KR100773624B1

KR100773624B1 - 탄화 규소 단결정으로 이루어지는 종결정 및 그를 이용한잉곳의 제조 방법

Info

Publication number: KR100773624B1
Application number: KR1020047015594A
Authority: KR
Inventors: 오오따니노보루; 가쯔노마사까즈; 후지모또다쯔오
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2007-11-05
Also published as: US20100083897A1; EP1493848A1; WO2003085175A1; US20100089311A1; KR20040094447A; US20080020212A1; DE60335252D1; EP1493848A4; ATE491055T1; US20050160965A1; EP1493848B1

Abstract

본 발명은 전력 디바이스나 고주파 디바이스 등의 기판(웨이퍼)의 제조에 적합한 탄화 규소 단결정으로 이루어지는 종결정 및 그를 이용한 잉곳의 제조 방법 등에 관한 것이다.

본 발명의 탄화 규소 단결정으로 이루어지는 종결정의 단결정 성장면은, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 면이다. 이러한 종결정을 이용하여 결정 성장을 행함으로써, 고품질인 탄화 규소 단결정 잉곳을 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함 등의 결정 결함이 적고, 또한 구경이 실용화에 적합한 질이 좋은 SiC 단결정으로 이루어지는 재료를 재현성 좋게 얻을 수 있다.

SiC 종결정, 흑연제 도가니, 덮개, 원료, 흑연제 펠트

Description

탄화 규소 단결정으로 이루어지는 종결정 및 그를 이용한 잉곳의 제조 방법 {SEED CRYSTAL OF SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL AND METHOD FOR PRODUCING INGOT USING SAME}

본 발명은, 전력 디바이스나 고주파 디바이스 등의 기판(웨이퍼)의 제조에 적합한 탄화 규소 단결정으로 이루어지는 종결정 및 그를 이용한 잉곳의 제조 방법 등에 관한 것이다.

탄화 규소(SiC)는 내열성 및 기계적 강도가 우수하고, 방사선이 강한 등의 물리적 및 화학적 성질로부터 내환경성 반도체 재료로서 주목받고 있다. 또한, 최근 청색으로부터 자외에 이르기까지의 단파장 광 디바이스 및 고주파 고내압 전자 디바이스 등의 기판 웨이퍼로서의 SiC 단결정 웨이퍼의 수요가 높아지고 있다. 그러나, 대면적을 갖는 고품질의 SiC 단결정을 공업적 규모로 안정적으로 공급할 수 있는 결정 성장 기술은, 아직 확립되어 있지 않다. 그렇기 때문에, SiC는 상술한 바와 같은 대부분의 이점 및 가능성을 갖는 반도체 재료에도 관계 없이, 그 실용화가 저지되어 있다.

종래, 연구실 정도의 규모에서는, 예를 들어 승화 재결정법(레일리법)에서 SiC 단결정을 성장시키고, 반도체 소자의 제작이 가능한 사이즈의 SiC 단결정을 얻 고 있다. 그러나, 이 방법에서는 이렇게 얻어진 단결정의 면적이 작고, 그 치수 및 형상을 고정밀도로 제어하는 것은 곤란하다. 또한, SiC가 갖는 결정다형 및 불순물 캐리어 농도의 제어도 용이하지 않다.

또한, 화학 기상 성장법(CVD법)을 이용하여 규소(Si) 등의 이종 기판 상에 헤테로 에피택셜을 성장시킴으로써 입방정의 탄화 규소 단결정을 성장시키는 것도 행해지고 있다. 이 방법에서는 대면적의 단결정은 얻어지지만, 기판과의 격자 부정합이 약 20 ％나 있는 것 등에 의해 대부분의 결함(내지 10⁷개/㎠)을 포함하는 SiC 단결정 밖에 성장시킬 수 없고, 고품질의 SiC 단결정을 얻는 것은 용이하지 않다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, SiC 단결정으로 이루어지는 {0001} 웨이퍼를 종결정으로서 이용하여 승화 재결정을 행하는 개량형의 레일리법이 제안되어 있다(Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, Vol. 52(1981) pp. 146 - 150).

또, 본원에 있어서는, 면 지수는 밀러 지수 표시법을 기초로 하여 기재한다. 도1은 육방정 SiC 단결정의 면 지수를 도시하는 모식도이다.

이 방법에서는, 종결정을 이용하고 있기 때문에 결정의 핵 형성 과정을 제어할 수 있다. 또한, 불활성 가스를 이용하여 분위기 압력을 100 ㎩로부터 15 ㎪ 정도로 제어함으로써, 결정의 성장 속도 등을 재현성 좋게 컨트롤할 수 있다.

개량 레일리법의 원리에 대해, 도2를 이용하여 설명한다. 종결정이 되는 SiC 단결정과 원료가 되는 SiC 결정 분말(101)은, 예를 들어 흑연제의 도가니(102) 중에 수납된다. 또한, 도가니 덮개(103)의 내면에 종결정(SiC 웨이퍼)(104)이 부착된다. 그리고, 아르곤 등의 불활성 가스 분위기 속(133 ㎩ 내지 13.3 ㎪)에서 도가니(102) 내가 2000 내지 2400 ℃로 가열된다. 이 때, SiC 결정 분말(101)에 비해 종결정(104)이 약간 저온이 되도록 온도 구배가 설정된다. 그리고, SiC 결정 분말(101)이 승화되면, 온도 구배에 의해 도가니(102) 중에 원료 가스의 농도 구배가 존재하도록 되고, 그 농도 구배에 의해 원료 가스가 종결정(104) 측으로 확산한다.

단결정 성장은, 종결정(104)에 도착한 원료 가스가 종결정(104) 상에서 재결정화함으로써 실현되어 성장 결정(105)이 형성된다. 이 때, 성장 결정(105)의 저항율은 불활성 가스 분위기 속에 불순물 가스를 첨가하거나, 또는 SiC 결정 분말(101) 중에 불순물 원소 또는 그 화합물을 혼합함으로써, 제어하는 것이 가능하다.

SiC 단결정 중의 치환형 불순물로서 대표적인 것에, 질소(n형), 붕소, 알루미늄(p형)이 있다. 개량 레일리법을 이용하면, SiC 단결정의 결정다형(6H형, 4H형, 15R형 등), 형상, 캐리어형 및 농도를 제어하면서, SiC 단결정을 성장시킬 수 있다.

개량 레일리법으로 제조되는 SiC 단결정의 결정다형(폴리 타입)은, 통상 6H형과 4H형이며, 현재 이 두개의 폴리 타입의 SiC 단결정 웨이퍼가 시판되고 있다. 특히, 4H형의 SiC 단결정 웨이퍼는 높은 전자 이동도를 갖고, 파워 디바이스 용도에 적합하다고 말하고 있다. 또, 현상에서는 불안정 폴리 타입인 15R형의 대형 SiC 단결정은 얻어지고 있지 않다.

SiC 단결정의 폴리 타입은, 결정 성장에 이용하는 {0001} 면종결정의 면 극성에 의해 거의 결정된다. {0001}면에는 극성이 다른 (0001) Si면 및 (000 - 1) C면의 2 종류가 있고, 각각의 면의 최외측 표면은 Si 원자층 및 C 원자층에서 덮여져 있다. {0001}은 이들 2개의 면의 총칭이다.

6H형의 SiC 단결정은, 이 어느 한 쪽의 극성면을 성장면으로서 이용한 경우에도 성장 가능하지만, 4H형의 SiC 단결정은 (000 - 1) C면 종결정을 이용한 경우만 성장 가능하다. 따라서, 파워 디바이스 용도에 적합한 4H형의 SiC 단결정을 얻기 위해서는, (000 - 1) C면 종결정 상에 결정을 성장시킬 필요가 있다.

현재, 상기의 개량 레일리법으로 제작한 SiC 단결정으로부터 구경 2인치(50 ㎜)로부터 3인치(75 ㎜)의 {0001}면 SiC 단결정 웨이퍼가 잘라 내어지고, 에피택셜 박막 성장이나 디바이스 제작에 이바지되어 있다.

SiC 단결정 웨이퍼를 이용하여 전력 디바이스 및 고주파 디바이스 등을 제작하는 경우에는, 통상 웨이퍼 상에 SiC 박막을 에피택셜 성장할 필요가 있다. 이 방법에서는, 열 CVD법(열화학 증착법)이라 불리우는 방법을 이용하여 SiC 웨이퍼 상에 퇴적시키는 방법이 일반적이다. SiC 웨이퍼의 면방위로서는, 통상 (0001) Si면 또는 (000 - 1) C면이 이용된다.

그러나, 이러한 SiC 단결정 웨이퍼에는 성장 방향으로 관통하는 직경 수㎛의 핀홀 결함이 50 내지 200 개/㎠ 정도 포함되어 있다. 핀홀 결함은 마이크로 파이프라 불리우는 관통 전위이며, 에피택셜 성장에 있어서도 그대로 이어진다.

문헌「P. G. Neudeck et al., IEEE Electron Device Letters, Vol.15(1994) pp.63 내지 65」에 기재된 바와 같이, 이러한 결함에 의해 누설 전류 등이 야기된다. 또한, 마이크로 파이프 상에 제작된 디바이스는 특성이 열화되는 것이 알려져 있다(T. Kimoto et al., IEEE Tran. Electron. Devics, Vol.46(1999) PP,471 - 477). 이로 인해, 마이크로 파이프 결함의 저감은 SiC 단결정의 디바이스 응용에 있어서의 가장 중요한 과제 중 하나로 되어 있다.

이러한 상황에 대해, 일본 특허 공개 평5-262599호 공보에는 {0001}면에 수직인 면을 종결정의 성장면으로서, <0001> 방향과 수직인 방향으로 SiC 단결정을 성장시킴으로써, 마이크로 파이프 결함의 발생을 완전하게 방지할 수 있는 것이 개시되어 있다. 또한, <0001> 방향과 수직인 방향으로 SiC 단결정을 성장시킨 경우에는, 성장 결정이 종결정의 폴리 타입 구조를 완전하게 이어지는 것도 보고되어 있다. 예를 들어, 문헌「J. Takahashi et al., J. Cryst. Growth, Vol.135(1994) pp.61 - 70」에는, [1 - 100] 방향 또는 [11 - 20] 방향으로 성장한 SiC 단결정에는 마이크로 파이프가 존재하지 않는 것이 기재되어 있다. 또한, 문헌「H. Yano et al., Materials Science Forum, Vol,338 내지 342(2000) pp.1105 내지 1108」에는, 예를 들어 {0001}면에 수직인 면인 (11 - 20)면을 이용한 MOS(금속 - 산화막 - 반도체)형 전계 효과 트랜지스터는 4H - SiC인 경우, (0001) Si면 상에 제작한 것과 비교하여, 매우 높은 채널 이동도를 도시하는 것, 즉 전자 이동도가 약 20배가 되는 것이 기재되어 있다.

이와 같이, {0001}면에 수직인 면에 성장한 SiC 단결정은 마이크로 파이프 결함을 포함하지 않고, {0001}면에 수직인 면은 디바이스 제조에 있어서도 유용한 면이라고 할 수 있다. 특히, [11 - 20] 방향으로 성장한 SiC 단결정 잉곳을 절단하고, 또한 연마하여 얻어지는 (11 - 20) 웨이퍼는 고성능의 SiC 디바이스를 제작하는 데 적합하다. 이로 인해, (11 - 20)면을 갖는 웨이퍼 상에 성장한 에피택셜 박막에 대한 주목이 높아지고 있다.

그러나, 이 방향으로 SiC 단결정을 성장한 경우에는, 문헌「J. Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, Vol.181(1997) pp.229 내지 240」에 기재된 바와 같이, 결정 중에 다량의 (0001)면의 적층 결함이 도입되는 것이 알려져 있다. 이 결과, 일본 특허 공개 평5-262599호 공보에 개시되어 있는 방법을 이용해도, 마이크로 파이프 결함의 발생은 억제 가능하지만, 디바이스에 악영향을 주는 적층 결함이 다량으로 발생되어 버린다.

본 발명의 목적은 결함이 적고, 또한 구경이 실용화에 적합한 SiC 단결정으로 이루어지는 재료를 제조할 수 있는 종결정, 탄화 규소 단결정 잉곳의 제조 방법, 탄화 규소 단결정 잉곳, 탄화 규소 단결정 웨이퍼, 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판, 탄화 규소 단결정 에피택셜 박막 성장용 기판(단결정 기판), 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본원의 제1 발명에 관한 탄화 규소 단결정으로 이루어지는 종결정은 <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는다.

본원의 제2 발명에 관한 탄화 규소 단결정으로 이루어지는 단결정 기판은 <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 에피택셜 성장면을 갖는다.

본원의 제3 발명에 관한 탄화 규소 단결정 잉곳의 제조 방법은 탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 종결정을 얻는 공정과, 상기 종결정의 상기 단결정 성장면 상에 승화 재결정법에 의해 탄화 규소 단결정을 성장시키는 공정을 갖는다.

본원의 제4 발명에 관한 탄화 규소 단결정 잉곳은 상기의 방법에 의해 제조된 것이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상이다.

본원의 제5 발명에 관한 탄화 규소 단결정 웨이퍼는, 상기한 탄화 규소 단결정 잉곳에 가공 및 연마를 실시함으로써 제조된 것이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상이다.

본원의 제6 발명에 관한 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판은 상기한 탄화 규소 단결정 웨이퍼와, 상기 탄화 규소 단결정 웨이퍼 상에 성장한 탄화 규소 단결정 에피택셜막을 갖는다.

본원의 제7 발명에 관한 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판의 제조 방법은 탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 기판을 얻는 공정과, 상기 기판의 상기 단결정 성장면 상에 탄화 규소 단결정 에피택셜막을 성장시키는 공정을 갖는다.

본원의 제8 발명에 관한 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판은 상기의 방법에 의해 제조된 것이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상이다.

도1은 육방정 SiC 단결정의 면 지수를 나타내는 도면이다.

도2는 개량 레일리법의 원리를 도시하는 모식도이다.

도3은 본 발명에 있어서의 오프 방향 및 오프 각도를 나타내는 도면이다.

도4a 및 도4b는 본 발명의 원리를 나타내는 도면이다.

도5a 및 도5b는 종결정의 오프 방향과 성장 결정의 폴리 타입과의 관계를 도시하는 모식도이다.

도6은 SiC 단결정 잉곳의 제조 장치의 일예를 도시하는 모식도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

개량 레일리법에 의한 SiC 단결정의 성장은, 원료로부터 승화한 SiC 분자가 종결정 또는 그 위에 성장한 결정의 표면에 흡착하고, 이 분자가 결정에 규칙 바르게 받아들여 감으로써 행해진다.

그리고, 종래 문제시되어 있는 적층 결함은 결정에 흡착한 SiC 분자가 결정에 받아들일 때에 정규의 배위가 아니라, 잘못된 배위로 받아들임으로써 유기된다. 잘못된 배위로 받아들인 SiC 분자는 결정 중에 국소적인 왜곡을 초래하고, 이 왜곡이 원인이 되어 적층 결함이 발생되는 것이다. 이러한 {0001}면에 수직 방향으로 SiC 단결정을 성장한 경우에 적층 결함이 발생되는 메카니즘은, 문헌「J. Takahashi and N. 0htani, Phys. Stat. Sol.(b), Vol.202(1997) pp.163 내지 175」에 기재되어 있다.

또, 본 발명에서 문제로 되어 있는 적층 결함은 결정 성장 중에만 발생하는 결정 성장 유기 결함이며, 결정 성장 후에 성장 결정에 기계적 응력 또는 전기적 스트레스 등이 가해짐으로써 발생되는 결정 결함은 다르다.

본 발명은 상기의 메카니즘을 해석한 결과에 이루어진 것으로 탄화 규소 단결정의 미러 지수에 관한 것이고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 면을 단결정 성장면(단결정 육성면)으로 한 것이다.

또, 이하의 설명에 있어서 단결정 성장면이 (11 - 20)면으로부터 경사지는 각도를「오프 각도」라 칭하고, 상기 오프 각도가 도입되는 방향을「오프 방향」이라 칭한다. 도3에 도시한 바와 같이, 오프 방향은 <0001> 방향 및 [1 - 100] 방향을 포함하는 면 내에 있고, 단결정 성장면의 법선은 오프 방향 및 [11 - 20] 방향을 포함하는 면 내에 있다.

다음에, 도4a 및 도4b를 이용하여 본 발명의 원리에 대해 설명한다.

일반적으로, 복수의 배위 형태 내, 결정 내부와 전혀 동일한 결합 배위가 에너지적으로는 가장 안정된다. 그러나, SiC 단결정인 경우 배위 형태 사이의 에너지 차가 매우 작기 때문에, 흡착되는 SiC 분자는 정규의 배위(가장 안정 배위)와는 다른 배위로 결정 중에 받아들여져 버리는 것이 종종 일어난다.

예를 들어, (11 - 20)면 그자체를 결정 성장면으로 하는 종결정, 즉 (11 - 20)면에 대해 오프 각도가 도입되어 있지 않은 종결정 상에 결정을 성장시키면, 결정 성장면 상에서 SiC 분자는 결합 배위로서 복수의 배위를 취할 수 있다. 즉, 도4a에 도시한 바와 같이 SiC 분자는 배위(21)(결정 내부와 전혀 동일한 결합 배위로 에너지적으로 가장 안정), 또는 배위(21)라 함은 반대 방향의 배위(22)를 취할 수 있다. 이와 같이, SiC 분자가 잘못된 배위[배위(22)]로 받아들여지면, 이 점을 기점으로서 적층 결함이 SiC 단결정 중에 발생된다.

한편, (11 - 20)면에 대해 오프 각도가 도입되면, 도4b에 도시한 바와 같이 결정 성장면에는 스텝이 존재한다. 이 때, 스텝의 간격 및 밀도는 오프 각도의 크기에 의존하고, 오프 각도가 작아질수록 간격은 커지는 동시에 밀도는 낮아지고, 반대로 오프 각도가 커질수록 간격이 작아지는 동시에 밀도가 높아진다.

그리고, 결정 성장면의 스텝의 간격이 어느 값 이상 작은 경우, 원료로부터 날아오는 SiC 분자는 모두 스텝에 구속된다. 스텝에 SiC 분자가 흡착하여 받아들여지는 경우에는, 그 배위는 일의적으로 결정되어 잘못된 배위로 결정 중에 받아들여지는 일이 없다. 이 결과, 적층 결함의 발생이 억제된다.

종래, 결정 성장면에 오프 각도를 설치하는 기술은 다른 재료계에서도 채용되어 왔다. 그러나, (11 - 20)면 상에의 SiC 단결정 성장에 관해서는 충분한 연구가 이루어져 있지 않고, 본 발명자들은 수많은 실험 및 고찰의 결과로서, 다수의 조건 중으로부터 본 발명에 관한 조건에 상도하였다.

다음에, 본 발명에 있어서의 수치 한정 및 바람직한 형태에 대해 설명한다.

우선, 오프 방향은 <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45 도 이하 경사진 방향인 것, 즉 <0001> 방향 및 [1 - 100] 방향을 포함하는 면내에 있어서, <0001> 방향으로부터 ±45도 어긋난 범위 내에 있는 것이 필요하다. 즉, 도3 중의 각도 β가 -45도 이상 45도 이하이거나, 또는 135도 이상 225도 이하인 것이 필요하다.

각도 β가 45도보다 크고 135도 미만인 경우, 또는 -135도보다 크고 -45도 미만인 경우에는, 오프 방향은 <0001> 방향보다도 [1 - 100] 방향으로 근접하게 된다. 이러한 경우와, 오프 방향이 <0001> 방향으로 근접하고 있는 경우에서는, 스텝의 구조 등이 다르다. 그리고, [1 - 100] 방향으로 근접하고 있는 경우에는, 스텝에서의 SiC 분자의 흡착 배위에 임의성이 남겨져 버려 적층 결함이 생길 수 있다. 이로 인해, 오프 방향은 <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향인 것이 필요하다.

또, <0001> 방향에는 전술한 바와 같이, [0001] Si 방향 및 [000 - 1] C 방향의 2 방향이 있다. <0001> 방향에서는 어느 쪽의 방향을 이용해도 좋다. 이들 중, 6H형 탄화 규소 단결정을 성장시키는 경우에는 [0001] Si 방향을 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 4H형 탄화 규소 단결정을 성장시키는 경우에는, [000 - 1] C 방향을 이용하는 것이 필요하다.

이는 [0001] Si 방향으로 오프 각도가 설치된 경우, 적층 결함의 저감은 달성되지만, 대형의 4H형 SiC 단결정을 얻는 것이 어려워지기 때문이다. 이 원리에 대해, 도5a 및 도5b를 이용하여 설명한다.

도5a에 도시한 바와 같이, (11 - 20)면으로부터 [0001] Si 방향으로 오프 각 도가 설치된 종결정을 이용한 경우, 성장 결정(22) 중 종결정(21)의 폴리 타입(4H형)을 이어지는 방향으로 성장한 이음부(23)는, 종결정의 폴리 타입(4H형)을 완전하게 계승하여 4H형의 폴리 타입을 나타낸다. 또, 이음부(23)의 성장 방향은 <0001> 방향에 대해 수직인 방향이며, 예를 들어 [11 - 20] 방향이다.

한편, 도5a에 도시한 바와 같이 이어져야 할 폴리 타입이 존재하지 않고, 종결정으로부터의 인계에 따라서는 폴리 타입이 결정되지 않는 비이음부(24)의 폴리 타입은 그 성장 방향으로 나타내고 있는 {0001}면, 이 경우에는 (0001) Si면을 기초로 하여 폴리 타입이 결정된다. 전술한 바와 같이, (0001) Si면 상에는 4H형의 폴리 타입의 결정은 성장하지 않는다. 이로 인해, 비이음부(24)의 폴리 타입은 6H형, 또는 15R형 폴리 타입이 혼재된 6H형이 된다. 따라서 (11 - 20)면으로부터의 오프 방향을 [0001] Si 방향으로 한 경우에는 적층 결함은 저감되지만, 4H형 단일 폴리 타입의 대형 SiC 단결정을 얻을 수는 없다.

이에 대해, (11 - 20)면으로부터 [000 - 1] C 방향으로 오프 각도가 설치된 종결정을 이용한 경우(도5b)에는, 비이음부(25)는 (000 - 1) C면 상에 성장하게 된다. 이로 인해, 성장 조건을 적절하게 선택하면, 비이음부(25)에 있어서도 4H형의 결정을 얻을 수 있다. 따라서, 대형의 4H형 단일 폴리 타입의 SiC 단결정을 얻을 수 있다.

이와 같이, 본원 발명자들은 다수의 실험 등의 예의 검토된 결과, 성장 방향에 대해 {0001}면이 기울어져 있는 경우라도, 그 면 방위에 의해 성장 결정의 일부분의 폴리 타입이 결정되는 것을 나타내었다.

또한, 오프 각도는 [11 - 20] 방향을 기준으로서 3도 이상 60도 이하인 것, 즉 도3 중 각도α가 3도 이상 60도 이하인 것이 필요하다. 오프 각도가 3도 미만인 경우, 종결정의 표면의 스텝 간격이 지나치게 커지는 동시에 스텝의 밀도가 저하되기 때문에, SiC 분자가 스텝과 스텝 사이에 존재하는 테라스 상에서도 결정에 받아들인다. 이 때, 테라스는 도4a에 도시한 결정 성장면에 상당하기 때문에, SiC 분자는 복수의 배위를 취할 수 있다. 이로 인해, 적층 결함이 생길 수 있다. 한편, 오프 각도가 60도를 넘는 경우, 종래의 <0001> 방향으로의 SiC 단결정 성장과 유사한 성장이 행해진다. 이로 인해, 마이크로 파이프 결함이 생겨 버려 바람직하지 못하다. 이로 인해, 오프 각도는 [11 - 20] 방향을 기준으로서 3도 이상 60도 이하인 것이 필요하다.

또, 이 오프 각도는 3도 이상 30도 이하인 것이 바람직하고, 6도 이상 30도 이하인 것이 보다 한층 바람직하다.

다음에, 본 발명의 실시 형태에 관한 SiC 단결정으로 이루어지는 종결정의 제조 방법에 대해 설명한다.

여기서는, 일예로서, 우선 [000 - 1] C 방향으로 성장한 4H형의 SiC 단결정으로부터 웨이퍼를 잘라 낸다. 이 때, SiC 결정 잉곳으로서는 마이크로 파이프 결함을 포함하고 있어도 좋지만, 적층 결함이 존재하지 않는 것을 이용한다. 또한, 잘라 냄 면에 대해서는 SiC 단결정의 <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 임의의 한 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 면을 잘라 냄 면으로 한다.

그리고, 잘라 낸 웨이퍼에 경면 연마를 실시함으로써, 본 발명의 실시 형태에 관한 종결정을 제조할 수 있다. 이 종결정은 SiC 단결정 육성용으로서 이용할 수 있다.

또, 잘라 낼 때, 오프 각도의 상기 임의의 방향으로부터의 어긋남이 ±1도 이내인 것이 바람직하다.

또한, 특히 4H형의 종결정을 제조하는 경우에는 SiC 단결정의 [000 - 1] C 방향으로부터 [-1100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 임의의 한 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 면을 잘라 냄 면이라 하면 좋다.

그리고, 이와 같이 하여 제조된 4H형 종결정 등의 SiC 단결정으로 이루어지는 종결정을 이용하고, 승화 재결정법에 의해 종결정 상에 SiC 단결정, 예를 들어4H형 SiC 단결정을 성장시킬 수 있다. 이러한 방법에 따르면, 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함 등의 결정 결함이 적고 질이 좋은 4H형 SiC 단결정 등의 SiC 단결정을 재현성 좋게 얻을 수 있다.

따라서, 상기 제조 방법에 따르면, 20 ㎜ 이상의 구경을 갖는 4H형 SiC 단결정 잉곳 등의 SiC 단결정 잉곳을 제조할 수 있다. 이러한 SiC 단결정 잉곳은, 예를 들어 20 ㎜ 이상이라는 대구경을 가지면서, 디바이스에 악영향을 미치는 마이크로 파이프 결함이 전무하고, 또한 적층 결함이 매우 적다는 이점을 갖는다.

여기서, 본 발명의 실시 형태에 관한 종결정을 이용한 SiC 단결정 잉곳의 제조 방법에 대해 구체적으로 설명한다.

우선, 이 방법에서 이용되는 SiC 단결정 잉곳의 제조 장치에 대해 설명한다. 도6은 SiC 단결정 잉곳의 제조 장치의 일예를 도시하는 모식도이다. 도6에는, 종결정을 이용한 개량형 레일리법에 의해 SiC 단결정을 성장시키는 장치의 일예를 나타내고 있다.

결정 성장은, 종결정으로서 이용한 SiC 단결정(1) 상에 원료인 SiC 분말(2)을 승화 재결정화시킴으로써 행해진다. 종결정의 SiC 단결정(1)은 흑연제 도가니(3)의 덮개(4)의 내면에 부착된다. 원료의 SiC 분말(2)은 흑연제 도가니(3)의 내부에 충전되어 있다.

이러한 흑연제 도가니(3)는 이중 석영관(5)의 내부에 흑연의 지지 막대(6)에 의해 설치된다. 흑연제 도가니(3)의 주위에는, 열실드를 위한 흑연제 펠트(7)가 설치되어 있다. 이중 석영관(5)은 진공 배기 장치(11)에 의해 10^-3 ㎩ 이하의 저압까지 진공 배기할 수 있고, 또한 내부 분위기를 Ar 가스에 의해 압력 제어할 수 있다.

Ar 가스에 의한 압력 제어는 Ar 가스 배관(9) 및 Ar 가스용 질량 유량 제어기(10)에 의해 이루어진다. 또한, 이중 석영관(5)의 외주에는 워크 코일(8)이 설치되어 있고, 고주파 전류를 흐르게 함으로써 흑연제 도가니(3)를 가열하고, 원료 및 종결정을 원하는 온도로 가열할 수 있다. 도가니 온도의 계측은 도가니 상부 및 하부를 덮는 펠트의 중앙부에 직경 2 내지 4 ㎜의 광로를 설치하고, 도가니 상부 및 하부로부터의 빛을 도출시켜 2색 온도계를 이용하여 행한다. 도가니(3)의 하부의 온도를 원료 온도라 하고, 도가니(3)의 상부의 온도를 종온도라 한다.

이러한 결정 성장 장치를 이용하여, SiC 단결정, 예를 들어 4H형 SiC 단결정을 제조하는 데 있어서는, 우선 본 발명에 관한 4H형 SiC 종결정(1)을 흑연제 도가니(3)의 덮개(4)의 내면에 부착한다. 흑연제 도가니(3)의 내부에는 원료(2)를 충전한다. 계속해서, 원료를 충전한 흑연제 도가니(3)를, 종결정을 부착한 덮개(4)로 폐쇄하여 흑연제 펠트(7)로 피복한 후, 흑연제 지지 막대(6) 상에 적재하여 이중 석영관(5)의 내부에 설치한다.

그리고, 석영관의 내부를 진공 배기한 후, 워크 코일(8)에 전류를 흐르게 하고, 원료 온도를 소정 온도, 예를 들어 1600 ℃ 정도로 올린다. 그 후, 분위기 가스로서 Ar 가스를 유입시켜 석영관 내 압력을 소정 압력, 예를 들어 약 80 ㎪로 유지하면서 원료 온도를 목표 온도, 예를 들어 2400 ℃ 정도까지 상승시킨다. 소정의 성장 압력, 예를 들어 1.3 ㎪ 정도까지 시간을 들여 감압하고, 그 후 구경이 20 ㎜ 이상이 되도록 소정 시간 단결정 성장을 계속함으로써, 4H형 SiC 단결정 잉곳을 얻을 수 있다.

이러한 4H형 SiC 단결정 잉곳 등의 SiC 단결정 잉곳을 얻은 후, 이에 잘라 냄 가공 및 종래의 범용의 수단에 의한 연마 등을 실시함으로써, 예를 들어 구경이 20 ㎜ 이상의 탄화 규소 단결정 기판(웨이퍼)을 얻을 수 있다.

이와 같이 하여 제조되는 웨이퍼를 이용함으로써, 광학적 특성이 우수한 청색 발광 소자 및 전기적 특성이 우수한 전자 디바이스를 제작할 수 있다.

이와 같이 하여 얻어진 SiC 단결정 기판(웨이퍼)에는, 잘라 냄 면이 성장 방 향에 대해 수직인 면인 경우에는, 예를 들어 <0001> 방향([0001] Si 방향 또는 [000 - 1] C 방향)으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 에피택셜 성장면을 갖는다는 특징이 있다.

또한, 필연적으로 사용한 단결정의 오프 각도가 3도 이상 30도 이하이면, 에피택셜 성장면의 (11 - 20)면으로부터의 경사 각도도 3도 이상 30도 이하가 되고, 사용한 단결정의 오프 각도가 6도 이상 30도 이하이면, 에피택셜 성장면의 (11 - 20)면으로부터의 경사 각도도 6도 이상 30도 이하가 된다.

단, 이러한 SiC 단결정 기판을 얻는 방법은 상술한 것으로 한정되지 않고, 다음과 같은 방법을 채용해도 된다. 즉, 우선 [000 - 1] C 방향으로 성장한 4H형의 SiC 단결정 잉곳으로부터 기판을 잘라 낸다. 이 때, SiC 단결정 잉곳으로서는 마이크로 파이프 결함을 포함하고 있어도 좋지만, 적층 결함이 존재하지 않는 것을 이용한다. 또한, 잘라 냄 면에 대해서는 SiC 단결정의 <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 임의의 한 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 면을 잘라 냄 면이라 한다.

그리고, 잘라 낸 기판에 경면 연마를 실시함으로써, SiC 단결정 기판(웨이퍼)을 제조할 수 있다.

그리고, 이와 같이 하여 제조된 SiC 단결정 기판(웨이퍼)을 이용하고, 열 CVD법에 의해 SiC 결정 기판 상에 SiC 단결정 에피택셜막을 성장시킬 수 있다. 이러한 방법에 따르면, 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함 등의 결정 결함이 적고 질이 좋은 SiC 단결정 에피택셜막을 재현성 좋게 얻을 수 있다.

따라서, 상기 제조 방법에 따르면, 20 ㎜ 이상의 구경을 갖는 SiC 단결정 에피택셜 기판을 제조할 수 있다. 이러한 SiC 단결정 에피택셜 기판은, 예를 들어 20 ㎜ 이상이라는 대구경을 가지면서, 디바이스에 악영향을 미치는 마이크로 파이프 결함이 전무하고, 또한 적층 결함이 매우 적다는 이점을 갖는다.

여기서, 본 발명의 실시 형태에 관한 SiC 단결정 기판(웨이퍼)을 이용한 SiC 단결정 에피택셜 기판의 제조 방법의 일예에 대해 구체적으로 설명한다.

우선, 본 발명의 실시 형태에 관한 SiC 단결정 기판(웨이퍼)을 그래파이트로 된 서셉터에 적재하고, 이들을 열 CVD 장치의 성장로 내에 넣은 후, 성장로 내를 진공 배기한다. 그 후, 배기를 고정하고 수소 가스를 도입하여 대기압으로 한 후, 수소 가스를 흐르게 한 상태에서 유도 가열에 의해 서셉터를 가열한다. 서셉터 온도가 소정 온도, 예를 들어 1580 ℃ 정도에 도달한 결과, 수소 가스에다가 염화 수소 가스를 흐르게 한다. 수소 가스 및 염화 수소 가스의 유량은, 예를 들어 각각 1.0 내지 10.0 × 10^-5㎥/초, 0.3 내지 3.0 × 10^-7㎥/초인 것이 바람직하다.

그 후, 염화 수소 가스를 고정하고 수소 가스는 흐르게 한 상태에서 소정 온도, 예를 들어 800 ℃ 정도까지 강온하여 성장로 내의 염화 수소 가스를 퍼지한다. 계속해서, 소정 온도, 예를 들어 1500 ℃ 정도까지 승온하여 에피택셜 성장을 개시 한다.

SiC 에피택셜 박막의 성장 조건은, 특별히 한정되지 않고 적절하게 바람직한 조건을 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 성장 온도를 1500 ℃로 하고, 실란(SiH₄), 프로판(C₃H₈) 및 수소(H₂)의 유량을, 각각 0.1 내지 10.0 × 10^-9㎥/초, 0.6 내지 6.0 × 10^-9㎥/초, 1.0 내지 10.0 × 10^-5㎥/초로 한다. 이 조건은, 본 발명에 있어서 바람직하게 이용할 수 있다. 성장 압력은 다른 성장 조건에 따라서 적절하게 선택되는 것이 바람직하고 일반적으로는 대기압이다. 성장 시간은 원하는 성장 막 두께를 얻을 수 있는 정도이면 좋고, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 1 내지 20 시간에서 1 내지 20 ㎛의 막 두께를 얻을 수 있다. 이와 같이 하여 제조되는 SiC 단결정 에피택셜 기판은 웨이퍼 전체면에 걸쳐 매우 평탄하고, 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함에 기인하는 표면 결함의 매우 적은 양호한 표면 모폴로지를 갖는다.

다음에, 실제로 본원 발명자가 제조한 SiC 종결정 및 SiC 단결정 기판 등의 실시예 및 비교예에 대해 설명한다.

(제1 실시예)

도6에 도시한 결정 성장 장치를 이용하여 SiC 단결정을 제조하였다. 구체적으로는, 우선 [000 - 1] C 방향으로 성장한 6H형의 SiC 단결정으로부터 웨이퍼를 잘라 냈다. 이 때, SiC 단결정으로서는 마이크로 파이프 결함을 포함하지만, 적층 결함이 존재하지 않는 것을 이용하였다. 또한, 잘라 냄 면에 대해서는 SiC 단결정 의 (11 - 20)면으로부터 [0001] Si 방향으로 10도 경사진 면을 잘라 냄 면으로 한였다(α = 10°, β = 0°). 또, 오프 방향의 [0001] Si 방향으로부터의 어긋남은 ±1도 이내로 하였다.

그리고, 잘라 낸 웨이퍼에 경면 연마를 실시함으로써, SiC 종결정(1)을 얻었다. 이 시점에서 구경을 측정한 결과, 가장 작은 부분에서 20 ㎜였다.

그 후, 종결정(1)을 흑연제 도가니(3)의 덮개(4)의 내면에 부착하였다. 흑연제 도가니(3)의 내부에는 원료(2)를 충전하였다. 계속해서, 원료를 충전한 흑연제 도가니(3)를, 종결정을 부착한 덮개(4)로 폐쇄하여 흑연제 펠트(7)로 피복한 후, 흑연제 지지 막대(6) 상에 적재하여 이중 석영관(5)의 내부에 설치하였다.

그리고, 석영관의 내부를 진공 배기한 후, 워크 코일(8)에 전류를 흐르게 하고, 원료 온도를 1600 ℃까지 올렸다. 그 후, 분위기 가스로서 Ar 가스를 유입시켜 석영관 내 압력을 약 80 ㎪로 유지하면서, 원료 온도를 목표 온도인 2400 ℃까지 상승시켰다. 계속해서, 성장 압력인 1.3 ㎪까지 약 30분간 걸려 감압하고, 그 후 약 20 시간 성장을 계속하였다. 이 때 도가니 내의 온도 구배는 15 ℃/㎝로 하고, 성장 속도는 약 0.8 ㎜/시간으로 하였다. 이렇게 얻어진 결정의 구경은 22 ㎜ 이며, 높이는 16 ㎜ 정도였다.

이렇게 해서 얻어진 SiC 단결정을 X선 회절 및 라만 산란에 의해 분석한 결과, 6H형의 SiC 단결정이 성장된 것이 확인되었다.

또한, 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함의 평가를 행할 목적으로, 성장한 단결정 잉곳으로부터 (0001)면 웨이퍼와 (1 - 100)면 웨이퍼를 잘라 내어 연마하였 다. 이러한 잘라 냄에서는, 단결정 잉곳을 성장 방향에 대해 평행 또는 거의 평행하게 절단하였다. 그 후, 약 530 ℃의 용융 KOH에서 웨이퍼 표면을 에칭하였다. 계속해서, 현미경 관찰에 의해 (0001)면 웨이퍼에 있어서는 마이크로 파이프 결함에 대응하는 대형의 육각형 에치 핏의 수를 (1 - 100)면 웨이퍼에 있어서는 적층 결함에 대응하는 선형의 에치 핏의 수를 조사하였다. 이 결과, 마이크로 파이프 결함은 전혀 존재하지 않고, 적층 결함 밀도는 평균적으로 4 개/㎝였다.

다음에, 마찬가지로 하여 제조한 6H형의 SiC 단결정 잉곳으로부터, (11 - 20)면 웨이퍼를 잘라 냈다. 이 잘라 냄에서는, 단결정 잉곳을 성장 방향에 대해 거의 수직으로 절단하였다. 또한, 구경은 22 ㎜로 하였다. 계속해서, 두께 300 ㎛까지 연마하고, 표면이 (11 - 20)면의 SiC 단결정 경면 웨이퍼를 제작하였다.

또한, 이 SiC 단결정 경면 웨이퍼를 기판으로서, 그 위에 SiC의 에피택셜 성장을 행하였다. SiC 에피택셜 박막의 성장 조건에 대해서는 성장 온도를 1500 ℃로 하고, 실란(SiH₄), 프로판(C₃H₈) 및 수소(H₂)의 유량을, 각각 5.0 × 10^-9㎥/초, 3.3 × 10^-9㎥/초, 5.0 × 10^-5㎥/초로 하였다. 성장 압력은 대기압으로 하였다. 그리고, 성장 시간을 4 시간으로 한 결과, 성장된 에피택셜 박막의 막 두께는 약 5 ㎛였다.

에피택셜 박막을 성장시킨 후, 노마르스키 광학 현미경에 의해, 이렇게 얻어진 SiC 에피택셜 박막의 표면 모폴로지를 관찰하였다. 이 결과, 웨이퍼 전체면에 걸쳐 매우 평탄하고, 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함에 기인하는 표면 결함이 매우 적어 양호하였다.

또한, 이 에피택셜 웨이퍼(에피택셜 기판)를 (1 - 100)면에서 벽개하고, 벽개면을 용융 KOH에서 에칭하여 에피택셜 박막 중의 적층 결함 밀도를 조사하였다. 이 결과, 적층 결함 밀도는 에피택셜 박막을 형성할 때의 기판과 같이 평균적으로 4개/㎝였다.

(제2 실시예)

도6에 도시한 결정 성장 장치를 이용하여, SiC 단결정을 제조하였다. 구체적으로는, 우선 [000 - 1] C 방향으로 성장한 4H형의 SiC 단결정으로부터 웨이퍼를 잘라 냈다. 이 때, SiC 단결정으로서는 마이크로 파이프 결함을 포함하지만, 적층 결함이 존재하지 않는 것을 이용하였다. 또한, 잘라 냄 면에 대해서는 SiC 단결정의 (11 - 20)면으로부터 [000 - 1] C 방향으로 10도 경사진 면을 잘라 냄 면으로 하였다(α = 10°, β = 180°). 또, 오프 방향의 [000 - 1] C 방향으로부터의 어긋남은 ± 1도 이내로 하였다.

그리고, 잘라 낸 웨이퍼에 경면 연마를 실시함으로써, SiC 종결정을 얻었다. 이 시점에서 구경을 측정한 결과, 가장 작은 부분에서 20 ㎜였다.

그 후, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 결정을 성장시켰다. 이 결과, 이렇게 얻어진 결정의 구경은 22 ㎜이며, 높이는 16 ㎜ 정도였다.

이렇게 해서 얻어진 SiC 단결정을 X선 회절 및 라만 산란에 의해 분석한 결과, 4H형의 단일 폴리 타입의 SiC 단결정이 성장된 것이 확인되었다.

또한, 제1 실시예와 마찬가지로 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함의 평가 를 행하였다. 이 결과, 마이크로 파이프 결함은 전혀 존재하지 않고, 적층 결함 밀도는 평균적으로 4개/㎝였다.

다음에, 마찬가지로 하여 제조한 4H형의 단일 폴리 타입의 SiC 단결정 잉곳으로부터, (11 - 20)면 웨이퍼를 잘라 냈다. 이 잘라 냄에서는 단결정 잉곳을 성장 방향에 대해 거의 수직으로 절단하였다. 또한, 구경은 22 ㎜로 하였다. 계속해서, 두께 300 ㎛까지 연마하고, 표면이 (11 - 20)면의 SiC 단결정 경면 웨이퍼를 제작하였다.

또한, 이 SiC 단결정 경면 웨이퍼를 기판으로서, 제1 실시예와 마찬가지의 조건 하에서 그 위에 SiC의 에피택셜 성장을 행하였다. 제1 실시예와 마찬가지로, 성장한 에피택셜 박막의 막 두께는 약 5 ㎛였다. 그리고, 에피택셜 박막을 성장시킨 후 노마르스키 광학 현미경에 의해, 이렇게 얻어진 SiC 에피택셜 박막의 표면 모폴로지를 관찰하였다. 이 결과, 웨이퍼 전체면에 걸쳐 매우 평탄하고, 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함에 기인하는 표면 결함이 매우 적어 양호하였다.

또한, 이 에피택셜 웨이퍼(에피택셜 기판)를 (-1100)면에서 벽개하고, 벽개면을 용융 KOH에서 에칭하여 에피택셜 박막 중의 적층 결함 밀도를 조사하였다. 이 결과, 적층 결함 밀도는 에피택셜 박막을 형성할 때의 기판과 같이 평균적으로 4개/㎝였다.

(제3 실시예)

도6에 도시한 결정 성장 장치를 이용하여 SiC 단결정을 제조하였다. 구체적으로는, 우선 [000 - 1] C 방향으로 성장한 4H형의 SiC 단결정으로부터 웨이퍼를 잘라 냈다. 이 때, SiC 단결정으로서는 마이크로 파이프 결함을 포함하지만, 적층 결함이 존재하지 않는 것을 이용하였다. 또한, 잘라 냄 면에 대해서는 SiC 단결정의 (11 - 20)면으로부터 [0001] Si 방향으로 10도 경사진 면을 잘라 냄 면으로 하였다(α = 10°, β = 0°). 또, 오프 방향의 [0001] Si 방향으로부터의 어긋남은 ±1도 이내로 하였다.

그 후, 제1 실시예와 마찬가지로 하여 결정을 성장시켰다. 단, 성장 속도는 0.75 ㎜/초로 하였다. 이 결과, 이렇게 얻어진 결정의 구경은 22 ㎜이며, 높이는 15 ㎜ 정도였다.

이렇게 해서 얻어진 SiC 단결정을 X선 회절 및 라만 산란에 의해 분석한 결과, 종결정의 폴리 타입을 이어져 성장한 부분에서는 4H형의 SiC 단결정이 성장하고, 종결정의 폴리 타입을 이어지지 않고 성장한 부분에서는 6H형의 SiC 단결정이 성장된 것이 확인되었다. 즉, 폴리 타입이 혼재되어 있었다.

또한, 제1 실시예와 마찬가지로, 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함의 평가를 행하였다. 이 결과, 마이크로 파이프 결함은 전혀 존재하지 않고, 또한 4H형 폴리 타입과 6H형 폴리 타입과의 경계 근방 이외로는, 적층 결함도 거의 존재하지 않는다(적층 결함 밀도 : 10개/㎝). 단, 4H형의 부분과 6H형의 부분과의 경계 근방에는 200개/㎝와 다수의 적층 결함이 존재하고 있었다.

다음에, 마찬가지로 하여 제조한 4H형의 SiC 단결정 잉곳으로부터, (11 - 20)면 웨이퍼를 잘라 냈다. 구경은 22 ㎜로 하였다. 계속해서, 두께 300 ㎛까지 연마하고, 표면이 (11 - 20)면의 SiC 단결정 경면 웨이퍼를 제작하였다.

또한, 이 SiC 단결정 경면 웨이퍼를 기판으로서, 제1 실시예와 마찬가지의 조건 하에서 그 위에 SiC의 에피택셜 성장을 행하였다. 제1 실시예와 마찬가지로, 성장한 에피택셜 박막의 막 두께는 약 5 ㎛였다.

그리고, 에피택셜 박막을 성장시킨 후, 라만 산란에 의해 폴리 타입을 분석하였다. 이 결과, SiC 단결정 경면 웨이퍼 중, 4H형의 부분 상에는 4H형 에피택셜 박막이 형성되고, 6H형의 부분 상에는 6H형의 에피택셜 박막이 형성되어 있었다.

또한, 노마르스키 광학 현미경에 의해, 이렇게 얻어진 SiC 에피택셜 박막의 표면 모폴로지를 관찰하였다. 이 결과, 마이크로 파이프 결함에 기인하는 표면 결함은 전혀 관찰되지 않고, 또한 4H형 폴리 타입과 6H형 폴리 타입과의 경계 근방 이외에서는, 적층 결함에 기인하는 표면 결함도 매우 적었다. 단, 4H형 폴리 타입과 6H형 폴리 타입과의 경계 근방에서는, 적층 결함에 기인하는 다수의 표면 결함이 웨이퍼 표면에 존재하였다.

또한, 이 에피택셜 웨이퍼(에피택셜 기판)를 (1 - 100)면에서 벽개하고, 벽개면을 용융 KOH에서 에칭하여 에피택셜 박막 중의 적층 결함 밀도를 조사하였다. 이 결과, 4H형 폴리 타입과 6H형 폴리 타입과의 경계 근방 이외에서는, 적층 결함 밀도가 평균적으로 10개/㎝ 이하로 매우 낮았다. 단, 4H형의 부분과 6H형의 부분과의 경계 근방에서는 적층 결함 밀도가 200개/㎝로 매우 높았다.

이와 같이, 제3 실시예에서는 폴리 타입 사이의 경계 근방에 적층 결함이 존 재하지만, 전체적인 결함의 양은 저감할 수 있었다.

(제1 비교예)

도6에 도시한 결정 성장 장치를 이용하여, 오프 각도가 0도의 SiC 단결정을 제조하였다. 구체적으로는, 우선 [000 - 1] C 방향으로 성장한 4H형의 SiC 단결정으로부터 웨이퍼를 잘라 냈다. 이 때, SiC 단결정으로서는 마이크로 파이프 결함을 포함하지만, 적층 결함이 존재하지 않는 것을 이용하였다. 또한, 잘라 냄 면에 대해서는, SiC 단결정의 (11 - 20)면을 잘라 냄 면으로 하였다(α = 0°, β = 0°). 또, 이 표면의 (11 - 20)면으로부터의 어긋남은 ±0.5도 이내로 하였다.

이렇게 해서 얻어진 SiC 단결정을 X선 회절 및 라만 산란에 의해 분석한 결과, 4H형의 SiC 단결정이 성장된 것이 확인되었다.

또한, 제1 실시예와 마찬가지로 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함의 평가를 행하였다. 이 결과, 마이크로 파이프 결함은 전혀 존재하지 않았지만, 종래의 것과 마찬가지로 적층 결함 밀도가 평균적으로 170개/㎝로 매우 많았다.

또한, 이 SiC 단결정 경면 웨이퍼를 기판으로서, 제1 실시예와 마찬가지의 조건 하에서, 그 위에 SiC의 에피택셜 성장을 행하였다. 제1 실시예와 마찬가지로, 성장한 에피택셜 박막의 막 두께는 약 5 ㎛였다. 그리고, 에피택셜 박막을 성장시킨 후 노마르스키 광학 현미경에 의해, 이렇게 얻어진 SiC 에피택셜 박막의 표면 모폴로지를 관찰하였다. 이 결과, 적층 결함에 기인한다고 생각되는 표면 결함이 웨이퍼 표면에 존재하였다.

또, 이 에피택셜 웨이퍼(에피택셜 기판)를 (1 - 100)면에서 벽개하고, 벽개면을 용융 KOH에서 에칭하여 에피택셜 박막 중의 적층 결함 밀도를 조사하였다. 이 결과, 적층 결함 밀도는 에피택셜 박막을 형성할 때의 기판과 같이 평균적으로 170개/㎝로 매우 높았다.

(제4 실시예)

우선, [000 - 1] C 방향으로 성장한 4H형의 SiC 단결정으로부터 웨이퍼를 잘라 냈다. 이 때, SiC 단결정으로서는 마이크로 파이프 결함을 포함하지만, 적층 결함이 존재하지 않는 것을 이용하였다. 또한, 잘라 냄 면에 대해서는 SiC 단결정의 (11 - 20)면으로부터 [0001] Si 방향으로 10도 경사진 면을 잘라 냄 면으로 하였다(α = 10°, β = 0°). 또, 오프 방향의 [0001] Si 방향으로부터의 어긋남은 ±1도 이내로 하였다.

그리고, 잘라 낸 웨이퍼에 경면 연마를 실시함으로써, 에피택셜 성장용 기판을 얻었다. 이 시점에서 구경을 측정한 결과, 가장 작은 부분에서 20 ㎜였다.

다음에, 에피택셜 성장용 기판을 그래파이트 서셉터에 적재하고, 이들을 열 CVD 장치의 성장로 내에 넣은 후, 진공 배기하였다. 그 후, 배기를 고정하고 수소 가스를 도입하여 대기압으로 한 후, 수소 가스를 흐르게 한 상태에서 유도 가열에 의해 서셉터를 가열하였다. 서셉터 온도가 1580 ℃에 도달한 결과로, 수소 가스에다가 염화 수소 가스를 흐르게 하였다. 수소 가스 및 염화 수소 가스의 유량은, 각각 5.0 × 10^-5㎥/초, 1.7 × 10^-7㎥/초로 하였다.

그 후, 염화 수소 가스를 고정하고 수소 가스는 흐르게 한 상태에서, 800 ℃까지 강온하여 성장로 내의 염화 수소 가스를 퍼지하였다. 계속해서, 1500 ℃까지 승온하여 에피택셜 성장을 개시하였다.

SiC 에피택셜 박막의 성장 조건에 대해서는 성장 온도를 1500 ℃로 하고, 실란(SiH₄), 프로판(C₃H₈) 및 수소(H₂)의 유량을, 각각 5.0 × 10^-9㎥/초, 3.3 × 10^-9 ㎥/초, 5.0 × 10^-5㎥/초로 하였다. 성장 압력은 대기압으로 하였다. 그리고, 성장 시간을 4 시간으로 한 결과, 성장한 에피택셜 박막의 막 두께는 약 5 ㎛였다.

에피택셜 박막을 성장시킨 후, 노마르스키 광학 현미경에 의해 이렇게 얻어진 SiC 에피택셜 박막의 표면 모폴로지를 관찰하였다. 이 결과, 웨이퍼 전체면에 걸쳐 매우 평탄하고, 적층 결함에 기인하는 표면 결함이 매우 적어 양호하였다.

또한, 이 에피택셜 웨이퍼(에피택셜 기판)를 (1 - 100)면에서 벽개하고, 벽개면을 용융 KOH에서 에칭하여 에피택셜 박막 중의 적층 결함 밀도를 조사하였다. 이 결과, 적층 결함에 대응하는 에치 핏은 전혀 관찰되지 않았다.

(제2 비교예)

우선, [000 - 1] C 방향으로 성장된 4H형의 SiC 단결정으로부터 웨이퍼를 잘라 냈다. 이 때, SiC 단결정으로서는 마이크로 파이프 결함을 포함하지만, 적층 결함이 존재하지 않는 것을 이용하였다. 또한, 잘라 냄 면에 대해서는 SiC 단결정의 (11 - 20)면을 잘라 냄 면으로 하였다(α = 0°, β = 0°). 또, 이 표면의 (11 - 20)면으로부터의 어긋남은 ±0.5도 이내로 하였다.

다음에, 제3 실시예와 마찬가지로 하여 에피택셜 성장을 행하였다. 이 결과, 이렇게 얻어진 에피택셜 박막의 두께는 약 5 ㎛였다.

에피택셜 박막을 성장시킨 후 노마르스키 광학 현미경에 의해, 이렇게 얻어진 SiC 에피택셜 박막의 표면 모폴로지를 관찰하였다. 이 결과, 적층 결함에 기인한다고 생각되는 표면 결함이 웨이퍼 표면에 존재하였다.

또한, 이 에피택셜 웨이퍼(에피택셜 기판)를 (1 - 100)면에서 벽개하고, 벽개면을 용융 KOH에서 에칭하여 에피택셜 박막 중의 적층 결함 밀도를 조사하였다. 이 결과, 적층 결함 밀도는 에피택셜 박막 중에 10개/㎝였다.

이상 상세하게 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 마이크로 파이프 결함 및 적층 결함 등의 결정 결함이 적고, 또한 구경이 실용화에 적합한 질이 좋은 SiC 단결정으로 이루어지는 재료를 재현성 좋게 얻을 수 있다. 그리고, 이러한 SiC 단 결정으로 이루어지는 웨이퍼를 이용함으로써, 광학적 특성이 우수한 청색 발광 소자 및 전기적 특성이 우수한 전자 디바이스 등을 제조할 수 있다. 또, 특히 4H형의 SiC 단결정 웨이퍼를 이용함으로써, 종래에 비해 매우 저손실인 전력 디바이스를 제조할 수 있다.

Claims

탄화 규소 단결정으로 이루어지는 종결정은,

<0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 종결정.
제1항에 있어서, 상기 <0001> 방향은 [0001] Si 방향인 종결정.
제1항에 있어서, 상기 단결정 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 3도 이상 30도 이하 경사져 있는 종결정.
제2항에 있어서, 상기 단결정 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 3도 이상 30도 이하 경사져 있는 종결정.
제1항에 있어서, 상기 단결정 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 6도 이상 30도 이하 경사져 있는 종결정.
제2항에 있어서, 상기 단결정 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 6도 이상 30도 이하 경사져 있는 종결정.
제1항에 있어서, 상기 <0001> 방향은 [000 - 1] C 방향인 종결정.
제7항에 있어서, 상기 단결정 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 3도 이상 30도 이하 경사져 있는 종결정.
제7항에 있어서, 상기 단결정 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 6도 이상 30도 이하 경사져 있는 종결정.
탄화 규소 단결정으로 이루어지는 단결정 기판은,

<0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 에피택셜 성장면을 갖는 단결정 기판.
제10항에 있어서, 상기 <0001> 방향은 [0001] Si 방향인 단결정 기판.
제10항에 있어서, 상기 에피택셜 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 3도 이상 30도 이하 경사져 있는 단결정 기판.
제11항에 있어서, 상기 에피택셜 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 3도 이 상 30도 이하 경사져 있는 단결정 기판.
제10항에 있어서, 상기 에피택셜 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 6도 이상 30도 이하 경사져 있는 단결정 기판.
제11항에 있어서, 상기 에피택셜 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 6도 이상 30도 이하 경사져 있는 단결정 기판.
제10항에 있어서, 상기 <0001> 방향은 [000 - 1] C 방향인 단결정 기판.
제16항에 있어서, 상기 에피택셜 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 3도 이상 30도 이하 경사져 있는 단결정 기판.
제16항에 있어서, 상기 에피택셜 성장면은 상기 (11 - 20)면으로부터 6도 이상 30도 이하 경사져 있는 단결정 기판.
탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 종결정을 얻는 공정과,

상기 종결정의 상기 단결정 성장면 상에, 승화 재결정법에 의해 탄화 규소 단결정을 성장시키는 공정을 포함하는 탄화 규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
제19항에 있어서, 상기 종결정을 얻는 공정에 있어서, 상기 <0001> 방향으로서 [0001] Si 방향을 선택하는 탄화 규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
제19항에 있어서, 상기 종결정을 얻는 공정에 있어서, 상기 <0001> 방향으로서 [000 - 1] C 방향을 선택하는 탄화 규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 종결정의 상기 단결정 성장면 상에서 승화 재결정법에 의해 성장된 탄화 규소 단결정 잉곳이며,

그 구경이 20 ㎜ 이상인 탄화 규소 단결정 잉곳.
탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 종결정의 상기 단결정 성장면 상에서 승화 재결정법에 의해 성장된 탄화 규소 단결정 잉곳이며,

상기 <0001> 방향은 [0001] Si 방향이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상인 탄화 규소 단결정 잉곳.
탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 종결정의 상기 단결정 성장면 상에서 승화 재결정법에 의해 성장된 탄화 규소 단결정 잉곳이며,

상기 <0001> 방향은 [000 - 1] C 방향이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상인 탄화 규소 단결정 잉곳.
제22항에 기재된 탄화 규소 단결정 잉곳이 가공 및 연마된 탄화 규소 단결정 웨이퍼이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상인 탄화 규소 단결정 웨이퍼.
제23항에 기재된 탄화 규소 단결정 잉곳이 가공 및 연마된 탄화 규소 단결정 웨이퍼이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상인 탄화 규소 단결정 웨이퍼.
제24항에 기재된 탄화 규소 단결정 잉곳이 가공 및 연마된 탄화 규소 단결정 웨이퍼이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상인 탄화 규소 단결정 웨이퍼.
제25항에 기재된 탄화 규소 단결정 웨이퍼와,

상기 탄화 규소 단결정 웨이퍼 상에 성장한 탄화 규소 단결정 에피택셜막을 갖는 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판.
제26항에 기재된 탄화 규소 단결정 웨이퍼와,

상기 탄화 규소 단결정 웨이퍼 상에 성장한 탄화 규소 단결정 에피택셜막을 갖는 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판.
제27항에 기재된 탄화 규소 단결정 웨이퍼와,

상기 탄화 규소 단결정 웨이퍼 상에 성장한 탄화 규소 단결정 에피택셜막을 갖는 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판.
탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 기판을 얻는 공정과,

상기 기판의 상기 단결정 성장면 상에, 탄화 규소 단결정 에피택셜막을 성장시키는 공정을 포함하는 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 기판을 얻는 공정에 있어서, 상기 <0001> 방향으로서 [0001] Si 방향을 선택하는 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 기판을 얻는 공정에 있어서, 상기 <0001> 방향으로서 [000 - 1] C 방향을 선택하는 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판의 제조 방법.
탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 기판과,

상기 기판의 상기 단결정 성장면 상에서 성장된 탄화 규소 단결정 에피택셜막을 포함하는 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판이며,

그 구경이 20 ㎜ 이상인 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판.
탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 기판과,

상기 기판의 상기 단결정 성장면 상에서 성장된 탄화 규소 단결정 에피택셜막을 포함하는 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판이며,

상기 <0001> 방향은 [0001] Si 방향이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상인 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판.
탄화 규소 단결정으로 이루어지고, <0001> 방향으로부터 [1 - 100] 방향으로 -45도 이상 45도 이하 경사진 방향을 향해, (11 - 20)면으로부터 3도 이상 60도 이하 경사진 단결정 성장면을 갖는 기판과,

상기 기판의 상기 단결정 성장면 상에서 성장된 탄화 규소 단결정 에피택셜막을 포함하는 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판이며,

상기 <0001> 방향은 [000 - 1] C 방향이며, 그 구경이 20 ㎜ 이상인 탄화 규소 단결정 에피택셜 기판.