KR20130076365A - 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법 및 탄화규소 에피 웨이퍼 - Google Patents

탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법 및 탄화규소 에피 웨이퍼 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법은, 반응로에 탄소원 및 규소원을 투입하는 단계; 상기 반응로를 가열하는 단계; 및 상기 탄소원 또는 상기 규소원의 투입량을 조절하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼는, 탄화규소 에피층의 표면 조도가 0.3㎚ 이하이다.

Description

탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법 및 탄화규소 에피 웨이퍼{METHOD FOR FABRICATION SILICON CARBIDE EPITAXIAL WAFER AND SILICON CARBIDE EPITAXIAL WAFER}
본 기재는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 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.
기판 또는 웨이퍼 상에 탄화규소(SiC) 에피층을 성장함에 있어는 박막 내부 및 표면 결함은 전력 소자의 성능 저하 및 장시간의 신뢰성에 많은 영향을 줄 수 있다. 또한, 양산 능력을 높이기 위해 성장속도를 빠르게 하여 공정 시간을 단축하기 위한 많은 방법이 개발되고 있다.
이에 따라, 종래에는 이러한 고속 성장을 유도하기 위해 고온의 환경에서 규소(Si) 가스의 투입량을 늘리고, 이러한 규소 가스에 의한 2차 결함을 줄이기 위해 염소 계열의 가스를 투입하여 성장되는 표면의 화학양론비를 맞추어 확산 거리를 조절하였다.
그러나 이러한 높은 성장 온도, 염소 계열 가스의 투입 및 버퍼층의 삽입과 같은 공정은 에피층 성장 과정에서 결함을 줄이기 위해 2차 공정이 추가적으로 요구된다. 따라서 이러한 추가적인 공정으로 인해 공정이 복잡해지고 비용이 상승하며 기판 표면의 품질이 악화되는 등의 문제점이 있다.
이에 따라, 상기와 같은 2차 공정을 요구하지 않고 높은 성장 속도 및 표면 결함을 제거할 수 있는 에피층 성장 방법의 필요성이 요구된다.
실시예는 버퍼층의 삽입 등 2차적 공정이 요구되지 않고 탄소 및 규소 가스의 투입량의 조절에 의해 반응을 유도하여 높은 성장 온도를 가지고, 낮은 결함을 가지는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법 및 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방벙을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법은, 반응로에 탄소원 및 규소원을 투입하는 단계; 상기 반응로를 가열하는 단계; 및 상기 탄소원 또는 상기 규소원의 투입량을 조절하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼는, 탄화규소 에피층의 표면 조도가 0.3㎚ 이하이다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법은 상기 규소원을 과량으로 투입하는 제 1 투입 단계와 상기 규소원을 소량으로 투입하는 제 2 투입 단계를 일정한 주기로 반복하여 투입하여, 상기 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 형성할 수 있다. 즉, 상기 반응로 내의 반응 가스는 탄소 리치 상태 또는 규소 리치 상태로 주기적으로 반복될 수 있다.
이러한 탄소원 또는 규소원의 투입량을 조절하여 일정한 주기로 반복 투입함으로써, 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 증착시 부분적 결합 에너지의 차이에 의한 에피층의 스트레스(stress)를 보상하면서 증착 공정이 이루어질 수 있기 때문에, 웨이퍼 상에 고품질의 탄화규소 에피층을 증착할 수 있다.
즉, 상기 제조 방법에 의해 제조되는 탄화규소 에피 웨이퍼는 에피층 내 표면 결함 및 표면 조도가 작으므로, 고품질의 탄화규소 에피 웨이퍼를 제조할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법의 공정 흐름도이다.
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, 도면을 참조하여, 실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법 및 탄화규소 에피 웨이퍼를 설명한다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법은, 반응로에 탄소원 및 규소원을 투입하는 단계(ST10); 상기 반응로를 가열하는 단계(ST20); 및 상기 탄소원 또는 상기 규소원의 투입량을 조절하는 단계(ST30)를 포함한다.
상기 반응로에 탄소원 및 규소원을 투입하는 단계(ST10)에서는, 상기 반응로 내에 반응 가스를 투입할 수 있다. 상기 반응 가스는 탄소원(C source) 및 규소원(Si source)을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 반응 가스의 전구체로는 액상 원료인 메틸트리클로로실란(methyltrichlorosilane, MTS)을 포함할 수 있고, 기상 원료로서 실란(SiH4) 및 에틸렌(C2H4) 또는 실란 및 프로판(C3H8)을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 탄소원 또는 규소원의 전구체로는 탄소 및 규소를 포함하는 다양한 전구체를 포함할 수 있다.
이어서, 상기 반응로를 가열하는 단계(ST20)에서는, 상기 반응로를 상기 탄화규소 에피층 증착 온도까지 가열할 수 있다. 일례로, 상기 성장 온도는 1500℃ 내지 1700℃ 일 수 있다. 상기 성장 온도에서는 상기 반응로에 투입된 상기 반응 가스가 이온화되어 중간 화합물로 분해되고, 상기 중간 화합물과 상기 반응로 내에 위치하는 기판 또는 웨이퍼와 반응하여 상기 기판 또는 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 증착시킬 수 있다. 일례로, 상기 중간 화합물은 CH3·, SiCl·, SiCl2·, SiHCl·, SiHCl2·등을 포함하는 CHx·(1≤x＜4) 또는 SiClx·(1≤x＜4) 를 포함할 수 있다.
이어서, 상기 탄소원 또는 상기 규소원의 투입량을 조절하는 단계(ST30)에서는, 상기 반응로 내에 투입되는 상기 반응 가스의 양을 조절할 수 있다. 바람직하게는, 상기 반응 가스 중 규소원의 투입량을 조절할 수 있다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법에서는 상기 규소원을 과량으로 투입하거나 또는 상기 규소원을 소량으로 투입하는 투입 단계를 반복할 수 있다. 즉, 상기 탄소원의 투입량을 고정한 상태에서, 상기 규소원의 투입량을 과량 또는 소량으로 투입하는 단계를 일정한 주기로 반복할 수 있다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법은 상기 탄소원 또는 상기 규소원의 투입량을 조절하는 단계를 포함한다. 일례로, 상기 규소원의 투입량을 증가시키는 제 1 투입 단계와 상기 규소원의 투입량을 감소시키는 제 2 투입 단계를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 1 투입 단계에서는 상기 규소원을 과량으로 투입하고, 상기 제 2 투입 단계에서는 상기 규소원을 소량으로 투입될 수 있다. 또한, 상기 제 1 투입 단계와 상기 제 2 투입 단계는 일정한 주기를 가지고 반복되어 투입할 수 있다. 이에 따라, 상기 규소원은 일정한 양을 균일하게 투입하는 것이 아니고, 일정한 주기를 가지고 과량 투입 및 소량의 투입을 반복하여 투입할 수 있다.
또한, 상기 제 1 투입 단계와 상기 제 2 투입 단계를 반복하여 투입하는 것은 증착 공정 전체 동안 할 수 있고, 또는 상기 증착 공정 중 일부분에서만 진행할 수 있다.
일례로, 상기 전구체로서 실란(SiH4) 및 프로판(C3H8)을 투입하는 경우, 상기 실란을 상기 프로판에 비해 과량으로 투입하거나 또는 소량으로 투입할 수 있다. 이에 따라, 상기 규소를 포함하는 규소원인 실란의 과량 및 소량 투입으로 인해, 상기 반응로 내의 탄소와 규소의 비는 조절될 수 있다.
일례로, 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법에서는 상기 탄소원과 규소원을 포함하는 반응 가스를 투입할 때, 상기 반응로 내에서 탄소와 규소의 몰비(C/Si)는 0.8 내지 1.8일 수 있다. 즉, 상기 반응로의 분위기는 탄소 리치(C- rich) 상태 또는 규소 리치(Si- rich) 상태일 수 있다. 이러한 상태에서 상기 규소원의 과량 투입 및 소량 투입을 일정한 주기를 반복하여 투입하면, 상기 반응로 내에서 탄소와 규소의 몰비는 0.1 내지 0.5 만큼 변화될 수 있다. 즉, 상기 반응로 내에서의 탄소와 규소의 상태가 탄소 리치 상태 또는 규소 리치 상태로 반복하여 변화될 수 있다. 이러한 변화로 인해, 상기 반응로 내에 위치하는 웨이퍼에는 상기 탄화규소 에피층이 증착되기 전에 버퍼 역할을 하는 버퍼층이 증착될 수 있다.
이에 따라, 상기 탄화규소 에피층은 상기 버퍼층이 형성된 웨이퍼 상에 증착되므로, 부분적 결합 에너지의 차이에 의한 스트레스(stress)를 보상하면서 증착 공정이 이루어지기 때문에 결함이 없는 고품질의 탄화규소 에피 웨이퍼를 제조할 수 있다.
또한, 상기 제 1 투입 단계와 상기 제 2 투입 단계는 3초 내지 30초 간격의 주기로 반복되어 과량 및 소량의 규소원이 투입될 수 있다. 상기 주기가 3초 미만인 경우에는 버퍼층의 효과를 얻을 수 없고, 30초를 초과하게 되면, 상기 탄화규소 웨이퍼 상에 멀티 구조의 에피층이 형성되어 또 다른 결함의 원인이 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 투입 단계와 상기 제 2 투입 단계는 5초 내지 10초 간격의 주기로 반복되어 과량 및 소량의 규소원이 투입될 수 있다.
상기 제 1 투입 단계와 상기 제 2 투입 단계는 상기 에피층 증착 공정 내내 반복적으로 일정한 주기로 투입될 수 있고, 또한, 상기 에피층 증착 공정의 일 부분에서만 반복적으로 투입한 후, 나머지 부분에서는 상기 규소원을 균일한 양으로 투입할 수 있다.
실시예에서는 탄소의 투입량을 일정한 양으로 고정하고, 상기 규소원의 투입량을 주기적으로 다른 양으로 반복하는 것에 대해 설명하였으나, 반대로, 상기 규소원의 투입량을 일정한 양으로 고정하고, 상기 탄소원의 투입량을 주기적으로 다른 양으로 반복하여 투입할 수 있음은 물론이다. 이때에는, 반응 가스의 전구체로서 액상 원료인 메틸트리클로로실란을 투입할 수 있다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법은 상기 규소원을 과량으로 투입하는 제 1 투입 단계와 상기 규소원을 소량으로 투입하는 제 2 투입 단계를 일정한 주기로 반복하여 투입하여, 상기 웨이퍼 상에 실질적인 버퍼층이 형성될 수 있고, 상기 웨이퍼 상에서는 탄소와 규소의 몰비가 1:1인 탄화규소 에피층이 증착될 수 있다..
앞서 설명하였듯이, 이러한 규소원의 양을 조절하는 반복 투입으로, 부분적 결합 에너지의 차이에 의해 에피층의 스트레스(stress)를 보상하면서 결정 성장이 이루어질 수 있기 때문에, 웨이퍼 상에 고품질의 탄화규소 에피층을 증착할 수 있다. 즉, 상기 제조 방법에 의해 제조되는 탄화규소 에피 웨이퍼는 에피층 내 표면 결함 및 표면 조도가 작으므로, 고품질의 탄화규소 에피 웨이퍼를 제조할 수 있다.
특히, 상기 제 1 투입 단계 및 상기 제 2 투입 단계에 의해, 상기 반응로 내의 탄소와 규소의 분위기 즉, 탄소와 규소의 몰비 변화를 0.1 내지 0.3 만큼 변화시킬 수 있고, 상기 제 1 투입 단계 및 상기 제 2 투입 단계는 5초 내지 10초 간격의 주기로 반복 투입될 수 있으며, 이때, 상기 웨이퍼 상에 증착되는 탄화규소 에피층은 기저면 전위 결함 등의 표면 결함이 없고, 표면 조도가 0.3㎚ 이하를 가질 수 있으므로, 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 (8)

  1. 반응로에 탄소원 및 규소원을 투입하는 단계;
    상기 반응로를 가열하는 단계; 및
    상기 탄소원 또는 상기 규소원의 투입량을 조절하는 단계를 포함하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 규소원의 투입량을 조절하는 단계는,
    상기 규소원의 투입량을 증가시키는 제 1 투입 단계; 및
    상기 규소원의 투입량을 감소시키는 제 2 투입 단계를 포함하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 조절하는 단계에서는 상기 규소원과 상기 탄소원의 몰비가 0.1 내지 0.5 만큼 변화하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 조절하는 단계에서는 상기 규소원과 상기 탄소원의 몰비가 0.1 내지 0.3 만큼 변화하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 투입 단계 및 상기 제 2 투입 단계는 3초 내지 30초 간격의 주기로 반복되는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 투입 단계 및 상기 제 2 투입 단계는 5초 내지 10초 간격의 주기로 반복되는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되고,
    탄화규소 에피층의 표면 조도가 0.3㎚ 이하인 탄화규소 에피 웨이퍼.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 기판은 탄화규소 기판을 포함하는 탄화규소 에피 웨이퍼.
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