비파괴 전위 결함 검사 기술은 SiC 결정의 전위 결함 성장 메커니즘 연구를 지원합니다.

SiC 웨이퍼의 결함(표면 형태, 적층 결함, 전위 결함 포함)은 SiC 전력 칩의 수율과 장기 신뢰성에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 전도성 4H-SiC 웨이퍼의 경우, 잉곳 성장과 잉곳 성장부터 기판 처리, 에피택셜 성장까지의 제조 공정을 적절하게 제어하여 결함 밀도를 줄이는 것이 SiC 제조업체의 오랜 목표였습니다. 지난 10년 동안 SiC 잉곳 성장 및 제조 기술이 크게 향상되었음에도 불구하고 SiC 웨이퍼의 결함 밀도는 결정 구조와 성장 방법의 복잡성으로 인해 기존 실리콘 기반 웨이퍼보다 3~4배 더 높습니다. 주요 제한 요인은 SiC 잉곳 성장 메커니즘과 영향 요인에 대한 과학적 이해가 부족하기 때문에 발생합니다. 따라서 SiC 잉곳의 결함 형성과 진행을 관찰하고 결함 발생 메커니즘을 분석하는 것은 고품질 웨이퍼를 생산하고 칩 수율을 향상시키는 데 특히 중요합니다.

SiC 웨이퍼 결함에 대한 연구는 다양한 검사 장비에 의존합니다. 광학 명암시야 표면 스캐닝, 형광 이미징, 라만 분광법을 포함한 현재의 비파괴 검사 기술은 SiC 기판 및 에피택시 웨이퍼의 피트, 돌출, 긁힘, 적층 결함과 같은 결함을 효과적으로 식별할 수 있습니다. 그러나 기판 웨이퍼의 전위 결함(TSD(Threading Screw Dislocation), TED(Threading Edge Dislocation) 및 BPD(Basal Plane Dislocation))의 경우 기존 결정 방법은 오랫동안 KOH 파괴 에칭에 의존해 왔습니다. 이러한 파괴 검사 기술의 한계로 인해 성장 과정과 변형 메커니즘에 대한 연구는 어려웠습니다. XRT(X-Ray Topography)는 SiC 웨이퍼의 전위 결함을 비파괴적으로 이미지화할 수 있지만 높은 장비 비용, 운영 복잡성 및 긴 측정 시간으로 인해 연구 및 산업에서의 광범위한 채택이 제한됩니다. 결과적으로 SiC 결정 성장 중에 TSD, TED 및 BPD 결함이 어떻게 지속되고 변형되는지, 기판에서 에피택셜 층으로 이동하는 방법, 기본 메커니즘에 대한 중요한 질문은 학계와 산업계 모두에서 불분명합니다. 이러한 해결되지 않은 문제는 SiC 잉곳 성장 프로세스의 개선과 웨이퍼 품질 향상을 크게 제한합니다.

2024년 초, TTS(Time-Tech Spectra)는 전도성 SiC 기판 웨이퍼의 전위 결함을 감지하기 위한 빠르고 비파괴적인 검사 도구(DISPEC 9000/8000)를 개발했습니다. AI 인식 알고리즘과 결합된 과도 흡수 분광법을 사용하여 이 도구는 TSD, TED 및 BPD와 같은 결함에 대한 빠르고 정확한 비접촉 광학 검사를 달성하며 기존 KOH 에칭 방법을 대체할 수 있는 큰 가능성을 가지고 있습니다. TTS는 ZJU-항저우 글로벌 과학 기술 혁신 센터의 Wang 교수와 협력하여 전도성 SiC 잉곳 샘플에서 다형 공존 결함, 점 결함, 전위 및 적층 결함을 비롯한 다양한 결함의 출현, 제거 및 변형을 성공적으로 모니터링했습니다. 이러한 발전은 화학 증기 반응(CVR) 방법 및 합성 공정 최적화에 대한 최근 연구에서 입증된 바와 같이 SiC 잉곳의 성장 메커니즘 및 공정 최적화에 대한 필수적인 실험적 통찰력을 제공합니다. 이 기사는 우리 연구에서 선택된 실험 결과를 제시합니다.

 그림 1. N형 4H-SiC 잉곳 종단면의 전위 결함 검사 영상. SiC 잉곳은 성장 방향을 따라 절단되었으며, 절단된 부분은 정밀한 표면 연삭을 거쳤습니다. DISPEC9000 시스템을 사용하여 전위 결함의 비파괴 광학 이미징을 수행했습니다. 이미지에서 전위 결함은 배경에 비해 '어두운' 신호로 나타납니다. TD 결함(TSD 및 TED)의 확장은 성장 방향과 대략 평행하게 진행되는 반면 베이스 평면 전위(BPD, 적층 결함 등)의 확장은 성장 방향에 대략 수직 방향으로 진행됩니다. TSD와 TED의 식별은 TTS의 독자적인 AI 이미지 분류 모델을 통해 이루어졌습니다.

SiC 잉곳의 TSD, TED 결함 및 BPD 또는 적층 결함의 성장 과정을 관찰하기 위해 N형 4H-SiC 잉곳을 제작한 후 성장 방향을 따라 약 500μm 두께의 세로 단면을 절단했습니다. 정밀 표면 연삭 후 TTS의 DISPEC9000을 사용하여 샘플을 이미지화했습니다. 그림 1은 반도체 재료의 맥락에서 입증된 바와 같이 종단면 내의 전위 결함의 국부적인 이미징을 보여줍니다. 결함 부위에서 광생성 캐리어의 신속한 비방사성 재결합으로 인해 이들 영역의 여기 상태 캐리어의 과도 흡수 신호 강도는 비결함 영역의 신호 강도와 크게 다릅니다. 이러한 대비는 과도 흡수 이미징에서 뚜렷한 검은색 신호로 나타나 캐리어 역학에 대한 결함의 영향을 강조합니다. 종단면에서 TSD 및 TED 결함의 성장 방향은 잉곳의 성장 방향과 정렬되어 이미징에서 수직 선형 신호로 나타납니다. BPD 결함의 성장 방향은 잉곳의 성장 방향과 거의 수직이며 잉곳 표면과 ~4도 각도를 형성하고 이미징에서 수평 선형 신호로 나타납니다. 빅데이터 AI 인식 모델을 통해 종단면의 TSD 및 TED 결함 분류 및 인식을 달성했습니다.

이전 이해에서 SiC 잉곳의 TD 유형 결함(TSD 및 TED)은 일반적으로 '스레딩' 결함으로 정의되었습니다. 종단면의 전위 결함 일시적 광학 이미징 결과 분석을 통해 TD 결함에 대한 두 가지 주요 성장 패턴을 식별했습니다. 첫 번째 유형은 장거리 스레딩 결함(그림 2a)으로, 수 밀리미터에 걸쳐 지속적으로 성장하여 향상된 신호 강도를 나타내는 것이 특징입니다. 이러한 결함은 전파되는 동안 굽힘 및 방향 변화를 동반하며, 이는 확장된 특성과 재료 특성에 대한 잠재적인 영향을 나타냅니다. AI 모델은 이러한 결함을 TSD 유형으로 사전 분류합니다. 성장-소멸-성장 교대 유형(그림 2b)이라고 하는 두 번째 특징적인 TD 결함 패턴은 이미지의 특정 방향을 따라 점선과 같은 신호를 표시합니다. 통계 분석에 따르면 이러한 유형의 결함 중 다수는 소멸되기 전에 100-500μm 동안 성장하며, 이는 성장 중에 무작위로 발생할 가능성이 높습니다. AI 모델은 이러한 결함을 TED 유형으로 잠정 분류합니다.

그림 2. TD(TSD 및 TED) 전위 결함의 성장 과정을 이미징합니다. (a) 장거리 스레딩 TD 결함, 대부분 TSD. (b) TD 결함을 번갈아 가며 성장-멸종, 주로 TED.

베이스 평면 결함(적층 결함 및 BPD 포함)은 과도 스펙트럼 이미징에서 수평 방향 신호로 나타납니다. 이러한 결함은 여러 성장 방향을 나타내기 때문에 이미징의 신호 길이는 실제 성장 거리(즉, 이미지에 대한 결함의 투영)를 반영하지 않습니다. 광범위한 데이터 분석을 통해 우리는 그림 3과 같이 TSD와 적층 결함, TED 및 BPD가 공존 및 변환 현상을 나타낸다는 것을 발견했습니다. 이 공존 프로세스는 TD를 따라 성장하는 동안 여러 개의 수평 방향 기본 평면 결함이 형성되는 것으로 나타납니다. 이는 이미징에서 생선뼈 모양의 신호 특징으로 나타납니다. 또한, 우리는 수많은 TD 결함의 소멸이 단일 베이스 평면 결함의 형성을 동반할 수 있음을 관찰했는데, 이는 TD 결함이 베이스 평면 결함으로 변환될 수 있음을 나타냅니다. 이러한 발견은 SiC 잉곳의 TD 형성이 베이스 평면 결함 형성을 초래할 수 있음을 나타냅니다.

 

그림 3. TD 결함과 베이스 평면 결함의 상호 작용 및 변형 과정.

기상 합성을 통해 생산된 SiC 잉곳의 전위 결함 형성은 잉곳 성장 중 물질 전달, 에너지 전달, 온도 및 원료 분포를 비롯한 여러 요인의 영향을 받습니다. 이러한 요소는 SiC 기반 전력 장치의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있는 마이크로 파이프, BPD, TED 및 TSD와 같은 다양한 유형의 결함 생성에 기여합니다. 잉곳 성장로의 설계와 기술이 크게 최적화되었지만, 미세한 규모의 성장 환경을 제어하고 개선하는 것은 여전히 ​​중요한 과제로 남아 있습니다. 세로 단면의 전위 이미징은 거시적으로 잉곳의 결함 밀도가 성장 시작부터 끝까지 특정 패턴을 나타내지만 현미경으로 결함의 밀도와 분포는 강철 잉곳의 수축 기공 및 공동 분포와 실리콘 및 Sm ₂(Co,Cu,Fe,Zr) ₁₇ 합금 잉곳의 미세 구조에 대한 연구에서 입증된 바와 같이 다양한 성장 위치에 걸쳐 상당히 무작위로 다양하다는 것을 보여줍니다. 잉곳 내의 다양한 위치에서 기판 웨이퍼 절단에 의해 생성된 웨이퍼 표면의 전위 밀도 및 분포는 미시적 수준에서 상당한 변화를 겪을 수 있습니다. 따라서, KOH 식각을 위해 잉곳의 '헤드 및 테일 슬라이스'를 선택하여 기판의 전위 결함 밀도를 평가하는 현재 방법으로는 잉곳 전체에서 생산된 각 웨이퍼의 결함 밀도 및 분포를 정확하게 예측하고 나타낼 수 없습니다.

그림 4. TTS DISPEC9000: 비파괴 광학 SiC 기판 전위 결함 검사 시스템. 이 장비는 반도체 과도 흡수 분광학의 원리를 기반으로 기판 웨이퍼의 과도 스펙트럼 이미징을 통해 전위 및 다양한 잉곳 결함을 직접 관찰하고 식별하여 기존 KOH 에칭 방법을 완전히 대체합니다.

이 기사에 설명된 DISPEC 9000은 최첨단 비선형 광학 기술을 활용하여 SiC 기판의 전체 표면 스캔을 수행하고 중요한 결정 결함을 효과적이고 비파괴적으로 식별합니다. 이 혁신적인 접근 방식은 비용이 많이 드는 기존의 KOH 에칭 방법을 대체하여 검사 시간과 기판 비용을 크게 줄여 생산 효율성과 수율을 향상시킵니다. 반도체 제조의 핵심 구성요소인 비파괴 스펙트럼 검사는 '웨이퍼별' 검사를 용이하게 하여 후속 에피택셜 층 성장 및 칩 제조 공정에서 결함 관리를 위한 강력한 지원을 제공합니다. AI 이미지 분류 알고리즘을 활용하는 이 시스템은 칩 결함 분석 및 수율 제어에 중요한 포괄적인 현장 결함 데이터 추적성을 제공합니다. 우리는 SiC 기판에 대한 비파괴 전위 결함 검사 기술의 광범위한 채택이 SiC 잉곳 성장 메커니즘에 대한 연구를 크게 발전시키고 산업용 웨이퍼 제조의 품질 관리를 향상시켜 3세대 반도체 재료 및 장치의 고품질 개발을 촉진할 것이라고 믿습니다.