이 8.9 %로 구성되었음을 확인하였다. Fig. 2(b) 는 60분 동안 질화 처리를 한  Si표면에서, 1.838 KeV에서 Si 피크를, 0.3924 KeV에서 N 피크를, 0.5249 KeV에서 O 피크를 각각 관찰하였으며[6], 표면의 정성분석결과 Si 성분이 90.5 %, N 성분이 8.5 %, O 성분이 1 %로 구성되어 표면이 SiNx가 성장되어 있음을 확인하였다. 또한 ellipsometer를 이용하여 60 min 동안 질화 처리한 Si 표면 위에 SiNx 층이 50 Å 성장된 것을 확인하였다.

Fig. 3(a) 은 질화시간을 60 min으로 하여 성장된 SiC 박막의 표면 SEM 관찰결과 grain들이 매우 작아져 거울상과 같은(mirror-like) 표면을 가지고 성장되었음을 관찰하였다. Fig. 3(b) 은 60 min 동안 질화 처리되어 성장된 SiC 박막의 단면 TEM 사진이다. SiC와 Si 계면에서 어떠한 기공이 관찰할 수 없었으며, SiC와 Si의 계면이 명확하게 분리되지 않아 질화 처리 과정에서 생성된 SiNx 층이 SiC와 Si 층 사이로 상호확산(inter-diffusion)이 일어난 것으로 판단된다.

또한 TED 분석결과 뚜렷하게 보이는 Si 점들 옆으로 SiC 점들이 뚜렷하게 나타나 결정성이 우수한 것으로 확인하였다.

Ⅳ. 결 론

RTCVD 장치에서 Si 기판 위에 NH3 을 이용하여 질화 처리를 할 때, EDS 분석을 통하여 0.4 KeV에서 N 에 관계된 성분을 관찰하였다. 질화처리시간을 변수로 하여 성장된 SiC 박막의 계면 관찰 결과, 짧은 질화 처리 시간 후(0∼20 min)에 성장된 박막의 계면에서 기공이 생긴 것을 관찰하였으며, 30 min 질화 처리 후 성장된 SiC 박막의 계면에서 기공이 없는 부분과 기공이 있는 부분으로 나누어져 성장되었음을 관찰하였다. 60 min 동안 질화 처리 후 성장된 SiC 박막은 SiC와 Si 계면에서 기공을 관찰할 수 없었으며, TED 관찰 결과, 결정성이 우수한 것으로 확인하였다. 또한 단면 TEM 관찰결과 SiC와 Si사이의 계면이 분명하게 분리되지 않아 질화 처리 과정 중 생성된 SiNx 층이 Si와 SiC 층으로 상호확산이 일어난 것으로 판단된다.

참고문헌

[1] P. Liaw and R. F. Davis, J. Electrochem. Soc., 132, 6442(1995).

[2] S. Nishino, J. A. Powell, and H. A. Will, Appl. Phys. Lett., 42, 460(1983).

[3] C. J. Mogab and H. J. Leamy, J. Appl. Phys., 45, 1075(1974).

[4] R. S. Rosler, Solid State Technol., 20(4), 63(1977).

[5] W. Kern, and R. S. Rosler, J. Vac. Sci. Technol., 14, 1082(1977).

[6] D. R. Lide, Hand book of Chemistry and Physics, (76th., CRC press, N. Y.,

1996)p10-230.

Fig. 1 A schematic diagram of MOCVD apparatus for SiC

Fig. 2 EDS spectra of (a) 0 min-nitrided, and (b) 60 min-nitrided silicon substrate.

(a)                                  (b)

Fig. 3 (a) SEM image and (b) TEM image with small TED photogram for 3C-SiC(111) film grown on 60 min-nitrided Si(111) substrate.