Electrical Properties of Al₂O₃ Gate Oxide on 4H-SiC with Post Annealing Fabricated by Aerosol Deposition

에어로졸 데포지션으로 제조된 4H-SiC 위 Al

₂

₃

Electrical Properties of Al 2 O 3 Gate Oxide on 4H-SiC with Post Annealing Fabricated by Aerosol Deposition

김 홍 기

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Hong-Ki Kim

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Abstract

Al

O

films with the thickness of 50 nm were fabricated on 4H-SiC by aerosol deposition, and their electrical properties were characterized with different post annealing conditions. As a result, the Al

O

film annealed in N

atmosphere showed decreased fixed charge density at the interface area between the Al

O

and SiC, and increased leakage currents due to the generation of oxygen vacancies. From this result, it was confirmed that proper N

and O

ratio for the post annealing process is important.

요 약

에어로졸 데포지션 (aerosol deposition)공정을 통해 Al

O

막을 4H-SiC 상에 50 nm 두께로 제조하였고, 후열처리 공정에 따른 전기적 특성을 분석하였다. 그 결과 N

분위기 열처리 시 Al

O

와 SiC 계면의 고정전하량이 감소하였으나 산소공공 생 성에 의한 누설전류의 증가를 확인하였다. 본 결과로부터 계면특성 향상과 누설전류의 감소를 위해서는 적절한 N

와 O

가스 의 혼합이 중요함을 확인하였다.

Key words ： 4H-SiC, Gate Oxide, Aerosol Deposition, Al

O

, Post Annealing

* National Institute for Nanomaterials Technology, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

** Dept. of Electronic Materials Engineering, Kwangwoon University

★ Corresponding author

E-mail：[email protected], Tel：+82-54-279-0202

※ Acknowledgment

This research was supported by GRDC Program through the National Research Foundation funded by the MSIT of Korea (NRF-2017K1A4A3013716) and was supported by the Development of 1200V Trench SiC MOSFET for EV and New Renewable Energy (10080300) funded By the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE) of Korea.

Manuscript received Dec. 8, 2018; revised Dec. 19, 2018; accepted Dec. 23, 2018

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Ⅰ. 서론

탄화규소(silicon carbide, SiC)는 고에너지갭(E_g

= 3.26 eV) 물질로서 실리콘(Si) 특성 대비 높은 절

연파괴전계, 열전도도, 포화 전자 이동도로 인해 낮 은 전력손실, 고온동작, 고전압작동 특성을 보이며 차세대 반도체 물질로 주목받고 있다. SiC물질 기 반 반도체 소자 중 금속-산화물-반도체 전계효과

ISSN：1226-7244 (Print)

ISSN：2288-243X (Online) j.inst.Korean.electr.electron.eng.Vol.22,No.4,1230∼1233,December 2018

논문번호 18-04-56 http://dx.doi.org/10.7471/ikeee.2018.22.4.1230

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트랜지스터(MOSFET)는 핵심 스위칭 소자로서 특 히 활발히 연구되고 있다. SiC MOSFET소자에서 게이트 산화막 형성은 소자 동작 특성에 지배적인 영향을 미치게 되는데, Si과 마찬가지로 SiC 역시 열산화에 의하여 SiO2를 게이트 산화막으로 주로 형성하여 사용하고 있다. 하지만, dangling bond 결함, 탄소 관련 결함, 산화막 내부결함 등이 열산 화 공정 중에 산화막 계면에 형성되어 소자의 채널 이동도를 크게 감소시키는 문제점이 존재하고 있 다. 이를 해결하기 위하여 NO, N2O 등의 가스를 사용한 질화처리 공정이 널리 사용되고 있으며, 열 처리 시 질소 가스가 계면의 결합과 결합하여 결함 밀도를 감소시키는 것으로 보고되고 있다 [1].

SiO2 물질은 Si기반 반도체 물질과의 공정친화적 인 특성 때문에 널리 사용되고 있지만, 유전율이 3.9 로 4H-SiC 9.7에 비해 낮기 때문에 전계집중에 의 한 신뢰성 문제가 존재하게 된다. 그렇기 때문에 여 러 고유전율 물질(AlN, HfO₂, ZrO₂, Al₂O₃ 등)이 게 이트 산화막으로 적용되는 연구가 진행되고 있고, 특히 Al2O3 물질은 4H-SiC과 비슷한 10의 유전율을 가지고 있고 6.2 eV 정도의 고에너지갭 물질이기 때 문에 차세대 게이트 산화막 물질로 고려되고 있다.

에어로졸 데포지션(aerosol deposition, AD) 공정 은 고밀도의 세라믹 막을 고속으로 제조할 수 있는 기술로 수백나노 크기의 세라믹 분말을 운송가스 에 실어서 기판에 분사함으로써 세라믹 막을 형성 하게 된다 [2]. 저진공 공정이며 1 μm정도의 막 두 께를 수분 이내에 성장이 가능한 고속공정이라는 장점이 있다. 또한, 세라믹 분말의 화학 조성이 그 대로 막 내에도 유지되기 때문에 복잡한 화학조성 을 가지는 고유전율 물질을 게이트 산화막으로 제 조할 수 있는 특징이 있다. 이번연구에서는 AD 공 정을 사용하여 Al₂O₃ 게이트 산화막을 제조하였고, N2 및 대기분위기 후열처리 조건에 따른 전기적 특 성을 평가하였다. 또한 일반적으로 수 μm두께의 막을 형성하는데 사용되는 AD 공정을 50 nm이하 두께의 막 제조에 적용하여 박막공정으로써의 가 능성도 평가하였다.

Ⅱ. 본론

1. 실험 방법

출발 원료로서 500 nm의 크기와 구 형태를 가지

는 Al2O3 분말을 사용하였다. n형 4H-SiC 기판 (n=1×10¹⁵ cm^-3)에 Al2O3 막을 형성하기 위하여 10×0.4 mm²의 orifice를 가지는 노즐을 사용하였고, 노즐과 기판과의 거리를 0.5 mm로 유지하여 약 120 mm/sec의 속도로 노즐을 스캔하였다. 분말 공 급기 내 Al₂O₃ 분말의 유동성과 비산성을 향상시키 기 위해 진동기를 사용하였고, 50 nm 두께의 박막 형성을 위하여 에어로졸을 저농도로 유지하였다.

비산된 분말은 5 L/min 유속으로 가속되었으며, 이 송가스는 N2 가스를 사용하였다.

제조된 막은 α-step으로 그 두께를 확인하였으 며, 이후 고온전기로에서 대기분위기와 N₂분위기 1000도 온도 조건으로 6시간 동안 후열처리를 진행 하였다. Back metal은 sputter를 사용하여 Ni증착 후 rapid thermal annealing (RTA)을 이용하여 1분 동안 950도에서 오믹 접합을 형성하였다. Front metal 형성을 위하여 photo lithography 공정으로 지름 500 μm의 패턴을 형성한 후, E-beam evaporator 로 두께 200 nm Au를 증착하여 lift-off하였다. 막의 표면 및 단면을 관찰하기 위하여 SEM(scanning electron microscopy), FIBfocused ion beam)분석을 진행하였으며, Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer를 사용해 capacitance-voltage (C-V), 유 전율, current-voltage (I-V) 분석을 진행하였다.

2. 결과 및 고찰

그림 1 (a)는 AD공정으로 Al₂O₃ 막을 4H-SiC위 에 성장한 후 표면 형상을 SEM으로 관찰한 이미 지이다. 분말을 운동에너지로 충돌시켜 막을 형성 하는 공정 특성상 거친 표면이미지를 확인할 수 있 었다. α-step측정을 통해 50 nm정도 두께로 막이 성장됨을 확인하였고, 이러한 얇은 두께에도 불구 하고 기공이 없는 치밀한 형상이 확인되었다.

일반적으로 AD공정으로 형성된 산화막은 100 nm이하의 두께에서는 치밀성이 충분히 확보되지 않지만 이번 경우에는 SiC물질의 강한 경도특성에 의해 50 nm정도의 두께에서도 치밀한 형상을 보임 을 확인하였다. 그림 1 (b), (c), (d)는 각각 열처리 전, 대기분위기 열처리, N₂분위기 열처리 Al₂O₃ 막 의 단면 이미지를 나타낸다. 막의 두께는 전체적으 로 불균일하였으며, 막의 평균 두께는 대략 50 nm 정도를 가지고 있었다. N₂분위기 열처리에서는 상 대적으로 균일한 막 두께를 보였는데, N2분위기 열

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Electrical Properties of Al

O

Gate Oxide on 4H-SiC with Post Annealing Fabricated by Aerosol Deposition 347

Fig. 2. High-frequency (1 MHz) C-V curves for (a) as-deposited, (b) air annealed, and (c) N

annealed Al

O

films, respectively.

그림 2. (a) 열처리 전, (b) 대기분위기 열처리, (c) N

분위 기 열처리 Al

O

막의 고주파 (1 MHz) C-V 그래프 Fig. 1. (a) surface SEM image of as-deposited Al

O

film.

cross-sectional SEM images of (b) as-deposited, (c) air annealed, and (d) N

annealed Al

O

films, respectively.

그림 1. (a) 성막된 Al

O

막 표면 SEM 이미지. Al

O

막의 단면 SEM 이미지 (b) 열처리 전,（c) 대기분위기 열처리, (d) N

분위기 열처리.

Fig. 3. Dielectric properties of (a) as-deposited, (b) air annealed, and (c) N

annealed Al

O

films, respectively.

그림 3. (a) 열처리 전, (b) 대기분위기 열처리, (c) N

분위기 열처리 Al

O

막의 유전특성

었다 [3]. 표면 방향과는 다르게 4H-SiC와 Al2O3

막의 계면은 평평한 형상을 보였다. AD공정 중 발 생하는 Al2O3 입자의 물리적 충돌에도 강한 4H- SiC의 경도로 인해 4H-SiC층이 큰 변형이 일어나 지 않음을 확인하였다.

그림 2는 열처리 조건에 따른 Al2O3 막의 C-V특 성을 나타낸다. 1 MHz의 고주파에서 시료들의 공 핍영역부터 축적영역까지 확인해 보았는데, 대기분 위기에서 열처리한 시료를 제외하고는 일반적인 n 형 SiC 기판의 C-V 특성을 보였다. 대기분위기에 서 열처리한 Al2O3 막의 경우 정전용량의 값도 다 른 시료에 비해 낮고, 더 높은 양의 전압에서는 오 히려 정전용량의 값이 감소하였다. 대기분위기의 높은 O2가스 비율이 Al2O3와 SiC 사이에 추가적인 SiO2 및 계면 결함을 형성하여 축적영역의 형성을 저해하는 것으로 생각되었다. O2분위기에서 Al2O3

막 열처리 시 Al2O3 막을 통해 O2가스가 확산하여 SiC 계면에 SiO2 층을 형성한다는 보고가 있었다 [4]. 열처리 전 시료와 N2분위기 열처리 시료의 경 우 각각 2.9, 0.7 V의 평탄화 전압 값 VFB을 가졌 다. 평탄화 전압 값은 계면 고정전하량에 비례하는 데 N2분위기 열처리 후 계면에 존재하는 고정전하 량이 감소함을 확인할 수 있었다.

그림 3은 열처리 조건에 따른 Al2O3 막의 유전특 성을 나타낸다. 열처리 전의 Al2O3 막은 1 MHz 주

파수에서 9.1의 유전율을 가졌다. 대기분위기 및 N2분위기 열처리 Al2O3 시료들은 각각 1 MHz 주 파수에서 7.4, 8.7의 유전율을 가지고 있었다. N2분 위기 열처리 Al2O3 막의 경우 유전특성의 변화는 크게 존재하지 않았지만, 대기분위기 열처리 Al2O3

막의 경우 유전율이 1.7 감소하였다. 그 이유의 경 우 3.9의 유전율을 가지는 SiO2 층이 Al2O3와 SiC 층 사이에 생성되어 유전율의 감소로 이어진 것으 로 고려된다. 추가적으로 대기분위기 열처리 Al2O3

막의 유전율은 주파수 의존성을 가지는데 이는 공 간전하분극이 형성되었을 경우의 특성으로 Al2O3

막 계면에 추가적인 공간전하 분극이 생성되어 유

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전율의 주파수 의존성을 보이는 것으로 생각된다.

Fig. 4. Leakage currents of (a) as-deposited, (b) air annealed, and (c) N

annealed Al

O

films, respectively.

그림 4. (a) 열처리 전, (b) 대기분위기 열처리, (c) N

분위 기 열처리 Al

O

막의 누설전류 특성

그림 4는 열처리 조건에 따른 Al2O3 막의 역방향 누설전류 특성을 나타낸다. 열처리 전 시료 및 대 기분위기, N2분위기 열처리 Al2O3 막들은 2000 kV/cm 전계에서 각각 7.49×10^-7, 5.63×10^-7, 2.80×10^-3 A/cm² 누설전류 값을 가졌다. 열처리 전 Al₂O₃ 막 과 대기분위기 열처리 Al2O3 막은 누설전류의 큰 변화는 보이지 않았다. 대기분위기 열처리 시 생성 되는 SiO₂ 층은 단면 SEM이미지를 통해 보았을 때, 얇은 두께로 인해 누설전류에는 큰 영향을 미 치지 않는 것으로 생각되었다. N2분위기 열처리 Al₂O₃ 막의 경우 누설전류가 크게 증가한 결과를 확인할 수 있었다. 그 이유는 N2분위기 열처리 시 생성되는 Al2O3의 산소공공에 의한 Poole-Frenkel 누설전류 메커니즘에 의한 것으로 고찰되었다.

Ⅲ. 결론

본 연구에서는 AD공정으로 제조된 Al2O3 막의 후열처리에 따른 전기적 특성을 확인하였다. AD공 정으로 제조된 Al2O3 막은 50 nm의 얇은 두께에도 게이트 산화막으로 적용할만한 특성을 보였다. N2

분위기 후열처리 시 계면특성은 향상되었지만 산 소공공의 증가에 따른 누설전류 값은 증가하였다.

대기분위기 열처리 시에는 계면특성의 열화를 확 인하였다. 본 결과를 통해 적절한 N2와 O2 비율의 후열처리가 중요함을 확인하였다.

References

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