KR20160017451A - 탄화규소 에피 웨이퍼 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 웨이퍼를 준비하는 단계, 반응 가스를 웨이퍼에 적용하는 단계, 반응 가스를 가열하여 중간화합물을 생성하는 단계 및 생성된 중간 화합물을 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층으로서 형성하는 단계를 포함하며, 반응 가스는 복수의 탄화수소 화합물을 포함하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법과 복수의 탄화수소 화합물을 포함하는 반응 가스에 의하여 형성된 탄화규소 에피층을 포함하고 탄화 규소 에피층의 C/Si 값은 웨이퍼 상에서 균일한 탄화규소 에피 웨이퍼를 제공하며, 웨이퍼 상에서 탄화 규소 에피층의 균일도를 높이는 효과를 가질 수 있다.
Description
실시예는 탄화규소 에피 웨이퍼 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
탄화규소(SiC)는 내열성 및 기계적 강도가 우수하고 물리적, 화학적으로 안정적인 것으로 내환경성 반도체 재료로서 많이 이용되고 있다. 또한, 최근 전자 디바이스들의 기판으로서 탄화규소(SiC) 기판에 대한 수요가 높아지고 있다.
탄화규소(SiC) 웨이퍼의 경우 웨이퍼 상에 Si(Silicone)와 C(Carbon)의 소스가 되는 반응 가스를 공급하여 화학반응을 일으켜 탄화규소 에피층을 형성하고 있으며, 일반적으로 이와 같이 웨이퍼 상에 박막을 형성하는 공정에는 화학 기상 증착 방법(Chemical Vapor Deposition, CVD)이 주로 이용되고 있다.
특히, 탄화규소 웨이퍼의 경우 반응 가스로서 SiH4(Silane), C2H4(Ethylene), C3H8(Propane)등을 사용하고 있으며, 이러한 증착 공정은 고온에서 반응 가스가 분해되어 화학반응을 일으킴으로써 진행되게 된다.
다만, 탄소의 공급원으로 사용되는 탄화수소 화합물의 경우 고온의 증착 공정에서 열분해가 이루어지며, 소스 가스가 공급되는 지점으로부터 증착되는 웨이퍼까지의 거리에 따라 고온 공정에 노출되는 시간이 다르며, 이에 따라 웨이퍼 상에 증착되는 반응 가스의 반응도가 달라지게 된다.
이에 따라 웨이퍼 상에 형성된 탄화규소 에피층의 C/Si 값이 웨이퍼의 위치에 따라 다른 값을 나타낼 수 있으며, 탄화규소 에피 웨이퍼의 물성이 균일하지 못하여 웨이퍼의 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
실시예는 웨이퍼에 형성된 탄화규소 에피층의 C/Si 값과 탄화규소 에피층의 두께 및 표면 조도가 균일한 탄화규소 에피 웨이퍼 및 이를 제조할 수 있는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법을 구현하고자 한다.
실시예는 복수의 탄화수소 화합물을 포함하는 반응 가스에 의하여 형성된 탄화규소 에피층을 포함하고, 상기 탄화 규소 에피층의 C/Si 값은 웨이퍼 상에서 균일한 탄화규소 에피 웨이퍼를 제공한다.
상기 웨이퍼 상의 서로 다른 지점에서의 상기 C/Si 값의 비율은 1 : 0.9~1.1일 수 있다.
상기 C/Si 값은 상기 복수의 탄화수소 화합물이 공급되는 상기 웨이퍼 상의 제1 지점으로부터 상기 제1 지점과 대칭되는 상기 웨이퍼 상의 제2 지점 방향으로 균일할 수 있다.
또한, 상기 C/Si 값은 상기 웨이퍼의 중심에서 원주 방향으로 균일할 수 있다.
상기 웨이퍼 상에 배치된 상기 탄화규소 에피층의 평균 두께에 대한 상기 웨이퍼 상의 서로 다른 지점에서의 상기 탄화규소 에피층의 두께 차이의 비는 0.005이하일 수 있다.
상기 웨이퍼 상에 배치된 상기 탄화규소 에피층의 RMS(Root Mean Square) 조도는 0.5nm이하일 수 있다.
다른 실시예는 웨이퍼를 준비하는 단계; 반응 가스를 상기 웨이퍼에 적용하는 단계; 상기 반응 가스를 가열하여 중간화합물을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 중간 화합물을 상기 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층으로서 형성하는 단계; 를 포함하며, 상기 반응 가스는 복수의 탄화수소 화합물을 포함하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법을 제공한다.
상기 복수의 탄화수소 화합물은 서로 다른 열분해도를 가질 수 있다.
상기 반응 가스가 공급되는 지점으로부터 상기 웨이퍼까지의 거리가 100mm 이하인 경우, 상기 복수의 탄화수소 화합물은 C3H8; 및 C2H2 또는 C2H4; 를 포함할 수 있으며, 상기 C3H8; 및 상기 C2H2 또는 C2H4;는 1 : 0.1~0.3의 질량비를 가질 수 있다.
상기 반응 가스가 공급되는 지점으로부터 상기 웨이퍼까지의 거리가 100mm 보다 큰 경우, 상기 복수의 탄화수소 화합물은 C3H8; C2H2 또는 C2H4; 및 CH4; 를 포함할 수 있다.
상기 반응 가스가 공급되는 지점으로부터 상기 웨이퍼까지의 거리가 100mm 보다 크고 150mm 이하인 경우, 상기 C3H8; 상기 C2H2 또는 C2H4; 및 상기 CH4; 는 1 : 0.1~0.3 : 0.2~0.4의 질량비를 가질 수 있다.
상기 반응 가스가 공급되는 지점으로부터 상기 웨이퍼까지의 거리가 150mm 보다 큰 경우, 상기 C3H8; 상기 C2H2 또는 C2H4; 및 상기 CH4; 는 1 : 0.1~0.3 : 0.2~0.6의 질량비를 가질 수 있다.
실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼 및 그 제조 방법의 경우 복수의 탄화수소 화합물을 반응 가스로 사용함으로써 웨이퍼의 위치에 관계없이 탄소원이 균일하게 공급되어 반응되도록 하여 웨이퍼 상에 형성되는 탄화규소 에피층의 균일도를 개선할 수 있다.
도 1a 내지 도 1b는 가스 공급원과 웨이퍼의 배치를 간략히 나타낸 증착 장치의 일부분에 대한 도면이고,
도 2는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 탄화규소 증착 장치의 일부분을 나타낸 도면이고,
도 4는 탄화수소 화합물의 열분해단계를 나타낸 도면이고,
도 5는 가스 공급원으로부터의 거리에 따른 탄화수소 화합물의 분해효율을 나타낸 도면이고,
도 6은 탄화수소 화합물의 열분해효율을 나타낸 도면이다.
도 2는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 탄화규소 증착 장치의 일부분을 나타낸 도면이고,
도 4는 탄화수소 화합물의 열분해단계를 나타낸 도면이고,
도 5는 가스 공급원으로부터의 거리에 따른 탄화수소 화합물의 분해효율을 나타낸 도면이고,
도 6은 탄화수소 화합물의 열분해효율을 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 두 개의 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)"로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2", "상/상부/위" 및 "하/하부/아래"등과 같은 관계적 용어들은 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
실시예의 탄화규소(SiC) 에피 웨이퍼는 복수의 탄화수소 화합물을 포함하는 반응 가스에 의하여 형성된 탄화규소 에피층을 포함할 수 있고, 형성된 탄화규소 에피층의 C(Carbon)와 Si(Silicone) 원소의 비인 C/Si 값은 에피층이 형성된 웨이퍼 상에서 균일할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 탄화규소 에피층을 증착하는 증착 장비에 있어서, 가스 공급원(100)과 웨이퍼(W)의 배치 형태를 간략히 나타낸 도면이다.
도 1a는 가스 공급원(100)이 증착되는 웨이퍼(W)의 측면에 배치되는 경우를 나타낸 평면도이다.
도 1a를 참조하면, 가스 공급원(100)은 증착 공정에 사용되는 웨이퍼(W)의 일측에 배치될 수 있으며, 이러한 경우 공급되는 반응 가스는 웨이퍼(W)의 일측인 A지점으로부터 웨이퍼(W)의 타측인 B지점으로, 즉 Z1에서 Z3 방향으로 순차적으로 공급될 수 있다.
도 1b는 가스 공급원(100)이 증착되는 웨이퍼(W)의 상부에 배치되는 경우를 나타내는 것으로, 반응 가스는 웨이퍼(W) 상으로 공급될 수 있다. 이러한 경우 공급되는 반응 가스는 웨이퍼(W)의 중심에서 반경 방향으로, 즉 Z1 영역에서 Z3 영역 방향으로 공급될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 가스 공급원(100)에서 공급되는 반응 가스는 C(Carbon)와 Si(Silicone)의 소스(Source) 가스일 수 있다.
C(Carbon)의 소스 가스는 탄화수소 화합물일 수 있으며, 실시예의 경우 C(Carbon)의 소스가 되는 반응 가스는 서로 다른 종류의 탄화수소 화합물이 포함된 복수의 탄화수소 화합물일 수 있다.
복수의 탄화수소 화합물은 알케인(Alkane, CnH2n +2, 여기서 1≤n≤3), 알켄(Alkene, CnH2n, 여기서 2≤n≤3) 또는 알카인(Alkyne, CnH2n -2, 여기서 2≤n≤3)의 탄화수소 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 복수의 탄화수소 화합물은 C3H8(Propane), C2H4(Ethylene), C2H2(Ethyne) 및 CH4(Methane)를 포함할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼 형성에 사용되는 반응 가스에는 Si(Silicone)를 공급하기 위한 소스 가스가 더 포함할 수 있다.
Si(Silicone)의 소스가 되는 반응 가스는 액상 원료 또는 기상 원료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 액상 원료는 메틸트리클로로실란 (Methyltrichlorosilane;MTS)을 포함할 수 있고, 기상 원료는 SiH4(Silane)를 포함할 수 있으나, 실시예는 이에 한정하지 않으며 반응 가스는 Si(Silicone)를 포함하는 다양한 원료를 포함할 수 있다.
C(Carbon)와 Si(Silicone) 공급원인 반응 가스에 의하여 형성된 탄화규소 에피층은 웨이퍼(W) 상에 형성될 수 있다.
웨이퍼(W)는 실리콘(Si) 웨이퍼일 수 있으며, 공급된 반응 가스가 생성한 중간 화합물이 실리콘 웨이퍼 상에 증착되어 탄화규소(SiC) 에피층을 형성할 수 있다.
웨이퍼 상에 형성된 탄화규소 에피층의 서로 다른 지점에서의 C/Si 값의 비율은 1 : 0.9~1.1 일 수 있다.
실시예에서 C/Si 값은 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)이용한 원소 분석을 통하여 구할 수 있으며, 분석 방법은 이에 한정하지 않고, 증착된 탄화규소 박막층의 원소를 정량적으로 분석할 수 있는 분석 장비는 모두 이용될 수 있다.
따라서, 증착 공정을 통하여 형성한 탄화규소 에피층의 표면 원소분석에서 C(Carbon)와 Si(Silicone) 원소의 양을 구하고 그 비율(C/Si)을 구할 수 있다. 이러한 방법으로 탄화규소 에피층의 서로 다른 복수의 점에서의 C/Si 값을 구할 수 있으며, 예를 들어, 서로 다른 지점에서의 C/Si 값의 차이는 10% 이내일 수 있다.
도 1a 및 도 1b에서 도시한 실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼(W)의 경우 가스 공급원(100)에 가장 인접한 영역에서의 C/Si값과 가스 공급원에서 가장 멀리 위치하는 영역에서의 C/Si 비율의 값은 균일할 수 있다.
실시예에서 C/Si 값은 복수의 탄화수소 화합물이 공급되는 웨이퍼 상의 제1 지점으로부터 제1 지점과 대칭되는 웨이퍼 상의 제2 지점 방향으로 균일할 수 있다.
예를 들어, 도 1a의 도시를 참조하면 반응 가스가 웨이퍼의 측면으로 공급되는 경우에 있어서 웨이퍼의 일측인 A지점과 이와 대칭되는 B지점에서의 C/Si 값은 균일할 수 있으며, 반응 가스 공급원과 인접한 Z1 영역에서부터 반응 가스 공급원에서 가장 이격 되어 있는 Z3 영역 방향으로의 C/Si 값은 균일할 수 있다.
또한, 도 1a에 도시된 탄화규소 에피 웨이퍼의 실시예에서 제1 영역(Z1) 내지 제3 영역(Z3)에서의 C/Si 값의 비는 1 : 0.9~1.1 의 범위일 수 있다
실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼에서, C/Si 값은 웨이퍼의 중심에서 원주 방향으로 균일할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 반응 가스 공급원(100)과 인접한 웨이퍼(W) 중심의 Z1 영역에서 외곽 방향인 Z3 방향으로의 탄화규소 에피층의 C/Si 값은 균일할 수 있다. 또한, 웨이퍼(W)의 중앙(Z1)과 외곽 영역(Z3)에서의 증착된 C/Si 값은 1 : 0.9~1.1 의 범위일 수 있다.
따라서, 도 1a 와 도 1b에서 예를 들어 설명한 실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼의 경우 복수의 탄화수소 화합물이 반응 가스에 포함되어 같이 공급됨으로써, 가스 공급원(100)과의 거리에 관계없이 웨이퍼(W)에 형성된 탄화규소 에피 층의 C/Si 비율 값은 균일할 수 있다.
또한, 도 1a 및 도 1b에서 도시한 실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼에서, 웨이퍼(W) 상에 형성된 탄화규소 에피층의 두께 및 조도(roughness)는 반응 가스 공급원(100)과 웨이퍼(W)의 상대적인 거리에 관계없이 균일할 수 있다.
예를 들어, 실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼에서, 형성된 탄화규소 에피층의 평균 두께에 대한 웨이퍼 상의 서로 다른 지점에서의 탄화규소 에피층의 두께 차이의 비는 0.005이하일 수 있다. 즉, 형성된 탄화규소 에피층의 두께의 평균값을 ta라 하고, 웨이퍼 상의 임의의 점에서의 탄화규소 에피층의 두께를 tx, 이와 다른 점에서의 에피층의 두께를 ty라고 할 때, 웨이퍼 전체에서 {│tx-ty│/ta}≤ 0.005 일 수 있다. 이때, (tx-ty)<0이면 │tx-ty│=-(tx-ty) 이고, (tx-ty)≥0이면 │tx-ty│=(tx-ty) 이다.
실시예의 탄화규소 에피층의 RMS(Root Mean Square) 조도는 0.5nm 이하일 수 있다. 즉, 형성된 탄화규소 에피층에서 탄화규소 에피층의 표면 거칠기에 해당하는 조도의 표준편차는 0.5nm 이하일 수 있다.
따라서, 상술한 실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼의 경우 복수의 탄화수소 화합물을 반응 가스로 사용함으로써, 탄화규소 에피층에서의 C/Si 값과 에피층의 두께 및 조도를 균일하게 할 수 있어 탄화규소 에피 웨이퍼 전체 영역에서 균일한 물성을 가질 수 있게 하여 탄화규소 에피 웨이퍼의 품질이 개선되는 효과를 가질 수 있다.
도 2는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 플로우 차트이다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 탄화규소 에피 웨이퍼의 제조 방법은 웨이퍼를 준비하는 단계(S1000), 반응 가스를 웨이퍼에 적용하는 단계(S1100), 반응 가스를 가열하여 중간화합물을 생성하는 단계(S1200) 및 생성된 중간 화합물을 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층으로 형성하는 단계(S1300)를 포함하며, 반응 가스는 복수의 탄화수소 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼의 제조 공정은 도 3에 도시된 증착 장치에서 진행될 수 있다.
도 3은 가스 공급원(100)과 연결된 증착 장치의 일부분에 대한 단면도를 나타낸 것으로서, 도 3의 증착 장치에서는 챔버(10), 챔버(10) 내부를 가열하기 위한 발열부(50), 서셉터(20) 및 서셉터 내에 배치되는 기판 홀더(30)를 포함할 수 있다.
챔버(10)는 원통형 또는 사각 박스 형상으로 형성되며, 내부에는 기판(W)을 배치하는 공간이 형성될 수 있으며, 도면에 도시되지는 않았으나, 챔버(10)의 일측면에는 기체의 배출을 위한 기체 배출부가 더 포함될 수 있다.
챔버(10)는 외부에서의 기체유입을 막고 증착 장치 내의 진공도를 유지하는 역할을 할 수 있으며, 기계적 강도가 높고 화학적 내구성이 우수한 석영(quartz)을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
챔버(10) 외부에는 발열부(50)가 배치될 수 있다. 발열부(50)는 전원이 인가되면 열을 발생시키는 저항성 가열 소자일 수 있으며, 기판(W)을 균일하게 가열할 수 있도록 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
발열부(50)를 챔버 외부에서 일정한 형태로 배치하기 위해서 발열부(50)는 와이어 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 발열부(50)는 필라멘트, 코일 또는 카본 와이어 등을 포함할 수 있다.
챔버(10) 내에는 단열부(60)가 더 배치되어 챔버(10) 내의 열을 보존하는 역할을 할 수 있다. 단열부(60)는 발열부(50)에서 발생하는 열에 의해 변형이 발생하지 않고 화학적으로 안정적인 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 단열부(60)는 질화물 세라믹이나 탄화물 세라믹 또는 그라파이트(Graphite) 재질을 포함할 수 있다.
챔버(10) 내의 단열부(60) 상에 서셉터(20)가 배치될 수 있다. 서셉터(20)는 고온 공정 조건에서도 안정성을 가질 수 있도록 내열성이 높고 가공이 용이한 그라파이트(Graphite) 재질을 포함할 수 있다.
기판 홀더(30)는 서셉터(20) 내에 배치될 수 있다. 도 3의 증착 장치에서는 증착물이 형성되거나 에피텍셜 성장이 일어나는 기판(W)이 서셉터(20) 상의 기판 홀더(30)에 배치될 수 있으며, 기판 홀더(30)는 탄화규소 또는 흑연 등의 재질로 이루어질 수 있다.
도 3에 도시된 증착 장치는 앞서 설명한 도 1a의 증착 장치에서와 같이 가스 공급원(100)이 웨이퍼의 측면에 배치되는 경우에 해당하나 사용되는 증착 장치는 이에 한정하지 않으며, 도면에 도시되지는 않았으나 증착 장치에서 가스 공급원(100)은 도 1b의 증착 장치에서와 같이 웨이퍼(W)의 상부면과 마주 보도록 챔버(10) 외부에 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 웨이퍼(W)는 가스 공급원(100)으로부터 거리 d 만큼 이격되어 측면에 배치될 수 있으며, 또한 도면에 도시되지는 않았으나 웨이퍼(W)의 상부면과 가스 공급원(100)이 거리 d 만큼 이격 되어 배치될 수 있다.
실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼 제조공정에 있어서, 웨이퍼를 준비하는 단계(S1000)에서는 챔버(10) 내에 위치하는 서셉터(20) 내에 웨이퍼(W)를 위치시킬 수 있다.
다음으로 반응 가스를 웨이퍼(W)에 적용하는 단계(S1100)에서는 복수의 탄화수소 화합물이 반응 가스로 적용될 수 있다.
반응 가스는 상술한 탄화규소 에피 웨이퍼의 실시예에서와 같이 C(Carbon)와 Si(Silicone)의 소스 가스일 수 있으며, 탄소원(C source)이 되는 탄화수소 화합물 및 규소원(Si source)이 되는 SiH4(Silane) 또는 메틸트리클로로실란(MTS)이 포함될 수 있다.
반응 가스인 탄화수소 화합물은 앞의 실시예에서 설명한 복수의 탄화수소 화합물을 모두 포함할 수 있다.
다음으로 공급되는 반응 가스를 가열하여 중간화합물(S1200)을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
반응 가스를 가열하는 공정은 반응 가스가 이온화될 수 있는 온도에서 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 공정 온도는 1500℃ 내지 1700℃일 수 있다.
반응 가스의 가열에 의하여 생성된 중간화합물은 C(Carbon) 또는 Si(silicone)를 포함하는 반응 가스의 라디칼 형태일 수 있으며, CHX·(1≤X<4) 또는 SiClX·(1≤X<4) 일 수 있으며, CH3·, SiCl·, SiHCl·, SiHCl2·등을 포함할 수 있다.
다음으로 중간 화합물은 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층을 형성(S1300)할 수 있다.
탄화규소 에피층을 성장시키기 위한 웨이퍼는 Si(Silicone) 웨이퍼일 수 있으며, 웨이퍼는 증착 장치 내에 배치될 수 있다.
실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법에 있어서 가스 공급원(100)으로 공급되는 반응 가스는 복수의 탄화수소 화합물을 포함할 수 있으며, 복수의 탄화수소 화합물은 서로 다른 열분해도(Degree of Thermal Decomposition)를 갖는 것일 수 있다.
예를 들어, 복수의 탄화수소 화합물은 C3H8, C2H4 , C2H2 및 CH4를 포함할 수 있으며, 이러한 탄화수소 화합물의 열분해도는 서로 다를 수 있다.
도 4는 탄화수소 화합물의 한 종류인 C3H8(Propane)의 열분해 단계를 예를 들어 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 열분해 단계도는 약 850℃의 온도에서의 C3H8의 열분해 경향을 간략히 나타낸 것으로서, C3H8은 고온 조건에서 탄소와 수소가 이탈되면서 CH4, C2H6, C2H4, C3H6 등으로 분해될 수 있다.
도 4를 참조할 때 C3H8가 열 분해되어 C2H4, C3H6, C2H6로 분해될 수 있으며, 열분해 단계도의 가장 마지막 단계는 C2H2 일 수 있다.
즉, 도 4의 C3H8 열분해 단계도를 참조할 때, 열분해 단계도에 표시된 탄화수소 화합물의 열 분해속도는 열분해도의 가장 아래 단계인 C2H2가 가장 빠르고, 가장 상위 단계인 C3H8의 분해속도가 제일 느린 것일 수 있다.
따라서, 열분해 속도는 C2H2 > C2H4 ≥ C3H6 ≥ C2H6 ≥ C3H8일 수 있으나, 구성하는 탄소(C)의 개수와 탄소(C)와 수소(H)의 결합 형태를 고려하면, 열분해(Thermal Decomposition) 속도의 차이는 달라질 수도 있다.
다만, CH4의 경우 안정된 형태의 구조를 가진 포화 탄화수소 화합물로서 반응 가스로 사용되는 다른 탄화수소 화합물에 비하여 열 안정성이 우수하여 열 분해속도가 사용되는 다른 탄화수소 화합물 가스에 비하여 느릴 수 있다.
따라서, 실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법에 있어서, 사용되는 탄화수소 화합물은 열분해 속도가 차이가 나며, 서로 다른 열분해 속도를 갖는 탄화수소 화합물이 혼합되어 사용될 수 있다.
예를 들어, C2H2, C3H8 및 CH4가 혼합되어 반응 가스로 공급될 경우 고온 증착 공정에서는 C2H2 이 가장 먼저 분해되어 C(Carbon)의 소스가 될 수 있으며, 다음으로 C3H8, 마지막으로 CH4가 분해되어 웨이퍼에 증착될 수 있다.
도 5는 CH4(Methane)이 반응 가스로 공급되는 경우 가스 공급 지점으로부터 웨이퍼(W)까지의 거리에 따른 C(carbon)의 웨이퍼 상의 증착률을 나타낸 도면이다.
도 5의 그래프에서 X축은 체류시간(Residence Time)으로 CH4 가스가 공급되는 경우 증착 장비 내에서 CH4가 머무르는 시간을 나타내는 것이며, 이는 소스 가스 공급원으로부터의 상대적인 거리를 나타내는 것일 수 있다.
예를 들어, 체류 시간의 값이 길어질수록 가스 공급원으로부터의 거리가 멀어지는 것일 수 있으며, 또한, 동시에 고온 공정 조건에서의 노출 시간이 많아지는 것일 수 있다.
Y축은 증착 속도(Deposition Rate) 즉, CH4 가스가 분해되어 C(carbon)가 웨이퍼 표면에 증착되는 두께에 대응하는 값일 수 있다.
도 5를 참조하면, CH4가 공급될 때 체류 시간이 길어질수록 즉, 가스 공급원으로부터 거리가 커질수록 증착 속도가 점차적으로 증가하며 특히 체류 시간이 1(s) 이상에서 증착 속도가 급속히 증가하게 된다.
예를 들어, 체류 시간 2(s) 지점이 소스 가스 공급원으로부터의 거리가 70mm인 지점이라고 할 때, 체류 시간 1(s) 지점, 즉 소스 가스 공급원으로부터의 거리가 35mm 이상인 지점에서부터 C(carbon)의 증착률이 현저하게 증가될 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나 소스 가스 공급지점으로부터 150mm 이상의 거리에서는 35mm 거리에 비하여 CH4 가스가 분해되어 탄화규소 층을 이루게 되는 증착률이 35mm 거리에 비하여 10 배 이상이 될 수 있다.
즉, 고온 공정에 노출되는 시간에 따라 증착률이 달라지고 증착되는 C(Carbon) 양이 달라짐을 알 수 있다.
한편, 도 6은 다양한 탄화수소 화합물에서의 열분해 효율을 나타낸 도면이다.
도 6에서 X축은 거리(Axial Distance)로 소스 가스인 반응 가스의 공급지점으로부터의 거리를 나타내며, Y축은 분해 효율, 즉 공급된 탄화수소 화합물이 분해되어 C(Carbon)로 증착되는 비율(Mass yield)을 나타낸다.
도 6의 그래프에서 알 수 있듯이, 복수의 탄화수소 화합물 대부분은 가스 공급원으로부터의 거리가 70mm 이상에서 분해효율이 현저히 증가하게 된다.
도 6을 참조하면, 탄화 수소 화합물 중 상대적으로 분해 속도가 빠른 C2H4는 가스 공급원으로부터의 거리가 100mm 이하인 가까운 거리에서도 분해효율이 우수하여, C3H8에 비하여 증착 비율이 높게 나타난다.
이와 비교하여, 상대적으로 분해속도가 느린 CH4는 가스 공급원으로부터의 거리가 100mm 보다 커질 경우 C3H8에 비하여 분해효율이 높아지게 된다.
또한, 그래프에 도시되지는 않았으나, 열분해 속도가 빠른 C2H2의 경우도 C2H4와 유사하게 가스 공급원으로부터의 거리가 100mm 이하인 거리에서 분해효율이 높을 수 있다.
따라서, 실시예의 탄화 규소 에피 웨이퍼 제조 방법에서는 서로 다른 열분해도를 갖는 탄화수소 화합물을 혼합하여 사용함으로써 복수의 탄화수소 화합물로부터 C(Carbon) 소스를 순차적으로 공급받을 수 있어 웨이퍼와 반응 가스 공급원과의 거리에 관계없이 웨이퍼 상에 C(Carbon)가 증착되는 양을 균일하게 할 수 있다.
예를 들어, 열분해도의 차이가 나는 복수의 탄화수소 화합물이 같이 공급될 경우, 가스 공급원으로부터의 거리가 상대적으로 가까운 영역에서는 열분해속도가 빠른 C2H4 또는 C2H2 등의 탄화수소 가스가 분해되어 증착될 수 있으며, 다음으로 일정시간 경과 후 즉, 가스 공급원으로부터 일정 거리 이격 된 영역에서는 C3H8이 분해되어 증착될 수 있고, 가장 열적 안정성이 높아 열분해속도가 느린 CH4가 마지막에 열분해되어 C(Carbon)의 소스 가스가 되어 증착될 수 있다.
따라서, 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법의 실시예에서 C3H8을 주요 탄소원으로 사용할 경우, C3H8보다 분해속도가 빠른 C2H2와 C3H8보다 분해속도가 느린 CH4를 함께 사용할 수 있다.
이러한 경우 열분해 속도의 차이에 의하여 반응 가스가 공급되는 지점으로부터 C2H2, C3H8, CH4의 순서로 열분해되어 C(Carbon)의 공급원이 될 수 있다. 결과적으로 반응 가스 공급원으로부터의 거리에 관계없이 웨이퍼 상에서 전체적으로 균일하게 C(Carbon)이 공급되어 증착될 수 있게 된다.
실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법에서 반응 가스가 공급되는 지점으로부터 웨이퍼까지의 거리가 100mm 이하인 경우, 복수의 탄화수소 화합물은 C3H8 및 C2H2를 포함하거나 또는 C3H8 및 C2H4를 포함할 수 있다.
이때, 공급되는 C3H8 및 C2H2 가스의 질량비는 1 : 0.1~0.3 일 수 있으며, 또한 C3H8 및 C2H4의 질량비는 1 : 0.1~0.3 일 수 있다.
위와 같은 탄화수소 화합물이 반응 가스로 공급될 경우, 상대적으로 열분해 속도가 빠른 C2H2 또는 C2H4가 가스 공급원과 인접한 거리에 있는 웨이퍼 상에 증착되고, C2H2 또는 C2H4보다 열분해속도가 느린 C3H8 가 상대적으로 가스 공급원으로부터 이격 된 영역의 웨이퍼 상에 증착될 수 있다.
반응 가스가 공급되는 지점으로부터 웨이퍼까지의 거리가 100mm 보다 큰 경우 복수의 탄화수소 화합물은 C3H8, C2H2 또는 C2H4 및 CH4를 포함할 수 있다.
반응 가스가 공급되는 지점으로부터 웨이퍼까지의 거리가 100mm 보다 크고 150mm 이하인 경우 C3H8, C2H2 또는 C2H4 및 CH4의 질량비는 C3H8 : (C2H2 또는 C2H4) : CH4 = 1 : 0.1~0.3 : 0.2~0.4일 수 있으며, 거리가 150mm 보다 큰 경우 C3H8, C2H2 또는 C2H4 및 CH4의 질량비는 C3H8 : (C2H2 또는 C2H4) : CH4 = 1 : 0.1~0.3 : 0.2~0.6일 수 있다.
예를 들어, 한 종류의 탄화수소 화합물이 반응 가스로 공급될 경우, 사용된 탄화수소 화합물의 종류에 따라 열분해속도가 빠른 화합물의 경우 증착 공정의 초반에 모두 열분해가 되어 탄화규소 에피 층을 형성할 수 있다. 이와 달리 열분해속도가 느린 경우에는 공정 초반에는 열분해가 일어나지 않고 반응 가스 공급원에서 멀어질수록 웨이퍼에 증착되는 C(carbon)의 비율이 높아질 수 있다.
따라서, 한 종류의 탄화수소 화합물을 반응 가스로 사용하는 경우 증착되는 C(Carbon)의 양이 반응 가스의 공급지점으로부터 이격된 거리에 따라 달라질 수 있어, 웨이퍼 상의 C/Si 값의 불균일이 발생하게 된다.
하지만, 실시예와 같이 복수의 탄화수소 화합물을 혼합하여 반응 가스로 공급할 경우, 복수의 탄화수소의 열분해속도가 서로 상이하므로 열분해속도가 큰 탄화수소 화합물부터 순차적으로 분해가 되어 웨이퍼 상에 증착될 수 있다. 또한, 상대적으로 열분해속도가 느린 탄화수소 화합물을 같이 공급함으로써 가스 공급원으로부터 가장 떨어져 있는 웨이퍼 영역에도 충분한 C(Carbon) 소스를 공급할 수 있게 된다.
복수의 탄화수소 화합물의 질량비는 가스 공급원과의 상대적인 거리에 따라 그 비율을 달리할 수 있으며, 예를 들어, 가스 공급원과 증착되는 웨이퍼가 배치되는 거리가 가까울수록 열분해 속도가 빠른 C2H2 또는 C2H4의 비율이 늘어날 수 있고, 반대로 배치되는 웨이퍼의 거리가 멀어질수록 열분해 속도가 느린 CH4의 비율이 늘어날 수 있다.
상술한 실시예의 탄화규소 에피 웨이퍼 및 그 제조 방법의 경우 반응 가스의 공급지점과의 거리에 관계없이 균일하게 C(Carbon) 소스를 공급받아 웨이퍼 상에 탄화규소(SiC)층을 이룸으로써, C/Si 값이 웨이퍼 전 영역에서 균일할 수 있으며, 이에 따라 탄화규소 에피층의 두께 및 조도도 균일하게 할 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.
10 : 챔버 20 : 서셉터
30 : 기판 홀더 100 : 가스 공급원
30 : 기판 홀더 100 : 가스 공급원
Claims (13)
- 복수의 탄화수소 화합물을 포함하는 반응 가스에 의하여 형성된 탄화규소 에피층을 포함하고,
상기 탄화 규소 에피층의 C/Si 값은 웨이퍼 상에서 균일한 탄화규소 에피 웨이퍼. - 제 1항에 있어서, 상기 웨이퍼 상의 서로 다른 지점에서의 상기 C/Si 값의 비율은 1 : 0.9~1.1인 탄화규소 에피 웨이퍼.
- 제 1항에 있어서, 상기 C/Si 값은 상기 복수의 탄화수소 화합물이 공급되는 상기 웨이퍼 상의 제1 지점으로부터 상기 제1 지점과 대칭되는 상기 웨이퍼 상의 제2 지점 방향으로 균일한 탄화규소 에피 웨이퍼.
- 제 1항에 있어서, 상기 C/Si 값은 상기 웨이퍼의 중심에서 원주 방향으로 균일한 탄화규소 에피 웨이퍼.
- 제1 항에 있어서, 상기 웨이퍼 상에 배치된 상기 탄화규소 에피층의 평균 두께에 대한 상기 웨이퍼 상의 서로 다른 지점에서의 상기 탄화규소 에피층의 두께 차이의 비는 0.005 이하인 탄화규소 에피 웨이퍼.
- 제1 항에 있어서, 상기 웨이퍼 상에 배치된 상기 탄화규소 에피층의 RMS(Root mean square) 조도는 0.5nm 이하인 탄화규소 에피 웨이퍼.
- 웨이퍼를 준비하는 단계;
반응 가스를 상기 웨이퍼에 적용하는 단계;
상기 반응 가스를 가열하여 중간화합물을 생성하는 단계; 및
상기 생성된 중간 화합물을 상기 웨이퍼 상에 탄화규소 에피층으로서 형성하는 단계; 를 포함하며,
상기 반응 가스는 복수의 탄화수소 화합물을 포함하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법. - 제 7항에 있어서, 상기 복수의 탄화수소 화합물은 서로 다른 열분해도를 갖는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 반응 가스가 공급되는 지점으로부터 상기 웨이퍼까지의 거리가 100mm 이하인 경우, 상기 복수의 탄화수소 화합물은 C3H8; 및 C2H2 또는 C2H4; 를 포함하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 반응 가스가 공급되는 지점으로부터 상기 웨이퍼까지의 거리가 100mm 보다 큰 경우, 상기 복수의 탄화수소 화합물은 C3H8; C2H2 또는 C2H4; 및 CH4; 를 포함하는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 C3H8; 및 상기 C2H2 또는 C2H4; 는 1 : 0.1~0.3의 질량비를 갖는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 거리가 100mm 보다 크고 150mm 이하인 경우, 상기 C3H8; 상기 C2H2 또는 C2H4; 및 상기 CH4; 는 1 : 0.1~0.3 : 0.2~0.4의 질량비를 갖는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 거리가 150mm 보다 큰 경우, 상기 C3H8; 상기 C2H2 또는 C2H4; 및 상기 CH4; 는 1 : 0.1~0.3 : 0.2~0.6의 질량비를 갖는 탄화규소 에피 웨이퍼 제조 방법.
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