KR100686717B1 - 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막 - Google Patents

철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막에 관한 것이다.
본 발명의 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막은, 화학기상증착법을 이용하여, 4-에이치 탄화규소 단결정 기판에, 페로신, 티부틸페로신, 엔부틸페로신 등과 같은 철 함유 금속-유기물 소스를 사용한 인씨츄 도핑(in-situ doping) 처리를 하면서 성장시킨 것으로, 상기 소스 중의 철 원자가 1012∼1021개/cm3의 범위로 도핑 되도록 함에 본 발명의 기술적 특징이 있다.
본 발명의 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정은, 철 도핑양을 자유롭게 조절할 수 있으며, 가격이 저렴한 기판 위에 성장시킬 수 있을 뿐 아니라 세미 인설레이팅 박막만으로도 인설레이팅 효과를 얻을 수 있기 때문에 제조 비용이 현저히 절감되는 장점이 있다.
탄화규소, 단결정, 박막, 세미 인설레이팅, 도핑

Description

철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막{The Fe doped semi-insulating 4H-SiC monocrystalline thin film}
도 1은 본 발명 탄화규소 단결정 박막을 제조하기 위한 일실시예 설비 구성도.
도 2는 도 1의 설비를 구성하는 일실시예 버블러의 설치도.
도 3은 본 발명 탄화규소 단결정의 록킹커브(rocking curve)에 대한 반가폭 그래프.
도 4는 본 발명 탄화규소 단결정의 비저항 및 잔류 도너의 농도 그래프.
((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))
11. 반응실 12. 기판
13. 버블러 14. 항온조
15. 기판지지대 16. 고주파 발생장치
17. 터보 펌프 18. 로타리 펌프
B. 비티엠에스엠 F. 티부틸페로신
W. 물
본 발명은 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소(semi-insulating 4-H SiC) 단결정 박막에 관한 것으로, 더 자세하게는 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막을, 탄화규소 단결정 기판 위에 철(Fe) 도핑을 실시하면서 성장시킴으로써, 소자의 생산 가격을 획기적으로 낮추며, 호스트 원자인 실리콘과 도핑 원자인 철 사이의 원자반경 차이를 줄여 단결정 격자에 부여되는 스트레스를 감소시킬 수 있는 동시에 더 많은 양의 도핑도 가능한, 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막에 관한 것이다.
현대 정보화 사회의 발전이 더욱 가속화됨에 따라 현재의 실리콘계 반도체 기술로는 에너지, 산업전자, 정보통신, 광전자 및 극한 전자 분야를 충분히 뒷받침할 수 없게 되었으며, 실리콘은 그 물리적인 한계를 드러내고 있는 실정이다.
따라서, 상기와 같은 종래 실리콘계 반도체 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 광역 에너지 금지대역을 갖는 새로운 반도체 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 바, 여러 물질들 중에서도 탄화규소는 고전압, 고출력 및 고주파 응용분야에 적합한 차세대 전력소자로서 선진국에서는 이를 적극적으로 개발하고 있다.
상기 탄화규소로 제조된 반도체 소자는 실리콘계에 비하여 허용 전계 강도가 10배, 동작 온도가 4배정도나 높아 대전력 고온에서의 동작이 가능할 뿐 아니라, 전력 계통의 수송변환장치로 이용하면 송전 손실을 1/3 정도로 낮출 수 있어 에너지 절약 효과가 큰 바, 향후 고속전철 및 전기자동차의 전력제어기, 이동통신 기지국의 고주파 증폭기 등은 물론, 발전과 송배전 분야에서의 전력제어에 광범위하게 응용됨으로써, 이들 운영 시스템의 크기를 획기적으로 줄이는 동시에 전력손실도 줄일 수 있을 것으로 예상되고 있다.
즉, 종래 사용되어 왔던 실리콘에 대한 대안으로 부각되고 있는 것이 탄화규소인 바, 탄화규소는 21세기 에너지 전자, 정보통신 전자 및 극한 전자 분야를 이끌어 나갈 차세대 반도체 물질인 것이다.
현재, 탄화규소는 에프이티(FET, Field Effect Transistor), 엘이디(LED, Light Emitting Diode), 압력센서, 에이치비티(HBT, Heterojunction Bipolar Transistor), 에스비디(SBD, Schottky Barrier Diode) 등으로의 응용이 연구되고 있으며, 일부는 실제 상용화되어 가고 있는 추세이다.
상기 탄화규소는, 탄소와 실리콘의 강력한 공유 결합력에 의해 기계적 성질이 매우 우수하여 연마재료, 절삭재료 등으로 오래 전부터 사용되어 왔으며, 높은 파괴전압 (5×106Vcm-1), 높은 열전도도 (4.9Wcm-1K-1) 등과 같은 우수한 전기적 특성을 가지고 있기 때문에 Si나 GaAs로 구현하기 힘든 고온, 고출력 전자 소자로서의 응용이 모색되고 있고, 높은 전자 이동도 (1000cm-2V-1sec-1) 및 포화 이동 속도 (2×107Vsec-1) 등의 물성들에 의해 고주파 전자 소자로써도 응용이 가능한 재료이다.
그리고, 반도체 물질의 본질적 물성에 기인하는 소자의 성능한계를 나타내는 제이에프오엠(JFOM, Johnson's Figure Of Merit), 케이에프오엠(KFOM, Key's Figure Of Merit), 비이에프오엠(BFOM, Baliga's Figure Of Merit), 비이에이치에프에프오엠(BHFFOM, Baliga High Frequency Figure Of Merit) 등의 지표계수 비교를 살펴보면, 탄화규소의 장점을 정량적으로 확인할 수 있다.
예를 들어, 고주파수와 고전력이 가능함을 나타내는 제이에프오엠(1965년)은 트랜지스터의 전력과 주파수의 한계를 항복전압과 포화전자 이동속도로부터 유도한 비교계수로 탄화규소는 실리콘에 비해 600배 이상의 값을 갖는다.
그리고, 탄화규소는 최밀 충진면의 적층순서에 따라 수많은 결정다형이 보고 되고 있으며, 유일하게 입방정상을 가지는 징크블렌드(zincblend) 구조의 탄화규소를 베타 탄화규소(β-SiC) 라 하고, 나머지 결정다형을 알파 탄화규소(α-SiC) 라고 지칭하는 바, 현재, 4-에이치 탄화규소와 6-에이치 탄화규소는 2인치 구경을 갖는 단결정 기판의 상용화 및 고품질의 동종박막 성장이 가능하게 되어 활발한 연구가 진행되고 있으며, 특히, 4-에이치 탄화규소는 전자이동도 등이 가장 우수한 특성을 갖기 때문에 중점 연구 대상이 되고 있다.
상기와 같이 우수한 특성을 갖는 탄화규소를 전자소자에 응용하기 위해서는 소자 제작에 필요한 단결정 박막 성장, 박막의 도핑 컨트롤, 산화막 형성, 금속접합, 선택적 도핑, 식각기술 등 제반 공정기술이 확립되어야 하며, 그 중에서도 가장 중요한 기술 중의 하나는 단결정 박막 성장과, 성장되는 박막의 도핑 컨트롤 기술이다.
특히, 최근에 탄화규소를 기본으로 하여 제작된 소자인 탄화규소 메스펫(SiC MESFET)와 질화갈륨 헴트(GaN HEMT) 등과 같은 소자들의 기생저항과 기생 캐패시턴스를 줄이기 위해서는 기판쪽으로 흐르는 전류를 차단하여야 하며, 이를 달성하기 위해서는 저항이 높은 세미 인설레이팅 탄화규소 단결정 박막 및 벌크 성장 기술이 매우 중요하다.
통상 상업적으로 응용된 세미 인설레이팅 탄화규소 단결정 기판의 경우 바나듐(Vanadium, 원소기호 23번) 도핑을 이용하여 제작하는데(Cree Inc.), 도핑된 바나듐은 탄화규소의 밴드갭 안에서 딥 레벨(deep level)을 형성, 다른 불순물들이 만든 레벨들을 보상하여(compensation) 줌으로써 탄화규소의 저항성을 확보하게 된다.
그러나, 상기와 같이 바나듐 도핑에 의해 성장된 탄화규소 단결정 박막의 경우, 호스트 원자(Si)와 도핑된 바나듐 원자의 격자상수 차이에 의한 스트레스 때문에 탄화규소 단결정 박막의 결정성이 떨어지게 되고, 생산성이 낮을 뿐 아니라, 바나듐 도핑된 탄화규소 단결정 기판의 가격 또한 매우 고가라는 문제를 가지고 있다.
본 발명은, 바나듐 도핑에 의해 제조되고 있는 종래의 탄화규소 단결정 박막이 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 호스트 원자와의 격자상수 차이(바나듐에 비하여 1/2)를 줄여 탄화규소 단결정 박막의 결정성을 높여 주는 동시에, 그 제조 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있도록 즉, 바나듐이 도 핑된 세미 인설레이팅 기판에 비하여 가격이 매우 저렴하도록, 탄화규소 단결정 기판 위에 철 도핑된 탄화규소 단결정 박막을 성장시킨 철 도핑 핑 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소의 단결정 박막을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 철을 함유한 금속-유기물 소스(source)에 의하여 달성된다.
본 발명은, 탄화규소 단결정 기판 위에 성장시킨 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막에 관한 것으로, 상기 탄화규소 단결정 기판 위에 철(Fe)계 물질로서 도핑을 실시하면서 탄화규소 단결정을 성장시키게 되는 바, 모재로 사용되는 탄화규소 단결정 기판으로는 엔형(n-type) 기판이나 피형(p-type) 기판 등 그 종류에 관계 없이 모두 사용이 가능하나, 경제적인 측면에서는 가격이 싼 엔형 기판이 더욱 적합하다.
본 발명의 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막은, 철 도핑에 의해 소자의 제조비용이 획기적으로 절감될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 철은 호스트 원자인 실리콘과의 원자 반경 차이가 작기 때문에(Si-V : 10.0%, Si-Fe : 5.4%, covalent radius 기준), 격자에 가해지는 스트레스를 감소시킬 수 있으며, 바나듐 도핑과 비교하여 더욱 많은 양의 도핑도 가능하게 된다.
또한, 벌크 성장 중 탄화규소 소스에 바나듐 파우더를 섞는 방법을 이용한 벌크 탄화규소 기판의 바나듐 도핑에 비하여, 철 도핑에 의한 탄화규소 단결정 박 막은, 다른 불순물의 첨가없이, 페로신(Ferrocene, Cp2Fe, C10H10Fe) 이나 티부틸페로신(t-butylferrocene, C14H18Fe), 엔부틸페로신(n-butylferrocene) 등과 같은 철 함유 금속-유기물(metal-organic) 소스를 이용한 버블링(bubbling)에 의해, 철 도핑된 단결정으로서의 성장이 가능하다.
상기 버블링이란, 캐리어 가스(carrier gas, 보통 아르곤 가스나 수소 가스가 사용됨.)를 도핑 물질 소스가 담겨있는 버블러(bubbler)에 통과시킴으로써, 도핑 물질 소스의 증기압 만큼 도핑 물질을 함유하게 되는 캐리어 가스가 도핑 챔버안으로 주입되도록 하는 방법으로서, 이와 같이 버블링 된 도핑 물질이 고온의 챔버 내부에서 열분해된 후 화학적 작용에 의해 기판 상에 박막으로 증착된다.
즉, 도핑이란, 상기와 같은 버블링을 이용하여, 필요로 되는 도핑 물질을 SiC 에피박막 안에 소량 포함시키는 기술로서, 특히, 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition) 중 박막의 증착과 도핑을 동시에 수행하는 경우를 인씨츄(in-situ) 도핑이라고 한다.
상기와 같이 버블링에 의한 철 도핑에 의해 SiC의 격자안에 철 원자가 위치하게 되면, 밴드갭 내에 위치한 철 스테이트에 의해 박막은 세미 인설레이팅 성질을 띄게 된다.
상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.
도 1에 본 발명을 실시하기 위한 일실시예 설비의 구성도를, 도 2에 버블러의 설치도를 도시하였다.
도시된 바와 같이, 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 박막을 성장시키기 위하여 수평 형태(horizontal type)의 고주파 유도 가열 화학기상증착 장치를 사용하였으며, 희석가스와 유기실리콘 화합물 원료의 전달가스로서는, 순도 99.999%의 수소 팔라듐을 이용한 정제기(purifier, 도면 미도시)를 이용하여 한번 더 정제한 뒤 사용하였다.
그리고, 가스관의 퍼징(purging)을 위하여 순도 99.999%의 아르곤 가스를 사용하였으며, 도핑 I 증착전 기판(12)은 아세톤 - 에틸알콜 - 황산:과수(3:1 120℃) - 불산(탈이온수에 7:1로 희석) - 탈이온수의 순서로 세척되었다.
4-에이치 탄화규소 단결정 기판(Cree Inc. 생산)은, 8°의 오프축(off-axis)을 갖는 기판을 사용하였으며, 증착 후 측정 방법에 따라 엔형 또는 피형(p-type) 세미 인설레이팅 기판을 사용하였다.
유기실리콘 화합물 원료인 비티엠에스엠(B, BTMSM)과 철 소스인 티부틸페로신(F) 및 도핑 상태를 조절하기 위한 트리에틸렌알루미늄(T)은, 각각 버블러(13)에 담겨져 수소에 의해 전달되었으며, 물(W)이 담겨있는 항온조(14)에 넣어진 상태에서 온도가 조절되었다.
초기 진공 유지를 위하여 터보 펌프(17)를 이용하였으며, 증착 및 도핑 중에는 로터리 펌프(18)를 사용하여 반응실(11)의 압력을 유지하였다.
온도는 옵티칼 파이로메타(Optical Pyrometer, Minolta TR-630)를 이용하여 측정되었으며, 실리콘의 녹는점(1418℃)를 기준으로 보정하였고, 발열체로는 탄화규소로 코팅된 고순도 흑연 평판을 10도 정도 경사지게 가공한 석영보우트 위에 장착한 고주파 발생장치(16)를 이용하여 유도 가열하였다.
고주파 발생장치는 400kHz의 주파수로 최대출력은 25kW이었으며, 반응실(11)로는 내경 65mm의 석영관을 사용하였고, 기판지지대(15)가 놓이는 중심부분은 2중으로 가공하여 냉각수가 흐를 수 있도록 한 콜드월(cold-wall) 형태로 설계되었는 바, 상기 콜드월 형태는 반응실(11) 내벽에 막의 증착이 일어나는 것을 막아주고 유기화합물 화학기상증착법에서 자주 발생하는 동종 핵생성 현상도 줄여주는 역할을 한다.
그리고, 증착은 1500℃에서 10분간 수소 에칭 후에 시작되었으며, 단결정 박막 증착은 180torr, 1370℃에서 이루어졌으며, 증착 중 비티엠에스엠은 25℃, 10sccm을 흘려주었고, 티부틸페로신의 유량은 10sccm으로 고정한 상태에서 도핑양에 따라 오도를 변화시키는 방법으로 철 도핑이 실시되었고, 미설명부호 19, 20, 21은 각각 게이트 밸브(gate valve), 자동 압력 조절기, 매스 플로우 컨트롤러(mass flow controller)이다.
상기와 같은 조건의 철 도핑에서는, 버블러(13)가 침적된 항온조(14)에 채워진 물(W)의 온도를 변화시켜 버블러(13) 안에 있는 도핑 물질 소스(이하 "소스"라 함)의 증기압을 조절하게 되고, 증기압이 조절된 소스를 캐리어 가스에 의해 반응실(11) 안으로 유입시키는 방법을 통하여 철을 도핑하게 되는 바, 캐리어 가스의 유량 역시 반응실(11)로 들어가는 소스의 양 즉, 도핑되는 철의 양을 조절하는 역 할을 수행하게 되며, 철이 도핑되는 양(원자의 개수)은 1012∼1021개/cm3의 범위로 조절할 수 있는데, 박막에 충분한 세미 인설레이팅 성질을 부여하기 위해서는 최소 1015개/cm3 이상의 도핑이 바람직하다.
티부틸페로신을 소스로 하여 상기와 같은 방법에 의해 철 도핑된 4-에이치 탄화규소 단결정 박막의 결정성을 보여주는 X선 회절 데이터를 도 3에 도시하였다.
이때, 반가폭이 10∼20사이인 고품질 엔형 4-에이치 탄화규소 단결정 기판에 도핑된 철의 양은, 철을 함유한 소스가 담겨져 있는 버블러의 온도로서 조절하였다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 철 도핑된 단결정 4-에이치 탄화규소 단결정 박막의 반가폭은 고품질의 기판과 거의 차이가 없거나, 오히려 더 좋은 결정성을 보이고 있음을 알 수 있는 바, 이는 철 도핑으로 생길 수 있는 결정성의 열화를 단결정 에피 성장이라는 장점으로 극복할 수 있음을 보여주고 있다.
그리고, 철 도핑된 4-에이치 탄화규소 단결정 박막의 잔류 도너 농도(residual donor concentration)와 비저항을 도 4에 나타내었는 바, 잔류 도너 농도의 경우, 단결정 탄화규소 성장 시 불가피하게 어느 정도 포함될 수 밖에 없는 질소로 예상되는데, 이는 일반적으로 고온에서 성장되는 탄화규소가 성장 시 대기 중에 풍부한 성분인 질소를 필연적으로 일정량 흡수하게 되기 때문이며(auto-doping), 이는, 탄화규소의 밴드갭 내에서 도너의 역할을 하게 되고, 그 농도는, 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막으로 제작된 쇼트키 다이오드의 온 저항으로 측정되었다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이, 도핑된 철의 양이 증가할수록 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막의 저항은 증가하며, 잔류 도너 농도는 감소하는 것을 볼 수 있는 바, 이는, 도핑된 철이 잔류 도너를 보상시킴으로써 박막의 저항이 증가하는 것을 반증하는 것이다.
특히, 탄화규소의 경우 일반적으로 105Ωcm 이상의 비저항값을 가질 때 세미 인설레이팅 특성을 갖는 것으로 보기 때문에, 철 도핑된 4-에이치 탄화규소 단결정 박막도 충분한 세미 인설레이팅 특성을 갖는다고 할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정은, 철 도핑에 의해서 탄화규소의 결정성이 전혀 저하되지 않으며, 캐리어 가스의 유량이나 항온조의 온도 조절에 의해 철 도핑양을 자유롭게 조절할 수 있으며, 특히, 가격이 저렴한 엔형 기판 위에 성장시킬 수 있기 때문에, 제조 비용이 현저히 절감될 수 있을 뿐만 아니라, 요구되는 특성의 세미 인설레이팅 성질을 손쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 단결정 탄화규소 기판에 성장시킨 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막에 있어서, 철 함유 금속-유기물 소스 중의 철이 도핑된 것을 특징으로 하는 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속-유기물 소스는, 페로신, 티부틸페로신 또는 엔부틸페로신 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 도핑된 철 원자의 양은, 1012∼1021개/cm3의 범위인 것을 특징으로 하는 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막.
KR1020050105107A 2005-11-03 2005-11-03 철 도핑된 세미 인설레이팅 4-에이치 탄화규소 단결정 박막 KR100686717B1 (ko)

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