현재 SiC 산업은 150mm(6인치)에서 200mm(8인치)로 전환되고 있습니다. 업계의 대형 고품질 SiC 호모에피택셜 웨이퍼에 대한 긴급 수요를 충족하기 위해 150mm 및 200mm4H-SiC 호모에피택셜 웨이퍼독자적으로 개발한 200mm SiC 에피택셜 성장 장비를 이용하여 국내 기판에 성공적으로 제조되었습니다. 150mm와 200mm에 적합한 호모에피택셜 공정을 개발하였으며, 이 공정을 통해 에피택셜 성장 속도가 60um/h 이상 향상되었습니다. 고속 에피택시를 충족하면서도 에피택셜 웨이퍼 품질이 우수합니다. 150mm와 200mm 두께의 균일도는SiC 에피택셜 웨이퍼1.5% 이내로 제어할 수 있고, 농도 균일도는 3% 미만이며, 치명적인 결함 밀도는 0.3개/cm2 미만이며, 에피택셜 표면 거칠기 제곱평균 Ra는 0.15nm 미만이며, 핵심 공정 지표는 모두 업계 선진 수준에 도달했습니다.
탄화규소(SiC)3세대 반도체 소재의 대표 주자 중 하나입니다. 높은 파괴 전계 강도, 뛰어난 열전도도, 빠른 전자 포화 드리프트 속도, 그리고 강한 내방사선성을 특징으로 합니다. 전력 소자의 에너지 처리 용량을 크게 확장하여 고전력, 소형, 고온, 고방사선 및 기타 극한 조건을 요구하는 차세대 전력 전자 장비의 서비스 요건을 충족할 수 있습니다. 공간 절감, 전력 소비 감소, 냉각 요구 사항 감소 효과를 제공합니다. 신에너지 자동차, 철도 운송, 스마트 그리드 등 다양한 분야에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 따라서 탄화규소 반도체는 차세대 고전력 전력 전자 소자를 선도할 이상적인 소재로 인정받고 있습니다. 최근 몇 년간 3세대 반도체 산업 발전을 위한 국가 정책 지원 덕분에 중국에서는 150mm SiC 소자 산업 시스템의 연구 개발 및 구축이 기본적으로 완료되었으며, 산업 사슬의 안정성이 기본적으로 보장되었습니다. 따라서 산업의 초점은 점차 비용 관리 및 효율성 향상으로 전환되었습니다. 표 1에서 볼 수 있듯이, 200mm SiC는 150mm에 비해 엣지 활용률이 높아 단일 웨이퍼 칩 생산량을 약 1.8배까지 늘릴 수 있습니다. 기술이 성숙되면 단일 칩 제조 비용을 30%까지 절감할 수 있습니다. 200mm의 기술 혁신은 "비용 절감 및 효율 향상"의 직접적인 수단일 뿐만 아니라, 우리나라 반도체 산업이 "병행"하거나 심지어 "선도"하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
Si소자 공정과 다르게,SiC 반도체 전력 소자모든 에피택셜 층을 초석으로 하여 가공 및 준비됩니다. 에피택셜 웨이퍼는 SiC 전력 소자의 필수적인 기본 재료입니다. 에피택셜 층의 품질은 소자의 수율을 직접적으로 결정하며, 그 비용은 칩 제조 비용의 20%를 차지합니다. 따라서 에피택셜 성장은 SiC 전력 소자의 필수적인 중간 고리입니다. 에피택셜 공정 수준의 상한은 에피택셜 장비에 의해 결정됩니다. 현재 중국의 150mm SiC 에피택셜 장비의 국산화율은 비교적 높지만, 200mm의 전체 레이아웃은 동시에 국제 수준에 뒤처져 있습니다. 따라서 국내 3세대 반도체 산업 발전을 위한 대형 고품질 에피택셜 재료 제조의 시급한 요구와 병목 현상을 해결하기 위해 본 논문에서는 국내에서 성공적으로 개발된 200mm SiC 에피택셜 장비를 소개하고 에피택셜 공정을 연구합니다. 공정 온도, 캐리어 가스 유량, C/Si 비율 등의 공정 매개변수를 최적화함으로써, 독자적으로 개발한 200mm 탄화규소 에피택셜 퍼니스를 이용하여 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼의 농도 균일도 <3%, 두께 불균일도 <1.5%, 거칠기 Ra <0.2nm, 치명적 결함 밀도 <0.3grain/cm²를 달성했습니다. 본 장비는 고품질 SiC 전력 소자 제조에 필요한 공정 수준을 충족합니다.
1 실험
1.1 원칙SiC 에피택셜프로세스
4H-SiC 호모에피택셜 성장 공정은 주로 4H-SiC 기판의 고온 인시튜 에칭과 균질 화학 기상 증착 공정의 두 가지 핵심 단계로 구성됩니다. 기판 인시튜 에칭의 주요 목적은 웨이퍼 연마 후 기판의 표면 아래 손상, 잔여 연마액, 입자 및 산화층을 제거하는 것이며, 에칭을 통해 기판 표면에 규칙적인 원자 계단 구조를 형성할 수 있습니다. 인시튜 에칭은 일반적으로 수소 분위기에서 수행됩니다. 실제 공정 요구 사항에 따라 염화수소, 프로판, 에틸렌 또는 실란과 같은 소량의 보조 가스를 추가할 수도 있습니다. 인시튜 수소 에칭의 온도는 일반적으로 1,600℃ 이상이며, 에칭 공정 중 반응 챔버의 압력은 일반적으로 2×104Pa 미만으로 제어됩니다.
기판 표면이 현장 에칭으로 활성화된 후, 고온 화학 기상 증착 공정으로 들어갑니다. 즉, 성장 소스(예: 에틸렌/프로판, TCS/실란), 도핑 소스(n형 도핑 소스 질소, p형 도핑 소스 TMAl) 및 염화수소와 같은 보조 가스가 대량의 캐리어 가스(일반적으로 수소)를 통해 반응 챔버로 운반됩니다. 고온 반응 챔버에서 가스가 반응한 후, 전구체의 일부가 화학적으로 반응하여 웨이퍼 표면에 흡착되고, 특정 도핑 농도, 특정 두께 및 더 높은 품질을 갖는 단결정 균질 4H-SiC 에피택셜층이 단결정 4H-SiC 기판을 템플릿으로 사용하여 기판 표면에 형성됩니다. 수년간의 기술 탐색 후, 4H-SiC 호모에피택셜 기술은 기본적으로 성숙되었으며 산업 생산에 널리 사용됩니다. 세계에서 가장 널리 사용되는 4H-SiC 호모에피택셜 기술은 두 가지 일반적인 특징을 가지고 있습니다.
(1) 비축(<0001> 결정 평면에 대해 <11-20> 결정 방향) 사선 절단 기판을 템플릿으로 사용하여 불순물이 없는 고순도 단결정 4H-SiC 에피택셜층을 스텝 플로우 성장 모드로 기판 위에 증착합니다. 초기 4H-SiC 호모에피택셜 성장은 양성 결정 기판, 즉 <0001> Si 평면을 사용하여 성장했습니다. 양성 결정 기판 표면의 원자 계단 밀도는 낮고 테라스는 넓습니다. 에피택시 공정 중 2차원 핵 생성 성장이 쉽게 발생하여 3C 결정 SiC(3C-SiC)를 형성합니다. 비축 절단을 통해 4H-SiC <0001> 기판 표면에 고밀도의 좁은 테라스 폭 원자 계단을 도입할 수 있으며, 흡착된 전구체는 표면 확산을 통해 비교적 낮은 표면 에너지로 원자 계단 위치에 효과적으로 도달할 수 있습니다. 이 단계에서 전구체 원자/분자 그룹 결합 위치는 유일하므로, 스텝 플로우 성장 모드에서 에피택셜층은 기판의 Si-C 이중 원자층 적층 순서를 완벽하게 계승하여 기판과 동일한 결정상을 갖는 단결정을 형성할 수 있습니다.
(2) 고속 에피택셜 성장은 염소 함유 실리콘 소스를 도입함으로써 달성된다. 기존의 SiC 화학 기상 증착 시스템에서는 실란과 프로판(또는 에틸렌)이 주요 성장 소스이다. 성장 소스 유량을 증가시켜 성장 속도를 증가시키는 과정에서 실리콘 성분의 평형 분압이 계속 증가함에 따라 균질 기체상 핵 생성에 의한 실리콘 클러스터 형성이 용이해져 실리콘 소스의 이용률이 크게 감소한다. 실리콘 클러스터 형성은 에피택셜 성장 속도 향상을 크게 제한한다. 동시에, 실리콘 클러스터는 스텝 플로우 성장을 방해하고 결함 핵 생성을 유발할 수 있다. 균질 기체상 핵 생성을 피하고 에피택셜 성장 속도를 높이기 위해 현재 염소 기반 실리콘 소스를 도입하는 것이 4H-SiC의 에피택셜 성장 속도를 높이는 주류 방법이다.
1.2 200mm(8인치) SiC 에피택셜 장비 및 공정 조건
이 논문에 기술된 실험은 모두 중국 전자 기술 그룹 주식회사의 48 연구소가 독자적으로 개발한 150/200mm(6/8인치) 호환 모노리식 수평 핫월 SiC 에피택셜 장비에서 수행되었습니다. 에피택셜 퍼니스는 완전 자동 웨이퍼 로딩 및 언로딩을 지원합니다. 그림 1은 에피택셜 장비의 반응 챔버 내부 구조의 개략도입니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 반응 챔버의 외벽은 수냉식 중간층이 있는 석영 벨이고 벨 내부는 단열 탄소 펠트, 고순도 특수 흑연 공동, 흑연 가스 부유 회전 베이스 등으로 구성된 고온 반응 챔버입니다. 전체 석영 벨은 원통형 유도 코일로 덮여 있으며 벨 내부의 반응 챔버는 중주파 유도 전원 공급 장치에 의해 전자기적으로 가열됩니다. 그림 1(b)에서 볼 수 있듯이, 캐리어 가스, 반응 가스, 그리고 도핑 가스는 모두 반응 챔버 상류에서 하류로 웨이퍼 표면을 수평 층류로 흐르다가 테일 가스 단부에서 배출됩니다. 웨이퍼 내부의 균일성을 유지하기 위해, 공기 부유 베이스에 의해 운반되는 웨이퍼는 공정 중 항상 회전합니다.
실험에 사용된 기판은 Shanxi Shuoke Crystal에서 생산한 상용 150mm, 200mm(6인치, 8인치) <1120> 방향 4°오프앵글 전도성 n형 4H-SiC 양면 연마 SiC 기판입니다. 공정 실험에서 트리클로로실란(SiHCl3, TCS)과 에틸렌(C2H4)이 주요 성장 소스로 사용되었으며, 이 중 TCS와 C2H4는 각각 실리콘 소스와 탄소 소스로 사용되었고, 고순도 질소(N2)는 n형 도핑 소스로 사용되었으며, 수소(H2)는 희석 가스와 캐리어 가스로 사용되었습니다. 에피택셜 공정의 온도 범위는 1 600 ~1 660℃이고, 공정 압력은 8×103 ~12×103 Pa이며, H2 캐리어 가스 유량은 100 ~ 140 L/min입니다.
1.3 에피택셜 웨이퍼 테스트 및 특성화
영어: Fourier 적외선 분광기(장비 제조업체 Thermalfisher, 모델 iS50)와 수은 프로브 농도 테스터(장비 제조업체 Semilab, 모델 530L)를 사용하여 에피택셜 층 두께와 도핑 농도의 평균 및 분포를 특성화했습니다. 에피택셜 층의 각 지점의 두께와 도핑 농도는 웨이퍼 중앙에서 5mm의 가장자리를 제거하여 45°로 주요 기준 가장자리의 법선과 교차하는 직경 선을 따라 지점을 취하여 결정했습니다. 150mm 웨이퍼의 경우 단일 직경 선을 따라 9개 지점을 취했고(두 개의 직경이 서로 수직임), 200mm 웨이퍼의 경우 그림 2와 같이 21개 지점을 취했습니다. 원자간력 현미경(장비 제조업체 Bruker, 모델 Dimension Icon)을 사용하여 에피택셜 웨이퍼의 중앙 영역과 가장자리 영역(5mm 가장자리 제거)에서 30μm×30μm 영역을 선택하여 에피택셜 층의 표면 거칠기를 테스트했습니다. 에피택셜 층의 결함은 표면 결함 테스터(장비 제조업체 China Electronics)를 사용하여 측정되었습니다. 3D 이미지 장치는 Kefenghua의 레이더 센서(모델 Mars 4410 pro)로 특성화되었습니다.
게시 시간: 2024년 9월 4일