KR102329479B1 - 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 탄화규소 기판 상부에 얼라인 키를 형성하는 제1단계, 이온 주입법을 통해 상기 탄화규소 기판에 도판트를 주입하는 제2단계, 상기 도판트가 주입된 상기 탄화규소 기판을 열처리를 하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 제3단계는, 상기 탄화규소 기판의 결정손상 회복 및 상기 도판트 활성화를 위해 1650 내지 1750℃로 열처리하며, 상기 제3단계 이후에, x-선 회절(x-ray diffraction)을 통해 탄화규소 기판의 결정 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 상기 제1단계의 탄화규소 기판 결정 반치폭의 100 내지 150% 범위 내 포함되는지 여부를 확인하는 제4단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 탄화규소 기판에 도판트 주입을 위해 이온 주입과정을 거친 후 이에 의해 손상된 탄화규소 결정격자를 고온 열처리를 통해 회복시키고, 탄화규소 결정격자 손상 회복을 확인할 수 있다. 또한 열처리를 통해 도판트를 활성화시키고, 도판트 활성화에 의해 면저항이 감소된 것을 확인할 수 있다.
Description
본 발명은 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄화규소 기판에 도판트 주입을 위해 이온 주입과정을 거친 후 이에 의해 손상된 탄화규소 결정격자를 고온 열처리를 통해 회복시키고, 탄화규소 결정격자 손상 회복을 확인할 수 있는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법에 관한 것이다.
전력반도체 소자는 20세기 중반에 실리콘(silicon)을 기반으로 상용화되었으며, 이 이후로도 꾸준히 개발 및 사용되어 지고 있다. 전력반도체소자는 다이오드(diode), 바이폴라 접합 트렌지스터(bipolar junction transistor), 사이리스터(thyristor) 류의 바이폴라 계열 소자가 주로 개발되고 있다. 또한 1980년대 중반에 절연게이트 바이폴라 트렌지스터의 개발을 통해 전류밀도가 대략 5 내지 6배 향상되었고, 이로 인해 전력반도체 시장은 전체 반도체 시장의 약 10%에 달하는 성장을 이루었다. 하지만 기존 실리콘 재료의 물성적 한계로 인해 실리콘보다 우수한 물성을 가진 재료를 포함하는 전력반도체 소자의 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 실리콘 재료를 대체할 전력반도체 재료는 일반적으로 높은 항복전압, 적은 손실, 빠른 스위칭 등과 같은 특성이 요구되어 진다. 따라서 이러한 조건을 만족하는 재료로는 탄화규소(silicon carbide, SiC) 또는 질화갈륨(gallium nitride, GaN)이 있는데, 탄화규소 및 질화갈륨은 실리콘에 비해 넓은 밴드갭 에너지(band gap energy)를 가진 와이드 밴드갭 반도체 재료로써 실리콘을 대체할 수 있는 대표적인 전력반도체 재료이다. 그 중 탄화규소는 밴드갭 에너지가 약 3.2 내지 3.3eV로 실리콘에 비해 약 3배이고, 절연파괴전압(breakdown voltage)이 약 3MV/cm로 실리콘의 약 10배를 가지고 있으며, 열전도도가 3.7W/cm·K로 실리콘에 대해 약 3배의 특성을 가지고 있다. 탄화규소는 이러한 특성으로 인해 높은 항복전압 특성을 가지고 고온에서도 낮은 손실을 가지는 전력반도체 재료가 가능하다. 또한 에피텍시(epitaxy) 및 단결정 성장 기술의 성숙도, 소자 제조 공정상의 용이성을 갖추고 있어 실리콘을 대체할 수 있는 물질로 손꼽히고 있다.
실리콘을 대체할 탄화규소를 이용하여 소자를 제작하기 위해서는 도판트(dopant)를 주입하는 공정이 필수적이다. 탄화규소에 도판트를 주입하는 방법은 크게 두 가지가 있는데, 첫 번째는 확산법을 이용하는 것이고, 두 번째는 이온 주입법을 이용하는 것이다. 확산법은 고온에서 도판트로 주입될 불순물을 고온에서 농도 차이로 이용하여 탄화규소 내로 주입하는 방법이다. 두 번째는 높은 가속 에너지로 탄화규소 내부로 도판트를 주입하는 방법이다. 탄화규소는 실리콘(Si) 원자와 탄소(C) 원자 간의 높은 결합력으로 인해 탄화규소 내에서의 확산도가 낮아 첫 번째 방법인 확산법으로 도판트를 주입하는 것은 거의 불가능하다. 하지만 두 번째 방법인 이온주입법을 이용하여 도판트를 주입하게 되면 도판트의 프로파일 제어가 가능하다. 도판트가 고에너지로 주입됨에 따라 이온 주입량이 높을 때에는 탄화규소 결정격자의 손상을 가져오게 되고, 이에 따라 손상된 결정격자의 회복을 위한 고온 열처리 활성화 공정을 필수로 거치게 된다.
즉 탄화규소를 이용하여 도판트를 주입하게 되면 고에너지로 주입된 도판트에 의해 결정격자의 손상이 유발된다. 주입되는 도판트의 이온 주입량이 1×1015㎠ 이상으로 높을 경우 탄화규소의 결정성이 단결정에서 무정형화(amorphism)되며, 이러한 이온 주입시의 결정격자 손상은 고온 열처리를 통해 회복되어야 한다. 에피층의 결정격자 손상은 소자 제작시의 성능을 저하시키는 요인이 되므로 이를 회복시키는 것이 중요하다.
이와 같이 결정격자의 손상을 회복시키기 위해 종래기술 '대한민국특허청 등록특허 제10-0393399호 제어된 열처리에 의해서 탄화규소 전력소자를 제조하는 방법', '대한민국특허청 등록특허 제10-0977414호 내열성 전극물질을 이용한 탄화규소 반도체소자의 제조방법' 및 '대한민국특허청 공개특허 제10-2014-0133556호 실리콘 기판, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 반도체 소자'와 같이 고온 열처리를 일반적으로 수행한다. 하지만 이와 같은 열처리를 수행하더라도 결정격자의 손상이 회복되었다는 것을 확인하는 방법은 일반적으로 행해지지 않고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 탄화규소 기판에 도판트 주입을 위해 이온 주입과정을 거친 후 이에 의해 손상된 탄화규소 결정격자를 고온 열처리를 통해 회복시키고, 탄화규소 결정격자 손상 회복을 확인할 수 있는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 열처리를 통해 도판트를 활성화시키고, 도판트 활성화에 의해 면저항이 감소된 것을 확인할 수 있는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 탄화규소 기판 상부에 얼라인 키를 형성하는 제1단계, 이온 주입법을 통해 상기 탄화규소 기판에 도판트를 주입하는 제2단계, 상기 도판트가 주입된 상기 탄화규소 기판을 열처리를 하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법에 있어서, 상기 제3단계는, 상기 탄화규소 기판의 결정손상 회복 및 상기 도판트 활성화를 위해 1650 내지 1750℃로 열처리하며, 상기 제3단계 이후에, x-선 회절(x-ray diffraction)을 통해 탄화규소 기판의 결정 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 상기 제1단계의 탄화규소 기판 결정 반치폭의 100 내지 150% 범위 내 포함되는지 여부를 확인하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제3단계의 열처리는, 상기 제3단계의 상기 탄화규소 기판 결정 반치폭이 상기 제1단계의 탄화규소 기판 결정 반치폭의 100 내지 150% 범위 내에 포함될 때까지 반복되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3단계의 열처리는 1700℃에서 이루어지며, 상기 제4단계에서의 탄화규소 기판 결정 반치폭은 100 내지 120% 범위 내 포함되는지 여부를 확인하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 탄화규소 기판에 도판트 주입을 위해 이온 주입과정을 거친 후 이에 의해 손상된 탄화규소 결정격자를 고온 열처리를 통해 회복시키고, 탄화규소 결정격자 손상 회복을 확인할 수 있다.
또한 열처리를 통해 도판트를 활성화시키고, 도판트 활성화에 의해 면저항이 감소된 것을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄화규소 다이오드 제조방법의 순서도이고,
도 2는 활성화 열처리에 따른 탄화규소 결정의 반치폭을 나타낸 그래프이고,
도 3은 활성화 열처리에 따른 면저항을 나타낸 그래프이고,
도 4는 활성화 열처리에 따른 다이오드의 순방향 특성 그래프이고,
도 5는 활성화 열처리에 따른 다이오드의 역방향 특성 그래프이다.
도 2는 활성화 열처리에 따른 탄화규소 결정의 반치폭을 나타낸 그래프이고,
도 3은 활성화 열처리에 따른 면저항을 나타낸 그래프이고,
도 4는 활성화 열처리에 따른 다이오드의 순방향 특성 그래프이고,
도 5는 활성화 열처리에 따른 다이오드의 역방향 특성 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 먼저, 기판의 상부에 얼라인 키를 형성한다(S1).
탄화규소 다이오드를 제조 가능하도록 기판은 탄화규소(SiC)를 사용하여 제조한다. 기판은 기판본체와, 기판본체의 상부에 에피층(epi layer)이 적층된 형태로 이루어진다. 에피층은 기판본체와 동일한 결정방위를 가지며 기판본체의 상부에 얇게 피복되는 층을 말한다. 이러한 탄화규소의 기판 상부에 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 얼라인 키(align key)를 형성한다.
이를 상세히 설명하면 먼저 선택영역에만 이온주입을 하기 위하여 이온주입 마스크를 형성한다. 이온주입 마스크는 먼저 산화막을 증착한 후에 포토리소그래피 공정을 통해 포토레지스트 패턴을 형성한 후 산화막을 식각한다. 포토레지스트를 제거하면 이온주입 마스크의 제작이 완료된다. 식각 공정을 통해 원하는 패턴의 패턴홈이 형성된다.
이온 주입법을 통해 패턴홈에 도판트를 주입한다(S2).
에피층의 전계가 형성되는 곳에 접합(junction)을 형성하는 데, 이를 위해 에피층에 형성된 패턴홈에 이온 주입법을 이용하여 도판트(dopant)를 도핑 주입한다. 여기서 도판트는 n형 반도체의 경우에는 안티몬(Sb), 비소(As), 인(P), 질소(N) 등과 같은 원소를 사용하고, p형 반도체의 경우 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 원소를 사용하는데 이러한 원소는 한정되지는 않는다.
열처리를 통해 도판트의 활성화 및 탄화규소 기판의 결정격자 손상을 회복시킨다(S3).
도판트 및 탄화규소 기판에 열처리를 한다. 주입된 도판트는 전계를 형성하기 위한 캐리어(carrier) 역할을 하기 때문에 고온 열처리를 통해 활성화시키고, 탄화규소의 결정격자 손상을 회복시킨다. 만약 도판트의 활성화 및 탄화규소의 결정격자 손상이 회복되지 못하면 오히려 저항으로 작용하여 전계의 흐름을 방해하게 된다.
S2 단계에서 이온 주입법을 이용하여 도판트를 주입할 때 고 에너지가 가해지는 이온 주입법을 통해 도판트를 주입하게 된다. 이온 주입 공정은 주입하고자 하는 도판트를 이온 상태에서 가속화시켜 주입하게 되는데, 이때 탄화규소 결정의 규칙성에 손상을 주게 되므로 결정성이 저하된다. 즉 도판트를 주입할 때 고 에너지에 의해 탄화규소 기판의 결정격자 손상이 유발된다. 따라서 탄화규소 기판의 결정격자 손상을 회복시키고 도판트의 활성화를 위해 고온 활성화 열처리를 하게 된다.
주입된 도판트의 활성화 및 탄화규소 기판 결정격자 손상 회복을 위한 고온 활성화 열처리는 1650 내지 1750℃의 온도에서 불활성 가스 분위기 하에서 이루어지며, 이때 시간은 30분 내지 2시간 정도 이루어지는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 1650℃ 미만일 경우 결정격자 손상이 완전히 회복되지 않으며, 도판트가 활성화되지 않아 면저항이 증가하며 이에 따른 누설전류 또한 증가하게 된다. 또한 열처리 온도가 1750℃를 초과할 경우 탄화규소 기판의 결정격자 손상의 측정이 불가능하다는 문제가 있다.
도판트 활성화 및 탄화규소 기판의 결정격자 손상 회복을 확인한다(S4).
탄화규소 결정손상의 저하 및 회복 정도를 X-ray diffraction(XRD)을 이용하여 도판트 주입 전, 후 및 각 활성화 열처리 온도에 따른 결정성 평가 결과를 확인한다. XRD는 X-선 회절을 이용하여 물질의 고유한 결정 구조에 대한 정보를 얻는 것이다. X-선 회절에서 결정성이 우수하다는 것을 동일한 회절선에 대해 그 강도(intensity)가 증가하는 것이다.
확인된 값은 도 2를 통해 알 수 있으며, 이러한 탄화규소의 결정성 회복을 반치폭(full width at half maximun, FWHM)을 통해 알 수 있다. 즉 FWHM을 얻어 그 값이 작을수록 결정성이 우수하다고 판단할 수 있다. 상용 탄화규소의 FWHM은 20arcsec 이하로 결정성이 아주 우수하다. 이온 주입 후의 결정성 회복은 이온 주입전의 FWMH와 비교하여 이에 다다르는 수준으로 판단한다.
도 2a는 이온 주입 전 탄화규소의 반치폭을 나타낸 것으로, 반치폭이 9.8arcsec로 결정성이 아주 우수하다. 도 2b는 이온 주입 공정을 수행한 이후의 탄화규소를 나타낸 것으로 반치폭이 56.5arcsec로 증가하여 결정성이 저하된 것을 알 수 있다. 도 2c는 1600℃로 탄화규소 기판에 활성화 열처리를 한 것으로 탄화규소의 반치폭이 17.1arcsec로 도 1b에 비해 어느 정도 결정성이 회복된 것을 확인할 수 있다. 도 2d는 1700℃로 탄화규소 기판에 활성화 열처리를 한 것으로 탄화규소의 반치폭이 10.1arcsec로 이온 주입 전 탄화규소의 반치폭과 거의 유사할 정도로 결정성이 회복된 것을 확인할 수 있다. 열처리를 통해 탄화규소의 결정격자 손상은 이온 주입 전 결정격자 반치폭으로부터 100 내지 150% 범위의 반치폭까지 회복되는 것이 바람직하다. 회복된 탄화규소 반치폭은 이온 주입 전 반치폭인 100% 이하가 될 수 없으며, 150%를 초과할 경우 결정성이 완전히 회복된 것으로 볼 수 없으며, 결정성이 회복되지 않으면 제대로 된 다이오드를 제작할 수 없다. 더욱 바람직한 반치폭의 범위는 100 내지 120%이다.
이 단계에서 반치폭을 확인한 결과 100 내지 150% 범위를 벗어날 경우 반치폭의 범위가 100 내지 150% 내에 포함될 때까지 S3 단계를 반복 수행한다.
도 3은 온도에 따라 활성화된 도판트에 의한 면저항 결과를 나타낸 것이다. 이온 주입이 되지 않거나, 이온 주입 후의 탄화규소는 저항이 높아 면저항 측정이 불가능하다. 따라서 열처리한 후의 탄화규소 기판 면저항을 측정하게 되며, 측정 값을 확인해보면 1600℃에서 열처리한 경우 면저항이 어느 정도 존재하는 것을 알 수 있지만 1650 내지 1700℃에서는 면저항이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 활성화 열처리를 통하여 주입한 도판트의 활성화 및 탄화규소의 결정격자 손상을 회복시킨 후, 오믹접촉 형성을 위한 실리사이드를 형성한 후 패드 금속을 증착하여 탄화규소를 이용한 다이오드를 제작한다. 이러한 공정은 일반적으로 잘 알려진 공정으로 상세한 설명은 생략한다.
<실시예>
다이오드 제작을 위한 탄화규소(SiC) 기판은 에피층의 농도가 2×1015cm-3이고, 두께가 25㎛인 것을 사용하였다. P base 층을 형성하기 위하여 선택영역에 이온주입이 되도록 마스크를 제작하였다. 알루미늄(Al) 이온을 다중 에너지 단계로 나누어 총 이온 주입 양(dose) 2.01×1014cm-2를 500℃로 이루어진 탄화규소 기판에 주입하였다. 그리고 P source 영역을 형성하기 위하여 선택영역에 이온주입이 되도록 마스크를 제작하였다. 알루미늄 이온을 다중 에너지 단계로 나누어 총 이온주입량 3.65×1015cm-2을 500℃로 이루어진 탄화규소 기판에 주입하였다.
주입된 이온의 활성화 및 결정격자 손상 회복을 위한 고온 활성화 열처리를 각각 1600℃, 1650℃, 1700℃로 아르곤(Ar) 가스 분위기 하에서 1시간 동안 열처리를 수행하였다. 고온 활성화 열처리 후 희생 산화를 1175℃에서 2시간 동안 진행한 후, BOE(buffer oxide etchant)를 이용하여 에칭(etching)하였다. 오믹컨택을 형성하기 위해 포토레지스트로 패턴을 형성한 후 Ni 금속을 증착하고, lift-off 법을 이용하여 Ni 패턴을 형성하였다. 오믹컨택 형성을 위하여 RTA(rapid thermal annealing) 장비를 이용하여 950℃에서 90초간 열처리를 하였다. 그리고 패드금속을 증착하여 다이오드를 제작하였다.
도 4는 제작된 다이오드의 활성화 열처리 온도에 따른 순방향 특성 결과이다. 1600℃, 1650℃에서 활성화 열처리를 하여 제작한 다이오드는 누설전류가 크게 나타나고 있다. 이에 비해 1700℃에서 열처리를 한 다이오드는 누설전류가 pA 이하의 낮은 수준을 나타내고 있다. 도 5는 1700℃에서 활성화 열처리를 통해 제작한 다이오드의 역방향 특성 그래프를 나타낸 것으로 2700V에서 높은 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법을 통해 탄화규소 기판에 도판트 주입을 위해 이온 주입과정을 거친 후 이에 의해 손상된 탄화규소 결정격자를 고온 열처리를 통해 회복시키고, 탄화규소 결정격자 손상 회복을 확인할 수 있다. 또한 열처리를 통해 도판트를 활성화시키고, 도판트 활성화에 의해 면저항이 감소된 것을 확인할 수 있다.
Claims (5)
- 탄화규소 기판 상부에 얼라인 키를 형성하는 제1단계, 이온 주입법을 통해 상기 탄화규소 기판에 도판트를 주입하는 제2단계, 상기 도판트가 주입된 상기 탄화규소 기판을 열처리를 하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법에 있어서,
상기 제3단계는, 상기 탄화규소 기판의 결정손상 회복 및 상기 도판트 활성화를 위해 1700℃로 30분 내지 2시간 사이의 시간동안 열처리하며,
상기 제3단계 이후에, x-선 회절(x-ray diffraction)을 통해 탄화규소 기판의 결정 반치폭(full width at half maximum, FWHM)이 상기 제1단계의 탄화규소 기판 결정 반치폭의 100 내지 150% 범위 내 포함되는지 여부를 확인하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제3단계의 열처리는, 상기 제3단계의 상기 탄화규소 기판 결정 반치폭이 상기 제1단계의 탄화규소 기판 결정 반치폭의 100 내지 150% 범위 내에 포함될 때까지 반복되는 것을 특징으로 하는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법. - 제 1항의 탄화규소 다이오드 제조방법에 따라 제조된 탄화규소 다이오드에 있어서,
전압 2700V에서 사용되는, 탄화규소 다이오드 - 제 1항에 있어서,
상기 제4단계에서의 탄화규소 기판 결정 반치폭은 100 내지 120% 범위 내 포함되는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 도판트는, 안티몬(Sb), 비소(As), 인(P), 질소(N), 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 활성화 열처리 공정을 통한 탄화규소 다이오드 제조방법.
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