6H-SiC 기판 표면의 수소 식각에 의한 step 제어와

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng, 2002, Vol. 8, No. 1

결정 박막의 동종 핵 성장 연구

이경선, 노재일, 이승현, 남기석

전북대학교 화학공학부*

Surface step control of 6H-SiC wafer using Hydrogen etching and

homoepitaxial growth of the single crystalline

Kyung Sun Lee, Jae Il Roh, Seng Hyun Lee, Kee Suk Nahm

School of Chemical Engineering & Technology, Chonbuk National University,

Chonju 561-756, Rep. of Korea

서론

본 연구는 고온, 고전압의 산업기기와 에너지 집중형 및 극한 환경에 구동되는 시스템을 이끌 차세대 반도체 기술에 대한 연구와 기술개발을 목표로 하고 있다. 현재 Si와 GaAs는 이러한 시스템에 이용되고 있는 재료로서 그 수많은 장점에도 불구하고, 낮은 열전도도로 인해 고온에서의 특성이 저하되며, 낮은 항복전압을 가지고 있어 고주파, 고출력 영역에서 한계성을 나타낸다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 많은 연구자들은 내열성, 높은 열전도도, 높은 내전압의 특성을 갖는 탄화규소(silicon carbide : SiC)를 차세대 반도체 재료로서 연구하고 있다.

이론

6H-SiC{0001} on-axis면 위에 6H-SiC 동종박막을 성장시키기 위해서는 1800□ 정도의 높은 성장온도를 필요로 하며 성장온도가 낮은 경우 3C-SiC 쌍정이 혼재 되기도 한다[1-3]. SiC 동종 박막 성장의 비약적인 발전을 이루는 계기가 1987년도에 시도되었는데[4,5], 이는 약 1400∼1600□정도로 낮아진 온도에서 6H-SiC 동종 박막을 성장시키는 방법으로서 Step-controlled epitaxy 법이라 명명되었다. 이 기술은 성장온도를 최고 400□ 정도 낮추었으며, 소자응용에 충분할 정도로 고품질의 성장박막을 얻을 수 있다는 장점으로 인해 □-SiC 동종 박막의 성장에 있어서 신기원을 이루었다 [6]. 또한 on-axis 기판 위에 H2, C3H8, HCl etching gas를 이용하여 고온에서 열처리 하는 것만으로 기판 자체 내에 가지고 있는 스크래치와 micropipe와 같은 defect를 제거하고 off-axis 기판에서 성장 한 것과 같은 Step효과를 줄 수 있다는 연구가 발표되고 있다 [7].

본 연구에서는 6H-SiC 결정 박막을 동종 핵 성장하며 CMP(chemical mechanical polishing)와 etching등의 실험 전처리를 통해 on-axis 기판에도 off-axis 에서와 같은 step 효과를 주어 step-controlled epitaxy 성장법을 도입하였다.

실험

고품위 6H-SiC 박막을 성장하기 위하여 SiH4과 C3H8을 주 원료가스로 사용하였으며 H2가스를 ethching 및 carrier gas로 이용하였다. 최적의 성장 조건을 찾기 위해 원료 가스의 유량 비, carrier 가스의 유량 및 전체 성장시간을 성장변수로 실험하였다. 본 연구에서 사용된 실험장치는 15Kw급 고주파 유도 화학 증착 (rf-inductive chemical vapor deposition) 장치를 이용하고 CMP와 etching 공정을 변수로 둔 전처리 실험을 통해 기판 표면의 step 구조를 형성하고 처리된 표면 위에 SiC를 동종 핵 성장하여 step-controlled epitaxy 성장 구조를 제조하였다. 6H-SiC 기판의 표면 처리는 먼저 유기물질 제거를 위해 TCE (trichloroethylene), acetone, methanol 등에 차례로 담가서 세척하고 다시 자연 산화막을 제거하기 위해 HF 희석 용액에 3분 동안 담근 후 증류수로 세척하여 N2로 건조하였다. 표면 처리된 6H-SiC 기판은 1600□ 이상의 고온에서 baking하여 이물질이 제거된 graphite susceptor와 함께 rf-CVD 반응기에 장착한 후 step 구조 형성을 위해 고온에서 H2가스를 흘려주면서 etching 공정을 수행하였으며 이 외에도 표면 처리된 6H-SiC 기판으로 CMP 공정을 통해 step  형성을 위한 전처리 공정을 수행하였다. 그리고 전처리 공정이 끝난 6H-SiC 기판은 다시 반응기내에 장착하여 초기 진공 하에 성장실험을 진행하였다.

전처리 공정 후의 6H-SiC 기판은 원자현미경(atomic force microscopy : AFM)을 이용하여 형성된 Step 구조를 관찰하였으며, 성장된 박막은 결정성, 구성 성분 및 광학적 특성을 분석하기 위해 Raman 산란과 광 루미네센스 (potolumin esence : PL)을 이용하였고, 표면의 균일성과 미세 형성 구조 분석을 위해 광학현미경과 주사전자현미경 (scanning electron microscopy : SEM)을 사용하여 분석하였다.

결과 및 토론

1. Step 구조 형성을 위한 on-axis 6H-SiC 기판 표면의 CMP, Etching 처리

(1) CMP 공정의 시간에 따른 영향

CMP 공정이 on-axis 6H-SiC 기판 표면 위의 Step 형성 영향을 관찰하기 위하여 시간을 변수로 두어 실험한 뒤  그 특성을 관찰하였다.

Fig. 1. (a), (b), (c), (d)는 각각 10, 30, 60, 120분으로 polishing 한 후 관찰한 AFM 사진이다. 그림에 나타난 것처럼 polishing 시간에 따라 60분까지는 처음 시판된 기판의 표면형태와 유사한 형태를 보이는 등 큰 변화가 없으나, 120분 실험 시에는 step의 윤곽이 드러나고 있음을 알 수 있다. Rms 수치는 낮아졌지만 여전히 표면의 거칠기는 심하고 그림에서 보여지듯이 아직도 스크래치 형태가 남아있음을 알 수 있었다.

(a) Rms 0.670nm    (b) Rms 0.640nm   (c) Rms 0.956nm     (d) Rms 0.485nm

Fig. 1.  AFM photographs for the surface of on-axis 6H-SiC prepared by CMP technique; (a) 10; (b) 30; (c) 60; (d) 120min

(2) CMP 공정 후 etching 처리에 의한 영향

Fig 2.는 각 샘플마다 CMP 처리를 한 후 다시 rf-CVD 반응기 내에서 수소 가스를 흘리며 etching 실험을 병행한 표면 사진이다. CMP 공정만 수행할 시에 비해서 대면적의 Step 구조가 형성되었으며 표면의 거칠기도 많이 줄어든 형태를 보이고 있다. 이는 CMP를 통해 화학적 물리적 마찰로 인해 기판 시제품의 polishing된 면이 먼저 깎여 나가고 그위에 고온에서 열처리 함에 따라 Step의 형태가 드러나는 결과를 보여준다. 하지만, CMP 이후 etching 공정이 저온에서 이루어질 경우 그 효과는 오히려 반감되어 CMP 공정으로 인한 표면 거칠기가 오히려 더 심해진 양상을 보이고 있다.

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

(a) Rms 1.238nm    (b) Rms 0.776nm     (c) Rms 0.238nm

Fig. 2. AFM photographs for the surface of on-axis 6H-SiC etched by H2 etching after CMP process: (a) H2 etching at 1580□, 10min after CMP 20min ; (b) H2 etching at 1570□, 10min after CMP 40min ; (c) H2 etching at 1500□, 10min after CMP 40min

(3) 고온에서 etching 처리에 의한 영향

Fig. 3.는 표면처리가 끝난 6H-SiC 기판을 rf-CVD 반응기에 장착 한 후 바로 H2 etching처리만 이루어진 표면을 관찰한 사진이다. 저온에서의 etching 처리는 (1)공정에서 수행한 결과와 비슷한 형태를 보이지만, 점점 고온으로 올라갈수록 표면상태가  거칠어 지면서 step구조를 이루어 나가는 양상을 보이며, 특히 1500□ 10min의 조건에서 얻어진 step 형태는 매우 부드럽고 균일한 형태를 지니고 있음을 확인 할 수 있었다.

(a) Rms 0.539nm      (b) Rms 6.758nm     (c) Rms 2.869nm     (d) Rms 0.713nm

Fig. 3. AFM photographs for the surface of on-axis 6H-SiC prepared only by H2 etching process; (a) 20min, 1270□; (b) 20min, 1440□; (c) 60min,1500□; (d) 10min, 1500□

2. 6H-SiC/6H-SiC 동종 핵 성장 구조의 특성 및 분석

전처리 실험 후의 6H-SiC 샘플은 다시 rf-CVD 반응기에 장착하여 SiC 동종 핵 성장 실험을 수행하였다. Fig. 4.는 Step이 형성된 6H-SiC 기판 위에 성장된 6H-SiC을 보여주는 표면 사진이다. 최적 성장 조건을 찾기 위해 주원료가스인 SiH4과 C3H8의 유량과 carrier 가스인 H2의 유량을 성장변수로 놓고 수행하였다.

초기 유량이 SiH4/C3H8/H2 = 6/8/1000 sccm 이었을 경우에는 초기성장 속도가 빠르게 진행되어 결정성장이 grain으로 뭉쳐진 형태를 보이고 있으며, 유량을 1/10으로 줄일 경우의 표면이 가장 판상 형태로 성장이 진행됨을 관찰할 수가 있었다. 하지만, carrier 가스의 유량을 늘릴 경우 오히려 micropipe와 같은 defect들이 더 늘어났으며, 유량을 SiH4 기준 0.5 sccm 이하로 줄일 경우에는 SiC 증착이 제대로 이루어지지 않음을 확인 할 수 있었다. 또한 (b), (C), (d)의 경우 PL과 Raman 분석을 통해 SiC 성장과, 그 결정성을 파악할 수 있었다. 6H-SiC의 경우 2.8eV의 밴드갭 에너지를 소유하고 있으나 LT-PL의 경우 합산 되는 exiton energy 값이 줄어듦에 따라 저온에서 약 2.6eV로 이동 되었음을 확인 하였다.

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

Fig. 4.SEM images of 6H-SiC films grown at 2.7 Torr and 1650 for 3hr as a fuction of SiH4, C3H8 and H2 flow rates; (a) SiH4/C3H8/H2 = 6/8/1000sccm; (b) SiH4/C3H8/H2 = 0.6/0.8/1000sccm; (c) SiH4/C3H8/H2 = 0.67/1/1000sccm; (d) SiH4/C3H8/H2 = 0.3/0.4/1000sccm; (e) SiH4/C3H8/H2 = 0.6/0.8/2000 sccm

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. l

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

(a)                                   (b)

Fig. 5. (a) LT-PL (at 15K) and (b) Raman scattering of 6H-SiC(0001) films grown on on-axis 6H-SiC wafer at 1650℃, 2.7Torr for 3hr.

on-axis {0001}6H-SiC 기판 표면을 CMP와 H2 etching 공정을 통해 Step 구조를 제작하였으며 고주파 유도 화학 증착 반응장치를 이용하여 6H-SiC 박막을 동종 핵 성장하였다.H2 가스를 흘리면서 1500℃에서 10분 동안 etching 시킨 결과가 CMP 공정을 수행하지 않을 때 보다 더 균일한 Step 구조를 이루는 것을 확인하였으며, 이러한 전처리 실험을 통해 step-controlled epitaxy 성장법을 도입하여 2.7torr, 1650℃에서 SiH4 0.6, C3H8 0.8sccm을 최적조건으로 3시간동안 6H-SiC 동종 핵 성장실험을 수행 하였다. 이러한 결과는 AFM, SEM, PL, Raman 등의 분석 장치를 통해 확인 할 수 있었다.

참고문헌

1. R.C.Glass, D.Henshall, V.F.Tsvetkov, C.H.Carter, MRS Bull. March 30-35 (1997)

2. R.W.Bartlet, Nelson, F.A.Halden, J. Electrochem.Soc. 114, 1149 (1967)

3. R.G.Behrens and G.H.Renehart, National Bureau of Standards Special Publication 561, Proceedings of the 10th Materials Research Symposium on Characterization of high temperature vapors and gases, September 18-22 (1978)

4. Zeigler, G.Lanig, P.Theis, D. and Weirich.C., IEEE Trans, Electron Devices. ED-30 277-281 (1983)

5. Yu.M.Tairov, V.F.Tsvetkov, S.K. Lilov and G.K.Safaraliev, J.Cryst.Growth 36, 147 (1976)

6. Tsunenobu Kimoto, Hironori Nishino, and W.S.Yoo, J.Appl.Phys. 73(2), 15 (1993)

7. Z.Y.Xie, C.H.Wei, L.Y.Li, Q.M.Yu and J.H.Edgar, J.Cryst.Growth 217, 115-124 (2000)

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년