KR20130065945A - 탄화규소 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 하기의 화학식(I)으로 표현되는 원료를 이용하여 중간 화합물을 생성하는 단계; 및 상기 중간 화합물이 반응로에 투입되어 기판 상에 탄화규소층을 형성하는 단계를 포함하고,
화학식(I)
Figure pat00004

상기 X1, X2 및 X3 중 2개는 할로겐 원소, 1개는 수소 원소이거나, 또는 2개는 수소 원소, 1개는 할로겐 원소이고, 상기 R은 CnH2n +1(여기서, 1≤n≤2)이다.

Description

탄화규소 증착 방법{METHOD FOR DEPOSITION OF SILICON CARBIDE}
실시예는 탄화규소 증착 방법에 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) 및 염화수소(HCl)를 투입하거나, 또는, 메틸트리클로로실레인(methyltrichlorosilane;MTS)을 가열하여 CH3, SiClx 등의 중간 화합물을 생성한 후, 이러한 중간 화합물이 증착부에 투입되어 서셉터 내에 위치하는 웨이퍼와 반응하여 탄화규소 에피층을 증착하였다.
그러나, 상기 탄화규소 에피층을 위한 원료인 실란, 에틸렌은 매우 고가의 원료이며 성장속도가 느리다는 단점이 있었다. 또한, 메틸트리클로로실란 역시 반응성이 낮은 중간 화합물이 생성되어 성장속도가 느리다는 단점이 있었다.
이에 따라, 탄화규소 에피 박막 증착시, 상기 표준 전구체 및 메틸트리클로로실레인을 대체할 수 있는 원료의 필요성이 대두되고 있다.
실시예는 고품질의 탄화규소 에피 박막을 형성할 수 있는 탄화규소 증착 장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 하기의 화학식(I)으로 표현되는 원료를 이용하여 중간 화합물을 생성하는 단계; 및 상기 중간 화합물이 반응로에 투입되어 기판 상에 탄화규소층을 형성하는 단계를 포함하고,
화학식(I)
Figure pat00001
상기 X1, X2 및 X3 중 2개는 할로겐 원소, 1개는 수소 원소이거나, 또는 2개는 수소 원소, 1개는 할로겐 원소이고, 상기 R은 CnH2n +1(여기서, 1≤n≤2)이다.
실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은 원료로서 디클로로메틸실란(Dichloromethylsilane, DCMS) 또는 디클로로메틸실란(Dichloromethylsilane, DCMS) 및 염화수소(HCl)을 포함할 수 있다.
상기 디클로로메틸실란은 규소(Si)와 탄소(C)의 비가 1:1을 유지할 수 있어 화학 조성비를 유지할 수 있으며, 표준 전구체인 실란 및 에틸렌 또는 메틸트리클로로실란에 비해 제조 비용이 적게 드는데 반해, 반응성 및 성장 속도에 있어서 유리한 효과를 가질 수 있다.
이에 따라, 탄화규소 에피 증착의 공정 효율을 향상시키는 것과 동시에 기판 또는 웨이퍼에 고품질의 탄화규소 에피 박막을 증착할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 탄화규소 증착 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른 증착부의 반응 가스의 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 증착부를 분해한 분해사시도이다.
도 4는 실시예에 따른 증착부를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에서 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, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 실시예에 따른 탄화규소 증착 장치를 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 탄화규소 성장 장치는 캐리어 기체 공급부(100), 반응 기체 공급부(300) 및 증착부(400)를 포함한다.
상기 캐리어 기체 공급부(100)는 상기 반응 기체 공급부(300)에 캐리어 기체를 공급한다. 상기 캐리어 기체는 매우 낮은 반응성을 가진다. 상기 캐리어 기체의 예로서는 수소 또는 불활성 기체 등을 들 수 있다. 특히, 상기 캐리어 기체 공급부(100)는 제 1 공급 라인(210)을 통하여, 상기 반응 기체 공급부(300)에 상기 캐리어 기체를 공급할 수 있다.
상기 반응 기체 공급부(300)는 상기 반응 기체를 발생시킨다. 또한, 상기 반응 기체 공급부(300)는 상기 반응 기체를 생성하기 위한 액체(310)를 수용한다. 예를 들어, 상기 액체(310)가 증발되어 상기 반응 기체가 형성될 수 있다.
상기 제 1 공급 라인(210)의 끝단은 상기 액체(310)에 잠길 수 있다. 이에 따라서, 상기 제 1 공급 라인(210)을 통하여, 상기 액체(310) 내에 상기 캐리어 기체가 공급된다. 이에 따라서, 상기 액체(310) 내에 상기 캐리어 기체를 포함하는 버블이 형성될 수 있다.
상기 액체(310) 및 상기 반응 기체는 규소 및 탄소를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 액체(310) 및 상기 반응 기체는 메틸디클로로실란(Dichloromethylsilane)을 포함할 수 있다.
상기 반응 기체 공급부(300)는 상기 액체(310)에 열을 가하는 발열부를 포함할 수 있다. 상기 발열부는 상기 액체(310)에 열을 가하여, 상기 액체(310)를 증발시킬 수 있다. 상기 발열부에 의해서, 가해지는 열량에 따라서, 증발되는 반응 기체의 양이 적절하게 조절될 수 있다.
상기 반응 기체 공급부(300)는 상기 제 2 공급 라인(220)을 통하여, 상기 증착부(400)에 상기 반응 기체를 공급한다. 즉, 상기 반응 기체 공급부(300) 및 상기 캐리어 기체의 흐름 및 상기 액체(310)의 증발에 의해서, 상기 반응 기체는 상기 증착부(400)에 공급된다.
상기 증착부(400)는 상기 제 2 공급 라인(220)에 연결된다. 상기 증착부(400)는 상기 반응 기체 공급부(300)로부터, 상기 제 2 공급 라인(220)을 통하여, 상기 반응 기체를 공급받는다.
상기 증착부(400)는 에피텍셜층을 형성하고자 하는 웨이퍼(W)를 수용한다. 상기 증착부(400)는 상기 반응 기체를 사용하여, 상기 에피텍셜층을 형성한다. 즉, 상기 증착부(400)는 상기 웨이퍼(W) 상에 상기 반응 기체를 사용하여, 박막을 형성한다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법을 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 증착 장치에서 반응 가스의 투입 및 반응 가스의 흐름을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 증착부에는 액상의 소스를 가열하여 생성되는 디클로로메틸실란(Dichloromethylsilane, DCMS) 및 염화수소(HCl) 또는 염소(Cl2)이 투입될 수 있고, 캐리어 가스로서, 수소(H2)를 포함할 수 있다.
상기 디클로로메틸실란은 하기 화학식으로 표현되는 화합물이다.
화학식
Figure pat00002
일반적으로 탄화규소 에피 박막 성장시 탄소(C)와 규소(Si)의 비는 성장에서 가장 중요한 인자 중의 하나이다. 즉, 탄소나 규소 중 어느 한쪽이 풍부한 조건에 의해 결정 형상이 다르게 나타날 수 있다. 완벽한 화학양론비적인 탄화규소를 얻기 위해서는 탄소와 규소의 몰비가 1:1이어야 한다. 상기 디클로로메틸실란은 탄소(C)와 규소(Si)의 몰비가 1:1이기 때문에, 화학 조성비를 유지할 수 있어 성장에 매우 유리하다는 장점이 있다. 또한, 종래의 메틸트리클로로실레인에서 염소 원자 하나가 수소로 치환되었기 때문에 중간 화합물로 SiHCl·, SiHCl2·가 생성되기 때문에, 반응성면에서도 유리하다는 장점이 있다.
실시예에 따른 증착 방법은, 원료로서 상기 디클로로메틸실란과 함께 상기 염화수소 또는 염소를 더 포함할 수 있다. 염소 원자는 가스 상에서 규소 원자와 높은 결합력을 가지며, 단결정 박막 성장에 악영향을 미치는 규소 클러스터의 형성을 억제하는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 ,4° 및 온 엑시스(on-axis) 기판의 경우 염소와 규소를 3 내지 9의 몰비로 공급하여야 한다.
이에 따라, 상기 디클로로메틸실란에 염화수소 또는 염소를 추가로 공급하여 상기 규소와 염소의 몰비를 제어할 수 있다. 바람직하게, 상기 디클로로메틸실란과 상기 염화수소 또는 상기 디클로로메틸실란과 상기 염소는 0.9:1 내지 1:1.1의 몰비로 상기 증착부에 공급될 수 있다.
상기 염화수소 또는 염소의 추가로 인해, 부족한 규소와 염소의 비를 보충할 수 있으며, 상기 서셉터 내에서 매우 높은 성장 속도를 얻을 수 있고, 성장 인자들의 넓은 공정 영역을 가질 수 있게 된다.
상기 디클로로메틸실란과 염화수소 또는 염소는 캐리어 가스인 수소와 함께 증착부 내부로 유입될 수 있다. 상기 디클로로메틸실란과 염화수소 또는 염소는 증착부의 저온 영역 내에서 중간화합물로 분해될 수 있다. 바람직하게는, 상기 디클로로메틸실란과 염화수소 또는 염소는 800℃ 내지 1300℃의 온도에서 중간 화합물을 생성할 수 있다. 더 바람직하게는, 상기 디클로로메틸실란과 염화수소 또는 염소는 800℃ 내지 1100℃의 온도에서 중간 화합물을 생성할 수 있다.
상기 디클로로메틸실란과 염화수소 또는 염소는 상기 온도에서 분해되어 CH3 라디칼, SiCl 라디칼 및 SiHCl 라디칼 등의 중간 화합물을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 상기 중간 화합물은 CH3·, SiCl·, SiCl2·, SiHCl·, SiHCl2·를 포함할 수 있다. 이러한 중간 화합물은 서셉터 내부로 유입되고, 상기 중간 화합물과 웨이퍼가 반응하여 상기 웨이퍼 상에 탄화규소 에피 박막층이 증착될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 웨이퍼에 탄화규소 박막층이 증착되는 공정을 상세히 설명한다.
도 3은 실시예에 따른 증착부를 분해한 분해사시도이고, 도 4는 실시예에 따른 증착부를 도시한 사시도며, 도 5는 도 4에서 A-A'를 따라서 절단한 단면도의 일부이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 증착부(400)는 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 디클로로메틸실란(Dichloromethylsilane, DCMS) 또는 디클로로메틸실란, 염화수소를 함께 투입할 수 있다. 바람직하게, 상기 디클로로메틸실란 염화수소는 0.9:1 내지 1:1.1의 몰비로 투입될 수 있다.
상기 디클로로메틸실란 규소 또는 탄소를 포함하는 라디칼로 분해되고, 상기 웨이퍼(W) 상에는 탄화규소 에피층이 성장될 수 있다. 더 자세하게, 상기 라디칼은 CH3·, SiCl·, SiCl2·, SiHCl·, SiHCl2·를 포함할 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 800℃ 내지 약 1700℃의 온도로 가열될 수 있다. 더 자세하게, 도 2에 도시되어 있듯이, 상기 챔버(10) 내부는 반응 가스를 중간 화합물로 분해하는 저온 분해 영역과, 상기 중간 화합물과 웨이퍼가 반응하는 고온 반응 영역을 포함하며, 상기 저온 분해 영역은 800℃ 내지 1300℃로, 바람직하게는, 800℃ 내지 1100℃로 가열될 수 있으며, 상기 고온 반응 영역은 1400℃ 내지 1700℃의 온도로 가열될 수 있다.
이에 따라서, 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.
실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은 원료로서 디클로로메틸실란(Dichloromethylsilane, DCMS) 또는 디클로로메틸실란(Dichloromethylsilane, DCMS) 및 염화수소(HCl)를 이용할 수 있다.
상기 디클로로메틸실란은 규소(Si)와 탄소(C)의 비가 1:1을 유지할 수 있어 화학 조성비를 유지할 수 있으며, 종래 원료로 사용하던 표준 전구체인 실란 및 에틸렌 또는 메틸트리클로로실란에 비해 제조 비용이 적게 든다. 또한, 중간 화합물로서, 수소를 포함하는 SiHCl·, SiHCl2· 등을 포함하므로, 반응성 및 성장 속도에 있어서 메틸트리클로로실란에 비해 유리한 효과를 가질 수 있다.
이에 따라, 탄화규소 에피 증착의 공정 효율을 향상시키는 것과 동시에 기판 또는 웨이퍼에 고품질의 탄화규소 에피 박막을 증착할 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 (9)

  1. 하기의 화학식(I)으로 표현되는 원료를 이용하여 중간 화합물을 생성하는 단계; 및
    상기 중간 화합물이 반응로에 투입되어 기판 상에 탄화규소층을 형성하는 단계를 포함하고,
    화학식(I)
    Figure pat00003

    상기 X1, X2 및 X3 중 2개는 할로겐 원소, 1개는 수소 원소이거나, 또는 2개는 수소 원소, 1개는 할로겐 원소이고,
    상기 R은 CnH2n +1(여기서, 1≤n≤2)인 탄화규소 증착 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 할로겐 원소는 염소(Cl)인 탄화규소 증착 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 원료는 디클로로메틸실란(Dichloromethylsilane, DCMS)을 포함하는 탄화규소 증착 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 원료는 염화수소(HCl) 또는 염소(Cl2)를 더 포함하여 중간 화합물을 생성하는 탄화규소 증착 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 원료는 디클로로메틸실란(Dichloromethylsilane, DCMS)을 포함하는 탄화규소 증착 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 원료는 상기 염화수소 또는 염소와 0.9:1 내지 1:1.1의 몰비로 포함되는 탄화규소 증착 방법.
  7. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 원료는 800℃ 내지 1300℃의 온도에서 중간 화합물을 생성하는 탄화규소 증착 방법.
  8. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 원료는 800℃ 내지 1100℃의 온도에서 중간 화합물을 생성하는 탄화규소 증착 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 중간 화합물은 CH3·, SiCl·, SiCl2·, SiHCl·, SiHCl2·를 포함하는 탄화규소 증착 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111801441A (zh) * 2017-12-27 2020-10-20 应用材料公司 用于制造涂覆碳化硅的主体的工艺

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