3C-SiC의 헤테로에피택시: 개요

1. 3C-SiC의 역사적 발전

실리콘 카바이드의 중요한 다형인 3C-SiC의 개발은 반도체 재료 과학의 지속적인 발전을 반영합니다. 1980년대 Nishino et al. 는 화학 기상 증착(CVD)[1]을 사용하여 실리콘 기판에 4μm 두께의 3C-SiC 필름을 최초로 달성하여 3C-SiC 박막 기술의 기반을 마련했습니다.

1990년대는 SiC 연구의 황금시대였습니다. Cree Research Inc.는 각각 1991년과 1994년에 6H-SiC 및 4H-SiC 칩을 출시하여 SiC 반도체 장치의 상용화를 촉진했습니다. 이러한 기술적 진보는 3C-SiC의 후속 연구 및 응용을 위한 토대를 마련했습니다.

21세기 초에는 실리콘 기반 SiC 필름도 중국에서 상당한 발전을 이루었습니다. Ye Zhizhenet al. 2002년에 저온에서 CVD를 사용하여 실리콘 기판에 SiC 필름을 제조한 반면, An Xia et al. 2001년에 실온에서 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 비슷한 결과를 얻었습니다[3].

그러나 Si와 SiC 사이의 큰 격자 불일치(약 20%)로 인해 3C-SiC 에피택셜 층, 특히 이중 위치 경계(DPB)에서 높은 결함 밀도가 발생했습니다. 이를 완화하기 위해 연구원들은 3C-SiC 에피택셜 층을 성장시키기 위해 (0001) 방향을 갖는 6H-SiC, 15R-SiC 또는 4H-SiC와 같은 기판을 선택하여 결함 밀도를 줄였습니다. 예를 들어, 2012년 Seki, Kazuaki et al. 과포화도를 제어하여 6H-SiC(0001) 시드에서 3C-SiC 및 6H-SiC의 선택적 성장을 달성하는 동역학적 다형성 제어 기술을 제안했습니다[4-5]. 2023년에는 Xun Li et al. 14μm/h의 속도로 최적화된 CVD 성장을 사용하여 4H-SiC 기판에서 DPB가 없는 매끄러운 3C-SiC 에피택셜 층을 성공적으로 얻었습니다[6].

2. 3C-SiC의 결정구조와 응용

수많은 SiC 다형 중에서 β-SiC라고도 알려진 3C-SiC가 유일한 입방형 다형입니다. 이 결정 구조에서는 Si와 C 원자가 1:1 비율로 존재하여 강한 공유 결합을 갖는 사면체 단위 셀을 형성합니다. 구조는 ABC-ABC-… 순서로 배열된 Si-C 이중층이 특징이며, 각 단위 셀에는 C3 표기법으로 표시되는 3개의 이중층이 포함되어 있습니다. 그림 1은 3C-SiC의 결정 구조를 보여줍니다.

                                                                                                                                                                           그림 1. 3C-SiC의 결정 구조

현재 실리콘(Si)은 전력소자용 반도체 소재로 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 본질적인 한계로 인해 성능이 제한됩니다. 4H-SiC 및 6H-SiC와 비교하여 3C-SiC는 실온(1000cm2·V-1·s-1)에서 가장 높은 이론적 전자 이동도를 보유하므로 MOSFET 애플리케이션에 더 유리합니다. 또한 높은 항복 전압, 탁월한 열 전도성, 높은 경도, 넓은 밴드갭, 고온 저항 및 방사선 저항으로 인해 3C-SiC는 전자, 광전자 공학, 센서 및 극한 환경 분야의 응용 분야에 매우 유망합니다.

고전력, 고주파 및 고온 애플리케이션: 3C-SiC의 높은 항복 전압과 높은 전자 이동도는 특히 까다로운 환경에서 MOSFET과 같은 전력 장치를 제조하는 데 이상적입니다[7].

나노전자공학 및 미세전자기계 시스템(MEMS): 실리콘 기술과의 호환성으로 나노 규모의 구조 제작이 가능하여 나노전자공학 및 MEMS 장치에 응용이 가능합니다[8].

광전자공학:3C-SiC는 와이드 밴드갭 반도체 소재로 청색 발광다이오드(LED)에 적합하다. 높은 발광 효율과 도핑 용이성으로 인해 조명, 디스플레이 기술 및 레이저 응용 분야에 매력적입니다[9].

센서:3C-SiC는 위치 감지 감지기, 특히 측면 광기전 효과를 기반으로 하는 레이저 스폿 위치 감지 감지기에 사용됩니다. 이러한 검출기는 제로 바이어스 조건에서 높은 감도를 나타내므로 정밀 위치 결정 응용 분야에 적합합니다[10].

3. 3C-SiC 헤테로에피택시 제조 방법

3C-SiC 헤테로에피택시를 위한 일반적인 방법에는 화학 기상 증착(CVD), 승화 에피택시(SE), 액상 에피택시(LPE), 분자 빔 에피택시(MBE) 및 마그네트론 스퍼터링이 포함됩니다. CVD는 온도, 가스 흐름, 챔버 압력 및 반응 시간 측면에서 제어 가능성과 적응성으로 인해 3C-SiC 에피택시에 선호되는 방법으로, 에피택셜 층 품질을 최적화할 수 있습니다.

화학 기상 증착(CVD):Si와 C를 함유한 기체 화합물이 반응 챔버에 유입되어 고온으로 가열되어 분해됩니다. 그런 다음 Si 및 C 원자는 일반적으로 Si, 6H-SiC, 15R-SiC 또는 4H-SiC 기판에 증착됩니다[11]. 이 반응은 일반적으로 1300~1500°C 사이에서 발생합니다. 일반적인 Si 소스에는 SiH4, TCS 및 MTS가 포함되며 C 소스는 주로 C2H4 및 C3H8이며 H2는 캐리어 가스로 사용됩니다. 그림 2는 CVD 공정의 개략도를 보여줍니다[12].

                                                                                                                                                               그림 2. CVD 공정의 개략도

승화 에피택시(SE):이 방법에서는 6H-SiC 또는 4H-SiC 기판을 도가니 상단에 놓고 고순도 SiC 분말을 원료로 하단에 놓습니다. 도가니는 무선 주파수 유도를 통해 1900~2100°C로 가열되어 기판 온도를 소스 온도보다 낮게 유지하여 축 온도 구배를 생성합니다. 이를 통해 승화된 SiC가 기판에서 응축 및 결정화되어 3C-SiC 헤테로에피택시를 형성할 수 있습니다.

분자선 에피택시(MBE):이 첨단 박막 성장 기술은 4H-SiC 또는 6H-SiC 기판에 3C-SiC 에피층을 성장시키는 데 적합합니다. 초고진공 하에서 원료 가스를 정밀하게 제어하면 구성 요소의 방향성 원자 또는 분자 빔을 형성할 수 있습니다. 이러한 빔은 에피택셜 성장을 위해 가열된 기판 표면을 향합니다.

4. 결론 및 전망

지속적인 기술 발전과 심층적인 기계 연구를 통해 3C-SiC 헤테로에피택시는 반도체 산업에서 점점 더 중요한 역할을 수행하여 에너지 효율적인 전자 장치의 개발을 주도할 준비가 되어 있습니다. 낮은 결함 밀도를 유지하면서 성장률을 높이기 위해 HCl 분위기를 도입하는 등 새로운 성장 기술을 탐구하는 것은 미래 연구를 위한 유망한 방법입니다. 결함 형성 메커니즘에 대한 추가 조사와 고급 특성화 기술 개발을 통해 정밀한 결함 제어와 최적화된 재료 특성이 가능해질 것입니다. 고품질의 두꺼운 3C-SiC 필름의 급속한 성장은 고전압 장치의 요구 사항을 충족하는 데 중요하며, 성장 속도와 재료 균일성 간의 균형을 다루기 위한 추가 연구가 필요합니다. SiC/GaN과 같은 이종 구조에서 3C-SiC의 응용을 활용함으로써 전력 전자, 광전자 통합 및 양자 정보 처리와 같은 새로운 장치에서의 잠재력을 완전히 탐구할 수 있습니다.

참고자료:

[1] 니시노 S, 하즈키 Y, 마츠나미 H, 외. 스퍼터링된 SiC 중간층을 갖는 실리콘 기판 위의 단결정 β-SiC 필름의 화학 기상 증착[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun 등 실리콘 기반 탄화규소 박막의 저온 성장에 관한 연구 [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang 등 (111) Si 기판에 마그네트론 스퍼터링을 통한 나노-SiC 박막 제조 [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] 세키 K, 알렉산더, 코자와 S, 그 외 여러분. 용액 성장의 과포화 제어에 의한 SiC의 다형 선택적 성장[J]. 결정 성장 저널, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. 국내외 실리콘 카바이드 전력 장치 개발 개요 [J], 2020: 49-54.

[6] Li X , Wang G. 개선된 형태를 갖는 4H-SiC 기판에서 3C-SiC 층의 CVD 성장[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen, Si 패턴 기판 및 3C-SiC 성장에 대한 응용 연구 [D], 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas 등. 3C-SiC(100) 메사 구조의 ECR 에칭에서 수소 효과[J].재료 과학 포럼, 2014.

[9] Xu Qingfang. 레이저 화학 기상 증착에 의한 3C-SiC 박막 준비 [D], 우한 공과대학교, 2016.

[10] Foisal A RM , Nguyen T , Dinh T K 등 3C-SiC/Si 이종구조: 광전지 효과를 기반으로 한 위치 감지 감지기를 위한 우수한 플랫폼[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. CVD 공정을 기반으로 한 3C/4H-SiC 헤테로에피택셜 성장: 결함 특성화 및 진화 [D].

[12] Dong Lin. 대면적 다중 웨이퍼 에피택셜 성장 기술 및 실리콘 카바이드의 물리적 특성 분석[D], 중국과학원대학교, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L 등. 6H-SiC(0001) 기판에서 3C-SiC 다형의 결정 성장[J]. 결정 성장 저널, 2002, 235(1):95-102.