8인치 SiC 에피택시로 및 호모에피택셜 공정 연구

현재 SiC 산업은 150mm(6인치)에서 200mm(8인치)로 변화하고 있습니다. 업계에서 대형, 고품질 SiC 호모에피택셜 웨이퍼에 대한 긴급한 수요를 충족하기 위해, 독자적으로 개발한 200mm SiC 에피택시 성장 장비를 사용하여 국내 기판에서 150mm 및 200mm 4H-SiC 호모에피택시 웨이퍼를 성공적으로 준비했습니다. 150mm와 200mm에 적합한 호모에피택셜 공정이 개발되었으며, 여기서 에피택셜 성장 속도는 60μm/h보다 클 수 있습니다. 고속 에피택시를 충족시키면서 에피택시 웨이퍼 품질이 우수합니다. 150mm 및 200mm SiC 에피택시 웨이퍼의 두께 균일성은 1.5% 이내로 제어할 수 있으며, 농도 균일성은 3% 미만, 치명적인 결함 밀도는 0.3 입자/cm2 미만, 에피택시 표면 거칠기 평균 제곱근 Ra는 다음과 같습니다. 0.15 nm 미만이며 모든 핵심 공정 지표가 업계 고급 수준입니다.

실리콘카바이드(SiC)는 3세대 반도체 소재의 대표 소재 중 하나다. 이는 높은 항복 전계 강도, 우수한 열 전도성, 큰 전자 포화 드리프트 속도 및 강한 방사선 저항의 특성을 가지고 있습니다. 이는 전력 장치의 에너지 처리 용량을 크게 확장했으며 고전력, 소형, 고온, 고방사선 및 기타 극한 조건을 갖춘 장치에 대한 차세대 전력 전자 장비의 서비스 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 공간을 줄이고 전력 소비를 줄이며 냉각 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 이는 신에너지 차량, 철도 운송, 스마트 그리드 및 기타 분야에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 따라서 탄화규소 반도체는 차세대 고출력 전력전자소자를 선도할 이상적인 소재로 인식되고 있다. 최근 몇 년 동안 3세대 반도체 산업 발전을 위한 국가 정책 지원 덕분에 중국에서는 150mm SiC 소자 산업 시스템의 연구 개발 및 구축이 기본적으로 완료되었으며 산업 체인의 보안이 확보되었습니다. 기본적으로 보장됩니다. 따라서 업계의 초점은 점차 비용 관리와 효율성 향상으로 옮겨가고 있습니다. 표 1에서 볼 수 있듯이 150mm, 200mm SiC에 비해 엣지 활용률이 더 높으며 단일 웨이퍼 칩의 출력을 약 1.8배 늘릴 수 있습니다. 기술이 성숙되면 단일 칩의 제조 비용을 30%까지 줄일 수 있습니다. 200mm의 기술 혁신은 '비용 절감과 효율성 증대'의 직접적인 수단이자, 우리나라 반도체 산업이 '병행', 심지어 '선도'하는 관건이기도 하다.

Si 소자 공정과 달리 SiC 반도체 전력 소자는 모두 에피택셜 층을 주춧돌로 하여 가공 및 준비됩니다. 에피택셜 웨이퍼는 SiC 전력소자에 필수적인 기본 소재입니다. 에피택셜 레이어의 품질은 소자의 수율을 직접적으로 결정하며, 그 비용은 칩 제조 비용의 20%를 차지합니다. 따라서 에피택셜 성장은 SiC 전력 디바이스의 필수적인 중간 링크입니다. 에피택셜 공정 수준의 상한은 에피택셜 장비에 의해 결정됩니다. 현재 국내 150mm SiC 에피텍셜 장비의 국산화 정도는 상대적으로 높지만 동시에 200mm의 전체 레이아웃은 국제 수준보다 뒤떨어져 있다. 따라서 국내 3세대 반도체산업 발전을 위한 대형, 고품질 에피택시재료 제조의 시급한 요구와 병목현상을 해결하기 위해 본 논문에서는 우리나라에서 성공적으로 개발한 200mm SiC 에피택셜 장비를 소개하고, 에피택셜 공정을 연구합니다. 공정 온도, 운반 가스 유량, C/Si 비율 등 공정 매개변수를 최적화하여 농도 균일성 <3%, 두께 불균일성 <1.5%, 거칠기 Ra <0.2 nm 및 치명적인 결함 밀도 <0.3 입자 자체 개발한 200mm 탄화규소 에피택셜 퍼니스를 사용하여 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼의 /cm2를 얻습니다. 장비 프로세스 수준은 고품질 SiC 전력 장치 준비 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

1 실험

1.1 SiC 에피택셜 공정의 원리

4H-SiC 균질에피택셜 성장 공정은 주로 4H-SiC 기판의 고온 현장 식각과 균일한 화학 기상 증착 공정이라는 두 가지 핵심 단계를 포함합니다. 기판 In-Situ 식각의 주요 목적은 웨이퍼 연마 후 기판의 표면 아래 손상, 잔류 연마액, 파티클 및 산화막을 제거하는 것이며, 식각을 통해 기판 표면에 규칙적인 원자 계단 구조를 형성할 수 있습니다. 현장 에칭은 일반적으로 수소 분위기에서 수행됩니다. 실제 공정 요구 사항에 따라 염화수소, 프로판, 에틸렌 또는 실란과 같은 소량의 보조 가스를 추가할 수도 있습니다. In-situ 수소 에칭의 온도는 일반적으로 1,600℃ 이상이며, 에칭 공정 동안 반응 챔버의 압력은 일반적으로 2×104 Pa 이하로 제어됩니다.

기판 표면이 현장 에칭에 의해 활성화된 후 고온 화학 기상 증착 공정, 즉 성장 소스(예: 에틸렌/프로판, TCS/실란), 도핑 소스(n형 도핑 소스 질소)로 들어갑니다. , p형 도핑 소스 TMAl) 및 염화수소와 같은 보조 가스는 대량의 캐리어 가스(보통 수소)를 통해 반응 챔버로 운반됩니다. 고온 반응 챔버에서 가스가 반응한 후, 전구체의 일부가 화학적으로 반응하여 웨이퍼 표면에 흡착되고, 특정 도핑 농도, 특정 두께, 더 높은 품질을 갖는 단결정 균질 4H-SiC 에피층이 형성됩니다. 단결정 4H-SiC 기판을 템플릿으로 사용하여 기판 표면에 수년간의 기술 탐구 끝에 4H-SiC 동종에피택셜 기술은 기본적으로 성숙해 산업 생산에 널리 사용됩니다. 세계에서 가장 널리 사용되는 4H-SiC 호모에피택셜 기술은 두 가지 일반적인 특징을 가지고 있습니다. (1) 오프축(<0001> 결정면을 기준으로 <11-20> 결정 방향을 향함) 경사 절단 기판을 템플릿에서는 불순물이 없는 고순도 단결정 4H-SiC 에피택셜 층이 계단식 성장 모드의 형태로 기판에 증착됩니다. 초기 4H-SiC 호모에피택셜 성장은 성장을 위해 양극 결정 기판, 즉 <0001> Si 평면을 사용했습니다. 양극 결정 기판 표면의 원자 계단 밀도는 낮고 테라스는 넓습니다. 3C 결정 SiC(3C-SiC)를 형성하기 위한 에피택시 공정 중에 2차원 핵생성 성장이 일어나기 쉽습니다. Off-axis 절단을 통해 4H-SiC <0001> 기판 표면에 고밀도, 좁은 테라스 폭의 원자 계단을 도입할 수 있으며, 흡착된 전구체는 표면 확산을 통해 상대적으로 낮은 표면 에너지로 원자 계단 위치에 효과적으로 도달할 수 있습니다. . 단계에서는 전구체 원자/분자단 결합 위치가 독특하므로 단계 흐름 성장 모드에서 에피택시층은 기판의 Si-C 이중 원자층 적층 순서를 완벽하게 상속하여 동일한 결정으로 단결정을 형성할 수 있습니다. 기판으로서의 위상. (2) 염소 함유 실리콘 소스를 도입하여 고속 에피택셜 성장이 달성됩니다. 기존 SiC 화학 기상 증착 시스템에서는 실란과 프로판(또는 에틸렌)이 주요 성장원입니다. 성장원 유량을 증가시켜 성장속도를 높이는 과정에서 실리콘 성분의 평형분압이 지속적으로 증가함에 따라 균질한 기상 핵형성에 의해 실리콘 클러스터가 형성되기 쉬워지므로 이용률이 크게 감소한다. 실리콘 소스. 실리콘 클러스터의 형성은 에피택셜 성장 속도의 향상을 크게 제한합니다. 동시에 실리콘 클러스터는 단계 흐름 성장을 방해하고 결함 핵 생성을 일으킬 수 있습니다. 균질한 기상 핵생성을 방지하고 에피택셜 성장 속도를 높이기 위해 염소 기반 실리콘 소스를 도입하는 것이 현재 4H-SiC의 에피택셜 성장 속도를 높이는 주류 방법입니다.

1.2 200mm(8인치) SiC 에피텍셜 장비 및 공정 조건

본 문서에 설명된 실험은 모두 48th Institute of China Electronics Technology Group Corporation에서 독립적으로 개발한 150/200mm(6/8인치) 호환 모놀리식 수평 열벽 SiC 에피택셜 장비에서 수행되었습니다. 에피택셜로는 전자동 웨이퍼 로딩 및 언로딩을 지원합니다. 그림 1은 에피택셜 장비의 반응 챔버 내부 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 그림 1에서 보는 바와 같이, 반응실 외벽은 수냉식 중간층을 갖는 석영 벨로 되어 있고, 벨 내부는 고순도의 단열 카본펠트로 구성된 고온 반응실로 이루어져 있다. 특수 흑연 캐비티, 흑연 가스 부유 회전 베이스 등 전체 석영 벨은 원통형 유도 코일로 덮여 있으며 벨 내부의 반응 챔버는 중주파 유도 전원 공급 장치에 의해 전자기적으로 가열됩니다. 그림 1(b)에 도시된 바와 같이, 캐리어 가스, 반응 가스, 도핑 가스는 모두 반응 챔버의 상류에서 반응 챔버의 하류로 수평 층류로 웨이퍼 표면을 통과하여 흐르며 테일에서 배출됩니다. 가스 끝. 웨이퍼 내의 일관성을 보장하기 위해 공기 플로팅 베이스에 의해 운반되는 웨이퍼는 공정 중에 항상 회전됩니다.

실험에 사용된 기판은 Shanxi Shuoke Crystal에서 생산한 상업용 150mm, 200mm(6인치, 8인치) <1120> 방향 4° 오프각 전도성 n형 4H-SiC 양면 연마 SiC 기판입니다. 공정실험에서는 삼염화실란(SiHCl3, TCS)과 에틸렌(C2H4)을 주요 성장원으로 사용하였으며, 그 중 TCS와 C2H4는 각각 실리콘원과 탄소원으로 사용하였고, 고순도 질소(N2)는 n-원으로 사용하였다. 유형의 도핑 소스이며 수소(H2)가 희석 가스 및 캐리어 가스로 사용됩니다. 에피텍셜 공정 온도 범위는 1 600 ~1 660 ℃, 공정 압력은 8×103 ~12×103 Pa, H2 운반 가스 유량은 100 ~ 140 L/min입니다.

1.3 에피택셜 웨이퍼 테스트 및 특성화

푸리에 적외선 분광기(장비 제조업체 Thermalfisher, 모델 iS50) 및 수은 프로브 농도 테스터(장비 제조업체 Semilab, 모델 530L)를 사용하여 에피택셜 층 두께와 도핑 농도의 평균 및 분포를 특성화했습니다. 에피택셜 층의 각 지점의 두께 및 도핑 농도는 5mm 가장자리 제거를 통해 웨이퍼 중심에서 45°에서 주 기준 가장자리의 법선과 교차하는 직경선을 따라 점을 취하여 결정되었습니다. 150mm 웨이퍼의 경우 그림 2와 같이 단일 직경 선을 따라 9개 지점을 채취하고(두 직경은 서로 수직임), 200mm 웨이퍼의 경우 21개 지점을 채취했습니다. 원자력현미경(장비 제조사 Bruker, 모델 Dimension Icon)을 사용하여 에피택셜 웨이퍼의 중앙 영역과 가장자리 영역(5mm 가장자리 제거)에서 30μm x 30μm 영역을 선택하여 에피택셜 층의 표면 거칠기를 테스트했습니다. 특성화를 위해 표면 결함 테스터(장비 제조업체 China Electronics Kefenghua, 모델 Mars 4410 pro)를 사용하여 에피택셜 층의 결함을 측정했습니다.

2 실험결과 및 고찰

2.1 에피택셜 층 두께 및 균일성

에피택셜 층 두께, 도핑 농도 및 균일성은 에피택셜 웨이퍼의 품질을 판단하는 핵심 지표 중 하나입니다. 정확하게 제어 가능한 두께, 웨이퍼 내 도핑 농도 및 균일성은 SiC 전력 소자의 성능과 일관성을 보장하는 핵심이며, 에피택셜 층 두께 및 도핑 농도 균일성 또한 에피택셜 장비의 공정 능력을 측정하는 중요한 기반입니다.

그림 3은 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼의 두께 균일성과 분포 곡선을 보여줍니다. 그림에서 에피택시층 두께 분포 곡선이 웨이퍼 중심점을 기준으로 대칭임을 알 수 있습니다. 에피택셜 공정 시간은 600초이고, 150mm 에피택셜 웨이퍼의 평균 에피택셜 층 두께는 10.89μm이며, 두께 균일성은 1.05%입니다. 계산에 따르면 에피택셜 성장 속도는 65.3μm/h이며 이는 일반적인 빠른 에피택셜 공정 수준입니다. 동일한 에피택셜 공정 시간에서 200mm 에피택셜 웨이퍼의 에피택셜 층 두께는 10.10μm이고, 두께 균일성은 1.36% 이내이며, 전체 성장 속도는 60.60μm/h로 150mm 에피택셜 성장보다 약간 낮습니다. 비율. 이는 실리콘 소스와 탄소 소스가 반응 챔버의 상류에서 웨이퍼 표면을 통해 반응 챔버의 하류로 흐를 때 명백한 손실이 있고, 200mm 웨이퍼 면적이 150mm보다 크기 때문입니다. 가스는 200mm 웨이퍼 표면을 통해 더 먼 거리를 흐르며, 그 과정에서 소비되는 소스 가스도 더 많습니다. 웨이퍼가 계속 회전하는 조건에서는 에피택셜 층의 전체 두께가 얇아지므로 성장 속도가 느려집니다. 전반적으로 150mm 및 200mm 에피택시 웨이퍼의 두께 균일성이 우수하며 장비의 공정 능력은 고품질 장치의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

2.2 에피택시층 도핑 농도 및 균일성

그림 4는 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼의 도핑 농도 균일성과 곡선 분포를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이 에피택셜 웨이퍼의 농도 분포 곡선은 웨이퍼 중심을 기준으로 뚜렷한 대칭을 이루고 있습니다. 150mm와 200mm 에피층의 도핑 농도 균일도는 각각 2.80%와 2.66%로 3% 이내로 제어가 가능해 국제 유사 장비 중 우수한 수준이다. 에피택셜 층의 도핑 농도 곡선은 직경 방향을 따라 "W" 형태로 분포하는데, 이는 수평 기류 에피택셜 성장로의 기류 방향이 공기 입구 끝(상류)은 웨이퍼 표면을 통해 층류로 하류 끝에서 흘러나옵니다. 탄소 소스(C2H4)의 "방향 고갈" 비율이 실리콘 소스(TCS)보다 높기 때문에 웨이퍼가 회전할 때 웨이퍼 표면의 실제 C/Si는 가장자리에서 점차적으로 감소합니다. C와 N의 "경쟁 위치 이론"에 따르면 중앙(중앙의 탄소원이 적음)에서는 웨이퍼 중앙의 도핑 농도가 가장자리로 갈수록 점차 감소합니다. 우수한 농도 균일성을 얻기 위해 에피택셜 공정 중 보상으로 모서리 N2를 추가하여 중앙에서 모서리로 도핑 농도 감소를 늦추므로 최종 도핑 농도 곡선이 "W" 모양을 나타냅니다.

2.3 에피택셜 층 결함

두께 및 도핑 농도 외에도 에피택셜 층 결함 제어 수준도 에피택셜 웨이퍼 품질을 측정하는 핵심 매개변수이자 에피택셜 장비의 공정 능력을 나타내는 중요한 지표입니다. SBD와 MOSFET은 결함에 대한 요구 사항이 다르지만 낙하 결함, 삼각형 결함, 당근 결함, 혜성 결함과 같은 보다 명백한 표면 형태 결함은 SBD 및 MOSFET 장치의 킬러 결함으로 정의됩니다. 이러한 결함이 포함된 칩의 불량 확률은 높기 때문에 칩 수율 향상과 비용 절감을 위해서는 킬러 결함 수를 제어하는 ​​것이 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 있으며, 낙하 결함과 삼각형 결함은 에피택셜 장비 작동 중 청정도 제어, 흑연의 불순물 수준과 관련이 있습니다. 반응 챔버의 부품 및 기판의 품질. 표 2에서 150mm와 200mm 에피택셜 웨이퍼의 치명적인 결함 밀도를 0.3개/cm2 이내로 제어할 수 있다는 것을 알 수 있는데, 이는 동일한 유형의 장비에 대해 탁월한 수준입니다. 150mm 에피택셜 웨이퍼의 치명적인 결함 밀도 제어 수준은 200mm 에피택셜 웨이퍼보다 우수합니다. 이는 150mm 기판 준비 공정이 200mm보다 성숙하고 기판 품질이 더 좋으며 150mm 흑연 반응 챔버의 불순물 제어 수준이 더 좋기 때문입니다.

2.4 에피택셜 웨이퍼 표면 거칠기

그림 6은 150mm 및 200mm SiC 에피택셜 웨이퍼 표면의 AFM 이미지를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 150mm와 200mm 에피택셜 웨이퍼의 표면 평균 제곱 평균 거칠기 Ra는 각각 0.129nm와 0.113nm이며, 에피택셜층의 표면은 명백한 매크로 단계 응집 현상 없이 매끄러워집니다. 이는 에피택셜 층의 성장이 전체 에피택셜 프로세스 동안 항상 계단식 흐름 성장 모드를 유지하고 단계 집합이 발생하지 않음을 나타냅니다. 최적화된 에피택셜 성장 공정을 이용하여 150mm 및 200mm 로우앵글 기판에서 매끄러운 표면을 갖는 에피택셜층을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

3. 결론

자체 개발한 200mm SiC 에피택셜 성장 장비를 이용하여 국내 기판에서 150mm 및 200mm 4H-SiC 호모에피택셜 웨이퍼를 성공적으로 제조하고, 150mm 및 200mm에 적합한 호모에피택셜 공정을 개발했습니다. 에피택셜 성장 속도는 60μm/h보다 클 수 있습니다. 고속 에피택시 요구 사항을 충족하는 동시에 에피택시 웨이퍼 품질이 우수합니다. 150mm 및 200mm SiC 에피택시 웨이퍼의 두께 균일성은 1.5% 이내로 제어할 수 있으며, 농도 균일성은 3% 미만, 치명적인 결함 밀도는 0.3 입자/cm2 미만, 에피택시 표면 거칠기 평균 제곱근 Ra는 다음과 같습니다. 0.15nm 미만. 에피택셜 웨이퍼의 핵심 공정 지표는 업계 고급 수준입니다.

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