SiC 결정 성장을 위한 3가지 주요 기술

그림 3에서 볼 수 있듯이, SiC 단결정을 고품질과 고효율로 제조하기 위한 세 가지 주요 기술이 있습니다. 액상 에피택시(LPE), 물리 기상 수송(PVT), 그리고 고온 화학 기상 증착(HTCVD)입니다. PVT는 SiC 단결정을 생산하는 데 널리 확립된 공정으로, 주요 웨이퍼 제조업체에서 널리 사용되고 있습니다.

그러나 세 가지 공정 모두 빠르게 발전하고 혁신하고 있습니다. 미래에 어떤 공정이 널리 채택될지는 아직 단정 지을 수 없습니다. 특히, 최근 상당한 속도로 용액 성장시켜 고품질 SiC 단결정을 제조하는 것이 보고되었습니다. 액상에서 SiC 벌크 성장은 승화 또는 증착 공정보다 낮은 온도를 필요로 하며, P형 SiC 기판 생산에 탁월함을 보여줍니다(표 3) [33, 34].

그림 3: 3가지 주요 SiC 단결정 성장 기술의 개략도: (a) 액상 에피택시; (b) 물리적 증기 수송; (c) 고온 화학 기상 증착

표 3: SiC 단결정 성장을 위한 LPE, PVT 및 HTCVD 비교 [33, 34]

용액 성장법은 화합물 반도체 제조의 표준 기술입니다[36]. 1960년대부터 연구자들은 용액 상태에서 결정을 개발하기 위해 노력해 왔습니다[37]. 이 기술이 개발되면 성장 표면의 과포화를 효과적으로 제어할 수 있어 용액법은 고품질 단결정 잉곳을 얻는 유망한 기술이 될 것입니다.

SiC 단결정의 용액 성장을 위해 Si 소스는 고순도 Si 용융물에서 나오는 반면 흑연 도가니는 히터와 C 용질 소스라는 두 가지 목적을 수행합니다. SiC 단결정은 C와 Si의 비율이 1에 가까울 때 이상적인 화학양론비에서 성장할 가능성이 더 높으며, 이는 결함 밀도가 낮음을 나타냅니다[28]. 그러나 대기압에서 SiC는 녹는점을 나타내지 않으며 약 2,000°C를 초과하는 온도에서 기화를 통해 직접 분해됩니다. 이론적 예상에 따르면 SiC 용융물은 온도 구배와 용액 시스템에 의해 심한 조건에서만 형성될 수 있습니다(그림 4). Si 용융물에서 C가 높을수록 1at.%에서 13at.%까지 다양합니다. 주도적인 C 과포화는 성장 속도를 빠르게 하는 반면, 낮은 C 성장 힘은 109 Pa의 압력과 3,200°C 이상의 온도가 지배하는 C 과포화입니다. 과포화는 매끄러운 표면을 생성할 수 있습니다[22, 36-38]. 1,400~2,800 °C의 온도에서 Si 용융물 내 탄소의 용해도는 1at.%에서 13at.%까지 다양합니다. 성장의 원동력은 온도 구배와 용액 시스템에 의해 지배되는 탄소 과포화입니다. 탄소 과포화가 높을수록 성장 속도가 빨라지고, 낮은 탄소 과포화는 매끄러운 표면을 생성합니다[22, 36-38].

그림 4: Si-C 이진상도[40]

전이 금속 원소 또는 희토류 원소를 도핑하면 성장 온도를 효과적으로 낮출 뿐만 아니라 Si 용융물에서 탄소 용해도를 극적으로 개선하는 유일한 방법인 것으로 보입니다. Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] 등과 같은 전이족 금속이나 Ce [81], Y [82], Sc 등과 같은 희토류 금속을 Si 용융물에 첨가하면 열역학적 평형에 가까운 상태에서 탄소 용해도가 50at.%를 초과할 수 있습니다. 또한 LPE 기술은 Al을 SiC에 합금하여 달성할 수 있는 SiC의 P형 도핑에 유리합니다.
용매 [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. 그러나 Al의 첨가는 P형 SiC 단결정의 저항률을 증가시킨다 [49, 56]. 질소 도핑 하에서 N형 성장 외에도,

용액 성장은 일반적으로 불활성 가스 분위기에서 진행됩니다.헬륨(He)은 아르곤보다 비싸지만 점도가 낮고 열전도도가 높기 때문에(아르곤의 8배) 많은 학자들이 선호합니다[85]. 4H-SiC의 이동 속도와 Cr 함량은 He와 Ar 분위기에서 유사하며, He 분위기에서 성장하면 시드 홀더의 열 발산이 더 크기 때문에 Ar 분위기에서 성장하는 것보다 성장 속도가 더 빠른 것으로 입증되었습니다[68].He는 성장된 결정 내부의 공극 형성과 용액 내 자발적 핵 생성을 방해하여 매끄러운 표면 형태를 얻을 수 있습니다[86].

본 논문에서는 SiC 소자의 개발, 응용 분야 및 특성, 그리고 SiC 단결정 성장의 세 가지 주요 방법을 소개했습니다. 다음 절에서는 현재의 용액 성장 기술과 그에 따른 주요 매개변수를 검토했습니다. 마지막으로, 용액법을 통한 SiC 단결정 벌크 성장의 과제와 향후 연구 방향을 제시했습니다.