SiC 결정 성장을 위한 세 가지 주요 기술

그림 3에서 볼 수 있듯이, 고품질 및 고효율의 SiC 단결정을 제공하는 데에는 액상 에피택시(LPE), 물리적 기상 수송(PVT), 고온 화학 기상 증착(HTCVD)의 세 가지 주요 기술이 있습니다. PVT는 SiC 단결정 생산을 위한 잘 확립된 공정으로, 주요 웨이퍼 제조업체에서 널리 사용되고 있습니다.

그러나 세 가지 공정 모두 빠르게 발전하고 혁신하고 있습니다. 미래에 어떤 공정이 널리 채택될지는 아직 단정할 수 없습니다. 특히 최근 용액 성장법으로 고품질 SiC 단결정을 상당한 속도로 생산했다는 보고가 있으며, 액상에서 SiC 벌크 성장법은 승화법이나 증착법보다 낮은 온도를 필요로 하고 P형 SiC 기판 생산에 탁월한 성능을 보입니다(표 3) [33, 34].

그림 3: 주요 SiC 단결정 성장 기술 세 가지의 개략도: (a) 액상 에피택시; (b) 물리적 수송법; (c) 고온 화학 기상 증착법

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

용액 성장은 화합물 반도체를 제조하기 위한 표준 기술입니다[36]. 1960년대부터 연구자들은 용액에서 결정을 개발하려고 시도해 왔습니다[37]. 이 기술이 개발되면 성장 표면의 과포화를 잘 제어할 수 있으므로 용액법은 고품질 단결정 잉곳을 얻기 위한 유망한 기술입니다.

SiC 단결정의 용액 성장에서 Si 공급원은 고순도 Si 용융액에서 유래하며, 흑연 도가니는 가열기 및 C 용질 공급원이라는 두 가지 목적을 수행합니다. SiC 단결정은 C와 Si의 비율이 1에 가까울 때 이상적인 화학양론적 비율로 성장할 가능성이 더 높으며, 이는 결함 밀도가 낮다는 것을 나타냅니다[28]. 그러나 대기압에서 SiC는 녹는점이 없으며 약 2,000°C를 초과하는 온도에서 직접 기화 분해됩니다. 이론적 예측에 따르면 SiC 용융액은 온도 구배와 용액 시스템의 극한 조건에서만 형성될 수 있습니다. Si-C 이원상 평형도(그림 4)에서 볼 수 있듯이 Si 용융액 내 C 함량은 1at.%에서 13at.%까지 다양합니다. 성장을 유도하는 주요 요인은 10⁹ Pa의 압력과 3,200°C 이상의 온도에서 나타나는 C 과포화입니다. 과포화는 매끄러운 표면을 생성할 수 있습니다[22, 36-38]. 1,400~2,800°C 사이의 온도에서 Si 용융액 내 C의 용해도는 1at.%~13at.%로 다양합니다. 성장의 원동력은 온도 구배와 용액 시스템에 의해 좌우되는 C 과포화입니다. C 과포화도가 높을수록 성장 속도가 빨라지는 반면, C 과포화도가 낮으면 매끄러운 표면이 생성됩니다[22, 36-38].

그림 4: Si-C 이원상 다이어그램 [40]

전이 금속 원소 또는 희토류 원소를 도핑하는 것은 성장 온도를 효과적으로 낮출 뿐만 아니라 Si 용융액에서 탄소 용해도를 획기적으로 향상시키는 유일한 방법으로 보입니다. Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] 등과 같은 전이 금속이나 Ce [81], Y [82], Sc 등과 같은 희토류 금속을 Si 용융액에 첨가하면 열역학적 평형에 가까운 상태에서 탄소 용해도가 50at.%를 초과할 수 있습니다. 또한, LPE 기술은 SiC의 P형 도핑에 유리하며, 이는 Al을 합금함으로써 달성할 수 있습니다.
용매 [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. 그러나 Al의 첨가는 P형 SiC 단결정의 저항률 증가로 이어진다 [49, 56]. 질소 도핑에 따른 N형 성장 외에도,

용액 성장은 일반적으로 불활성 기체 분위기에서 진행됩니다. 헬륨(He)은 아르곤보다 가격이 비싸지만, 점도가 낮고 열전도율이 높아(아르곤의 8배) 많은 학자들이 선호합니다[85]. 4H-SiC의 이동 속도와 Cr 함량은 He 및 Ar 분위기에서 유사하지만, He 분위기에서의 성장은 시드 홀더의 열 방출이 더 크기 때문에 Ar 분위기에서의 성장보다 더 높은 성장 속도를 나타내는 것으로 입증되었습니다[68]. He는 성장된 결정 내부의 공극 형성과 용액 내 자발적 핵 생성을 억제하여 매끄러운 표면 형태를 얻을 수 있도록 합니다[86].

본 논문에서는 SiC 소자의 개발, 응용 및 특성, 그리고 SiC 단결정 성장의 세 가지 주요 방법에 대해 소개하였다. 이어지는 절에서는 현재 사용되는 용액 성장 기술과 주요 매개변수를 검토하였다. 마지막으로, 용액법을 이용한 SiC 단결정의 대량 성장과 관련된 과제 및 향후 연구 방향을 제시하였다.