KR20180125713A - 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 및 그 제조방법에 있어서, 탄화규소 기판과; 상기 탄화규소 기판의 후면에 형성되는 오믹접촉으로 이루어진 음극(cathode)과; 상기 탄화규소 기판의 전면에 형성되는 몰리브덴(Mo) 금속층으로 이루어진 양극(anode)을 포함하며, 상기 몰리브덴 금속층에 의해 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 10-8A/cm2 이하로 나타나는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 몰리브덴 금속층으로 이루어지는 양극을 통해 고온에서도 탄화규소와 반응을 하지 않고 전기적 특성 저하가 일어나지 않으며, 또한 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 낮아 산업상 이용 가능성이 우수하다.
Description
본 발명은 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 몰리브덴 금속층으로 이루어지는 양극을 통해 고온에서도 탄화규소와 반응을 하지 않고 전기적 특성 저하가 일어나지 않는 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실리콘(Si)을 이용한 반도체 소자는 20세기 중반 이후부터 꾸준히 개발되어 사용되고 있다. 하지만 실리콘 소자는 고전압, 빠른 스위칭 특성을 요구하는 곳이나 고온 동작이 필요한 곳에는 실리콘이 가진 물성적 한계로 인하여 적용하는 데 어려움이 있다. 즉 실리콘으로 소자를 제작할 경우 고온에서는 소자의 특성이 저하되어 제대로 된 구동을 하지 못한다는 단점이 있다. 따라서 최근에는 이러한 실리콘의 단점을 보완하기 위해 탄화규소(SiC) 기판을 포함한 소자를 제작하여 사용하고 있다. 탄화규소는 기존 실리콘에 비해 전기장(electrical field)이 10배 정도 높으며, 절연파괴전계, 에너지 밴드갭(energy band gap), 열전도도 등이 우수할 뿐만 아니라 높은 항복전압을 가지면서도 열방출 특성이 우수하여 고온 및 고전압용 파워 디바이스(power device)에 이를 적용하고 있다.
쇼트키 배리어 다이오드(schottky barrier diode, SBD)는 전압강하가 적고 스위칭 속도가 빠른 소자이며, 금속-반도체와의 접촉에 의해 만들어진다. 반도체 소재 중 탄화규소는 실리콘보다 우수한 재료적 특성으로 인해 고온 동작 등에 유리하다. 즉 탄화규소로 제작된 다이오드는 상온 뿐 아니라 고온 동작이 가능하다. 상용 다이오드는 접합(junction) 온도가 약 175℃ 이하에서 동작이 가능하며, 고온 동작이 가능하기 위해서는 패키지 기술과 금속화 공정이 모두 개발되어야 한다. 일반적인 다이오드는 니켈(Ni) 또는 티타늄(Ti) 금속을 이용하여 제작되는데, 탄화규소의 경우 화학적 비활성을 가진 금속이기 때문에 고온에서 반응을 하지 않지만 니켈 또는 티타늄 금속의 경우 고온에서 반응이 일어나게 된다. 즉 니켈 또는 티타늄 금속은 고온에서 다이오드를 열처리시 다른 상(phase)이 형성되거나 쇼트키 특성을 잃기도 한다. 따라서 고온에서도 탄화규소와 반응을 하지 않고 전기적 특성 저하가 일어나지 않는 고온 신뢰성을 갖는 다이오드 제작이 필요하다.
탄화규소의 재료적 특성으로 고온 동작이 가능할 뿐 아니라, 고온 동작이 가능함으로 인해 실제 소자가 활용되는 곳의 냉각 장치 비중이 줄어들게 된다. 즉 실제 인버터에서 탄화규소로 제작된 소자를 사용할 경우 실리콘 소자를 사용한 경우보다 냉각 장치를 1/3로 줄일 수 있다. 또한 고온 동작이 가능하게 되면 컴퓨터의 각 보드 팬, 방열판, 자동차의 냉각 장치 등과 같은 냉각 장비를 줄일 수 있는 중요한 요인이 된다. 이를 위해 종래기술 '대한민국특허청 등록특허 제10-1193453호'가 알려져 있다. 종래기술의 경우 역전류가 10-7A를 시작으로 역전압이 증가할수록 계속 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이와 같이 전압이 계속 증가하는 것은 소자의 성능이 우수하지 못하다는 것을 의미하기 때문에 실질적으로 산업에 적용할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 몰리브덴 금속층으로 이루어지는 양극을 통해 고온에서도 탄화규소와 반응을 하지 않고 전기적 특성 저하가 일어나지 않는 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 낮아 산업상 이용 가능성이 우수한 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 탄화규소 기판과; 상기 탄화규소 기판의 후면에 형성되는 오믹접촉으로 이루어진 음극(cathode)과; 상기 탄화규소 기판의 전면에 형성되는 몰리브덴(Mo) 금속층으로 이루어진 양극(anode)을 포함하며, 상기 몰리브덴 금속층에 의해 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 10-8A/cm2 이하로 나타나는 것을 특징으로 하는 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드에 의해서 달성된다.
여기서, 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 초기 누설전류는 10-9A/cm2 이하로 나타나며, 상기 탄화규소 다이오드를 구동시키기 위한 turn-on 전압은 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 0.3V 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 오믹접촉은, 니켈, 티타늄, 백금 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 탄화규소 기판을 준비하는 단계와; 상기 탄화규소 기판의 후면에 오믹접촉으로 이루어진 음극을 형성하는 단계와; 상기 탄화규소 기판의 전면에 몰리브덴 금속층으로 이루어진 양극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 몰리브덴 금속층에 의해 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 10-8A/cm2 이하로 나타나는 것을 특징으로 하는 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 제조방법에 의해서도 달성된다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 몰리브덴 금속층으로 이루어지는 양극을 통해 고온에서도 탄화규소와 반응을 하지 않고 전기적 특성 저하가 일어나지 않으며, 또한 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 낮아 산업상 이용 가능성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다이오드 제조방법의 순서도이고,
도 3은 열처리 전, 후 다이오드의 순방향 특성을 비교한 그래프 및 순방향 이상계수 그래프이고,
도 4는 열처리 전, 후 다이오드의 역방향 특성을 나타낸 그래프이고,
도 5는 종래기술에 따른 상용화된 탄화규소 쇼트키 다이오드의 온도에 따른 누설전류를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다이오드 제조방법의 순서도이고,
도 3은 열처리 전, 후 다이오드의 순방향 특성을 비교한 그래프 및 순방향 이상계수 그래프이고,
도 4는 열처리 전, 후 다이오드의 역방향 특성을 나타낸 그래프이고,
도 5는 종래기술에 따른 상용화된 탄화규소 쇼트키 다이오드의 온도에 따른 누설전류를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 및 그 제조방법을 도면을 통해 상세히 설명한다.
몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드는, 도 1에 도시된 바와 같이 탄화규소 기판(N-drift region)과, 탄화규소 기판의 후면에 형성되는 오믹접촉으로 이루어진 음극(cathode)과, 탄화규소 기판의 전면에 형성되는 몰리브덴(Mo) 금속층으로 이루어진 양극(anode)을 포함하며, 몰리브덴 금속층에 의해 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 10-8A/cm2 이하로 나타난다.
이와 같은 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 제조방법은, 도 2에 도시된 바와 같이 먼저 탄화규소 기판을 준비한다(S1). 탄화규소 쇼트키 배리어 다이오드를 제작하기 위하여 탄화규소 에피 웨이퍼를 준비하여 이를 기판으로 사용한다. 탄화규소를 이용하여 고전압 다이오드의 제작을 위해서는 많은 반도체 공정을 거치게 되지만, 이는 일반적인 공정이므로 자세한 공정은 생략한다.
기판의 후면에 오믹접촉을 형성한다(S2). 탄화규소 기판의 후면에 음극(cathode)에 해당하는 오믹접촉을 형성한다. 여기서 오믹접촉은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 백금(Pt) 및 이의 혼합으로 이루어지는 것이 바람직하며, 스퍼터링을 통해 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
기판의 전면에 몰리브덴 금속층을 형성한다(S3). 음극에 해당하는 오믹접촉을 기판의 후면에 형성한 후 그 반대편인 기판의 전면에 몰리브덴 금속층을 형성한다. 여기서 몰리브덴 금속층은 양극에 해당하게 된다. 몰리브덴 금속층은 오믹접촉과 마찬가지로 스퍼터링을 통해 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 경우에 따라서 몰리브덴 금속층의 전극 패턴을 형성하기 위해 포토레지스트 패턴을 형성하고, 에천트를 이용하여 습식 에칭을 수행할 수도 있다.
종래의 경우에는 몰리브덴이 아닌 오믹접촉과 마찬가지로 니켈, 티타늄 또는 백금을 통해 양극이 형성되었다. 하지만 종래의 다이오드를 고온에 열처리시 다른 상(phase)이 형성되거나 쇼트키 특성을 잃기도 한다. 따라서 고온에서도 탄화규소와 반응을 하지 않고 전기적 특성 저하가 일어나지 않는 고온 신뢰성을 갖는 다이오드 제작이 필요하다. 이에 본 발명에서는 몰리브덴 금속층을 적용하는데, 몰리브덴은 고온에서 변형이 일어나지 않을 뿐 아니라 탄화규소와 반응을 하지 않기 때문에 고온에서도 쇼트키 특성을 유지할 수 있다.
이와 같이 몰리브덴 금속층을 포함하는 본 발명의 다이오드는 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 10-8A/cm2 이하로 이루어지게 되며, 특히 초기 누설전류는 10-9A/cm2 이하로 이루어지게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 상세하게 설명한다.
<실시예>
탄화규소 쇼트키 배리어 다이오드를 제작하기 위하여 에피층의 농도가 2×1015cm-3이고 두께가 15㎛인 n-타입(n-type)의 탄화규소 에피 웨이퍼를 기판으로 사용한다. 쇼트키 배리어 다이오드는 반도체와 금속 간에 접촉에 의한 특성을 이용한 소자로, 에피층의 특성에 따라 다이오드의 특성이 구현된다. 전면에는 별도의 이온주입 공정을 진행하지 않는다.
탄화규소 기판의 후면(back-side)에 오믹접촉 형성을 위하여 BOE(buffered oxide etchant)를 이용하여 세정한 후, 니켈(Ni)을 100nm 두께로 후면 전체에 증착한다. 이때 RTA(rapid thermal annealing) 장비를 이용하여 950℃에서 90초간 열처리하여 오믹접촉을 형성한다.
그 후 전면에 몰리브덴(Mo)를 100nm의 두께로 후면과 마찬가지로 스퍼터 장비를 이용하여 증착한다. 증착된 몰리브덴의 전극 패턴 형성을 위하여 포토레지스트로 패턴을 형성하고, 인산:아세트산:질산:증류수=180:11:11:150vol% 비율의 에천트를 이용하여 습식에칭을 통해 다이오드를 제작한다.
고온열처리 후의 특성 비교를 위하여 열처리를 하기 전 시편과, 500℃, 600℃, 700℃에서 1시간 동안 질소 분위기에서 열처리를 하여 전기적 특성을 비교하였다. 도 3은 열처리 전, 후 다이오드의 순방향 특성을 비교한 그래프 및 순방향 그래프에서 추출한 이상계수(ideality factor) 그래프이다. 소자가 켜지기 전에는 전류가 흐르지 않는 것이 소자의 우수한 특성에 해당하기 때문에 turn-on 전압 이하에서 전류밀도가 낮은 소자가 우수한 소자에 해당한다. 이에 도 3a에는 열처리 온도에 따른 전압 및 전류밀도를 확인할 수 있는데 열처리 온도에 따라 turn-on 전압 이하에서 시작 전류가 다른 것을 알 수 있다. 하지만 열처리 온도가 600℃까지는 큰 변화가 없으며 오히려 열처리를 하기 전보다 어느 정도 열처리가 수행될 경우가 소자를 켜기 전 누설 전류가 더 낮은 것을 알 수 있다. 열처리 온도가 700℃를 넘어갈 경우 전류 밀도가 급격히 증가하여 소자의 특성이 저하되는 것으로 보아 700℃ 이상에서는 계면의 변화가 일어난다는 것을 의미한다. 또한 전류밀도뿐만 아니라 소자를 구동시키기 위한 turn-on 전압의 경우도 다른 것을 알 수 있다. Turn-on 전압은 금속과 반도체의 특성에 따라 결정되는 것이다. 500℃ 및 600℃에서는 열처리 후에 몰리브덴 금속이 증착되는 동안 스트레스가 완화되어 0.3V 정도로 낮은 데 비해, 700℃ 이상의 열처리 온도에서는 turn-on 전압이 0.5V로 높아지는 것을 확인할 수 있다. 열처리 온도가 700℃가 넘어갈 경우에는 탄화규소와 몰리브덴의 계면 변화가 일어난다는 것을 의미한다.
도 3b는 열처리 온도에 따른 이상계수를 나타낸 그래프로, 이상계수가 1에 가까울수록 이상적인 소자 특성을 나타내며, 이는 이상적인 계면이 형성된다는 것을 의미한다. 즉 이상계수가 1에 가까울수록 계면에 누설전류가 거의 없다는 것을 의미한다. 열처리 온도가 500℃ 및 600℃에서는 이상계수가 1에 근접한 반면 상온에서와 열처리 온도가 700℃에서는 이상계수가 증가하기 시작한다. 이는 금속과 반도체 계면이 쇼트키 특성에서 벗어나기 시작한다는 것으로, 쇼트키 특성이 변화된다는 것을 뜻한다. 이를 통해 500 및 600℃의 높은 열처리에도 다이오드 특성 및 반도체-금속 간의 계면 특성이 유지되는 다이오드가 제작됨을 알 수 있다.
도 4는 탄화규소 다이오드의 열처리 전, 후의 역방향 특성을 나타낸 그래프로, 열처리 전과 열처리 온도가 700℃에서는 전류밀도가 증가하는데 비해 열처리 온도가 500℃ 및 600℃인 경우에는 전류밀도가 낮은 것을 확인할 수 있다.
이에 비해 도 5는 상용화된 탄화규소 쇼트키 다이오드의 온도에 따른 누설전류를 나타낸 그래프로, EEE transactions on power electronics, 22(4) (2007) 1321-1329에 알려져 있다. 이와 같은 상용화된 다이오드는 패키지가 되어있는 일반 다이오드 소자로, 측정시에 온도를 상온, 300℃, 350℃, 400℃에서 측정한 것이다. 측정시의 온도가 350℃ 이상까지는 누설전류가 일부 증가하나, 400℃가 되자 누설전류가 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
또한 종래기술의 경우 역전류가 10-7A를 시작으로 역전압이 증가할수록 계속 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이에 비해 본 발명의 경우에는 역방향 특성에 있어 전류밀도가 10-8A/cm2 이하로 이루어지는 것을 확인할 수 있으며, 특히 초기 누설전류는 10-9A/cm2 이하인 것을 알 수 있다. 종래기술의 경우에는 역전류가 단순히 전류만 고려된데 비해, 본 발명에서는 면적에 따른 전류밀도를 확인한 것으로 면적에 따른 전류밀도는 기본적으로 면적을 고려하지 않은 전류 값보다 높게 나타난다. 따라서 종래기술과 같이 면적을 고려하지 않을 경우 본 발명의 전류 값은 더욱 낮아질 수 있다.
Claims (5)
- 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드에 있어서,
탄화규소 기판과;
상기 탄화규소 기판의 후면에 형성되는 오믹접촉으로 이루어진 음극(cathode)과;
상기 탄화규소 기판의 전면에 형성되는 몰리브덴(Mo) 금속층으로 이루어진 양극(anode)을 포함하며,
상기 몰리브덴 금속층에 의해 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 10-8A/cm2 이하로 나타나는 것을 특징으로 하는 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드. - 제 1항에 있어서,
300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 의해 초기 누설전류는 10-9A/cm2 이하로 나타나는 것을 특징으로 하는 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드. - 제 1항에 있어서,
상기 탄화규소 다이오드를 구동시키기 위한 turn-on 전압은 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 0.3V 이하인 것을 특징으로 하는 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드. - 제 1항에 있어서,
상기 오믹접촉은, 니켈, 티타늄, 백금 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드. - 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 제조방법에 있어서,
탄화규소 기판을 준비하는 단계와;
상기 탄화규소 기판의 후면에 오믹접촉으로 이루어진 음극을 형성하는 단계와;
상기 탄화규소 기판의 전면에 몰리브덴 금속층으로 이루어진 양극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 몰리브덴 금속층에 의해 300 내지 600℃의 고온 분위기 하에서 역방향 특성에 있어 전류밀도가 10-8A/cm2 이하로 나타나는 것을 특징으로 하는 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020170060341A KR20180125713A (ko) | 2017-05-16 | 2017-05-16 | 몰리브덴 금속층을 포함하는 탄화규소 다이오드 및 그 제조방법 |
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-
2017
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