현재 SiC 산업은 150mm(6인치)에서 200mm(8인치)로의 전환을 진행하고 있습니다. 업계의 대형 고품질 SiC 동종 에피택셜 웨이퍼에 대한 시급한 수요를 충족하기 위해 150mm 및 200mm 웨이퍼가 주목받고 있습니다.4H-SiC 동종 에피택셜 웨이퍼자체 개발한 200mm SiC 에피택셜 성장 장비를 이용하여 국내 기판에 성공적으로 박막을 제작하였다. 150mm 및 200mm 박막에 적합한 동종 에피택셜 공정을 개발하였으며, 이 공정을 통해 에피택셜 성장 속도를 60μm/h 이상으로 달성할 수 있었다. 고속 에피택시 조건을 충족하면서도 우수한 에피택셜 웨이퍼 품질을 얻었으며, 150mm 및 200mm 박막 모두 두께 균일도가 우수하였다.SiC 에피택셜 웨이퍼1.5% 이내로 제어 가능하고, 농도 균일도는 3% 미만이며, 치명적인 결함 밀도는 0.3개/cm2 미만이고, 에피택시 표면 거칠기 제곱평균제곱근(Ra)은 0.15nm 미만이며, 모든 핵심 공정 지표는 업계 최고 수준입니다.
탄화규소(SiC)실리콘 카바이드(SiC)는 3세대 반도체 소재의 대표적인 재료 중 하나로, 높은 항복 전계 강도, 우수한 열전도율, 큰 전자 포화 드리프트 속도, 그리고 강한 방사선 저항성을 특징으로 합니다. 이러한 특성으로 인해 전력 소자의 에너지 처리 용량이 크게 확장되었으며, 고출력, 소형화, 고온, 고방사선 등 극한 환경 조건을 요구하는 차세대 전력 전자 장비의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 공간 절약, 전력 소비 감소, 냉각 요구량 감소 등의 장점을 지닌 SiC는 신에너지 자동차, 철도 운송, 스마트 그리드 등 다양한 분야에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 따라서 실리콘 카바이드 반도체는 차세대 고출력 전력 전자 장치를 이끌어갈 이상적인 소재로 인정받고 있습니다. 최근 국가 정책 지원에 힘입어 중국에서는 150mm SiC 소자 산업 시스템의 연구 개발 및 구축이 거의 완료되었고, 산업 사슬의 안정성이 확보되었습니다. 이에 따라 업계의 관심은 점차 비용 절감과 효율성 향상으로 옮겨가고 있습니다. 표 1에서 볼 수 있듯이, 150mm와 비교했을 때 200mm SiC는 에지 활용률이 더 높아 단일 웨이퍼 칩 생산량을 약 1.8배 증가시킬 수 있습니다. 기술이 성숙해지면 단일 칩 제조 비용을 30%까지 절감할 수 있습니다. 200mm 기술의 혁신은 "비용 절감과 효율성 증대"를 위한 직접적인 수단이며, 우리나라 반도체 산업이 "동등하게 발전"하거나 나아가 "선도"하는 데 있어 핵심적인 역할을 할 것입니다.
실리콘 소자 공정과는 다르게,SiC 반도체 전력 소자모든 공정 및 준비는 에피택셜 층을 핵심으로 하여 이루어집니다. 에피택셜 웨이퍼는 SiC 전력 소자의 필수 기본 재료입니다. 에피택셜 층의 품질은 소자의 수율을 직접적으로 결정하며, 칩 제조 비용의 20%를 차지합니다. 따라서 에피택셜 성장은 SiC 전력 소자에서 필수적인 중간 단계입니다. 에피택셜 공정 수준의 상한선은 에피택셜 장비에 의해 결정됩니다. 현재 중국은 150mm SiC 에피택셜 장비의 국산화율은 비교적 높지만, 200mm의 전체적인 레이아웃은 국제 수준에 비해 뒤처져 있습니다. 따라서 국내 3세대 반도체 산업 발전을 위한 대형, 고품질 에피택셜 재료 제조의 시급한 요구와 병목 현상을 해결하기 위해, 본 논문에서는 국내에서 성공적으로 개발한 200mm SiC 에피택셜 장비를 소개하고 에피택셜 공정을 연구합니다. 공정 온도, 운반 가스 유량, C/Si 비율 등의 공정 변수를 최적화함으로써, 자체 개발한 200mm 탄화규소 에피택셜로를 이용하여 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼에서 농도 균일도 <3%, 두께 불균일도 <1.5%, 표면 조도 Ra <0.2nm, 치명적 결함 밀도 <0.3 grains/cm2의 특성을 얻었다. 이러한 장비의 공정 수준은 고품질 SiC 전력 소자 제조에 필요한 조건을 충족한다.
1 실험
1.1 원칙SiC 에피택셜프로세스
4H-SiC 동종 에피택시 성장 공정은 크게 두 가지 핵심 단계, 즉 4H-SiC 기판의 고온 현장 에칭과 균일 화학 기상 증착(CVD) 공정으로 구성됩니다. 기판 현장 에칭의 주된 목적은 웨이퍼 연마 후 기판 표면 아래의 손상, 잔류 연마액, 입자 및 산화층을 제거하고, 에칭을 통해 기판 표면에 규칙적인 원자 단계 구조를 형성하는 것입니다. 현장 에칭은 일반적으로 수소 분위기에서 수행됩니다. 실제 공정 요구 사항에 따라 염화수소, 프로판, 에틸렌 또는 실란과 같은 소량의 보조 가스를 첨가할 수도 있습니다. 현장 수소 에칭의 온도는 일반적으로 1,600℃ 이상이며, 에칭 공정 중 반응 챔버의 압력은 일반적으로 2×10⁴ Pa 이하로 제어됩니다.
기판 표면이 현장 에칭에 의해 활성화된 후, 고온 화학 기상 증착 공정으로 들어갑니다. 즉, 성장 소스(에틸렌/프로판, TCS/실란 등), 도핑 소스(n형 도핑 소스 질소, p형 도핑 소스 TMAl), 염화수소와 같은 보조 가스가 대량의 운반 가스(일반적으로 수소)를 통해 반응 챔버로 이송됩니다. 고온 반응 챔버에서 가스가 반응하면 전구체의 일부가 화학 반응을 일으켜 웨이퍼 표면에 흡착되고, 단결정 4H-SiC 기판을 템플레이트로 사용하여 특정 도핑 농도, 특정 두께, 그리고 더 높은 품질을 갖는 단결정 균일 4H-SiC 에피택셜 층이 기판 표면에 형성됩니다. 수년간의 기술 연구를 통해 4H-SiC 균일 에피택셜 기술은 기본적으로 성숙되어 산업 생산에 널리 사용되고 있습니다. 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 4H-SiC 균일 에피택셜 기술은 두 가지 전형적인 특징을 가지고 있습니다.
(1) <0001> 결정면을 기준으로 <11-20> 결정 방향으로 향하는 비축 경사 절단 기판을 템플레이트로 사용하여, 불순물이 없는 고순도 단결정 4H-SiC 에피택셜 층을 스텝플로우 성장 모드 형태로 기판 위에 증착한다. 초기 4H-SiC 동종 에피택셜 성장에서는 양의 결정 기판, 즉 <0001> Si 면을 성장에 사용했다. 양의 결정 기판 표면의 원자 스텝 밀도는 낮고 테라스 폭은 넓다. 에피택시 공정 중 2차원 핵 생성 성장이 쉽게 발생하여 3C 결정 SiC(3C-SiC)가 형성된다. 비축 절단을 통해 4H-SiC <0001> 기판 표면에 고밀도, 좁은 테라스 폭의 원자 스텝을 도입할 수 있으며, 흡착된 전구체는 표면 확산을 통해 상대적으로 낮은 표면 에너지를 가진 원자 스텝 위치에 효과적으로 도달할 수 있다. 단계별로 전구체 원자/분자 그룹 결합 위치가 고유하기 때문에, 단계 흐름 성장 모드에서 에피택셜 층은 기판의 Si-C 이중 원자층 적층 순서를 완벽하게 계승하여 기판과 동일한 결정상을 갖는 단결정을 형성할 수 있습니다.
(2) 염소 함유 실리콘 소스를 도입함으로써 고속 에피택셜 성장이 달성됩니다. 기존의 SiC 화학 기상 증착 시스템에서는 실란과 프로판(또는 에틸렌)이 주요 성장 소스입니다. 성장 소스 유량을 증가시켜 성장 속도를 높이는 과정에서 실리콘 성분의 평형 부분 압력이 계속 증가함에 따라 균일 기상 핵 생성에 의해 실리콘 클러스터가 쉽게 형성되어 실리콘 소스의 이용률이 크게 감소합니다. 실리콘 클러스터 형성은 에피택셜 성장 속도 향상을 크게 제한합니다. 동시에 실리콘 클러스터는 계단 흐름 성장을 방해하고 결함 핵 생성을 유발할 수 있습니다. 균일 기상 핵 생성을 방지하고 에피택셜 성장 속도를 높이기 위해 염소계 실리콘 소스의 도입은 현재 4H-SiC의 에피택셜 성장 속도를 높이는 주류 방법입니다.
1.2 200mm(8인치) SiC 에피택셜 장비 및 공정 조건
본 논문에 기술된 실험은 모두 중국전자기술그룹공사(CETGC) 제48연구소에서 자체 개발한 150/200mm(6/8인치) 호환 모놀리식 수평형 고온벽 SiC 에피택셜 장비를 사용하여 수행되었습니다. 이 에피택셜로는 완전 자동 웨이퍼 로딩 및 언로딩 기능을 지원합니다. 그림 1은 에피택셜 장비의 반응 챔버 내부 구조 개략도입니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 반응 챔버의 외벽은 수냉식 중간층이 있는 석영 벨이며, 벨 내부는 단열 탄소펠트, 고순도 특수 흑연 캐비티, 흑연 가스 부유 회전 베이스 등으로 구성된 고온 반응 챔버입니다. 석영 벨 전체는 원통형 유도 코일로 덮여 있으며, 벨 내부의 반응 챔버는 중주파 유도 전원 공급 장치에 의해 전자기적으로 가열됩니다. 그림 1(b)에서 볼 수 있듯이, 운반 가스, 반응 가스 및 도핑 가스는 모두 반응 챔버의 상류에서 하류로 수평 층류로 웨이퍼 표면을 통과하며 흐르고 테일 가스 배출구에서 배출됩니다. 웨이퍼 내부의 균일성을 확보하기 위해 공기 부양 베이스에 의해 운반되는 웨이퍼는 공정 동안 항상 회전합니다.
실험에 사용된 기판은 산시 슈오커 크리스탈(Shanxi Shuoke Crystal)에서 생산한 상용 150mm x 200mm(6인치 x 8인치) <1120> 방향 4° 오프앵글 전도성 n형 4H-SiC 양면 연마 SiC 기판입니다. 공정 실험에서는 트리클로로실란(SiHCl3, TCS)과 에틸렌(C2H4)을 주요 성장 소스로 사용하였으며, TCS는 실리콘 소스, C2H4는 탄소 소스로 사용되었습니다. 고순도 질소(N2)는 n형 도핑 소스로, 수소(H2)는 희석 가스 및 운반 가스로 사용되었습니다. 에피택시 공정의 온도 범위는 1600~1660℃, 공정 압력은 8×10³~12×10³ Pa, H2 운반 가스 유량은 100~140 L/min입니다.
1.3 에피택셜 웨이퍼 테스트 및 특성 분석
푸리에 적외선 분광기(제조사: Thermalfisher, 모델: iS50)와 수은 프로브 농도 측정기(제조사: Semilab, 모델: 530L)를 사용하여 에피택셜 층 두께와 도핑 농도의 평균 및 분포를 측정했습니다. 에피택셜 층 내 각 지점의 두께와 도핑 농도는 웨이퍼 중앙에서 주 기준 모서리의 법선과 45° 각도로 교차하는 직경선을 따라 5mm 가장자리를 제거한 후 점들을 취하여 측정했습니다. 150mm 웨이퍼의 경우, 단일 직경선(두 직경이 서로 수직임)을 따라 9개의 점을, 200mm 웨이퍼의 경우 21개의 점을 취했습니다(그림 2 참조). 원자력 현미경(제조사: Bruker, 모델: Dimension Icon)을 사용하여 에피택셜 웨이퍼의 중앙 영역과 가장자리 영역(5mm 가장자리 제거)에서 30μm×30μm 영역을 선택하여 에피택셜 층의 표면 거칠기를 측정했습니다. 에피택셜 층의 결함은 표면 결함 측정기(장비 제조업체: 중국 전자)를 사용하여 측정했습니다. 3D 이미저는 커펑화(Kefenghua)사의 레이더 센서(모델: Mars 4410 pro)를 사용하여 특성을 분석했습니다.
게시 시간: 2024년 9월 4일