서문을 쓰다

탄화규소 산업 사슬은 탄화규소 분말, 탄화규소 잉곳, 탄화규소 기판, 탄화규소 에피택시, 탄화규소 웨이퍼, 탄화규소 칩, 그리고 탄화규소 소자 패키징 단계로 구성됩니다. 이 중 기판, 에피택시 웨이퍼, 웨이퍼, 그리고 소자 패키징 및 테스트는 탄화규소 가치 사슬에서 가장 중요한 네 가지 단계입니다. 기판 비용은 탄화규소 소자 총비용의 50%를 차지하며, 에피택시, 웨이퍼, 패키징 테스트 비용은 각각 25%, 20%, 5%를 차지합니다. 탄화규소 소재의 신뢰성은 최종 소자의 성능에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 베이직 세미컨덕터는 산업 사슬의 모든 측면에서 소재 특성과 결함 원인을 연구하고, 상하류 기업들과 협력하여 탄화규소 전력 소자의 신뢰성 향상에 힘쓰고 있습니다.

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탄화규소 잉곳 성장 및 제조 방법

탄화규소에는 250가지 이상의 이성질체가 있으며, 전력 반도체 제조에 주로 사용되는 것은 4H-SiC 단결정 구조입니다. 탄화규소 단결정 성장 과정에서 4H 결정 성장 가능 범위는 매우 좁기 때문에 온도와 압력 설계에 엄격한 기준이 적용됩니다. 성장 과정에서 제어가 정확하지 않으면 2H, 3C, 6H, 15R 등 다른 구조의 탄화규소 결정이 생성될 수 있습니다.

그림 1. 다양한 탄화규소 이성질체의 생성 조건

산업계에서는 탄화규소 단결정 잉곳을 제조하는 세 가지 방법으로 승화 PVT, 고온 화학 기상 증착(HT-CVD), 그리고 액체-액체상 증착(LPE, 용액 성장법)이 있습니다. 이 중 승화 PVT가 현재 가장 널리 사용되는 방법입니다. 시판되는 탄화규소 잉곳의 약 95%가 PVT 방식으로 성장됩니다. 이 공정은 특수 장비에 탄화규소 분말을 넣고 가열하는 것입니다. 온도가 2200~2500°C까지 상승하면 분말이 승화하기 시작합니다. 탄화규소는 액체 상태가 없고 기체와 고체 상태만 존재하기 때문에 승화 후 잉곳 표면에 결정이 형성됩니다. 일반 실리콘 단결정의 성장 속도는 시간당 약 300mm인 반면, 탄화규소 단결정의 성장 속도는 시간당 약 400μm로, 두 속도 차이는 거의 800배에 달합니다. 예를 들어, 5~6cm 크기의 잉곳을 형성하려면 200~300시간 동안 연속적이고 안정적인 성장이 필요합니다. 탄화규소 잉곳의 제조 속도가 매우 느려서 잉곳 가격이 비싸진다는 것을 알 수 있다.

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탄화규소 단결정 잉곳 및 기판 웨이퍼 결함

탄화규소 잉곳과 기판 웨이퍼 모두 적층 결함, 미세소관, 관통 나사 전위, 관통 모서리 전위, 기저면 전위 등 다양한 결정 결함을 포함하고 있습니다. 탄화규소 잉곳의 결함은 최종 소자의 수율에 큰 영향을 미치므로 산업 전반에 걸쳐 매우 중요한 문제입니다. 모든 기판 제조업체는 탄화규소 잉곳의 결함 밀도를 줄이기 위해 모든 노력을 기울이고 있습니다.

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탄화규소 기판의 신뢰성

기판 시트는 결정 잉곳을 얇게 절단하고, 표면을 매끄럽게 다듬고 연마하여 얻은 제품입니다. 연마 공정을 거친 기판 웨이퍼는 우수한 표면 품질을 가지게 되는데, 이는 에피택시 성장 과정에서 결함 발생을 억제하여 고품질 에피택시 웨이퍼를 얻는 데 기여합니다. 기판 표면 품질에는 평탄도, 표면 근처 전위, 잔류 응력 등이 포함됩니다. 에피택시 성장 초기 단계에서 결함 발생을 억제하기 위해서는 기판 표면이 응력이 없고 표면 근처 전위가 없어야 합니다. 표면 근처의 잔류 손상이 충분히 제거되지 않으면 기판 위의 에피택시 성장 과정에서 거시적인 결함이 발생할 수 있습니다. 따라서 기판 공정의 품질은 후속 에피택시 성장 공정의 품질에 심각한 영향을 미칩니다.

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탄화규소 에피택셜 성장 및 신뢰성

에피택시란 기판의 윗면에 기판과 균일한 4H-SiC 단결정 물질 층을 성장시키는 공정을 말합니다. 탄화규소는 여러 이성질체를 가지고 있습니다. 고품질의 에피택시 물질을 얻기 위해서는 다른 결정 형태의 혼입을 방지하는 특수 기술이 필요합니다. 현재 표준화된 공정은 4° 경사 절단된 4H-SiC 단결정 기판을 사용하고 단계 제어 성장 기술을 적용하는 것입니다. 현재 일반적으로 사용되는 공정은 CVD(화학 기상 증착) 방식이며, 주로 사용되는 장비는 열벽 수평 에피택시로이고, 반응 전구체 가스로는 실란(SiH₄)이 사용됩니다.₄), 메탄(CH₄), 에틸렌(C₂H₄), 등이며 질소(N)를 사용합니다.₂불순물 공급원으로 ) 및 트리메틸알루미늄(TMA)을 사용합니다. 일반적인 성장 온도 범위는 1500~1650℃이고, 성장 속도는 5~30μm/h입니다.

에피택셜 층의 성장은 결정 성장 및 웨이퍼 가공 과정에서 발생하는 표면 또는 표면 근처의 결함을 상당 부분 제거하여, 결정 격자를 깔끔하게 배열하고 기판에 비해 표면 형태를 크게 개선할 수 있습니다. 두꺼운 에피택셜 층, 우수한 표면 형태, 그리고 낮은 도핑 농도는 항복 전압 향상에 중요한 요소입니다. 이러한 에피택셜 웨이퍼는 전력 소자 제조에 사용되어 파라미터 안정성과 수율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

그림 2. 기판층과 에피택셜층의 구조

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탄화규소 에피택셜 웨이퍼와 기판 웨이퍼의 결함 간의 관계

앞서 언급했듯이, 탄화규소 에피택셜 층의 결함은 기판 및 성장 공정과 관련이 있습니다. 에피택셜 층 결함에는 표면 형태 결함, 미세관 결함, 전위 등이 있습니다. 표면 형태 결함에는 당근 모양 결함(경우에 따라 혜성 모양), 얕은 구덩이, 삼각형 결함, 낙하물 등이 있으며, 기판의 미세관 결함은 에피택셜 층으로 그대로 전달됩니다. 기판 내 미세관의 현재 밀도는 0.1/cm²보다 훨씬 낮습니다.²기본적으로 제거되었습니다. 탄화규소 에피택시층의 대부분의 전위는 기판 전위에서 유래하며, 주로 TSD, TED 및 BPD를 포함합니다. 일반 전위 및 캐럿 결함과 같은 에피택시 과정에서 발생하는 결함은 탄화규소 에피택시의 품질에 영향을 미치는 중요한 문제입니다.

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탄화규소 에피택셜 웨이퍼 결함이 최종 소자에 미치는 영향

에피택셜 성장 과정 동안 기판 내 TSD의 약 98%가 TSD로 변환되고 나머지는 Frank SF로 변환됩니다. TED는 100% TED로 변환되고, BPD의 약 95%가 TED로 변환되며 소량은 BPD로 유지됩니다.

그림 3. 탄화규소 에피택셜 웨이퍼 결함과 기판 웨이퍼 결함 간의 상관관계

TSD와 TED는 기본적으로 최종 실리콘 카바이드 소자의 성능에 영향을 미치지 않지만, BPD는 소자 성능 저하를 유발할 수 있으므로 더 많은 관심을 받습니다. 적층 결함, 당근 결함, 삼각형 결함, 낙하물 결함 등은 치명적인 결함입니다. 이러한 결함이 소자에 발생하면 테스트에 실패하여 수율이 감소합니다. 3극관 및 IGBT와 같은 바이폴라 소자는 BPD에 더욱 민감합니다.

표 1. 에피택셜 웨이퍼 결함이 최종 소자에 미치는 영향

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탄화규소 소재가 직면한 두 가지 과제

탄화규소 소재의 보급을 가로막는 중요한 과제 중 하나는 가격이 너무 높다는 점이며, 특히 기판 가격이 실리콘이나 사파이어 기판보다 훨씬 높다는 것입니다. 현재 주류를 이루는 탄화규소 기판의 직경은 4~6인치에 불과하며, 크기를 확대하고 가격을 낮추기 위해서는 더욱 성숙한 성장 기술이 필요합니다. 

반면, 탄화규소의 전위 밀도는 102²~104⁴ 수준으로, 실리콘, 갈륨비소 등 다른 재료보다 훨씬 높습니다. 또한, 탄화규소는 높은 응력을 가지고 있어 표면 특성에 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서 탄화규소 기판의 품질을 개선하는 것은 에피택시 재료의 품질, 소자 제작 수율, 소자 신뢰성 및 수명을 향상시키는 중요한 방법입니다.

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