KR101942514B1 - 탄화규소 증착 방법 및 탄화규소 에피 웨이퍼 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 서셉터 내에 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 서셉터에 탄소원(C source)을 투입하는 단계; 상기 서셉터 내에 반응 가스를 투입하여 중간 화합물을 생성하는 단계; 및 상기 중간 화합물과 상기 웨이퍼가 반응하여 상기 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼는, 웨이퍼; 상기 웨이퍼 상에 형성되는 탄화규소 에피층을 포함하고, 상기 탄화규소 에피층의 표면 조도는 1㎚ 이하이다.

Description

탄화규소 증착 방법 및 탄화규소 에피 웨이퍼{METHOD FOR DEPOSITION OF SILICON CARBIDE AND SILICON CARBIDE EPI WAFER}
본 기재는 탄화규소 증착 방법 및 탄화규소 에피 웨이퍼에 관한 것이다.
일반적으로 기판 또는 웨이퍼(wafer)상에 다양한 박막을 형성하는 기술 중에 화학 기상 증착 방법(Chemical Vapor Deposition; CVD)이 많이 사용되고 있다. 화학 기상 증착 방법은 화학 반응을 수반하는 증착 기술로, 소스 물질의 화학 반응을 이용하여 웨이퍼 표면상에 반도체 박막이나 절연막 등을 형성한다.
이러한 화학 기상 증착 방법 및 증착 장치는 최근 반도체 소자의 미세화와 고효율, 고출력 LED 개발 등으로 박막 형성 기술 중 매우 중요한 기술로 주목 받고 있다. 현재 웨이퍼 상에 규소 막, 산화물 막, 질화규소 막 또는 산질화규소 막, 텅스텐 막 등과 같은 다양한 박막들을 증착하기 위해 이용되고 있다.
일례로, 기판 또는 웨이퍼 상에 탄화규소 박막을 증착하기 위해서는, 웨이퍼와 반응할 수 있는 반응 가스가 투입되어야 한다. 종래에는 원료로서, 표준전구체인 실란(SiH4), 에틸렌(C2H4)을 투입하거나, 또는, 메틸트리클로로실레인(methyltrichlorosilane;MTS)을 투입하고, 상기 원료를 가열하여 CH3, SiClx 등의 중간 화합물을 생성한 후, 이러한 중간 화합물이 증착부에 투입되어 서셉터 내에 위치하는 웨이퍼와 반응하여 탄화규소 에피층을 증착하였다.
그러나, 상기 탄화규소 에피 박막층을 증착되는 웨이퍼의 표면에는 탄소 및 규소가 균일하게 분포하고 있는 상태가 아닌 규소의 분포도가 매우 높게 형성된다. 이때, 이러한 규소는 상기 웨이퍼 표면에서 표면 조도를 높게 하기 때문에 상기 에피 웨이퍼에 있어 결함을 유발시킬 수 있는 문제점이 있다.
이에 따라, 상기 탄화규소 웨이퍼의 표면을 변화시킬 수 있는 방법의 필요성이 요구된다.
실시예는 웨이퍼 상에 탄화규소를 증착시 상기 웨이퍼의 표면을 탄소-리치(C-rich) 표면으로 개질하여 표면 조도가 1㎚ 이하인 탄화규소 에피 웨이퍼를 제조하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법 및 탄화규소 에피 웨이퍼를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 서셉터 내에 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 서셉터에 탄소원(C source)을 투입하는 단계; 상기 서셉터 내에 반응 가스를 투입하여 중간 화합물을 생성하는 단계; 및 상기 중간 화합물과 상기 웨이퍼가 반응하여 상기 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼는, 웨이퍼; 상기 웨이퍼 상에 형성되는 탄화규소 에피층을 포함하고, 상기 탄화규소 에피층의 표면 조도는 1㎚ 이하이다.
실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 원료에 의한 중간 화합물을 탄화규소 웨이퍼 상에 증착하기 전에 탄소원을 투입하여 상기 탄화규소 웨이퍼의 표면을 탄소가 풍부한 탄소-리치(C-rich) 상태로 변화시킬 수 있다.
상기 탄화규소 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층이 증착되는 탄화규소 에피 웨이퍼는 표면 조도를 1㎚ 이하로 감소시키고, 표면 결함이 없으므로 고품질의 탄화규소 에피 웨이퍼를 제조할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법의 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
도 2는 탄화규소 웨이퍼 상에 탄소원을 투입하는 공정을 도시한 도면이다.
도 3은 상기 탄소원이 투입된 탄화규소 웨이퍼의 표면 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 상기 탄화규소 웨이퍼 상에 반응가스가 투입되어 에피층이 증착되는 공정을 도시한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼를 도시한 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 증착 장치를 분해한 분해사시도이다.
도 7은 실시예에 따른 증착 장치를 도시한 사시도이다.
도 8은 도 7에서 I-I'를 따라서 절단한 단면도의 일부이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법을 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법의 공정 흐름도를 도시한 도면이고, 도 2는 탄화규소 웨이퍼 상에 탄소원을 투입하는 공정을 도시한 도면이며, 도 3은 상기 탄소원이 투입된 탄화규소 웨이퍼의 표면 상태를 도시한 도면이고, 도 4는 상기 탄화규소 웨이퍼 상에 반응가스가 투입되어 에피층이 증착되는 공정을 도시한 도면이며, 도 5는 실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 웨이퍼를 준비하는 단계(ST10); 서셉터에 탄소원(C source)를 투입하는 단계(ST20); 상기 서셉터에 반응 가스를 투입하여 중간 화합물을 생성하는 단계(ST30); 및 상기 중간 화합물과 상기 웨이퍼가 반응하여 상기 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 형성하는 단계(ST40)를 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼를 준비하는 단계(ST10)에서는 서셉터 내에 상기 웨이퍼를 위치시킬 수 있다. 이때, 상기 웨이퍼는 탄화규소 웨이퍼일 수 있다.
이어서, 상기 서셉터에 탄소원을 투입하는 단계(ST20)에서는 상기 서셉터에 알칸(CnH2n +2, 여기서 1≤n≤3), 알켄(CnH2n -2, 여기서 2≤n≤3) 또는 알킨(CnH2n, 여기서 2≤n≤3)을 포함하는 탄소화합물을 투입할 수 있다. 상기 탄소 화합물은 상기 서셉터가 1500℃ 내지 1575℃의 온도로 가열된 후 투입될 수 있다.
도 2에 도시되어 있듯이, 상기 탄화규소 벌크 웨이퍼의 표면은 탄소(C)보다 규소(Si)가 더 풍부할 수 있다. 그러나, 이러한 규소는 상기 웨이퍼의 표면에 일정한 돌출부를 형성하여 상기 탄화규소 웨이퍼의 표면을 거칠게 할 수 있다. 이러한 표면 거칠기는 탄화규소 웨이퍼 상에 결함이 생성되는 원인이 될 수 있고, 이에 따라, 상기 탄화규소 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 증착할 때 상기 결함이 연장되어 상기 탄화규소 에피층에도 영향을 줄 수 있다.
따라서, 도 3에 도시되어 있듯이, 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은 규소가 풍부한 탄화규소 웨이퍼의 표면을 상기 탄소원을 투입하는 단계에 의해 상기 탄화규소 웨이퍼의 표면을 탄소가 풍부한 탄소-리치(C-rich) 상태로 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 서셉터를 1500℃ 내지 1575℃의 온도로 가열하고 이에 의해 탄소 화합물에 포함되는 탄소가 상기 탄화규소 웨이퍼의 표면에 탄소층을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 규소에 의한 돌출부를 제거할 수 있고, 표면이 평탄한 탄화규소 웨이퍼가 형성될 수 있다.
이어서, 서셉터에 반응 가스를 투입하여 중간 화합물을 생성하는 단계(ST30) 및 상기 중간 화합물과 상기 웨이퍼가 반응하여 상기 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 형성하는 단계(ST40)에서는 상기 원료 즉, 반응 가스를 이용하여 상기 서셉터 내에서 상기 웨이퍼 또는 상기 기판과 반응하는 중간 화합물을 생성하고, 상기 중간 화합물이 상기 서셉터에 투입되어 상기 웨이퍼와 반응하여 상기 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 형성할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 상기 중간 화합물과 상기 웨이퍼가 반응하여 탄화규소 에피층이 형성되는 것을 설명한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 증착 장치는 챔버(10), 서셉터(20), 소스 기체 라인(40), 웨이퍼 홀더(30) 및 유도 코일(50)을 포함한다.
상기 챔버(10)는 원통형 튜브 형상을 가질 수 있다. 이와는 다르게, 상기 챔버(10)는 사각 박스 형상을 가질 수 있다. 상기 챔버(10)는 상기 서셉터(20), 상기 소스 기체 라인(40) 및 상기 웨이퍼 홀더(30)를 수용할 수 있다.
또한, 상기 챔버(10)의 양 끝단들은 밀폐되고, 상기 챔버(10)는 외부의 기체유입을 막고 진공도를 유지할 수 있다. 상기 챔버(10)는 기계적 강도가 높고, 화학적 내구성이 우수한 석영(quartz)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 챔버(10)는 향상된 내열성을 가진다.
또한, 상기 챔버(10) 내에 단열부(60)가 더 구비될 수 있다. 상기 단열부(60)는 상기 챔버(10) 내의 열을 보존하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 단열부로 사용되는 물질의 예로서는 질화물 세라믹, 탄화물 세라믹 또는 흑연 등을 들 수 있다.
상기 서셉터(20)는 상기 챔버(10) 내에 배치된다. 상기 서셉터(20)는 상기 소스 기체 라인(40) 및 상기 웨이퍼 홀더(30)를 수용한다. 또한, 상기 서셉터(20)는 상기 웨이퍼(W) 등과 같은 기판을 수용한다. 또한, 상기 소스 기체 라인(40)을 통하여, 상기 서셉터(20) 내부로 상기 반응 기체가 유입된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 서셉터(20)는 서셉터 상판(21), 서셉터 하판(22) 및 서셉터 측판(23)들을 포함할 수 있다. 또한, 서셉터 상판(21)과 서셉터 하판(22)은 서로 마주보며 위치한다.
상기 서셉터(20)는 상기 서셉터 상판(21)과 상기 서셉터 하판(22)을 위치시키고 양 옆에 상기 서셉터 측판(23)들을 위치시킨 후 합착하여 제조할 수 있다.
그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니므로, 직육면체의 서셉터(20)에 가스 통로를 위한 공간을 내어 제조할 수 있다.
상기 서셉터(20)는 고온 등의 조건에서 견딜 수 있도록 내열성이 높고 가공이 용이한 흑연(graphite)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 서셉터(20)는 흑연 몸체에 탄화규소가 코팅된 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 서셉터(20)는 자체로 유도가열될 수 있다.
상기 서셉터(20)에 공급되는 반응 기체는 열에 의해서, 중간 화합물로 분해되고, 이 상태에서, 상기 웨이퍼(W) 등에 증착될 수 있다. 예를 들어, 상기 반응 기체는 액상 원료인 메틸트리클로로실란(methyltrichlorosilane;MTS) 또는 기상 원료인 실란(SiH4) 및 에틸렌(C2H4) 또는 실란 및 프로판(C3H8) 등을 투입할 수 있다. 그러나, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 반응 가스는 탄소 및 규소를 포함하는 다양한 화합물을 포함할 수 있다.
상기 원료는 규소 또는 탄소를 포함하는 라디칼로 분해되고, 상기 웨이퍼(W) 상에는 탄화규소 에피층이 성장될 수 있다. 더 자세하게, 상기 라디칼은 CH3·, SiCl·, SiCl2·, SiHCl·, SiHCl2·등을 포함하는 CHx·(1≤x<4) 또는 SiClx·(1≤x<4) 일 수 있다.
상기 소스 기체 라인(40)은 사각 튜브 형상을 가질 수 있다. 상기 소스 기체 라인(40)으로 사용되는 물질의 예로서는 석영 등을 들 수 있다.
상기 웨이퍼 홀더(30)는 상기 서셉터(20) 내에 배치된다. 더 자세하게, 상기 웨이퍼 홀더(30)는 상기 소스 기체가 흐르는 방향을 기준으로, 상기 서셉터(20)의 후미에 배치될 수 있다. 상기 웨이퍼 홀더(30)는 상기 웨이퍼(W)를 지지한다. 상기 웨이퍼 홀더(30)로 사용되는 물질의 예로서는 탄화규소 또는 흑연 등을 들 수 있다.
상기 유도 코일(50)은 상기 챔버(10) 외측에 배치된다. 더 자세하게, 상기 유도 코일(50)은 상기 챔버(10)의 외주면을 둘러쌀 수 있다. 상기 유도 코일(50)은 전자기 유도를 통하여, 상기 서셉터(20)를 유도 발열시킬 수 있다. 상기 유도 코일(50)은 상기 챔버(10)의 외주면을 감을 수 있다.
상기 서셉터(20)는 상기 유도 코일(50)에 의해서, 약 1500℃ 내지 약 1700℃의 온도로 가열될 수 있다. 앞서 설명하였듯이, 상기 온도가 1500℃ 내지 1575℃의 온도로 올라가는 구간에서는 상기 탄소원을 투입하여 상기 웨이퍼의 표면을 탄소-리치 상태로 변화시킬 수 있다. 이후, 1575℃ 내지 1700℃의 온도에서 상기 소스 기체는 중간 화합물로 분해되고, 상기 서셉터 내부로 유입되어 상기 웨이퍼(W)에 분사된다. 상기 웨이퍼(W)에 분사된 라디칼에 의해서, 상기 웨이퍼(W) 상에 탄화규소 에피층이 형성된다.
이와 같이, 실시예에 따른 탄화규소 에피층 성장장치는 상기 웨이퍼(W) 등의 기판 상에 상기 에피층과 같은 박막을 형성하고, 남은 기체는 상기 서셉터(20)의 끝단에 배치되는 배출 라인을 통하여, 외부로 배출될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 탄화규소 증착 방법에 의해 제조되는 탄화규소 에피 웨이퍼가 도시되어 있다. 상기 탄화규소 에피 웨이퍼는 상기 웨이퍼 상의 표면을 실리콘이 풍부한 환경에서 탄소가 풍부한 탄소-리치 상태로 변화시킨 후에 탄화규소 층을 증착시키게 되므로, 표면 결함이 없고 표면 조도가 1㎚ 이하인 탄화규소 에피 웨이퍼를 제조할 수 있다. 바람직하게는, 상기 표면 조도는 0.1㎚ 내지 1㎚ 일 수 있다. 즉, 탄화규소 웨이퍼와 탄화규소 에피층 사이에 버퍼층 역할을 하는 탄소층이 증착되고, 상기 탄소층 사이에 탄화규소 에피층이 증착되므로, 표면 조도를 감소시킬 수 있어 고품질의 탄화규소 에피 웨이퍼를 제조할 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 서셉터 내에 탄화규소 웨이퍼를 준비하는 단계;
    상기 서셉터에 탄소원(C source)을 투입하는 단계;
    상기 서셉터 내에 반응 가스를 투입하여 중간 화합물을 생성하는 단계; 및
    상기 중간 화합물과 상기 탄화규소 웨이퍼가 반응하여 상기 탄화규소 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 탄소원은 알칸(CnH2n+2, 여기서 1≤n≤3), 알켄(CnH2n, 여기서 2≤n≤3) 또는 알킨(CnH2n-2, 여기서 2≤n≤3)을 포함하고,
    상기 서셉터는 1500℃ 내지 1700℃의 온도로 가열되고,
    상기 탄소원은 1500℃ 내지 1575℃의 온도에서 상기 서셉터 내에 투입되고,
    상기 반응 가스는 1575℃ 내지 1700℃의 온도에서 상기 서셉터 내에 투입되고,
    상기 탄소원을 투입하기 전 상기 탄화규소 웨이퍼의 표면은 규소-리치 상태이고,
    상기 탄소원을 투입한 후, 상기 탄소원에 의해 상기 탄화규소 웨이퍼의 표면에 탄소층이 형성되어, 상기 탄화규소 웨이퍼의 표면은 탄소-리치 상태로 변화되는 탄화규소 증착 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 가스는 탄소(C) 및 규소(Si)를 포함하는 탄화규소 증착 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 중간 화합물은 CHx·(1≤x<4) 또는 SiClx·(1≤x<4)를 포함하는 탄화규소 증착 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소원이 투입된 후, 상기 탄화규소 웨이퍼의 표면 조도는 1㎚ 이하인 탄화규소 증착 방법.
  11. 삭제
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