KR100287793B1

KR100287793B1 - 단결정 탄화규소 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100287793B1
Application number: KR1019997001109A
Authority: KR
Inventors: 다니노기치야
Original assignee: 이와나미 기요히사; 니폰 필라고교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2001-04-16
Also published as: EP0926271A1; WO1998059099A1; US6217842B1; JP3003027B2; KR20000068097A; CA2263352A1; CN1229445A; TW482833B; CN1163640C; RU2160328C1; JPH1112097A; CA2263352C; EP0926271A4

Abstract

본 발명은 α-탄화규소 단결정기재(1)의 표면에 PVD법 또는 열 CVD법에 의해 10μm 이상 두께의 β-탄화규소 다결정판(2)에 막을 형성하여 생성된 복합체(M)을 1650∼2400℃ 범위의 온도에서 열처리하여 β-탄화규소 다결정판(2)의 다결정체를 단결정으로 변태시켜 α-탄화규소 단결정기재(1)의 결정축과 동일한 방위로 배향된 단결정을 성장시키므로서, 마이크로파이프결함 및 이에 영향을 받은 결함이 거의 없는 고품위의 단결정 탄화규소를 용이하고 효율적으로 제조할 수 있게한 것이다.

Description

단결정 탄화규소 및 그 제조방법{SINGLE CRYSTAL SiC AND PROCESS FOR PREPARING THE SAME}

탄화규소(SiC)는, 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)등의 기존의 반도체 재료에 비해서, 내열성 및 기계적 강도에 있어서 뛰어날뿐 아니라, 고온특성, 고주파특성, 내압특성, 내환경특성에도 우수하고, 또한 불순물의 첨가에 의해서 전자나 정공(正孔)의 가전자제어(價電子制御)가 용이한데다, 넓은 금제대폭(禁制帶幅)을 갖기때문에(부연하면, 6H형의 탄화규소 단결정에서 약 3.0eV이며, 4H형의 탄화규소 단결정에서는 3.26eV임), 차세대의 파워장치용 반도체 재료로서 주목되며, 또한 기대되고 있다.

그런데, 이와같은 종류의 탄화규소 단결정의 제조(성장)방법으로서, 종래에, 종결정(種結晶)을 사용한 승화재결정법(昇華再結晶法)에 의해서 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법과, 고온도에서는 실리콘 기판상에 화학기상성장법(CVD법)을 사용하여, 에피택시얼 성장으로 입방정(立方晶)의 탄화규소 단결정(β-SiC)을 성장시키는 방법이 알려져 있다.

그러나, 상기한 바와같은 종래의 제조방법은, 모두 결정성장속도가 1μm/hr로서 대단히 낮을뿐만 아니라, 승화재결정법의 경우는, 마이크로파이프결함 이라고 불리며 반도체장치를 제작할때의 누설전류등의 원인이 되는 결정의 성장방향으로 관통하는 직경 수미크론의 핀홀이 100∼1000/cm²정도의 성장결정중에 존재한다는 문제가 있으며, 이와같은 것이 상술한 바와같이 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)등의 기존의 반도체 재료에 비해서 많은 뛰어난 특징을 가지면서도, 그 실용화를 저지하는 요인으로 되고있다.

또, 고온CVD법의 경우는, 기판 온도가 1700∼1900℃로 고온인데다, 고순도의 환원성 분위기를 만들 필요가 있기 때문에, 설비적으로 대단히 곤란하며, 또한 에피택시얼 성장 때문에 성장속도에도 자연히 한계가 있다는 문제가 있었다.

본 발명은, 단결정 탄화규소(SiC) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 발광다이오드나 U L S I(초대형집적회로), 정류소자, 스위칭소자, 증폭소자,광센서등의 고온반도체 전자소자의 기판웨이퍼로서 사용되는 단결정 탄화규소(SiC) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명에 있어서의 단결정 탄화규소의 열처리전의 복합체를 나타내는 모식도.

도 2는, 본 발명에 있어서의 단결정 탄화규소의 열처리전의 요부를 확대하여 나타내는 도면.

도 3은, 본 발명에 있어서의 단결정 탄화규소의 열처리후의 요부를 확대하여 나타내는 도면.

본 발명은, 상기와 같은 종래기술의 배경을 감안하여 이루어진 것으로서, 격자결함 및 마이크로파이프결함의 영향이 거의 없는, 대단히 고품위의 단결정 탄화규소와, 이와같은 고품위의 단결정 탄화규소를 설비적으로나 작업면에서나 용이하고 효율좋게 제조할 수가 있으며, 반도체 재료로서의 실용화를 촉진시킬수 있는 단결정 탄화규소의 제조방법을 제공하는것을 목적으로 한다.

본 발명에 있어서의 단결정 탄화규소는, 탄화규소 단결정기재의 표면에 Si 원자와 C 원자로 구성되는 10μm 이상 두께의 다결정판을 적층시켜서된 복합체를 열처리 하므로서, 상기 다결정판의 다결정체를 단결정으로 변태시키는 것을 특징으로 한다.

이와같은 구성의 본 발명에 의하면, 탄화규소 단결정기재 및 그 표면에 적층된 다결정판으로 된 복합체를 열처리하는, 설비적으로나 작업면에서도 간단한 수단만으로, 다결정판의 다결정체를 상변태시켜서 그 결정이 탄화규소 단결정기재의 결정축과 동일한 방위으로 배향된 단결정을 효율좋게 성장시킬수가 있다. 거기에, 복합체에 있어서의 다결정판의 두께를 10μm 이상으로 하여, 탄화규소 단결정기재의 표면 가까이에, 다결정판측의 다결정체의 단결정화를 방해하는 원인이 되는 마이크로파이프결함이 잔존해 있더라도, 그 결함에 의한 영향을 받지않는 범위까지 단결정을 크게 성장시킬수 있다.

따라서, 마이크로파이프결함이나 그 영향으로 인한 결함이 거의 없는 고품위의 단결정 탄화규소를 얻을수가 있다.

이에 의해서, 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)등의 기존의 반도체 재료에 비해서 고온특성, 고주파특성, 내압특성, 내환경특성 등이 뛰어나기 때문에 파워장치용 반도체 재료로서 기대되고있는, 단결정 탄화규소의 실용화를 촉진시킬수 있는 효과를 발휘한다.

또, 본 발명에 있어서의 단결정 탄화규소의 제조방법은, 탄화규소 단결정기재의 표면에, Si 원자와 C 원자에 의해서 구성되는 10μm 이상의 두께의 다결정판을 적층한 후, 그 복합체를 열처리하여 상기 다결정판의 다결정체를 단결정으로 변태시켜서 육성하는것을 특징으로 한다.

이와같은 제조방법에 있어서도, 마이크로파이프결함이나 그 영향으로 인한 결함이 거의 없는 고품위의 단결정 탄화규소를 용이하고 또한 효율좋게 성장 시켜서, 성능적으로 대단히 뛰어난 반도체 재료로써 이용이 가능한 단결정 탄화규소를 공업적규모로 안정적으로 제조하여 공급할 수 있다는 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명의 단결정 탄화규소 및 단결정 탄화규소의 제조방법에 있어서, 복합체를 형성하는 다결정판을 탄화규소 단결정기재의 표면에 물리적 증착법 혹은 열화학적 증착법에 의해서 막이 형성된 β-탄화규소 다결정판으로 함과 동시에 이 β-탄화규소 다결정판의 열화학적 증착온도를 1300∼1600℃의 범위로 설정하였을 경우에는, 탄화규소 단결정기재와 다결정판의 사이에 불순물이 들어오거나 그 불순물이 확산하는것을 억제하여, 탄화규소 단결정기재보다 불순물이나 격자결함등이 한층 적은 고순도 고품위의 단결정 탄화규소를 얻을수 있는 효과를 발휘한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은, 단결정 탄화규소의 열 처리전의 복합체(M)을 모식적으로 나타낸 것으로서,

이 복합체(M)은, 6방정계(6H형, 4H형)의 α-탄화규소 단결정기재(1)의 표면에 고주파 마그네트론·스패터법(이하, PVD법이라고 칭함) 또는, 1300∼1600℃ 온도범위의 열화학적 증착법(이하, 열 CVD법이라고 칭함)에 의해서 10μm 이상의 두께(t)로 입방정계의 β-탄화규소 다결정판(2)에 막형성하여 생성하며,

이 β-탄화규소 다결정판(2)의 막형성 단계에서는, 도 2의 현미경에 의한 에칭사진에서 도시되어있는 바와같이, 격자결함 및 마이크로파이프결함이 잔존하는 α-탄화규소 단결정기재(1)의 표면에 β-탄화규소 다결정판(2)의 다결정체(4)가 형성 되어, α-탄화규소 단결정기재(1)과 β-탄화규소 다결정판(2)의 결정형태가 서로 상이한 결정면에 접해서 직선상태로 명료한 계면(3)을 나타내고 있다.

그 후, 상기 복합체(M)의 전체를, 1600∼2400℃, 바람직하게는 2000∼2200℃의 온도범위에서 또한 탄화규소 포화증기압속에서 열처리하므로써, 상기 계면(3)에 격자진동이 일어나 원자간배열이 변경된다는 고상성장(固相成長)을 주체로하는 결정성장이 생겨 이에 의해 도 3의 현미경에 의한 에칭사진에서 도시한 바와 같이, 상기 β-탄화규소 다결정판(2)의 다결정체(4)가 α-탄화규소로 상변태되어 그 β탄화규소 다결정판(2)에 상기 α-탄화규소 단결정기재(1)의 결정축과 동일한 방위로 배향된 단결정(5)이 α-탄화규소 단결정기재(1)측의 단결정과 일체화되어 육성된다.

그런데 상기 복합체(M)에 있어서, 상기 계면(3)을 형성하는 α-탄화규소 단결정기재(1)의 표면 가까이에는 핀홀상태의 마이크로파이프결함이 산재해 있으며, 이와같은 마이크로파이프결함이 존재하는 개소에서는 상기의 열처리에 수반하여 β-탄화규소 다결정판(2)측의 다결정체(4)가 α-탄화규소 단결정기재(1)의 결정축과 동일한 방위로 배향되어 그 기재(1)측의 단결정과 일체로 성장하여야할 단결정(5)이 충분히 성장하지 않거나, 성장했어도 상기 계면(3) 근처, 구체적으로는 계면(3)으로부터 10μm 미만의 두께범위(L)에는 마이크로파이프결함이나 그의 영향을 받은 결함이 잔존하게 되며, 이와같은 결함을 포함한 단결정 탄화규소는 그 품위가 대단히 나쁘다.

이와같은 점을 고려하여 본 발명에서는, 상기 복합체(M)에 있어서의 α-탄화규소 단결정기재(1)의 표면에 β-탄화규소 다결정판(2)를 10μm 이상의 두께(t)로 막형성한 것이며,

이에 의해서, 상기의 결함이 잔존하는 범위(L)이외의 범위(L1)의 β-탄화규소 다결정판(2)측에 마이크로파이프결함이나 그 영향으로 인한 결함이 전혀없는 단결정(5)를 성장시키는 것이 가능하게 되며 이 범위(L1)의 단결정(5)를 사용하므로서 고품위의 단결정 탄화규소를 얻게되는 것이다.

추가하여, 본 출원인은 이하에 기술하는 방법으로 제조한 단결정 탄화규소의 시료에 관하여 다음과 같은 실험을 하였다.

즉, 고주파 마그네트론·스패터장치를 사용하여 β-탄화규소재를 α-탄화규소 단결정기재(1)의 표면에 타겟(taget)하고, 아르곤(Ar)분위기, 0.1 Torr, 기재온도 600℃에서 루계 20시간 동안 막을 형성하였다.

다음에, CVD-탄화규소 뚜껑이 부착된 도가니속에 넣어서 탄화규소 포화증기압을 유지하면서, 2200℃에서 5시간동안 열처리를 하고, 스패터링한 β-탄화규소 다결정판측의 표면을 가볍게 연마함과 동시에, 수산화칼슘(KOH) 및 적혈염(赤血鹽)의 혼합수용액에서 비등시킨후, 표면을 에칭하였다.

그리고, 그 표면을 노마르스키 간섭현미경으로 400배 확대하여 관찰한바, 결정입계(結晶粒界)가 전혀 보이지 않았다.

또, 상기와 같이하여 제조된 단결정 탄화규소의 시료에 대하여, X선 회절장치를 사용하여 결정에 의한 X선 회절을 행하고, 가로축을 2θ, 세로축을 회절강도(回折强度)로하는 회절패턴(회절도형)을 측정하였다.

그 결과, CuKα선에 있어서, 2θ가 40∼70도 사이에 등간격으로 회절강도의 첨예한 피크가 확 되었다.

이에 의해서, 상기와 같이 제조된 단결정 탄화규소의 시료는 그 구성원자가 규칙적으로 나란히 배열된 단결정인 것을 확인할 수가 있었다.

또한, 탄화규소 단결정기재로서 상기 실시예에서는, α-탄화규소 단결정기재(1)을 사용하였으나, 이밖에 예를들면 α-탄화규소 소결체나 β-탄화규소 단결정체등을 사용하여도 좋고, 또한 다결정판으로서 상기 실시예에서는, PVD법 또는 열 CVD법에 의해 α-탄화규소 단결정기재(1)의 표면에 막형성되는 β-탄화규소 결정판(2)를 사용하였으나, 이것 이외에도 예를들면 α-탄화규소 다결정판이나 고순도의 탄화규소 소결체, 고순도(10^14atm/cm³)이하의 비정질판을 사용하여도 상기 실시예와 동일한 고품질의 단결정 탄화규소를 얻을수가 있다.

또, 상기 실시예에 있어서의 α-탄화규소 단결정기재(1)로서는 6H형, 4H형의 어느것을 사용하여도 좋으며,

6H형을 사용할때에는, 열처리에 수반하여 β-탄화규소 다결정판(2)의 다결정체로부터 α-탄화규소로 전환되는 단결정이 6H형 단결정과 동일한 형태로 육성되기쉽고,

또, 4H형 단결정기재(1)를 사용할 때에는 열처리에 수반하여 그 4H형의 단결정과 동일한 형태의 단결정이 전환육성되기 쉽다.

또한, 상기 복합체(M)의 열처리온도 조건으로서는 1650∼2400℃, 처리시간은 1∼3시간이 적합하다.

만약, 열처리온도가 1650℃ 미만이면 계면을 형성하는 많은 탄화규소에 원자의 운동에너지를 부여할 수가 없다.

또한 2400℃를 초과하면, 탄화규소의 분해에너지를 훨씬 초과하는 열에너지가 공급되어 탄화규소의 결정자체가 분해되는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 탄화규소 단결정기재의 표면에 Si 원자와 C 원자에 의해서 구성되는 10μm 이상의 다결정판을 적층해서된 복합체를 열처리하여, 다결정판의 다결정체를 단결정으로 변태시켜, 탄화규소 단결정기재의 결정축과 동일한 방위로 배향된 단결정을 하나로 크게 성장시키므로서, 내열성 및 기계적 강도가 뛰어날뿐 아니라 마이크로파이프결함이나 그 영향으로 인한 결함이 거의없는 고품위의 단결정 탄화규소를 용이하고 효율적으로 제조할 수 있게한 기술이다.

Claims

탄화규소 단결정기재의 표면에 Si 원자와 C 원자로 구성되는 10μm 이상 두께의 다결정판을 적층해서된 복합체를 열처리하여 상기 다결정판의 다결정체를 단결정으로 변태시키는 것을 특징으로하는 단결정 탄화규소.
제1항에 있어서,

상기 복합체를 형성하는 탄화규소 단결정기재가 α-탄화규소 단결정인 것을 특징으로하는 단결정 탄화규소.
제1항에 있어서,

상기 복합체를 형성하는 다결정판은 탄화규소 단결정기재의 표면에서 물리적 증착법 또는 열화학적 증착법에 의해 막이 형성된 β-탄화규소 다결정판인 것을 특징으로하는 단결정 탄화규소.
제3항에 있어서,

상기 β-탄화규소 다결정판은 탄화규소 단결정기재의 표면에서 1300∼1600℃ 범위의 열화학적 증착법에 의해 막이 형성되어있는 것을 특징으로하는 단결정 탄화규소.
탄화규소 단결정기재의 표면에 Si 원자와 C 원자에 의해 구성되는 10μm 이상 두께의 다결정판을 적층한 후, 그 복합체를 열처리하여 상기 다결정판의 다결정체를 단결정으로 변태시켜 육성 하는것을 특징으로하는 단결정 탄화규소의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 복합체를 형성하는 탄화규소 단결정기재로서는, α-탄화규소 단결정을 사용하는 것을 특징으로하는 단결정 탄화규소의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 복합체를 형성하는 다결정판으로서 탄화규소 단결정기재의 표면에 물리적 증착법 또는 열화학적 증착법에 의해 막이 형성된 β-탄화규소 다결정판을 사용 하는 것을 특징으로하는 단결정 탄화규소의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 β-탄화규소 다결정판은 탄화규소 단결정기재의 표면에서 1300∼1600℃ 범위의 열화학적 증착법에 의해 막이 형성되는것을 특징으로하는 단결정 탄화규소의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 복합체의 열처리온도가 β-탄화규소 다결정판의 막을 형성할때의 열화학적 증착온도보다 고온이며 또한 열처리가 탄화규소 포화증기압내에서 행해지는 것을 특징으로하는 단결정 탄화규소의 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 복합체의 열처리온도가 1650∼2400℃ 인 것을 특징으로하는 단결정 탄화규소의 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 복합체의 열처리온도가 2000∼2200℃ 인 것을 특징으로하는 단결정 탄화규소의 제조방법.