3C SiC 개발 이력

중요한 형태로서탄화규소, 개발 역사3C-SiC반도체 재료과학의 지속적인 발전을 반영합니다. 1980년대 Nishino et al. 3C-SiC 박막 기술의 기초를 마련한 화학 기상 증착(CVD)[1]을 통해 실리콘 기판 위에 4um 3C-SiC 박막을 최초로 얻었습니다.

1990년대는 SiC 연구의 황금기였습니다. Cree Research Inc.는 1991년과 1994년에 각각 6H-SiC 및 4H-SiC 칩을 출시하여 상용화를 촉진했습니다.SiC 반도체 장치. 이 기간 동안의 기술 진보는 3C-SiC의 후속 연구 및 응용을 위한 기반을 마련했습니다.

21세기 초,국내 실리콘 기반 SiC 박막도 어느 정도 발전했습니다. Ye Zhizhenet al. 2002년에 저온 조건에서 CVD를 통해 실리콘 기반 SiC 박막을 제조했습니다[2]. 2001년에 An Xia et al. 실온에서 마그네트론 스퍼터링을 통해 실리콘 기반 SiC 박막을 제조했습니다[3].

그러나 Si와 SiC의 격자 상수 차이(약 20%)가 크기 때문에 3C-SiC 에피층의 결함 밀도, 특히 DPB와 같은 쌍정 결함의 밀도가 상대적으로 높습니다. 격자 불일치를 줄이기 위해 연구진은 (0001) 표면의 6H-SiC, 15R-SiC 또는 4H-SiC를 기판으로 사용하여 3C-SiC 에피층을 성장시키고 결함 밀도를 줄였습니다. 예를 들어, 2012년 Seki, Kazuaki et al. 은 과포화도를 제어하여 6H-SiC(0001) 표면 시드에서 3C-SiC 및 6H-SiC의 다형성 선택적 성장을 구현하는 동적 다형성 에피택시 제어 기술을 제안했습니다[4-5]. 2023년 Xun Li와 같은 연구진은 CVD 방법을 사용하여 성장과 공정을 최적화하고 매끄러운 3C-SiC를 성공적으로 획득했습니다.에피택셜층14um/h의 성장률에서 4H-SiC 기판 표면에 DPB 결함이 없습니다[6].

3C SiC의 결정구조와 응용분야

많은 SiCD 다형 중에서 3C-SiC는 β-SiC라고도 알려진 유일한 입방형 다형입니다. 이 결정 구조에서는 격자 내에 Si와 C 원자가 1:1의 비율로 존재하며, 각 원자는 4개의 이종 원자로 둘러싸여 강한 공유 결합을 갖는 사면체 구조 단위를 형성합니다. 3C-SiC의 구조적 특징은 Si-C 이원자층이 ABC-ABC-… 3C-SiC의 결정 구조는 아래 그림에 나와 있습니다.

그림 1 3C-SiC의 결정 구조

현재 실리콘(Si)은 전력소자용 반도체 소재로 가장 널리 사용된다. 그러나 Si의 성능으로 인해 실리콘 기반 전력소자는 제한적이다. 4H-SiC 및 6H-SiC와 비교하여 3C-SiC는 실온에서 이론적 전자 이동도(1000cm·V-1·S-1)가 가장 높으며 MOS 장치 응용 분야에서 더 많은 이점을 가지고 있습니다. 동시에 3C-SiC는 높은 항복 전압, 우수한 열 전도성, 높은 경도, 넓은 밴드갭, 고온 저항 및 방사선 저항과 같은 우수한 특성도 가지고 있습니다. 따라서 극한 조건에서 전자, 광전자공학, 센서 및 응용 분야에서 큰 잠재력을 갖고 있으며 관련 기술의 개발 및 혁신을 촉진하고 다양한 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 보여줍니다.

첫째: 특히 고전압, 고주파 및 고온 환경에서 3C-SiC의 높은 항복 전압과 높은 전자 이동도는 MOSFET과 같은 전력 장치 제조에 이상적인 선택입니다[7]. 둘째: 나노전자공학 및 미세전자기계 시스템(MEMS)에 3C-SiC를 적용하면 실리콘 기술과의 호환성을 통해 나노전자공학 및 나노전자기계 장치와 같은 나노규모 구조를 제조할 수 있다는 이점이 있습니다[8]. 셋째: 3C-SiC는 와이드 밴드갭 반도체 소재로서 다음과 같은 제조에 적합합니다.청색 발광 다이오드(LED). 조명, 디스플레이 기술 및 레이저에서의 응용은 높은 발광 효율과 쉬운 도핑으로 인해 주목을 받고 있습니다[9]. 넷째: 동시에 3C-SiC는 위치 감지 감지기, 특히 측면 광기전 효과를 기반으로 하는 레이저 포인트 위치 감지 감지기를 제조하는 데 사용됩니다. 이는 제로 바이어스 조건에서 높은 감도를 나타내며 정밀한 위치 결정에 적합합니다.[10] .

3. 3C SiC 헤테로에피택시의 제조방법

3C-SiC 헤테로에피택시의 주요 성장 방법은 다음과 같습니다.화학기상증착(CVD), 승화 에피택시(SE), 액상 에피택시(LPE)CVD는 제어 가능성과 적응성(예: 온도, 가스 흐름, 챔버 압력 및 반응 시간 등)으로 인해 3C-SiC 에피택시에 선호되는 방법으로, 이는 3C-SiC 에피택시의 품질을 최적화할 수 있습니다. 에피택셜 층).

화학기상증착법(CVD): Si와 C 원소를 함유한 복합 가스를 반응 챔버에 통과시켜 고온에서 가열 분해한 후 Si 원자와 C 원자가 Si 기판 위에 석출되는 방식, 즉 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC 기판 [11]. 이 반응의 온도는 일반적으로 1300-1500℃ 사이입니다. 일반적인 Si 소스에는 SiH4, TCS, MTS 등이 포함되며 C 소스에는 주로 C2H4, C3H8 등이 포함되며 H2가 캐리어 가스로 사용됩니다. 성장 과정은 주로 다음 단계를 포함합니다. 1. 기상 반응 소스는 주요 가스 흐름을 통해 증착 영역으로 이송됩니다. 2. 경계층에서는 기상반응이 일어나서 박막 전구체와 부산물이 생성됩니다. 3. 전구체의 침전, 흡착 및 분해 과정. 4. 흡착된 원자는 기판 표면에서 이동하여 재구성됩니다. 5. 흡착된 원자는 기판 표면에서 핵을 생성하고 성장합니다. 6. 반응 후 폐가스의 주요 가스 흐름 구역으로의 대량 이동은 반응 챔버 밖으로 배출됩니다. 그림 2는 CVD의 개략도이다[12].

그림 2 CVD의 개략도

승화 에피택시(SE) 방법: 도 3은 3C-SiC 제조를 위한 SE 방법의 실험 구조도이다. 주요 단계는 고온 영역에서 SiC 소스의 분해 및 승화, 승화물의 운송, 낮은 온도에서 기판 표면에서 승화물의 반응 및 결정화입니다. 자세한 내용은 다음과 같습니다. 6H-SiC 또는 4H-SiC 기판을 도가니 상단에 놓고,고순도 SiC 분말SiC 원료로 사용되며 바닥에 배치됩니다.흑연 도가니. 고주파 유도에 의해 도가니를 1900~2100℃로 가열하고 기판 온도를 SiC 소스보다 낮게 제어하여 도가니 내부에 축방향 온도 구배를 형성함으로써 승화된 SiC 물질이 기판에서 응축 및 결정화될 수 있도록 합니다. 3C-SiC 헤테로에피택셜을 형성합니다.

승화 에피택시의 장점은 주로 두 가지 측면에 있습니다. 1. 에피택시 온도가 높아 결정 결함을 줄일 수 있습니다. 2. 에칭을 통해 원자 수준에서 에칭된 표면을 얻을 수 있습니다. 그러나 성장 과정에서 반응 소스를 조절할 수 없고, 실리콘-탄소 비율, 시간, 다양한 반응 순서 등을 변경할 수 없어 성장 과정의 제어성이 떨어지는 문제가 있다.

그림 3 3C-SiC 에피택시 성장을 위한 SE 방법의 개략도

MBE(분자선 에피택시)는 고급 박막 성장 기술로, 4H-SiC 또는 6H-SiC 기판에 3C-SiC 에피택시층을 성장시키는 데 적합합니다. 이 방법의 기본 원리는 초고진공 환경에서 소스 가스의 정밀한 제어를 통해 성장하는 에피택셜 층의 요소를 가열하여 방향성 원자 빔 또는 분자 빔을 형성하고 가열된 기판 표면에 입사하여 에피택셜 성장. 3C-SiC 성장을 위한 일반적인 조건에피택셜 층4H-SiC 또는 6H-SiC 기판의 경우 실리콘이 풍부한 조건에서 그래핀과 순수 탄소 소스가 전자총을 사용하여 기체 물질로 여기되고 1200-1350℃가 반응 온도로 사용됩니다. 3C-SiC 헤테로에피택셜 성장은 0.01-0.1 nms-1의 성장 속도로 얻을 수 있습니다[13].

결론 및 전망

지속적인 기술 발전과 심층적인 메커니즘 연구를 통해 3C-SiC 헤테로에피텍셜 기술은 반도체 산업에서 더욱 중요한 역할을 담당하고 고효율 전자소자 개발을 촉진할 것으로 기대됩니다. 예를 들어, 낮은 결함 밀도를 유지하면서 성장률을 높이기 위해 HCl 분위기를 도입하는 등 새로운 성장 기술과 전략을 계속해서 탐구하는 것이 향후 연구 방향입니다. 결함 형성 메커니즘에 대한 심층 연구와 광발광 및 음극발광 분석과 같은 고급 특성화 기술 개발을 통해 보다 정확한 결함 제어를 달성하고 재료 특성을 최적화합니다. 고품질 후막 3C-SiC의 급속한 성장은 고전압 장치의 요구를 충족시키는 핵심이며 성장 속도와 재료 균일성 간의 균형을 극복하기 위한 추가 연구가 필요합니다. SiC/GaN과 같은 이종 구조에 3C-SiC를 적용하는 것과 결합하여 전력 전자, 광전자 통합 및 양자 정보 처리와 같은 새로운 장치에서 잠재적인 응용 분야를 탐색합니다.

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 제어를 통한 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.