KR20150107104A - 탄화 규소 에피택셜층의 성장 방법 및 전력 소자 - Google Patents

탄화 규소 에피택셜층의 성장 방법 및 전력 소자 Download PDF

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Abstract

실시예는 챔버 내에 기판을 배치하는 단계; 상기 챔버 내에 탄소원과 규소원을 공급하며, 상기 기판 위에 탄화 규소 에피택셜층을 성장시키는 단계; 및 상기 탄소원과 규소원 중 적어도 하나의 공급량을 조절하여, 상기 에피택셜층 내에 적어도 하나의 도핑 농도 조절층을 형성하는 단계를 포함하는 탄화규소 에피택셜층의 성장 방법을 제공한다.

Description

탄화 규소 에피택셜층의 성장 방법 및 전력 소자{METHOD FOR GROWIG SiC EPITAXIAL LAYER AND POWER DEVICE}
실시예는 탄화 규소 에피택셜층의 성장 방법 및 성장된 전력 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화규소 에피택셜층 내의 결함을 줄이고자 하는 것이다.
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 발광 다이오드 개발 등으로 박막 형성 기술 중 매우 중요한 기술로 주목 받고 있다.
기판 또는 웨이퍼 상에 탄화규소(SiC) 에피택셜층을 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.
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 에피택셜층 성장 과정에서 결함을 줄이기 위해 2차 공정이 추가적으로 요구된다. 따라서 이러한 추가적인 공정으로 인해 공정이 복잡해지고 비용이 상승하며 기판의 품질이 악화되어 결정 결함이 발생하는 등의 문제점이 있다.
결정 결함은 에피택셜층의 표면에까지 전이되어 나타나거나, edge, screw 및 basal plane 등의 전이 결함으로 에피택셜층 내부에 존재할 수도 있다.
이에 따라, 상기와 같은 2차 공정을 요구하지 않고 높은 성장 속도 및 표면 결함을 제거할 수 있는 에피택셜층의 성장 방법의 필요성이 요구된다.
실시예는 결정 결함이 적은 에피택셜층의 성장 방법을 제공하고자 한다.
실시예는 챔버 내에 기판을 배치하는 단계; 상기 챔버 내에 탄소원과 규소원을 공급하며, 상기 기판 위에 탄화 규소 에피택셜층을 성장시키는 단계; 및 상기 탄소원과 규소원 중 적어도 하나의 공급량을 조절하여, 상기 에피택셜층 내에 적어도 하나의 도핑 농도 조절층을 형성하는 단계를 포함하는 탄화규소 에피택셜층의 성장 방법을 제공한다.
다른 실시예는 챔버 내에 기판을 배치하는 단계; 상기 챔버 내에 탄소원과 규소원을 공급하며, 상기 기판 위에 탄화 규소 에피택셜층을 성장시키는 단계; 및 상기 에피택셜층 내에 도펀트의 공급량을 조절하여 적어도 하나의 도핑 농도 조절층을 형성하는 단계를 포함하는 탄화규소 에피택셜층의 성장 방법을 제공한다.
도핑 농도 조절층은 복수 개가 구비되고, 인접한 도핑 농도 조절층은 10 마이크로 미터 내지 20 마이크로 미터의 주기로 성장될 수 있다.
각각의 도핑 농도 조절층은 0.2 마이크로 미터 내지 0.4 마이크로 미터의 두께로 성장될 수 있다.
탄소원과 규소원은 1대 1의 몰비로 공급되되, 상기 도핑 농도 조절층의 성장 중에 상기 탄소원과 규소원은 0.8 대 1 내지 1.2 대 1의 몰비로 공급될 수 있다.
도핑 농도 조절층 내에서 상기 도펀트의 도핑량과 다른 영역에서의 상기 도펀트의 도핑량보다 0.8 대 1 내지 1.2 대 1의 몰비를 가질 수 있다.
도핑 농도 조절층은 복수 개가 구비되고, 상기 탄소의 도핑 농도가 증가된 층과 상기 탄소의 도핑 농도가 감소된 층이 교대로 배치될 수 있다.
도핑 농도 조절층은 복수 개가 구비되고, 상기 도펀트의 도핑량이 증가되는 층과 상기 도펀트의 도핑량이 감소하는 층이 교대로 배치될 수 있다.
도핑 농도 조절층은 복수 개가 구비되고, 각각의 도핑 농도 조절층의 두께는 증가와 감소를 반복할 수 있다.
또 다른 실시예는 기판; 기판 상에 배치되는 탄화규소로 이루어진 에피택셜층; 상기 에피택셜층 내부에 배치되고, 탄소와 규소의 서로 다른 몰비로 결합되어 형성된 도핑 농도 조절층; 및 상기 에피택셜층 상에 배치되는 소스 전그과 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 전력 소자을 제공한다.
전력 소자 내의 도핑 농도 조절층은, 상술한 방법으로 형성될 수 있다.
실시예에 따른 탄화규소 에피택셜층은 탄소와 규소의 공급량을 달리한 도핑 농도 조절층이 포함되어, 결정 결함이 감소하여 품질이 우수하다.
도 1은 실시예에 따른 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 성장 방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2는 CVD법으로 에피택셜층을 성장시키는 원리를 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3c는 성장되는 도핑 농도 조절층의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 상술한 공정으로 성장된 에피택셜층을 포함하는 전력소자의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 성장 방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
먼저, 챔버 내에 기판을 배치한다(S110). 챔버는 CVD 공정이 진행되도록 밀폐된 영역을 형성하며, 후술하는 바와 같이 소스 물질의 공급과 배기 등의 공정이 진행될 수 있다.
그리고, 기판 상에 탄소원과 규소원을 공급하며 기판 위에 탄화 규소 에피택셜층을 성장시킨다(S120). 이하에서, 도 2를 참조하여 탄소원과 규소원을 공급하여 SiC 에피택셜층을 성장시키는 공정을 상세히 설명한다.
도 2는 CVD법으로 에피택셜층을 성장시키는 원리를 나타낸 도면이다. 챔버(110) 내에 기판(Substrate)이 배치되고, 소스 공급부(120)로부터 탄소원과 규소원이 공급되며, 에너지부(130)로부터 반응 에너지가 챔버(110) 내부로 공급될 수 있다.
소스(suorce) 물질로는 기상의 실란(SiH4)과 에틸렌(C2H4) 또는 실란과 프로판(C3H8)이 규소원과 탄소원으로 공급될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
에너지부(130)에서 챔버(110)의 내부를 탄화규소 에피택셜층의 증착 온도까지 가열할수 있으며, 예를 들면 1500℃ 내지 1700℃의 온도까지 가열할 수 있다.
성장 온도에서는 챔버에 투입된 소스 물질들이 중간 화합물로 분해되고, 중간 화합물과 챔버 내에 위치하는 기판와 반응하여 기판 상에 탄화규소(SiC) 에피택셜층이 증착되며 성장할 수 있다.
중간 화합물은 예를 들면 CH3, SiCl, SiCl2, SiHCl 및 SiHCl2등을 포함하는 CHx(1≤x＜4) 또는 SiClx(1≤x＜4)를 포함할 수 있다.
반응 에너지는 열, 플라즈마, UV나 레이저 등의 열 등의 형태로 공급되는데, 기체 상태의 소스인 탄소원과 규소원이 반응 에너지를 받아서 원자 단위로 분해되고 반응하여 기판 상에 고체 상태의 탄화규소로 증착될 수 있다. 이때, 부산물은 배기부(140)를 통하여 챔버(110) 외부로 방출될 수 있다.
그리고, 에피택셜층의 성장 중에 탄소원과 규소원 중 적어도 하나의 공급량을 조절하여, 에피택셜층 내에 적어도 하나의 도핑 농도 조절층을 형성한다(S130). 이때, 챔버 내부로 공급되는 탄소원의 양을 과량 또는 소량으로 조절하거나, 규소원의 양을 과량 또는 소량으로 조절할 수 있으며, 에피택셜층 내에서 탄소 또는 규소의 도핑량이 상대적으로 다른 층이 성장될 수 있는데 이러한 층을 '도핑 농도 조절층'이라 할 수 있다.
탄화수소 에피택셜층의 성장 공정에서 탄소원과 규소원은 1 대 1의 몰비로 공급될 수 있으나, 도핑 농도 조절층의 성장 공정에서 탄소원과 규소원의 몰비를 0.8 대 1 내지 1.2 대 1의 범위 내에서 조절하여 규소원 또는 탄소원이 더 많이 공급되게 할 수 있다.
탄소원과 규소원의 몰비가 상술한 범위를 벗어나게 공급되면 성장되는 에피택셜층 내의 격자 상수가 달라져서, 결정 구조가 틀어지고 전위(dislocation) 등의 결함이 증가할 수 있다.
에피택셜층의 두께가 10 마이크로 미터 이상으로 두꺼워지면 결정 결함이 증가할 수 있으므로, 결함의 감소를 위하여 도핑 농도 조절층을 성장시킬 실익이 크다.
도 3a는 성장되는 도핑 농도 조절층의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도핑 농도 조절층(230)은 0.2 마이크로 미터 내지 0.4 마이크로 미터의 두께(t)를 가지도록 성장될 수 있는데, 도핑 농도 조절층(230)의 두께(t)가 0.2 마이크로 미터보다 작아지거나 0.4 마이크로 미터보다 크면 격자 상수가 변하여 에피택셜층의 결정 결함이 증가할 수 있다.
이러한 도핑 농도 조절층(230)은 에피텍셜층의 전체 두께가 커짐에 따라 2회 이상 성장시킬 수도 있는데, 예를 들면 도핑 농도 조절층(230)의 주기(T)는 10 마이크로 미터 내지 20 마이크로 미터일 수 있다.
도핑 농도 조절층(230)의 주기가 상술한 범위보다 작으면 결정 결함이 증가할 수 있고, 상술한 범위보다 크면 도핑 농도 조절층(230)들 사이에서 에피택셜층 내의 결정 결함이 증가할 수 있다.
도 3b는 성장되는 도핑 농도 조절층의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
복수 개의 도핑 농도 조절층이 성장될 때 탄소의 도핑 농도가 증가된 제1 도핑 농도 조절층(230a)과 규소의 도핑 농도가 증가된 제2 도핑 농도 조절층(230b)이 번갈아 배치될 수도 있다. 제1 도핑 농도 조절층(230a) 및 제2 도핑 농도 조절층(230b)의 성장은, 에피택셜층(220)의 성장 중에 탄소원 또는 규소원의 공급량을 증가시키거나 또는 감소시키는 방법으로 진행할 수 있다.
이때, 제1 도핑 농도 조절층(230a) 및 제2 도핑 농도 조절층(230b)의 두께(ta, tb)와 배치 주기(T)는 도 3a에 도시된 실시예와 동일할 수 있다.
도 3c는 성장되는 도핑 농도 조절층의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
복수 개의 도핑 농도 조절층이 구비될 때 상대적으로 두께(t1)가 두꺼운 제1 층(231)과 상대적으로 두께(t2)가 얇은 제2 층(232)이 반복되어 배치될 수 있는데, 제1 층(231)과 제2 층(232)의 성장시에 공급되는 탄소원과 규소원의 몰비의 변화는 상술한 범위 이내일 수 있다.
서로 다른 두께를 가지는 도핑 농도 조절층인 제1층(231)과 제2층(232)들의 배치 주기(T)는 도 3a에 도시된 실시예와 동일할 수 있다.
상술한 실시예들에서 도핑 농도 조절층들은 에피택셜층의 전 영역에서 성장될 수 있으나, 후술하는 전기적 특성 등을 고려하여 일부 영역에서만 성장될 수도 있다. 그리고, 도핑 농도 조절층들이 복수 개 배치될 때, 각각의 복수 농도 조절층의 배치 주기는 상술한 범위 내에서 서로 다를 수 있다.
상술한 도핑 농도 조절층은 탄소(C)와 규소(Si)의 공급량을 달리하여 형성되는데, 통상 규소 원자 하나에 탄소 원자 4개가 결합하는데 탄소와 규소가 1 대 1로 공급될 경우 탄소가 부족하여 규소와 규소 사이의 결합 거리가 짧아져서, 에피택셜층 내에 압축 결함이 발생할 수 있다.
이때, 탄소의 농도를 증가시키면 에피택셜층이 신장되어 압축 결함이 감소할 수 있다. 단, 규소에 비하여 탄소의 도핑 농도가 증가하면 전기적인 특성은 감소할 수 있다.
상술한 바와 같이 에피택셜층의 성장 중에 탄소 또는 규소의 도핑 농도를 조절하여, 에피택셜층 내에서 성장할 수 있는 결정 결함을 감소시킬 수 있다. 이러한 도핑 농도 조절층은 내부의 원소의 양을 분석하여 각각의 원소의 양이 일정하지 않은 것으로부터 확인할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 탄소원과 규소원의 공급량을 달리하지 않고 도펀트의 공급량을 달리하여 도핑 농도 조절층을 형성할 수도 있다.
예를 들어, 질소(N)를 도펀트로 사용할 경우, 질소의 공급량을 달리하여 도핑 농도 조절층을 형성할 수 있다. 이때, 질소의 도핑량이 증가 또는 감소된 도핑 농도 조절층의 두께나 거리는 상술한 도 3a에 도시된 실시예와 동일할 수 있고, 도 3c에 도시된 바와 같이 질소의 도핑량이 증가되거나 감소한 층이 서로 교대로 배치될 수도 있다.
상술한 방법으로 성장된 탄화규소 에피택셜층은 100V/um(볼트/마이크로 미터) 정도의 내전압 특성을 가지며, 사용될 어플리케이션에서의 정격전압(Breakdown Voltage; BV)에 따라 두께가 달라질 수 있다. 예를 들면, 자동차용은 6~15um, 전철이나 산업기기용은 25~50um, 신재생에너지용은 10~50um, 송배전용은 50~200um 정도의 두께로 성장될 수 있다.
도 4는 상술한 공정으로 성장된 에피택셜층을 포함하는 전력소자의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 전력소자(400)는 기판(410) 위에 버퍼층(415)과 에피택셜층(420)이 성장되고, 에피택셜층(420) 내에 도핑 농도 조절층(430)이 형성되고, 에피택셜층(420) 상에 소스 전극(450)과 드레인 전극(460) 및 게이트 전극(470)이 배치된다.
기판(410)은 탄화 규소(SiC) 기판일 수 있고, 기타 사파이어 기판, Si 기판, GaN 기판 등이 사용될 수 있다. 기판(410)은 에피택셜층(420)과의 사이에서 격자 상수차이(lattice constant difference)가 작거나 또는 거의 없는 단결정 기판을 이용할 수 있다.
기판(410)과 에피택셜층(420)이 이종인 경우, 이종 재료 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, 버퍼층(415)을 형성할 수 있다.
에피택셜층(420)은 상술한 바와 같이 탄화 규소로 이루어지며, CVD 방법 등으로 성장될 수 있다. 에피택셜층(420)의 두께는 특별한 제한은 없으나, 도핑 농도 조절층(430)이 배치될 때 에피택셜층(420)의 두께는 적어도 10 마이크로 미터 이상일 수 있다.
도핑 농도 조절층(430)은 상술한 바와 같이 탄소원과 규소원 중 하나의 공급량을 조절하거나 질소 등의 도펀트의 양을 조절하거 형성될 수 있으며, 도 4에서 하나의 도핑 농도 조절층(430)이 형성되나 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 2개 이상이 형성될 수도 있다.
에피택셜층(420) 상에는 소스 전극(450)과 드레인 전극(460) 및 게이트 절연막(475)을 통하여 게이트 전극(470)이 형성될 수 있다.
게이트 절연막(475)을 마련함으로써, 게이트 전극(470)에 순방향 바이어스 전압을 인가했을 때의 리크 전류를 작게 할 수 있기 때문에, 큰 순방향 전압을 인가할 수 있게 된다.
소스 전극(450)과 드레인 전극(460) 및 게이트 전극(470)은 도전성 물질로 이루어질 수 있고, 일 예로 금속으로 이루어질 수 있으며, 보다 상세하게는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
에피택셜층(420)의 측면에는 분리층(480)이 배치될 수 있는데, 분리층(480)은 기판(410) 상에 복수 개의 에피택셜층(420)을 포함하는 전력소자가 배치될 때 서로 전기적으로 간섭하지 않도록 할 수 있다.
게이트 절연막(475) 및 분리층(480)은 절연성 물질로 이루어질 수 있으며, 일예로 질화물계 또는 산화물계 절연물로 이루어질 수 있다.
상술한 전력 소자는, 에피택셜층 내에 도핑 농도 조절층이 형성되어 결정 결함이 감소하여 품질이 우수할 수 있다.
이상에서 실시예를 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, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 챔버 120: 소스 공급부
130: 에너지부 140: 배기부
210, 410: 기판 220, 420: 에피택셜층
230, 430: 도핑 농도 조절층 230a: 제1 도핑 농도 조절층
230b: 제2 도핑 농도 조절층 231: 제1 층
232: 제2 층 450: 소스 전극
460: 드레인 전극 470: 게이트 전극
475: 게이트 절연막 480: 분리층

Claims (11)

  1. 챔버 내에 기판을 배치하는 단계;
    상기 챔버 내에 탄소원과 규소원을 공급하며, 상기 기판 위에 탄화 규소 에피택셜층을 성장시키는 단계; 및
    상기 탄소원과 규소원 중 적어도 하나의 공급량을 조절하여, 상기 에피택셜층 내에 적어도 하나의 도핑 농도 조절층을 형성하는 단계를 포함하는 탄화규소 에피택셜층의 성장 방법.
  2. 챔버 내에 기판을 배치하는 단계;
    상기 챔버 내에 탄소원과 규소원을 공급하며, 상기 기판 위에 탄화 규소 에피택셜층을 성장시키는 단계; 및
    상기 에피택셜층 내에 도펀트의 공급량을 조절하여 적어도 하나의 도핑 농도 조절층을 형성하는 단계를 포함하는 탄화규소 에피택셜층의 성장 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 도핑 농도 조절층은 복수 개가 구비되고, 인접한 도핑 농도 조절층은 10 마이크로 미터 내지 20 마이크로 미터의 주기로 성장되는 탄화규소 에피택셜층의 성장 방법.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 각각의 도핑 농도 조절층은 0.2 마이크로 미터 내지 0.4 마이크로 미터의 두께로 성장되는 탄화규소 에피택셜층의 성장 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 탄소원과 규소원은 1대 1의 몰비로 공급되되, 상기 도핑 농도 조절층의 성장 중에 상기 탄소원과 규소원은 0.8 대 1 내지 1.2 대 1의 몰비로 공급되는 에피택셜층의 성장 방법.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 도핑 농도 조절층 내에서 상기 도펀트의 도핑량은 다른 영역에서의 상기 도펀트의 도핑량보다 0.8 대 1 내지 1.2 대 1의 몰비를 가지는 에피택셜층의 성장 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 도핑 농도 조절층은 복수 개가 구비되고, 상기 탄소의 도핑 농도가 증가된 제1 도핑 농도 조절층과 상기 탄소의 도핑 농도가 감소된 제2 도핑 농도 조절층이 교대로 배치되는 에피택셜층의 성장 방법.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 도핑 농도 조절층은 복수 개가 구비되고, 상기 도펀트의 도핑량이 증가되는 층과 상기 도펀트의 도핑량이 감소하는 층이 교대로 배치되는 에피택셜층의 성장 방법.
  9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 도핑 농도 조절층은 복수 개가 구비되고, 각각의 도핑 농도 조절층의 두께는 증가와 감소를 반복하는 에피택셜층의 성장 방법.
  10. 기판;
    기판 상에 배치되는 탄화규소로 이루어진 에피택셜층;
    상기 에피택셜층 내부에 배치되고, 탄소와 규소의 서로 다른 몰비로 결합되어 형성된 도핑 농도 조절층; 및
    상기 에피택셜층 상에 배치되는 소스 전그과 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함하는 전력 소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 도핑 농도 조절층은, 제1 항 내지 제9 항의 방법으로 형성된 전력 소자.
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