JP7398829B2 - 炭化珪素ウエハ及び半導体素子 - Google Patents

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Description

具現例は、炭化珪素ウエハ及びこれを適用した半導体素子に関する。
炭化珪素は、耐熱性及び機械的強度に優れ、物理的および化学的に安定しているので、半導体材料として注目されている。近年、高電力素子などの基板として炭化珪素単結晶基板の需要が高まっている。
このような炭化珪素単結晶を製造する方法として、液相蒸着法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；ＬＰＥ）、化学気相蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）、物理的気相輸送法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ；ＰＶＴ）などがある。その中で物理的気相輸送法は、坩堝内に炭化珪素原料を装入し、坩堝の上端には炭化珪素単結晶からなる種結晶を配置した後、坩堝を誘導加熱方式で加熱して原料を昇華させることで、種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる方法である。
物理的気相輸送法は、高い成長率を有することによってインゴット形態の炭化珪素を作製することができるので、最も広く用いられている。ただし、坩堝の誘導加熱時に、坩堝及び断熱材の特性、工程条件などにより坩堝に流れる電流密度が変化し、坩堝内部の温度分布も変化して、製造される炭化珪素インゴットの反り及びねじれが発生することがある。このような反り及びねじれが発生すると、後続のウエハ加工時にウエハの中央と周縁の加工程度に差が示され、それによって粗さ特性、光学的特性などが変わり得る。
炭化珪素インゴットから切断されたウエハにエピタキシャル層を形成する時、製造収率は炭化珪素ウエハの表面粗さ特性と共に、光学的特性に影響を受けることがある。炭化珪素ウエハ上の表面上の粗さ差があるか、又は光学的特性に問題があればエピタキシャル層の品質が低下し、半導体素子の製造時に素子の特性や収率が低下する恐れがある。
そこで、炭化珪素ウエハから製造される半導体素子の性能及び製造収率の向上のために、炭化珪素インゴットの製造及び炭化珪素ウエハの製造時に多くの特性を満たすことができる方案について考慮する必要がある。
前述した背景技術は、発明者が具現例の導出のために保有していた、又は導出過程で習得した技術情報であって、必ずしも本発明の出願前に一般公衆に公開された公知技術であるとは限らない。
関連先行技術として、韓国公開特許公報第１０－２０１８－００１６５８５号に開示された「エピタキシャル炭化珪素単結晶ウエハの製造方法」、韓国登録特許公報第１０－０６７５２１６号に開示された「ヘイズ測定方法及びその装置」などがある。
具現例の目的は、良好な粗さ特性と光学的特性を満たす炭化珪素ウエハを提供することにある。
具現例の他の目的は、素子の製造時に向上した製造収率を示す炭化珪素ウエハを提供することにある。
上記の目的を達成するために、具現例に係る炭化珪素ウエハは、
一面及びその反対面である他面を含む炭化珪素ウエハであって、
前記一面の平均Ｒｍａｘ粗さは２．０ｎｍ以下であり、
前記一面の平均Ｒａ粗さは０．１ｎｍ以下であり、
周縁領域は、前記炭化珪素ウエハの周縁から中心方向に向かう距離が前記炭化珪素ウエハの半径に対して５％～７５％である領域であり、
中心領域は、前記炭化珪素ウエハの中心から前記炭化珪素ウエハの半径に対して２５％の半径を有する領域であり、
前記一面の周縁領域の平均Ｒｍａｘ粗さと、前記一面の中心領域の平均Ｒｍａｘ粗さとの差が０．０１ｎｍ～０．５ｎｍであってもよい。
一具現例において、Ｄ６５標準光源に対する全光線透過率が１０％～４０％であってもよい。
一具現例において、前記一面の平均Ｒｍａｘ粗さは１．５ｎｍ以下であってもよい。
一具現例において、前記一面の周縁領域の平均Ｒａ粗さと、前記一面の中心領域の平均Ｒａ粗さとの差が０．０８ｎｍ以下であってもよい。
一具現例において、Ｄ６５標準光源に対するヘイズが０．３％～０．５％であってもよい。
一具現例において、前記炭化珪素ウエハの平均Ｒａ粗さが０．０７ｎｍ以下であってもよい。
一具現例において、前記一面は表面に炭素原子に比べて珪素原子層がより露出するＳｉ面であってもよい。
一具現例において、前記炭化珪素ウエハは、直径が４インチ以上であり、４Ｈ－炭化珪素を含むことができる。
上記の目的を達成するために、具現例に係るエピタキシャルウエハは、
上記による炭化珪素ウエハと；
前記炭化珪素ウエハの一面上に形成されたエピタキシャル層と；を含むことができる。
上記の目的を達成するために、具現例に係る半導体素子は、
上記による炭化珪素ウエハと；
前記炭化珪素ウエハの一面上に配置されたエピタキシャル層と；
前記エピタキシャル層を間に置いて前記炭化珪素ウエハと反対側に配置されたバリア領域と；
前記エピタキシャル層と接するソース電極と；前記バリア領域上に配置されたゲート電極と；
前記炭化珪素ウエハの他面上に配置されたドレイン電極と；を含むことができる。
具現例に係る炭化珪素ウエハは、表面の殆ど全ての領域で粗さ特性及び光学的特性に優れ、均一な品質を示すことができる。
具現例に係る炭化珪素ウエハは、エピタキシャル層及び素子の製造時に素子特性及び収率を向上させることができる。
具現例に係る炭化珪素ウエハの一例を示す概念図である。 炭化珪素インゴット製造装置の一例を示す概念図である。 炭化珪素インゴット製造装置の反応容器の内部空間の一例を示す概念図である。 具現例に係る炭化珪素ウエハ製造過程で時間の経過に伴う、圧力、アルゴンガス圧力の推移を示すグラフである。 実験例で実施例１、２（Ｅｘａｍｐｌｅ １、２）及び比較例１、２（Ｃ．Ｅｘａｍｐｌｅ １、２）の粗さ測定時、表面を原子力間顕微鏡を通じて撮影した写真である。 実験例で実施例１、２（Ｅｘａｍｐｌｅ １、２）及び比較例１、２（Ｃ．Ｅｘａｍｐｌｅ １、２）のエピタキシャル層形成時の収率を示す概念図である。 具現例に係る半導体素子の一例を示す概念図である。
以下、発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように、一つ以上の具現例について添付の図面を参照して詳細に説明する。しかし、具現例は、様々な異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。明細書全体にわたって類似の部分に対しては同一の図面符号を付した。
本明細書において、ある構成が他の構成を「含む」とするとき、これは、特に反対の記載がない限り、それ以外の他の構成を除くものではなく、他の構成をさらに含むこともできることを意味する。
本明細書において、ある構成が他の構成と「連結」されているとするとき、これは「直接的に連結」されている場合のみならず、「それらの間に他の構成を介在して連結」されている場合も含む。
本明細書において、Ａ上にＢが位置するという意味は、Ａ上に直接当接してＢが位置するか、又はそれらの間に別の層が位置しながらＡ上にＢが位置することを意味し、Ａの表面に当接してＢが位置すると限定されて解釈されない。
本明細書において、マーカッシュ形式の表現に含まれた「これらの組み合わせ」という用語は、マーカッシュ形式の表現に記載された構成要素からなる群より選択される一つ以上の混合又は組み合わせを意味するものであって、前記構成要素からなる群より選択される一つ以上を含むことを意味する。
本明細書において、「Ａ及び／又はＢ」の記載は、「Ａ、Ｂ、又は、Ａ及びＢ」を意味する。
本明細書において、「第１」、「第２」又は「Ａ」、「Ｂ」のような用語は、特に説明がない限り、同一の用語を互いに区別するために使用される。
本明細書において、単数の表現は、特に説明がなければ、文脈上解釈される単数又は複数を含む意味で解釈される。
炭化珪素ウエハ１０
上記の目的を達成するために、具現例に係る炭化珪素ウエハ１０は、
一面１１及びその反対面である他面１２を含む炭化珪素ウエハであって、
前記一面の平均Ｒｍａｘ粗さは２．０ｎｍ以下であり、
前記一面の平均Ｒａ粗さは０．１ｎｍ以下であり、
周縁領域は、前記炭化珪素ウエハの周縁から中心方向に向かう距離が前記炭化珪素ウエハの半径に対して５％～７５％である領域であり、
中心領域は、前記炭化珪素ウエハの中心から前記炭化珪素ウエハの半径に対して２５％の半径を有する領域であり、
前記一面の周縁領域の平均Ｒｍａｘ粗さと、前記一面の中心領域の平均Ｒｍａｘ粗さとの差が０．０１ｎｍ～０．５ｎｍであってもよい。
Ｒｍａｘ粗さ（Ｍａｘｉｍｕｍ ｐｅａｋ ｔｏ ｖａｌｌｅｙ ｈｅｉｇｈｔ）は、測定物の表面粗さ曲線の一定の長さ内で、粗さ曲線の中心線（基準線）に平行であり、その粗さ曲線の最も低い最低点（ｖａｌｌｅｙ）と最も高い最高点（ｐｅａｋ）をそれぞれ通過する二つの平行線間の上下距離を示す。
具現例では、炭化珪素ウエハを基盤としてエピタキシャルウエハ及び素子などを製造する時、このＲｍａｘ粗さ、Ｒａ粗さが素子製造収率と関連性があることを把握し、所定のＲｍａｘ粗さ、Ｒａ粗さ条件を満たす炭化珪素ウエハを提供しようとした。
一方、全光線透過率（ｔｏｔａｌ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ、Ｔｔ）は、光が如何なる物質の内部を通過する時、平行透過率（Ｔｐ）と拡散透過率（Ｔｄ）との合計を示す。そしてヘイズ（ｈａｚｅ）とは、光が如何なる物質の内部を通過する時、物質の種類及び状態により反射や吸収以外に光が拡散して不透明な外観を示す現象をいう。ヘイズは、拡散透過率と全光線透過率を測定して式１のとおりその比率で計算することができる。
［式１］
Ｈ＝Ｔｄ／（Ｔｔ×１００）
（上記式１で、Ｈはヘイズであり、Ｔｄは拡散透過率であり、Ｔｔは全光線透過率である。）
具現例では、炭化珪素ウエハを基盤としてエピタキシャルウエハ及び素子などを製造する時、光学的特性であるこの全光線透過率、ヘイズ値が素子製造収率と関連性があることを把握し、所定の全光線透過率、ヘイズ値を満たす炭化珪素ウエハを提供しようとした。具体的な測定過程は下記実験例に記載した。
前記炭化珪素ウエハ１０は、Ｄ６５標準光源に対するヘイズが０．３％～０．５％であってもよく、０．３％～０．４％であってもよく、０．３４％～０．３７％であってもよい。前記ヘイズ範囲の上限を超える場合、エピタキシャルウエハ及び素子を製造する時、不良率が高くなる恐れがある。前記のヘイズ範囲を満たすことで、ピット形状の欠陥を防止するようにし、エピタキシャルウエハ及び素子を製造する時、製造収率を向上させることができる。
前記炭化珪素ウエハ１０は、Ｄ６５標準光源に対する全光線透過率が１０％～４０％であってもよく、１５％～３５％であってもよく、２０％～３０％であってもよい。このような全光線透過率の範囲を有する場合、炭化珪素ウエハの良好な品質を示すことができる。
前記Ｄ６５標準光源は、色温度が６５０４Ｋに近似する昼光に該当する。
図１を参照すると、前記一面１１は、他の原子に比べて主に珪素原子が表面により多く現れたいわゆるＳｉ面であり、前記一面の反対面である他面１２は、他の原子に比べて主に炭素原子が表面に現れたいわゆるＣ面である。炭化珪素ウエハを製造するために、炭化珪素インゴットから切断加工時、炭化珪素インゴットで炭素原子の層と珪素原子の層との境界面またはこれと平行な方向に切断されやすく、そのために炭素原子が主に露出する面と珪素原子が主に露出する面が切断面上に現れ得る。
前記一面１１の中心は、前記炭化珪素ウエハ１０の形状が円形または楕円形である場合、円または楕円の中心に該当し得る。また、前記炭化珪素ウエハの一部にフラットゾーン（ｆｌａｔ ｚｏｎｅ）、切欠（ｎｏｔｃｈ）などが形成されていてもよい。
前記一面１１の平均Ｒｍａｘ粗さは、２．０ｎｍ以下であってもよく、１．５ｎｍ以下であってもよく、１．１ｎｍ以下であってもよい。前記一面の平均Ｒｍａｘ粗さは、０．１ｎｍ以上であってもよい。このようなＲｍａｘ粗さの範囲を満たす炭化珪素ウエハは、表面で最低点と最高点との高さ差が良好であり、後続のエピタキシャル成長工程及び素子製造時に高い収率を期待することができる。
前記一面１１の前記周縁領域の平均Ｒｍａｘ粗さと、前記一面の前記中心領域の平均Ｒｍａｘ粗さとの差は、０．０１ｎｍ～０．５ｎｍであってもよく、０．１ｎｍ～０．３ｎｍであってもよい。このように前記周縁領域と中心領域間のＲｍａｘ粗さ差の範囲を有する場合、炭化珪素ウエハの主要領域で低い非対称度を示すことができるので、後続の工程で形成されるエピタキシャル層の厚さ平坦度を高めることができ、良好な素子製造収率を示すことができる。
前記一面１１のＲｍａｘ粗さの測定時、最低点（ｖａｌｌｅｙ）は基準線（中心線）に対して－１．０ｎｍ以上であってもよく、－０．８ｎｍ以上であってもよい。前記一面のＲｍａｘ粗さの測定時、最高点（ｐｅａｋ）は基準線に対して１ｎｍ以下であってもよく、０．５７ｎｍ以下であってもよい。前記基準線（中心線）は、後述する実験例に記載されているように粗さ測定装備により定義され得る。
前記一面１１の平均Ｒａ粗さは、０．１ｎｍ以下であってもよく、０．０８ｎｍ以下であってもよく、０．０７ｎｍ以下であってもよく、０．０５ｎｍ以下であってもよい。前記一面の平均Ｒａ粗さは、０．０１ｎｍ以上であってもよい。
前記一面１１の周縁領域の平均Ｒａ粗さは、０．１ｎｍ以下であってもよく、０．０８ｎｍ以下であってもよく、０．０７ｎｍ以下であってもよい。前記一面の周縁領域の平均Ｒａ粗さは、０．０１ｎｍ以上であってもよい。
前記一面１１の中心領域の平均Ｒａ粗さは、１ｎｍ以下であってもよく、０．０７ｎｍ以下であってもよい。
このようなＲａ粗さの範囲を満たす炭化珪素ウエハは、後続のエピタキシャル成長工程で良好な品質を有することができ、素子製造時に収率向上を期待することができる。
前記炭化珪素ウエハ１０のＲａ粗さ及びＲｍａｘ粗さの測定は後述する実験例に記載された方法が適用され得る。
前記炭化珪素ウエハ１０は、高分解能Ｘ線回折分析によるロッキングカーブの半値全幅が０．０１°～０．５°であってもよく、０．０２°～０．４°であってもよく、０．１°～０．４°であってもよい。このような特徴を有する炭化珪素ウエハは、優れた結晶質特性を有することができ、後続工程を通じて製造される素子の特性を向上させることができる。
前記ロッキングカーブは、高分解能Ｘ線回折分析システム（ＨＲ－ＸＲＤ ｓｙｓｔｅｍ）を適用して前記炭化珪素ウエハの［１１－２０］方向をＸ線経路に合わせ、Ｘ線ソースとＸ線検出器角度を２θ（３５°～３６°）に設定した後、炭化珪素ウエハのオフ角に合わせてオメガ（ω、またはシータθ、Ｘ線検出器）角度を調節してロッキングカーブを測定し、ロッキングカーブの半値全幅値を通じて結晶性を評価する。具体的に、炭化珪素インゴットの（０００１）面に対して０°～１０°の範囲で選択された角度であるオフ角を適用した炭化珪素ウエハのうち、オフ角が０°である場合、オメガ角度は１７．８１１１°であり、オフ角が４°である場合、オメガ角度は１３．８１１°、そしてオフ角が８°である場合、オメガ角度は９．８１１１°である。
前記炭化珪素ウエハ１０の厚さは、１５０μｍ～９００μｍであってもよく、半導体素子に適用可能な適切な厚さであればこれに制限するのではない。
前記炭化珪素ウエハ１０は、多形混入が最小化された実質的に単結晶である４Ｈ－炭化珪素構造を含むことができる。
前記炭化珪素ウエハ１０の直径は、４インチ以上であってもよく、５インチ以上であってもよく、６インチ以上であってもよい。前記ウエハの直径は、１２インチ以下であってもよく、１０インチ以下であってもよく、８インチ以下であってもよい。
前記炭化珪素ウエハ１０は、後述する炭化珪素ウエハの製造方法により製造され得る。
前記炭化珪素ウエハ１０は、表面にエピタキシャル層を形成する前のものであってもよい。例示的に、前記炭化珪素ウエハは、炭化珪素インゴットから切断された後、平坦化加工及び化学的機械的研磨過程を経る前のものであってもよい。
炭化珪素ウエハの製造方法
上記の目的を達成するために、具現例に係る炭化珪素ウエハの製造方法は、
内部空間を有する反応容器２００に原料３００と炭化珪素種結晶１１０を離隔して配置する準備ステップと；
前記内部空間の温度、圧力及び雰囲気を調節して前記原料を昇華させ、前記炭化珪素種結晶から成長した炭化珪素インゴット１００を設ける成長ステップと；
前記反応容器を冷却させ、前記炭化珪素インゴットを回収する冷却ステップと；
前記回収された炭化珪素インゴットを切断して炭化珪素ウエハを設ける切断ステップと；を含み、
前記反応容器の外面を囲む断熱材４００、及び前記内部空間の温度を調節する加熱部６００を含み、
前記成長ステップは、前記内部空間を常温から第１温度まで昇温させる昇温過程と；第１温度から第２温度まで昇温させる第１成長過程と；前記第２温度を維持する第２成長過程と；を含んで炭化珪素インゴットを設け、
前記第１温度は、前記内部空間の減圧が始まる温度であり、
前記第２温度は、前記内部空間の減圧が完了し、前記減圧された圧力下で炭化珪素インゴットの成長を誘導する温度であり、
温度差は、前記内部空間の上部の温度と下部の温度との差であり、
前記第２温度において前記温度差は１６０℃～２４０℃である。
前記準備ステップは、内部空間を有する反応容器２００に原料３００と炭化珪素種結晶１１０が互いに対向するように離隔して配置する。
前記炭化珪素ウエハの製造方法において、炭化珪素インゴットの製造は、図２に示された装置などを通じて行われ得る。
前記準備ステップの炭化珪素種結晶は、目的とするウエハに応じて適切なサイズのものを適用することができ、前記炭化珪素種結晶のＣ面（（０００－１）面）が前記原料３００方向に向かうようにすることができる。
前記炭化珪素種結晶１１０は、４インチ以上の４Ｈ炭化珪素を含むことができ、６インチ以上の４Ｈ炭化珪素を含むことができ、８インチ以上の４Ｈ炭化珪素を含むことができる。前記炭化珪素種結晶は、１２インチ以下であってもよい。
前記原料３００は、炭素源と珪素源を有する粉末形態が適用され得、前記粉末が互いにネッキング処理された原料、または表面を炭化処理した炭化珪素粉末などが適用され得る。
前記反応容器２００は、炭化珪素インゴット成長反応に適した容器であれば適用可能であり、具体的に黒鉛坩堝を適用できる。例えば、前記反応容器は、内部空間及び開口部を含む本体２１０と、前記開口部と対応して前記内部空間を形成する蓋２２０とを含むことができる。前記坩堝蓋は、前記坩堝蓋と一体または別途に種結晶ホルダーをさらに含むことができ、前記種結晶ホルダーを介して、炭化珪素種結晶と原料とが対向するように、炭化珪素種結晶を固定することができる。
前記反応容器２００は、断熱材４００により取り囲まれて固定され得、石英管のような反応チャンバー５００内に前記反応容器を取り囲んだ断熱材が位置することができる。前記断熱材及び反応チャンバー外部に加熱部６００が備えられて前記反応容器の内部空間の温度を制御することができる。
前記断熱材４００は、比抵抗が８×１０－３Ωｍ以下であってもよく、５×１０－３Ωｍ以下であってもよく、３．１×１０－３Ωｍであってもよい。前記断熱材は、比抵抗が１×１０－４Ωｍ以上であってもよく、２．５×１０－４Ωｍ以上であってもよく、１．０×１０－４Ωｍ以上であってもよい。このような比抵抗を有する断熱材を適用する場合、成長する炭化珪素インゴットの欠陥の発生をさらに減少させることができる。
前記断熱材４００は、気孔度が７２％～９５％であってもよく、７５％～９３％であってもよく、８０％～９１％であってもよい。前記気孔度を満たす断熱材を適用する場合、成長する炭化珪素インゴットの欠陥の発生をさらに減少させることができる。
前記断熱材４００は、炭素系フェルトを含むことができ、具体的に黒鉛フェルトを含むことができ、レーヨン系黒鉛フェルトまたはピッチ系黒鉛フェルトを含むことができる。
前記断熱材４００の密度は、０．１４ｇ／ｃｃ～０．２８ｇ／ｃｃであってもよく、０．１５ｇ／ｃｃ～０．１７ｇ／ｃｃであってもよい。このような密度を有する断熱材を適用する場合、高品質の炭化珪素インゴットを成長させることができる。
前記反応チャンバー５００は、反応チャンバーの内部と連結され、反応チャンバーの内部の真空度を調節する真空排気装置７００と、反応チャンバーの内部と連結され、反応チャンバーの内部に気体を流入させる配管８１０と、気体流入を制御するマスフローコントローラ８００とを含むことができる。これらを通じて、後続の成長ステップ及び冷却ステップにおいて不活性気体の流量を調節できるようにする。
前記成長ステップは、前記加熱部６００により前記反応容器２００及び前記反応容器の内部空間を加熱して行うことができ、前記加熱と同時または別途に内部空間を減圧して真空度を調節し、不活性気体を注入しながら、炭化珪素インゴットの成長を誘導することができる。
前記加熱部６００は、前記反応容器２００の上下方向に移動可能に設置され得、これによって、反応容器と加熱部との間の相対的な位置が変更され得、前記内部空間の上部２３０と前記内部空間の下部２４０に温度差を付与することができる。具体的には、前記内部空間の上部の炭化珪素種結晶１１０及び下部の原料３００に温度差を付与することができる。
前記加熱部６００は、前記反応容器２００または反応容器を取り囲んだ断熱材４００の外周面に沿って螺旋状のコイルで形成されてもよい。
前記成長ステップは、図４を参照すると、前記内部空間を常温から第１温度まで昇温させる昇温過程（Ｓｂ）と；第１温度から第２温度まで昇温させる第１成長過程（Ｓ１）と；前記第２温度を維持する第２成長過程（Ｓ２）と；を含んで炭化珪素インゴットを設けることができる。
前記成長ステップの前に、大気状態の内部空間を減圧する減圧過程（Ｓａ）を含むことができる。
前記第１温度までの昇温は、３℃／ｍｉｎ～１３℃／ｍｉｎの速度で行われてもよく、５℃／ｍｉｎ～１１℃／ｍｉｎの速度で行われてもよい。前記事前成長開始温度までの昇温は、７℃／ｍｉｎ～１０℃／ｍｉｎの速度で行われてもよい。
前記減圧過程（Ｓａ）は、前記内部空間の圧力が１０ｔｏｒｒ以下、５ｔｏｒｒ以下になるように行われてもよい。
前記昇温過程（Ｓｂ）は、前記内部空間の圧力が５００ｔｏｒｒ～８００ｔｏｒｒになるようにアルゴン、窒素などの不活性ガスを注入して行うことができ、１℃／ｍｉｎ～１０℃／ｍｉｎの速度で前記内部空間の下部が１５００℃～１７００℃の温度になるように昇温が行われてもよい。
図３を参照すると、前記成長ステップにおいて、内部空間の上部２３０は、炭化珪素種結晶１１０の表面に該当する位置であり得、内部空間の下部２４０は、原料３００の表面に該当する位置であり得る。
前記第１温度は、前記原料３００の昇華が一部始まる温度であって、図４の点線領域に表示したように、成長ステップの前に前記昇温過程（Ｓｂ）を経た温度であってもよく、前記昇温過程の不活性ガスの注入後に内部空間の減圧が始まる温度であってもよい。具体的には、前記内部空間の下部２４０を基準として１５００℃～１７００℃であってもよく、１６００℃～１６４０℃であってもよい。
前記第１温度は、前記内部空間の上部２３０を基準として１４５０℃～１６５０℃であってもよく、１５５０℃～１５８７℃であってもよい。
前記第１成長過程（Ｓ１）は、前記第１温度において前記内部空間の上部２３０と内部空間の下部２４０との温度差が４０℃～６０℃であってもよく、５０℃～５５℃であってもよい。
前記第２温度は、本格的に前記原料３００の昇華が行われる温度であって、図４の点線領域に表示したように、前記第１成長過程の昇温が行われた温度であってもよく、前記内部空間の減圧が完了し、前記減圧された圧力下で炭化珪素インゴットの成長を誘導する温度であってもよい。また、前記第２温度で前記減圧された圧力に対して±１０％以内に圧力を変更しながら炭化珪素インゴットの成長を誘導することができる。
前記第２温度は、内部空間の下部２４０を基準として２１００℃～２５００℃であってもよく、２２００℃～２４００℃であってもよい。
前記第２温度は、前記内部空間の上部２３０を基準として１９００℃～２３００℃であってもよく、２１００℃～２２５０℃であってもよい。
前記第１成長過程（Ｓ１）は、前記第２温度において内部空間の上部２３０と内部空間の下部２４０との温度差が１６０℃～２４０℃であってもよく、１８０～２２０であってもよい。前記温度差は、１９６℃～２０７℃であってもよく、２０２℃～２０７℃であってもよい。
前記第１成長過程（Ｓ１）は、前記内部空間の温度上昇に伴い、前記内部空間の上部２３０と内部空間の下部２４０との温度差が共に増加することができる。
前記第１成長過程（Ｓ１）は、前記内部空間の上部２３０と内部空間の下部２４０の温度範囲、温度差及び温度差の変化量を有することによって、初期の炭化珪素インゴットの形成時に、目的とする結晶以外の多形の発生を最小化し、安定したインゴット成長が可能なようにすることができる。前記第１成長過程の第１温度及び第２温度において前記範囲の温度差未満であると、目的とする結晶以外の結晶が混入して多結晶を形成する可能性が高くなり、成長速度が低下する恐れがあり、前記範囲の温度差を超えると、結晶品質が低下することがある。
前記第１成長過程（Ｓ１）は、前記第１温度から第２温度に昇温と共に減圧が行われ得、１ｔｏｒｒ～５０ｔｏｒｒまで行うことができる。
前記第１成長過程（Ｓ１）の昇温速度は、前記昇温過程（Ｓｂ）の昇温速度よりも小さくてもよく、前記昇温過程と前記第１成長過程全体の平均昇温速度よりも小さくてもよい。
前記第１成長過程（Ｓ１）の昇温速度は、１℃／ｍｉｎ～５℃／ｍｉｎであってもよく、３℃／ｍｉｎ～５℃／ｍｉｎであってもよい。前記昇温速度の範囲で、目的とする結晶以外の多形の発生を防止し、安定的に成長するように誘導することができる。
前記第１成長過程（Ｓ１）は、前記加熱部６００の最大加熱領域が前記内部空間の下部２４０、原料３００の表面２４０となるように行うことができ、前記加熱部が螺旋状のコイル形状である場合、巻数及び厚さなどを変更して、目的とする前記内部空間の上部２３０と内部空間の下部との温度差を付与するようにすることができる。
前記第２成長過程（Ｓ２）は、前記第１成長過程（Ｓ１）で第２温度に昇温した後、第２温度を維持して本格的に原料３００を昇華させて炭化珪素インゴットを形成するようにする。
前記第２成長過程（Ｓ２）は、５時間～１８０時間行われてもよく、３０時間～１６０時間行われてもよく、５０時間～１５０時間行われてもよい。
前記成長ステップは、前記反応容器２００の上下方向を軸として回転しながら行うことができ、温度勾配をさらに同一に維持するようにすることができる。
前記成長ステップは、前記反応容器２００の外部に所定流量の不活性気体を加えることができる。前記不活性気体は、前記反応容器の内部空間でその流れが形成され得、前記原料３００から前記炭化珪素種結晶１１０の方向にその流れが形成され得る。これによって、前記反応容器及び内部空間の安定した温度勾配を形成できるようにする。
前記第２成長ステップ（Ｓ２）の前記不活性気体は、具体的にアルゴン、ヘリウム及びこれらの混合気体であってもよい。
前記第２成長ステップ（Ｓ２）の後、前記反応容器２００を冷却させ、前記炭化珪素インゴットを回収する冷却ステップ（Ｓ３）；を含むことができる。
前記冷却ステップ（Ｓ３）は、前記成長ステップを通じて成長した炭化珪素インゴットを、所定の冷却速度及び不活性気体の流量の条件で冷却する。
前記冷却ステップ（Ｓ３）は、１℃／ｍｉｎ～１０℃／ｍｉｎの速度で冷却が行われてもよく、３℃／ｍｉｎ～９℃／ｍｉｎの速度で冷却が行われてもよい。前記冷却ステップは、５℃／ｍｉｎ～８℃／ｍｉｎの速度で冷却が行われてもよい。
前記冷却ステップ（Ｓ３）は、前記反応容器２００の内部空間の圧力の調節が同時に行われてもよく、前記冷却ステップと別途に圧力の調節が行われてもよい。前記圧力の調節は、前記内部空間の圧力が最大８００ｔｏｒｒになるように行われてもよい。
前記冷却ステップ（Ｓ３）は、前記成長ステップと同様に、前記反応容器２００の内部に所定流量の不活性気体を加えることができる。前記不活性気体は、例示的にアルゴン、または窒素であってもよい。前記不活性気体は、前記反応容器の内部空間でその流れが形成され得、前記原料３００から前記炭化珪素種結晶１１０の方向にその流れが形成され得る。
前記冷却ステップ（Ｓ３）は、前記反応容器２００の内部空間の圧力が大気圧以上になるように加圧し、前記内部空間の温度が上部２３０を基準として１５００℃～１７００℃になるように冷却させる１次冷却過程と；前記１次冷却過程の後、前記内部空間の温度を常温に冷却させる２次冷却過程と；を含むことができる。
前記冷却ステップ（Ｓ３）の回収は、前記炭化珪素種結晶１１０と接する炭化珪素インゴット１００の後面を切断して行われ得る。このように切断された炭化珪素インゴットは、種結晶と接する後面の損失を最小化し、改善された結晶品質を示すことができる。
前記切断ステップは、前記冷却ステップの後に回収された炭化珪素インゴットを切断して炭化珪素ウエハを設けるステップである。
前記切断ステップは、前記炭化珪素インゴットの（０００１）面または成長が開始された面と所定のオフ角をなすように切断することができる。前記切断ステップのオフ角は０°～１０°であってもよい。
前記切断ステップは、前記ウエハの厚さが１００μｍ～９００μｍになるようにすることができるが、これに制限するのではない。
前記切断ステップの後、設けられた炭化珪素ウエハの厚さを平坦化し、表面を研磨する加工ステップをさらに含むことができる。
前記加工ステップにおいて、研削ホイールは、表面に粒子が埋め込められた形態であってもよく、前記研削ホイールの表面に埋め込められた粒子はダイヤモンドであってもよい。
前記加工ステップは、前記研削ホイールとウエハが互いに反対方向に回転しながら行われ得る。
前記加工ステップは、前記研削ホイールの直径が前記ウエハの直径よりも大きくてもよく、２５０ｍｍ以下であってもよい。
前記加工ステップの後、前記炭化珪素ウエハを湿式エッチングするステップをさらに含むことができる。
前記加工ステップは、化学的機械的研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）ステップをさらに含むことができる。
前記化学的機械的研磨は、回転する定盤上に研磨粒子スラリーを加えながら、回転する研磨ヘッドに固定されたウエハを所定の圧力で接触させて行われ得る。
前記化学的機械的研磨において、前記定盤の回転速度は、７０ｒｐｍ～１８０ｒｐｍであってもよく、８０ｒｐｍ～１６０ｒｐｍであってもよく、１００ｒｐｍ～１５０ｒｐｍであってもよい。
前記化学的機械的研磨において、前記研磨ヘッドの回転速度は、６０ｒｐｍ～１５０ｒｐｍであってもよく、７０ｒｐｍ～１４０ｒｐｍであってもよく、９０ｒｐｍ～１３５ｒｐｍであってもよい。
前記化学的機械的研磨において、前記研磨ヘッドが定盤上のウエハに接触する圧力は、２ｐｓｉ～１０ｐｓｉであってもよく、３ｐｓｉ～８ｐｓｉであってもよく、４ｐｓｉ～６ｐｓｉであってもよい。
このような定盤、研磨ヘッドの回転速度及び圧力を満たすようにして、炭化珪素ウエハの良好なＲｍａｘ粗さ及びヘイズ特性を得るようにする。
前記加工ステップの後、通常のＲＣＡ化学洗浄溶液を介した洗浄ステップがさらに行われてもよい。
前記製造方法を通じて製造された炭化珪素ウエハは、欠陥密度が低く、不純物粒子の数が少なく、表面粗さ特性、光学的特性が良好であるという利点を有し、これを素子の製造に適用する際に、電気的及び光学的特性に優れた素子を製造することができる。
エピタキシャルウエハの製造方法
上記の目的を達成するために、具現例に係るエピタキシャルウエハの製造方法は、
前記方法により製造された炭化珪素ウエハ１０が配置された成長容器内にエピタキシャル成長のための原料ガスを注入し、化学気相蒸着法により前記ウエハの一面１１上にエピタキシャル層を成長させる成長ステップを含む。
前記成長ステップは、前記原料ガスの注入前、前記炭化珪素ウエハ表面をガスエッチング処理するエッチングステップをさらに含むことができる。前記ガスエッチングは、前記ウエハを１４００℃～１６００℃の温度に維持し、所定の流量の水素ガスを加えて行うことができる。
前記成長ステップは、先ず成長容器にウエハを配置し、成長容器内を真空排気し、原料ガスである炭素系ガス及び珪素系ガスを注入することができる。また、窒素などのドーピングガスをさらに注入することができる。前記ガスの注入時、炭素系及び珪素系ガスの炭素／珪素原子の濃度比は０．５～２であってもよい。
前記成長ステップの炭素系ガスは、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ６、Ｃ３Ｈ８のうちで選択された一つ以上であってもよく、珪素系ガスは、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ３Ｃｌ、Ｓｉ２Ｈ６のうちで選択された一つ以上であってもよい。
前記成長ステップは、前記ガスを注入し、１４００℃～１７００℃の温度を維持して前記炭化珪素ウエハ１０の一面１１上にエピタキシャル層の成長が行われてもよい。
前記成長ステップを通じて成長されたエピタキシャルウエハのエピタキシャル層の厚さは５μｍ～２０μｍであってもよい。
前記成長ステップの後、原料ガスの注入を止め、常温冷却させた後、排気し、不活性気体を大気圧まで加圧した後、エピタキシャルウエハを回収することができる。
前記成長ステップは、必要に応じて１回または２回以上行われてもよい。前記成長ステップが２回以上行われる場合、エピタキシャル層上に第２エピタキシャル層（図示せず）がさらに形成され得る。前記第２エピタキシャル層を形成するために繰り返して行われる成長ステップは、前記エピタキシャル層の形成のための成長ステップで適用したものと同一の過程で行われてもよく、温度や原料ガスの組成、ドーピングガスの種類などが前記エピタキシャル層の形成のための成長ステップとは異に適用されることもできる。
半導体素子１
上記の目的を達成するために、具現例に係る半導体素子は
上記による炭化珪素ウエハ１０と；
前記炭化珪素ウエハの一面上に配置されたエピタキシャル層２０と；
前記エピタキシャル層を間に置いて前記炭化珪素ウエハと対向するように配置されたバリア領域３０と；
前記エピタキシャル層と接するソース電極４１と；前記バリア領域上に配置されたゲート電極４２と；
前記炭化珪素ウエハの他面上に配置されたドレイン電極４３と；を含む。
前記半導体素子１の一例を図７に示した。
前記炭化珪素ウエハ１０は、ｎ＋型の炭化珪素を含むことができる。
ここで、上付き文字の＋、－符号は、キャリア濃度を相対的に示すものであって、例えば、ｎ＋は強くドーピングされて高いドーパント濃度を有するｎ型半導体を意味し、ｐ－は非常に弱くドーピングされて相対的に低いドーパント濃度を有するｐ型半導体を意味する。
前記炭化珪素ウエハ１０上のエピタキシャル層２０は、前記炭化珪素ウエハと格子定数の違いが小さいか又は殆どない炭化珪素単結晶層からなることができる。
前記エピタキシャル層２０は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）工程などにより形成され得る。
前記エピタキシャル層２０は、前記ｎ＋型の炭化珪素ウエハ１０上に配置されたｎ－型エピタキシャル層２１と；前記ｎ－型エピタキシャル層上に配置されたｐ＋型エピタキシャル層２２と；を含むことができる。
前記ｐ＋型エピタキシャル層は、上部に選択的なイオン注入を加えて、ｎ＋型領域２３が形成され得る。
前記半導体素子１の中央には、ｎ－型エピタキシャル層２１まで掘られたトレンチ構造のバリア領域と、前記トレンチ構造のバリア領域上にゲート電極４２とが配置され得る。
前記半導体素子１は、前記炭化珪素インゴット及びウエハの製造方法により製造された炭化珪素ウエハ１０を適用することで、不良率を低減させることができる。
以下、具体的な実施例を通じて本発明をより具体的に説明する。下記の実施例は本発明の理解を助けるための例示に過ぎず、本発明の範囲がこれに限定されるのではない。
実施例－炭化珪素ウエハの製造
図２に炭化珪素インゴット製造装置の一例を示したように、反応容器２００の内部空間の下部に原料物質３００である炭化珪素粉末を装入し、その上部に炭化珪素種結晶１１０を配置した。この時、炭化珪素種結晶は、６インチの４Ｈ－炭化珪素結晶からなるものを適用し、Ｃ面（（０００－１）面）が内部空間の下部の炭化珪素原料に向かうように通常の方法により固定した。
反応容器２００を密閉し、その外部を下記表１の密度を有する断熱材４００で取り囲んだ後、外部に加熱手段６００である加熱コイルが備えられた石英管５００内に反応容器を配置した。前記反応容器の内部空間を減圧して真空雰囲気に調節し、アルゴンガスを注入して前記内部空間が７６０ｔｏｒｒに到達するようにした後、再び内部空間を減圧させた。同時に、内部空間の温度を５℃／ｍｉｎの昇温速度で２３００℃まで昇温させ、前記石英管と連通された配管８１０、真空排気装置７００を通じて石英管内部のアルゴンガスの流量を調節した。２３００℃の温度と２０ｔｏｒｒの圧力条件下で１００時間炭化珪素原料と対向する炭化珪素種結晶の面に炭化珪素インゴットを成長させた。
成長後、前記内部空間の温度を５℃／ｍｉｎ～８℃／ｍｉｎの速度で２５℃まで冷却させ、同時に、内部空間の圧力が７６０ｔｏｒｒになるようにアルゴン又は窒素ガスを注入して炭化珪素インゴットを冷却させた。
前記冷却された炭化珪素インゴットの外周面を研削して、均一な外径を有する形状に加工し、炭化珪素インゴットの（０００１）面と４°のオフ角を有するように切断し、３６０μｍの厚さを有する炭化珪素ウエハを製造した。その後、ダイヤモンドホイールを介して炭化珪素ウエハを研削して厚さを平坦化し、その後、シリカスラリーを介して化学的機械的研磨（ＣＭＰ、ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理した。
ＣＭＰ研磨装備の研磨ヘッドに固定し、ポリウレタン系研磨パッドを付着した定盤上に前記炭化珪素ウエハの一面が研磨パッドに向かうようにした。その後、シリカスラリーを投入しながら定盤及び研磨ヘッドを下表１の条件で回転させて、ウエハ一面を研磨し、研磨された炭化珪素ウエハを洗浄後、乾燥した。
比較例－炭化珪素ウエハの製造
前記実施例で、ＣＭＰ処理時の条件を前記表１に変更して炭化珪素ウエハを設けた。
実験例－炭化珪素ウエハの粗さ特性及び光学的特性の測定
前記実施例及び比較例で製造された炭化珪素ウエハの平均Ｒａ粗さ、平均Ｒｍａｘ粗さの特性をＡＦＭ機器（Ｐａｒｋ Ｓｙｓｔｅｍ社のＸＥ－１５０）を通じて測定し、全光線透過率及びヘイズをＮＩＰＰＯＮ ＤＥＮＳＨＯＫＵ社のＨａｚｅ Ｍｅｔｅｒ ＮＤＨ５０００Ｗ装置のＤ６５標準光源を通じて測定し、その結果を図５及び表２に示した。測定時の基準線は、測定区間の粗さ曲線の中心線を示す。前記炭化珪素ウエハの一面の周縁領域は、前記一面の周縁から中心方向に向かう距離が前記炭化珪素ウエハの半径に対して５％～７５％である領域であり、前記一面の中心領域は、前記一面の中心から前記炭化珪素ウエハの半径に対して２５％の半径を有する領域を示す。
表２を参照すると、実施例の場合、平均Ｒａ粗さが０．１ｎｍ以下であり、平均Ｒｍａｘ粗さが２．０ｎｍ以下であり、中心領域及び周縁領域間のＲｍａｘ粗さ差が０．５ｎｍ以下であり、ヘイズが０．３％～０．５％範囲にあることを確認した。比較例は、平均Ｒｍａｘ粗さが３．５ｎｍ以上であり、中心領域及び周縁領域間の粗さ差が０．５ｎｍ超過であり、ヘイズ値も０．５２％超過で、良好でない粗さ及び光学的特性を示した。
実験例－エピタキシャルウエハ製造時の収率測定
前記実施例及び比較例で製造された炭化珪素ウエハ上に下記のような通常の方法でエピタキシャル層を形成させた。
炭化珪素ウエハをチャンバー内に配置し、エピタキシャル成長のための炭素系及び珪素系ガスを注入し、化学気相蒸着法により前記炭化珪素ウエハの一面上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させた。
前記炭化珪素ウエハのエピタキシャル層をＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ社のＣａｎｄｅｌａ８５２０装備で評価した時、エピタキシャル層で主な欠陥であるスタッキングフォールト、トライアングル、キャロットの欠陥がある領域を不良と判断し、製造収率を表面化したものを図６に示した。実施例１及び２の場合、それぞれ９８．９％及び９４．７％の収率を示し、比較例１及び２の場合、それぞれ８８．９％及び７５．８％の収率を示すことで、Ｒｍａｘ粗さ及びヘイズ特性に優れた炭化珪素ウエハを基盤としてエピタキシャル層の製造時、９０％以上の高い製造収率を有することを確認した。
以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、これに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形及び改良形態もまた本発明の権利範囲に属する。
１０ 炭化珪素ウエハ
１１ 一面
１２ 他面
１００ 炭化珪素インゴット
１１０ 種結晶
２００ 反応容器
２１０ 本体
２２０ 蓋
２３０ 内部空間の上部
２４０ 内部空間の下部
３００ 原料
４００ 断熱材
５００ 反応チャンバー、石英管
６００ 加熱手段
７００ 真空排気装置
８００ マスフローコントローラ
８１０ 配管

Claims (10)

  1. 一面及びその反対面である他面を含む炭化珪素ウエハであって、
    前記一面の平均Ｒｍａｘ粗さは２．０ｎｍ以下であり、
    前記一面の平均Ｒａ粗さは０．１ｎｍ以下であり、
    周縁領域は、前記炭化珪素ウエハの周縁から中心方向に向かう距離が前記炭化珪素ウエハの半径に対して５％～７５％である領域であり、
    中心領域は、前記炭化珪素ウエハの中心から前記炭化珪素ウエハの半径に対して２５％の半径を有する領域であり、
    前記一面の周縁領域の平均Ｒｍａｘ粗さと、前記一面の中心領域の平均Ｒｍａｘ粗さとの差が０．０１ｎｍ～０．５ｎｍである、炭化珪素ウエハ。
  2. Ｄ６５標準光源に対する全光線透過率が１０％～４０％である、請求項１に記載の炭化珪素ウエハ。
  3. 前記一面の平均Ｒｍａｘ粗さは１．５ｎｍ以下である、請求項１に記載の炭化珪素ウエハ。
  4. 前記一面の周縁領域の平均Ｒａ粗さと、前記一面の中心領域の平均Ｒａ粗さとの差が０．０８ｎｍ以下である、請求項１に記載の炭化珪素ウエハ。
  5. Ｄ６５標準光源に対するヘイズが０．３％～０．５％である、請求項１に記載の炭化珪素ウエハ。
  6. 前記炭化珪素ウエハの平均Ｒａ粗さが０．０７ｎｍ以下である、請求項１に記載の炭化珪素ウエハ。
  7. 前記一面は表面に炭素原子に比べて珪素原子層がより露出するＳｉ面である、請求項１に記載の炭化珪素ウエハ。
  8. 前記炭化珪素ウエハは、直径が４インチ以上であり、４Ｈ－炭化珪素を含む、請求項１に記載の炭化珪素ウエハ。
  9. 請求項１に記載の炭化珪素ウエハと；
    前記炭化珪素ウエハの一面上に形成されたエピタキシャル層と；を含む、エピタキシャルウエハ。
  10. 請求項１に記載の炭化珪素ウエハと；
    前記炭化珪素ウエハの一面上に配置されたエピタキシャル層と；
    前記エピタキシャル層を間に置いて前記炭化珪素ウエハと反対側に配置されたバリア領域と；
    前記エピタキシャル層と接するソース電極と；前記バリア領域上に配置されたゲート電極と；
    前記炭化珪素ウエハの他面上に配置されたドレイン電極と；を含む、半導体素子。
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