Si(100) 기판 위에 성장된 3C-SiC(100)의 특성 연구

1김광철, 1박찬일, 2노재일, 1,2남기석

전북대학교 1반도체과학기술학과, 2화학공학부

The Characterization of SiC(100) Grown on Si(100) Substrate

1K. C. Kim, 1C. I. Park, 2J. I Roh and 1,2K. S. Nahm

1Department of Semiconductor Science & Technology and

2School of Chemical Engineering & Technology,

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

Ⅰ. 서론

산업의 고도화와 신기술의 개발은 우주 항공기기, 자동차, 또는 고온 고전압의 산업기기 등, 에너지가 집중되거나 극한 환경에 접해있는 시스템의 구동과 상호간의 통신이 문제로 야기되고 있다. 현재 주로 이용되고 있는 반도체재료인 Si과 GaAs는 소재 자체가 가지고 있는 기판의 열전도가 낮아 사용전력을 높일 경우 열방출이 용이하지 않아 고온에서의 특성 저하를 나타내며, 밴드갭이 1.1 eV, 또는 1.4 eV로 쉽게 항복특성을 보일 수 있어 이를 이용한 microsensor와 microactuator 등은 사용온도와 전압이 200 ℃ 내외, 수십 V 이내로 제한되고 있다[1]. 따라서 microsensor와 microactuator 등이 고온, 고전력으로 동작하기 위해서는 열의 방출이 쉬워야 하고, 고전압과, 내방사선 특성을 보이기 위해서는 넓은 밴드갭을 가져야 한다. 그 중에서 SiC는 특히 높은 열전도도(4.9 W/cm·K), 넓은띠 간격(2.2-3.3 eV) 높은 파괴전압(4.0×106 V/cm)을 지니며, 물리적 화학적으로 매우 안정한 물질이다[2].  특히 Si 기술과 접목시킬 수 있는 3C-SiC는 에너지 간격이 2.2 eV, 높은 전자이동도(1000 cm2/Vs)와 높은 포화 전자 이동속도(2.7×107 cm/s), 그리고 열적 안정성 등의 특징을 지니고 있다[3,4].

이에 본 연구에서는 microsensor와 microactuator 등에 이용할 수 있는 3C-SiC 박막을 성장변수(온도, 압력, 조성비 등)를 이용하여 Si(100) 기판 위에 성장시켰고 그 특성을 연구하였다.

Ⅱ. 실험

본 연구에서는 이전에 보고한 바 있는 고주파 유도 화학 증착 (rf-inductive chemical vapor deposition) 장치를 이용하여 SiC 박막을 Si 기판 위에 성장하였다. 본 연구에서는 반응기체로써는 Cl 기가 포함되지 않고, 낮은 온도에서 분해가 잘 되고 상온에서 760 torr의 증기압을 유지할 수 있는 유기실란계인 tetramethylsilane [((CH3)4Si), TMS]과 Si/C의 비를 변화시켜줄 수 있는 SiH4(2%)를 이용하여 SiC 박막을 성장하였다. 또한 반응기의 온도는 광고온계(optical pyrometer)를 이용하여 측정하고 Ru/Pt 열전기쌍를 이용하여 온도를 보정하였다.

주사 전자 현미경법(scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 표면의 미세형상과 박막의 두께를 측정하였고, X-선 회절(x-ray diffraction, XRD)을 이용하여 SiC 박막의 결정성과 결정크기를 조사하였다. 퓨리어변환 적외선분광기(FT-IR)을 이용하여 기판과 박막사이의 응력(stress) 정도를 예측하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

Ⅲ-1. 온도 영향성

균일한 표면을 가진 고품위 3C-SiC 박막을 성장하기 위하여 TMS 열분해를 이용하여 성장조건을 변화시키면서 실험을 수행하였다. TMS와 H2를 각각 1, 1000 sccm 흘려주었고 반응기의 압력은 100 torr, 성장시간은 60분으로 고정하였으며, 1170℃ ∼ 1300 ℃의 성장 온도에서 SiC 박막을 성장하여 그 특성을 관찰하였다.

그림 1(a)은 Si(100) 기판 위에 성장시킨 3C-SiC(100)의 전형적인 XRD 관찰 결과이다. Si(100) 기판의 X-선 회절 의한 특성 봉우리인 Si(200) 회절과 Si(400) 회절은 각각 2□= 33.1°, 2□= 69.2°에서 나타난다. 기판으로부터 기인한 Si 봉우리이외에, 3C-SiC 구조에 기인하는 두개의 봉우리도 관찰되고 있다. 2□= 41.4°에서 (200) 회절과  89.95°에서 (400) 회절이 보이고 있다. 다른 SiC 회절 봉우리가 존재하지 않음은 성장된 SiC 박막이 monocrystalline된 것을 의미한다[5]. 또한 온도 변화에 대하여 성장된 SiC 박막의 XRD 측정결과, SiC 박막은 SiC(200), SiC(400) 회절만 보이고 있고, 그림 1(a)과 동일하게 관찰되었다.

FT-IR은 결정 내에서 진동-전자(vibronic), 구조적 특성에 대한 정보를 제공한다. 그림 1(b)은 Si 기판 위에 성장된 SiC 박막의 전형적인 FT-IR 관찰결과이다. 성장된 SiC 박막의 Si-C 결합에 대한 신축진동인 transverse optical mode (TO)는 약 795 cm-1 근처에서 관찰하였다. 10 □ 두께의 프리스탠딩 3C-SiC 박막에 대한 FT-IR 측정결과 파수(wavenumber) 범위가 770∼800 cm-1에서 Si-C의 신축진동(stretching vibration)에 의한 강한 흡수가 일어나고, Si-C 신축진동의 중심위치는 796.2 cm-1라 보고하고 있다[6,7].

본 연구에서는 SiC 박막을 Si 기판 위에 1170 ℃ ∼ 1300 ℃의 고온에서 성장함에도 불구하고, 성장된 박막은 FT-IR의 TO mode 봉우리 위치가 거의 변함없이 795 cm-1에서 관찰되어 고품위의 SiC 박막이 성장되었음을 알 수 있었다.

그림 2는 성장 온도 변화에 따른 SiC (200) 회절면의 XRD 봉우리의 반폭치 측정 결과이다. 1250 ℃ 이하의 온도에서는 온도가 증가함에 따라 반폭치 값이 작아져 결정성이 향상된다. 그러나 1250 ℃이상의 온도에서는 다시 반폭치 값이 증가되어 SiC 박막의 결정성이 나빠짐을 관찰하였다.

또한 성장온도 변화에 대하여 SiC 결정들의 크기를 계산하였다. SiC 결정의 크기는 Sherrer에 의해 제안된 다음 식을 이용하여 계산할 수 있다[8,9].

[eqn: D_(hkl) = {0.9 lambda} over {beta cos theta}]   …………… (1)

(hkl)은 면방향, D는 결정의 크기, □는 최대강도의 반이 되는 곳에서 측정한 특성 회절선의 폭, 즉 반폭치이고, □는 특성 x-선의 파장이다. 또한 □값은 특성 봉우리의 Bragg 각이다. Sherrer 식에 의하여 예측된 SiC의 결정크기는 10∼20 nm이다. 이러한 결과는 다른 연구자에 의하여 보고된 SiC 결정의 크기와 유사한 값으로 Lee 등은 10-30 nm의 크기를 갖는다고 보고하였다[10].

Ⅲ-2. 압력 영향성

TMS와 H2를 각각 1, 1000 sccm 흘려주었으며, 성장시간은 60분, 성장온도는 1250 ℃로 고정하였고, 반응기의 압력 변화(3.4 ∼4 00 torr)에 대하여 성장한 SiC 박막을 관찰하였다. 성장된 SiC 박막의 XRD 측정결과, SiC 박막은 SiC(200), SiC(400) 회절만 보이고 있고, 그림 1(a)과 동일하게 관찰되었다.

FT-IR을 이용하여 측정한 TO phonon mode의 파수 위치를 압력변화에 대하여 그림 3에 나타내었다. 100 torr 이하의 압력에서는 반응기내의 압력이 감소함에 따라 낮은 파수 위치로 이동한다. 100 torr 이상의 압력에서는 반응기의 압력이 증가함에 따라 낮은 주파수 위치로 이동한다. SiC박막이 약 1 % 미만의 tensile stress를 가지고 성장되었음을 의미한다. 이와 같은 결과는 Uchida 등이 보고와 일치한다[11]. 그러나 반응기내의 압력이 100 torr에서 성장된 SiC 박막은 TO phonon mode의 파수 위치가 796 cm-1에서 관찰되었고, 이로부터 성장된 박막은 stress가 거의 존재하지 않음을 확인하였다.

Ⅲ-3. Si/C 비에 대한 영향성

Si/C의 비를 변화시키면서 SiC 박막을 성장하였다. 성장온도는 1250 ℃, 성장압력은 100 torr, 성장시간은 60분, TMS 유량은 1 sccm으로 고정하였고, Si 공급기체인 SiH4 기체(2%)를 첨가함으로써 Si/C의 비를 변화시켰다.

그림 4는 Si/C 비의 변화에 대하여 Si(100) 기판 위에 성장시킨 SiC 박막의 XRD 측정결과이다.  Si/C 비는 그림 5(a)에서 0.25, (b)에서 0.33, (c)에서 0.5이다. Si/C의 비가 증가함에 따라 주 봉우리인 SiC(200) 회절의 반폭치가 증가함을 관찰하였고, Si/C의 비가 0.33 이상에서 성장된 SiC 박막은 2□= 35.6°위치에서 SiC(111)의 봉우리를 관찰하였다.

그림 5는 단면 SEM 관찰 결과이다. Si/C의 비가 증가함에 따라 SiC 박막의 두께가 증가함을 관찰하였다. 성장된 SiC 박막의 두께는 SiH4 기체의 첨가 양에 의해 영향을 미침을 알 수 있다. 또한 Si/C의 비가 0.33 이상 될 때 SiC/Si 계면에서 void를 관찰할 수 없었다. 결국 부족한 Si의 공급양을 외부에서 공급함으로써 SiC/Si 계면에서 void 형성을 억제할 수 있었다.

Si/C의 비를 변화시키면서 SiC 박막을 성장시킨 본 연구결과는, void의 형성과정에 있어, Si 기판으로부터 Si 원자가 외부확산에 의해 형성되었음을 잘 알려주고 있다. SiC/Si 계면에서 void는 Si/C의 비를 변화시킴으로써 제어될 수 있음을 제시하고 있다.

Ⅳ.결론

고주파 유도 화학 증착 장치를 이용하여 SiC 박막을 Si(100) 기판 위에 성장하였다. XRD를 이용하여, 모든 성장온도(1170 ∼ 1300 ℃)에서 SiC 박막은 monocrystalline되었음을 확인하였고, SiC의 결정크기는 10-20 nm임을 sherrer 식을 이용하여 구하였다. 100torr에서 성장한 SiC 박막의 FT-IR결과, 약 796 cm-1에서 Si-C의 TO mode phonon을 관찰하였고, 박막 내에 stress가 거의 존재하지 않음을 확인하였다. Si/C의 비가 증가함에 따라 성장된 SiC 박막의 두께는 증가되었고, 계면의 void가 없어짐을 확인하였다. 결국 Si 기판으로부터 Si 원자가 외부확산에 의해 형성되었음을 알려주며, SiC/Si 계면에서 void는 Si/C의 비를 변화시킴으로써 제어될 수 있다.

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Ⅴ. 참고문헌

[1] M. Mehregany, C. A. Zorman, N. Rajan and C. H. Wu, Proceedings of the IEEE,

86(8), 1594 (1998).

[2] B. L. Weiss, Properties of Silicon Carbide, INSPEC, 1995.

[3] P. Liaw and R. F. Davis, J. Electrochem. Soc., 132(3), 642 (1985).

[4] K.C. Kim, K.S. Nahm, E.-K. Suh, and Y.G. Hwang, J. Cryst. Growth, 197, 841 (1999)

[5] B.C. Johnson, J.M. Meese, G.W. Zajac, J. O. Schreiner, J.A. Kaduk, and T.H. Fleisch,

Supperlattices and microstructures, 2(3), 223 (1986).

[6] J. Bullot and M. P. Schmidt, Phys. Status Solidi B 143, 345(1987).

[7] D. Olego and M. Cardona, Phys Rev. B. 25, 3878(1982).

[8] A. L. Patterson, Phys. Rev., 56(10) second ser., 979(1939).

[9] B. D. Cullity. Elements of X-RAY Diffraction 2nd (Reading, Mass.: Addison-Wesley),

chap. 3 (1978).

[10] B.-T. Lee, D-K. Kim, Y.H. Seo, K.S. Nahm, H.J. Lee, K-W. Lee, K-S. Yu, Y. Kim,

S.J. Jang, J. Mat. Soc., 14(1), 24 (1999)..

[11] Masao Uchida and Makoto Kitabatake, Thin Solid Films, 335, 32 (1998).

(a)                              (b)

Figure 1. Typical (a) X-ray and (b) FT-IR spectra of 3C-SiC(100) films grown on

Si(100) substrate.

Fig. 2 The FWHM of XRD peak of SiC(200) as a function of the growth temperature.

Fig. 3 The Peak Position of FT-IR of Si-C bonding as a function of the growth pressure.

(a)             (b)            (c)

Fig. 4 XRD spectra of 3C-SiC films grown on Si(100) substrate as a function of Si/C ratio:(a) 0.25, (b) 0.33 and (c) 0.5.

Fig. 5 Cross-sectional SEM images of 3C-SiC films grown on Si(100) substrate as a function of Si/C ratio:(a) 0.25, (b) 0.33 and (c) 0.5.