1. 서론
수십 년간의 연구에도 불구하고, 실리콘 기판 위에 성장된 이종 에피택시 3C-SiC는 아직 산업용 전자 응용 분야에 필요한 충분한 결정 품질을 달성하지 못했습니다. 성장은 일반적으로 Si(100) 또는 Si(111) 기판에서 수행되는데, 각 기판은 (100)에서는 역위상 도메인, (111)에서는 균열과 같은 뚜렷한 문제점을 가지고 있습니다. [111] 방향으로 배향된 박막은 결함 밀도 감소, 표면 형태 개선, 응력 감소와 같은 유망한 특성을 보이지만, (110) 및 (211)과 같은 다른 배향에 대한 연구는 아직 미흡합니다. 기존 연구 결과는 최적의 성장 조건이 배향에 따라 다를 수 있음을 시사하며, 이는 체계적인 연구를 어렵게 합니다. 특히, 3C-SiC 이종 에피택시에 더 높은 밀러 지수를 갖는 Si 기판(예: (311), (510))을 사용한 연구는 아직 보고된 바 없어, 배향에 따른 성장 메커니즘에 대한 탐색적 연구가 절실히 필요합니다.
2. 실험적
3C-SiC 층은 SiH4/C3H8/H2 전구체 가스를 사용하여 대기압 화학 기상 증착(CVD) 방식으로 증착되었습니다. 기판은 다양한 방향(100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) 및 (995))을 갖는 1cm² Si 웨이퍼였습니다. (100) 면을 제외한 모든 기판은 축 방향이었으며, (100) 면의 경우 2° 오프컷 웨이퍼를 추가로 테스트했습니다. 성장 전 세척은 메탄올을 사용한 초음파 탈지 과정을 거쳤습니다. 성장 프로토콜은 1000°C에서 H2 어닐링을 통한 자연 산화막 제거 후 표준 2단계 공정을 거쳤습니다. 즉, 12 sccm C3H8을 사용하여 1165°C에서 10분 동안 탄화시킨 다음, 1.5 sccm SiH4와 2 sccm C3H8을 사용하여 1350°C에서 60분 동안 에피택시(C/Si 비율 = 4)를 수행했습니다. 각 성장 실행에는 최소 하나 이상의 참조 웨이퍼(100)를 포함하여 4~5개의 서로 다른 Si 방향이 포함되었습니다.
3. 결과 및 논의
다양한 Si 기판 위에 성장시킨 3C-SiC 층의 형태(그림 1)는 뚜렷한 표면 특징과 거칠기를 나타냈다. 육안으로 관찰했을 때, Si(100), (211), (311), (553), (995) 면 위에 성장시킨 시료는 거울처럼 매끄러운 표면을 보였고, 다른 면들은 ((331), (510))처럼 불투명한 표면에서 ((110), (111))처럼 탁한 표면까지 다양했다. 가장 매끄러운 표면(가장 미세한 미세구조를 보임)은 (100) 2° 각도 및 (995) 기판에서 얻어졌다. 특히, 일반적으로 응력에 취약한 3C-SiC(111) 층을 포함하여 모든 층은 냉각 후에도 균열 없이 유지되었다. 시료 크기가 제한적이었기 때문에 균열 발생을 방지했을 가능성이 있지만, 일부 시료는 누적된 열응력으로 인해 광학 현미경(1000배율)으로 관찰했을 때 중심에서 가장자리까지 30~60μm 정도 휘어지는 현상을 보였다. Si(111), (211) 및 (553) 기판에서 성장한 매우 휘어진 층은 인장 변형을 나타내는 오목한 모양을 보여주었으며 결정학적 방향과 연관시키기 위해 추가적인 실험 및 이론적 연구가 필요했습니다.
그림 1은 서로 다른 방향으로 Si 기판 위에 성장시킨 3C-SC 층의 XRD 및 AFM(20×20 μm2 스캔) 결과를 요약한 것이다.
원자력 현미경(AFM) 이미지(그림 2)는 광학 관찰 결과를 뒷받침했습니다. 제곱평균제곱근(RMS) 값은 (100)2° 방향과 (995) 기판에서 가장 매끄러운 표면을 나타냈으며, 400~800 nm의 측면 크기를 가진 결정립과 같은 구조를 보였습니다. (110) 방향으로 성장한 층은 가장 거칠었으며, 다른 방향((331), (510))에서는 길쭉하거나 평행한 특징과 간혹 날카로운 경계가 나타났습니다. X선 회절(XRD) θ-2θ 스캔(표 1에 요약)은 Si(110)을 제외하고 밀러 지수가 낮은 기판에서 이종 에피택시가 성공적으로 이루어졌음을 보여주었습니다. Si(110)에서는 3C-SiC(111) 및 (110) 피크가 혼합되어 나타나 다결정성을 보였습니다. 이러한 배향 혼합은 이전에 Si(110)에 대해 보고된 바 있지만, 일부 연구에서는 (111) 배향된 3C-SiC만 관찰되어 성장 조건 최적화가 중요함을 시사합니다. 밀러 지수 ≥5((510), (553), (995))의 경우, 이러한 고지수면은 해당 기하학적 구조에서 회절하지 않으므로 표준 θ-2θ 구성에서 XRD 피크가 검출되지 않았습니다. 저지수 3C-SiC 피크(예: (111), (200))가 나타나지 않는 것은 단결정 성장을 의미하며, 저지수면의 회절을 검출하려면 시료를 기울여야 합니다.
그림 2는 CFC 결정 구조 내 평면 각도의 계산 결과를 보여줍니다.
고지수면과 저지수면 사이의 계산된 결정학적 각도(표 2)는 큰 불일치(>10°)를 보여주었으며, 이는 표준 θ-2θ 스캔에서 해당 면이 나타나지 않은 이유를 설명합니다. 따라서 특이한 입자 형태(기둥형 성장 또는 쌍정으로 추정)와 낮은 표면 거칠기를 보이는 (995) 방향 시료에 대해 극점도 분석을 수행했습니다. Si 기판과 3C-SiC 층의 (111) 극점도(그림 3)는 거의 동일하여 쌍정 없이 에피택시 성장이 이루어졌음을 확인시켜 줍니다. 중심점은 χ≈15°에서 나타났으며, 이는 이론적인 (111)-(995) 각도와 일치합니다. 세 개의 대칭적인 점이 예상 위치(χ=56.2°/φ=269.4°, χ=79°/φ=146.7° 및 33.6°)에 나타났지만, χ=62°/φ=93.3°에서 나타난 예상치 못한 약한 점은 추가 조사가 필요합니다. φ-스캔의 스폿 폭을 통해 평가된 결정 품질은 유망해 보이지만 정량화를 위해서는 로킹 커브 측정이 필요합니다. (510) 및 (553) 샘플에 대한 극점 도표는 추정되는 에피택시 특성을 확인하기 위해 아직 완료되지 않았습니다.
그림 3은 (995) 방향으로 배향된 샘플에서 기록된 XRD 피크 다이어그램을 보여주며, 이는 Si 기판(a)과 3C-SiC 층(b)의 (111) 면을 나타냅니다.
4. 결론
(110) 방향을 제외한 대부분의 Si 방향에서 이종 에피택시 3C-SiC 성장이 성공적으로 이루어졌으며, (110) 방향에서는 다결정 물질이 생성되었습니다. Si(100)2° 방향과 (995) 방향 기판에서 가장 매끄러운 층(RMS <1 nm)이 생성되었지만, (111), (211), (553) 방향에서는 상당한 굽힘(30-60 μm)이 관찰되었습니다. 고지수 기판에서는 θ-2θ 피크가 나타나지 않으므로 에피택시 여부를 확인하기 위해 고급 XRD 분석(예: 극점도)이 필요합니다. 현재 진행 중인 연구에는 로킹 커브 측정, 라만 응력 분석, 그리고 추가적인 고지수 방향으로의 확장이 포함되어 이 탐색적 연구를 완성하고자 합니다.
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게시 시간: 2025년 8월 8일