SiC/Si 기판 위에 3C-SiC 결정 박막의 Homoepitaxy 성장 연구

노재일*, 이경선*, 김광철**, 남기석*,**,↕

전북대학교 화학공학부*

Homoepitaxial Growth of 3C-SiC(100) thin film on SiC/Si Substrate

Jae Il Roh*, Kyung Sun Lee*, Kwang Chul Kim**, Kee Suk Nahm**↕

*School of Chemical Engineering & Technology, Chonbuk National University, Chonju 561-756, Rep. of Korea

**School of Electrical & Computer Engineering , Purdue University, USA

서론

산업이 고도화되면서 반도체 소자 제작 및 응용기술의 급속한 발전이 Si을 비롯한 GaAs, InP와 같은 고품위 단결정 제조기술 및 박막 제조기술 등의 소재기술 확보로부터 시작된 것처럼, 고품위 단결정 및 박막 성장을 위한 기초소재 기술의 중요성은 새로운 분야 응용을 위한 소자의 개발에서도 크게 부각되었다. 그러나 기존에 사용되어진 실리콘 (Si)은 내산성이 약할 뿐만 아니라 고온에서 실리콘 자체의 물성저하와 불순물의 제어 등이 어렵기 때문에 최근 요구되어지고 있는 고온·초고전류 및 전압, 심각한 방사환경 등과 같은 열악한 환경에서 사용될 수 있어야 되는데 기존의 Si이나 III-V 화합물반도체로는 각 시스템에서 요구되는 성능을 만족시킬 수 없어 새로운 소재의 개발을 필요로 한다 [1].

이러한 요구를 충족하는 소자재료로서 알려진 물질이 SiC로 대표되는 광대역 (wide bandgap) 반도체로서, 이는 열적 특성이 우수하고 화학적으로 안정하며, 물리적으로 강한 특성을 가지므로 내환경 특성이 우수하여 열악한 환경에서 우수한 동작특성을 요구하는 소자에 응용분야가 넓다는 특성이 있다. 최근에는 고온 microelectromechanical system (MEMS)인 microsensor와 microactuator 등에 3C-SiC/Si 구조를 성공적으로 적용시키고 있다 [2, 3]. 그러나 이와 같은 목적에 적합한 wide bandgap 반도체 재료들은 대부분 결정성장이 어렵고 성장결정의 크기가 작으며 또한 양질의 결정을 얻기가 어렵다는 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서 매년 높아 가는 욕구기대에도 불구하고 연구개발이 늦어지고 있는 실정이다. 또한 최근 소자제작을 위한 고품위의 박막성장에 이종기판을 사용하여  시도하는 연구 (heteroepitaxy)가 활발하게 진행되고 있다 [4, 5]. 그러나 이러한 이종기판 성장 시에는 기판과 성장시키려는 박막간의 격자 부정합 및 열팽창계수 차이로 인하여 계면에 많은 결정결함, 결정성저하, 및 SiC 표면에 거칠기를 유발시키게 한다. 이는 성장되는 SiC 박막의 특성을 크게 악화시키므로 SiC 소자 제작시 소자의 효율을 저하시키는 단점으로 작용하고 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 homoepitaxy 성장법을 이용한 고품위의 SiC 박막을 최종 성장하려 하고자 한다.

실험

고품위 3C-SiC 박막을 성장하기 위하여 선구체로 TMS를 원료로 사용하여 성장조건을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 실험장치는 25 Kw급 고주파 유도 화학 증착 (rf-inductive chemical vapor deposition) 장치를 이용하고 CMP (chemical mechanical polishing) 공정을 통하여 Si 기판 위에 성장된 SiC의 표면을 균일하게 처리한다. 처리된 표면위에 SiC를 동종 핵 성장하여 3C-SiC/SiC/Si구조를 제조하였다. Si 기판의 표면 처리는 다음과 같은 방법을 이용하여 실시하였다. 먼저 유기물질 제거를 위해 아세톤에 담가 5분 동안 초음파세척을 한 후 N2를 흘러 건조시켰다. 건조된 시료의 자연 산화막을 제거하기 위하여 HF (5 %) 희석 용액에 3분 동안 담근 후 N2로 건조하였다. 전처리된 Si 기판을 반응기에 장착한 후 초기 진공을 ∼10-3 Torr까지 유지한 후 Si 기판 위에 SiC을 성장하였다. 그리고 성장된 SiC는 균일한 표면을 가질수 있도록 CMP 공정을 이용하였다. CMP를 위한 실험장치는 MINIMET polisher, RN-H(D51) pad 그리고 colloidal slurry를 이용하였다. CMP 공정을 수행한 후 표면의 이물질 제거를 위해 D.I. water, NH3OH (10∼20%), HF (5%), D.I. water를 각각 순서에 따라 처리한 후 N2로 건조하였다. CMP 공정을 수행한 후 SiC/Si 구조 위에 다시 SiC 동종 핵 성장실험을 수행하였다.

성장한 SiC의 표면 미세형상과 박막의 두께를 측정하기 위해 SEM을 이용하였다. 또한 표면의 균일성과 거칠기는 원자힘현미경 (atomic force microscopy; AFM)을 이용하여 측정하였다. 박막의 결정성, 구성 성분 및 조성을 관찰하기 위해 X-선 회절기 (X-ray diffraction; XRD, Rigaku III/A type)와 퓨리에 변환 적외선 분광기 (fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR, Jasco300E) 분석을 수행하였다. 이 때 X-선 회절분석은 40kV 30 mA에서 Cu-K□ (□=1.5418Å) 타겟을 사용하였고 주사속도는 4。/min 이고, 2□= 20°∼100° 구간에서 측정하였다.

결과 및 토론

1. CMP 공정의 시간에 따른 영향

CMP 공정이 SiC 박막에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 0, 10, 60분 단위로 변화를 주어 그 특성을 관찰하였다. 이 때 TMS를 2.0 sccm, H2를 1,000 sccm으로 각각 흘러주었고 반응 온도는 1250℃, 반응기의 압력은 4 Torr, 성장시간은 60분으로 고정하였다.

Fig. 1 (a), (b), (c)는 4 Torr, 1250 ℃에서 60분동안 성장된 3C-SiC를 시간에 따라 각각 0분, 10분, 60분 동안 polishing한 후 관찰한 단면 사진이다. Polishing전의 SiC 박막의 두께는 1.8□이고 10 min동안 연마한 SiC의 박막은 1.5□이며 60 min동안 polishing 한 SiC 박막의 두께는 1.2□이었다. Polishing 시간이 증가할 수록 SiC두께는 감소하였고 긴시간동안 연마한 시료는 표면의 균일성이 저하됨을 확인할 수 있었다. 또한 3차원으로 성장된 결정 (grain)의 높은 부분을 polishing 장비를 이용하여 연마함으로써 SiC 표면을 균일하게 만들 수 있어 소자응용을 위한 양질의 SiC 박막을 제조하기 위한 전처리 과정의 중요성을 예측할 수 있었다.

Fig. 1. Cross-sectional SEM images of 3C-SiC films grown at 4 Torr and               1250℃ for 60min with TMS and H2 flow rates of 2.0 and 1000sccm,            respectively on Si(100) substrate as a function of time to CMP                 prosses; (a) 0, (b) 10, (c) 60min.

Fig. 2. (a), (b), (c)는 4 Torr, 1250 ℃에서 60분동안 성장된 3C-SiC를 시간에 따라 각각 0분, 10분, 60분 동안 polishing한 후 관찰한 AFM 사진이다. 그림에 나타난 것처럼 polishing 시간에 따라 표면의 거칠기가 감소하다가 증가함을 관찰할 수 있다. (a)는 Rms가 62.998 nm이고 (b)는 29.965 nm 및 (c)는 21.974 nm이었으며 (d)는 27.255 nm으로 관찰되었다. 이러한 결과는 SEM 결과와 동일함을 확인할 수 있었다.

(a)                    (b)                  (c)                   (d)

．data scale 250□

Fig. 2. AFM photographs for the surface of SiC on Si substrates                       ,respectively on Si(100) substrate as a function of time to CMP                prosses; (a) 0, (b) 20, (c) 40, (d) 60min.

2. SiC/SiC/Si 구조의 특성 분석

Fig. 3.는 SiC/Si 기판 위에 성장된 3C-SiC을 보여주는 단면 사진이다. SiC/Si 구조 위에 성장된 3C-SiC의 두께는 거의 동일하게 성장된 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 Si 위에 성장된 SiC인 (a)번과 polishing 한 (b), (c)번을 비교해보면 Si 위에 성장된 SiC를 표면처리를 하였을 경우 최종 성장된 3C-SiC의 표면이 polishing 하지않고 성장한 SiC보다는 더 균일성을 보였고 표면처리를 한 (b), (c)가 (a)번 보다는 약 2□정도 두께가 작은 것을 확인 할 수 있었다.

Fig. 3. Cross-sectional SEM images of 3C-SiC films on SiC/Si substrates at 4           Torr and 1250℃ for 60min with TMS and H2 flow rates of 2.0 and            1000sccm, respectively on Si(100) substrate as a function of time to            CMP prosses; (a) 0, (b) 10, (c) 60min.

Fig. 4. (a)와 (b)는 polishing 처리를 한 3C-SiC/SiC/Si 구조에 대한 XRD와 FT-IR을 각각 나타내었다. XRD 결과에서 나타내듯이 Si(100)의 X-선 회절 분석시 관찰되는 특성 피크인 Si(200) 회절과 Si(400) 회절이 각각 2□=33.1°과 69.2°에서 나타났다. 또한 입방정계 SiC 구조에 기하는 특성 피크인 SiC(200)와 SiC(400)의 회절이 2□=41.4°과 89.95°에서 각각 관찰되었다. 그 밖에 다른 피크가 존재하지 않은 것을 보아 SiC/Si 기판 위에서 성장한 3C-SiC가 단결정인 것을 알 수 있다. 또한 FT-IR 결과에서 Si-C TO phonon 피크의 중심위치가 796.2cm-1보다 높은 파수로 이동된 것을 관찰할 수 있었다. 이것은 성장된 박막에 압축응력 (compressive stress)이 발생되어 결정내의 격자상수가 C-C 결합 때문에 감소됨으로서 Si-C의 신축력 상수가 증가하기 때문에 일어난다[6].

Fig. 4. (a) X-ray diffraction and (b) FT-IR spectra of 3C-SiC(100) films                 grown on SiC/Si substrate 1250℃. The samples were grown at 4             Torr for 60 min with TMS and H2 flow rates of 2.0 and 1000 sccm,            respectively.

결론

고주파 유도 화학 증착 장치를 이용하여 3C-SiC 박막을 SiC/Si 기판 위에 성장하였다. CMP 공정을 통하여 Si 위에 초기 성장된 SiC 박막의 거칠기를 제어한 후 성장된 최종 동종 SiC가 결정성과 표면의 균일성이 더 우수하다는 것을 알 수 있었다. XRD의 분석 결과를 보면 SiC/Si 위에 성장한 3C-SiC가 단결정임을 확인할 수 있었다. 그리고 FT-IR결과를 보면 약 800cm-1근처에서 Si-C의 TO mode phonon을 관찰하였고, 문헌에 나온 796.2cm-1보다 높은 파수로 이동된 것을 보아 박막 내에 미세한 응력이 존재함을 확인할 수 있었다.

참고문헌

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

2. Zorman, C.A., Fleischman, A.J., Dewa, A.S., Mehregany, M., Jacob, C.,         Nishino, S. and Pirouz, P.: J. Appl. Phys., 78, 5136(1995).

3. Tobias, P., Baranzahi, A., Spetz, A L., Kordina, O., Janzen, E. and             Lundstrom, I.: IEEE Elec. Dev. Lett., 18, 287(1997).

4. S. Madapura, A. J. Steckl, and M Loboda,: J. Eletrochem. Soc., 146(3)            1197-1202(1999).

5. Makoto Kitabatake,: Thin Solid Films., 369, 257-264(2000).

6. Sun, Yong and Miyasato, Tatsuro: Jpn, J. Appl Phys., 37, 5485(1998).