KR100855655B1

KR100855655B1 - 대형 실리콘 카바이드 단결정의 고품질 성장을 위한 시드및 시드홀더의 조합

Info

Publication number: KR100855655B1
Application number: KR1020077004689A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 게오르그 뮐러; 아드리안 파월; 발레리 에프. 츠베트코프
Original assignee: 크리 인코포레이티드
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2008-09-03
Also published as: ATE508215T1; CN101027433A; EP2388359B1; DE602005027853D1; EP1786956A1; EP2388359A3; US20070157874A1; KR20070040406A; CN101027433B; JP2008509872A; WO2006019692A1; TW200615406A; EP2388359A2; TWI301161B; US7192482B2; US20060032434A1; JP4979579B2; US7364617B2; EP1786956B1

Abstract

실리콘 카바이드 시드를 이용한 승화 성장 시스템과 관련된 방법을 제공한다. 상기 시스템은 도가니; 상기 도가니 내에 위치하는 실리콘 카바이드 원료 조성물; 상기 도가니 내에 위치하는 시드 홀더(seed holder); 상기 시드 홀더 상에 위치한 실리콘 카바이드 시드 결정; 상기 원료 물질로부터 상기 시드 결정으로의 증기 이송을 위해서, 상기 도가니 내에서 주 성장 방향이 상기 원료 조성물과 상기 시드 결정 사이가 되도록 설정한 주 열 구배를 생성하기 위한 수단을 포함하며, 상기 시드 결정은, 상기 시드 결정의 거시적인 성장 표면이 상기 주 열 구배 및 상기 주 성장 방향에 대해서 70도 내지 89.5도의 각도를 형성하고, 상기 시드 결정의 결정학상의 방향(crystallographic orientation)은 상기 결정의 c-축이 상기 주 열 구배와 약 0도 내지 2도의 각도를 가지는 상태로, 상기 시드 홀더 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.

Description

대형 실리콘 카바이드 단결정의 고품질 성장을 위한 시드 및 시드홀더의 조합 {SEED AND SEEDHOLDER COMBINATIONS FOR HIGH QUALITY GROWTH OF LARGE SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTALS}

본 발명은 실리콘 카바이드의 폴리타잎(polytype) 대형 단결정의 승화(sublimation) 성장에 관한 것이다.

실리콘 카바이드(SiC)는 이론적으로 실리콘 또는 갈륨비소로 만들어진 소자에 비해서 고온, 고전력, 고주파수에서 작동 가능한 전자 소자의 제조를 가능하게 하므로, 탁월한 물리적, 전기적 특성이 있는 것으로 오랫동안 알려져 왔다. 약 4x10⁶V/cm의 높은 절연파괴 전기장, 약 2x10⁷cm/sec의 높은 전자 드리프트(drift) 포화 속도, 및 약 4.9 W/cm-K의 높은 열 전도성으로 인해, 개념상으로 실리콘 카바이드는 고주파, 고전력 응용제품에 적합하다.

또한, 특히 다른 반도체 재료들과 비교할 때, 실리콘 카바이드는 매우 넓은 밴드갭(예를 들어, 실리콘의 1.12eV 및 갈륨비소의 1.42eV와 비교해서 알파 SiC의 경우 3eV 임), 높은 전자 이동도(mobility)를 가지고, 물리적으로 아주 단단하며, 뛰어난 열적 안정성을 가진다. 예를 들어, 실리콘의 녹는점은 1415℃이고 갈륨비 소의 녹는점은 1238℃인데 반해서, 실리콘 카바이드는 적어도 약 2000℃의 온도 이하에서는 본격적인 융해가 시작되지 않는다. 또한, 실리콘 카바이드는 반도체 재료 또는 반절연(semi-insulating) 재료로도 적용 가능하다.

하지만, 실리콘 카바이드의 상업화에 대한 장애 요소로서, 일반적인 방법에 비해 높은 공정 온도를 요구하고, 적절한 출발 재료를 구하기 어렵고, 특정한 도핑 기술을 성취하기가 어렵다는 것이 있으며, 아마 가장 중요한 것으로, 실리콘 카바이드는 150가지 이상의 폴리타잎으로 결정화가 되는데 이들 중 상당수는 미세한 열역학적 차이로 구별된다는 것이다. 그럼에도 불구하고, 미국 특허 제4,865,685 및 4,866,005(현재는 Re. 34,861)에서 논의된 것을 포함하여 최근의 진보된 기술들에 의하면, 실리콘 카바이드 및 실리콘 카바이드 기반의 소자들을 상업적 기반 및 규모로 생산하는 것이 가능하게 되었다.

이러한 진보된 기술들 중의 하나는 단결정(즉, 단일 폴리타잎) 에피택셜 층 및 벌크 단결정의 제조에 있어서 “오프-액시스(off-axis)”성장 기술을 사용하는 것이다. 일반적으로, “오프-액시스”라는 용어는, 기본 면이나 주축으로부터 일정한 각도(보통 1 내지 10도 사이)로 절단된 표면을 가지는 시드(seed) 결정이 성장(growth)을 위해 제공되는 결정 성장 기술을 설명하는데 사용된다. 기본적으로, 오프-액시스 성장 표면은 결정의 폴리타잎에 의해 제어되는 계단(step) 성장(측면 계단 성장)을 위한 많은 기회를 제공하는 것으로 알려져 있다. 기판 표면을 오프-액시스로 하게되면, 일련의 계단(step)이나 선반 형태의 형성을 초래하여 (의도적인) 비정렬 부분들을 수용한다. 계단들의 평균 간격 및 높이는 상기 비정렬의 정 도(즉, 선택된 오프-액시스 각도)에 따라 주로 결정된다.

반면에, 온-액시스(on-axis) 성장은, 성장 표면이 훨씬 적은 수의 정렬된 성장 사이트(site)를 설정하고 공급하며, 실리콘 카바이드의 (0001) 면은 폴리타잎 정보를 가지고 있지 않기 때문에, 일반적으로 온-액시스 성장은 선호되지 않는다. 대신에, 온-액시스 성장은 반드시 결함 부분으로부터 진행하며, 따라서 제어가 덜 용이하다.

그러나, 오프-액시스 성장은 그 특유의 문제점을 가지고 있다. 특히, 대형 실리콘 카바이드 결정(예를 들어, 웨이퍼나 소자 기판에 사용되는 것)의 벌크 성장은 일반적으로 승화에 의한 시드 성장 방법에 의해 수행된다. 승화에 의한 시드 성장 방법에 대한 상세한 사항은 상기 미국 특허 4,866,005에 개시되어 있으며, 이러한 내용은 당업자에게 널리 알려져 있다. 이 기술에 대한 개략적인 내용은 또한 제터링(Zetterling)의 “PROCESS TECHNOLOGY FOR SILICON CARBIDE DEVICES, INSPEC (2002) 2.2.2.1 - 2.2.2.4”에 기재되어 있다.

간단히 요약하면, 시드를 이용한 승화 기술은 원료 분말과 시드 결정을 담는 흑연 계열의 도가니를 이용한다. 상기 도가니는 상기 원료 분말(상대적으로 고온)과 상기 시드 결정(상대적으로 저온) 사이에 열 구배가 발생하도록 전기유도 등의 방법을 통해 가열된다. 주 구배(main gradient)는, 일반적으로 (그리고 의도적으로) 성장 도가니의 축 방향에 평행하게 놓이므로, 일반적으로 “축 방향의(axial)” 구배로 표현된다. 상기 성장 도가니 내부에는, 상기 원료 분말들이 바닥이나 하부에 위치하고 상기 시드 결정이 상부 및 상기 원료 분말 전부 혹은 일부의 반대편 에 위치한다. 원료 분말이 실리콘 카바이드의 승화 온도 이상으로 가열되면, 상기 분말은 일반적으로 혹은 두드러지게 축 방향 구배를 따라 이동하는 기화된 형태를 생성하고, 상기 시드 결정 상에 응축되어 원하는 성장을 하게 된다. 전형적인 승화에 의한 실리콘 카바이드 시드 성장 방법에서는 상기 원료 분말은 약 2000℃ 이상으로 가열된다.

시드를 이용한 벌크 단결정의 승화 성장에 있어서, 상기 결정의 기본 면(basal plane, 결정의 대칭 구조(symmetry)의 주요 면(principal plane)에 대해 평행한 면)을 상기 결정의 성장 표면 상에 계속 유지하기 위하여, 오프-액시스 방법은 볼록한 형태의 결정 성장을 필요로 한다. 또한, 시드를 이용한 승화 방법에 있어서 이러한 볼록한 형태의 성장을 위해서는, 일반적으로 상기의 축 방향(성장 방향) 열 구배에 더하여 상대적으로 높은 방사형 열 구배의 적용을 필요로 한다. 이러한 방사형 열 구배는 성장 온도에서 성장하는 결정에 스트레스를 가하게 되고, 이것은 다시 상기 결정이 상온이나 사용되는 온도로 냉각될 때 또 다른 스트레스를 발생시킨다.

실리콘 카바이드에 있어서, 오프-액시스 성장은 두 가지 요소의 조합에 기인하는 또 다른 문제점이 있다. 첫 번째 요소는, 실리콘 카바이드에 있어서 주 미끄럼(slip) 면은 기본 면이라는 것이다. 두 번째 요소는, 열 구배의 변화가 있는 경우에는 그 구배가 변화하는 방향으로 결정에 스트레스를 준다는 것, 즉 축 방향의 구배 변화는 상기 축 방향으로 결정에 스트레스를 준다는 것이다. 상기의 요소들과 관련된 당업자에게 이해되는 바와 같이, 상기 스트레스를 생성하는 것은 열 구 배의 존재가 아니라 상기 열 구배의 변화율이다. 달리 말하자면, 열 구배가 단위 거리당 온도의 변화를 나타낸다면, 상기의 스트레스는 단위 거리당 구배의 변화율에 따라서(즉, 2차 미분 함수에 따라서) 생성된다. 오프-액시스 승화 성장에 있어서, 기본 면이 주 성장 방향에 대해 오프-액시스이므로, 상기 구배의 변화율에 기인하는 축 방향 힘은 상기 미끄럼 면에 평행한 성분을 포함하여 인가하게 되며, 따라서 미끄럼 결함을 생성하게 된다. 상기 기본 면에 평행한 성분의 크기는, 벡터가 개별 성분으로 분해되는 공지의 방식에 의해, 상기 오프-액시스 각도가 증가함에 따라, 증가하게 된다.

그 결과로, 실리콘 카바이드 결정 또는 그 시드의 성장을 나타내는 오프-액시스의 각도를 증가시키면, 상기 기본 면에 가해지는 미끄럼 힘이 증가하게 되고, 이러한 힘은 다시 단위 면적당 미끄럼 결함의 농도를 증가시킨다.

반면에, 온-액시스 성장에서는, 열 구배의 변화에 기인하는 축 방향 힘은 상기 기본 (미끄럼) 면에 평행한 요소를 포함하지도 않고 인가하지도 않는다. 따라서 온-액시스 성장 동안에는 미끄럼 결함을 쉽게 방지할 수 있다. 그러나, 위에서 기술한 바와 같이, 온-액시스 성장에서는 폴리타잎 정보가 적고 단위 면적당 표면 계단(surface step) 농도가 낮기 때문에, 온-액시스 성장은 시드 결정의 폴리타잎을 성장하는 결정으로 복제하기에는 상대적으로 어려운 기술이다.

따라서 시드를 이용한 실리콘 카바이드의 승화 성장 기술에 있어서 온-액시스 방식과 오프-액시스 방식은 모두 특유의 단점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 실리콘 카바이드 성장 시스템은 도가니; 상기 도가니 내에 위치하는 실리콘 카바이드 원료 조성물; 상기 도가니 내에 위치하는 시드 홀더(seed holder); 상기 시드 홀더 상에 위치하는 실리콘 카바이드 시드 결정; 상기 원료 물질로부터 상기 시드 결정으로의 증기 이송을 위해서, 주(major) 성장 방향이 상기 원료 조성물과 상기 시드 결정 사이에 위치하도록 상기 도가니 내에 주 열 구배(major thermal gradient)를 생성하기 위한 수단을 포함하며, 상기 시드 결정은, 상기 시드 결정의 거시적인 성장 표면이 상기 주 열 구배에 대해서 70도 내지 89.5도의 각도를 형성하는 상태로, 상기 시드 홀더 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이와 유사한 실시예에 따르는 실리콘 카바이드 성장 시스템은 도가니; 상기 도가니 내에 위치하는 실리콘 카바이드 원료 조성물; 상기 도가니 내에 위치하는 시도 홀더; 상기 시드 홀더 상에 위치하는 실리콘 카바이드 시드 결정; 상기 원료 물질과 상기 시드 결정 사이의 증기 이송을 위해서, 주 성장 방향이 상기 원료 조성물과 상기 시드 결정 사이에 위치하도록 상기 도가니 내에 주 열 구배를 생성하기 위한 수단을 포함하며, 상기 시드 결정은, 상기 시드 결정의 거시적인 성장 표면이 상기 주 열 구배 및 상기 주 성장 방향에 대해서 70도 내지 89.5도의 각도를 형성하고, 상기 시드 결정의 결정학상의 방향(crystallographic orientation)은 상기 결정의 c-축이 상기 주 열 구배와 약 0도 내지 2도의 각도를 가지는 상태로, 상기 시드 홀더 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예는 결함을 줄인 실리콘 카바이드 대형 단결정의 성장 방법이다. 상기 방법은 시드 결정의 (0001) 면으로부터 약 1도 내지 10도의 오프-액시스인 시드 결정 성장 면 상에서 성장 핵을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 결정과 상기 원료 조성물 사이에 오프-액시스(off-axis) 결정의 기본 면(basal plane)에 실질적으로 수직인 열 구배를 형성한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방법은 실리콘 카바이드 시드 결정과 실리콘 카바이드 원료 조성물 사이에 주 성장 온도 구배를 형성하는 단계와 상기 시드 결정의 거시적인 성장 면이 주 성장 구배에 대해서 70도 내지 89.5도의 각도를 가지는 상태로, 상기 시드 결정을 시드 홀더 상에 위치시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방법은 실리콘 카바이드 시드 결정과 실리콘 카바이드 원료 조성물 사이에 주 성장 온도 구배를 형성하는 단계; (0001) 면으로부터 1도 내지 10도의 오프-액시스를 가지는 성장 면을 상기 시드 결정 상에 구비시키는 단계; 및 상기 시드 결정의 거시적인 성장 면이 주 성장 구배에 대해서 70도 내지 89.5도의 각도를 가지는 상태로, 상기 시드 결정을 시드 홀더에 위치시키는 단계를 포함한다.

상기 및 다른 목적들과 본 발명의 효과 및 이들이 구현되는 방법은 첨부한 도면을 참고로 하는 아래의 상세한 설명에 기초하여 더욱 명확해 질 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르는, 시드를 이용한 실리콘 카바이드 시스템의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따르는, 시드 결정과 주 열적 구배 간의 기하학 적인 관계를 나타내는 도면이다.

도 3은 오프-액시스 방향에서의 오프-액시스 시드의 개략적인 도면이다.

도 4는 오프 액시스 방향에서의 온-액시스 시드의 개략적인 도면이다.

도 5는 오프 액시스 시드 결정과 주 열 구배 사이의 기하학적 관계를 나타내는 도면이다.

도 6은 오프-액시스 실리콘 카바이드의 기본 (미끄럼) 면에 가해지는 응력을 나타내는 벡터 도면이다.

도 7은 온-액시스 실리콘 카바이드의 기본 (미끄럼) 면에 가해지는 응력을 나타내는 벡터 도면이다.

본 발명의 일 실시예는 시드를 이용한 실리콘 카바이드의 승화 성장 시스템이다. 본 실시예는 도가니, 상기 도가니 내에 위치하는 실리콘 카바이드 원료 조성물, 상기 도가니 내에 위치하는 시드 홀더(seed holder), 상기 시드 홀더 상에 위치하는 실리콘 카바이드 시드 결정; 상기 원료 물질로부터 상기 시드 결정으로의 증기 이송을 위해서, 주(major) 성장 방향이 상기 원료 조성물과 상기 시드 결정 사이에 위치하도록 상기 도가니 내에 주 열 구배(major thermal gradient)를 생성하기 위한 수단을 포함한다. 상기 시드 결정은, 상기 시드 결정의 거시적인 성장 표면이 상기 주 열 구배에 대해서 70도 내지 89.5도의 각도를 형성하고, 상기 시드 결정의 결정학상의 방향(crystallographic orientation)은 상기 결정의 c-축이 상기 주 열 구배와 약 0도 내지 2도의 각도를 가지는 상태로, 상기 시드 홀더 상에 위치한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르는, 시드를 이용한 실리콘 카바이드 시스템의 개략적인 단면도이다. 도 1은 이러한 시스템의 일반화된 도면이고, 정확한 축척으로 된 것은 아니며, 특허 청구된 본 발명을 실시하는 과정에서 많은 요소들이 포함되거나 대체될 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 인지할 수 있을 것이다. 따라서 도 1은 본 발명을 한정하기 위한 것이라기보다는 설명 및 예시를 위한 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1에서는 도가니를 도면 번호 10으로 개괄적으로 표현하고 있는데, 도가니는 관(tube) 형태인 부분(11), 바닥 부분(12), 시드 홀더(13)로 구성되어 있다. 많은 실시예에서 상기 도가니(10)의 바람직한 재료는 흑연(graphite)이지만, 부분적 또는 전체적으로 다른 재료가 혼합될 수 있고 코팅될 수도 있다. 그 예로는 탄탈륨 카바이드(TaC), 니오븀 카바이드(NbC), 및 이와 관련된 카바이드 조성물들이 있다.

실리콘 카바이드의 원료 조성물(14)은 상기 도가니 내부에 위치한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 실리콘 카바이드의 원료 조성물(14)은 대개 전형적으로 실리콘 카바이드의 원료 분말이며, 상기 도가니(10)의 내부에 위치한다.

시드 결정(16)은 상기 시드 홀더(13) 상에 위치하게 된다. 상기 시드 결정(16) 상에서의 승화 성장을 촉진하기 위해서, 상기 도가니(10) 내부에는 화살표(17) 방향으로 열 구배가 형성된다. 도 1에 도시되고 이러한 기술에서 자주 수행되는 바와 같이, 상기 흑연 등의 도가니(10)는 도면 번호 20으로 단면이 표시된 코일을 통하여 흐르는 전류에 의해 유도(inductively) 가열된다. 상기 코일은 일반적으로 석영 관(21)의 외부에 설치된다. 열 구배를 형성하기 위해서, 도면 번호 22로 개략적으로 표현된 절연체가 상기 석영 관(21) 및 도가니(10)의 내부 및 주위에 위치하게 된다. 그 목표는 실리콘 카바이드의 승화 온도에 도달하도록 상기 원료 분말을 가열하고, 상기 시드 결정(16)은 약간 낮은 온도를 유지하도록 구배를 형성하는 것이다. 이때 대부분의 분위기에서 온도의 변화는 구배(17)를 따라서 비교적 일정하게 유지된다. 바람직하게는 상기 원료 재료(14) 및 상기 시드 결정(16)의 온도는 모니터링(monitoring) 되는데, 일반적으로 적외선 (광학) 방식과 기구에 의해서 모니터링 된다. 필요에 따라서는, 요구되는 또는 필요한 구배를 제공하기 위해서, 상기 코일(20)에 인가되는 전류나 상기 절연체(22)의 위치를 조정할 수도 있다. 또한, 다른 방식이나 시스템에서는 유도 가열 방법이 아니라 저항 가열 방법을 사용하기도 한다.

일반적으로, 승화 성장은 상기 승화 공정에 대해 비활성인 분위기에서 수행된다. 선택가능한 일반적인 방법으로는 아르곤(argon) 등의 불활성 기체, 수소와 같은 다른 기체가 있고, 진공에서 진행할 수도 있다.

여기서 사용되는 “주 열 구배”라는 어구는 매우 높은 온도가 사용되는 본 발명의 이해를 강조하기 위해 사용되었으며, 다수의 열 구배들이 다수의 방향으로 존재할 수 있다. 그러므로 상기 구배들은 벡터양(vector quantity)으로 적절히 이해될 수 있다. 즉, 크기와 방향 모두에 의해 특징지어진다. 하지만, 상기 주 열 구배는 상기 시드 결정(16)과 상기 원료 분말(14) 사이에 형성되며, 도 1 및 대부 분의 성장 기술에서의 개략적인 방향에 있어서 수직한 (축방향의) 구배인 것으로 개념상 이해할 수 있다. 시드를 이용한 승화 성장의 특성 때문에, 상기의 성장은 주 열 구배의 방향과 동일한 방향으로 지배적으로 진행될 것이다.

다른 성장 기술에서는 특히 상기 주 열 구배에 수직한 방향이고, 상기 주 열 구배보다는 작은 크기를 가지는 방사형의 온도 구배를 더 포함한다. 만일 실제로 방사형 구배가 축 방향 구배보다 크기가 더 크다면, 주 성장 방향은 축 방향 구배가 아닌 방사형 구배를 따르게 될 것이다. 그러므로 종종 방사형의 구배를 형성하고 의도적으로 사용하기도 한다. 본 발명에서도 특별한 목적에 의해 요구되거나 필요한 경우에는 그러한 방사형의 구배를 결합하여 사용할 수 있을 것이다.

하지만, 본 발명에 있어서 기본이 되는 것은 상기 시드 결정(16)의 위치를 상기 시드 홀더(13) 상에 위치시키는 것이다. 본 발명에서 상기 시드 결정(16)은, 그 미시적인 성장 표면을 주 열 구배(17) 및 주 성장 방향에 대해서 약 70 내지 89.5도의 각도를 가지는 상태로(이러한 점에 있어서는 도 1은 축척과는 무관하다), 시드 홀더(14) 상에 위치한다. 이때, 상기 주 성장 방향은 주 열 구배로부터 정의되며 따라서 주 열 구배와 평행하다. 또한, 상기 시드 결정의 결정학 상의 방향은 결정(16)의 c-축이 상기 주 열 구배(17)와 약 0도 내지 2도의 각도를 이루며 형성되도록 위치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 시드 결정(16)의 성장 표면이 상기 결정의 (0001) 면으로부터 약 1도 내지 10도의 오프-액시스인 것이다. 달리 말하자면, 이러한 실시예에서는 시드 홀더(13)와 시드 결정(16)이 모두 오프-액시스이 다.

혹은, 상기 시드 결정의 성장 표면이 상기 결정의 기본 면이고, 이러한 기본 면이 결정의 (0001) 면인 실시예도 많은 장점이 있다. 달리 말하자면, 이러한 실시예에서는 시드 홀더(13)는 오프-액시스이고, 시드 결정(16)은 온-액시스이다. 하지만, 보다 바람직한 실시예로는, 시드 결정 자체는 상기 결정의 c-축이 상기 주 열 구배와 약 1도 미만의 각도를 형성하는 오프-액시스인 경우이다.

이 기술분야에서 매우 잘 알려진 바와 같이, 결정의 c-축은 대칭 구조의 대표(principal) 면에 대해 수직인 축이다. 또한, 여기에서 계속하여 사용되는 바와 같이, 대칭 구조의 상기 대표 면에 평행한 결정면을 기본 면으로 표현한다.

본 발명의 다양한 실시예가 도 2 내지 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 도입에 앞서 간단히 설명하면, 이들 도면은 몇 가지 관계들을 도시하고 있다. 첫 번째 관계는 시드 결정면과 시드 결정의 c-축에 대한 것이다. c-축에 수직이 아닌 면은 “오프-액시스” 면이다. 두 번째 관계는 성장 분위기에서 시드 홀더와 주 열 구배에 대한 것이다. 시드 홀더가 상기 주 열 구배에 대해 수직이 아닌 경우에, 상기 시드 홀더는 상기 구배에 대해서 “오프-액시스”이다. 세 번째 관계는 시드 결정이 성장을 위해 시드 홀더 상에 장착된 경우에, 상기 시드 결정의 면(거시적 성장 표면)과 상기 주 열 구배에 대한 것이다.

도 2에서, 상기 열 구배는 다시 개략적으로 도면 번호 17로 표현되었고, 상기 시드 결정은 도면 번호 16으로 표현되었다. 상기 시드 결정의 성장 표면은 도면 번호 23으로 표현되었고, 알파(α) 각도는 상기 주 열 구배(17)와 상기 성장 표 면(23) 사이의 각을 표현한다. 위에서 설명한 바와 같이, 알파는 바람직하게는 약 70도 내지 89.5도이며, 보다 바람직하게는 약 80도 내지 88도의 범위이다. 결정의 c-축은 도면 번호 24로 표현되며 상기 주 열 구배(17)로부터 약 0도 내지 2도의 상대적으로 작은 베타(β)각도에 의해서 상기 주 열 구배(17)로부터 떨어져 있다. 도 2는 개략적이기 때문에, 알파와 베타는 실제 축척에 맞게 그려진 것은 아니라고 이해되어야 한다.

도 3은 시드 홀더(13)와 시드 결정(16)이 모두 오프-액시스 방향인 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 기본 면은 도면 번호 18로 표현되어 있다. 이러한 조합에서 볼 수 있듯이, 상기 성장 표면(23)이 오프-액시스 시드 방식에 의해 바람직한 성장 단계를 제공함에 있어서, 상기 결정 24의 c-축과 상기 주 열 구배(17)는 서로 평행하여야 한다. 도 3은 본 발명의 이해를 돕기 위해 도 5, 6, 7과 비교하여 관찰되어야 한다.

도 4는 온-액시스인 시드 결정(16)에 대해서도 이점을 제공하는 본 발명의 소정 실시예를 도시하고 있다. 앞서 정의했던 요소들은 계속하여 같은 도면 번호로 표현된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 시드 홀더(13)는 온-액시스 시드 결정(16)에 대해서 오프-액시스 방향을 제공하고 있다. 상기 결정은 그 기본 면을 성장 방향에 대해서 수직하게 하려는 경향이 있기 때문에, 1c 스크루 스레딩 전이(screw threading dislocation)와 같은 다수의 진행형 결함들이 서로 교차하게 되어 재결합(p-n 접합 소자에서의 전자와 정공의 “재결합”과는 다른 의미임) 효과를 발생한다. 또한, 그러한 재결합은 최종적인 결정에서의 결함의 수를 줄이게 된다. 종래의 오프-액시스 성장에서는 기본 면이 성장 방향과 수직하지 않으므로 오프-액시스 성장에서 재결합 기회를 거의 제공하지 못 한다.

도 5는 결정(16)의 성장 표면(23)이 오프-액시스이지만, 상기 결정의 c-축(24)은 상기 결정이 기본 면(18)으로부터 오프-액시스인 것과 동일한 정도로 상기 주 열 구배(17)로부터 오프-액시스인, 종래의 오프-액시스 기술에서의 몇 가지 관계를 도시하고 있다. 배경 기술에서 언급한 바와 같이, 이러한 구조는 시드 결정(16)의 폴리타잎을 재현하는 데에는 몇 가지 유리한 점이 있지만, 도 6에 도시된 것과 같은 상황을 초래한다. 도 6은 상기 시드 결정(도 6에서는 표현하지 않음)의 성장 표면 23이 주 열 구배(17)에 대해서 오프-액시스인 벡터도이다. 열 구배에서의 모든 변화는 상기 열 구배(17)와 같은 벡터 방향으로 나타난다. 변화하는 구배로부터의 힘을 나타내는 벡터는 도면 번호 25로 표현하였다. 상기 벡터(25)는 성장 표면(23)에 대해 완전히 수직하지는 않기 때문에, 표면(23)에 대해 적용되는 상기 벡터는 두 개의 벡터 성분(26, 27)으로 나뉠 수 있다. 특히, 도면 번호 26의 벡터 성분은 상기 기본 면에 평행한 힘을 나타낸다. 배경 기술에서 자세히 설명하였듯이, 기본 면은 실리콘 카바이드에 대한 미끄럼 면이기 때문에, 상기 벡터 성분(26)은 성장 공정 동안에 미끄럼 결함의 발생을 촉진한다.

도 7은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 벡터도이다. 본 발명에 의하면, 결정의 c-축은 상기 열 구배(17)에 대해 평행하거나 거의 평행하기 때문에, 상기 열 구 배의 변화에 의해 생성된 힘 벡터(25)는 미끄럼 면(23)에 대해서 실질적으로 완전히 수직으로 인가된다. 그 결과로, 미끄럼 면에 대해 적용되는 힘의 성분은 거 의 없거나 기껏해야 최소 수준의 값이다. 따라서 본 발명은 시드를 이용한 승화 성장에 있어서 미끄럼 결함의 발생을 억제한다.

이론적으로, 본 발명은 오프-액시스 성장 표면과 상기 성장 방향(달리 말하면, 상기 성장 방향에 평행한 c-축 방향)에 대해 수직인 기본 면을 제공하기 위해서 쐐기(wedge) 모양의 시드를 가지는 온-액시스 시드 홀더를 포함할 수 있다. 하지만, 이러한 쐐기 모양의 시드는 많은 구조적인 어려움을 제공하므로, 덜 빈번하게 사용될 것이다. 마찬가지로, 도가니 전체를 기울이거나 상기 열 구배를 기울이는 것은 동일한 기하학적 효과를 제공할 수 있다고 볼 것이다. 하지만, 이러한 기술들은 상대적으로 복잡해서, 다른 요소들이 동일하다면, 실제 생산이나 상업적인 관점에서 경쟁력이 약하다고 할 것이다.

바람직한 실시예로, 상기 시드 결정은 4H 및 6H의 폴리타잎인 실리콘 카바이드로 구성되는 그룹에서 선택되는 폴리타잎을 가진다.

바람직한 실시예로, 상기 시드 홀더의 시드를 올려놓는 면은, 수평면(상기 주 성장 구배에 대해 수직한 면을 의미함)으로부터 약 4도 벗어나거나 상기 시드 결정의 성장 표면이 결정의 (0001) 면으로부터 약 4도 오프-액시스인 각도의 범위에서 설치된다. 물론, (여기 기재된 다른 모든 각도들과 마찬가지로) 이 각도는 보각의 개념으로도 설명될 수 있다. 즉, 상기 주 성장 구배에 대해서 약 86도의 각도이다.

따라서 본 발명의 다른 실시예는 결함을 줄인 실리콘 카바이드의 대형 단결정을 성장시키는 방법이다.

그 넓은 실시예로, 상기 방법은 상기 결정과 상기 원료 조성물 사이에 오프-액시스 결정의 기본 면에 실질적으로 수직인 열 구배를 형성하고, 시드 결정의 (0001) 면으로부터 약 0.5도 내지 10도의 오프-액시스인 시드 결정의 성장 면 상에서 성장 핵을 형성하는 단계를 포함한다.

이러한 실시예에 더하여, 본 발명은 실리콘 카바이드 시드 결정과 실리콘 카바이드 원료 조성물 사이에 주 성장 온도 구배를 형성하는 단계와 상기 시드 결정의 거시적인 성장 면이 주 성장 구배에 대해서 70도 내지 80도의 각도를 가지는 상태로 상기 시드 결정을 시드 홀더 상에 위치시키는 단계를 포함한다.

따라서 오프-앵글(off-angle) 시드 홀더와 오프-앵글(off-angle) 시드 결정의 조합은 미시적으로 온-액시스(즉, 실리콘 카바이드 시드 웨이퍼의 결정학 상의 c-축이 실리콘 카바이드의 성장의 주된 흐름 방향과 약 0도 내지 2도의 각도를 이루는 것)인 시드 표면을 형성하지만, 상기 시드 웨이퍼는 오프-액시스(즉, 거시적인 시드 표면이 실리콘 카바이드의 결정학 상의 c-축과 수직하지도 않고 수직에 가깝지도 않음)이므로, 상기 시드 표면은 거시적인 시드 표면이 실리콘 카바이드의 결정학 상의 c-축과 실질적으로 수직인 시드와 비교하여, 단위 면적당 높은 밀도의 표면 스텝들(steps)을 가진다. 이러한 표면 스텝들은 고품질의 실리콘 카바이드의 핵형성과 성장에 바람직한 스텝-플로우(step-flow) 성장 방식을 가능하게 하는 핵형성 사이트(nucleation site)로 작용한다.

본 발명은 핵 형성 이후 우수한 폴리타잎 안정성과 안정한 성장을 제공하며, 스프릿(split) 결함을 억제한다. 그리고 상기 기본 면에서의 열 스트레스 성분의 분해는 결정 내의 방사형 온도 구배의 존재에 의해 지배되며, 성장이나 냉각 단계에서 실리콘 카바이드 결정 내부의 기본 면의 전위(dislocation)의 형성과 관련된 열 스트레스의 발생을 억제하는 효과가 있다.

상기 도면 및 명세서에서 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims

실리콘 카바이드 성장(growth) 장치에 있어서,

도가니;

상기 도가니 내에 위치하는 실리콘 카바이드 원료 조성물;

상기 도가니 내에 위치하는 시드 홀더(seed holder);

상기 시드 홀더 상에 위치하는 실리콘 카바이드 시드 결정; 및

상기 원료 조성물로부터 상기 시드 결정으로의 증기 이송을 위해서, 주 성장 방향이 상기 원료 조성물과 상기 시드 결정 사이에 위치하도록 상기 도가니 내에 주 열 구배(major thermal gradient)를 생성하기 위한 수단

을 포함하며,

상기 시드 결정은, 상기 시드 결정의 표면이 상기 주 열 구배에 대해서 70도 내지 89.5도의 각도를 형성하는 상태로, 상기 시드 홀더 상에 위치하는 것을 특징으로 하는

실리콘 카바이드 성장 장치.
제 1항에 있어서,

상기 시드 결정의 표면은 상기 주 열 구배에 대해서 70도 내지 80도의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 1항에 있어서,

상기 시드 홀더는 상기 주 열 구배에 대해 수직인 방향과 0.3도 내지 20도의 각도를 형성하는 시드 홀딩(seed-holding) 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 3항에 있어서,

상기 시드 홀더의 시드 홀딩 면은 상기 주 열 구배에 대해 수직인 방향과 4도의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 1항에 있어서,

상기 시드 결정은, 상기 시드 결정의 표면이 상기 주 열 구배 및 상기 주 성장 방향에 대해서 70도 내지 89.5도의 각도를 형성하고, 상기 시드 결정의 결정학상의 방향(crystallographic orientation)은 상기 결정의 c-축이 상기 주 열 구배와 0도 내지 2도의 각도를 가지는 상태로, 상기 시드 홀더 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 5항에 있어서,

상기 시드 결정의 성장 표면은 상기 시드 결정의 (0001) 면으로부터 1도 내지 10도의 오프-액시스(off-axis)인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 5항에 있어서,

상기 시드 결정의 성장 표면은 상기 시드 결정의 기본 면(basal plane)인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 5항에 있어서,

상기 시드 결정의 성장 표면은 상기 시드 결정의 (0001) 면인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 5항에 있어서,

상기 시드 결정은, 상기 시드 결정의 표면이 상기 주 열 구배 및 상기 주 성장 방향에 대해서 70도 내지 80도의 각도를 형성하고, 상기 시드 결정의 결정학상의 방향은 상기 결정의 c-축이 상기 주 열 구배와 1도 미만의 각도를 가지는 상태로, 상기 시드 홀더 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,

상기 시드 결정은 4H 및 6H의 폴리타잎(polytype) 실리콘 카바이드로 이루어진 군에서 선택되는 폴리타잎 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 5항에 있어서,

상기 시드 홀더는 탄탈륨 카바이드(TaC), 니오븀 카바이드(NbC), 및 흑연(graphite)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 5항에 있어서,

상기 열 구배를 생성하기 위한 수단은 저항 가열기(resistance heater) 또는 유도 코일(induction coil)을 포함하며, 상기 유도 코일은 상기 도가니가 가열되어 반응을 일으키는 주파수에서 작동하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 5항에 있어서,

상기 시드 홀더의 시드 홀딩(holding) 면은 수평면으로부터 0.3도 내지 20도 이탈되며, 상기 시드 결정의 성장 면은 상기 시드 홀딩 면에 평행한 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 13항에 있어서,

상기 시드 홀더의 시드 홀딩 면은 수평면으로부터 4도 이탈되며, 상기 시드 결정의 성장 면은 상기 결정의 (0001)면으로부터 4도 만큼 오프-액시스인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
제 1항 또는 제 5항에 있어서,

상기 원료 조성물은 실리콘 카바이드 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 성장 장치.
시드를 이용한 승화(sublimation) 방식에 의해 결함을 줄인 실리콘 카바이드 단결정의 성장 방법에 있어서,

시드 결정의 (0001) 면으로부터 1도 내지 10도의 오프-액시스인 시드 결정 성장 면 상에서 성장 핵을 형성하는 단계를 포함하며,

상기 결정과 원료 조성물 사이에 오프-액시스(off-axis) 결정의 기본 면(basal plane)에 수직인 열 구배를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
시드를 이용한 승화(sublimation) 방식에 의해 결함을 줄인 실리콘 카바이드 단결정의 성장 방법에 있어서,

실리콘 카바이드 시드 결정과 실리콘 카바이드 원료 조성물 사이에 주 성장 온도 구배를 형성하는 단계; 및

상기 시드 결정의 면이 주 성장 구배에 대해서 70도 내지 89.5도의 각도를 가지는 상태로 상기 시드 결정을 시드 홀더 상에 위치시키는 단계

를 포함하는 방법.
제 17항에 있어서,

상기 시드 결정의 면이 상기 주 성장 구배에 대해서 70도 내지 80도의 각도를 가지는 상태로, 상기 시드 결정을 시드 홀더 상에 위치시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항에 있어서,

상기 주 성장 온도 구배는 전체 온도 차이가 50도 내지 200도가 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항에 있어서,

상기 시드 결정의 기본 면(basal plane)을 상기 성장 면으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항에 있어서,

생산되는 벌크 결정을 웨이퍼로 슬라이싱(slicing) 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21항에 있어서,

슬라이싱 된 상기 웨이퍼 상에 반도체 재료의 에피택셜(epitaxial) 층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22항에 있어서,

3족 원소의 질화물 및 실리콘 카바이드로 이루어진 군에서 선택되는 에피택셜 층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항에 있어서,

상기 시드 결정 상의 성장 면은 (0001) 면으로부터 1도 내지 10도의 오프-액시스인 것을 특징으로 하는 방법.
제 24항에 있어서,

상기 주 성장 구배에 대해서 70도 내지 80도 사이의 각도를 가지는 시드 홀더 상에 상기 시드 결정을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항 또는 제 24항에 있어서,

상기 주 성장 구배에 대해서 86도의 각도를 가지는 시드 홀더 상에 시드 결정을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 24항에 있어서,

상기 시드 결정의 성장 면을 상기 (0001)면으로부터 4도의 오프-액시스로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항 또는 제 24항에 있어서,

4H 및 6H의 폴리타잎(polytype) 실리콘 카바이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 폴리타잎 형태를 가지는 시드 결정을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.