KR20110058014A

KR20110058014A - Ｓｉ 템플릿 제조방법 및 그 Ｓｉ 템플릿 위에 성장된 ＳｉＣ 단결정 박막

Info

Publication number: KR20110058014A
Application number: KR1020090114666A
Authority: KR
Inventors: 욱 방; 주성재; 강인호; 김상철; 김남균
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-01

Abstract

본 발명은 SiC 단결정 박막을 증착하기 위한 Si 기판을 템플릿화하기 위한 제조방법 및 그 위에 성장된 SiC 단결정 박막에 관한 것으로서, 면방위 (100)의 Si 기판을 열산화시켜 열산화막을 성장시킨 후, 상기 열산화막을 마이크로패터닝(micropatterning)하여 규칙적으로 배열된 사각형 구조를 형성하고, 습식공정에 의해 에칭하여 Si 기판 표면에 (111)면들로 구성된 역피라미드 구조의 Si 템플릿(template)을 제조하는 것을 특징으로 하는 Si 템플릿 제조방법 및 상기 Si 템플릿 위에 성장된 SiC 단결정 박막을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 기존의 Si 기판을 이용한 SiC 단결정 박막 성장시 쉽게 형성되어 전자소자로의 적용을 막았던 기판 표면의 기공형성을 원천적으로 제거하고 초기 형성된 고밀도의 결함들이 상호 상쇄되는 구조를 저가의 습식공정으로 제공함으로써, 고품질의 SiC 단결정 박막을 저가로 생산할 수 있으며 고출력 소자의 제조를 용이하게 하는 이점이 있다.

Si 기판 템플릿 SiC 단결정 박막 역피라미드 결함 습식공정

Description

Ｓｉ 템플릿 제조방법 및 그 Ｓｉ 템플릿 위에 성장된 ＳｉＣ 단결정 박막{fabrication method of Si template and SiC epilayer on it using wet etching process}

본 발명은 SiC 단결정 박막을 증착하기 위한 Si 기판을 템플릿화하기 위한 제조방법 및 그 위에 성장된 SiC 단결정 박막에 관한 것으로서, Si 기판을 저가의 습식공정으로 템플릿화하여 SiC 단결정 박막을 용이하게 구현하고 이를 이용한 고출력의 전자소자를 용이하게 제조할 수 있는 Si 템플릿 제조방법 및 그 Si 템플릿 위에 성장된 SiC 단결정 박막에 관한 것이다.

기존의 SiC 단결정 박막은 고가의 동종 기판인 SiC 단결정 기판을 사용하거나 저가의 Si기판을 이용하여 성장시켜 왔다. 이중 저가의 Si 기판을 이용하는 경우 기판의 면방위가 (111)인 경우 일정 두께 이상 박막을 성장시키면 Si와 SiC의 격자부정합 및 열팽창계수차에 의해 성장된 박막에서 균열(crack)이 발생하여 전자소자로 사용하기에 부적합하였다.

반면 (100) 면방위의 Si기판을 사용하는 경우 도 1과 같이 격자부정합에 의한 고밀도의 결함들이 생성되며, 또한 초기 Si기판의 표면이 SiC로 전환될 때 기판 의 일부 Si원소들이 승화 및 표면이동을 통해 성장되는 SiC에의 원료로 공급되어 박막성장 도중 발생한 Si/SiC 계면의 기공[103]을 형성하게 하는 문제점이 있어 왔다.

또한 계면에서 발생한 고밀도의 결함들은 대부분이 SiC 단결정 박막[102]의 (111)면에 형성되어 박막성장과 더불어 지속적으로 존재하게 된다. 이러한 결함들은 전자소자의 제조시 누설전류의 경로를 제공하게 되어 고전압소자의 제작을 불가능하게 한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, Si 기판과 성장된 SiC 단결정 박막 사이에 생성되는 결함 및 기공을 생성시키지 않도록 Si 기판을 저가의 습식공정으로 템플릿화하여 SiC 단결정 박막을 용이하게 구현하고 이를 이용한 고출력의 전자소자를 용이하게 제조할 수 있는 Si 템플릿 제조방법 및 그 Si 템플릿 위에 성장된 SiC 단결정 박막의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 면방위 (100)의 Si 기판을 열산화시켜 열산화막을 성장시킨 후, 상기 열산화막을 마이크로패터닝(micropatterning)하여 규칙적으로 배열된 사각형 구조를 형성하고, 습식공정에 의해 에칭하여 Si 기판 표면에 (111)면들로 구성된 역피라미드 구조의 Si 템플릿(template)을 제조하는 것을 특징으로 하는 Si 템플릿 제조방법을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 마이크로패터닝하여 규칙적으로 배열된 사각형의 각 변은 Si(110) 방향과 평행하게 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 습식공정에 의한 에칭은, 농도 20%~25%, 온도 50℃~80℃의 KOH수용액에서 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기의 방법에 의해 제조된 Si 템플릿(template)에 Si-함유가스와 C-함유가스를 공급하여 Si 템플릿 상층에 3C-SiC 박막을 증착시키거나, Si-함유가스와 C-함유 가스를 공급함과 동시에 질소가스를 공급하여 Si 템플릿 상층에 n-type 3C-SiC 박막을 증착시키는 것을 또 다른 기술적 요지로 한다.

상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 기존의 Si 기판을 이용한 SiC 단결정 박막 성장시 쉽게 형성되어 전자소자로의 적용을 막았던 기판 표면의 기공형성을 원천적으로 제거하고 초기 형성된 고밀도의 결함들이 상호 상쇄되는 구조를 저가의 습식공정으로 제공함으로써, 고품질의 SiC 단결정 박막을 저가로 생산할 수 있으며 고출력 소자의 제조를 용이하게 하는 효과가 있다.

또한 SiC와 Si의 이종접합면이 평탄한 면이 아닌 일정패턴을 갖는 트렌치(trench) 구조를 형성하기 때문에 열팽창계수차에 의한 성장된 박막의 뒤틀림이나 균열(crack) 발생에 대한 내성이 강해지며 pn 접합에서의 전류경로가 증가하여 pn 다이오드 소자의 전기적 특성 및 신뢰성 향상에 기여하게 되는 효과가 있다.

도 2는 본 발명에 따른 Si 템플릿 제조방법 및 그 Si 템플릿 위에 증착된 SiC 박막의 모식도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명은 Si 기판 표면에 형성되는 역피라미드 형태의 결정면이 (111)면이라는 것이 착안한 것으로, 면방위 (100)의 Si 기판[201]에 열산화막[202]을 성장시킨 후, 동일한 형태의 사각형 구조가 규칙적으로 배열되도록 상기 열산화막을 마이크로패터닝(micropatterning)하여 패터닝된 열산화막[203]을 형성하고, 습식공정에 의해 에칭하여 Si기판 표면에 (111)면들로 구성된 역피라미드 구조의 Si 템프릿을 제조하는 것이다.

특히, 고가의 SiC 단결정 박막을 저가이면서 고품질의 Si 기판을 이용하여 성장시키기 위한 Si 기판을 템플릿화하는 것으로서, 기존의 방법에서 Si 기판과 성장된 SiC 단결정 박막 사이에 생성되는 고밀도의 결함 및 기공을 생성시키지 않도록 Si 기판을 저가의 습식공정으로 템플릿화 하여 저가의 SiC 단결정 박막을 용이하게 구현하고 이를 이용한 고출력의 전자소자 제조를 용이하게 하고자 하는 것이다.

도 2(a)는 Si(100) 기판에 열산화막을 성장시킨 모습을 나타낸 것이고, 도 2(b)는 상기 열산화막을 사각형 구조로 패터닝한 모습을 나타낸 것이다. 상기 열산화막[202]의 두께는 100nm이상이면 충분하나 습식공정에 의한 에칭시 일부의 열산화막이 에칭되므로 사각형 패턴의 크기 증가에 따라 증가될 필요가 있다. 또한 열산화막 패턴의 폭은 하부의 Si 기판이 충분히 에칭되어 역피라미드 구조를 가질 수 있도록 1㎛ 이하로 조절되는 것이 바람직하나, 2~3㎛ 정도라도 가능하다. 이때 사각형의 각변은 Si (110)방향과 평행하게 배치하여야 한다.

도 2(c), 도 2(d)는 KOH 수용액을 이용하여 역피라미드 형상이 생기도록 Si 기판을 에칭한 평면도 및 단면도이다. 상기 습식공정에 의한 에칭은 농도 20%~25%로 조절되고 온도가 50~80℃로 유지된 KOH 수용액에서 이루어지게 되며, 이 경우 상기 열산화막은 거의 에칭되지 않고 Si 표면이 노출된 영역[204]만 에칭되게 된다. 도 2(b)에서 [204]는 KOH 수용액에 의해 선택적으로 에칭될 실리콘 기판이다. 이때 Si 기판은 결정 방위에 따라 큰 에칭속도차를 보여 최종적으로 (111)면[205]이 노출되게 되고 결과적으로 역피라미드 형태의 규칙적인 패턴[206]이 형성된다. 도 2(e)는 열산화막을 제거한 후의 Si 템플릿의 형상을 나타낸 것이다.

예를 들어 80℃로 조절된 20% KOH 수용액에서 Si(100)면은 24nm/s, Si(110)면은 32nm/s의 에칭속도를 갖게 되며, Si(111)면의 경우 1nm/s 이하의 아주 느린 에칭속도를 갖게되어 최종적으로 Si(111)면만이 에칭후에 남게 된다. 에칭후에는 Si기판 표면이 역피라미드 형태로 배열된 SiC 박막증착용 Si 템플릿[207]이 된다. 이후 잔존하는 열산화막을 산화막 에칭용액을 이용하여 제거한다. 이때 하부의 Si기판은 산화막 에칭용액에 반응하지 않고 그 형태를 유지하게 된다.

도 2(f)는 상기에서 제작된 Si 템플릿에 SiC 단결정 박막을 성장시킨 모습을 나타낸 것이고, 도 2(g)는 성장된 SiC 단결정 박막 내 결함 분포 모식도를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 이렇게 제작된 Si 템플릿[207]을 이용하여 3C-SiC 단결정 박막[208]을 Si-함유 가스와 C-함유 가스를 이용하여 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)으로 성장시킨다. 이때 Si-함유가스로는 SiH₄나 Si₂H₆가스를 주로 사용하며, C-함유가스로는 CH₄, C₂H₆, C₃H₈등의 가스를 선택하여 사용하는 것이 일반적이다. 이렇게 성장된 3C-SiC 단결정 박막은 Si 기판과의 격자부정합이 약 20%에 달하여 성장계면에서 고밀도의 전위 및 적층결함들이 생성되게 된다. 이때 발생한 결함들은 성장된 3C-SiC 박막의 (111)결정면을 따라서 전파되게 된다. 본 발명에 따른 Si 템플릿을 이용하게 되면 이렇게 전파되는 결함들이 4개의 동일한 결정면(역피라미드면)을 출발하여 성장하게 됨으로써 기 형성시킨 역피라미드의 깊이에 해당하는 높이(Si/SiC 계면에서 형성된 결함[209])만큼 박막이 성장하면 대부분 상호 상쇄되게 되어 이후에 성장된 박막으로의 전파는 무시할 수 있는 수준으로 조절 된다. 또한 SiC와 Si의 이종접합면이 평탄한 면이 아닌 일정패턴을 갖는 트렌치(trench) 구조를 형성하기 때문에 열팽창계수차에 의한 성장된 박막의 뒤틀림이나 균열(crack) 발생에 대한 내성이 강해지게 된다.

따라서 전반적인 SiC 단결정 박막[208]은 결함의 농도가 극히 적은 고품질의 박막으로 성장이 가능하여 고출력 고전압 소자로의 적용이 용이하게 된다. 예를 들어 고농도의 p-type Si 기판을 본 발명에 따라 템플릿화하여, Si-함유가스와 C-함유가스를 공급함과 동시에 유량이 조절된 질소가스를 공급하여 n-type SiC 단결정 박막[208]을 성장시키고, 상하부에 전극을 증착시킴으로써 n-type 3C-SiC 박막 즉, n SiC/p+ Si 구조의 이종접합(heterojunction) pn 다이오드의 제작이 가능하게 된다. 이러한 이종 접합된 박막은 pn 접합에서의 전류경로가 증가하여 pn 다이오드 소자의 전기적 특성 및 신뢰성 향상에 기여하게 된다.

이와 같이 본 발명은 Si 기판 표면에 형성되는 역피라미드 형태의 결정면이 (111)면이라는 것에 착안하여 초기 성장시에 Si기판으로부터의 승화 및 표면이동을 억제하여 기공의 형성을 원천적으로 방지할 수 있으며, 또한 성장초기 Si 기판과 SiC 박막의 계면에서 발생하는 고밀도의 결함들이 결정학적으로 동등한 (111)면으로 성장이 진행되기 때문에 초기(역피라미드의 깊이에 상당하는 두께)에 상호 상쇄되어 성장된 박막의 표면까지 진행하지 못하게 된다. 따라서, 결함이 제거된 고품질의 SiC 단결정 박막을 저가의 기판을 사용하여 성장시킬 수 있게 되는 것이다.

도 1 - 기존 방법에 의한 Si 기판에 증착된 SiC 박막의 모식도.

도 2 - 본 발명에 따른 Si 템플릿 제조방법 및 그 Si 템플릿 위에 증착된 SiC 박막의 모식도.

(a) Si 기판에 열산화막을 성장시킨 모습

(b) 열산화막을 사각형 구조로 패터닝한 모습

(c) KOH 수용액을 이용하여 역피라미드 형상이 생기도록 Si 기판을 에칭한 평면도

(d) KOH 수용액을 이용하여 역피라미드 형상이 생기도록 Si 기판을 에칭한 단면도

(e) 열산화막을 제거한 후의 Si 템플릿의 형상을 나타낸 도

(f) 제작된 Si 템플릿에 SiC 단결정 박막을 성장시킨 모습을 나타낸 도

(g) 성장된 SiC 단결정 박막내 결함 분포 모식도

[101], [201]... Si(100) 기판

[102]... SiC 단결정 박막

[103]... 박막성장 도중 발생한 Si/SiC 계면의 기공

[202]... Si 기판 표면에 성장시킨 열산화막

[203]... 패터닝된 열산화막

[204]... KOH 수용액에 의해 선택적으로 에칭될 실리콘 기판

[205]... 에칭후 표면에 드러나는 결정면 -(111)면

[206]... 역피라미드 형태의 규칙적인 패턴

[207]... Si 템플릿

[208]... SiC 단결정 박막

[209]... Si/SiC 계면에서 형성된 결함

Claims

면방위 (100)의 Si 기판을 열산화시켜 열산화막을 성장시킨 후, 상기 열산화막을 마이크로패터닝(micropatterning)하여 규칙적으로 배열된 사각형 구조를 형성하고, 습식공정에 의해 에칭하여 Si 기판 표면에 (111)면들로 구성된 역피라미드 구조의 Si 템플릿(template)을 제조하는 것을 특징으로 하는 Si 템플릿 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 마이크로패터닝하여 규칙적으로 배열된 사각형의 각 변은 Si(110) 방향과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 Si 템플릿 제조방법.
제 1항에 있어서, 습식공정에 의한 에칭은, 농도 20%~25%, 온도 50℃~80℃의 KOH수용액에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 Si 템플릿 제조방법.
면방위 (100)의 Si 기판을 열산화시켜 열산화막을 성장시킨 후, 상기 열산화막을 마이크로패터닝(micropatterning)하여 규칙적으로 배열된 사각형 구조를 형성하고, 습식공정에 의해 에칭하여 Si 기판 표면에 (111)면들로 구성된 역피라미드 구조가 형성된 Si 템플릿(template)에 Si-함유가스와 C-함유가스를 공급하여 Si 템플릿 상층에 3C-SiC 박막이 증착된 것을 특징으로 하는 Si 템플릿 위에 성장된 SiC 단결정 박막.
면방위 (100)의 Si 기판을 열산화시켜 열산화막을 성장시킨 후, 상기 열산화막을 마이크로패터닝(micropatterning)하여 규칙적으로 배열된 사각형 구조를 형성하고, 습식공정에 의해 에칭하여 Si 기판 표면에 (111)면들로 구성된 역피라미드 구조가 형성된 Si 템플릿(template)에 Si-함유가스와 C-함유 가스를 공급함과 동시에 질소가스를 공급하여 Si 템플릿 상층에 n-type 3C-SiC 박막이 증착된 것을 특징으로 하는 Si 템플릿 위에 성장된 SiC 단결정 박막.