KR100446937B1 - 탄화규소 박막증착방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기화합물 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄{bis-trimethylsilyl methane(BTMSM),}을 사용하여 3C, 4H, 6H 탄화규소 단결정 박막을 증착할 수 있는 탄화규소 박막증착방법 및 와 장치에 관한 것으로서,
반응 원료물질인 사일렌과 프로판 가스의 반응으로 대상물의 표면에 탄화규소 단결정 박막을 증착시키는 통상의 박막증착에 있어서,
상기 원료물질을 유기화합물인 비스트리메틸실릴메탄의 반응으로 대상물의 표면에 탄화규소 단결정 박막을 증착하는 것을 특징으로 한다.
상기 증착장치는 기존의 사일렌()와 프로판(
Description
본 발명은 탄화규소(SiC) 단결정 박막을 성장하는 장치와 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판등의 증착 대상물 표면에 양질의 증착막을 형성할 수있는 화학기상증착(chemical vapor deposition)장치와 고품위의 단결정 박막을 성장하기 위한 공정방법에 관한 것이다.
에너지, 산업전자, 정보통신, 광전자 및 극한전자 분야를 뒷받침하고 있는 실리콘(Si) 반도체 기술의 발전은 실리콘의 물리적 특성제한으로 한계에 직면하고 있어 21세기를 이끌 대안이 필요한 실정이다.
탄화규소(SiC) 반도체는 21세기 에너지전자, 정보통신전자 및 극한 전자 분야를 이끌 차세대 반도체로 기술선진국들에서 국가적 지원으로 중점 연구되고 있으며 부분적으로 그 실용성이 상업적으로 증명되고 있으며, 그 경제성도 최근 급증하는 세계적 벤처기업들 설립과 그들의 성공으로 확인되고 있다.
탄화규소 반도체 소자를 제작하기 위해서 가장 중요한 공정은 단결정 박막의 성장이다. 종래의 탄화규소 단결정 박막은 화학기상증착법, 분자선속에피택시법 (molecular beam epitaxy) 및 액상성장법(liquid phase epitaxy)등의 의해 성장되었다.
또한, 상기 분자선속에피택시법은 고품위의 박막을 성장할 수 있으나 성장속도가 낮아 응용에 제한이 있고, 액상성장법은 마이크로파이프와 전위등의 결함을 줄일 수 있는 장점이 있으나 성장된 박막의 표면이 거칠어 전자소자 적용에 제한이 있다.
따라서, 고품위의 단결정 박막의 성장이 가능하면서도 표면형상이 우수한 탄화규소 박막증착장치가 가장 널리 사용되고 있다.
도 1은 대상물 표면에 사일렌과 프로판의 가스원료를 사용하여 탄화규소 단결정 박막을 증착하는 종래의 탄화규소 박막증착장치의 개략적인 구성도이다.
종래의 탄화규소 박막증착장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 대상물 표면에 탄화규소(SiC) 단결정 박막을 증착하는 공정이 진행되는 반응실(1)을 구비한다.
상기 반응실(1)은 RF유도가열장치(2)에 의해 둘러싸여 보통 1600℃의 고온으로 가열되고, 상기 유도가열장치는 전력공급기에 연결된다.
대상물을 고정하여 가열하는 발열체는 고온에서 서셉터로부터 불순물의 유입을 막기 위해 탄화규소를 코팅한 흑연의 서셉터(6)를 사용한다.
상기 흑연의 서셉터(6) 위부분의 기판홈(7)에 기판과 같은 대상물이 놓여지게 된다.
석영보트(5)는 서셉터(6)를 지탱하는 역할을 하는데, 경사면으로 설계하는 이유는 원료물질이 서셉터 뒤쪽으로 오면서 결핍되는 현상을 방지하기 위함이다.
반응실(1)은 오링에 의해 밀봉되는데 반응실을 구성하는 석영관이 고온으로 가열되는 것을 막기 위해 이중관 내에 냉각수입구(3)를 통하여 냉각수를 증착 도중 공급해주는 냉각수단(3a)을 포함한다.
탄화규소를 증착하기 위해서는 탄소를 포함하는 프로판가스(15)와 실리콘을 포함하는 사일렌가스(14)를 상기 반응실(1)에 전달해야 한다. 이때 에피택시를 원활하게 하기 위해 수소가스(16)를 약 3000sccm 정도 동시에 유입시키는데, 증착도중에 자동도핑을 최소화하기 위해 수소가스라인에 수소정제기(11)를 설치하여 수소가스(16)내에 질소, 산소, 이산화탄소 등의 불순물을 제거시킨다.
한편, 가스유량의 조절은 유량조절기(9)인 엠에프씨(MFC, mass flow controller)를 통해 이루어지며, 각각의 가스를 상기 반응실(1)에 유입하기 전에 벤트라인 (17)로 통과시켜 안정화를 시킨다.
증착도중에 공급되는 수소가스(16)는 버너로 연소시킨 후 배출된다. 증착시에 반응실에 존재하는 질소나 산소의 오염을 최소화하기 위해 증착전에 터보펌프
(19)로 진공을 10-5torr 이하로 낮춘 후에 증착을 한다.
그리고, 증착전과 증착후에 가스라인에 존재하는 수소를 완전히 제거하기 위해 퍼징을 아르곤가스(12)를 이용하여 실시한다.
또한, n-형과 p-형의 활성층을 얻기 위해 도핑을 하게 되는데, 보통 n-형의 도판트는 질소가스(13)를 이용하고, p-형은 트리에틸알루미늄(10)를 이용한다. 도핑의 농도는 도판트의 유량을 변화시켜 조절된다. 트리에틸알루미늄(10)는 상온에서 액체이기 때문에 버블러(20)에 캐리어 가스인 수소를 미량 흘려주어 반응실 (1)에 공급한다.
그러나, 상기 탄화규소 박막증착장치는 매우 유독한 사일렌가스(14)를 실리콘 원자의 원료물질로 사용하기 때문에 매우 위험할 뿐만 아니라 장비의 안정성을 유지하기 위해 별도의 비용이 소요된다.
뿐만 아니라, 원료물질로 사일렌과 프로판 등의 두 가지 가스를 사용하기 때문에 장치가 복잡해지는 단점이 있다.
또한, 반도체 소자의 활성층으로 충분할 만큼의 고품위의 에피층을 성장하기 위해서는 1500℃이상의 고온이 요구된다. 이러한, 고온 성장은 증착중에 자동 도핑이나 기판에 존재하는 도판트들이 재배열하는 등의 문제를 야기할 수 있기 때문에증착온도를 낮추는 것은 매우 중요하다.
미설명 부호인 4는 냉각관, 8은 배출구, 18은 러핑펌프이다.
본 발명의 목적은, 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 유독하고 위험한 사일렌 가스원료물질을 사용하지 않음으로써 안정성을 확보하고, 복잡한 가스라인을 단순화 시킬 수 있는 탄화규소 박막증착장치를 개발하고 고품위의 단결정 박막의 증착방법을 제공하는데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 사일렌과 프로판 등의 가스원료물질을 이용하여 고품위의 탄화규소 단결정 박막을 증착할 때 요구되는 1500℃이상의 증착온도를 유기화합물 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄을 사용하므로써 150℃이상 낮추는데에 있다.
도 1은 사일렌과 프로판의 가스원료물질을 사용하는 종래의 탄화규소 박막증착장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유기화합물 원료물질을 사용하는 탄화규소 박막증착장치의 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 3는 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄을 반응기에 공급하는 버블러의 구 조를 나타낸 상태도이다.
도 4의(a)는 본 발명에서 사용하고 있는 반응실내의 흑연서셉터이고, (b)는 기판홈을 도시한 상태도이다.
도 5은 본 발명에서 사용하고 있는 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄의 구조도이다.
도 6의 (a)는 본 발명에 따른 Si기판에 따라 성장하는 3C탄화규소 결정다형을 나타낸 모식도이고, (b)는 4H탄화규소 기판에 따라 성장하는 4H탄화규소 결정다형을 나타낸 모식도이고, (c)는 6H탄화규소 기판에 따라 성장하는 6H탄화규소 결정다형을 나타낸 모식도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1: 반응실 2: RF유도가열장치
3: 냉각수 입구 4: 냉각관
5: 석영보트 6: 흑연서셉터
7: 기판홈 8: 배출구
9: 유량조절기 10: 트리에틸알루미늄
11: 수소정제기 12: 아르곤가스
13: 질소가스 14: 사일렌가스
15: 프로판가스 16: 수소가스
17: 벤트라인 18: 러핑펌프
19: 터보펌프 20a: 비스트리메틸실릴메탄
21: 게이트 밸브 22: 자동압력조절장치
23: 버너 24: 항온조
25: 실리콘기판
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 탄화규소 박막증착방법 및 장치는 반응 원료물질인 사일렌과 프로판 가스의 반응으로 대상물의 표면에 탄화규소 단결정 박막을 증착시키는 통상의 박막증착에 있어서, 상기 원료물질을 유기화합물인 비스트리메틸실릴메탄의 반응으로 대상물의 표면에 탄화규소 단결정 박막을 증착하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 사일렌과 프로판의 가스원료물질을 사용하는 종래의 탄화규소 박막증착장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 유기화합물 원료물질을 사용하는 탄화규소 박막증착장치의 실시예를 나타내는 구성도이고, 도 3는 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄을 반응기에 공급하는 버블러의 구조를 나타낸 상태도이다.
도 4의(a)는 본 발명에서 사용하고 있는 반응실내의 흑연서셉터이고, (b)는 기판홈을 도시한 상태도이고, 도 5은 본 발명에서 사용하고 있는 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄의 구조도이고, 도 6의 (a)는 본 발명에 따른 Si기판에 따라 성장하는 3C탄화규소 결정다형을 나타낸 모식도이고, (b)는 4H탄화규소 기판에 따라 성장하는 4H탄화규소 결정다형을 나타낸 모식도이고, (c)는 6H탄화규소 기판에 따라 성장하는 6H탄화규소 결정다형을 나타낸 모식도이다.
또한, 본 발명의 구성을 설명하되, 종래와 동일한 부분에 대하여는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 탄화규소를 증착하기 위한 유기화합물 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄(20a)이 수용된 버블러(20)가 형성되어 있다.
상기 버블러(20)에 원료물질의 캐리어 가스인 수소를 버블링하여 반응실(1)에 공급한다.
그리고, 상기 버블러(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 물이 담긴 항온조(24)에 담겨지는데 이는 원료물질의 증기압을 일정하게 유지하기 위해서이다.
그리고, 반응실(1)의 압력을 자동으로 조절하기 위해 자동압력조절장치(22)가 설치되어 있다.
미설명 부호인 21은 게이트밸브이다.
그러나, SiC를 이용한 트랜지스터나 다이오드와 같은 전자소자를 제작하기 위해서는 에피성장중에 다양한 두께를 갖는 n형과 p형의 불순물 농도의 제어가 필수적이고, 이러한 도핑제어가 가능할때 다양한 구조의 소자제작이 가능해지기 때문이다.
따라서, 본 비스트리메틸실릴메탄(20a) 유기화합물을 이용한 탄화규소 박막증착장치에 의해 단결정 박막을 성장시키는 도중 in-situ로 n형과 p형의 불순물의 도핑을 실시한다.
먼저, n형의 경우 도판트로가스를 사용하였다. 비스트리메틸실릴메탄 (20a) 원료물질과 동시에 질소가스(13)를 반응실(20)에 유입시키는데, 이때 질소가스(13)의 유량을 변화시킴으로써 6E16cm-3에서 2E20cm-3까지의 n-형 도핑농도제어를 할 수 있다.
p형의 경우에는 트리에틸알루미늄(10)(tri-ethyl-aluminum)을 도판트로 사용한다.
또한, 상기 트리에틸알루미늄(10)는 실온에서 액체이기 때문에 버블러(20)에수소가스(16)를 혼입시켜 반응실(20)에 공급시킨다.
아울러, 상기 트리에틸알루미늄(10)을 버블링하는 수소가스(16)의 유량을 변화시켜 1E17cm-3에서 1E20cm-3까지의 p형 도핑농도제어를 한다.
도 4의 (a),(b)를 참조하면 탄화규소가 코팅된 흑연서셉터(6)와 그 위부분에 올라갈 기판홈(7)의 자세한 도면을 나타내었다.
상기 흑연서셉터(6)는 대상물을 고정하여 가열할 수 있는 구조이다.
또한, 상기 기판홈(7)은 흑연서셉터(6) 부분과 탈착이 가능하며, 기판과 같은 대상물이 기판홈(7)위에 올려지게 된다.
도 5는 유기화합물 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄(20a)의 분자모양을 나타낸 그림이다.
상기 비스트리메틸실릴메탄(20a)의 화학식은{}로 미국 United Chemical사에서 제조되어 상용화된 물질이다. 상기 비스트리메틸실릴메탄(20a)의 끊는점은 137℃이고 녹는점은 -71℃이며, 다른 실리콘계 원료들에 비해 유독성 및 발화성이 없다는 장점을 갖고 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 결정상에서 실리콘과 탄소가 이루고 있는 결합구조와 동일한 sp3 혼성궤도로 이루어진 공유결합을 하여 사면체 구조를 기본구조로 가지고 있다.
탄화규소 결정을 성장하기 위한 탄화규소 박막증착에서는 탄소과잉인 조건에서 단결정 성장이 잘 되는 것으로 미루어 탄소과잉의의 구조가 박막성장에 있어서 주된 단위요소로 판단되며, 이러한 원료의 결합구조 때문에 저온에서도 성공적으로 박막을 형성시킬 수 있다.
탄화규소의 결정다형은 약 170여종인데 그 중에서 전자소자의 응용에 가장 유망한 결정다형은 유일한 입방정인 3C-SiC와 육방정인 4H-SiC, 6H-SiC이다.
또한, 도 6의 (a),(b),(c)에 도시한 바와 같이 각각의 결정다형은 기판 선택에 따라 의도적으로 성장시킬 수 있는데, 도 6의 (a)는 3C-SiC의 경우로서 실리콘기판(25) 위에 성장시키며, 실리콘의 녹는점이 1410℃이기 때문에 증착온도가 1400℃이하로 제한된다.
종래의 탄화규소 박막증착장치를 이용할 경우 1300℃의 고온이 필요하나 유기화합물 원료물질을 이용할 경우 약 1100℃에서도 단결정 3C-SiC 박막을 성장시킬 수 있다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 4H-SiC 단결정 박막은 8°off-axis된 (0001) 4H-SiC기판(26)을 사용할 경우 성장시킬 수 있다.
아울러, 도 6의 (c)는 6H-SiC 단결정 박막으로서 3.5° off-axis된 (0001) 6H-SiC기판(27)을 사용할 경우 증착할 수 있다.
입방정 3C-SiC를 제외한 4H-SiC와 6H-SiC 등과 같은 결정다형을 흔히 통칭하여 α-SiC라 명명하는데, 종래의 탄화규소 박막증착장치를 사용할 경우 1500℃이상의 증착온도가 필요했으나, 본 유기화합물 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄(20a)을 이용하여 150℃ 낮은 1350℃에서도 고품위의 α-SiC 단결정 박막을 성장시킬 수 있다.
또한, 도 6의 (b),(c)에 도시된 바와같이 4H, 6H-SiC 단결정 박막의 기판으로부터 측면성장을 시켜 얻을 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 유기화합물 원료물질인 비스트리메틸실릴메탄을 이용한 화학기상증착 장치를 이용할 경우, 기존 가스원료물질을 사용하여 탄화규소 단결정 박막을 증착할 때 요구되는 온도보다 150℃ 낮은 온도에서도 고품위의 탄화규소 단결정 박막을 성장시킬 수 있다.
그리고, 단일선구물질인 비스트리메틸실릴메탄을 사용함으로써 가스공급라인을 단순화시킬 수 있었으며, 유독한 사일렌을 공정에서 제외할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (13)
- 원료 가스의 반응으로 대상물의 표면에 탄화규소 단결정 박막을 증착시키는 박막증착 방법에 있어서, 원료 가스로서 유기화합물인 비스트리메틸실릴메탄에 캐리어 가스로서 버블링된 수소를 반응시켜 대상물의 표면에 탄화규소 단결정 박막을 증착하며, 단결정 박막을 증착하는 과정에서 미량의 질소가스를 흘려주는 n-형 도핑 내지는 미량의 트리에틸알루미늄을 흘려주는 p-형 도핑 중의 어느 하나가 실시됨을 특징으로 하는 탄화규소 박막증착방법.
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- 제 1항에 있어서,상기 비스트리메틸실릴메탄을 이용하여 1100℃의 저온에서 3C-SiC 단결정 박막을 대상물의 기판에 증착시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 박막증착방법.
- 제 3항에 있어서,상기 대상물의 기판은 Si인 것을 특징으로 하는 탄화규소 박막증착방법.
- 제 4항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 Si와 3C-SiC와의 격자상수와 열팽창률의 차이로 인한 단결정 박막내의 전위와 적층결함등을 감소시키기 위한 셀프 버퍼층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 탄화규소 박막증착방법.
- 제 1항에 있어서,상기 비스트리메틸실릴메탄을 이용하여 4H-SiC 기판위에서 1350℃의 저온으로 단결정 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 박막증착방법.
- 제 6항에 있어서,상기 4H-SiC 기판은 8˚off-axis된 것을 특징으로 하는 탄화규소 박막증착방법.
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- 제 1항에 있어서,상기 비스트리메틸실릴메탄을 이용하여 6H-SiC 기판 위에서 1350℃의 저온으로 단결정 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 박막증착방법.
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- 반응 원료물질이 유기화합물인 비스트리메틸실릴메탄의 반응으로 대상물의 표면에 탄화규소 단결정 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 증착장치에 있어서,상기 비스트리메틸실릴메탄의 반응시 증기압을 일정하게 유지하기 위하여 물을 수용하는 항온조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 박막증착장치.
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