KR101971597B1 - 웨이퍼 및 박막 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 박막 제조 방법은, 성장 온도에서 웨이퍼 표면에 에피층(epitaxial layer)이 성장되는 단계를 포함하고, 상기 에피층이 성장되는 단계는 상기 웨이퍼 표면에 존재하는 결함을 제어하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 웨이퍼는 기판; 및 상기 기판 상에 위치하는 에피층을 포함하고, 상기 에피층의 기저면 결함 밀도가 1개/cm2 이하이다.

Description

웨이퍼 및 박막 제조 방법{WAFER AND METHOD OF FABRICATION THIN FILM}
본 기재는 웨이퍼 및 박막 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자를 지지하는 반도체 소자에 있어서, 기판 위에 성장되는 반도체층의 결정 결함을 줄이고 반도체층의 결정성을 향상시키는 것이 반도체 소자의 효율 및 특성 향상을 위한 가장 큰 연구 과제이다.
에피택셜 웨이퍼(epitaxial wafer) 제조시 형성되는 결함(이하, 에피 결함)들은 그 종류가 다양하다. 격자의 기저면으로부터 생성된 결함, 격자의 틀어짐으로 인한 결함 및 상기 웨이퍼 표면에서 생성된 결함들이 존재할 수 있다. 상기 결함들은 상기 웨이퍼가 적용된 반도체 소자에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 이러한 웨이퍼를 이용한 소자를 제작함에 있어서 금속 전극 증착 및 패턴의 불균일화에 의한 누설 전류를 크게 할 수 있다.
결정 성장 과정에서 전위 결함을 줄이기 위하여 버퍼층을 형성하는데, 이 버퍼층을 위해 마스크 형성, 식각 등을 이용하여 패턴을 기판 표면에 형성시키는 단계 또는 재성장 공정 단계 등이 더 필요하다.
따라서 이러한 추가적인 공정으로 인해 공정이 복잡하고 비용이 상승하며 기판 표면의 품질이 악화되는 등의 문제점이 있다.
실시예는 고품질의 박막을 제공한다.
실시예에 따른 박막 제조 방법은, 성장 온도에서 웨이퍼 표면에 에피층(epitaxial layer)이 성장되는 단계를 포함하고, 상기 에피층이 성장되는 단계는 상기 웨이퍼 표면에 존재하는 결함을 제어하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 웨이퍼는 기판; 및 상기 기판 상에 위치하는 에피층을 포함하고, 상기 에피층의 기저면 결함 밀도가 1개/cm2 이하이다.
실시예에 따른 박막 제조 방법은, 결함을 제어하는 단계를 포함한다. 상기 결함을 제어하는 단계에서는 상기 웨이퍼 표면에 존재하는 결함을 제어할 수 있다. 구체적으로, 공정 온도를 조절함으로써, 동일한 성장 조건에서 성장 속도의 변화를 미세하게 조절할 수 있고, 웨이퍼 표면 상의 결함의 경로를 변경시킬 수 있다. 즉, 공정 온도 조절이라는 간단한 방법으로 결함을 억제할 수 있어 공정 시간 및 공정 비용을 절감할 수 있다.
또한, 상기 결함을 제어하는 단계를 통해 상기 에피층 내의 스트레스를 완화시킬 수 있고, 웨이퍼 표면 상에 존재하는 결함이 에피층으로 전이되는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해, 에피층의 결함을 감소시켜 에피층의 성능을 향상시킬 수 있고, 표면 조도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 웨이퍼를 사용한 소자의 공정 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 박막 제조 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
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, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하여, 실시예에 따른 박막 제조 방법을 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 박막 제조 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
실시예에 따른 박막 제조 방법은 에피층(epitaxial layer)이 성장되는 단계를 포함한다. 상기 에피층이 성장되는 단계에서는 웨이퍼의 표면에 에피층이 성장될 수 있다. 에피층 형성은 단결정 웨이퍼 표면에 웨이퍼 재질과 동일하거나 또는 다른 재질의 단결정층을 성장시키는 것이다.
통상, 에피층은 화학기상증착(Chemical Vapor Depositon, CVD) 공정을 통해 형성될 수 있다. 특히, 화학기상증착 공정의 경우 열 화학기상증착, 플라즈마 강화 화학기상증착, 저압 화학기상증착, 금속 유기물 화학기상증착 및 원자층 증착 등을 포함할 수 있으며, 상기 공정들은 목적하는 막의 특성에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
상기 화학기상증착 공정의 경우, 진공 챔버 내에 위치된 웨이퍼 상에 소스 가스, 캐리어 가스 및 온도 조절 가스 등의 반응 가스를 제공하고, 상기 반응 가스와 상기 웨이퍼 사이의 표면 반응을 이용하여 상기 웨이퍼 상에 에피층을 형성할 수 있다 일례로, 화학기상증착장비에서 수소(H2) 및 아르곤(Ar) 기체를 캐리어로 하여 실란(Silane, SiH4) 또는 DCS(Dichlorosilane, SiH2) 기체와 도펀트 가스(Dopant gas)를 웨이퍼 표면에 증착시켜서 형성할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 에피층이 성장되는 단계는 성장 온도에서 진행될 수 있다. 일례로, 상기 웨이퍼가 SiC 웨이퍼이고, 상기 SiC 웨이퍼 상에 SiC 에피층을 성장 시킬 경우, 성장 온도는 1450 ℃ 내지 1650 ℃일 수 있다.
상기 성장 온도까지 승온하는 과정에 있어서, 1차 램프업(ramp up)(r1) 및 2차 램프업(r2)을 거칠 수 있다. 즉, 상기 승온하는 과정을 두 번 나누어 승온함으로써, 급격한 온도 변화로 인해 상기 웨이퍼에 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 에피층이 성장되는 단계는 결함을 제어하는 단계를 포함한다. 즉, 상기 2차 램프업(r2) 이후, 상기 결함을 제어하는 단계를 거칠 수 있다. 즉, 상기 결함을 제어하는 단계는 상기 에피층이 성장되는 단계의 초기에 진행된다.
상기 결함을 제어하는 단계에서는, 결함을 제어하기 위한 버퍼층이 성장될 수 있다.
상기 결함을 제어하는 단계는 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1) 및 제2 온도(T2)에서 유지하는 단계(s2)를 포함한다.
상기 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1)에서는 상기 웨이퍼를 상기 성장 온도(TG)보다 높은 제1 온도(T1)에서 유지할 수 있다. 상기 제1 온도(T1)는 상기 성장 온도(TG)보다 5 ℃ 내지 50 ℃ 높은 온도일 수 있다. 상기 제1 온도(T1)가 상기 성장 온도(TG)보다 5 ℃ 미만으로 높을 경우, 성장하는 에피층 내의 스트레스를 완화시키는 효과 및 표면 개선의 효과가 떨어질 수 있다. 상기 제1 온도(T1)가 상기 성장 온도(TG)보다 50 ℃ 초과하여 높은 온도일 경우, 상기 버퍼층의 제어가 어려울 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 온도(T1)는 상기 성장 온도(TG)보다 10 ℃ 내지 30 ℃ 높은 온도일 수 있다.
상기 제2 온도(T2)에서 유지하는 단계(s2)는 상기 웨이퍼를 상기 성장 온도(TG)보다 낮은 제2 온도(T2)에서 유지할 수 있다. 상기 제2 온도(T2)는 상기 성장 온도(TG)보다 5 ℃ 내지 50 ℃ 낮은 온도일 수 있다. 상기 제2 온도(T2)가 상기 성장 온도(TG)보다 5 ℃ 미만으로 낮을 경우, 성장하는 에피층 내의 스트레스를 완화시키는 효과가 떨어질 수 있다. 상기 제2 온도(T2)가 상기 성장 온도(TG)보다 50 ℃ 초과하여 낮은 온도일 경우, 상기 버퍼층의 제어가 어려울 수 있다.
상기 버퍼층의 두께는 1 um 내지 10 um 일 수 있다. 상기 버퍼층의 두께가 1 um 미만일 경우, 에피층 내의 스트레스 완화 효과가 적을 수 있다. 또한, 상기 버퍼층의 두께가 10 um 초과할 경우, 제조 비용이 상승할 수 있고, 추가 공정에 의한 스트레스 완화가 필요할 수 있다. 상기 버퍼층의 두께는 바람직하게는, 5 um 일 수 있다.
상기 결함을 제어하는 단계는 상기 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1) 및 상기 제2 온도(T2)에서 유지하는 단계(s2)는 번갈아 진행될 수 있다.
상기 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1) 및 상기 제2 온도(T2)에서 유지하는 단계(s2)가 적어도 한 번 이상 진행될 수 있다. 일례로, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1)가 세 번, 상기 제2 온도(T2)에서 유지하는 단계(s2)가 두 번 이루어질 수 있다. 즉, 상기 결함을 제어하는 단계는 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1), 제2 온도(T2)에서 유지하는 단계(s2), 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1), 제2 온도(T2)에서 유지하는 단계(s2) 및 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1)로 차례대로 진행될 수 있다.
여기서, 상기 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1)는 5분 이내로 진행될 수 있다. 상기 제1 온도(T1)에서 유지하는 단계(s1)가 5 분을 초과할 경우, 에피층의 표면이 거칠어질 수 있다.
상기 결함을 제어하는 단계는 수소 분위기에서 진행될 수 있다. 또한, 공정 가스가 더 투입될 수 있다. 상기 공정 가스는 Si계, C계, Cl계, Si-C로 이루어진 전구체가 될 수 있다.
상기 결함을 제어하는 단계에서는 상기 웨이퍼 표면에 존재하는 결함을 제어할 수 있다. 구체적으로, 공정 온도를 조절함으로써, 동일한 성장 조건에서 성장 속도의 변화를 미세하게 조절할 수 있고, 웨이퍼 표면 상의 결함의 경로를 변경시킬 수 있다.
또한, 상기 결함을 제어하는 단계를 통해 상기 에피층 내의 스트레스를 완화시킬 수 있고, 웨이퍼 표면 상에 존재하는 결함이 에피층으로 전이되는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해, 에피층의 결함을 감소시켜 에피층의 성능을 향상시킬 수 있고, 표면 조도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 웨이퍼를 사용한 소자의 공정 수율을 향상시킬 수 있다.
일반적으로 상기 에피층 내에는 웨이퍼에서 기인된 결함들이 많이 생겨난다. 이러한 결함들은 반도체 수율을 저하시키기 때문에 관리 대상으로 항상 제어되어야 한다.
에피택셜 웨이퍼 제조시 형성되는 결함(이하, 에피 결함)들은 그 종류가 다양하다. 격자의 기저면으로부터 생성된 결함, 격자의 틀어짐으로 인한 결함 및 상기 웨이퍼 표면에서 생성된 결함들이 존재할 수 있다. 상기 결함들은 상기 웨이퍼가 적용된 반도체 소자에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 이러한 웨이퍼를 이용한 소자를 제작함에 있어서 금속 전극 증착 및 패턴의 불균일화에 의한 누설 전류를 크게 할 수 있다.
가장 관리되어야 하는 에피결함은 스택킹 폴트(stacking fault)와 전위(dislocation)이다. 이러한 에피 결함은 서브 웨이퍼에 형성되어있는 결함이나 파티클이 원인이지만, 에피 성장 공정에서 형성된다. 또한 탄화규소 에피층 표면에 큰 사이즈로 형성되기 때문에 파티클 카운터나 육안에 의하여 쉽게 관찰할 수 있다.
특히, 탄화규소를 포함하는 웨이퍼는 기저면 전위 결함(Basal Plane Dislocation, BPD)을 포함한다. 상기 기저면 전위 결함은 웨이퍼 내에 존재하는 온도구배, 열팽창에 의한 미스매치 등에 의해 야기될 수 있다. 또한, 소성변형 및 열응력 등의 원인에 의해서도 형성될 수 있다. 또한, 이러한 기저면 전위 결함(BPD)은 반도체 소자의 신뢰성에 많은 영향을 주기 때문에 이를 감소시키는 것이 중요하다.
상기 기저면 전위 결함은 4° off-axis 4H-SiC 웨이퍼 또는 8° off-axis 4H-SiC 웨이퍼에서 많이 나타날 수 있다. 오늘날 상업적인 웨이퍼는 4H-SiC 의 경우 특정 방향으로 4° 또는 8°로 절단되어 있으며, 상기 4° off-axis 4H-SiC 웨이퍼 및 8° off-axis 4H-SiC 웨이퍼는 각각 4°와 8°로 절단한 웨이퍼를 말한다.
본 실시예에서는 상기 에피층의 성장 초기에 공정 온도를 조절하여 상기 결함을 억제할 수 있다. 즉, 공정 온도 조절이라는 간단한 방법으로 결함을 억제할 수 있어 공정 시간 및 공정 비용을 절감할 수 있다.
실시예에 따른 박막 제조 방법을 통해 제조된 웨이퍼는 기판 및 에피층을 포함하고, 상기 에피층의 기저면 결함 밀도가 1개/cm2 이하일 수 있다. 또한, 상기 에피층의 표면 결함 밀도가 1개/cm2 이하일 수 있다. 즉, 결함 밀도를 감소시켜 표면 조도가 향상된 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 (12)

  1. 성장 온도에서 웨이퍼 표면 상에 에피층(epitaxial layer)이 성장되는 단계; 및
    상기 에피층이 성장되는 단계는 상기 웨이퍼 표면에 존재하는 결함을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 결함을 제어하는 단계는 상기 성장 온도보다 높은 제1 온도에서 유지하는 단계 및 상기 성장 온도보다 낮은 제2 온도에서 유지하는 단계를 포함하고,
    상기 웨이퍼는 SiC를 포함하고,
    상기 에피층은 SiC를 포함하고,
    상기 에피층이 성장되는 단계는 상기 에피층을 성장시키기 전에 상기 웨이퍼의 온도를 상기 성장 온도까지 증가시키는 단계를 포함하고,
    상기 웨이퍼의 온도 증가는 1차 램프업 및 2차 램프업을 거치는 승온과정을 포함하고,
    상기 2차 램프업 온도는 상기 1차 램프업 온도보다 높은 것인, 박막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결함을 제어하는 단계는 상기 에피층이 성장되는 단계의 초기에 진행되는 박막 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결함을 제어하는 단계에서는 결함을 제어하기 위한 버퍼층이 성장되는 박막 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결함을 제어하는 단계는 상기 제1 온도에서 유지하는 단계 및 상기 제2 온도에서 유지하는 단계가 번갈아 진행되는 박막 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도에서 유지하는 단계 및 상기 제2 온도에서 유지하는 단계가 적어도 한 번 이상 진행되는 박막 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도는 상기 성장 온도보다 5 ℃ 내지 50 ℃ 높은 박막 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 온도는 상기 성장 온도보다 5 ℃ 내지 50 ℃ 낮은 박막 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도에서 유지하는 단계는 5분 이내로 진행되는 박막 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 결함을 제어하는 단계는 수소 분위기에서 진행되는 박막 제조 방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 버퍼층의 두께는 1 um 내지 10 um 인 박막 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
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