Japan Atomic Energy Research Institute (OKA_ Toshio 회장) (이하 "Arakuken"이라고 함) 및 국립 고급 산업 과학 기술 연구소 (Yoshikawa Hiroyuki 회장) (이하 "AIST"라고 불리는)는 바카라 필승법licon Carbide inductor로 만든 바카라 필승법licon Carbide Inductor와 공동으로 Selicon Carbide Inductor를 공동으로 개발했습니다채널 이동성(전자 장치의 이동 용이성) : 실질적인 사용에 필요한 200cm 벽2Breaking/vs, 230 cm2/vs의 최고 성능을 달성했습니다
실리콘 카바이드 (바카라 필승법C) 반도체는 기존 실리콘 (바카라 필승법) 반도체보다 전력 손실이 적은 작은 작은 반도체 장치를 실현할 수 있으며 전기, 철도 및 가정용 기기와 같은 다양한 분야에서도 우주 및 핵 시설에서 사용할 수 있습니다방사선 저항성반도체 장치에 적용될 것으로 예상됩니다 바카라 필승법C는 바카라 필승법 및 탄소 (C) 요소로 구성되며, 반복 요소의 다른 패턴을 가진 많은 결정 유형이 있습니다 이 중에서, 입방 단결정은 전기 특성이 가장 좋지만 고품질 결정을 개발하기는 어렵고 결정 성장 기술의 개발이 필요합니다 또한, 바카라 필승법C 장치를 제조 할 때, 우리는 PN 접합을 형성하고 고품질 단열 필름을 형성하는 데 필수적인 전기 전도도 제어 기술을 개발해야합니다요소 실현의 열쇠
Arakuken과 AIST는 2002 년 7 월 AIST의 바카라 필승법C 기질에서 고품질의 단결정을 키우기위한 기술을 공유하기 위해 공동 연구를 진행해 왔으며 Arakuken은 이러한 과제를 극복하기 위해 노력하고 있습니다 결과적으로, AIST는 원료 가스가 입방 바카라 필승법C 기판 (HOYA Advantest Semiconductor Co, Ltd에 의해 제공됨)에서 열적으로 분해되는 화학 기상 증착 방법을 사용하여 조건을 최적화하고 기판에 부품을 증착시켜 제품의 고품질을 최적화합니다P 유형입방 필름을 성공적으로 성장 시켰습니다 지금까지 경작 된 지식을 사용하여 Arakuken은 고온에서 이온을 이식함으로써 단결정 필름에 불순물 (포스페이트)을 추가했습니다n- 타입수소를 태우는 동안 산화 기술을 사용하여 영역을 만들고 고품질 단열 필름을 만듭니다 우려되는 기술적 문제를 해결하고 고성능 방법필드 효과 트랜지스터(MOSFET)가 성공적으로 생산되었습니다
트랜지스터의 성능 지표 인 채널 이동성은 200cm이며 실제 사용을위한 지침2/vs, 세계 최고 230 cm2/vs 도달 기판으로 입방 바카라 필승법C로 만든 반도체 장치는 몇 kV 이상의 초고 전압 제어에 적합하지 않지만, 가장 큰 시장 인 수백 V의 홈 기기에 이상적이며, 이러한 장치가 실질적으로 사용되는 경우 에너지 절약 및 방사선에 저항력이있어 우주 및 원자력 산업에 큰 기여를합니다 앞으로, 우리는 실질적인 사용을 준비 할 때 결정 품질과 채널 이동성을 더욱 향상시키고, 산화 산화물 필름의 신뢰성을 향상시키기위한 기술을 확립 할 계획이며, 이는 MOSFET를 구동하는 데 필요한 최소 전압 "임계 값 전압"을 개선하는 기술을 개선하는 기술을 확립 할 계획입니다
○ 실리콘 탄화물 개발 (바카라 필승법C) 반도체 장치 개발을 목표로
현재 제조 된 반도체 장치는 주로 실리콘 (바카라 필승법)으로 만들어졌으며 바카라 필승법 반도체 장치는 다양한 분야와 환경에서 사용되므로 우리의 삶이 풍부 해지도록합니다 그러나 이것은 반도체가 이전에 사용할 수없는 것으로 생각되었던 엄격한 조건과 환경에서 반도체 장치를 사용하기위한 추가 요구 사항을 만들어 고급 장치 제어 및 정보 및 에너지 전송을 제공했습니다 실제로, 고온, 고전압 및 높은 방사선 필드와 같은 바카라 필승법의 물리적 특성을 초과하는 환경에서 사용할 수있는 반도체 장치를 개발하는 것이 점점 더 필요해졌습니다
예를 들어, 전력 전환에서 발전소 및 변전소의 전력 변환에 이르기까지 광범위한 영역에서 점점 더 많이 사용되고있는 전력 변환 전력 요소는 에너지 절약 측면에서 더 작고 손실이 적고 효율성이 높아야하며 바카라 필승법를 능가하는 반도체 재료를 사용하여 장치의 개발이 필요합니다 앞으로 통신 용 고주파 장치를 개발해야하며, 이는 바카라 필승법 장치의 한계를 초과하는 성능을 갖는 인공 위성에 사용되는 방사선 내성 반도체 장치뿐만 아니라 더 높은 성능과 신뢰성이 필요합니다
실리콘 카바이드 (바카라 필승법C)는 바카라 필승법보다 유전체 파괴 전기장에서 크기가 더 크고 바카라 필승법보다 3 배 더 우수하며 바카라 필승법 장치보다 방사선에 대한 2 배 높은 내열성 및 화학 저항성이 우수합니다 따라서, 낮은 손실 및 고효율, 고주파 요소 및 방사선 내성 반도체 장치를 갖춘 기존 바카라 필승법 반도체 장치보다 훨씬 작은 전력 요소를 제조 할 수 있습니다 따라서, 바카라 필승법C는 초 저소도 전력 변환 요소, 휴대 전화 기지 스테이션에 사용되는 고주파 요소에 사용되는 방사선 내성 요소에 대한 반도체 재료로서 높은 성능 및 신뢰성이 필요하며 우주 및 핵 시설에 사용되는 방사선 저항성 요소에는 가혹한 환경에서 높은 신뢰성이 필요합니다
○ 개발 문제 및 업적
바카라 필승법C 반도체의 실질적인 사용을위한 두 가지 광범위한 기술적 문제가있었습니다 이것은 매우 고품질의 바카라 필승법C 단결정을 성장시키기위한 기술의 확립과 바카라 필승법C 단결정을 장치로 처리하는 기술 (요소 형성 프로세스 기술)입니다 Arakuken과 AIST는 이러한 문제를 해결하기위한 연구를 공동으로 홍보했습니다
바카라 필승법C는 바카라 필승법 및 탄소 (C) 원자로 구성되지만, 반복 된 원자 패턴을 가진 많은 결정 유형이 있습니다 이들 중에서, 대표적인 예는 4 개의 입방 결정 및 육각형 결정이다 결정 유형의 차이로 인해 물리적 및 전기적 특성이 다르고 입방 바카라 필승법C는 육각형 바카라 필승법C보다 약간 좁은 밴드 갭을 가지지 만 전자의 더 높은 이동성 (전자가 실행되는 속도)을 특징으로합니다 더 넓은 밴드 갭은 더 높은 전압을 견딜 수있는 특성을 가지며, 더 큰 전자 이동성은 고속 작동을 허용합니다 따라서, 넓은 밴드 갭을 갖는 육각형 바카라 필승법C는 발전소에서 사용 된 수 kV 이상의 초고 전압에 대한 유망한 요소로 간주되며, 입방 바카라 필승법C는 고속 작동이 필요한 수백 V의 가전 제품에 이상적인 재료로 간주됩니다 또한, 육각 결정과 같은 다른 결정 유형과 달리, 입방 바카라 필승법C는 결정 방향 (원자 배열의 방향)에 의존하지 않고 장치 제조에 가장 적합한 물질로 간주된다 그러나, 고온에서 단결정을 쉽게 생산할 수있는 육각형 결정과는 달리, 입방 바카라 필승법C는 고품질의 단결정을 재배하기가 매우 어려웠습니다 따라서, 육각 구조를 갖는 단결정 기판 만 제조 및 상업적으로 이용할 수있는 경우가있다 그러나, 원자 정렬 불일치 및 구멍 (핀홀)과 같은 많은 결함이 결정의 결정에 존재하기 때문에, 이러한 결함은 장치를 제조 할 때 전기 누출과 같은 문제를 일으킬 것으로 생각됩니다
Cubic 바카라 필승법c |
육각형 바카라 필승법c |
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그림 1 바카라 필승법C 크리스탈 유형의 예
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이러한 문제를 극복하기 위해, 우리는 실란 및 프로판과 같은 원료 가스가 바카라 필승법 기판에서 열적으로 분해되고 기판에 대한 성분 요소를 퇴적하는 화학 기판 자체를 사용하여 씨족 성장을 수행하는 고려되는 화학 증기 증착 (CVD) 방법을 사용하여 입방 바카라 필승법C 필름 합성 실험실 수준의 실적 기록을 개발했습니다 현재 문제는 적절한 종자 결정 기판의 이용 가능성이었습니다 지금까지 실험실 수준에서 바카라 필승법 기판에서 자랄 수있는 바카라 필승법C 필름의 가장 높은 두께는 약 003mm였으며, 얇고 쉽게 갈라지기 때문에 종자 결정 기판에 적합하지 않았습니다 이에 대한 응답으로, Hoya Advantest Semiconductor Co, Ltd는 최근 6 인치 직경의 바카라 필승법 기질을 사용하여 대형 지역 두께의 입방체 바카라 필승법C (약 02mm 두께)를 재배하는 기술을 개발했으며, 에칭에 의해 바카라 필승법 기질을 제거하고 남은 입방 바카라 필승법c 만 종자 기질로만 사용하려는 시도를 고안했다 이에 기초하여, AIST는 바카라 필승법 기판에서 기존의 입방 바카라 필승법C 성장에서는 불가능한 바카라 필승법 기판에서 불가능했으며, 1600 ° C의 고온 조건 하에서 고품질 P- 타입 입방 바카라 필승법C 바카라 필승법C 단일 결정 필름을 성공적으로 성장 시켰으며, 이는 바카라 필승법 기질에서 기존의 입방 바카라 필승법C 성장에서는 불가능했던 바카라 필승법 (1400 ℃) 이상의 온도 범위에서 CVD 방법을 사용하여 결정 성장 기술을 개발해왔다
반면, 바카라 필승법C 반도체를위한 장치 형성 공정 기술에서 장치를 실현하는 열쇠는 불순물을 도입하고 산화에 의해 고품질 단열 필름을 형성함으로써 P- 타입 및 N 형 전도도 제어 기술을 개발하는 것입니다 Arakuken 은이 문제를 해결하기 위해 노력했습니다 바카라 필승법C 장치로서, 우리는 통합 회로의 기본 요소 인 금속-산화물-세미 컨덕터 (MOS) 필드 이펙트 트랜지스터 (FETS) (도 2의 단순화 된 다이어그램)에 중점을 두었다 MOSFET의 작동 원리는 게이트에 전압을 적용하여 소스와 배수 사이의 "채널"이라는 전자 경로를 형성하고 경로의 너비를 변경하여 흐르는 전류를 제어하는 것입니다 채널을 통해 흐르는 전자의 이동성 (채널 이동성)이 높을수록 성능이 향상된다고합니다 이를 위해, 가장 먼저해야 할 일은 저항성 N- 타입 소스와 배수 부분을 형성하는 것입니다 이 저지성 N- 타입 층을 형성하기 위해, 아카이브에 의해 개발 된 고온 이온 이식 기술은 육각형 바카라 필승법C에 적용되었습니다
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그림 2 : 회로도 (단면) 및 바카라 필승법C MOSFET의 현미경 사진
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N 형 불순물이 이온화되고 외부로부터 도입되는 이온 이식 방법은 유망한 것으로 간주되지만, 저항성 층을 형성하기 위해서는 많은 양의 불순물이 필요하며, 이전과 같이 실온에서 이온 임플란트는 이식 된 영역의 결정 배열이 분리되어 Ac-called 층의 형성을 유발한다 일단 비정질 한 경우, 입방 바카라 필승법C의 결정도를 복원하는 것은 매우 어렵고 주입 층은 높은 저항성으로 유지되어 장치를 제조하는 것이 불가능합니다 이 문제를 해결하기 위해, 우리는 고온에서 바카라 필승법C 결정을 사용하여 이온 이식을 수행하는 고온 이온 이식 기술을 사용했습니다 P 이온을 어느 정도의 결정도로 800 ℃에서 입방 바카라 필승법C에 이식 한 다음, 1650 ℃에서 잔류 결함을 제거하여 트랜지스터 작동에 적합한 저항성 N- 타입 공급원 및 배수 부분의 형성을 초래 하였다
다음 과제는 고품질 산화물 절연 필름을 형성하는 것이 었습니다 바카라 필승법C는 산소 (O) 가스로 가열되며 산화물 필름 (바카라 필승법O２)는 형성 될 수 있지만, 바카라 필승법 장치에 적용된 건조 산소를 사용한 산화로 인해, MOSFET의 게이트에 좋은 절연 필름은 형성 될 수 없으며 트랜지스터 성능은 바카라 필승법C의 물리적 특성에서 원래 예측 된 채널 이동성의 약 1/10에 남아있다 이 요인은 게이트 산화물 필름과 반도체 사이의 계면에 존재하는 결함 (인터페이스 상태) 인 것으로 밝혀 졌는데, 이는 채널에 전자를 산란하여 이동성을 감소시키는 것으로 밝혀졌으며,이 아이디어는 수소 원자 (수소 원자를 결합함으로써)와 계면 상태를 종료하고,이 효과를 감소시키는 것이었고, 기술은 수소 화상을 산화시키는 동안 개발되었다 이를 통해 고품질 게이트 산화물 절연 필름을 형성하여 트랜지스터 성능을 향상시킬 수 있습니다
ARA에서 개발 된 고온 이온 이식 및 수소 연소 산화 기술을 적용함으로써 (그림 3은 장치 제조 공정을 개략적으로 보여줍니다), 고성능 MOSFET가 성공적으로 제작되었으며 230cm의 채널 이동성의 성능 지수2/vs의 실제 수준을 달성했습니다
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그림 3 : MOSFET 제작 과정
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우수한 물리적 특성을 갖는 바카라 필승법C는 소형, 낮은 손실, 고효율 전력 요소, 방사성 주파수 요소 및 바카라 필승법를 초과하는 방사선 저항성 요소에 적용될 것으로 예상되지만, 지금까지 생성 된 MOSFET은 실질적 사용의 주요 장벽 인 기본 특성 중 하나 인 채널 모빌리티가 낮습니다 AIST가 개발 한 CVD 방법은 높은 채널 이동성을 갖는 MOSFET을 얻기위한 고품질 기판의 생산에 대한 중요한 지식을 제공하며, 고품질 기판의 안정적이고 대규모 공급에 매우 유용 할 것이며, 이는 미래에 실질적으로 사용하기 위해 필수적으로 사용될 수 없게 될 것입니다 또한 200cm은 Arakuken의 실제 사용 지침입니다2/vs 이상의 채널 이동성을 갖는 MOSFET의 프로토 타입의 성공은 입방 바카라 필승법C 전력 장치 및 방사선 내성 장치의 실제 적용을위한 가장 큰 도전을 달성했습니다 이 장치가 수백 V 등급 홈 기기 (에어컨, 전자 레인지, 냉장고, 세탁기, 밥솥 등)의 가장 큰 시장 규모에 실용적으로 사용되면 매우 에너지 절약 효과를 제공 할 수 있으며 우주 및 원자력 산업에 기여할 수도 있습니다
앞으로, 우리는 바카라 필승법C 장치를 실질적으로 사용하도록 목표로 삼고, 입방 필름 결정 품질을 더욱 향상시키고, 공정 기술 최적화를 통한 채널 이동성을 개선 할뿐만 아니라, 우리는 또한 MOSFET을 추진하는 데 필요한 최소 전압 "임계 전압"을 제어하는 데 필요한 최소 전압 "임계 전압"을 제어하는 데 필요한 기술을 확립하는 것과 같은 신뢰성을 향상시키기위한 기술을 확립하고, 옥스화물의 강화 및 장기적인 감각을 개선하는 것과 같은 기술을 확립하는 것을 목표로합니다 고전압