KR101705233B1 - P형 탄화규소 단결정 성장장치 - Google Patents

P형 탄화규소 단결정 성장장치 Download PDF

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Abstract

P형 탄화규소 단결정 성장장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, Al4C3 분말이 장입되는 내부공간이 마련된 도가니, 상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 석영관,상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열수단, 상기 도가니 내부에 위치되어 상기 도가니의 내측면과의 사이 공간에 상기 제1 원료 분말의 승화를 유도하기 위한 유도 통로를 형성하고, 상기 제1 원료 분말과 분리시키면서 SiC 분말을 장입하기 위한 분말 받침대, 상기 도가니의 측면에 관통 형성되고, 상기 유도 통로에 Al-N2 반응을 위한 N2 가스를 주입하기 위한 개구부, 및 상기 도가니 내부 상부에 위치되고, Al4C3 분말과 SiC 분말을 결합하여 저저항의 p형 탄화규소 단결정 성장시키는 종자정을 포함한다.

Description

P형 탄화규소 단결정 성장장치{growing apparatus for P-type silicon carbide single crystal}
본 발명은 P형 탄화규소 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도가니 내부에 유도통로를 형성하여 Al과 N2를 직접적으로 반응 즉, 반응 효율을 증가시킴으로써, 저저항을 가지는 p형 탄화규소 단결정을 성장시키는 P형 탄화규소 단결정 성장장치에 관한 것이다.
대표적인 차세대 반도체 소자 재료로 SiC(탄화규소)는 열적 안정성이 우수하고, 내산화성이 우수한 특징을 가지고 있다. 또한, 4.6W/Cm℃정도의 우수한 열 전도도를 가지고 있으며, 직경 4인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산 가능하다는 장점이 있다. 이러한 SiC 단결정 성장방법으로 물리적 기상 이송법(PVT: Physical Vapor Transport)이 높은 수율과 고품질화된 탄화규소를 제작할 수 있어 널리 통용되고 있다.
한편, 최근에 반도체 업체들의 기술이 비약적으로 발전함에 따라, SiC-SBD, SiC-MOSFET과 같은 고전압(600V ~ 2,000V) 대전류를 가지는 파워 반도체 소자 구현이 가능해졌다. 또한, 더 높은 전압(>2,000V)을 가지는 SiC-IGBT 파워소자 개발이 진행되고 있지만 수직형(vertical) 소자의 구조적인 한계로 인해 상대적으로 개발이 지연되고 있다. SiC-IGBT는 n형, p형 혹은 p형 n형 순으로 여러번 적층된 다중 중첩 구조를 가지는데, n형 SiC 기판을 사용하면 전하가 흐르는 채널(channel)의 다수 전하가 정공(hole)이 되고, p형 SiC 기판을 사용하면 전자(electron)가 된다.
일반적으로, SiC는 전자가 정공보다 이동도(mobility)가 빠르기 때문에 전자를 다수 전하로 가지는 n형 기판이 상대적으로 진보된 단계로 개발된 반면, p형 기판 개발은 지연되고 있다. 따라서, SiC IGBT 소자 구현을 위해서 p형 기판이 필요하고, 이를 이용하면 다수 전하로 전자를 사용할 수 있어서 소자의 성능을 대폭 향상 시킬 수 있다.
그러나, 물리적 기상 이송법(PVT법)에서 p형 기판을 제조하기 위해서는 일부 제약이 존재하는데, 특히 p형 기판의 비저항(resistivity)이 n형보다 높다. 따라서, 전자 이동도가 상대적으로 낮기 때문에 기판의 저항을 낮춰야 되는 문제가 발생한다(p형: > 1 Ωcm, n형: ~0.015 Ωcm).
최근, p형 도핑물질인 붕소(Boron), 알루미늄(Aluminum)과 n형 도핑물질인 질소를 동시 도핑(co-doping)하여 저항값을 낮추려고 시도하고 있으나, 두 물질을 효과적으로 반응시키기 위해서는 물리적 기상 이송법(PVT법)이 가지는 구조적인 한계를 극복해야 되는 문제가 발생한다.
본 발명은 도가니 내부에 유도통로를 형성하여 Al과 N2를 직접적으로 반응 즉, 반응 효율을 증가시킴으로써, 저저항을 가지는 p형 탄화규소 단결정을 성장시키는 P형 탄화규소 단결정 성장장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, Al4C3 분말이 장입되는 내부공간이 마련된 도가니,
상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 석영관,
상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열수단,
상기 도가니 내부에 위치되어 상기 도가니의 내측면과의 사이 공간에 상기 제1 원료 분말의 승화를 유도하기 위한 유도 통로를 형성하고, 상기 제1 원료 분말과 분리시키면서 SiC 분말을 장입하기 위한 분말 받침대,
상기 도가니의 측면에 관통 형성되고, 상기 유도 통로에 Al-N2 반응을 위한 N2 가스를 주입하기 위한 개구부, 및
상기 도가니 내부 상부에 위치되고, Al4C3 분말과 SiC 분말을 결합하여 저저항의 p형 탄화규소 단결정 성장시키는 종자정을 포함하는 P형 탄화규소 단결정 성장장치가 제공될 수 있다.
상기 분말 받침대는 내부에 SiC 분말을 장입하기 위한 중공부를 갖는 원통형상으로 형성될 수 있다.
상기 분말 받침대는 상기 도가니의 바닥면에 지지된 지지부재에 의하여 지지될 수 있다.
상기 개구부는 Al-N2 반응 효율을 보다 높이기 위하여 상기 도가니의 중심부를 중심으로 방사상으로 복수개 형성될 수 있다.
상기 개구부의 단면 형상은 N2의 원활한 주입을 위하여 일정한 직경을 갖는 원형으로 형성될 수 있다.
상기 도가니 내벽에서 분말 받침대 외벽까지 거리를 유도 통로 가로 길이하고 하면, 유도 통로 가로 길이(D3)는 (D1 -D2)/40 보다 크고 (D1 -D2)/35 보다 작은 관계식을 만족하며,
여기서, D1은 도가니 내경을 가리키며, D2는 도가니 두께를 가리킨다.
Al4C3 분말 표면에서 분말 받침대 상단면까지 거리를 유도 통로 세로 길이(D6)라고 하면, D6 = D5 x (1.2 ~ 1.5) 관계식을 만족하며,
여기서, D4는 개구부의 직경을 가리키며, D5는 분말 받침대의 높이를 가리킨다.
상기 개구부는 상기 분말 받침대의 상단면 보다 3mm 아래에 위치될 수 있다.
상기 개구부의 직경은 1 ~ 2mm일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 p형 탄화규소 성장장치를 활용하면, 개구부와 유도통로에서, N2와 Al을 효과적으로 반응시켜, 저저항의 p형 탄화규소 단결정을 성장 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치의 분말 흐름을 나타낸 개략적인 일부 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치의 개략적인 전체 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치의 개략적인 일부 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치에 의하여 성장된 단결정 잉곳을 기판 상태로 가공하여 결정 다형 및 전도 타입을 육안으로 관찰한 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 구현예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 구현예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치의 분말 흐름을 나타낸 개략적인 일부 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치의 개략적인 전체 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치는,
Al4C3 분말(10)이 장입되는 내부공간이 마련된 도가니(100),
상기 도가니(100)를 둘러싸는 단열재(200) 및 석영관(300),
상기 석영관(300) 외부에 마련되어 상기 도가니(100)를 가열하기 위한 가열수단(400),
상기 도가니(100) 내부에 위치되어 상기 도가니(100)의 내측면과의 사이 공간에 상기 제1 원료 분말(10)의 승화를 유도하기 위한 유도 통로(510)를 형성하고, 상기 제1 원료 분말(10)과 분리시키면서 SiC 분말(20)을 장입하기 위한 분말 받침대(500),
상기 도가니(100)의 측면에 관통 형성되고, 상기 유도 통로(510)에 Al-N2 반응을 위한 N2 가스를 주입하기 위한 개구부(110), 및
상기 도가니(100) 내부 상부에 위치되고, Al4C3 분말(10)과 SiC 분말(20)을 결합하여 저저항의 p형 탄화규소 단결정 성장시키는 종자정(600)을 포함할 수 있다.
여기서, 저저항은 1 Ωcm 이하의 저항을 가리킨다.
상기 도가니는 원기둥 형태로 형성될 수 있으며, 흑연으로 제조될 수 있다.
상기 분말 받침대(500)는 그 상단부가 SiC 분말(20)을 투입하기 위하여 개방되어 있으며, 그 내부는 SiC 분말(20)을 장입하기 위한 중공으로 형성되고, 전체적으로 원통형상으로 형성될 수 있으며, 흑연으로 제조될 수 있다.
상기 분말 받침대(500)는 Al4C3 분말(10)이 장입되는 내부공간을 확보하기 위하여 상기 도가니(100)의 바닥면 상부에 도가니(100)의 바닥면과 일정한 거리를 갖도록 배치되며, 상기 도가니(100)의 바닥면 중앙부에 지지된 지지부재(520)에 의하여 지지될 수 있다.
상기 개구부(110)는 Al-N2와 반응 효율을 높이기 위하여 상기 유도 통로(510)에 위치될 수 있다.
상기 개구부(110)는 Al-N2 반응 효율을 보다 높이기 위하여 상기 도가니(100)의 중심부를 중심으로 방사상으로 복수개 일정한 간격으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4개 내지 8개 형성될 수 있다.
상기 개구부(110)의 단면 형상은 N2의 원활한 주입을 위하여 일정한 직경을 갖는 원형으로 형성될 수 있다.
상기 종자정은 탄화규소로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 P형 탄화규소 단결정 성장장치의 내부로 질소와 아르곤의 혼합 가스를 공급하기 위한 가스 공급관(700)과 펌프(710)가 설치될 수 있다.
이하에서, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치의 작동에 대해서 설명한다.
원기둥 형태의 흑연 도가니(Crucible)(100) 내부에 흑연으로 제작된 분말 받침대(500)를 추가하여, SiC 분말(20)과 Al4C3 분말(10)을 먼저 분리시킨다. 또한, 흑연 도가니(100)에 방사형으로 예컨대, 6개의 원형 구멍을 뚫어 개구부(510)를 형성한다. 알루미늄(Al)은 온도 차이에 의해 유도 통로(510)를 통해 승화(sublimation)하게 되고, 개구부(110)에서 주입되는 N2 가스와 직접적으로 반응하여, Al-N 반응 효율을 높이고, 최종적으로 승화된 SiC 분말(10)과 결합하여 저저항의 p형 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다(도 1 참조).
본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치는 P형 탄화규소 단결정 성장장치는 원료분말이 장입되는 내부공간이 마련된 도가니(100), 도가니(100)를 둘러싸는 단열재(200) 및 석영관(300), 석영관(300) 외부에 마련되어 도가니(100)를 가열하기 위한 가열수단(400)을 포함한다. 본 발명의 일 구현예에서는 물리적 기상 이송법(PVT법)을 이용하여 종자정(600)에 단결정을 성장시킨다.
이를 위해, 먼저 도가니(100) 하부 바닥면에 Al4C3 분말(10)을 장입하고, 분말 받침대(500)에 SiC 분말(20)을 장입한다. 또한, 질소와 아르곤의 혼합 가스도 반응기(성장장치) 내부에 주입될 수 있게 준비한다. 탄화규소로 이루어진 종자정(600)을 마련하고, 이를 도가니(100) 내부 상부에 장착한다. 종자정(600)이 결합된 도가니(100)를 성장장치 내로 인입시키고, 1000℃ 미만의 온도와 진공압력으로 2 시간 내지 3시간 동안 가열하여 도가니에 포함된 불순물을 제거한다.
이후, 불활성 가스 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 도가니(100) 내부 및 도가니(100)와 단열재(200) 사이에 남아있는 공기를 제거한다. 여기서, 불활성 가스를 이용한 퍼징(purging) 공정을 2 내지 3회 반복하는 것이 바람직하다. 이어서 도가니 내부 압력을 대기압으로 높인 후, 가열수단(400)을 이용하여 도가니(100)를 2000℃ 내지 2300℃ 의 온도로 가열한다. 여기서, 도가니 내부 압력을 대기압을 유지하는 이유는 결정 성장 초기에 원하지 않는 결정 다형의 발생을 방지하기 위함이다. 즉, 먼저, 대기압을 유지하며 원료 물질을 성장 온도까지 승온시킨다. 그리고, 성장장치 내부를 1 torr 내지 20 torr 로 감압하여 성장 압력으로 유지시키면서, 원료 물질을 승화시켜 단결정을 성장시킨다.
또한, Al-N2를 효과적으로 반응시키기 위해서 분말의 위치, 유도 통로 길이, 내경 설계 최적화를 통해 저저항을 가지는 단결정을 성장시킬 수 있다(도 3참조).
도 3에서, D1은 도가니 내경, D2는 도가니 두께, D3은 도가니 내벽에서 분말 받침대 외벽까지 거리(유도 통로 가로 길이), D4는 개구부의 위치(직경), D5는 분말 받침대의 높이, D6는 Al4C3 분말 표면에서 분말 받침대 상단면까지 거리(유도 통로 세로 길이)를 각각 가리킨다.
D1, D2, D3는 유도 통로(510)의 직경을 설계하기 위한 길이다. D2는 코일 주파수에 따른 두께를 설정하는 값으로, 통상적으로 8kHz ~ 10kHz를 사용하기 때문에 15 ~ 25mm가 바람직하다. 따라서 D3는 (D1 -D2)/40 보다 크고 (D1 -D2)/35 보다 작은 범위로 한정될 수 있다.
D4, D5, D6는 Al-N2 반응을 용이하게 하기 위해 설계되는 길이다. 성장 전 D6는 D5보다 항상 길어야 N2가 SiC 보다 Al과 먼저 반응하여 Al-N량을 증가시킬 수 있다. 따라서, D6 = D5 x (1.2 ~ 1.5) 관계식을 만족하게 된다.
이 때, 상기 개구부(110)는 상기 분말 받침대(500)의 상단면 보다 3mm 아래에 위치되며, 또한, 상기 개구부(110)의 직경은 1 ~ 2mm가 바람직하다. 상기 개구부(110)의 직경이 1mm 보다 작게 되면 N2와 Al과 반응성이 감소되고, 상기 개구부(110)의 직경이 2mm보다 크게 되면 원료들의 분압 제어가 불가능하기 때문이다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 P형 탄화규소 단결정 성장장치에 의하여 성장된 단결정 잉곳을 기판 상태로 가공하여 결정다형 및 전도 타입을 육안으로 관찰하였다(도 4 참조).
SiC는 도핑 물질에 따라 여러가지 색을 가지는데, 좌측의 경우 n형 4H-SiC로 N2의 영향을 받아 황색 계열의 색상을 가진다. 그러나, 우측의 경우 p형 4H-SiC로 Al의 영향을 받아 남색 계열의 색상으로 관찰되었다.
100: 도가니, 110: 개구부
200: 단열재, 300: 석영관
400: 가열수단, 500: 분말 받침대
510: 유도 통로 520: 지지부재
600: 종자정

Claims (9)

  1. 제1 원료 분말로서 Al4C3 분말이 장입되는 내부공간이 마련된 도가니,
    상기 도가니를 둘러싸는 단열재 및 석영관,
    상기 석영관 외부에 마련되어 상기 도가니를 가열하기 위한 가열수단,
    상기 도가니 내부에 위치되어 상기 도가니의 내측면과의 사이 공간에 상기 Al4C3 분말의 승화를 유도하기 위한 유도 통로를 형성하고, 상기 Al4C3 분말과 분리시키면서 SiC 분말을 장입하기 위한 분말 받침대,
    상기 도가니의 측면에 관통 형성되고, 상기 유도 통로에 Al-N2 반응을 위한 N2 가스를 주입하기 위한 개구부,
    상기 도가니 내부 상부에 위치되고, Al4C3 분말과 SiC 분말을 결합하여 저저항의 p형 탄화규소 단결정 성장시키는 종자정
    을 포함하고,
    상기 분말 받침대는 상기 도가니의 바닥면에 지지된 지지부재에 의하여 지지되고,
    상기 도가니 내벽에서 분말 받침대 외벽까지 거리를 유도 통로 가로 길이하고 하면, 유도 통로 가로 길이(D3)는 (D1 -D2)/40 보다 크고 (D1 -D2)/35 보다 작은 관계식을 만족하며,
    여기서, D1은 도가니 내경을 가리키며, D2는 도가니 두께를 가리키며,
    상기 Al4C3 분말 표면에서 분말 받침대 상단면까지 거리를 유도 통로 세로 길이(D6)라고 하면, D6 = D5 x (1.2 ~ 1.5) 관계식을 만족하며,
    여기서, D4는 개구부의 직경을 가리키며, D5는 분말 받침대의 높이를 가리키고,
    상기 분말 받침대는 Al4C3 분말이 장입되는 내부공간을 확보하기 위하여 상기 도가니의 바닥면 상부에 상기 도가니의 바닥면과 일정한 거리를 갖도록 배치되는 P형 탄화규소 단결정 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분말 받침대는 내부에 SiC 분말을 장입하기 위한 중공부를 갖는 원통형상으로 형성되는 P형 탄화규소 단결정 성장장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 개구부는 Al-N2 반응 효율을 보다 높이기 위하여 상기 도가니의 중심부를 중심으로 방사상으로 복수개 형성되는 P형 탄화규소 단결정 성장장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 개구부의 단면 형상은 N2의 원활한 주입을 위하여 일정한 직경을 갖는 원형으로 형성되는 P형 탄화규소 단결정 성장장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 분말 받침대의 상단면 보다 3mm 아래에 위치되는 P형 탄화규소 단결정 성장장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 개구부의 직경은 1 ~ 2mm인 P형 탄화규소 단결정 성장장치.
KR1020140187652A 2014-12-23 2014-12-23 P형 탄화규소 단결정 성장장치 KR101705233B1 (ko)

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