2. 실험 결과 및 논의
2.1에피택셜 층두께 및 균일성
에피택셜 층 두께, 도핑 농도 및 균일성은 에피택셜 웨이퍼의 품질을 판단하는 핵심 지표 중 하나입니다. 웨이퍼 내에서 두께, 도핑 농도 및 균일성을 정확하게 제어하는 것이 성능과 일관성을 보장하는 데 핵심적인 요소입니다.SiC 전력 소자또한, 에피택셜 층 두께 및 도핑 농도 균일성 또한 에피택셜 장비의 공정 성능을 측정하는 중요한 기준입니다.
그림 3은 150mm와 200mm의 두께 균일도 및 분포 곡선을 보여준다.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 10.89μm이며, 두께 균일도는 1.05%입니다. 계산 결과 에피택셜 성장 속도는 65.3μm/h로, 일반적인 고속 에피택셜 공정 수준입니다. 동일한 에피택셜 공정 시간에서 200mm 에피택셜 웨이퍼의 에피택셜 층 두께는 10.10μm이고, 두께 균일도는 1.36% 이내이며, 전체 성장 속도는 60.60μm/h로 150mm 웨이퍼의 성장 속도보다 약간 낮습니다. 이는 실리콘 소스와 탄소 소스가 반응 챔버 상류에서 웨이퍼 표면을 통해 반응 챔버 하류로 흐르는 과정에서 손실이 발생하기 때문입니다. 200mm 웨이퍼는 150mm 웨이퍼보다 면적이 넓어 가스가 200mm 웨이퍼 표면을 통과하는 거리가 더 길고, 그 과정에서 소모되는 소스 가스의 양도 더 많습니다. 웨이퍼가 계속 회전하는 조건에서 에피택셜 층의 전체 두께가 얇아지므로 성장 속도가 느려집니다. 그럼에도 불구하고 150mm 및 200mm 에피택셜 웨이퍼 모두 두께 균일성이 우수하며, 장비의 공정 능력은 고품질 소자의 요구 사항을 충족합니다.
2.2 에피택셜 층 도핑 농도 및 균일성
그림 4는 150mm와 200mm에서의 도핑 농도 균일도 및 곡선 분포를 보여준다.SiC 에피택셜 웨이퍼그림에서 볼 수 있듯이, 에피택셜 웨이퍼 상의 농도 분포 곡선은 웨이퍼 중심을 기준으로 뚜렷한 대칭성을 보인다. 150mm 및 200mm 에피택셜 층의 도핑 농도 균일도는 각각 2.80% 및 2.66%로, 3% 이내로 제어 가능하며, 이는 유사한 국제 장비와 비교했을 때 매우 우수한 수준이다. 에피택셜 층의 도핑 농도 곡선은 직경 방향을 따라 "W"자 형태로 분포하는데, 이는 주로 수평형 열벽 에피택셜 성장로의 유동장에 의해 결정된다. 수평형 공기 흐름 에피택셜 성장로의 공기 흐름 방향은 공기 유입구(상류)에서 시작하여 하류로 웨이퍼 표면을 통해 층류로 흐르기 때문이다. 탄소원(C2H4)의 "회전 방향 소모" 속도가 실리콘원(TCS)보다 높기 때문에 웨이퍼가 회전할 때 웨이퍼 표면의 실제 C/Si 비율은 가장자리에서 중심으로 갈수록 점차 감소합니다(중심부의 탄소원이 적음). 탄소와 질소의 "경쟁 위치 이론"에 따라 웨이퍼 중심부의 도핑 농도는 가장자리로 갈수록 점차 감소합니다. 우수한 농도 균일성을 얻기 위해 에피택시 공정 중 가장자리에 N2를 첨가하여 도핑 농도의 중심에서 가장자리로의 감소 속도를 늦춥니다. 그 결과 최종 도핑 농도 곡선은 "W"자 형태를 나타냅니다.
2.3 에피택셜 층 결함
두께 및 도핑 농도 외에도 에피택셜 층 결함 제어 수준은 에피택셜 웨이퍼 품질을 측정하는 핵심 매개변수이자 에피택셜 장비의 공정 능력을 나타내는 중요한 지표입니다. SBD와 MOSFET은 결함에 대한 요구 사항이 다르지만, 물방울 결함, 삼각형 결함, 당근 결함, 혜성 결함 등과 같은 표면 형태 결함은 SBD 및 MOSFET 소자의 킬러 결함으로 정의됩니다. 이러한 결함을 포함하는 칩은 불량률이 높기 때문에 킬러 결함의 수를 제어하는 것은 칩 수율을 향상시키고 비용을 절감하는 데 매우 중요합니다. 그림 5는 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼의 킬러 결함 분포를 보여줍니다. C/Si 비율에 뚜렷한 불균형이 없는 조건에서 당근 결함과 혜성 결함은 기본적으로 제거될 수 있지만, 물방울 결함과 삼각형 결함은 에피택셜 장비 작동 중 청정도 제어, 반응 챔버 내 흑연 부품의 불순물 수준, 기판 품질과 관련이 있습니다. 표 2에서 볼 수 있듯이, 150mm 및 200mm 에피택셜 웨이퍼의 치명적 결함 밀도는 0.3개/cm² 이내로 제어 가능하며, 이는 동일 유형의 장비에서 매우 우수한 수준입니다. 150mm 에피택셜 웨이퍼의 치명적 결함 밀도 제어 수준이 200mm 에피택셜 웨이퍼보다 우수한 이유는 150mm 웨이퍼의 기판 준비 공정이 200mm 웨이퍼보다 더 성숙되어 기판 품질이 더 우수하고, 150mm 흑연 반응 챔버의 불순물 제어 수준이 더 뛰어나기 때문입니다.
2.4 에피택셜 웨이퍼 표면 거칠기
그림 6은 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼 표면의 AFM 이미지를 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯이, 150mm 및 200mm 에피택셜 웨이퍼의 표면 제곱평균제곱근 거칠기(Ra)는 각각 0.129nm 및 0.113nm이며, 에피택셜 층 표면은 뚜렷한 거시적 계단 응집 현상 없이 매끄럽다. 이러한 현상은 에피택셜 공정 전체에 걸쳐 에피택셜 층의 성장이 항상 계단 흐름 성장 모드를 유지했으며, 계단 응집이 발생하지 않았음을 보여준다. 최적화된 에피택셜 성장 공정을 사용함으로써 150mm 및 200mm 저각 기판에 매끄러운 에피택셜 층을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
3. 결론
자체 개발한 200mm SiC 에피택셜 성장 장비를 이용하여 국내 기판 위에 150mm 및 200mm 4H-SiC 균일 에피택셜 웨이퍼를 성공적으로 제작하였고, 150mm 및 200mm에 적합한 균일 에피택셜 공정을 개발하였다. 에피택셜 성장 속도는 60μm/h 이상이며, 고속 에피택시 요구 조건을 충족하는 동시에 우수한 에피택셜 웨이퍼 품질을 얻었다. 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼의 두께 균일도는 1.5% 이내, 농도 균일도는 3% 미만, 불량 결함 밀도는 0.3개/cm² 미만, 에피택셜 표면 조도(제곱평균제곱근 Ra)는 0.15nm 미만으로 제어 가능하였다. 에피택셜 웨이퍼의 핵심 공정 지표는 업계 최고 수준이다.
출처: 전자산업 특수장비
저자: Xie Tianle, Li Ping, Yang Yu, Gong Xiaoliang, Ba Sai, Chen Guoqin, Wan Shengqiang
(중국전자기술그룹공사 제48연구소, 후난성 창사시 410111)
게시 시간: 2024년 9월 4일