KR20130077488A - 탄화규소 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 웨이퍼를 챔버 내에 준비하는 단계; 상기 챔버 내에 반응 가스를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 챔버 내부의 반응 압력은 10 mbar 내지 50 mbar이다.

Description

탄화규소 증착 방법{METHOD FOR DEPOSITION OF SILICON CARBIDE}
본 기재는 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 주목받고 있다. 현재 웨이퍼 상에 규소 막, 산화물 막, 질화규소 막 또는 산질화규소 막, 텅스텐 막 등과 같은 다양한 박막들을 증착하기 위해 이용되고 있다.
상기 화학 기상 증착 방법의 경우, 반응 기체를 반응로 내에 공급하여, 상기 반응로 내에 배치되는 웨이퍼와 반응하여 상기 웨이퍼 상에 에피층을 형성시킬 수 있다.
이때, 상기 반응 기체와 상기 웨이퍼가 반응되는 공간인 반응로 내는 일정한 반응 압력으로 유지될 수 있는데, 상기 반응 압력은 상기 반응로 내부로 유입되는 반응 가스의 속도, 에피층의 두께 등 많은 인자에 영향을 줄 수 있다.
종래의, 탄화규소 증착 방법에서는 상기 반응 압력을 100 mbar 내지 200 mbar의 압력으로 유지하여 상기 반응을 진행하였다. 그러나. 이러한 고압의 환경에서는 반응 기체의 밀도가 높아, 서로 충돌하는 반응 기체의 양이 많아지고, 이에 따라, 상기 웨이퍼 상에 균일한 박막을 형성하지 못하고, 결함을 유발하는 요인이 될 수 있다.
이에 따라, 상기 탄화규소 증착 방법에 있어서, 상기 반응 압력을 조절할 수 있는 방법의 필요성이 요구된다.
실시예는 반응 가스와 웨이퍼가 반응하는 챔버 또는 서셉터 내부의 반응 압력을 저압으로 하여 상기 반응 가스의 평균 자유 행로를 길게 함으로써, 고품질의 탄화규소 에피 웨이퍼를 형성할 수 있는 탄화규소 증착 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 웨이퍼를 챔버 내에 준비하는 단계; 상기 챔버 내에 반응 가스를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 챔버 내부의 반응 압력은 10 mbar 내지 50 mbar이다.
실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 상기 챔버 또는 서셉터 내부의 반응 압력을 10 mbar 내지 50 mbar의 압력인 상태에서 탄화규소 에피 웨이퍼를 제조할 수 있다.
이에 따라, 상기 반응 가스의 밀도가 작아지고, 또한, 상기 반응 가스 입자의 평균 자유 행로의 길이가 증가할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은 상기 이온화된 상기 반응 가스의 입자가 재응집하여 2차상이 형성되는 것을 방지할 수 있고, 평균 자유 행로가 증가하므로 상기 웨이퍼 상에 균일한 에피층의 형성이 가능하다. 또한, 상기 반응 가스의 양을 감소시킬 수 있으며, 동일한 온도에서 반응 가스의 열분해율이 증가할 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법에 의해 제조되는 탄화규소 에피 웨이퍼는 상기 웨이퍼 상에 균일한 에피 박막이 형성된 고품질의 에피 웨이퍼를 제조할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 증착부를 분해한 분해사시도이다.
도 2는 실시예에 따른 증착부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에서 I-I'를 따라서 절단한 단면도의 일부이다.
도 4는 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법의 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
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 1 내지 도 4를 참조하여 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법에 대해 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 증착 장치를 분해한 분해 사시도이고, 도 2는 실시예에 따른 증착 장치를 도시한 사시도이며, 도 3는 도 2에서 I-I'를 따라서 절단한 단면도의 일부이고, 도 4는 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법의 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은, 웨이퍼를 준비하는 단계(ST10); 반응 가스를 공급하는 단계(ST20); 및 반응하는 단계(ST30)를 포함한다.
상기 웨이퍼를 준비하는 단계(ST10)에서는, 챔버 또는 서셉터 내에 상기 웨이퍼를 배치시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 웨이퍼는 탄화규소 웨이퍼를 포함할 수 있다.
이어서, 상기 반응 가스를 공급하는 단계(ST20)에서는, 상기 챔버 또는 상기 서셉터 내에 반응 가스를 공급할 수 있다. 바람직하게는, 상기 반응 가스는 탄소(C) 및 규소(Si)를 포함할 수 있다. 상기 반응 가스는 상기 챔버 또는 상기 서셉터 내에서 이온화되어 중간 생성물을 형성한다. 일례로, 상기 반응 가스는 SiH4, C2H4, C3H8을 포함할 수 있고, 상기 반응 가스는 일정한 온도에서 열분해되어, CH3·, SiCl·, SiCl2·, SiHCl·, SiHCl2· 등으로 열분해될 수 있다. 더 자세하게, 상기 반응 가스는 CHx·(1≤x＜4) 또는 SiClx·(1≤x＜4)로 열분해될 수 있다.
이어서, 상기 반응하는 단계(ST30)에서는, 상기 열분해된 반응 가스와 상기 웨이퍼가 반응하여 상기 웨이퍼 상에 에피층을 증착한다. 상기 반응하는 단계(ST30)에서 상기 챔버 또는 상기 서셉터 내부의 반응 압력은 50 mbar 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 반응 압력은 10 mbar 내지 50 mbar일 수 있다.
실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은 상기 반응 압력을 10 mbar 내지 50 mbar 인 저압의 환경에서 반응을 진행할 수 있다. 상기 반응 압력은 반응 기체의 평균 자유 행로(mean free path)와 관련이 있다. 입자가 다른 입자와 충돌하는 순간부터 다음 충돌이 일어날 때까지 움직일 수 있는 거리를 자유 행로라 하며, 상기 평균 자유 행로란 상기 자유 행로를 입자 전체에 대하여 평균한 것을 의미한다. 즉, 입자가 평균 자유 행로 만큼 나아가면 평균 1회 충돌하는 것을 의미한다.
이에 따라, 압력이 낮아질수록 입자 즉, 기체 분자의 수가 적어지기 때문에 평균 자유 행로는 길어질 수 있다. 일반적으로, 상기 평균 자유 행로는 λ = ct/P로 나타낼 수 있다. 즉, 상기 압력이 낮아질수록 밀도가 낮아지게 되고 이에 따라, 상기 평균 자유 행로는 길어지게 된다.
종래에는, 상기 반응 압력이 100 mbar 이상, 즉, 100 mbar 내지 200 mbar 이었다. 이러한 반응 압력에서는 상기 반응 기체들의 평균 자유 행로가 짧아지게 되고, 상기 반응 기체 분자의 충돌이 잦아지게 된다. 이에 따라, 상기 열분해된 반응 기체의 재결합의 빈도가 증가할 수 있어 2차상이 형성될 수 있고, 웨이퍼 상에 균일한 에피 박막층이 증착되지 않을 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은 상기 반응 압력을 10 mbar 내지 50 mbar의 저압 공정에서 상기 에피 웨이퍼 증착 공정을 진행할 수 있다. 상기 반응 압력이 10 mbar 이하인 경우에는 상기 반응 기체의 단위 부피내 반응 기체 밀도가 낮으므로 증착 공정의 효율이 감소할 수 있고, 상기 반응 압력이 50 mbar 이상인 경우에는 상기 반응 기체의 단위 부피내 반응 기체 밀도가 높으므로 평균 자유 행로가 짧아지게 되어 2차상이 생길 수 있다.
상기 10 mbar 내지 50 mbar의 반응 압력에서는 상기 반응 가스의 속도는 10㎝/sec 이상 일 수 있다. 또한, 기체 입자의 평균 자유 행로의 길이는 수소 가스를 기준으로 하여 30㎛ 내지 150㎛ 일 수 있다. 즉, 상기 저압 공정에서 탄화규소 증착을 수행함에 따라, 반응 기체 입자의 평균 자유 행로의 길이가 증가하게 되어 상기 이온화된 상기 반응 가스의 입자가 재응집하여 2차상이 형성되는 것을 방지할 수 있고, 상기 웨이퍼 상에 균일한 고품질의 에피층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 반응 가스의 양을 감소시킬 수 있으므로 제조 비용을 절감할 수 있으며, 동일한 온도에서 반응 가스의 열분해율이 증가하므로 고압 공정과 동일한 양의 반응 가스를 이용시보다 높은 에피 박막 성장률을 가질 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 상기 중간 화합물과 상기 웨이퍼가 반응하여 탄화규소 에피층이 형성되는 것을 설명한다.
도 1 내지 도 3을 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 1에 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 메틸트리크롤로실란 또는 기상 원료인 실란 및 에틸렌 또는 실산 및 프로판 등을 투입할 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 1900℃의 온도로 가열될 수 있다. 상기 온도에서 상기 소스 기체는 중간 화합물로 분해되고, 상기 중간 화합물이 상기 서셉터 내부로 유입되어 상기 웨이퍼(W)에 분사된다. 상기 웨이퍼(W)에 분사된 라디칼에 의해서, 상기 웨이퍼(W) 상에 탄화규소 에피층이 형성된다.
앞서 설명하였듯이, 실시예에 따른 탄화규소 증착 방법은 상기 반응 압력을 10 mbar 내지 50 mbar의 저압 환경에서 진행된다. 이에 따라, 상기 반응 기체 즉, 상기 반응 기체가 이온화된 중간 생성물의 기체 입자의 평균 자유 행로가 증가할 수 있다.
따라서, 상기 기체 입자의 평균 자유 행로가 증가하므로, 상기 기체 입자의 재충돌에 의한 2차상의 형성을 감소시킬 수 있고, 또한, 상기 웨이퍼 상에 조밀하고 균일한 에피 박막층을 형성할 수 있다. 또한, 동일한 온도에서 상기 반응 가스의 이온화율이 증가하므로 기존 공정과 동일량의 반응 가스를 사용하여 보다 높은 에피 성장률을 가질 수 있으며, 반응 가스의 사용량을 감소할 수 있어 제조 비용을 감소시킬 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 (6)

  1. 웨이퍼를 챔버 내에 준비하는 단계;
    상기 챔버 내에 반응 가스를 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 챔버 내부의 반응 압력은 10 mbar 내지 50 mbar인 탄화규소 증착 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 가스의 평균 자유 행로(mean free path)는 30㎛ 내지 150㎛ 인 증착 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 가스는 탄소 및 규소를 포함하는 탄화규소 증착 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 탄화규소 웨이퍼를 포함하는 탄화규소 증착 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 가스는 이온화되어 중간 생성물을 형성하고,
    상기 중간 생성물은 CHx·(1≤x＜4) 또는 SiClx·(1≤x＜4)를 포함하는 탄화규소 증착 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 가스의 이동 속도는 10㎝/sec 이상인 탄화규소 증착 방법.
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