KR100420182B1 - 실리콘카바이드의에피텍셜성장및결과적인실리콘카바이드구조물 - Google Patents

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에이치. 카터 주니어 캘빈
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Abstract

본 방법은 마이크로파이프 결함이 실질적으로 없는 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층을 제조하는 것에 관하여 기술한다. 본 방법은 실리콘 및 용해물에서 실리콘 카바이드의 용해도를 증가시키는 원소 중에서 상기 실리콘 카바이드의 용해물로부터 액상 에피텍시에 의해 실리콘 카바이드 위에 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층을 성장시키는 공정을 포함한다. 상기 원소의 원자 %는 상기 용해물에서 실리콘의 원자 %에 비하여 매우 높다. 상기 기판에 의해 상기 에피텍셜 층으로 이동되는 마이크로파이프 결함은 적절한 조건 하에, 상기 에피텍셜 층이 상기 기판에 존재하는 마이크로파이프 결함이 실질적으로 상기 에피텍셜 층에서 재형성되지 않는 두께를 갖고, 상기 에피텍셜 층에서 마이크로파이프 결함의 수가 실질적으로 감소될 때까지 연속하여 상기 에피텍셜 층을 성장시켜 막는다.

Description

실리콘 카바이드의 에피텍셜 성장 및 결과적인 실리콘 카바이드 구조물 {EPITAXIAL GROWTH OF SILICON CARBIDE AND RESULTING SILICON CARBIDE STRUCTURES}
실리콘 카바이드(SiC)는 여러 적용분야, 특히 높은 전력 레벨이 요구되는 분야에 사용하기 위한 고체 상태의 장치를 제작하는데 이상적인 반도체이다. 에어크래프트 및 항공전자공항 분야, 터빈 엔진, 공간계 전력 시스템과 같은 적용 분야 등은 비교적 저출력 강하를 갖는 대 전류(large current)의 취급이 가능한 증폭기 및 스위치가 요구된다. 실리콘 카바이드의 기본적인 특성은 전위를 주어 이러한 적용 분야에서 성능이 향상되는 장치를 제공하는 것이다. 예를 들어, 실리콘 카바이드에 대하여 측정된 항복 전기장(electric breakdown field)은 도핑 범위에, 실리콘의 경우 보다 8 내지 10배 더 큰 값인, 1 cm 당 2-4 ×106볼트 범위(v/cm)내이다. 따라서 실리콘 카바이드로 제작된 전력 장치는 직류(DC) 및 교류(AC)의 대 전류압를 유지할 수 있어야 한다. 이러한 높은 전압에서의 성공적인 작동에 의해 대 전력 레벨에서 상기 장치가 증폭되고 스위치되는 것이 허용될 수 있다.
또한, 비교적 넓은 밴드갭(bandgap)을 갖기 때문에, 실리콘 카바이드 장치는 적어도 약 500℃ 이하의 온도에서 작동될 수 있다.
최근 10년간, 실리콘 카바이드 성장 및 공정에 있어서, 그리고 실리콘 카바이드계 장치에 있어서 많은 진보가 이루어졌다. 예를 들어, 1984년에, SiC의 청색 발광 다이오드는 극히 제한적인 양으로만(한번에 하나 또는 두 개, 그리고 매우 높은 가격, 당시 가격으로 다이오드 1개당 약 $75.00)입수할 수 있었다. 반면에, 본원의 출원 당시 본 발명의 양수인, Cree Research, Inc.는 청색 발광 다이오드를 연간 백만개의 양으로 그리고 매우 낮은 가격으로, 즉 1994년 당시 가격으로 다이오드 1개당 약 10￠로 시장에 공급하고 있다.
그러나 실리콘 카바이드로 형성된 고출력 장치는 많은 측정, 연구와 이론적이고 고안된 작업에도 불구하고, 여전히 유사한 상업적 현상 또는 영향을 갖는다. 현재, 고출력 장치용 실리콘 카바이드의 광범위한 용도를 제한하는 현재 주요한 한정 요인은 실리콘 카바이드 기판에서 비교적 높은 결함 밀도, 특히 "마이크로파이프(micropipe)"라 불리는 타입의 높은 밀도의 결함이다. 반도체 분야에서 통상의 지식을 가진 사람들에게 잘 알려진 것과 같이, 반도체 결정의 품질은 종종 그것으로 제작된 장치의 품질에 현저한 영향을 미친다. 또한, 저출력에서는 문제가 거의 없거나 또는 문제가 없기 때문에, 낮은 전력 장치에서 무시될 수 있거나 또는 보완될 수 있는 결함이 고출력 레벨에서 작동하는 장치에 있어서는, 큰 고장을 포함하여, 중대한 문제점을 야기할 수 있다.
상기 기판과 장치의 활성 영역 모두에 대해 동일한 반도체 물질을 사용하는 데서 갖는 유용성 및 장점은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있다. 이와 관련하여, SiC 장치용 SiC 기판의 특별한 장점은 다른 문헌에 상세하게 기술되어 있으므로, 여기에 다시 기술하지는 않겠다. [참조: 예를 들어 미국 특허 제 4,912,063 호, 제 4,912,064 호 및 제 4,866,005 호.]
모든 여러 가지 타입의 결함 중에서, 핀홀로도 언급되는, 마이크로파이프가 일반적으로 거의 모든 타입의 장치에 대해 치명적 결함이 된다. 마이크로파이프는 2, 3 마이크론부터 성장 방향을 따라 0.1 밀리미터(mm)까지 연장되는 범위의 직경을 갖는 실질적으로 관모양의 공극이다. 실리콘 카바이드 웨이퍼가 전형적으로 마이크로파이프를 포함하지 않는 어떠한 영역을 갖더라도, 실리콘 카바이드 웨이퍼에 대한 평균 밀도는, 극히 고 품질의 경우에, 기판 표면의 주어진 영역에 나타난 수로 측정했을때, 약 100 내지 400cm-2또는 1000cm-2만큼 높은 경우도 있다. [참조 Barrett, et al.,Growth of Large SiC Single Crystals, Journal of Crystal Growth, 128(1993), pp. 358-362.]
본 발명자들은 이론으로 제한되는 것을 원하지 않으나, 마이크로파이프 형성의 원인이 되는 여러 다른 메카니즘이 있는 것으로 보인다. 이러한 메카니즘 중 어떤 것은 슈퍼스크류 전위(superscrew dislocation)를 야기하여 코어에서 형성되는반면, 다른 메커니즘은 그러한 전위와 관련이 없는 것으로 보인다. 선 결함의 다른 일차적인 타입은 기저면에 일차적으로 존재하는 혼합된 전위이다. 이러한 전위의 주된 근원은 슈퍼스크류 전위와 연관된 커다란 변형으로 나타난다.
기판에 존재하는 마이크로파이프, 구멍(pits), 이물질(inclusion), 전위 및 스택킹 결점(stacking fault) 같은 결함은 통상적으로 상기 기판위에서 성장하는 에피텍셜 구조로 전파되고, 특정 전력 레벨에서 장치의 열화를 야기한다. 더욱이, 일부 이론적 해석이 가능해 보일지라도, 마이크로파이프 형성의 메카니즘은 아직도 완전하게 규명되지 않고 있기 때문에, 이러한 결함을 조절하기 위한 종래의 방법은 현재 만족할만하지 않다.
일부 연구자들이 기저면이 아닌 실리콘 카바이드의 기판면 위에 에피텍셜 층을 성장시켜 문제점을 해결하고자 하였다. 그러나 몇가지 성공에도 불구하고, 기저면에 대해 수직인 웨이퍼면 위에서 성장한 p-n 접합은 기저면에 대해 실질적으로 평행하게 성장한 접합의 전기장 강도의 절반보다 작다.
따라서, 실리콘 카바이드가 전력 장치에 매우 큰 전위를 제공할 지라도, 실리콘 카바이드 구조의 결정 특성이 이러한 고출력 레벨을 제공할 수 있을 때까지는 이러한 장치는 상업적으로 유용하게 되지 않을 것이다.
[본 발명의 목적과 요약]
따라서, 본 발명의 목적은 실질적으로 감소된 마이크로파이프 결함을 갖는 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층을 제공하는 것이다.
본 발명은 시딩된 승화 기술(seeded sublimination technique)을 사용하여실리콘 카바이드의 벌크 단 결정 성장에 의해 마이크로파이프가 실질적으로 감소되거나 또는 제거되는 실리콘 카바이드 에피텍셜 층을 제조하고; 에피텍셜층이 상기 기판에 의해 상기 에피텍셜 층으로 이동되는 마이크로파이프 결함을 막기에 충분한 두께를 갖을 때 까지, 액상 에피텍시 기술을 사용하여 기판 위에 실리콘 카바이드 제1 에피텍셜 층을 형성하고; 이어서 화학 기상 증착에 의해 상기 제1 에피테셜 층 위에 실리콘 카바이드의 제2 에피텍셜 층을 형성하는 방법으로 상기한 목적을 달성한다.
다른 특성에 있어서, 본 발명은 실리콘 카바이드의 용해도를 증가시키고, 원자 %가 실리콘의 원자 %보다 높은, 임의의 원소 및 실리콘 중의 실리콘 카바이드의 용해물로부터 액상 에피텍시에 의해 실리콘 카바이드 기판위에 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층을 성장시키고, 상기 에피텍셜 층이, 상기 기판 내에 존재하는 마이크로파이프 결함이 상기 에피텍셜 층에서 실질적으로 더 이상 재형성되지 않는 두께를 가질 때까지, 상기 에피텍셜 층을 연속하여 성장시켜 상기 기판에 의해 상기 제1 에피텍셜 층으로 파급되는 마이크로파이프 결함을을 막는 공정을 포함한다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 벌크 단결정 실리콘 카바이드 기판, 상기 실리콘 카바이드 기판의 표면 위에 형성된 실리콘 카바이드의, 반 최대치(half maximum)에서 25 아크 초(arc second) 이하의 전체 폭을 갖는 x-선 락킹 커브(x-ray rocking curve)로 특징되어지는 에피텍셜 층을 포함한다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 표면 위에 1㎠ 당 약 50 내지 400의 마이크로파이프 밀도를 갖는 단결정 벌크 실리콘 카바이드 기판과 실리콘 카바이드 기판의 표면 위에 형성되고, 표면 위에 1㎠ 당 약 0 내지 50의 마이크로파이프 밀도를 갖는 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층으로 형성된 단결정 벌크 실리콘 카바이드 기판을 포함한다.
본 발명의 상기한, 그리고 다른 목적, 장점 및 특징과 동일하게 달성되는 방법은 첨부된 도면과 연관하여, 바람직하고 대표적인 실시예를 나타내는 하기한 본 발명의 상세한 설명을 참작함으로써 더욱 명백하게 될 것이다.
본 발명은 결정 결함을 최소화시키는 방식으로 반도체 물질의 에피텍셜을 성장시키고, 이러한 반도체로부터 제조되는 장치가 갖게되는 성능을 향상시키는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 액상 에피텍시(LPE)에 의해 낮은 결함을 갖는 실리콘 카바이드 에피텍셜 층 성장 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 형성된 에피텍셜 층 표면의 광학 현미경 사진;
도 2는 도 1의 성장한 상기 에피텍셜 층 위의 상기 기판을 따라 취한, 그리고, 도 1에 나타낸 상기 표면에서 재형성되지 않는 상기 기판에 나타난 다수의 결함을 비교하여 나타낸 광학 현미경 사진;
도 3은 본 발명에 따라 에피텍셜 층의 표면을 나타난 도 1과 유사한 다른 광학 현미경 사진;
도 4는 도 2에 상응하고, 성장한 도 3의 에피텍셜 층 위에 상기 기판을 따라 취한 다른 현미경 사진;
도 5는 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 기판 위에 형성된 에피텍셜 층을 갖는 실리콘 카바이드 기판의 x-선 토포그래프(topography); 및
도 6은 본 발명의 방법에 유용한 액상 에피텍시(LPE) 성장 시스템의 개략적인 다이아그램.
제1 실시예에 있어서, 본 발명은 시딩된 승화 기술을 이용하여 실리콘 카바이드의 벌크 결정의 1차 성장에 의해 마이크로파이프 결함이 실질적으로 없는 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층을 형성하는 방법을 포함한다. 여기에 사용된, 시딩된 승화 기술은 일반적으로 "렐리(Lely)" 또는 "아체슨(Acheson)" 기술로 일반적으로 불리우는 기술이 아닌 다른 승화 기술을 말한다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 사람에게 일반적으로 공지된 것과 같이, 상기 렐리 기술은 로에서 실리콘 카바이드 파우더로부터의, 통상적으로 그라파이트로부터의 실리콘 카바이드의 언시딩된 승화-타입 성장 기술이다.
상기 아체슨 기술은 일반적으로 로를 적절한 화학양론적인 혼합으로, 석탄, 그라파이트 및 실리카 같은 적절한 파우더 물질로 충진하는 공정을 포함한다. 상기 패킹된 고체 혼합물을 충분히 가열하여 상기 패킹된 혼합물에서 실리콘 카바이드 결정을 형성시킨다. 특허 문헌의 예로는 1993년 11월 23일자로 허여된 Takenaka 등의 미국 특허 제 5,265,118 호, 1983년 12월 6일자로 허여된 Kurioakose의 미국 특허 제 4,419,336 호가 있다. 그러나 이러한 문헌들은 아주 최근 아체슨 기술의 단순한 예임을 이해할 수 있을 것이다.
반면에, 본 발명에 있어서, 상기 벌크 단 결정은 본 발명의 양수인에게 양도된 Carter, et al.의 미국 특허 제 4,866,005 호에 기술된 기술 및 본 명세서에 전체적으로 인용 참조된 내용(또는 실질적으로 이것과 유사한 것)을 이용하여 성장된 것이다. 이 기술은 단지, 기술적 또는 실험적 목적이 아니라, 에피텍셜 성장용 웨이퍼 및 유용한 상업적 장치에 필요한 다른 장치를 제조하는데 유용한, 원하는 폴리타입의 실리콘 카바이드의 큰 고 품질 단 결정(즉, 1 inch 이상의 직경을 갖는 결정)을 성장시키는 현재 가장 성공적인 방법이 될 것임이 명백하다. 그러나 상기 Carter 기술에 따라 형성된 결정이 일반적으로 종래 기술에 의해 형성된 것보다 매우 높은 품질일지라도, 이것은 여전이 마이크로파이프 결함에 여전히 영향을 받는다. 언급한 것과 같이, 이러한 결함은 낮은 전력 장치에 대해서는 문제점을 거의 또는 전혀 나타내지 않으나, 더 고출력, 전류 및 전압 레벨에서는 중대한 문제점을 나타낸다.
또한, 최근 10년간 매우 성공적이된, 화학 기상 증착 성장이(참조 Davis, et al., 미국 특허 제 4,912,063 호 및 제 4,912,064 호). 시드된 승화에 의해 성장한 벌크 실리콘 카바이드 결정에서 발생하는 상기 마이크로파이프 결함을 정확하게 재형성하는 경향이 있는 것이 발견되었다.
따라서, 제2 공정에 있어서, 본 발명은 상기 제1 에피텍셜 층의 용해물 성장에 있어서, 에피텍셜 층이, 상기 기판에 의해 상기 제1 에피텍셜 층의 성장으로 이동되는 마이크로파이프 결함을 막기에 충분한 두께를 갖어 상기 마이크로파이프 결함의 재형성이 실질적으로 감소되고, 잠재적으로 완전하게 제거될 때까지, 액상 에피텍시 기술을 사용하여, 본 명세서에 기술한 적절한 성장 조건하에, 상기 기판 위에서 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층을 형성하는 공정을 포함한다. 액상 에피텍시의 일반적인 원리는 물론 결정-성장 기술 분야의 사람들에게 잘 알려져있고, 특별한 작업을 위해 요구되는 특별한 조건은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해, 그리고 과도한 실험이 없이도 결정될 수 있다. 실리콘 카바이드에서 상세하게 예시되고 유용한 명확한 종래 기술은 예를 들어, 본 명세서에 전체적으로 인용 참조된 내용인, Dmitriev, et al.Silicon Carbide and SiC-AIN Solid-Solution P-N Structures Grown by Liquid-Phase Epitaxy, Physica B. 185 (1993), pp. 440-452에 기술되어 있다.
최종 공정으로서, 그리고 장치 형성을 위한 전자공학적으로 활성 영역을 형성하기 위하여, 본 방법에서 최종 공정은 화학 기상 증착에 의해 실리콘 카바이드의 상기 제1 에피텍셜 층 위에 실리콘 카바이드의 제2 에피텍셜 층을 형성하는 공정을 포함한다.
본 발명자들은 본 발명의 어떠한 특별한 이론에 의해 제한되는 것을 원하지 않을지라도, CVD 성장에 대조하여 LPE 성장의 두께와 속도는 상기 마이크로파이프를 CVD 성장에서 보다 LPE 성장에서 더욱 빠르고 더욱 완전하게 막는 것을 가정한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 벌크 단 결정은 6H 폴리타입이고, 상기 제1 에피텍셜 층은 상기 6H 폴리타입을 유사하게 포함한다. 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 벌크 단 결정은 4H 폴리타입이고 상기 에피텍셜 층은 상기 4H 폴리타입과 유사하다.
본 발명의 제1 실시예에 있어서, 상기 제1 에피텍셜 층을 형성하는 공정은 제1 전도성 타입을 갖는 상기 제1 층을 형성하는 공정을 포함하고 상기 제2 에피텍셜 층을 형성하는 공정은 상기 제1 전도성과 반대되는 전도성을 갖어 상기 제1 및 제2 에피텍셜 층 사이에 p-n 접합층을 형성하는, 상기 제2 층을 형성하는 공정을포함한다.
다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 동일한 전도성 타입의 두 상기 제1 및 제2 에피텍셜 층을 형성하고 상기 제1 및 제2 층과 반대되는 전도성 타입을 갖아 상기 제2 및 제삼 에피텍셜 층 사이에 p-n 접합을 형성하는 제삼 에피텍셜 층을 갖는, 상기 제2 층 위에 상기 제삼 에피텍셜 층을 형성하는 공정을 포함한다.
다른 측면에 있어서, 액상 에피텍시에 의한 실리콘 카바이드의 성공적인 용액 성장은 용해물에 있어서 실리콘 카바이드의 용해도를 증가시키는 다른 원소의 존재에 따라 촉진되는 본 발명에 따라 결정되어진다. 이 실시예에 있어서, 마이크로파이프 결함이 실질적으로 감소되거나 또는 없는 에피텍셜 층의 제조 방법은 용해물에 있어서 실리콘 및 실리콘 카바이드의 용해도를 증가시키고, 원자 %가 실리콘 원자 %보다 월등히 높은 원소에서, 실리콘 카바이드의 용해물로부터 액상 에피텍시 실리콘에 의해 실리콘 카바이드 기판 위에 형성된 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층을 성장시키는 공정을 포함한다. 본 방법은 에피텍셜 층이, 상기 에피텍셜 층에서 상기 기판에 나타나는 마이크로파이프 결함이 실질적으로 더 이상 재형성되지 않는 두께를 갖고, 상기 에피텍셜 층에서 결함의 수가 실질적으로 감소될 때 까지 상기 에피텍셜 층을 성장시켜 상기 기판에 의해 상기 에피텍셜 층으로 이동되는 마이크로파이프 결함을 막는 공정을 더욱 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 용해물에서 부가적인 원소는 게르마늄을 포함하여 상기 에피텍셜 층은 실리콘 및 게르마늄의 용해물에서 성장한다. 더욱 바람직하게는, 용해물에서 게르마늄의 원자 %는 약 70 내지 90 원자 %이고, 75 내지 80%의게르마늄 원자 %가 가장 바람직하다.
기능적인 견지로부터, 다른 원소, 바람직하게는 게르마늄,의 양은 적절한 설장 속도를 촉진하기에 충분한 실리콘의 원자 %로서, 그러나 용해물에서 결정의 자연적인 발생을 일으킬 수 있는 실리콘의 양 미만의 양으로서 기술될 수 있다. 용해도 증가 원소(바람직하게는 게르마늄)는 용해물에서 실리콘 카바이드의 성장을 최적화하기에 충분한 원자 %로, 그러나 성장 에피텍셜 층의 표면을 그라파이트화할 수 있는 양 미만으로 존재하여야 한다. 이러한 결정-성장 기술에 정통한 사람들에게 잘 알려진 것과 같이, 그라파이트는 에피텍셜 성장을 위한 용기 또는 서셉터(susceptor)로서 다소 자주 이용된다. 상기 용해물에서 실리콘이 지나치게 많으면, 실리콘이 실리콘 카바이드를 형성하기 때문에 상기 그라파이트 서셉터를 식각하는 경향이 있는 반면, 게르마늄 같은 제삼 원소의 너무 높은면 상기 에피텍셜 층의 표면위에 상기 그라파이트의 성장("그라파이트화")을 촉진하는 경향이 있다.
이후에 실험 단원에서 기술하는 것처럼, 실리콘 카바이드 기판 위에 상기 에피텍셜 층을 성장시키는 공정은 바람직하게 약 1600 내지 1800℃의 용액 온도에서 상기 층을 성장시키는 공정을 포함하는 것이다. 또한 상술한 것과 같이, LPE를 통과하는 상기 에피텍셜 층에서 형성될 수 있는 추가적인 두께는 상기 마이크로파이프 결함을 막는데 유용한 것으로 보인다. 따라서, 바람직한 방법은 20 마이크론 같이 낮은 두께가 어떠한 상황에서는 충분한 것으로 입증되었을지라도, 약 40 내지 70 마이크론의 두께까지 상기 에피텍셜 층을 성장시키는 것이며, 약 50 내지 60 마이크론의 두께가 가장 바람직하다.
제1 실시예에서와 같이, 본 방법은 화학 기상 증착을 사용하여 제1 에피텍셜 층 위에 실리콘 카바이드의 다른 에피텍셜 층을 형성하는 공정을 더욱 포함한다. 상기 제1 실시예에 있어서와 같이, 많은 반도체 장치에 유용한 상기 접합 구조를 제공하기 위하여, 상기 제2 에피텍셜 층은 상기 제1 에피텍셜 층과 반대되는 전도성 타입으로 형성될 수 있거나(실리콘 카바이드용의 통상적인 도판트는 n-타입용으로 질소(N)와 p-타입용으로 알루미늄(Al)을 포함한다) 또는 동일한 전도성의 두 에피텍셜 층을 잠재적으로 형성시킨 후, 제삼 전도성 타입층을 형성시킨다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 전력 전자 장치에 특히 유용한 고 품질의 실리콘 카바이드 구조를 포함한다. 상기 구조는 실리콘 카바이드 기판의 표면 위에 형성되고, 에피텍셜 층이 반 최대치에서 25 아크 초 이하의 전체 폭을 갖는 x-선 락킹 커브를 기술하는, 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층을 갖는 단 결정 벌크 실리콘 카바이드 기판으로서 가장 잘 기술될 수 있다. 결정 구조의 측정과 평가에 정통한 사람들에게 잘 알려진 것과 같이, 상기 x-선 락킹 커브는 주어진 결정에 의해 형성되는 x-선 회절 피크의 폭을 나타낸다. 폭이 더 넓은 피크는, 이들이 상기 결정에 의해서 나타나는 입사 x-선의 더욱 산란된 회절을 나타내기 때문에, 더 낮은 품질의 결정을 나타내는 경향이 있다. 이와 달리, 폭이 더 좁은 x-선 락킹 커브는, 이들이 완전한 결정이 단일 입사 파장으로만 회절하는 이상 상태(그러나 실질적으로 도달할 수 없는)에 근접하기 때문에, 더 높거나 또는 더 우수한 결정품질을 나타낸다.
상기 기판이 반 최대치에서 100 아크 초 이하의 전체 폭을 갖는 x-선 락킹 커브를기술할 수 있으므로, 이 구조는 더욱 설명될 수 있고, 본 발명의 가치는 더욱 이해될 수 있다. 상기 기판과 상기 에피텍셜 층 사이의 x-선 락킹 커브 감소는 본 발명의 장점을 나타낸다. 상술한 방법 실시예에서와 같이, 상기 기판과 에피텍셜 층은 모두 6H 폴리타입 또는 모두 4H 폴리타입일 수 있다. 첨가하여, 상기 에피텍셜 층의 바람직한 두께는 약 25 내지 75 마이크론이고, 더욱 바람직한 두께는 약 40 내지 70 마이크론이다.
본 발명의 방법 기술을 사용하여, 실리콘 카바이드 구조는, 상기 폭이 좁은 x-선 락킹 커브에 의해 예시되는 예외적인 결정 품질을 나타내는 반면, 상기 실질적으로 둥근형이고, 1 inch 이상 및 잠재적으로 2 inch 이상의 직경을 갖는 상기 에피텍셜 층을 형성할 수 있다.
상술한 모든 실시예에서와 같이, 상기 구조는 상기 제1 에피텍셜 층과 반대되는 전도성 타입을 가지는 제2 에피텍셜 층을 더욱 포함하여 상기 에피텍셜 층이 p-n 접합을 형성할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 표면 위에 1㎠ 당 50 내지 400의 마이크로파이프 밀도를 갖는 단 결정 벌크 실리콘 카바이드 기판 및 표면위에 1㎠ 당 약 0 내지 50으로까지 감소된 마이크로파이프 밀도를 갖는 상기한 기판의 표면 위에 형성된 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층을 포함하는, 고 품질, 특히 전력 전자 장치에 이용하기 위한, 실리콘 카바이드 구조를 포함할 수 있다.
상술한 실시예에서와 같이, 상기 기판과 에피텍셜 층은 모두 6H 또는 4H 폴리타입일 수 있고, 바람직한 두께는 약 40 내지 70 마이크론이고, 상기 기판과 에피텍셜 층은 약 1inch 이상의 직경과 상기 기판 위에 적절한 접합 에피텍셜 층을 갖도록 제조될 수 있다.
본 발명의 장점은 도면에서 더욱 설명된다. 도 1은 광학 현미경사진이고, 본 발명에 따라 성장된 에피텍셜 층의 표면 특성을 나타내는 첨부된 개략도이다. 도 1의 개략적인 부분에서 화살표는 상기 현미경사진으로부터 상기 포인트를 나타내기 위하여 상기 에피텍셜 층의 표면에서 시작한다. 비교하기 위해, 화살표가 상기 기판을 따라 취한 상기 현미경사진을 나타내는, 도 2는 꼭대기에서, 바닥 중앙에서, 그리고 도 2의 바닥 왼쪽-손 부분에서 여러 커다란 마이크로파이프 결함을 포함하여 다수의 결함을 나타낸다. 도 2에서의 이들의 존재, 그리고 도 1에서의터 이들의 제거 및 부재는 본 발명의 이점을 설명하는 것이다.
도 3과 4는 서로에 대해 도 1 및 도 2가 서로에 대한 관계를 갖는 것과 동일한 관계를 갖는다. 즉, 도 4는 상기 기판 위에서 현저하게 큰 결함의 수를 나타내는 반면에, 도 3은 도 4에서 보이는 마이크로파이프가 제거된 것으로부터 매우 향상된 표면을 나타낸다.
도 5는 상기 화살표의 포인트에서 시작하는 본 발명에 따른 LPE에 의해 성장된 에피텍셜 층을 갖는 상기 실리콘 카바이드 기판의 x-선 토포로지단면도이다. 상기 에피텍셜 층을 통과하는 기판으로부터 일관된 형상은 본 발명의 결정 성장의 장점을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 상기 에피텍셜 층을 형성하기 위해 사용되는 액상 에피텍시 성장 셀의 개략적인 단면도이다. 상기 셀은 그라파이트 히터 10, 도가니 11, 실리콘 및 바람직하게는 게르마늄의 용해물 12 및 성장이 발생되는 실리콘 카비이드 웨이퍼 13을 포함한다. 바람직하게는, 도 6의 셀은 상기 용해물 12에서 상기 실리콘 카바이드 웨이퍼 13을 모두 침적하고 회전하는, 상기 회전하는 지지체 14를 사용하는 침적-회전 기술을 함께 사용한다. 도 6의 상기 셀의 이용은 다음 단락에서 더욱 자세하게 기술된다.
[실험 과정]
6H 및 4H 폴리타입의 호모에피텍셜(homoepitaxial) 층을 기판으로서 상응하는 실리콘 카바이드 웨이퍼 위에서 성장시킨다. 상기 웨이퍼는 30mm의 직경을 갖고, 승화 기술, 예를 들어 Carter, et al.의 미국 특허 제 4,866,005 호에 기술된 기술에 의하여 성장시킨다. 웨이퍼를 불(boule)로 자른 후, 상기 웨이퍼를 연마하고 식각하여 기계적인 처리에 의해 손상된 표면 층을 제거한다.
다음, 상기 웨이퍼의 결정 구조중의 결함들을 액상 에피텍시 성장 전에 조사한다. 상기 웨이퍼를 500℃에서 5분동안 용융 수산화칼륨(KOH) 중에서 화학 식각하는 것이 특징이다. 상기 식각 공정은 광학 현미경 하에서 명확하게 눈에 보이는 상기 표면에 침투한 마이크로파이프, 폴리타입, 이물질 및 전위 같은 결정 매크로 결함을 형성한다. 첨가하여, 식각된 웨이퍼에서 마이크로파이프의 수는 이메징 및 디지타이징 시스템(imaging and digitizing system)으로 카운트한다. 상기 디지타이징 시스템은 상기 웨이퍼 위에 형성된 상기 마이크로파이프의 위치를 정확하게 측장한다.
상기 결정 결함 위치와 밀도는 또한 x-선 토포그래피로 측정할 수도 있다. x-선 락킹 커브의 전체 폭을 측정하여 상기 결정의 품질을 특정하기 위하여 X-선 회절을 사용한다. 한편 회절 x-선 회절측정장치(diffractometry)는 상호적인 격자 사이트 근처의 x-선 산란 강도 분포에 대한 정보를 제공한다. 두 θ 및 θ-2θ 스캔의 락킹 커브는 단색광장치로서 (0001) 배향을 갖는 결함-없는 실리콘 카바이드 렐리 결정 및 커퍼 Ka방사선을 사용하여 이중-결정 x-선 스펙트로포토미터에 의해 기록된다.
주사 전자 현미경(SEM)에 장착된 마이크로캐소드루미네센스 장치를 사용하여 상기 결함의 성질을 조사한다. 상기 기술은 실리콘 카바이드에서 다양한 폴리타입의 작은 이물질을 조사하고 검출하는데 매우 효과적이다. 최종적으로, 에피텍셜 성장 전에 상기 웨이퍼 표면 처리의 품질을 RHEED로 조사한다.
상기 액상 에피텍셜 성장은 실리콘-게르마늄(SiGe) 용해물에서 카본 용액을 사용하여 약 1600 내지 1800℃의 온도 범위에서 실시한다. 상기 성장은, 텅스텐/루테늄(W/Re) 열전도계로 에피텍셜 성장을 측정하고 관찰되는 동안 상기 온도를 사용하여 약 2500℃ 이하의 온도가 가능한 내열성 로에서 실시한다.
침적-회전 기술을 성장을 위해 이용한다. 상기 실리콘 카바이드 웨이퍼를 그라파이트 홀더에 고정하고, 실리콘과 게르마늄 혼합물(Si/Ge) 약 30g을 함유하는 상기 그라파이트 도가니와 함께 상기 로에 넣는다. 넣은 후, 상기 성장 챔버를 30분 동안 진공으로 하여 산소를 제거하고, 이어서 고 순도 헬륨(He)을 충진한다. 그 후 상기 충전물이 넣어 있는 도가니를 실리콘의 녹는 점(1403℃)까지 가열한다. 상기 Si/Ge 혼합물을 녹인 후, 실리콘 카바이드 웨이퍼를 상기 용해물 표면에 가깝게 아래쪽으로 이동시킨다. 상기 웨이퍼를 이 가까운 위치에서, 그러나 잠기지는 않는, 위치에서 15분 동안 유지하여 상기 웨이퍼를 상기 용해물으로 침적할 때 일어날 수 있는 열적 스트레스를 감소시킨다.
그 후, 상기 웨이퍼를 이어서 원하는 성장 온도까지 상승된 용해물에 천천히 담근다. 상기 성장 사이클 동안, 성장이 상기 도가니에서 존재하는 상기 온도 범위에서 발생하도록 상기 온도를 일정하게 유지시킨다. 상기 용해물 표면의 온도를 상기 도가니의 바닥 온도보다 대략 30℃ 낮은 온도로 유지한다. 상기 Si/Ge 용해물을 상기 그라파이트 도가니 벽으로부터 용해되는 카본으로 포화시킨다. 약 10 내지 50 마이크론의 에피텍셜 층의 두께를 유지시키기 위하여, 성장 시간은 성장 온도 및 용해물 조성에 따라 약 30 내지 240분의 범위 내에서 변화될 수 있다(반 시간 내지 4시간). 에피텍셜 성장이 완결된 후, 시료를 꺼내고 상기 로를 냉각한다. 상기 시료 또는 기판 홀더에 용해물 방울이 잔류한다면, 불화수소산 및 질산의 혼합물(HF-HNO3) 중에서 화학식각하고, 이어서 통상적인 RCA 방법으로 상기 시료를 세척하여 용해물 방울을 제거한다.
성장 후, 상기 에피텍셜 층은 자외선 여기, 앵글 랩핑(angle lapping), 전자 현미경 및 RHEED를 구비한 광학 현미경을 포함하는 여러 가지 기술을 사용하여 특징한다. 상기 에피텍셜 층이 추가적인 에피텍셜 또는 벌크 성장을 위한 시이드로서 뒤에 사용되면, 상기 LPE 층의 꼭대기에 성장한 물질의 품질은 상기 표면 모르폴로지 및 결정 구조를 평가하여 측정된다.
상기 성장한 층의 결정 구조는 또한 x-선 토포그래피 및 x-선 회절을 포함하여, 상기 에피텍셜 성장 전에 상기 표면을 조사하기 위하여 사용되는 동일한 기술에 의해 조사한다. X-선 토포그래피는 상기 층에서 상기 결함분포의 깊이 프로파일을 측정하는데 사용된다. 상기 웨이퍼는 또한 500℃에서 용융된 KOH 중에서 또한 식각되고, 상기 표면 상(image)을 다시 계수화하여 상기 마이크로파이프 및 다른 결함이 감소되는 정도를 측정한다. 상기 에피텍셜 층에서의 상기 결함의 분포 및 밀도를 상기 초기 웨이퍼에서의 상기 결함의 분포 및 밀도와 비교한다.
상기 웨이퍼로부터 상기 실리콘 카바이드 에피텍셜 층으로 결함이 이동되는 정도를 트랜스미션 전자 현미경(transmission electronic microscope: TEM)으로 조사한다. 두 계획안 및 단면 TEM 기술을 사용하여 마이크로파이프 형성 및 종료의 메카니즘을 연구할 뿐만 아니라 상기 기판-에피텍셜 층 계면에의 상기 결함 분포를 측정한다. 마이크로캐소드루니네센스 및 TEM을 사용하여 상기 마이크로파이프 위의 상기 결정 구조 품질을 조사한다.
예비시험 결과는 성장 온도, 성장 속도 및 층 두께는 모두 LPE 성장동안 상기 실리콘 카바이드 에피텍셜 층에서 마이크로파이프 이동을 방지하는데 있어서 문제가 된다는 것을 나타낸다.
도면과 명세서에, 본 발명의 전형적인 바람직한 실시예가 기술되어 있으며,특별한 용어가 사용되었을지라도, 이들은 단지 문법적이고 기술적으로 사용되었을 뿐 제한의 목적으로 사용된 것은 아니며, 본 발명의 범위는 하기한 청구 범위로 기술된다.

Claims (12)

  1. 시딩된 승화 기술(seeded sublimation technique)을 사용하여 실리콘 카바이드의 벌크 결정을 성장시키는 단계;
    마이크로파이프 결함의 재형성이 제1 에피텍셜 층의 용해물 성장에 있어서 감소되도록, 에피텍셜 층이 상기 기판에 의해 상기 제1 에피텍셜 층으로 파급되는 마이크로파이프 결함을 막기에 충분한 두께를 가질 때까지 액상 에피텍시 기술을 사용하여 상기 벌크 결정으로부터 제조된 기판 위에 실리콘 카바이드의 상기 제1 에피텍셜 층을 형성하는 단계; 및 상기 단계에 이어서
    화학 기상 증착에 의해 실리콘 카바이드의 상기 제1 에피텍셜 층 위에 실리콘 카바이드의 제2 에피텍셜 층을 형성하는 단계
    를 포함하는 마이크로파이프 결함 밀도가 0 내지 50 cm-2인 실리콘 카바이드 에피텍셜 층의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벌크 단결정을 성장시키는 단계는 6H 또는 4H 폴리타입으로부터 벌크 단결정을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 에피텍셜 층을 형성하는 단계는 상기 기판과 동일한 폴리타입의 상기 제1 에피텍셜 층을 형성하는 단계를 포함하는 에피텍셜 층의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 에피텍셜 층을 형성하는 단계는 제1 전도성 타입을 갖는 상기 제1 에피텍셜 층을 형성하는 단계를 포함하고, 제2 에피텍셜 층을 형성하는 단계는 상기 제1 에피텍셜 층과 반대되는 전도성 타입을 가지는 제2 에피텍셜 층을 형성함으로써 상기 제1 및 제2 에피텍셜 층 사이에 p-n 접합을 형성하는 단계를 포함하는 에피텍셜 층의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 에피텍셜 층을 형성하는 단계는 제1 전도성 타입을 갖는 상기 제1 및 제2 에피텍셜 층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 에피텍셜 층의 제조 방법은 상기 제2 에피텍셜 층 위에 반대되는 전도성 타입의 제3 에피텍셜 층을 형성함으로써 상기 제2 및 제3 에피텍셜 층 사이에 p-n 접합을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 에피텍셜 층의 제조 방법.
  5. 용해물에서의 실리콘 카바이드의 용해도를 증가시키는 70 내지 90 원자%의 게르마늄 및 실리콘 중의 실리콘 카바이드의 용해물로부터 액상 에피텍시에 의해 실리콘 카바이드 기판 위에 실리콘 카바이드 에피텍셜 층을 성장시키는 단계; 및
    상기 에피텍셜 층이 상기 기판 내에 존재하는 마이크로파이프 결함이 상기 에피텍셜 층에서 더 이상 재형성되지 않는 두께를 가지며, 상기 에피텍셜 층 내에서 마이크로파이프 결함의 수가 감소될 때까지, 상기 에피텍셜 층을 지속적으로 성장시킴으로써 상기 기판에 의해 상기 에피텍셜 층으로 파급되는 마이크로파이프 결함을 막는 단계
    를 포함하는 마이크로파이프 결함 밀도가 0 내지 50 cm-2인 실리콘 카바이드 에피텍셜 층의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드 기판 위에 상기 에피텍셜 층을 성장시키는 단계는 마이크로파이프의 밀도가 평방 cm당 50 내지 400(cm-2)인 것을 특징으로 하는 기판 상에 상기 층을 성장시키는 단계를 포함하는 에피텍셜 층의 제조 방법.
  7. 실리콘 카바이드의 승화 기술에 의해 제5항의 방법에 따라 형성된 에피텍셜 층으로 시딩하는 단계를 포함하는 마이크로파이프 결함 밀도가 0 내지 50 cm-2인 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층의 제조 방법.
  8. 단결정 벌크 실리콘 카바이드 기판, 및 상기 실리콘 카바이드 기판의 표면 상에 형성된 실리콘 카바이드 에피텍셜 층을 포함하는 전력 전자 장치에 특히 유용한 고품질 실리콘 카바이드 구조물로서,
    상기 에피텍셜 층이 최대치의 1/2에서 25 아크 초(arc second) 이하의 전체폭을 갖는 X선 로킹 커브(rocking curve)를 나타내는
    실리콘 카바이드 구조물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기판이 최대치의 1/2에서 약 100 아크 초 이하의 전체 폭을 갖는 X선 로킹 커브를 나타내는 실리콘 카바이드 구조물.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 기판은 6H 또는 4H 폴리타입이고, 상기 에피텍셜 층은 상기 기판과 동일한 폴리타입을 갖는 실리콘 카바이드 구조물.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 에피텍셜 층들이 p-n 접합을 형성하도록 상기 제1 에피텍셜 층과 반대되는 전도성 타입을 가지는 제2 에피텍셜 층을 추가로 포함하는 실리콘 카바이드 구조물.
  12. 표면 상에 약 50 내지 400cm-2의 마이크로파이프 밀도를 갖는 단결정 벌크 실리콘 카바이드 기판, 및
    상기 실리콘 카바이드 기판의 표면 상에 형성되고, 표면 상에 0 내지 50cm-2의 마이크로파이프 결함 밀도를 갖는 실리콘 카바이드의 에피텍셜 층
    을 포함하는 전력 전자 장치에 특히 유용한 고품질의 실리콘 카바이드 구조물.
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