KR100775983B1 - 반절연 탄화규소 단결정 성장방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 반절연 탄화규소 단결정 성장방법은 비표면적을 상대적으로 감소시키고, 알파상의 비율을 증가시키기 위한 SiC 원료의 열처리 단계, SiC 원료를 도가니에 공급하는 단계, 도가니의 내부에 SiC 씨드를 배치하는 단계, 및 SiC 원료를 가열하여 SiC 단결정을 성장시키는 단계를 포함한다.

탄화규소, 단결정, 성장방법, 열처리, 마이크로파이프, 승화법, 하이브리드승화법

Description

반절연 탄화규소 단결정 성장방법{GROWING METHOD OF SEMI-INSULATING SiC SINGLE CRYSTAL}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반절연 탄화규소 단결정 성장방법을 나타낸 순서도이다.

도 2는 본 발명의 실시예의 승화법에 의한 결정성장 장치의 개략도이다.

도 3은 본 발명의 실시예의 하이브리드 승화법에 의한 결정성장 장치의 개략도이다.

도 4는 SiC 원료에 대한 열처리 시간에 따른 포러스 파우더(porous powder) 및 알파상의 SiC 양의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 5는 SiC 원료의 열처리 시간에 따른 비저항 특성의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 6은 SiC 원료의 열처리 시간에 따른 단결정 기판의 비저항을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 탄화규소 결정 성장방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결함이 적은 고품질의 반절연 탄화규소 단결정의 성장방법에 관한 것이다.

SiC, GaN, AIN, ZnO 등의 광대역 반도체 재료들은 유망한 차세대 반도체 소자 재료로서 주목을 받고 있다. 그러나, 이들 광대역 반도체 재료들 중 현재 단결정 잉곳(ingot) 성장기술이 확보되어 직경 2인치 이상의 기판으로 생산이 가능한 것은 SiC 단결정 재료뿐이다.

SiC는 1500℃ 이하에서 열적 안정성이 우수하고, 산화성 분위기에서의 안정성도 뛰어나며, 4.6W/cm℃ 정도의 큰 열전도도를 가지고 있다. 따라서 SiC는 고온 장시간 안정성이 요구되는 환경 하에서, GaAs 또는 GaN와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 훨씬 유용할 것으로 기대된다.

SiC는 전자이동도가 Si에 비해 작으나, 밴드갭이 Si의 2 내지 3배에 이르므로 동작 한계온도가 650℃이다. 따라서 동작 한계온도가 200℃ 이하인 Si에 비하여 동작 한계온도가 훨씬 높다는 장점이 있다.

또한, 화학적 및 기계적으로 강하므로 극한 환경에서도 사용할 수 있는 소자로 제작이 가능하다.

이러한 재료들의 본질적 물성차이에 기인한 소자의 성능 한계는 JFOM (Johnson's figure of merit), KFOM(Keyes' figure of merit), BFOM (Baliga’s Figure of Merit) 및 BHFFOM(Baliga high frequency figure of merit)과 같은 여러 가지 소자특성지수(figure of merit, FOM)로부터 쉽게 비교할 수 있다.

높은 주파수와 대전력의 응용의 이점을 나타내는 JFOM는 트랜지스터의 전력과 주파수의 한계를 항복전압과 포화전자 이동속도로부터 유도한 비교계수로서 SiC 가 Si에 비해 600배 이상이다.

이와 같이 우수한 물성을 가지는 SiC를 이용하여 개발된 소자가 현재 하루가 다르게 발표되고 있으며, 이에 따라 SiC의 응용범위가 광범위해지고 그 파급효과가 매우 빠른 속도로 커지고 있다.

그런데 SiC의 통신용 고주파 소자의 응용에 있어서는 비저항이 높은(10³ ohm-cm 이상) 단결정 기판이 요구되고 있는데, 이러한 응용을 위해서는 결함이 적은 고품질의 기판이 요구된다.

결함이 적은 고품질의 기판은 일반적으로 SiC 단결정에서 발생되는 마이크로 파이프(micro pipe)와 전위의 단위 영역당 개수가 적은 것을 말한다.

또한, 이러한 결함의 발생여부는 결정성장시 사용하는 원료, 도가니 소재의 순도, 및 미세한 분진 등에 의한 결함발생과 매우 밀접한 관계가 있다.

이 중에서도, 사용되는 원료는 결함의 발생에 매우 큰 영향을 미친다. 특히, 고순도 원료의 경우에도, SiC 원료의 한 원소인 Si가 탄소와 반응되지 않은 채 금속성 Si로 남아있는 경우에는 이로 인하여 결함이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 성장 전 열처리 공정을 적용하여 금속성 Si에 의한 결함을 방지하고 기판의 저항을 높여 고품질의 반절연 SiC 단결정 성장방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 SiC 단결정 성장방법은 비표면적을 상대적으로 감소시키고, 알파상의 비율을 증가시키기 위한 SiC 원료의 열처리 단계, SiC 원료를 도가니에 공급하는 단계, 도가니의 내부에 SiC 씨드를 배치하는 단계, 및 SiC 원료를 가열하여 SiC 단결정을 성장시키는 단계를 포함한다.

이 경우, SiC 원료를 열처리하는 단계는, 1500 내지 2600℃ 의 온도, 50 내지 3000Torr의 압력 하에서 이루어질 수 있다.

또한, SiC 원료를 열처리하는 단계에서 SiC 원료에 탄화수소계 기체를 혼입할 수 있다.

또한, SiC 원료를 열처리하는 단계에 의해, SiC 원료가 알파상의 SiC 파우더를 10vol% 이상 함유하도록 할 수 있다.

또한, SiC 씨드는 직경 8인치 이하의 헥사고날(6H, 4H, 2H)구조일 수 있으며, SiC 씨드의 {0001}, {1100}, {1120}, 또는 {0338} 중의 어느 한 방위에서 단결정의 성장이 시작될 수 있다.

또한, SiC 단결정을 성장시키는 단계는, 탄화수소 기체를 He 또는 H₂ 기체와 함께 공급하고, SiH₄ 기체를 He 기체와 함께 공급할 수 있다.

또한, SiC 단결정을 성장시키는 단계는, SiC 씨드 상에 4H, 6H, 3C, 또는 15R 폴리 타입의 SiC 단결정을 성장시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반절연 SiC 단결정의 성장방법의 공정을 나타낸 순서도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, SiC 단결정의 성장 방법은 SiC 원료의 열처리 단계(S10), SiC 원료를 도가니에 공급하는 단계(S20), 도가니의 내부에 SiC 씨드를 배치하는 단계(S30), 및 SiC 원료를 가열하여 SiC 단결정을 성장시키는 단계(S40)를 포함한다.

먼저, SiC 원료를 열처리하는 단계(S10)에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.

반절연 탄화규소 단결정 성장에 있어서, SiC 원료로는 고순도의 SiC 파우더를 사용할 수 있다. 상기한 SiC 원료에 대한 열처리 단계(S10)는 1500 내지 2600℃ 의 온도 및 50 내지 3000Torr의 압력 하에서 1 내지 48시간 동안 이루어질 수 있다.

1500℃는 베타 SiC가 알파 SiC로 전이되는 최저 온도이므로, 1500℃ 미만의 온도에서는 알파상으로의 전이가 일어나지 않게 된다. 또한, 열처리 온도가 2600℃을 넘는 경우에는, SiC 원료가 탄화되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 열처리의 온도는 1500 내지 2600℃가 바람직하다.

또한, 50Torr 미만의 압력에서는 가열된 원료에서 물질이동을 억제할 수 없 으며, 열처리 시의 압력이 3000Torr를 넘는 경우, 쿼츠(quartz)로 이루어지는 챔버가 이를 견딜 수 없게 된다.

따라서 열처리시의 압력은 50 내지 3000Torr가 바람직하다. 다만, 챔버의 조건에 따라 3000Torr 이상의 압력 하에서 열처리가 이루어 질 수 있다.

한편, 열처리는 1 내지 48 시간 동안 이루어 질 수 있다. 열처리가 1시간 미만으로 이루어 지는 경우에는 베타상에서 알파상으로의 전이 및 포러스 파우더(porous powder)의 변화가 적다.

또한, 열처리를 48시간 넘게 하는 경우, SiC 원료를 분쇄하는 복잡한 과정이 필요하게 되며, Si의 손실로 인하여 SiC 분말이 탄화되는 문제가 있다. 따라서 열처리는 1 내지 48 시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.

그러나 열처리의 시간은 열처리의 온도와 관계되므로 1900℃ 이상의 고온에서는 상대적으로 단시간의 열처리를 진행할 수 있으며, 1900℃ 미만의 저온에서는 상대적으로 장시간의 열처리를 진행하는 것이 바람직하다.

또한, 1900℃ 이상의 온도와 50Torr의 압력에서 3시간 이상의 열처리를 수행하게 되면, 물질의 이동이 발생하여 SiC 원료로부터 Si가 손실된다. 따라서 약 50Torr 정도의 상대적으로 낮은 압력 하에서는 고온에서 단시간 동안 열처리하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 열처리 단계를 통하여, SiC 원료인 SiC 파우더의 비표면적이 감소하고, SiC 알파상의 양이 증가하게 되며, 금속성 Si의 상대적인 농도가 감소하게 된다.

따라서 실제 SiC 단결정 성장이 이루어지는 성장영역 내부에서 Si 증기의 분압을 낮춰주어 Si 미세액적(micro-droplet)의 발생이 억제되고, 이에 따라 마이크로 파이프의 발생이 억제된다.

다만, SiC 원료의 열처리 후, SiC 원료에서 SiC 알파상이 10vol% 미만인 경우에는, 높은 Si 증기압에 의해 SiC 다결정이 형성될 수 있다. 따라서 상기한 열처리는 알파상의 SiC 파우더가 10vol% 이상으로 형성되도록 실시하는 것이 바람직하다.

한편, SiC 원료를 열처리하는 단계에서는 SiC 원료에 탄화수소계 기체를 추가적으로 혼입하여 탄소의 함유율을 증가시켜 금속성 Si의 잔류를 방지할 수도 있다.

또한, SiC 원료의 열처리에 의해, SiC 원료 내의 탄소 함유율이 상대적으로 증가하게 되므로 탄소원자 싸이트(site)의 공극을 제공하는 확률이 감소한다. 따라서 잔류 질소가 탄소원자 싸이트의 공극으로 혼입되는 것이 억제되어 반절연 SiC 단결정 성장이 유리해 진다.

다음으로, 상기와 같이 열처리된 SiC 원료를 도가니 내부에 공급하는 단계(S20)에 대하여 설명하도록 한다.

상기와 같이 열처리를 거친 SiC 원료를 결정성장 장치 내의 도가니에 공급한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반절연 탄화규소 단결정의 성장방법에서 사용되는 결정성장 장치의 일례를 도시한 것이다.

도 2 에 도시한 바와 같이, 결정성장 장치(100)는 내부에 SiC 원료(12)가 공 급되고, SiC 씨드(14)가 배치되는 도가니(10), 도가니(10)를 둘러싸는 단열재(20), 및 도가니(10)를 가열하도록 배치되는 유도코일(30)을 포함한다.

또한, 도시하지 않았으나 도가니(10)의 상부 및 하부에는 온도측정 장치가 설치될 수 있다.

도가니(10)는 일반적으로 원통형이나 반드시 원통형으로 한정될 필요는 없고 다른 형상으로도 제작이 가능하다.

도가니(10)는 SiC의 승화온도 이상의 융점을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 일례로, 도가니(10)는 흑연 또는 고온 저항형 금속 및 금속화합물로 이루어질 수 있다.

보다 구체적으로 도가니(10)는 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 금속과 금속 탄화물 또는 금속 질화물, 특히 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 그리고 이 중에서 둘 이상의 혼합물과 탄소가 이루는 탄화물과, Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 그리고 이 중에서 둘 이상의 혼합물과 질소가 이루는 질화물로 이루어질 수 있다.

단열재(20)는 도가니(10)와 동심을 이루며, 도가니(10)를 둘러싸도록 배치된다. 이 경우 도가니의 바닥면 및 커버 표면의 중앙부는 단열재(20)로 둘러싸이지 않고 노출되어 온도가 측정될 수 있다.

또한, 온도구배를 형성하기 위해 도가니(10)를 가열시키는 유도코일(30)이 단열재(20)의 외측으로 구비된다.

다만, 본 발명이 이러한 결정성장 장치의 구성에 한정되는 것이 아니며, 반절연 탄화규소 단결정을 성장하기 위해 이와 다른 다양한 형태의 결정성장 장치를 사용할 수 있다.

다음으로, 도가니의 내부에 SiC 단결정 씨드를 배치하는 단계(S30)에 대하여 설명하도록 한다.

도 2 에 도시한 바와 같이, SiC 씨드(14)를 도가니(10)의 상부에 배치할 수 있다. 또한, SiC 씨드(14)는 도시한 것과는 달리 도가니(10)의 바닥면에 배치할 수도 있다.

SiC 씨드(14)는 단결정 성장이 시작되는 SiC 종자 결정으로서 판상으로 제작하여 사용할 수 있다. 이러한 SiC 씨드(14)는 헥사고날(hexagonal; 6H, 4H, 2H) 구조, 큐빅(cubic; 3C) 구조, 또는 롬보히드랄(rhombohedral; 15R) 구조 중의 어느 한 구조를 가지는 SiC 단결정을 사용할 수 있다.

SiC 씨드(14)가 헥사고날 구조인 경우에는 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면이 {0001}, {1100}, {1120}, 및 {0338} 중의 어느 한 방위를 가지도록 할 수 있다.

또한, SiC 씨드(14)가 큐빅 구조인 경우에는 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면이 {100}, {110}, 및 {111} 중의 어느 한 방위를 가지도록 할 수 있다.

또한, SiC 씨드(14)가 롬보히드랄 구조일 때에는 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면이 {100}, {110}, 및 {111} 중의 어느 한 방위를 가지도록 할 수 있다.

한편, 보다 바람직하게는 SiC 씨드(14)는 헥사고날(hexagonal) 구조를 가지며, 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면은 {0001}, {1100}, {1120}, 및 {0338} 중의 어느 한 방위를 갖는다.

또한, SiC 씨드(14)는 사각, 반원, 원형 등의 판상인 것을 사용할 수 있으며, SiC 씨드(14)의 직경은 2 인치로 할 수 있다.

다음으로, SiC 단결정을 성장시키는 단계(S40)에 대하여 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에서 SiC 단결정을 승화법(sublimation) 또는 하이브리드 승화법(hybrid sublimation)에 의해 성장시킬 수 있다.

먼저, 도 2를 참고하여 승화법에 의하여 단결정을 성장시키는 방법을 설명하도록 한다. 승화법으로 SiC 단결정을 성장시킬 경우에는 SiC 파우더를 원료로 사용할 수 있다.

SiC 단결정을 성장시키기 위해 유도코일(30)을 사용하여 도가니(10)를 가열한다. 이에 따라 도가니(10)의 내부에 공급된 SiC 원료 및 SiC 씨드의 온도가 상승하게 된다.

이 때, 도가니(10)의 상부 및 하부에 각각 배치된 온도측정장치를 사용하여 SiC 원료부분과 SiC 씨드 부분 각각의 온도를 측정한다.

이 경우, SiC 단결정이 성장되는 씨드 부분의 온도는 1700 내지 2400℃인 것이 바람직하고, 원료 부분의 온도는 1800 내지 2500℃인 것이 바람직하다. 상기와 같이 가열된 SiC 씨드의 면에서 SiC 단결정이 점차 성장하게 된다.

도 3은 하이브리드 승화법을 사용하는 경우의 결정성장 장치(200)를 나타낸다. 도 3을 참고하여 하이브리드 승화법에 의하여 단결정을 성장시키는 방법을 설명하도록 한다.

하이브리드 승화법을 사용하는 경우에도, 도가니(40)의 내부에 SiC 원료(42) 로서 SiC 파우더가 공급되고, 상부 또는 하부에 SiC 씨드(44)가 배치된다.

또한, 도가니(40)의 외측으로 단열재(50) 및 유도코일(60)이 배치된다. 유도코일(60)에 의해서 도가니(40)가 가열되어 SiC 원료(42)를 승화시켜 단결정을 성장시키게 된다.

다만, 하이브리드 승화법을 사용하는 경우에는 탄소 소스로서 SiC 파우더 이외에 C₃H₈ 또는 C₂H₄와 같은 탄화수소 기체를 He 또는 H₂와 같은 수송기체와 함께 와 함께 장착하여 공급할 수 있다. 또한, Si 소스로서 SiH₄와 같은 기체를 He와 같은 수송기체와 함께 공급할 수 있다.

도 3에는 일례로, 원료가스가 도가니(10)의 하부로부터 공급되어 상부방향으로 배출되는 것을 도시하였다.

이상 설명한 승화법 또는 하이브리드 승화법에 의해, SiC 단결정은 2인치 내지 8 인치의 직경으로 성장된다. 이 경우, SiC 씨드 상에는 4H, 6H, 3C, 또는 15R 폴리 타입의 SiC 단결정을 성장시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 효과를 나타내기 위한 실험예에 대하여 설명하도록 한다. 이하에서 설명하는 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실험예

SiC 파우더 원료를 2100℃, 공정압력 600 Torr의 조건에서 2 내지 13시간 동안 열처리하였다.

도 4는 열처리 시간에 따른 알파상의 SiC 부피비와 포러스 파우더의 면적비를 나타내는 그래프이며, 도 5는 SiC 원료의 열처리 시간에 따른 평균 마이크로 파이프 밀도(micro pipe density, MPD)와 라만(Raman) 피크를 나타낸 그래프이며, 도 6은 SiC 원료의 열처리 시간에 따른 단결정 기판의 비저항을 나타낸 그래프이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 열처리시간이 증가함에 따라 알파상의 SiC가 증가되고, 크리스털 파우더(crystal powder)에 비하여 포러스 파우더의 양이 상대적으로 감소되었다.

이는 열처리에 따라 실제 성장이 이루어지는 성장영역 내부의 Si 증기의 분압이 낮아져 Si 미세액적(micro-droplet)의 발생이 억제됨에 따라 하고 마이크로 파이프의 발생이 방지되었다는 것을 의미한다.

또한, 도 5의 라만 피크 및 마이크로 파이프의 밀도에서 나타난 바와 같이, 열처리 시간이 증가함에 따라 라만 피크의 반치폭이 감소하는 경향으로 보아 결정성이 우수한 경향을 나타내었으며, 마이크로 파이프 밀도도 열처리 시간이 증가함에 따라서 감소하는 경향을 보였고 최적화된 열처리 시간은 6시간이었다.

또한, 도 6에서 제시한 바와 같이 단결정 기판의 비저항은 열처리 시간이 증가하면서 증가하는 경향을 보였다. 이는 전술한 바와 같이, 잔류 질소의 혼입이 이루어지지 않도록 열처리된 분말 원료로부터 형성되는 Si 증기의 분압이 상대적으로 낮아졌기 때문이다.

한편, 이와 다른 실험조건에서 SiC 파우더 원료를 2450℃, 공정압력은 600Torr 의 조건에서 1시간 동안 유지하여 열처리하였다.

이 경우에도, 상기한 실험예와 유사한 알파상의 부피비와 포러스 파우더의 면적비를 나타내는 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같이, 보다 고온에서 열처리하는 경우에는 상대적으로 짧은 시간의 열처리를 실시하는 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 반절연 탄화규소 단결정 성장방법에 의하면, SiC 원료를 고온 열처리함으로써 보다 효과적으로 결함이 적은 고품질의 반절연 탄화규소 단결정을 성장시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 비표면적을 감소시키고, 알파상의 비율을 증가시키기 위한 SiC 원료의 열처리 단계;

   상기 SiC 원료를 도가니에 공급하는 단계;

   상기 도가니의 내부에 SiC 씨드를 배치하는 단계; 및

   상기 SiC 원료를 가열하여 SiC 단결정을 성장시키는 단계

   를 포함하는 반절연 탄화규소 단결정 성장방법.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 SiC 원료를 열처리하는 단계는,

   1500 내지 2600℃의 온도, 50 내지 3000Torr의 압력 하에서 이루어지는 반절연 탄화규소 단결정 성장방법.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 SiC 원료를 열처리하는 단계에서 상기 SiC 원료에 탄화수소계 기체를 혼입하는 반절연 탄화규소 단결정 성장방법.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 SiC 원료를 열처리하는 단계에 의해, 상기 SiC 원료가 알파상의 SiC 파우더를 10vol% 이상 100vol% 미만 함유하도록 하는 반절연 탄화규소 단결정 성장방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 SiC 씨드는 그 직경이 0인치보다 크고 8인치 이하인 헥사고날(6H, 4H, 2H)구조인 반절연 탄화규소 단결정 성장방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 SiC 씨드의 {0001}, {1100}, {1120}, 또는 {0338} 중의 어느 한 방위에서 단결정의 성장이 시작되는 반절연 탄화규소 단결정 성장방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 SiC 단결정을 성장시키는 단계는,

   탄화수소 기체를 He 또는 H₂ 기체와 함께 공급하고, SiH₄ 기체를 He 기체와 함께 공급하는 반절연 탄화규소 단결정 성장방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 SiC 단결정을 성장시키는 단계는,

   상기 SiC 씨드 상에 4H, 6H, 3C, 또는 15R 폴리 타입의 SiC 단결정을 성장시키는 반절연 탄화규소 단결정 성장방법.

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