TSSG 저압공정을 통한 SiC 단결정 내 결함제어 연구

Abstract

탄화규소(SiC)는 기존의 반도체 소재인 실리콘(Si)대비 높은 밴드갭, 열전도도, 그리고 절연파괴전압의 물성을 가지고 있어서 고효율화와 소형화 및 경량화, 그리고 혹독한 환경 내에서 고신뢰성, 고속 스위칭이 가능한 전력반도체 소재이다. SiC 단결정을 성장하기 위해서 물리적기상수송법(Physicla Vapor Transport; PVT), 고온화학기상증착법(High Temperature Chemical Vapor Deposition; HTCVD), 상부종자용액성장법(Top-Seeded Solution Growth; TSSG) 등 다양한 성장 방법이 있을 수 있는데, 그 중에서도 TSSG는 결함 밀도 제어가 용이하고 도핑 효율이 높다는 측면에서 유리하여 최근 국내 및 일본 등 해외에서도 활발히 연구되어 왔다. 하지만, 용액성장이라는 점에서 발생하는 금속 개재물(metal inclusion), Si droplet, pore defect 등 다양한 매크로 결함(macro defect)은 아직 TSSG에서 해결해야 하는 문제로 남아있다. 특히 pore defect는 용융액 내부로 혼입된 기체가 기포를 형성하고 결정 성장면에 흡착되어 발생하는 결함으로, 크기는 수 μm 부터 수 mm까지 다양하며, 성장된 잉곳의 결정 품질을 저하시키는 직접적인 원인이 된다. 본 연구에서는 이론적 연구와 실제 실험 결과를 통해 공극 결함의 형성 메커니즘을 조사했다. 먼저 기포 핵생성 이론과 헨리의 법칙으로 pore defect 형성 모델을 구상하였으며, 챔버 내 압력이 감소할수록 pore defect 밀도가 감소할 것으로 예측했다. 모델을 기반으로 실제 실험으로 챔버 내 압력을 700, 500, 300 Torr로 단일 변수로 적용하여 성장을 진행했다. 성장 결과, pore defect 밀도가 300 Torr에서 성장한 결정의 pore defect의 밀도가 700 Torr 대비 약 83%가 감소한 것을 확인했으며, 이는 모델을 통한 예측과 일치했다. 반면, 성장 압력이 감소할수록 승온 과정에서 발생하는 종자결정의 오염으로 인해 표면 균질도가 저하되는 것을 관찰하였는다. 이러한 문제는 back-etching 공정을 통한 종자결정의 전처리 과정을 통해 종자결정 표면의 오염물질을 제거하는 것으로 해결할 수 있을 것으로 판단된다. 결과적으로, 이론적 연구와 실제 실험을 통해 챔버 내 압력이 pore defect에 영향을 미치는 중요한 인자임을 확인하였으며, 적절한 압력 공정을 통해 결정 내 pore defect 밀도를 제어할 수 있으며 back-etching 공정을 통해 표면 균질도 또한 개선할 수 있다.

Silicon carbide (SiC) is a material which has a wide band gap, high thermal conductivity, and high breakdown-electric field. These properties are suitable for high efficiency and high-speed switching electronic devices. Furthermore, they are critical for the miniaturization and weight reduction of the high power electronic devices. There are various growth methods for bulk SiC crystals such as Physical Vapor Transport (PVT), High Temperature Chemical Vapor Deposition (HT-CVD), and Top-seeded Solution Growth (TSSG). Among them, TSSG is advantageous method in terms of low defect density and ability of dopant incorporation control which are well reported by many research groups. Despite these advantages, TSSG remains several issues which related to the defects caused by the melt, such as metal inclusion, residual silicon droplet and the pore defect. The pore defect shapes a hole-like empty space that occurred when the ambient gas dissolved into the melt and formed bubbles. The bubble in the melt is generally released back to the atmosphere at high temperature. If a portion of bubbles are adsorbed on the seed crystal surface, remained during the crystal growth, and finally formed the pore defect. The size of the pore defect varies from several micrometers to several millimeters. Such pore defects directly cause the quality deterioration. In this study, the pore defect formation mechanism was investigated from both theoretical and the experimental approaches. First, the pore defect formation model was established from the bubble nucleation theory and Henry's law. From this model, the pore defect density is predicted to decrease as the pressure in the chamber decreased. The practical experiments were carried out under the pressure of 700, 500, and 300 Torr while other conditions were fixed to validate our theoretical model. As the result, the pore defect density in the SiC single crystal at 300 Torr was decreased by 83% compared to the grown crystal at 700 Torr. This result is in accordance with our expectation from the pore defect formation model. However, the morphological roughness uniformity of the grown surface was stabilized under low pressure condition, however, it may cause the contamination of the seed surface during the heating process. This problem can be amended through the pre-treatment technique, in which the seed crystal surface is cleaned by the back-etching process. As the result, it will be possible to grow high quality SiC single crystals under low pressure condition with appropriate pre-treatment processes via TSSG method. In summary, the pore defect density and size are proportional to the operation pressure in the chamber. Low pressure atmosphere is theoretically and experimentally proven to be a critical condition to grow pore-defectless SiC single crystal via TSSG process. Furthermore, the roughness uniformity of the grown crystal can be improved by back-etching process.