4H-SiC 동종에피택시에서 버퍼층이 결함 거동에 미치는 규제 효과에 관한 연구 +
PAM-XIAMEN은 R&D 용도로 균일성이 높은 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼를 성장시킬 수 있습니다. 자세한 사양은 참조하세요.https://www.powerwaywafer.com/sic-wafer/sic-epitaxy.html.
최근에는 대구경, 고품질 SiC 잉곳 성장 기술의 획기적인 발전으로 4H-SiC의 기판 크기가 150mm에서 200mm로 전환되어 장치 제조 비용을 절감하고 생산 능력을 높이는 데 도움이 됩니다. 그러나 BPD(기저면 전위), SF(적층 결함), 삼각형 결함, 당근 결함 및 표면 피트를 비롯한 에피택셜 층의 결정 결함은 전력 장치의 전기적 성능을 크게 저하시켜 누설 전류를 증가시키고 전류-전압 특성을 변경하며 장치 신뢰성을 감소시킬 수 있습니다.
버퍼층은 기판과 에피택시층을 연결하는 핵심 계면 구조로서 기판 결함(전위, 입자, 오염 물질 등)이 에피택시층으로 전파되는 것을 억제하여 드리프트층의 결정 품질을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 본 논문에서는 4H-SiC 동종에피택시의 결함 거동에 대한 버퍼층 두께 최적화, 도핑 전이 설계, 성장 속도 변조 및 성장 중단 전략의 효과를 검토합니다.
1. SiC 에피택시층의 결함 밀도에 대한 버퍼층 두께의 영향
1.1 증가된 두께와 형태학적 결함 사이의 상관관계
CVD 에피택셜 공정에서 버퍼층 두께의 선택은 후속 드리프트층의 결정 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. Racitiet al. 200mm 4H-SiC 기판의 결함 거동에 대한 버퍼층 두께 증가의 효과를 체계적으로 조사했습니다. 그들은 서로 다른 두 공급업체(A와 B로 표시)의 n형 도핑 기판을 사용하여 샘플의 결함 분포를 표준 두께 버퍼층(얇은 버퍼) 및 이중 증착 시간 버퍼층(두꺼운 버퍼)과 비교했습니다.
그 결과, 모든 비교 실험에서 얇은 버퍼 샘플보다 두꺼운 버퍼 샘플에서 웨이퍼 불량률이 더 높은 것으로 나타났다. 특히, 명시야 광학 현미경(KLA Altair)으로 얻은 형태학적 결함 맵에서는 공급업체 A와 공급업체 B 모두의 두꺼운 버퍼 샘플에 대해 결함이 있는 칩의 비율이 훨씬 더 높은 것으로 나타났습니다.
그림 1 (a) 공급업체 A의 두 샘플 그룹에 대한 형태학적 결함 맵(얇은 버퍼 대 두꺼운 버퍼)(칩 크기: 5×5mm²); (b) 공급업체 A와 B의 샘플 쌍에 대한 예상 결함 칩 비율(얇은 버퍼 대 두꺼운 버퍼)
1.2 산란광법에 의한 결함 분류 통계
결함 유형의 변화를 더 정량화하기 위해 Raciti et al. KLA Candela 산란광 검사 시스템을 사용하여 고해상도 특성화를 수행했습니다. 이 도구는 다양한 레이저 입사 각도에서 산란된 광 채널과 광발광 채널을 결합하여 형태학적 결함과 결정 결함을 구별합니다.
공급업체 A의 5개 웨이퍼 쌍에 대한 평균 결함 수는 두꺼운 버퍼 샘플이 일반적으로 얇은 버퍼 샘플보다 표면 형태학적 결함(낙하 입자, 피트, 스크래치 등 포함)의 수를 더 많이 나타냈음을 보여줍니다. 단, 표면 삼각형 결함의 평균 수는 두 두께 간에 비슷했습니다. 결정 결함의 경우 관찰된 경향은 다양했습니다.
그림 2 두 개의 얇은 버퍼와 두꺼운 버퍼 웨이퍼 쌍의 칸델라 검사 예: (a) 공급업체 A 샘플 쌍; (b) 공급업체 B 샘플 쌍
그림 3 결함 유형별로 정렬된 공급업체 A의 5개 웨이퍼 쌍에서 나온 얇은 버퍼(주황색) 대 두꺼운 버퍼(파란색) 샘플의 평균 결함 수
이러한 경향은 더 나은 결정 품질(즉, 더 낮은 결함 변동성)의 이점을 누리는 공급업체 A의 경우 더욱 두드러졌습니다. 이 발견은 버퍼층 두께를 늘리면 기판 결함을 어느 정도 억제하는 데 도움이 될 수 있지만 과도한 두께는 추가적인 표면 형태적 결함을 유발할 수 있음을 시사합니다.
2. 기판-버퍼 도핑 전환 및 성장률 최적화
2.1 단계별 도핑 전환이 스트레스 해소에 미치는 영향
Ranaet al. 상용 기판의 도핑 농도는 약 1×101⁹cm⁻3인 반면, 일반적인 완충층의 도핑 농도는 약 1×101⁸cm⁻3로, 약 9×101⁸cm⁻³의 도핑 차이가 발생한다는 점을 지적했습니다. 도핑 전이가 너무 갑작스러우면 도핑 농도의 큰 변화로 인해 계면에서 높은 부적합 응력이 발생하여 결정 결함이 발생할 수 있습니다.
이러한 부적합 스트레스를 완화하기 위해 Rana et al. 등급 도핑 전환 전략을 제안했습니다. 실험 1에서는 1×101⁸cm⁻³의 버퍼 도핑을 목표로 질소 흐름의 급격한 도입(급격한 전이)을 사용했습니다. 실험 2는 더 높은 초기 질소 흐름(타겟 도핑 ~7×10101⁸cm⁻3)으로 시작하여 1분에 걸쳐 점차적으로 1×10101⁸cm⁻3로 감소했습니다. 실험 3에서는 평가 시간을 4분으로 연장했습니다.
결과는 급격한 도핑 전이를 갖는 샘플(실험 1)이 가장 높은 기저면 전위 밀도를 나타냄을 보여주었다. 도핑이 1분에 걸쳐 점진적으로 전환되면(실험 2) BPD 밀도가 크게 감소합니다. 등급 지정 시간을 4분으로 연장(실험 3)하면 BPD 밀도가 더욱 감소했습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 적층 결함 밀도는 동일한 경향을 따랐습니다. 결함 밀도의 이러한 감소는 등급 전이에 의한 부적합 응력의 효과적인 방출에 기인합니다.
그림 4 (a) 서로 다른 버퍼층 도핑 등급 조건에 따른 기저면 전위 밀도 및 (b) 적층 결함 밀도
또한, 켈빈 탐침 힘 현미경 특성 분석을 통해 등급화된 도핑 버퍼층이 있는 샘플의 표면 누설 전류가 급격한 전이가 있는 샘플의 표면 누설 전류보다 현저히 낮다는 사실이 확인되었습니다. 저자는 등급화된 도핑 조건 하에서 달성된 향상된 결정 품질로부터 델타 전위의 감소가 발생한다고 믿습니다.
그림 5 (a) 다양한 버퍼 도핑 등급 조건 하에서 에피택셜 층의 표면 누설 전류에 대한 등고선 맵; (b) 등급화된 완충 조건에서 개선된 누출 거동을 보여주는 델타 전위 다이어그램
2.2 완충층 성장률이 BPD 전환에 미치는 영향
Ranaet al. 또한 에피택셜 층 결함에 대한 버퍼층 성장 속도의 영향을 조사했습니다. 그들은 성장률이 높을수록 기저면 전위 밀도가 감소하는 것을 선호한다는 것을 발견했습니다. 메커니즘은 다음과 같습니다. Si 및 C 원자가 더 높은 속도로 표면에 도착하면 기저 평면을 따라 BPD의 복제가 에너지적으로 불리해 지므로 결함이 기저 평면에 수직인 방향을 따라 TED(스레딩 가장자리 전위)로 변환되는 경향이 있습니다. 그러나 성장률이 높을수록 표면 피트의 밀도도 증가합니다.
그림 6 (a) 다양한 버퍼층 성장 속도에서의 기저면 전위 밀도; (b) 다양한 버퍼층 성장 속도에서의 피트 밀도
3. 성장 방해 전략 및 수소 에칭 효과
Kumaret al. 는 버퍼층 증착 중에 수소 에칭 단계를 도입하여 에피택셜층 결함 밀도를 크게 줄이는 새로운 버퍼층 성장 중단 방법을 제안했습니다. 이 연구에서는 150mm 4H-SiC(0001) Si-면 기판을 사용하고 기존 연속 성장과 단속 성장 샘플을 비교했습니다.
중단 온도는 수소 에칭의 부작용을 최소화하기 위해 에피택셜 성장 온도보다 약간 낮게 설정되었습니다. 실험 결과, 웨이퍼 전체의 두께 균일성은 1.8% 이상으로 나타났으며, 이는 중단 공정이 두께 균일성에 부정적인 영향을 미치지 않음을 확인시켜 줍니다.
그림 7 (a) 성장 중단 실험을 위한 4H-SiC 에피택셜 공정의 온도 프로파일; (b) 에피택셜 층 두께 측정 결과(삽입에는 측정 지점 맵이 표시됨), 5mm 가장자리 제외
KLA Candela 8520에 의한 결함 스캐닝은 성장 중단 공정을 적용한 샘플의 총 킬러 결함 밀도가 기존 연속 성장 샘플에 비해 약 45(±5)% 감소한 것으로 나타났습니다. 이러한 개선은 주로 성장 중단 단계에서 BPD가 TED로 전환된 데 기인합니다.
그림 8 (a) 중단 없는 성장의 Candela 8520 결함 스캔; (b) 중단된 성장의 결함 스캔; (c) 중단 여부에 따른 결함 밀도 비교; (d) 칸델라 검사(1.5×1.5mm²)에서 얻은 일반적인 SiC 결함의 고해상도 이미지; (e) 성장 온도(G°C) 및 중단 온도(I°C)에서 기판 중심의 AFM 이미지; (f) 수소 원자가 존재하거나 존재하지 않는 에피택시층 두께의 함수로서 적층 결함 확장 길이의 KMC 시뮬레이션 결과
AFM 특성화는 중단 온도(Rq≤0.2nm)에서 측정된 기판 표면 거칠기가 에피택셜 성장 온도(Rq≥0.8nm)에서 수소 에칭 후의 표면 거칠기보다 현저히 낮다는 것을 보여주었습니다. KMC 시뮬레이션에서는 수소 원자가 표면 근처 영역에서 에피택셜 층으로 확산되어 결함 사이트를 점유하여 적층 결함의 확장을 효과적으로 방지한다는 사실도 밝혀졌습니다. 2×2mm² 칩 크기 기준 성장 방해 공정의 에피택셜 수율은 96.5%를 넘었다.
요약하면, 버퍼층의 두께, 도핑 전이 방법, 성장 속도 및 성장 중단 전략은 모두 4H-SiC 동종에피택시에서 결함 밀도를 크게 조절합니다. 향후 연구에서는 통계적 샘플 크기를 더욱 확대하고, 여러 매개변수 간의 시너지 메커니즘을 밝히고, 최적화된 버퍼층 프로세스가 최종 전력 장치의 전기적 성능에 미치는 영향을 평가해야 합니다.
연구용이든 산업 응용용이든 4H-SiC 동종에피택시가 필요한 경우 이메일로 문의해 주세요.[email protected] 과 [email protected].
참조:
- Raciti, D., Anzalone, R., Isacson, M., Piluso, N., & Severino, A. (2024년, 8월). 200mm 4H-SiC 동종에피택시에서 결함의 버퍼층 의존성. 결함 및 확산 포럼(Vol. 434, pp. 117-121). 트랜스 테크 출판사(주)
- Rana, T., Wu, J., Chung, G., Moeggenborg, K., & Gave, M.(2023년 6월). 다양한 완충층 성장 조건에서 4H-SiC 에피택시의 결함에 대한 연구. 결함 및 확산 포럼(Vol. 425, pp. 63-68). 트랜스 테크 출판사(주)
- Kumar, S., Bera, LK, Nguyen, XS, Song, WD, Lee, AMA, Li, XY, … & Yeo, YC(2025). 완충층 성장 중 성장 중단을 통한 4H-SiC(0001) 에피층의 결함 밀도 감소. 고체 현상, 376, 27-31.