KR101333337B1 - 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오프 각도가 6˚ 내지 그 이하인 기판을 사용한 에피텍셜 성장에 있어서, 스텝 번칭의 발생을 억제한 고품질 에피텍셜 막을 가진 에피텍셜 SiC 단결정 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 오프 각도가 6˚이하인 탄화규소 단결정 기판 위에 탄화규소 단결정 박막을 형성한 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판으로서, 상기 탄화규소 단결정 박막 표면의 표면 조도(Ra 값)가 0.5nm 이하인 것을 특징으로 하는 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판 및 그 제조 방법이다.

Description

에피텍셜 탄화규소 단결정 기판 및 그 제조 방법 {EPITAXIAL SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 에피텍셜 탄화규소(SiC) 단결정 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
탄화규소(SiC)는 내열성 및 기계적 강도가 우수하고, 물리적, 화학적으로 안정하기 때문에, 내환경성 반도체 재료로 주목받고 있다. 또한, 최근 고주파 고내압 전자 장치 등의 기판으로서 SiC 단결정 기판의 수요가 높아지고 있다.
SiC 단결정 기판을 사용하여, 전력 디바이스, 고주파 디바이스 등을 제작하는 경우에는 통상 기판 위에 열CVD법(열화학 증착법)이라 불리는 방법을 사용하여, SiC 박막을 에피텍셜 성장시키거나 이온 주입법에 의하여 직접 도펀트를 넣거나 하는 것이 일반적이지만, 후자의 경우에는 주입 후에 고온에서의 어닐링이 필요하기 때문에, 에피텍셜 성장에 의한 박막 형성이 많이 사용되고 있다.
최근, SiC 디바이스 기술의 발전에 따라 SiC 에피텍셜 기판에 대하여도 더 고품질이고 대구경인 것이 요구되고 있다. 에피텍셜 성장에 사용되는 SiC 기판은 에피텍셜 성장의 안정성, 재현성의 점에서 오프 각도가 있는 것이 사용되고 있는데, 통상은 8˚이다. 이와 같은 SiC 기판은 표면이 (0001) 면인 SiC 잉곳으로부터 소망하는 각도로 하여 잘라냄으로써 작성되고, 오프 각도가 클수록 1개의 잉곳으로부터 얻는 기판의 수는 감소하고 또한, 잉곳을 대구경화하는 동시에 길게 하는 것은 곤란해진다. 따라서, 대구경 SiC 기판을 효율적으로 제조하려면, 오프 각도를 작게 하는 것이 필수이고, 현재 구경이 3인치(75mm) 이상인 SiC 기판은 오프 각도가 6˚또는 그 이하인 기판이 주류이며, 그 기판을 이용한 에피텍셜 성장을 연구하고 있다.
그러나, 오프 각도가 작아지는 동시에, 기판 위에 존재하는 스텝의 수가 감소하기 때문에, 에피텍셜 성장시에 스텝-플로우(step-flow) 성장이 일어나기 어렵고, 그 결과, 스텝(step)끼리 집합하는 이른바 스텝 번칭(step-bunching)이 발생한다.
이에, 스텝 번칭의 발생을 억제하는 방법으로서 비특허 문헌 1에서는 에피텍셜 성장을 할 때에 재료 가스(원료 가스) 중에 포함되는 탄소와 규소의 원자수비(C/Si비)를 내리는 방법이 보고되어 있다. 또한, 특허 문헌 1에서는 성장 초기의 C/Si비를 0.5 내지 1.0으로 내림으로써, 나선 전위를 기점으로 한 소용돌이 성장의 발생을 억제하여 주위의 대량의 스텝 플로우에 덮이는 확률을 높여서, 에피텍셜 결함을 줄일 수 있다고 하고 있다.
그러나, C/Si비를 내리면, 잔류 질소가 에피텍셜 막 중에 들어가기 쉬워져, 이것이 도너로서 작용하기 때문에, 막의 순도를 올리는 것이 곤란하게 되어 실용에는 적합하지는 않다.
또한, 특허 문헌 2에는 결정 결함 밀도가 낮고, 결정성이 좋은 에피텍셜 박막을 얻기 위하여, 염화 수소 가스를 첨가한 분위기 내에서 에피텍셜층을 성장시키는 것이 개시되어 있다. 이것은 첨가한 염화수소에 의한 에칭 작용(기판 표면의 청정화)에 의하여, 에피텍셜 박막을 단지 결정 결함 밀도를 낮게 하여 결정성을 좋게 하는 것이다. 구체적으로는, 오프 각도가 8˚인 SiC 기판에, 3 내지 30 mL/min의 HCl, 0.3 mL/min의 SiH4의 가스를 포함하는 조건(Cl/Si비로 하면, 10 내지 100이 된다.), 즉 성장 중에 Cl/Si비가 100인 염화수소의 비율을 크게 하여 에칭 작용이 촉진되는 조건으로, 에피텍셜　성장시키고 있다. 또한, 특허 문헌 3에서는 열CVD법에 의한 에피텍셜　성장의 경우에, 부분적으로 입방정(3C 구조)의 SiC가 형성된다는 문제가 있다고 하면서, 상기 문제를 해결하기 위하여, 규소의 수소화 가스, 탄화수소 가스 및 캐리어 가스와 함께, HCl 가스를 동시에 공급하는 것이 개시되어 있고, 종래보다 작은 경사 각도로 기운(오프 각도가 작다) 경사 기판을 사용하여, SiC 에피텍셜층을 성장할 수 있다고 되어 있다.
또한, 에피텍셜 성장시키기 전의 SiC 기판이지만, Cl2 가스나 HCl 가스를 사용하여 SiC 기판의 표면을 에칭하여 평활하게 하는 것이 특허 문헌 4에 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 5에는 1200℃ 정도의 낮은 온도의 CVD법에 따르는 경우에는 규소 입자가 기상 중에 형성된다는 문제가 발생하고, 상기 문제를 해결하기 위하여, HCl 가스를 첨가함으로써 반응을 안정적이게 하고, 규소 입자가 기상 중에 형성하지 않게 작용하는 것이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 6에서는 저온 CVD법에 있어서의 원료 가스의 반응을 촉진하고, 900℃ 이하의 저온 역에 있어서도 SiC 결정 막을 형성하기 위하여, 원료 가스에 HCl 가스를 혼합하고 있다. 또한, 저온 CVD법이므로, 기판 온도가 1400℃ 이하인 온도에서 경면 성장이 가능하다라고 하고 있다. 또한, 특허 문헌 7에서는 탄화규소 단결정 막의 표면을 평탄하게 하기 위하여 원료 가스에 HCl 가스를 첨가하고 있고, 표면 조도가 약 5nm인 막이 제작되어 있다. 이 표면 조도는 기판 온도를 1350℃로 하는 CVD법에서 실란(SiH4) 0.2 CCM의 유량에 대하여 HCl 가스가 3 CCM인 유량(Cl/Si비로 15이다.)으로 함으로써 얻어진다.
따라서, 향후 디바이스에의 응용이 기대되는 SiC 에피텍셜 성장 기판이지만, 기판의 대구경화에 따라서, 오프 각도가 작은 기판을 사용하게 되면, 현재의 기술로서는 스텝 번칭이 남은 에피텍셜 막 위에 디바이스를 제작하게 된다. 본 발명자들은 오프 각도가 작은 기판 위에 디바이스를 제작하여 상세하게 검토한 결과, 다음과 같은 것이 밝혀졌다. 이와 같은 에피텍셜 막의 표면에는 다수의 요철이 생겨서 디바이스 전극 하에서의 전해 집중을 일으키기 쉬워진다. 특히, 쇼트키 배리어 다이오드, M0S 트랜지스터 등에 응용하는 것을 생각한 경우, 이 전해 집중은 게이트 누설 전류로서 현저하게 되어, 기기 특성을 열화시키게 된다.
일본 공개 특허 공보 2008-74664호 일본 공개 특허 공보 2000-001398호 일본 공개 특허 공보 2006-321696호 일본 공개 특허 공보 2006-261563호 일본 공개 특허 공보 소49-37040호 일본 공개 특허 공보 평2-157196호 일본 공개 특허 공보 평4-214099호
S. Nakamura et al., Jpn. J. Appl. Phys, Vol. 42, p. L846 (2003)
상기와 같이, 종래 기술에서 얻는 오프 각도가 작은 SiC 기판, 즉 6˚이하의 오프 각도의 SiC 기판에서는 스텝 번칭의 발생을 억제한 고품질 에피텍셜 막을 얻지 못하고, 디바이스 특성이나 디바이스 수율이 충분하지 않다는 문제가 있는 것으로 밝혀졌다.
또한, SiC 기판에 에피텍셜 막을 성장시키는 방법에 관하여, 상기 특허 문헌에 기재되어 있는 방법이 알려져 있다.
그러나, 특허 문헌 2 및 3은 6˚이하의 오프 각도의 SiC 기판에 에피텍셜 성장하는 경우에, 스텝 번칭의 발생을 억제하는 것을 개시하는 것은 아니다. 실제로, 본 발명자들이 이 문헌들에 개시되어 있는 조건을 검토한바, 6˚이하의 오프 각도의 SiC 기판에서는 스텝 번칭의 발생을 억제한 고품질 에피텍셜 막을 얻지 못하고, 디바이스 특성이나 디바이스 수율이 충분하지 않다. 또한, 마찬가지로 특허 문헌 5 내지 7에서 동일한 조건을 검토하였지만, 기판 온도가 낮고, 6˚이하의 오프 각도의 SiC 기판에서는 스텝 번칭의 발생을 억제한 고품질 에피텍셜 막 즉, 서브 nm 레벨 이하의 표면 조도가 되는 평탄한 표면을 가지는 에피텍셜 막을 얻지 못하여, 디바이스 특성이나 디바이스 수율이 충분하지 않다.
본 발명은 상기 오프 각도가 6˚ 내지 그 이하인 기판을 사용한 에피텍셜 성장에 있어서, 스텝 번칭의 발생을 억제한 고품질 에피텍셜 막을 가진 에피텍셜 단결정 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 에피텍셜 성장 시에 흘려보내는 재료 가스(원료 가스) 중에, 특정의 조건으로 염화수소 가스를 첨가함으로써 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 밝혀내고 완성한 것이다. 또한, 상기 방법에 의하여, 스텝 번칭의 발생이 억제된 결과 오프 각도가 6˚이하의 SiC 기판을 사용한 에피텍셜 SiC 단결정 기판을 제작할 수 있게 되었고, 이 에피텍셜 SiC 단결정 기판을 사용하여 디바이스 특성이나 디바이스 수율을 상세하게 검토하였다. 오프 각도가 6˚이하인 SiC 기판을 사용한 에피텍셜 SiC 단결정 기판에서, 탄화규소 단결정 박막 표면이 표면 조도(Ra 값)가 0.5nm 이하인 것을 얻지 못하였기 때문에, 이 표면 조도 레벨에 있어서의 디바이스 특성이나 디바이스 수율은 알려지지 않았지만, 본 발명자들은 상기 방법으로 제작한 에피텍셜 SiC 단결정 기판을 사용하여 검토한 결과, 탄화규소 단결정 박막 표면이, 표면 조도(Ra 값)가 0.5nm 이하이면, 디바이스 특성이나 디바이스 수율이 현저하게 향상하는 것을 밝혀내었다.
즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) 오프 각도가 6˚이하인 탄화규소 단결정 기판 위에 탄화규소 단결정 박막을 형성한 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판으로서, 상기 탄화규소 단결정 박막 표면의 Si 면의 표면 조도(Ra 값)가 0.5nm 이하인 것을 특징으로 하는 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판.
(2) 오프 각도가 6˚이하인 탄화규소 단결정 기판 위에, 열화학 증착법으로 탄화규소 단결정 박막을 1500℃ 이상의 성장 온도로 에피텍셜 성장시킬 때에, 탄소와 규소를 포함하는 원료 가스를 흘리는 동시에, 염화수소 가스를 흘려, 원료 가스 중의 규소 원자수에 대한 염화수소 가스 중의 염소 원자수의 비(Cl/Si 비)가 1.0 보다 크고 20.0 보다 작은 것을 특징으로 하는 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판의 제조 방법.
(3) 상기 탄화규소 단결정 박막을 에피텍셜　성장할 때의, 원료 가스 중에 포함되는 탄소와 규소의 원자수비(C/Si비)가 1.5 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 기판의 오프 각도가 6˚ 내지 그 이하이어도, 스텝 번칭의 발생을 억제하고, 표면 조도 Ra 값이 작은 고품질 에피텍셜 막을 가진 SiC 단결정 기판을 제공하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 제조 방법은 열CVD법이기 때문에, 장치 구성이 용이하고 제어성도 우수하며, 균일성, 재현성이 높은 에피텍셜 막을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 에피텍셜 SiC 단결정 기판을 사용한 디바이스는 표면 조도 Ra값이 작고, 평탄성이 우수한 고품질 에피텍셜 막 위에 형성되기 때문에, 그 특성 및 수율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일례에 의한 SiC 에피텍셜 막의 성장 순서를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일례에 의하여 성장된 SiC 에피텍셜 막의 표면 상태의 광학현미경 상을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일례에 의하여 성장된 SiC 에피텍셜 막의 표면 AFM 상을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일례에 의하여 성장된 SiC 에피텍셜 막 위에 형성된 쇼트키 배리어 다이오드의 순방향 특성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 일례에 의하여 성장된 SiC 에피텍셜 막의 표면 상태의 광학 현미경 상을 나타낸다.
도 6은 종래 기술에 의한 SiC 에피텍셜 막의 성장 순서를 나타낸다.
도 7은 종래 기술에 의하여 성장된 SiC 에피텍셜 막의 표면 상태의 광학 현미경 상을 나타낸다.
도 8은 종래 기술에 의하여 성장된 SiC 에피텍셜 막의 표면 AFM 상을 나타낸다.
본 발명의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, SiC 단결정 기판 위의 에피텍셜 성장에 대하여 설명한다.
본 발명에서 매우 적합하게 에피텍셜 성장에 사용하는 장치는 가로형(橫型)의 열CVD 장치이다. 열CVD법은 장치 구성이 간단하고, 가스의 on/off로 성장을 제어할 수 있기 때문에, 에피텍셜 막의 제어성, 재현성이 우수한 성장 방법이다.
도 6에 종래의 에피텍셜 막 성장을 실시할 때의 전형적인 성장 시퀀스를 가스의 도입 타이밍과 함께 나타낸다. 먼저, 성장 로에 기판을 세팅하고, 성장로 내를 진공 배기한 후, 수소 가스를 도입하여 압력을 1×104 내지 3×104 Pa로 조정한다. 그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 성장 로의 온도를 올려 1400℃ 정도에서 10 내지 30분간, 수소 중 또는 염화수소를 도입하여 염화수소 중에서의 기판의 에칭을 실시한다. 이것은 연마 등에 따른 기판 표면의 변질층을 없애고, 청정한 표면을 드러내기 위한 것이다. 상기 기판의 에칭 공정은 탄화규소 단결정 막의 성장 전에 기판 표면을 청정하게 하기 위하여 바람직한 것이지만, 이 공정이 없어도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 예를 들면, 이미 청정한 표면이 있는 기판이면, 기판의 에칭 공정은 없어도 좋다. 그 후, 온도를 성장 온도인 1500 내지 1600℃ 또는 1500 내지 1650℃로 올려서 재료 가스(원료 가스)인 SiH4와 C2H4를 도입하여 성장을 개시한다(즉, 1500℃ 이상으로 성장시키는 열CVD법이다.). SiH4 유량은 매분 40 내지 50㎤, C2H4 유량은 매분 20 내지 40㎤ 또는 30 내지 4O㎤이며, 성장 속도는 매시 6 내지 7㎛이다. 이 성장 속도는 통상 이용되는 에피텍셜층의 막 두께가 10㎛ 정도이기 때문에, 생산성을 고려하여 결정된 것이다. 일정 시간 성장하고, 소망하는 막 두께를 얻은 시점에서 SiH4와 C2H4의 도입을 멈추고 수소 가스만 흘려보내는 상태로 온도를 내린다. 온도가 상온까지 내려간 후, 수소 가스의 도입을 멈추고, 성장 실내를 진공 배기하고, 비활성가스를 성장실에 도입하여 성장실을 다시 대기압으로 되돌리고 나서 기판을 꺼낸다.
다음으로, 본 발명의 내용을 도 6의 성장 시퀀스로 설명한다. SiC 단결정 기판을 세팅하고, 수소 또는 염화수소 중에서의 에칭까지는 도 6과 같다. 그 후, 1500 내지 1600℃ 또는 1500 내지 1650℃의 성장 온도로 올리고, 재료 가스인 SiH4와 C2H4를 흘려보내 성장을 개시하지만, 이때, 동시에 HCl 가스도 도입한다. SiH4 유량은 매분 40 내지 50㎤, C2H4 유량은 매분 20 내지 40㎤ 또는 30 내지 40㎤이며, HCl의 유량은 가스 중의 Si과 Cl의 원자수의 비(Cl/Si비)가 1.0 내지 20.0이 되도록 하고, 매분 40 내지 1000㎤ 정도가 좋다. 성장 속도는 HCl 가스를 흘려보내지 않는 경우와 거의 같고, 소망하는 막 두께를 얻은 시점에서 SiH4와 C2H4 및 HCl의 도입을 멈춘다. 그 후의 순서는 HCl 가스를 흘려보내지 않는 경우와 같다. 이와 같이, 원료 가스와 HCl 가스를 동시에 흘려보냄으로써, 6˚ 내지 그 이하라고 하는 작은 오프 각도를 가진 기판 위에서도, 표면의 스텝 번칭의 발생이 억제된 양호한 에피텍셜 막을 얻을 수 있게 된다.
이것은 이하와 같이 생각된다. 성장 표면에서의 스텝-플로우를 저해하는 한 요인으로서 SiH4의 분해에 의하여 발생한 Si 원자가 기상 중에서 결합하고, 그것이 핵이 되어 Si 액적(droplet)을 형성하여, 기판 위에 부착하는 것을 생각할 수 있다. 또는, 과잉의 Si 원자가 성장 표면에서 응집할 가능성도 부정할 수 없다. 특히, 기판의 오프 각도가 작아져서, 테라스의 폭이 커짐에 따라, 상기 현상은 현저하게 된다고 생각된다. 그것이, HCl 가스를 도입함으로써 HCl이 분해하여 발생한 Cl가 기상 중에서 Si-Cl의 형태를 취함으로써, Si끼리의 결합을 억제하고 또는 성장 표면에서의 과잉 Si를 SiHxCly의 형태로 재증발시키는 등의 효과를 얻을 수 있고, 그 결과, 스텝-플로우 성장이 작은 오프 각도를 가진 기판 위에서도 지속되었기 때문이라고 생각할 수 있다.
한편, 오프 각도가 작은 SiC 기판 위에 에피텍셜　성장을 실시할 때, HCl를 사용하는 것으로서, 전술한 바와 같이 특허 문헌 2 및 3에 제안된 방법이 있다. 그러나, 특허 문헌 2의 방법의 경우는 기판 표면의 청정화에 의한 에피텍셜 막의 품질 향상(에치 피트 밀도의 감소)을 목적으로 하고 있다. 그 실시예에 있어서는 8˚오프 각도의 기판을 사용한 경우에, 6˚ 내지 그 이하의 오프 각도를 가진 기판 위에 에피텍셜 성장할 때의 스텝 번칭 발생 방지에 관한 것은 아니다. 또한, 특허 문헌 3의 방법의 경우에는 6˚이하의 오프 각도를 가진 기판 상 에피텍셜 성장의 경우도 포함되어 있지만, HCl를 첨가하는 효과로서 HCl의 에칭에 의하여 기판 표면에 강제적으로 스텝을 형성하는 것을 들고 있어서, 스텝이 증가함으로써, 표면에서의 3C-SiC의 발생을 막을 수 있다고 하고 있다. 따라서, HCl가 분해되어 발생한 Cl와 Si와의 반응을 이용하여, 표면 조도 Ra를 0.5nm 이하로 하는 본 발명과는 기본적으로 다르다.
즉, 본 발명에서는 에피텍셜 성장 중에, 그 원료 가스와 함께 HCl 가스를 도입하는 것이지만, 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 HCl의 에칭 작용을 이용하는 것이 아니라, 기상 중에서 Si-Cl의 형태를 취하고, Si끼리의 결합을 억제하는 작용을 이용하는 것이므로, 에피텍셜 막의 성장 속도는 HCl를 도입하지 않는 경우와 거의 동일하게 충분히 크다. 구체적으로는, 에칭 작용이 거의 일어나지 않는, HCl 도입 양이 적은 조건(Cl/Si비로 1.0 내지 20.0의 범위)이다. 특허 문헌 2에서는 전술한 바와 같이, 오프 각도가 8˚인 SiC 기판이지만, Cl/Si비로 하면 10 내지 100이 되는 범위에서 성장 중에 HCl를 도입한다고 하고 있다. 그러나, 성장 중에 Cl/Si비가 20을 넘는 경우와 같은 HCl를 다량으로 도입하는 조건을 포함하므로, 본 발명의 상기 효과를 얻을 수 없다. 본 발명의 효과를 얻기 위해서는 성장 중에 도입하는 HCl의 양은 Cl/Si비로 20.0을 넘지 않게 하는 것이 중요하다.
본 발명에 의하여, 6˚ 내지 그 이하라는 작은 오프 각도(즉, 0˚ 내지 6˚의 오프 각도이다.)를 가진 기판 위에서도, 표면의 스텝 번칭의 발생이 억제된 양호한 에피텍셜 막을 얻게 되었지만, 성장하는 에피텍셜층의 두께에 대하여는 통상 형성되는 디바이스의 내압, 에피텍셜 막의 생산성 등을 고려하였을 경우, 5㎛ 이상 50㎛ 이하가 좋다. 또한, 오프 각도가 0˚초과의 오프 각도를 가진 기판이 에피텍셜 막이 성장하기 쉽기 때문에 좋다. 또한, 기판의 오프 각도에 대하여서는 1˚이하이면, 표면에 존재하는 스텝의 수가 적어져서, 본 발명의 효과가 나타나기 어려워지기 때문에, 1˚보다 크고 6˚이하가 좋다. 또한, 성장시의 가스 중에 포함되는 Cl/Si비는 1.0보다 작으면 HCl 가스를 첨가한 효과가 나타나지 않고, 20.0보다 크면, HCl 가스에 의한 에칭이 이루어지기 때문에, 1.0에서 20.0 사이가 좋지만, 더 적합하게는 4.0 내지 10.0의 사이이다. 더 좋은 Cl/Si비는 4.0 이상 10.O 미만이다.
또한, 재료 가스에 있어서의 C/Si비는 스텝-플로우 성장을 촉진하기 위하여 1.5 이하가 바람직하지만, 1.0 보다 작으면 이른바 사이트-컴피티션(site-competition) 효과로, 잔류 질소가 크게 혼입되어, 에피텍셜 막의 순도가 저하하기 때문에, 더 적합하게는 1.0 내지 1.5의 사이이다.
또한, 본 발명에서는 오프 각도가 6˚이하인 SiC 기판은 직경 2인치 이상 (직경 50mm 이상)의 사이즈인 것이 본 발명의 효과를 더 현저하게 얻을 수 있다. SiC 기판이 작은 경우 (예를 들면, 직경 2인치 (직경 50mm) 미만에서는), 열CVD법에 있어서의 기판의 가열은 전 기판 표면에 균일하게 실시하는 것이 용이하고, 그 결과, 스텝 번칭이 발생하기 어렵다.
따라서, 본 발명의 조건으로 HCl를 도입하여도, 스텝 번칭 발생의 억제 효과를 발휘할 수 없는 경우가 있다. 다만, 작은 SiC 기판에서도 가열법이 불균일하면, 스텝 번칭의 발생이 일어나기 쉬우므로, 본 발명의 효과를 현저하게 얻을 수 있다. 한편, SiC 기판이 커지고, 직경 2인치(직경 50mm) 이상이 되면, 기판 표면 전체를 균일하게 가열하는 것(균일한 온도로 유지하는 것)이 어려워지므로, 결정 성장의 속도가 부위에 따라 다르게 되고, 그 결과, 스텝 번칭이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 이와 같은 스텝 번칭이 발생하기 쉬운 큰 SiC 기판에서는 본 발명의 조건으로 HCl를 도입함으로써 스텝 번칭의 발생을 억제한다고 하는 효과를 충분히 발휘할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, SiC 단결정 기판에 에피텍셜 막을 성장할 때에 소정의 유량의 HCl 가스를 존재시킴으로써, 표면 조도(Ra 값)가 0.5nm 이하인 고품질의 SiC 단결정 박막을 얻을 수 있다. 또한, 표면 조도 Ra는 JIS B 0601:2001에 준거하는 산술 평균 조도이다. 본 발명의 제조 방법에 있어서 더 최적인 조건으로 하면, 표면 조도(Ra 값)가 0.4nm 이하인 더 고품질의 SiC 단결정 박막을 용이하게 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하여, 표면 조도(Ra 값)가 0.5nm 이하를 포함하는 표면 조도가 다른 여러 가지 에피텍셜 막을 가진 SiC 단결정 기판을 제작하고, 각각의 기기 특성이나 디바이스 수율을 조사하였다. 그 결과, 아래의 실시예에도 나타나는 바와 같이, SiC 단결정 박막 표면이 표면 조도(Ra 값)가 0.5nm 이하, 좋기로는, 0.4nm 이하이면, 디바이스 특성이나 디바이스 수율이 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 하여 성장된 에피텍셜 기판 위에 매우 적합하게 형성되는 디바이스는 쇼트키 배리어 다이오드, PIN 다이오드, M0S 다이오드, M0S 트랜지스터 등, 특히 전력 제어용으로 사용되는 디바이스이다.
실시예
(실시예 1)
2인치(5Omm) 웨이퍼용 SiC 단결정 잉곳을 약 400㎛의 두께로 슬라이스하고, 거친 연삭과 다이아몬드 숫돌에 의한 통상 연마를 한 4H형의 폴리 타입을 가진 SiC 단결정 기판의 Si 면에, 에피텍셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프 각도는 4˚이다. 성장 순서는, 성장로에 기판을 세팅하고, 성장로 내를 진공 배기한 후, 수소 가스를 매분 150L 도입하면서 압력을 1.0×104Pa로 조정하였다. 그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 성장로의 온도를 올려 1550℃에 도달한 후, 염화수소를 매분 1000㎤ 흘려보내고, 20 분간 기판의 에칭 하였다. 에칭 후, 온도를 1600℃까지 올려 SiH4 유량을 매분 40㎤, C2H4 유량을 매분 22㎤(C/Si=1.1), HCl 유량을 매분 2OO㎤(CI/Si=5.0)으로 하고 에피텍셜층을 10㎛ 성장하였다. 이때의 성장 속도는 매시 7㎛ 정도이었다.
이와 같이 하여 에피텍셜 성장을 실시한 막 표면의 광학 현미경 사진을 도 3에, 또한 표면 AFM상을 도 3에 나타낸다. 도 2로부터, 표면은 경면으로 되어 있고, 스텝 번칭이 생기지 않은 것을 알 수 있다. 또한, 도 3으로부터, 표면 조도 Ra 값은 0.21nm인 것을 알 수 있고, 이것은 8˚ 오프 기판 위의 에피텍셜　성장 막의 값과 거의 동등하였다. 이와 같은 에피텍셜 막을 사용하여 쇼트키 배리어 다이오드(직경 200㎛)를 형성하였을 때의, 다이오드의 순방향 특성을 도 4에 나타낸다. 도 4로부터, 전류 개시시의 직선성은 양호하고, 다이오드의 성능을 나타내는 n 값이 1.01로 거의 이상적인 특성을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 상기와 같이, 동일한 기판 위에 쇼트키 배리어드를 100개 더 제작하여 동일한 평가를 하였더니, 모두 불량이 없고 동일한 특성을 나타내었다.
(실시예 2)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 거친 연삭, 통상 연마를 실시한 4H형의 폴리 타입을 가진 2인치(50mm)의 SiC 단결정 기판의 Si 면에, 에피텍셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프 각도는 4˚이다. 성장 순서, 온도 등은 실시예 1과 같지만, 가스 유량은 SiH4 유량을 매분 40㎤, C2H4 유량을 매분 22㎤(C/Si=1.1}, HCl 유량을 매분 400㎤(Cl/Si=10.0)로 하고, 에피텍셜층을 10㎛ 성장하였다. 성장 후의 에피텍셜 막의 광학 현미경 사진을 도 5에 나타낸다. 도 5로부터, 이 조건의 경우에도 스텝 번칭이 생기지 않은 양호한 막인 것을 알 수 있다. 또한, AFM 평가로부터, 표면 조도 Ra 값는 0.16nm이었다. 성장 후, 실시예 1과 마찬가지로 쇼트키 배리어 다이오드를 형성하고, 성장 중에 HCl를 첨가하지 않는 종래의 방법에 따른 4˚오프 기판 위의 에피텍셜 막 위에 형성한 쇼트키 배리어 다이오드와 함께 역방향의 내압을 평가하였다. 각각의 다이오드를 100개 평가한 결과는 본 발명에 의한 에피텍셜 막 위의 다이오드의 내압(중앙값)이 340V, 종래 방법에 따른 에피텍셜 막(표면 조도 Ra 값: 2.5nm) 위의 다이오드의 내압(중앙값)이 320V이며, 본 발명에 의한 에피텍셜 막 위의 다이오드가 우수한 특성을 나타내었다. 본 발명에 의한 에피텍셜 막 위에 제작한 100개의 다이오드는 모두 불량이 없는 것이었다. 종래 방법에 따른 에피텍셜 막 위에 제작한 100개의 다이오드 중 5개의 불량이 발생하였다.
(실시예 3)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 거친 연삭, 통상 연마를 실시한 4H형의 폴리 타입을 가진 2인치(50mm)의 SiC 단결정 기판의 Si 면에 에피텍셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프 각도는 4˚이다. 성장 순서, 온도 등은 실시예 1과 동일하지만, 가스 유량은 SiH4 유량을 매분 40㎤, C2H4 유량을 매분 28㎤(C/Si=1.4), HCl 유량을 매분 200㎤(Cl/Si=5.0)으로 하고, 에피텍셜층을 10㎛ 성장하였다. 성장 후의 에피텍셜 막은 스텝 번칭이 생기지 않은 양호한 막이며, 표면 조도 Ra 값은 0.23nm이었다. 실시예 1과 마찬가지로 쇼트키 배리어 다이오드를 형성하고, n값을 구하면 1.01이며, 이 경우에도 거의 이상적인 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 상기와 같이 동일한 기판 위에 쇼트키 배리어오드를 100개 더 제작하여 동일한 평가를 실시하였더니, 모두 불량이 없고 동일한 특성을 나타내었다.
(실시예 4)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 거친 연삭, 통상 연마를 실시한 4H형의 폴리 타입을 가진 2인치(50mm)의 SiC 단결정 기판의 Si 면에 에피텍셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프 각도는 2˚이다. 성장 순서, 온도 등은 실시예 1과 동일하지만, 가스 유량은 SiH4 유량을 매분 40㎤, C2H4 유량을 매분 2O㎤(C/Si=1.0), HCl 유량을 매분 400㎤(Cl/Si=10.0)로 하고, 에피텍셜층을 10㎛ 성장하였다. 성장 후의 에피텍셜 막은 스텝 번칭이 생기지 않은 양호한 막이며, 표면 조도 Ra 값은 0.26nm이었다. 실시예 1과 같이 형성한 쇼트키 배리어 다이오드의 n값은 1.02이며, 이 경우도 거의 이상적인 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 상기와 같이, 동일한 기판 위에 쇼트키 배리어오드를 100개 더 제작하여 동일한 평가를 실시하였더니, 모두 불량이 없고 동일한 특성을 나타내었다.
(실시예 5)
실시예1과 마찬가지로 슬라이스, 조삭, 통상 연마를 실시한 4H형의 폴리 타입을 가진 2인치(50mm)의 SiC 단결정 기판의 Si 면에 에피텍셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프 각도는 6˚이다. 성장 순서, 온도 등은 실시예 1과 같지만, 가스 유량은 SiH4 유량을 매분 40㎤, C2H4 유량을 매분 22㎤(C/Si=1.1), HCl 유량을 매분 200㎤(Cl/Si=5.0)로 하고, 에피텍셜층을 10㎛ 성장하였다. 성장 후의 에피텍셜 막은 스텝 번칭이 생기지 않은 양호한 막이며, 표면 조도 Ra 값은 0.19nm이었다. 이 에피텍셜 막과 종래의 방법에 의하여 형성한 6˚오프 기판 위의 에피텍셜 막을 이용하여 실시예 2와 같이 쇼트키 배리어 다이오드의 역방향 내압을 50개 평가하였다. 결과는 본 발명에 따른 에피텍셜 막 위의 다이오드의 내압(중앙값)이 350V, 종래 방법에 따르는 에피텍셜 막(표면 조도 Ra 값: 2nm) 위의 다이오드의 내압(중앙값)이 330V이며, 본 발명을 사용한 에피텍셜 막 위의 다이오드가 우수한 특성을 나타내었다. 본 발명에 의한 에피텍셜 막 위에 제작한 100개의 다이오드는 모두 불량이 없는 것이었다. 종래 방법에 따른 에피텍셜 막 위에 제작한 100개의 다이오드 중에서 5개의 불량이 발생하였다.
(실시예 6 내지 17)
실시예 1과 같이 슬라이스, 거친 연삭, 통상 연마를 실시한 4H형의 폴리 타입을 가진 2인치(50mm)의 SiC 단결정 기판의 Si면에 에피텍셜 성장을 실시하였다. 성장 순서, 온도 등은 실시예 1과 같고, 기판의 오프 각도, C/Si비, Cl/Si비를 표 1과 동일하게 바꾸어 에피텍셜층을 10㎛ 성장하였다. 성장 후의 에피텍셜 막은 스텝 번칭이 생기지 않은 양호한 막이며, 표 1에는 성장 후의 에피텍셜 막 표면 조도 Ra 값 및 실시예 1과 동일하게 형성한 쇼트키 배리어 다이오드의 n값도 나타내었다. Ra값은 모두 0.4nm 이하로 평탄성이 우수한 막이 얻어지는 것을 알 수 있고, 또한, n값도 1.03 이하로 거의 이상적인 다이오드 특성이 얻어졌다. 또한, 실시예 1 내지 17에 있어서는 성장 전에 염화수소에 의한 기판의 에칭을 하고 있지만, 이 프로세스를 생략하더라도, 성장 후의 Ra값에 변화는 없었다. 또한, 실시예 6은 Ra값이 0.4nm이고, n값이 1.03으로 되어 있으나, 기판의 오프 각도가 없기 때문에, 단결정 성장 속도가 느리고, 오프 각도가 있는 기판을 사용한 경우에 비하여 10㎛의 두께로 성막하는데 장시간이 걸린다.
Figure 112011043880122-pct00001
(비교예)
비교예로서 실시예 1과 동일하게 슬라이스, 거친 연삭, 통상 연마를 실시한 4H형의 폴리 타입을 가진 2인치(50mm)의 SiC 단결정 기판의 Si 면에 에피텍셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프 각도는 6˚이다. 성장 순서, 온도 등은 실시예 1과 동일하지만, 가스 유량은 SiH4 유량을 매분 40㎤, C2H4 유량을 매분 22㎤(C/Si=1.1)로 하고, HCl는 흘려보내지 않고 에피텍셜층을 10㎛ 성장하였다. 성장 후의 에피텍셜 막의 광학 현미경 사진을 도 7에, 표면 AFM상을 도 8에 나타낸다. 도 7, 도 8로부터, 성장 후의 표면은 주름 형태로 되어 있어서, 스텝 번칭이 발생한 것을 알 수 있다. 또한, 도 8로부터, 표면 조도 Ra 값은 1.9nm이며, 실시예 1 내지 5에 비하여, 약 한 자리수가 큰 값이었다. 실시예 5의 경우에 나타낸 바와 같이, 이와 같은 에피텍셜 막 위에 쇼트키 배리어 다이오드를 형성하고, 역방향의 내압을 평가하였더니, 본 발명에 의한 에피텍셜 막 위의 다이오드에 비하여 특성은 떨어졌다. 이와 같이 100개의 쇼트키 배리어 다이오드를 제작하였더니, 그 중 8개의 불량이 발생하였다.
또한, 기판의 오프 각도가 7˚인 SiC 단결정 기판을 실시예 1과 동일하게 제작하고, 원료 가스와 동시에 HCl를 흘렸을 경우와 HCl를 흘리지 않은 경우에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 에피텍셜 막을 성장시켰다. 오프 각도가 크기 때문에 스텝 번칭이 원래 발생하기 어려워서, HCl를 첨가하지 않아도 성장 표면이 평탄하고, HCl를 첨가하여도 동일한 평탄성을 가진 성장 표면이었다.
또한, 실시예 1에 있어서의 결정 성장시의 온도는 1600℃이지만, 1500℃ 및 1650℃에서 각각 동일하게 결정 성장시켰지만, 동일한 결과를 얻었다. 1450℃에서 실시예 1과 동일하게 결정 성장시켰지만, 쇼트키 배리어 다이오드를 제작하면 불량 발생율이 커졌다. 또한, 1700℃에서 실시예 1과 동일하게 결정 성장시켰지만, 표면 조도 Ra값이 0.4를 초과하는 것밖에 얻을 수 없었다. 따라서, 결정 성장시의 온도 범위는 좋기로는 1500 내지 1650℃로 하면 좋다.
산업상 이용 가능성
이 발명에 의하면, SiC 단결정 기판 위의 에피텍셜　성장에 있어서, 스텝 번칭이 적은 고품질 에피텍셜 막을 가진 에피텍셜 SiC 단결정 기판을 작성하는 것이 가능하다. 이 때문에, 이러한 기판 위에 전자 디바이스를 형성하면 디바이스의 특성 및 수율이 향상하는 것을 기대할 수 있다. 본 실시예에 있어서는 재료 가스로서 SiH4 및 C2H4를 사용하고 있으나, Si원으로서 트리클로로실란을 사용하고, C원으로서 C3H8 등을 사용하였을 경우에 대하여도 동일하다.

Claims (3)

  1. 오프 각도가 6˚이하인 탄화규소 단결정 기판 위에 탄화규소 단결정 박막을 형성한 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판으로서, 상기 탄화규소 단결정 박막 표면의 Si 면의 표면 조도(Ra 값)가 0.5nm 이하인 것을 특징으로 하는 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판.
  2. 오프 각도가 6˚이하인 탄화규소 단결정 기판 위에, 열화학 증착법으로 탄화규소 단결정 박막을 1500℃ 이상의 성장 온도로 에피텍셜 성장시킬 때에, 탄소와 규소를 포함하는 원료 가스를 흘리는 동시에, 염화수소 가스를 흘려보내고, 원료 가스 중의 규소 원자수에 대한 염화수소 가스 중의 염소 원자수의 비(Cl/Si 비)가 1.0 보다 크고 20.0 보다 작은 것을 특징으로 하는 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 탄화규소 단결정 박막을 에피텍셜　성장할 때의, 원료 가스 중에 포함되는 탄소와 규소의 원자수비(C/Si비)가 1.5 이하인 것을 특징으로 하는 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판의 제조 방법.
KR1020117013379A 2009-01-30 2010-01-29 에피텍셜 탄화규소 단결정 기판 및 그 제조 방법 KR101333337B1 (ko)

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