2 실험 결과 및 논의
2.1에피택셜층두께와 균일성
에피택셜층 두께, 도핑 농도, 그리고 균일도는 에피택셜 웨이퍼의 품질을 판단하는 핵심 지표 중 하나입니다. 웨이퍼 내에서 두께, 도핑 농도, 그리고 균일도를 정확하게 제어하는 것은 에피택셜 웨이퍼의 성능과 일관성을 보장하는 핵심 요소입니다.SiC 전력 소자, 그리고 에피택셜층의 두께와 도핑 농도 균일성 역시 에피택셜 장비의 공정 능력을 측정하는 중요한 기준이다.
그림 3은 150mm와 200mm의 두께 균일도 및 분포 곡선을 나타낸다.SiC 에피택셜 웨이퍼그림에서 볼 수 있듯이 에피택셜 층 두께 분포 곡선은 웨이퍼 중심점을 기준으로 대칭입니다. 에피택셜 공정 시간은 600초이고, 150mm 에피택셜 웨이퍼의 평균 에피택셜 층 두께는 10.89um이고, 두께 균일도는 1.05%입니다. 계산에 따르면 에피택셜 성장 속도는 65.3um/h로 일반적인 고속 에피택셜 공정 수준입니다. 동일한 에피택셜 공정 시간에서 200mm 에피택셜 웨이퍼의 에피택셜 층 두께는 10.10um이고, 두께 균일도는 1.36% 이내이며, 전체 성장 속도는 60.60um/h로 150mm 에피택셜 성장 속도보다 약간 낮습니다. 이는 실리콘 소스와 탄소 소스가 반응 챔버 상류에서 웨이퍼 표면을 거쳐 반응 챔버 하류로 흐를 때 경로상 손실이 뚜렷하게 발생하고, 200mm 웨이퍼 면적이 150mm보다 크기 때문입니다. 가스는 200mm 웨이퍼 표면을 더 먼 거리까지 흐르기 때문에 경로상 소모되는 소스 가스가 더 많습니다. 웨이퍼가 계속 회전하는 조건에서는 에피택셜층의 전체 두께가 얇아져 성장 속도가 느려집니다. 전반적으로 150mm와 200mm 에피택셜 웨이퍼의 두께 균일도는 우수하며, 장비의 공정 능력은 고품질 소자의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
2.2 에피택셜층 도핑 농도 및 균일도
그림 4는 150mm와 200mm의 도핑 농도 균일도와 곡선 분포를 보여준다.SiC 에피택셜 웨이퍼그림에서 볼 수 있듯이, 에피택셜 웨이퍼의 농도 분포 곡선은 웨이퍼 중심을 기준으로 뚜렷한 대칭성을 보입니다. 150mm와 200mm 에피택셜층의 도핑 농도 균일도는 각각 2.80%와 2.66%로, 3% 이내로 제어 가능하며, 이는 유사한 국제 장비에 비해 우수한 수준입니다. 에피택셜층의 도핑 농도 곡선은 직경 방향을 따라 "W"자 형태로 분포하는데, 이는 주로 수평 열벽 에피택셜로의 유동장에 의해 결정됩니다. 수평 기류 에피택셜 성장로의 기류 방향은 공기 유입구(상류)에서 시작하여 웨이퍼 표면을 통해 하류에서 층류로 유출되기 때문입니다. 탄소원(C2H4)의 "경로상 고갈" 속도가 실리콘원(TCS)보다 높기 때문에 웨이퍼가 회전할 때 웨이퍼 표면의 실제 C/Si는 가장자리에서 중앙으로 점차 감소합니다(중앙의 탄소원은 적음). C와 N의 "경쟁적 위치 이론"에 따르면 웨이퍼 중앙의 도핑 농도는 가장자리로 갈수록 점차 감소합니다. 우수한 농도 균일성을 얻기 위해 에피택셜 공정 중에 보상으로 가장자리 N2를 추가하여 중앙에서 가장자리로 도핑 농도가 감소하는 속도를 늦추고, 최종 도핑 농도 곡선이 "W"자 모양을 나타냅니다.
2.3 에피택셜층 결함
두께와 도핑 농도 외에도, 에피택셜층 결함 제어 수준은 에피택셜 웨이퍼의 품질을 측정하는 핵심 매개변수이자 에피택셜 장비의 공정 능력을 나타내는 중요한 지표입니다. SBD와 MOSFET은 결함에 대한 요구 조건이 다르지만, 드롭 결함, 삼각형 결함, 캐럿 결함, 코멧 결함 등과 같이 표면 형태 결함이 더 뚜렷한 결함은 SBD 및 MOSFET 소자의 킬러 결함으로 정의됩니다. 이러한 결함을 포함하는 칩은 불량 확률이 높기 때문에 킬러 결함 수를 제어하는 것은 칩 수율 향상 및 비용 절감에 매우 중요합니다. 그림 5는 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼의 킬러 결함 분포를 보여줍니다. C/Si 비율에 뚜렷한 불균형이 없는 조건에서 캐럿 결함과 코멧 결함은 기본적으로 제거될 수 있지만, 드롭 결함과 삼각형 결함은 에피택셜 장비 작동 중 청정도 관리, 반응 챔버 내 흑연 부품의 불순물 수준, 그리고 기판 품질과 관련이 있습니다. 표 2에서 150mm 및 200mm 에피택셜 웨이퍼의 킬러 결함 밀도는 0.3개/cm² 이내로 제어될 수 있으며, 이는 동일 장비에서 매우 우수한 수준임을 알 수 있습니다. 150mm 에피택셜 웨이퍼의 킬러 결함 밀도 제어 수준은 200mm 에피택셜 웨이퍼보다 우수합니다. 이는 150mm 에피택셜 웨이퍼의 기판 준비 공정이 200mm보다 더 성숙되어 있고, 기판 품질이 우수하며, 150mm 흑연 반응 챔버의 불순물 제어 수준이 더 우수하기 때문입니다.
2.4 에피택셜 웨이퍼 표면 거칠기
그림 6은 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼 표면의 AFM 이미지를 보여줍니다. 그림에서 150mm 및 200mm 에피택셜 웨이퍼의 표면 평균 제곱근 거칠기(Ra)가 각각 0.129nm 및 0.113nm이고, 에피택셜층 표면이 매끄럽고 거시적 단계 응집 현상이 뚜렷하지 않음을 알 수 있습니다. 이 현상은 에피택셜층 성장이 전체 에피택셜 공정 동안 항상 계단 흐름 성장 모드를 유지하고 단계 응집이 발생하지 않음을 보여줍니다. 최적화된 에피택셜 성장 공정을 사용하면 150mm 및 200mm 저각 기판에서 매끄러운 에피택셜층을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다.
3 결론
자체 개발한 200mm SiC 에피택셜 성장 장비를 이용하여 국내 기판에 150mm 및 200mm 4H-SiC 균질 에피택셜 웨이퍼를 성공적으로 제조하였고, 150mm 및 200mm에 적합한 균질 에피택셜 공정을 개발하였다. 에피택셜 성장 속도는 60μm/h 이상일 수 있다. 고속 에피택셜 요구 사항을 충족하는 동시에 에피택셜 웨이퍼 품질이 우수하다. 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼의 두께 균일도는 1.5% 이내로 제어할 수 있고, 농도 균일도는 3% 미만이며, 치명적인 결함 밀도는 0.3개/cm2 미만이고, 에피택셜 표면 거칠기 제곱평균 Ra는 0.15nm 미만이다. 에피택셜 웨이퍼의 핵심 공정 지표는 업계에서 선진 수준이다.
출처: 전자산업 특수장비
저자: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(중국전자과기그룹 48연구소, 창사시 후난성 410111)
게시 시간: 2024년 9월 4일