KR102160863B1 - 탄화규소 단결정 웨이퍼 - Google Patents

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Abstract

승화 재결정법으로 성장시킨 SiC 단결정 잉곳으로부터 제작된 SiC 단결정 웨이퍼이며, 디바이스 제작용 웨이퍼로 한 경우에 높은 디바이스 성능과 디바이스 제작의 수율을 실현하는 SiC 단결정 웨이퍼를 제공한다.
표면의 기저면 전위 밀도가 1000개/㎠ 이하, 관통 나선 전위 밀도가 500개/㎠ 이하이고 또한 라만 시프트값이 0.2 이하인 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 웨이퍼이며, 또한, 단결정 성장 중에 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열을 제어하여, 단결정 잉곳의 온도 분포 변화를 억제하면서 결정 성장시키는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 잉곳의 제조 방법이다.

Description

탄화규소 단결정 웨이퍼{SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL WAFER}
본 발명은 기저면 전위 및 관통 나선 전위의 밀도가 낮으면서, 또한 라만 지수가 작은, 결정 품질이 높은 탄화규소 단결정 웨이퍼 및 그것을 얻을 수 있는 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법에 관한 것이다.
탄화규소(SiC)는 2.2 내지 3.3eV의 넓은 금제대폭을 갖는 와이드 밴드 갭 반도체이며, 그 우수한 물리적, 화학적 특성으로부터, 내환경성 반도체 재료로서 연구 개발이 행하여지고 있다. 특히 최근에는 청색으로부터 자외에 걸친 단파장 광 디바이스, 고주파 전자 디바이스, 고내압·고출력 전자 디바이스용의 재료로서 SiC가 주목받고 있으며, 연구 개발은 활발해지고 있다. 그런데, SiC는 양질의 대구경 단결정의 제조가 어렵게 되어 있어, 지금까지 SiC 디바이스의 실용화를 방해해 왔다.
종래, 연구실 정도의 규모에서는, 예를 들어 승화 재결정법(렐리법)으로 반도체 소자의 제작이 가능한 사이즈의 SiC 단결정을 얻고 있었다. 그러나, 이 방법에서는 얻어지는 단결정의 면적이 작고, 그 치수, 형상, 나아가 결정다형(폴리 타입)이나 불순물 캐리어 농도의 제어도 용이하지 않다. 한편, 화학 기상 성장(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 사용하여 규소(Si) 등의 이종 기판 위에 헤테로 에피택셜 성장시킴으로써, 입방정의 SiC 단결정을 성장시키는 것도 행하여지고 있다. 이 방법에서는 대면적의 단결정은 얻어지지만, SiC와 Si의 격자 부정합이 약 20％나 있는 것 등에 의해, 많은 결함(~ 107/㎠)을 포함하는 SiC 단결정밖에 성장시킬 수 없어, 고품질의 SiC 단결정은 얻어지지 않고 있다.
따라서, 이들 문제점을 해결하기 위하여, SiC 단결정 웨이퍼를 종결정으로서 사용하여 승화 재결정을 행하는 개량형의 렐리법이 제안되고 있다(비특허문헌 1 참조). 이 개량 렐리법을 사용하면, SiC 단결정의 결정다형(6H형, 4H형, 15R형 등)이나, 형상, 캐리어형 및 농도를 제어하면서 SiC 단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, SiC에는 200 이상의 결정다형(폴리 타입)이 존재하지만, 결정의 생산성과 전자 디바이스 성능의 관점에서 4H 폴리 타입이 가장 우수하게 되어 있고, 상업 생산되는 SiC 단결정은 4H인 경우가 많다. 또한, 도전성은, 도펀트로서 질소가 취급하기 쉬운 점에서, 단결정 잉곳은 n형 도전성으로 육성되는 경우가 대부분이다. 단, 통신 디바이스 용도에서는, 도펀트 원소를 거의 포함하지 않는, 저항률이 높은 결정도 제조되고 있다.
현재, 개량 렐리법으로 제작한 SiC 단결정으로부터, 구경 51㎜(2인치) 내지 100㎜의 SiC 단결정 웨이퍼가 잘라내어져, 전력 일렉트로닉스 분야 등의 디바이스 제작에 제공되고 있다. 또한 150㎜ 웨이퍼의 개발 성공도 보고되고 있으며(비특허문헌 2 참조), 100㎜ 또는 150㎜ 웨이퍼를 사용한 디바이스의 본격적인 실용화가 기대되고 있다. 이러한 상황에 있고, 전위 밀도 등의 지표로 표현되는 웨이퍼의 품질은, 디바이스의 성능, 양산 시의 수율에 큰 영향을 주기 때문에, 최근 매우 중요시되고 있다.
개량형의 렐리법에서는, 성장 중의 단결정 잉곳에 불가피한 내부 응력이 발생하여, 그것은 최종적으로 얻어지는 단결정 웨이퍼 내부에, 탄성 변형, 또는 전위(소성 변형)의 형태로 잔류된다. 현재 시판되고 있는 SiC 웨이퍼에는, 기저면 전위(이하, BPD)가 2×103 내지 2×104(개/㎠), 관통 나선 전위(이하, TSD)가 8×102 내지 103(개/㎠), 관통 날 형상 전위(이하, TED)가 5×103 내지 2×104(개/㎠) 존재하고 있다(비특허문헌 3 참조).
최근들어 결정 결함과 디바이스에 관한 조사로부터, BPD가 디바이스의 산화막 불량을 발생하여, 절연 파괴의 원인으로 되는 것이 보고되고 있다(비특허문헌 4 참조). 또한, 바이폴라 디바이스 등에서는, BPD로부터 적층 결함이 발생하는 것이 보고되고 있으며, 디바이스 특성의 열화의 원인으로 되는 것이 알려져 있다(비특허문헌 5 참조). 또한, TSD는 디바이스의 누설 전류의 원인으로 되고(비특허문헌 6 참조), 또한, 게이트 산화막 수명을 저하시키는 것이 보고되고 있다(비특허문헌 7 참조). 그로 인해, 고성능 SiC 디바이스의 제작을 위하여, BPD 및 TSD의 적은 SiC 단결정이 요구되고 있다.
여기서, 전위 밀도의 저감 기술은 복수의 보고예가 있다. 예를 들어, 화학 기상 성장법(CVD법)에 의한 SiC 박막의 에피택셜 성장에 있어서, 미러상력에 의해 BPD가 TED로 변환하는 것(비특허문헌 8 참조)이나, 용액 성장법에 있어서도 거의 마찬가지의 구조 변환이 일어나는 것(비특허문헌 9 참조)이 보고되고 있다. 또한, 승화 재결정법에서의 보고예로서, 오타니 등은 TED가 BPD로 변환하는 것을 보고하고 있다(비특허문헌 10 참조). 그러나, 이들 선행 기술에 있어서, SiC 단결정을 공업적으로 제조하는 데 있어서, BPD를 구조 변환시켜 저감시키기 위한 제어 방법이나 그 조건 등에 대해서는 전혀 설명되지 않았다.
한편, 승화 재결정법에 있어서는, 소정의 성장 압력 및 기판 온도에서 초기 성장층으로서의 SiC 단결정을 성장시킨 후, 기판 온도 및 압력을 서서히 감하면서 결정 성장을 행함으로써, 마이크로 파이프와 함께 TSD가 적은 SiC 단결정을 얻는 방법이 보고되고 있다(특허문헌 1 참조). 그러나, 이 방법에 의해 얻어진 SiC 단결정의 TSD 밀도는 103 내지 104(개/㎠)이며(특허문헌 1의 명세서 [발명의 효과]의 란 참조), 고성능 SiC 디바이스에의 응용을 생각하면, TSD의 저감이 가일층 필요하다.
또한, 소정의 성장 압력 및 기판 온도에 의해 SiC 단결정을 초기 성장층으로서 성장시킨 후, 기판 온도는 그대로 유지하고, 감압하고 성장 속도를 높여 결정 성장시킴으로써, 마이크로 파이프의 발생을 억제하면서, 또한 TSD 등의 전위 밀도를 적게 하는 방법이 보고되고 있다(특허문헌 2 참조). 그러나, 이 방법에 의해서도 TSD의 저감 효과는 불충분하다.
특허문헌 3에는, 종결정을 사용한 승화 재결정법에 있어서, SiC 단결정을 성장시켜, 이것으로부터 종결정을 잘라내어 다시 결정 성장을 행하고, 이것을 몇 번 반복하여, 성장 결정의 형상을 성장 방향에 대하여 볼록 형상으로 되도록 함으로써, 모자이크성이 작은 SiC 단결정 웨이퍼를 얻는 기술이 보고되고 있다.
이 기술은, 전위의 집합체인 소경각 입계가 성장 표면에 수직으로 전파하는 성질을 이용하는 것이며, 성장 결정을 성장 방향에 대하여 볼록 형상으로 되도록 함으로써, 전위의 집합체인 소경각 입계를 성장 결정의 주변부로 이동시켜, 중앙부에 소경각 입계 밀도가 낮은, 즉 전위 밀도가 낮은 영역을 형성하도록 한 것이다.
일반적으로, 개량 렐리법에서는, 성장 결정의 원료로 되는 SiC 결정 분말측보다 종결정측 쪽이 저온으로 되도록, 결정 성장 방향으로 온도 구배를 형성하여 결정 성장시켜 가지만, 성장하는 단결정의 성장면의 형상은, 성장면 근방의 온도 분포를 제어함으로써 정할 수 있다. 즉, 성장면은 등온면을 따라 형성되어 가기 때문에, 예를 들어 특허문헌 3과 같이, 성장 결정의 형상을 성장 방향에 대하여 볼록 형상으로 되도록 하기 위해서는, 성장 결정 외주부에 있어서의 성장 표면의 임의의 지점의 온도 tp와, 이 점과 종결정으로부터의 거리가 동등한 잉곳 중심부의 온도 tc의 차(Δt=tp-tc)가 정(正)으로 되도록, 성장 공간 내에서 성장 방향을 향하여 적당한 볼록 형상의 등온선을 형성할 필요가 있다. 이러한 등온선을 형성하면서 결정 성장시키는 것은 다결정의 발생을 제어하는 동시에, 목적으로 하는 폴리 타입을 안정 성장시켜, 양질의 단일 폴리 타입의 SiC 단결정 잉곳을 제조하는 목적으로부터도 중요한 것을 알고 있다. 그런데, 종래 기술에 있어서, 성장 방향과 수직인 평면 내의 온도차 Δt가 커지는 성장 프로세스로 단결정 잉곳을 제조하면, 단결정 내부에 큰 응력이 형성될 위험이 있다.
한편, 웨이퍼의 탄성 변형이 커서, 웨이퍼면 내의 결정 방위에 어긋남이 발생하면, 에피택셜 성장 프로세스에 있어서의 스텝 플로우 이상 등의 문제를 야기하여, 디바이스 특성에 큰 영향을 끼쳐 버린다. 또한, 큰 탄성 변형은 웨이퍼의 휨을 크게 하는 경우도 있다. 웨이퍼의 휨은, 리소그래프 프로세스에서의 초점 어긋남이나, 에피택셜 성장 프로세스 중의 이면에의 원료 가스 주회 등의 문제를 야기한다. 또한, 애당초 웨이퍼의 반송 등의 핸들링의 장해로도 될 수 있는 것 외에, 척에 의한 파손의 위험성도 고려해야 한다.
단결정 잉곳의 내부 응력을 완화시키는 성장 기술로서, 특허문헌 4에는 종결정 또는 그 위에 성장시키는 단결정의 주변에 배치된 온도 구배 제어 부재와, 상기 종결정 또는 상기 단결정과 상기 온도 구배 제어 부재 사이에 설치된 국소적 온도 구배 완화 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치가 개시되어 있다. 그러나, 이 기술의 목적은 종결정의 바로 위에 성장하는 단결정 중에 발생하는 온도 구배의 극대값을 작게 하여, 성장 결정 내의 크랙 발생과 전파를 억제하기 위한 기술이며, 성장 잉곳 중의 웨이퍼화되는 부위의 성장 조건은 본질적으로 변함없다. 따라서, 해당 특허 기술에 의해 웨이퍼의 내부 응력이나 전위 밀도가 저감되지는 않는다.
또한, 웨이퍼의 휨을, 탄성 변형의 완화에 의해 저감되는 수단으로서, 이하와 같은 방법이 보고되고 있다. 특허문헌 5에는 SiC 단결정의 잉곳 또는 웨이퍼를, 탄소 및 수소를 포함하는 비부식성 가스 분위기, 또는 이들 비부식성 가스에 아르곤이나 헬륨을 혼합한 분위기에서, 2000℃ 초과 2800℃ 이하의 온도에서 어닐링함으로써, 잉곳이나 웨이퍼의 내부 응력을 완화시켜, 잉곳의 가공 시나 웨이퍼의 디바이스 프로세스에 있어서의 깨짐이나 크랙을 방지하는 기술이 보고되고 있다. 또한, 특허문헌 6에는 SiC 단결정 잉곳으로부터 잘라내어진 웨이퍼를, 10MPa 이상 0.5MPa 이하에서 가압하면서 800℃ 이상 2400℃에서 가열 처리함으로써, 웨이퍼의 곡률 반경을 35m 이상으로 하는 기술이 보고되고 있다.
이들 방법은, 웨이퍼의 탄성 변형을 경감시키는 점에서 유효하다고 생각할 수 있지만, SiC 단결정에 대하여 외부로부터 2000℃를 초과하는 열부하를 가하여 원자의 재배치를 행하게 하는 것은, 승온 및 냉각 과정을 포함하고, 새로운 온도 분포를 형성하는 것이며, 온도 불균형에 의해 결정 내부에 강한 응력장을 만들어 내어, 새롭게 전위를 발생시키는 결과로 될 수 있다. 특허문헌 6의 실시예에 있어서의 어닐링 후의 결정의 전위 밀도 증가는, 그 현상을 나타내는 것이다.
일본 특허 공개 제2002-284599호 공보 일본 특허 공개 제2007-119273호 공보 일본 특허 공개 제2001-294499호 공보 일본 특허 공개 제2013-139347호 공보 일본 특허 공개 제2006-290705호 공보 일본 특허 공개 제2005-93519호 공보
Yu.M.Tairov and V.F.Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vols.52(1981) pp.146-150 A.A.Burk et al, Mater.Sci.Forum, 717-720, (2012) pp75-80 오타니 노보루, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제17회 강연회 예고집, 2008, p8 J.Senzaki et al, Mater.Sci.Forum, 661, (200S)pp661-664 R.E.Stahlbush et al, Journal of Electronic Materials, 31, (2002), 370-375 반도 등, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제19회 강연회 예고집, 2010, p140-141 야마모토 등, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제19회 강연회 예고집, 2010, p11-12 S.Ha et al, Journal of Crystal Growth, 244, (2002), 257-266 K.Kamei et al, Journal of Crystal Growth, 311, (2009), 855-858 N.Ohtani et al., Journal of Crystal Growth, 286, (2006), 55-60
상술한 바와 같이, 웨이퍼의 전위 밀도를 저감시키는 제조 방법 등이 실시되고는 있지만, 단순히 웨이퍼의 전위 밀도가 낮기만 한 웨이퍼에서는 디바이스의 수율이 향상되지 않거나, 양호한 에피택셜 박막을 해당 웨이퍼 위에 형성할 수 없거나 한다는 것을 알 수 있다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하도록 행하여진 것이며, 전위 밀도가 낮으면서, 또한 탄성 변형도 작은 SiC 단결정 웨이퍼 및 그것을 얻을 수 있는 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같이, SiC 디바이스의 성능, 양산 시의 수율의 향상을 위해서는, 웨이퍼의 BPD 밀도, TSD 밀도의 저하가 중요하지만, 단순히 전위 밀도가 낮기만 한 웨이퍼에서는, 양호한 에피택셜 박막을 해당 웨이퍼 위에 형성할 수 없다는 문제가 있어, 결과적으로 디바이스의 수율이나 성능이 향상되지 않는다는 것을 알 수 있다. 본 발명자들은, 상술한 바와 같이 문제를 해결하기 위하여, 시험, 검토를 거듭한 결과, SiC 단결정 웨이퍼의 BPD 밀도 및 TSD 밀도가 작으면서, 또한 웨이퍼 내부의 탄성 변형도 작은 SiC 단결정 웨이퍼를 실현시킴으로써, 이들 디바이스 성능이나 수율이 각별히 향상될 것으로 생각했다.
그러나, 승화 재결정법을 사용한 종래의 제조 기술에서는, 단결정 성장 중에는 필연적으로 큰 내부 응력이 발생하여, 성장 후에 어닐링 등의 공정을 추가했다고 해도, 최종적으로 얻어지는 결정의 전위(소성 변형) 또는 탄성 변형의 형식으로 잔류되어 버린다. 즉, 종래 기술로는 저전위 밀도와 저탄성 변형을 양립하는 웨이퍼를 공업적인 규모로 양산할 수 없었다. 본 발명자들은, 예의 연구를 거듭한 결과, 내부 응력에 관한 신규 지견을 바탕으로, 저전위 밀도와 저탄성 변형을 양립하는 획기적인 단결정 제조 기술을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이른 것이다.
또한, 본 발명의 탄화규소 단결정 웨이퍼란, 탄화규소 단결정 잉곳을 절단 가공하고, 또한 경면 가공한 원 형상의 판을 의미한다.
본 발명은, 이하의 구성을 포함하는 것이다.
(1) 표면의 기저면 전위 밀도가 1000개/㎠ 이하, 관통 나선 전위 밀도가 500개/㎠ 이하이고 또한 라만 지수가 0.2 이하인, 구경 150㎜ 이상의 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(2) 표면의 기저면 전위 밀도가 500개/㎠ 이하, 관통 나선 전위 밀도가 300개/㎠ 이하이고 또한 라만 지수가 0.15 이하인, 구경 100㎜ 이상의 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(3) 라만 지수가 0.15 이하인 (1)에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(4) 라만 지수가 0.1 이하인 (1) 또는 (2)에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(5) 표면의 기저면 전위 밀도가 500개/㎠ 이하인 (1)에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(6) 표면의 기저면 전위 밀도가 300개/㎠ 이하인 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(7) 표면의 기저면 전위 밀도가 100개/㎠ 이하인 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(8) 관통 나선 전위 밀도가 300개/㎠ 이하인 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(9) 관통 나선 전위 밀도가 200개/㎠ 이하인 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(10) 관통 나선 전위 밀도가 100개/㎠ 이하인 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(11) 표면의 기저면 전위 밀도와 관통 나선 전위 밀도의 합계가 1000개/㎠ 이하인 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(12) 표면의 기저면 전위 밀도와 관통 나선 전위 밀도의 합계가 500개/㎠ 이하인 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(13) 표면의 기저면 전위 밀도와 관통 나선 전위 밀도의 합계가 300개/㎠ 이하인 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼.
(14) 도가니 내에 수용한 종결정에 승화 재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시켜, (1) 내지 (13) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 웨이퍼를 제작하기 위한 탄화규소 단결정 잉곳을 제조하는 방법이며, 단결정 성장 중에 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열을 제어하여, 단결정 잉곳의 온도 분포 변화를 억제하면서 결정 성장시키는 것을 특징으로 하는, 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
(15) 2250℃ 이상의 온도에서 고온 열처리한 흑연 펠트를 결정 육성에 사용하는 도가니의 주변에 배치하는 단열재로서 사용하는 것을 특징으로 하는, (14)에 기재된 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
(16) 고온 열처리의 온도가 2450℃ 이상인 (15)에 기재된 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
(17) 종결정이 설치되는 도가니 덮개의 종결정 설치 영역을 형성하는 부재의 실온 열전도율 λ1에 대하여, 실온 열전도율 λ2가 1.1×λ1≤λ2의 관계를 갖는 열유속 제어 부재가, 종결정 설치 영역의 외주를 따라 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, (14)에 기재된 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
(18) 열유속 제어 부재의 실온 열전도율 λ2가 1.2×λ1≤λ2의 관계를 만족하는 (17)에 기재된 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
(19) 설치된 결정 육성용 도가니의 주위를 둘러싸는 주변 공간의 분위기 가스가, He 가스를 10vol％ 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, (15) 내지 (18) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
(20) 상기 주변 공간의 분위기 가스가 He 가스를 20vol％ 이상 포함하는 (19)에 기재된 탄화규소 단결정 잉곳의 제조 방법.
본 발명의 SiC 단결정 웨이퍼는, 전위 밀도가 낮고, 또한, 탄성 변형도 작기 때문에, 전력 일렉트로닉스 분야의 디바이스 제작 등에 있어서, 높은 수율과 함께 양호한 디바이스 특성을 실현할 수 있다. 예를 들어, 리소그래프 프로세스에서 정확하게 초점을 연결할 수 있고, 또한 에피택셜 성장 프로세스에 있어서, 고품위의 스텝 플로우 성장을 실현할 수 있다. 또한, 전위 밀도가 낮기 때문에, 디바이스의 구조 결함이 경감될 수 있어, 디바이스의 성능, 수율 향상에 기여할 수 있다. 특히, 본 발명에서는, 이러한 품질의 SiC 단결정 웨이퍼를 구경 100㎜ 이상의 대구경 웨이퍼로 실현하고 있기 때문에, 그 실용성은 매우 높은 것이다.
도 1은 SiC 웨이퍼의 라만 산란광 스펙트럼의 일례이다.
도 2는 에치 피트 관찰상의 일례이다.
도 3은 웨이퍼 내의 에치 피트 계측 위치를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명에서 사용된 결정 성장 장치를 도시하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 사용한 도가니 구조를 도시하는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 사용한 도가니 구조를 도시하는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 사용한 도가니 구조를 도시하는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 사용한 도가니 구조를 도시하는 모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명에 있어서의 SiC 단결정 웨이퍼는, 구경 100㎜ 이상이며, 그 BPD 밀도와 TSD 밀도가 낮고, 탄성 변형도 작기 때문에, 고성능 디바이스의 제작이 가능하고, 공업적 규모로 디바이스를 제작한 경우에도 높은 수율을 확보할 수 있다. 본 발명에 있어서의 SiC 단결정 웨이퍼의 BPD의 밀도는, 웨이퍼 구경 150㎜ 이상의 경우는 1000개/㎠ 이하, 100㎜ 이상의 경우는 500개/㎠ 이하이고, TSD 밀도에 대해서는, 구경 150㎜ 이상의 경우는 500개/㎠ 이하, 구경 100㎜ 이상의 경우는 300개/㎠ 이하이다.
한편, 탄성 변형에 대하여, 그 평가 방법으로서는, 예를 들어 X선에 의한 격자상수의 정밀 측정 외에, 몇 가지의 방법이 존재한다. 그러나, 종래의 측정 방법에서는, 탄성 변형은 벡터로 표현되기 때문에, 디바이스에의 영향도를 평가하기 위해서는 고도의 해석 기술도 필요하고, 또한 측정 자체도 시간이나 기능을 필요로 하는 등의 문제가 있었다. 따라서 본 발명자들은, 디바이스 수율에 영향을 미치는 탄성 변형의 최적의 평가 방법의 개발을 행했다. 그 결과, 1. 웨이퍼의 사이즈와 상관없는 평가 지표이다. 2. 벡터인 탄성 변형을, 스칼라로 단순화하여 표현할 수 있다. 3. 측정 시간이 짧은 점에서, SiC의 라만 산란광 피크의 파장의 역수에 대하여, 웨이퍼 중심부와 외주부에서 각각 측정한 값의 차분값(즉 라만 지수)으로 평가하는 것이, 탄성 변형의 평가 방법으로서 가장 효과적인 것을 발견했다. 따라서, 본 발명에서는, 이것을 탄성 변형의 평가 방법으로서 채용했다.
본 발명에서 사용한 라만 측정의 광원은 532㎚의 그린 레이저이며, 이것을 샘플인 SiC 단결정 웨이퍼 표면의 φ2㎛의 스폿에 조사했다. 1개의 측정 개소에 대하여, 전술한 측정광을 스폿 간격 10㎛로 가로 8열×세로 9열의 총 72점 조사하고, 그 평균값을 그 측정 개소의 산란광 데이터로 했다. 1매의 웨이퍼에 대하여, 1개의 측정 개소의 중심이 웨이퍼의 중심이며, 또 하나의 측정 개소의 중심이 웨이퍼의 에지(외주)로부터 2㎜ 이격된 위치(웨이퍼의 중심을 향하여 에지로부터 2㎜ 이격된 위치)의 2개소에서 라만 산란광의 파장을 측정했다. 그리고, 이 파수(파장의 역수)의 차분(중심의 값-외주 2㎜의 값)을 라만 지수로 한다.
도 1에 라만 산란광의 측정예를 나타낸다. Ne 램프의 라만 시프트 816㎝-1의 피크는 산란광 측정의 캘리브레이션에 사용했다. 라만 지수의 부호가 정(正)으로 값이 클수록, 웨이퍼의 탄성 변형은 큰 것을 나타낸다. 웨이퍼의 탄성 변형은, 웨이퍼 표면의 스텝 방향, 높이를 흐트려뜨리는 원인으로 되어, 그 표면에 형성되는 에피택셜 박막의 품질을 저하시키므로 바람직하지 않다. 본 발명의 SiC 단결정 웨이퍼의 라만 지수는, 구경 150㎜ 이상의 웨이퍼에 관해서는 0.2 이하, 바람직하게는 0.15 이하, 더욱 바람직하게는 0.1 이하이고, 구경 100㎜ 이상의 웨이퍼에 대해서는 0.15 이하, 바람직하게는 0.1 이하이다. 라만 지수는 통상 정의 값이지만, 특수한 제조 조건에서 제조되면 부(負)가 되는 경우도 있다. 마이너스측에서 큰 절댓값을 취하는 것은, 통상 생각하기 어렵지만, 만약 -0.2보다 작아지면, 역시 디바이스 제작 상의 영향이 있으므로 바람직하지 않다.
BPD 밀도가 전술한 값보다도 낮은 경우에는, 더욱 높은 디바이스 성능, 수율을 실현할 수 있으므로, 구경 150㎜ 이상의 웨이퍼에 관해서는, BPD가 500개/㎠ 이하로 되는 것이 바람직하고, 어느 구경에 대해서든 300개/㎠ 이하, 나아가 100개/㎠ 이하로 되는 것이 보다 바람직하다. 또한, TSD 밀도에 관해서도 마찬가지이며, 구경 150㎜ 이상의 웨이퍼에 관해서는, TSD 밀도가 300개/㎠ 이하로 되는 것이 바람직하고, 어느 구경에 대해서든 200개/㎠ 이하, 나아가 100개/㎠ 이하로 되는 것이 보다 바람직하다. BPD, TSD 모두 그 밀도가 100개/㎠를 하회하는 레벨까지 저하되면, 디바이스에의 악영향은 실질적으로 전무해질 것으로 생각되어진다.
전술한 바와 같이, 구경 150㎜ 이상의 웨이퍼와 100㎜ 이상의 웨이퍼는 상이한 규정을 설정하고 있지만, 이것은 구경 150㎜ 이상의 웨이퍼는 양산, 저가형의 디바이스 제작에 사용되는 경우가 많고，한편 100㎜ 이상의 웨이퍼는, 고성능 디바이스의 제작용으로서도 사용되므로, 보다 고품질이 요구되기 때문이다. 상술한 바와 같이, BPD와 TSD는 어느 쪽이든 디바이스 실용상의 장해가 된다. 그로 인해, BPD와 TSD의 합계 밀도로 1000개/㎠ 이하인 경우에 현저한 디바이스 성능과 수율의 향상을 기대할 수 있고, 바람직하게는 이들 합계가 500개/㎠ 이하이고, 더욱 바람직하게는 300개/㎠ 이하이다. 또한, 구경 100㎜ 이상의 웨이퍼란, 기존의 제품 등을 고려하면 구경이 100㎜ 이상 300㎜ 이하인 SiC 단결정 웨이퍼이며, 예를 들어 소위 100㎜ 웨이퍼나 125㎜ 웨이퍼 등이 여기에 포함된다. 또한, 구경 150㎜ 이상의 웨이퍼란, 동일하게, 구경이 150㎜ 이상 300㎜ 이하인 SiC 단결정 웨이퍼이며, 소위 150㎜ 웨이퍼가 여기에 포함된다. 웨이퍼의 구경에 대해서는, 디바이스의 생산성의 관점에서는 클수록 바람직하고, 그 의미에서는 상한은 존재하지 않으나, 현시점의 기술에서는, 구경이 300㎜를 초과하면 승화 재결정 중의 결정 내부의 온도차가 과대해져, 웨이퍼에 있어서의 물성값의 차도 현저해진다. 즉, 구경이 커짐에 따라 내부 응력도 높아져, 고품질의 웨이퍼를 얻는 것이 어려워지는 경향이 있는 점에서, 실질적으로는 300㎜가 상한이다.
상기와 같은 SiC 단결정 웨이퍼를 제조하기 위한 방법으로서, 종래 온도 구배를 최대한 작게 한 환경에서 SiC 단결정 잉곳을 육성하고, 성장 표면의 응력을 작게 한다는 사고 방식이 주류이었다. 그러나, 전술한 바와 같이 승화 재결정법에 의한 SiC 단결정 잉곳의 안정 성장을 위해서는, 성장 공간 내에 온도 구배를 부여하는 것은 필수적이며, 터무니없이 온도 구배를 작게 하면, 단일 폴리 타입 성장의 성공률이나 성장 속도에 악영향을 주어, 생산성이 저하되는 점에서, 공업적으로는 불리하다. 덧붙여 말하면, 공업적인 관점에서는 잉곳의 높이는 30㎜ 정도, 혹은 그 이상 필요하다고 생각되어진다.
본 발명자들은, 공업적 규모의 생산에 있어서, 저BPD, 저TSD, 저탄성 변형의 SiC 단결정 웨이퍼를 얻기 위한 제조 방법에 대하여, 오랜 세월에 걸쳐 연구·개발을 행했다. 그 결과, 놀랍게도, 최종적으로 웨이퍼의 전위나 탄성 변형으로 되는 SiC 단결정 잉곳의 내부 응력은, 성장 표면에서 성장 시에 발생할 뿐만 아니라, 성장 후의 결정의 온도 분포 변화에 의해 현저하게 증대된 것을 발견했다. 이하, 이 사상에 대하여 상세하게 설명한다.
성장 중의, 어떤 시점에 있어서의 SiC 단결정 잉곳은, 그 시점의 온도 분포에 의해 내부 응력이 발생하고 있는 상태에 있고, 그 내부 응력의 일부는 이미 전위로 변환되고 있다. 만약, 이때의 온도 분포가 유지된 채, 성장이 완료되면, 전술한 온도 분포를 반영한 전위 밀도와 탄성 변형을 갖는 SiC 단결정 웨이퍼를 제조할 수 있다. 그러나, 실제의 제조 조건 하에서는, 결정 성장에 수반하여 몇 가지의 이유에 의해 온도 분포가 변화되어, SiC 단결정 잉곳에 새로운 응력이 발생한다. 이 새롭게 발생한 응력에 의해, 확실하게 BPD는 증식된다. 또한, 성장 표면에 있어서의 원자 배열도 변화되어, TSD를 발생시키는 원인으로 된다. 또한 웨이퍼의 탄성 변형도 증가되어, 그 결과로서, 양질의 디바이스의 제작이 곤란해진다. 여기서, 전술한 온도 분포가, 그 구배가 작아지는 변화를 한 경우, 최종적으로 제작되는 웨이퍼의 탄성 변형이 작아진다는 현상은 일어날 수 있다. 그러나, 그 경우에도, 원래의 온도 분포 하에서 응력적으로 평형 상태에 있는 잉곳에 대하여, 응력적으로 평형이 아닌 온도장의 인가에 의해 새로운 응력을 부여함으로써 전위가 발생하므로, 저전위 밀도와 저탄성 변형을 양립하는 웨이퍼를 제작할 수는 없다.
따라서, 본 발명자들은, 단결정 성장 중에 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열을 제어함으로써, 결정 성장 중의 잉곳의 온도 분포 변화를 억제하여, 성장 중의 BPD, TSD의 증식을 억제하는 동시에 탄성 변형도 저감시킬 수 있다고 생각했다. 그러나, 실제의 SiC 단결정 성장에 있어서는, 결정의 온도를 실측하는 것은 불가능하다. 그로 인해, 본 발명자들은, 유한 요소 방법을 사용하여 단결정 잉곳이나 도가니 내부의 온도나 내부 응력을 해석하고, 또한 실제로 결정 성장을 행하여, 얻어진 결정의 품질 평가를 거듭한 결과, 상기한 사고 방식을 구현화하는 방법을 발견하고, 본 발명의 SiC 단결정 웨이퍼의 개발에 성공한 것이다.
우선, 온도 분포 변화를 발생시키는 원인의 하나는, 결정 성장을 행하는 도가니의 외측에 배치되는 단열재의 특성 열화에 의한 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열의 변동이다. 승화 재결정법에 의한 SiC 단결정의 제조에 사용되는 단열재로서는, 흑연의 펠트 또는 흑연의 성형 단열재가 사용되는 경우가 많다. 그들의 제조 조건으로서는, 가장 일반적인 입열 처리의 온도는 1000℃ 이하이고, 고온 처리품에서도 그 처리 온도는 2000℃이다. SiC 단결정용 도가니의 온도는 최고 2400℃ 이상에도 도달하여, 전술한 단열재의 처리 온도보다도 높기 때문에, 결정 성장 중에 단열재의 흑연화 등의 반응이 일어나, 단열 특성이 저하된다. 그에 추가하여, 도가니 내부로부터는 승화 가스 성분이 누설되고, 그 성분은 단열재와 열화학적인 반응을 일으켜 흑연재를 열화시켜, 단열성을 저하시킨다. 이 단열재 열화에 수반하여, 실제로 SiC 단결정 잉곳을 제조할 때의 장치 제어에 있어서의 온도 피드백에 의해 코일에 투입되는 전류가 상승한다(단열 특성의 저하에 의해 도가니 온도가 내려갔다고 판단되기 때문). 그렇게 하면, 단열재의 열화된 도가니 부위의 온도는 저하되지만, 열화가 경도한 부위의 온도는 반대로 상승하는 경우도 있다. 따라서, 단결정 잉곳이 받는 온도 구배의 변화는 균일하지 않다. 어떤 경우든, 단결정 잉곳의 온도 분포가 변화되어, 새로운 내부 응력이 발생하는 것은 틀림없다.
따라서, 결정 성장에 앞서, 단열재에 2250℃ 이상, 바람직하게는 2450℃ 이상의 온도에서 열처리를 실시해 두면, 성장 중에 고온에 노출되는 것에 의한 재료 특성의 변화와, 동시에 승화 가스 성분의 반응성도 억제할 수 있다. 승화 가스와의 반응성이 억제되는 메커니즘은 명확하지 않지만, 흑연 섬유의 흑연화도가 높은 것 등이 효과를 발휘하고 있다고 생각되어진다. 또한, 단열재의 열처리의 방법으로서는, 단열재 소재 1로트를 통합하여 불활성 분위기 중에서 처리하는 방법이나, 성장용으로 가공된 단열 부재를 도가니와 조립한 상태에서, 결정 성장용 유도 가열로를 사용하여 열처리를 행하는 방법 등이 있지만, 특별히 한정되지 않는다. 처리 온도의 상한도 특별히 한정하는 것은 아니지만, 초고온 환경에서는 흑연 자체의 승화가 발생하고, 또한 비용적으로도 불리해지므로, 3000℃ 정도가 상한이다.
결정 성장 중의 잉곳의 온도 분포 변화를 발생시키는, 또 하나의 큰 원인은, 고온의 원료측으로부터 저온의 SiC 단결정측을 향하여, 도가니를 형성하는 흑연 부재를 통과하고, 그 후 잉곳 측면에 입사하는 열량의 변화이다. 일반적으로, SiC의 단결정 성장에 있어서, 도가니의 온도는 일정하지 않아, 변화를 수반한다. 그것은, 성장 속도 제어를 위한 능동적인 온도 조정인 경우와, 성장에 수반하는 도가니 내부의 상태 변화에 의한 수동적인 변동의 경우 등도 있지만, 어떤 경우든 온도 변화는 불가피한 현상이다. 이 온도 변화에 수반하여, 잉곳 측면에 입사하는 열량도 변화하여, 그 결과, 잉곳 내부의 온도 분포도 변화한다. 또한, 만약 온도가 일정하게 유지되고 있다고 해도, SiC 단결정의 성장에 수반하여, 잉곳의 측면 면적이 증가되므로, 역시 단결정 잉곳 측면으로부터 입사하는 열량도 변화하여, 잉곳 내부의 온도 분포가 변화한다.
이 온도 변화를 억제하기 위해서는, 종결정이 설치되는 도가니 덮개의 종결정 설치 영역을 형성하는 부재보다도 열전도율이 높은 부재(이하, 열유속 제어 부재라고 함)를 종결정 설치 영역의 외주를 따라 설치하고, 도가니로부터 열유속 제어 부재에 흐르는 열유속을 증가시킴으로써, 도가니로부터 잉곳 및 잉곳으로부터 종결정 설치 영역이라는 열유속을 감소시키는 것이 유효하다. 이때, 각 부재의 열전도율로서는, 종결정 설치 영역을 형성하는 부재의 실온 열전도율=λ1과, 열유속 제어 부재의 실온 열전도율=λ2가 1.1×λ1≤λ2의 관계로 되도록 함으로써 효과가 나타난다. 더 바람직한 조건으로서는, 전술한 실온 열전도율이 1.2×λ1≤λ2의 관계에 있는 경우이다. λ2의 값의 상한값은 특별히 설정하고 있지 않지만, λ1에 대한 실온 열전도율의 비가 1.8배를 초과하면, 성장 표면의 온도 분포에도 큰 변화가 발생하여, 안정 성장이 어려워지므로 바람직하지 않다. 또한, 잉곳 측면으로부터의 입열을 제어하여, 결정 성장 중의 잉곳의 온도 분포 변화를 억제하기 위해서는, 종결정이 설치되는 종결정 설치 영역보다도 외측에 열유속 제어 부재가 배치되는 것이 보다 효과적이지만, 종결정 설치 영역의 외측 주변에서 열유속 제어 부재가 일부 겹치도록 배치되었다고 해도, 도가니로부터 열유속 제어 부재에 흐르는 열유속을 증가시켜 잉곳 측면에의 입열을 제어할 수 있으면 상관없다.
잉곳의 온도 변화를 억제하는 또 하나의 방법은, 이중 석영관 등에 설치된 결정 육성용 도가니의 주위를 둘러싸는 주변 공간의 분위기 가스의 열전도율을 향상시켜, 도가니로부터 분위기 중에 방산되는 열량을 증가시키는 것이다. 고열전도의 가스 성분으로서, 일반적으로는 수소가 잘 알려져 있지만, 수소는 흑연이나 SiC를 에칭하는 등의 영향이 있으므로 바람직하지 않다. 이 경우의 가스종으로서는 헬륨이 최적이며, 분위기 중에 헬륨이 10vol％ 이상 포함되는 경우에 의도한 효과가 발생하고, 헬륨이 20vol％ 이상인 경우에 보다 큰 효과가 얻어진다. 헬륨의 상한값은, 비용이나, 웨이퍼에 요구되는 전기 전도도(즉 분위기 중의 도펀트 농도)의 관계로부터 필연적으로 결정되지만, 헬륨 가스의 농도가 50vol％ 이상으로 되면, 이 경우도 성장 표면의 온도 분포에도 큰 변화가 발생하여, 안정 성장이 어려워지므로, 역시 바람직하지 않다.
실시예
이하, 실시예 및 비교예에 기초하여, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 관한 SiC 단결정 웨이퍼를 제작하기 위한 SiC 단결정 잉곳의 제조에 사용한, 개량형 렐리법에 의한 단결정 성장의 장치이다. 결정 성장은, 승화 원료(3)를 유도 가열에 의해 승화시켜, 종결정(1) 위에 재결정시킴으로써 행하여진다. 종결정(1)은, 흑연 덮개(도가니 덮개)(6)의 내면에 설치되어 있고, 승화 원료(3)는 흑연 도가니(4)의 내부에 충전된다. 이 흑연 도가니(4) 및 흑연 덮개(6)는, 열 실드를 위하여 단열재(5)로 피막되고, 이중 석영관(8) 내부의 흑연 지지 받침대(7) 위에 설치된다. 석영관(8)의 내부를, 진공 배기 장치 및 압력 제어 장치(12)를 사용하여 1.0×10-4Pa 미만까지 진공 배기한 후, 순도 99.9999％ 이상의 고순도 Ar 가스를, 배관(10)을 통하여 매스 플로우 컨트롤러(11)로 제어하면서 유입시키고, 진공 배기 장치 및 압력 제어 장치(12)를 사용하여 석영관 내 압력을 80kPa로 유지하면서 워크 코일(9)에 고주파 전류를 흘려, 흑연 도가니 하부를 목표 온도인 2400℃까지 상승시킨다. 질소 가스(N2)도 마찬가지로, 배관(10)을 통하여 매스 플로우 컨트롤러(11)로 제어하면서 유입시키고, 분위기 가스 중의 질소 분압을 제어하여, SiC 결정 중에 도입되는 질소 원소의 농도를 조정했다. 도가니 온도의 계측은, 도가니 상부 및 하부의 단열재(5)에 직경 2 내지 15㎜의 광로를 설치하여 방사 온도계(13a 및 13b)에 의해 행한다. 도가니 상부 온도를 종결정 온도, 도가니 하부 온도를 원료 온도로 했다. 그 후, 석영관 내 압력을 성장 압력인 0.8kPa 내지 3.9kPa까지 약 15분에 걸쳐 감압하고, 이 상태를 소정의 시간 유지하여 결정 성장을 실시했다.
(실시예 1)
우선, 원료나 종결정을 장전하지 않은 도가니와, 2000℃에서 열처리된 시판되고 있는 흑연제 펠트를 1식 준비하고, 결정 성장에 앞서 흑연제 펠트의 열처리를 행했다. 그 후, 도가니와 단열재는 성장 시와 마찬가지의 조립을 행하고, 상술한 성장 준비와 마찬가지로 석영관 내부에 설치하여 진공 배기를 행했다. 계속해서, 석영관 내에 고순도 Ar 가스를, 배관을 통하여 매스 플로우 컨트롤러로 제어하면서 유입시키고, 석영관 내 압력을 80kPa로 유지하면서 워크 코일에 고주파 전류를 흘려, 흑연 도가니 하부 및 상부가 목표 온도에 달할 때까지 상승시키고, 이 상태를 12시간 유지하여 열처리를 완료시켰다. 실시예 1의 흑연제 펠트의 열 처리 온도는 2300℃로 하고, 고순도 아르곤 분위기 중에서 12시간의 열처리를 행했다.
이어서, 상기한 도가니와 펠트를 사용하여 행한, 실시예 1의 결정 성장에 대하여 설명한다. 종결정(1)으로서, (0001)면을 주면으로 하고, <0001>축이 <11-20> 방향으로 4° 기운, 구경 101㎜의 4H의 단일 폴리 타입으로 구성된 SiC 단결정 웨이퍼를 사용했다. 성장 압력은 1.33kPa이며, 질소 가스의 분압은 180Pa 내지 90Pa이다. 질소 분압은 잉곳 전체에서 최적의 도전성을 유지하기 위하여 변화시켰다. 여기서, 일반적인 흑연 펠트와 비교하여, 본 실시예와 같은 고온 열처리된 펠트는 열화가 적어, 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열 변동을 억제할 수 있으므로, 저전위 밀도이면서, 또한 저탄성 변형의 SiC 단결정 웨이퍼가 제조 가능해진다.
이렇게 하여 얻어진 SiC 단결정 잉곳은, 구경이 106.8㎜, 높이는 34.8㎜이었다. 이와 같이 하여, 실시예 1의 구경 100㎜ 웨이퍼 제작용 SiC 단결정 잉곳을 제조했다.
얻어진 잉곳은 공지의 가공 기술에 의해, 종결정과 동일하게, 오프 각도 4°의 (0001)면을 갖는 두께 0.4㎜의 경면 웨이퍼 8매로 가공하고, 품질의 평가를 행했다. 종결정측부터 순서대로 세어 11 내지 18을 웨이퍼 번호로 한다. 여기서, 11번 내지 18번의 각 웨이퍼의 잉곳 높이에 대한 상대 위치는, 각각 0.2 내지 0.9까지 0.1 간격이다. 즉, 상대 위치 0은 종결정 표면에 상당하고, 1.0은 잉곳의 높이에 상당한다.
제작된 8매의 웨이퍼에 대하여, 우선 라만 분광 측정기(닛본 분코사제 NRS-7100, 분해능 ±0.05㎝-1)를 사용하여, 전술한 바와 같은 방법으로 라만 시프트를 측정했다. 그 후, 용융 KOH 에칭을 행하여, 광학 현미경에 의해 BPD 밀도 및 TSD 밀도를 계측했다. 여기에서는, J.Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, 135, (1994), 61-70에 기재되어 있는 방법에 따라, 530℃의 용융 KOH에 시료를 10분간 침지하고, 조개 껍질형 피트를 BPD, 중형·대형의 육각형 피트를 TSD로 하여, 에치 피트 형상으로부터 전위 결함을 분류했다. 에치 피트의 관찰예를 도 2에 도시한다. 전위 밀도의 산출 방법으로서는, 도 3에 도시한 바와 같이 도면의 상하, 좌우에서 대칭 관계에 있는 52점에서, 그 점이 측정 에리어의 중심으로 되도록, TSD에 대해서는 피트의 사이즈가 크므로 2073㎛×1601㎛로 하고, TSD 이외에 대해서는 663㎛×525㎛의 측정 에리어에서 에치 피트를 계수하여, 그 평균값을 웨이퍼의 전위 밀도로 했다. 또한, 도면 중에 나타낸 d의 값은 100㎜ 웨이퍼에 대해서는 3.25㎜, 150㎜ 웨이퍼에 대해서는 4.8㎜로 했지만, 상기 이외의 구경에 대해서도, 적당한 d를 선택함으로써, 구경의 영향을 받지 않고 전위 밀도를 정확하게 평가할 수 있다.
전술한 평가 결과를, 표 1에 나타낸다. 18번의 웨이퍼가 BPD 밀도 500개/㎠ 이하이고, 또한 BPD, TSD의 합계 밀도도 1000개/㎠를 하회하여, 본 발명 범위의 특성을 갖고 있었다.
Figure 112018007384814-pat00001
(실시예 2)
이어서, 실시예 2에 대하여 설명한다. 실시예 2에서도, 실시예 1과 마찬가지로, 2000℃에서 열처리된 시판되고 있는 흑연제 펠트를 1식 준비하고, 결정 성장에 앞서 흑연제 펠트의 열처리를 행했다. 실시예 2의 흑연제 펠트의 열 처리 온도는 2500℃이고, 이 점 이외는 실시예 1과 마찬가지로 처리를 행했다.
상기한 도가니와 펠트를 사용하여 행한, 실시예 2의 결정 성장 방법은, 실시예 1과 마찬가지이다. 실시예 2도 실시예 1과 마찬가지의 이유로, 저전위 밀도이고 또한 저탄성 변형의 SiC 단결정 웨이퍼가 제조 가능해지지만, 보다 고온에서 처리된 흑연제 펠트를 사용함으로써, 단열재 열화에 의한 면 내 온도 구배의 과잉한 저하가 억제되므로, 특히 BPD의 저감에 효과가 있다.
이렇게 하여, 구경이 105.7㎜, 높이는 37.9㎜의 구경 100㎜ 웨이퍼 제작용 SiC 단결정 잉곳을 제조했다.
얻어진 잉곳은, 실시예 1과 마찬가지의 잉곳 내의 상대 위치를 갖는 경면 웨이퍼 8매로 가공하고(종결정측부터 순서대로 세어 21 내지 28번), 품질의 평가를 행했다. 평가 결과를 표 2에 나타낸다. 27번 내지 28번의 웨이퍼가 BPD 밀도, BPD와 TSD의 합계 밀도에서도 본 발명 범위의 품질을 갖고 있었다.
Figure 112018007384814-pat00002
(실시예 3)
이어서, 실시예 3의 결정 제조 방법에 대하여 설명한다. 실시예 3에서는, 도 5의 개략도에 도시한 구조의 흑연 도가니(24)를 결정 성장에 사용했다. 이 흑연 도가니(24)에서는, 종결정(21)이 도가니 덮개(26)의 내면측에 설치되어 있고, 이 도가니 덮개(26)의 외주측면에 접하면서, 그 주위를 둘러싸도록, 고열전도 흑연재제의 열유속 제어 부재(27)가 배치되어 있다. 여기서, 종결정(21)이 설치되는 종결정 설치 영역을 형성하는 도가니 덮개(26)의 실온 열전도율=λ1과, 열유속 제어 부재(27)의 실온 열전도율=λ2는 1.15×λ1≤λ2의 관계에 있다. 또한, 이 실시예 3에서는, 결정 성장에 앞서, 실시예 1과 마찬가지로 2300℃에서 흑연제 펠트의 열처리도 행했다. 열유속 제어 부재(27)를 포함한 도가니의 구조 이외의 결정 성장 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하여 단결정 잉곳의 제조를 행했다. 실시예 3의 도가니 구조는, 단결정 잉곳의 측면을 따른 열유속이 증가된 조건 하에서, 열유속이 과잉으로 잉곳에 입사하지 않는 것을 의도한 구조이다. 이 도가니 구조에 의해, 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열 변동을 억제할 수 있는 점에서, 저전위 밀도이고 또한 저탄성 변형의 SiC 단결정 웨이퍼가 제조 가능해진다.
이 실시예 3에서는, 상기와 같은 열유속 제어 부재(27)를 구비한 도가니가 사용되고, 또한 단열재는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 열처리되고 있다. 이렇게 하여 얻어진 SiC 단결정 잉곳은, 구경이 105.5㎜, 높이는 37.8㎜이었다.
얻어진 잉곳은, 실시예 1과 마찬가지의 잉곳 내의 상대 위치를 갖는 경면 웨이퍼 8매로 가공하고(종결정측부터 순서대로 세어 31 내지 38번), 품질의 평가를 행했다. 평가 결과를 표 3에 나타낸다. 33번 내지 38번의 웨이퍼가 본 발명 범위의 특성을 갖고 있지만, 특히 34번 내지 38번의 웨이퍼는 BPD와 TSD의 합계 밀도에서도 500개/㎠를 하회하고 있어, 매우 양호하다.
Figure 112018007384814-pat00003
(실시예 4)
이어서, 실시예 4의 결정 제조 방법에 대하여 설명한다. 실시예 4에서는, 도 6의 개략도에 도시한 구조의 흑연 도가니(24)를 결정 성장에 사용했다. 이 흑연 도가니(24)에서는, 종결정(21)이 도가니 덮개(26)의 내면측에 설치되어 있고, 이 도가니 덮개(26)의 외주측면에 접하면서 그 주위를 둘러쌈과 함께, 일부가 흑연 도가니의 측벽의 외측 부분에 연장 설치되도록 하여 고열전도 흑연재제의 열유속 제어 부재(27)가 배치되어 있다. 여기서, 종결정(21)이 설치되는 종결정 설치 영역을 형성하는 도가니 덮개(26)의 실온 열전도율=λ1과, 열유속 제어 부재(27)의 실온 열전도율=λ2는 1.3×λ1≤λ2의 관계에 있다. 또한, 이 실시예 4에서는, 결정 성장에 앞서 흑연제 펠트의 열처리도 행했다. 즉, 이 실시예 4에 대해서는, 실시예 2와 마찬가지의 조건인 2500℃에서 흑연제 펠트의 열처리를 행했다. 열유속 제어 부재(27)를 포함한 도가니의 구조 이외의 결정 성장 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하여, 단결정 잉곳의 제조를 행했다.
이 실시예 4에서는, 실시예 3과 동일한 목적으로 설계된 도가니가 사용되고, 또한 단열재는 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 열처리되고 있다. 이들에 의해, 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열 변동은 더 효과적으로 억제되어, 전술한 실시예보다도 더욱 저전위 밀도이고 또한 저탄성 변형의 SiC 단결정 웨이퍼가 제조 가능해진다. 이렇게 하여 얻어진 SiC 단결정 잉곳은, 구경이 105.7㎜, 높이는 39.6㎜이었다.
얻어진 잉곳은, 실시예 1과 마찬가지의 잉곳 내의 상대 위치를 갖는 경면 웨이퍼 8매로 가공하고(종결정측부터 순서대로 세어 41 내지 48번), 품질의 평가를 행했다. 평가 결과를 표 4에 나타낸다. 모든 웨이퍼가 본 발명 범위의 특성을 갖고 있으며, 특히 44번 내지 48번의 웨이퍼는 BPD와 TSD의 합계 밀도에서도 300개/㎠를 하회하고 있어, 매우 양호하다.
Figure 112018007384814-pat00004
(실시예 5)
이어서, 실시예 5에 대하여 설명한다. 실시예 5에서는, 구경 150㎜의 웨이퍼의 제작을 행했다. 실시예 5의 결정 제조에 대해서는, 구경 150㎜ 웨이퍼용 잉곳에 대응한 사이즈의 도가니 및 단열재가 사용되었지만, 그 기본 구조는 도 7에 도시한 바와 같다. 이 흑연 도가니(24)에서는, 도가니 덮개(26)의 내면측의 대략 중앙 부분에 종결정(21)이 설치되어 있고, 도가니 덮개(26)의 외측에는 종결정(21)이 설치된 종결정 설치 영역을 둘러싸도록, 고열전도 흑연재제의 열유속 제어 부재(27)가 배치되어 있다. 여기서, 도가니 덮개(26) 중 적어도 종결정(21)이 설치되는 종결정 설치 영역을 형성하는 부재의 실온 열전도율=λ1과, 열유속 제어 부재(27)의 실온 열전도율=λ2는, 실시예 4와 마찬가지로 1.3×λ1≤λ2의 관계에 있다. 또한, 이 실시예 5에서는, 결정 성장에 앞서 흑연제 펠트의 열처리도 행했다. 실시예 5에 대해서는, 실시예 2와 마찬가지의 조건인 2500℃에서 흑연제 펠트의 열처리를 행했다.
또한, 실시예 5의 종결정으로서는, (0001)면을 주면으로 하고, <0001>축이 <11-20>방향으로 4° 기운, 구경 154㎜의 4H의 단일 폴리 타입으로 구성된 SiC 단결정 웨이퍼를 사용했다. 종결정의 사이즈 및 열유속 제어 부재(27)를 포함한 도가니의 구조 이외의 결정 성장 조건은 실시예 1과 거의 마찬가지의 조건으로 하여, 단결정 잉곳의 제조를 행했다.
실시예 5는, 구경 150㎜ 웨이퍼 제작용의 단결정 잉곳의 제조예이지만, 제조 방법의 사고 방식은, 기본적으로는 실시예 4와 마찬가지이며, 구경이 상이한 잉곳인 경우에도 저전위 밀도이고 또한 저탄성 변형의 SiC 단결정 웨이퍼가 제조 가능해진다. 이와 같이 하여, 실시예 5의 구경 150㎜ 웨이퍼 제작용 SiC 단결정 잉곳을 제조했다. 얻어진 SiC 단결정 잉곳은, 구경이 158.1㎜, 높이는 42.6㎜이었다.
얻어진 잉곳은, 실시예 1과 마찬가지의 잉곳 내의 상대 위치를 갖는 경면 웨이퍼 8매로 가공하고(종결정측부터 순서대로 세어 51 내지 58번), 품질의 평가를 행했다. 평가 결과를 표 5에 나타낸다. 모든 웨이퍼가 본 발명 범위의 특성을 갖고 있으며, 특히 55번 내지 58번의 웨이퍼가 BPD와 TSD의 합계 밀도에서도 300개/㎠를 하회하여, 매우 양호하다.
그리고, 58번의 웨이퍼의 Si면에는, 호모·에피택셜 성장을 실시했다. 에피택셜 성장의 조건은, 성장 온도 1550℃, 실란(SiH4), 프로판(C3H8), 수소(H2)의 유량이, 각각 32cc/min, 21cc/min, 150L/min이며, 질소 가스는 활성층에 있어서의 캐리어 농도가 1×1016㎝-3으로 되는 유량으로 하고, 두께 약 5㎛의 활성층을 성장시켰다. 에피택셜막의 표면은 전체면에 걸쳐 매우 평탄하고, 캐럿 등의 에피택셜 결함도 매우 적은, 양호한 에피택셜 박막이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이 에피택셜 웨이퍼 위에 MOSFET 구조를 제작하고, 게이트 절연막의 내압을 측정한 바, 약 820V이었다.
Figure 112018007384814-pat00005
(실시예 6)
이어서, 실시예 6의 결정 제조 방법에 대하여 설명한다. 실시예 6에서는, 도 8의 개략도에 도시한 구조의 흑연 도가니를 결정 성장에 사용했다. 이 흑연 도가니(24)에서는, 종결정(21)이 도가니 덮개(26)의 내면측에 설치되어 있고, 도가니 덮개(26)의 외주측에 흑연 도가니의 측벽 일부를 개재하여, 고열전도 흑연재제의 열유속 제어 부재(27)가 배치되어 있다. 여기서, 종결정(21)이 설치되는 종결정 설치 영역을 형성하는 도가니 덮개(26)의 실온 열전도율=λ1과, 열유속 제어 부재(27)의 실온 열전도율=λ2는, 1.4×λ1≤λ2의 관계에 있다. 또한, 이 실시예 6에서는, 결정 성장에 앞서 흑연제 펠트의 열처리도 행했다. 실시예 4에 대해서는, 실시예 2와 마찬가지의 조건인 2500℃에서 흑연제 펠트의 열처리를 행했다.
또한, 이 실시예 6에서는, 결정 성장 조건은 실시예 1과 마찬가지이지만, 이중 석영관(8)에 설치한 흑연 도가니의 주위를 둘러싸는 주변 공간의 분위기 가스 중에는 He 가스를 혼합시켰다. He 가스의 함유율은 16vol％이다. 실시예 6에서도, 실시예 4와 동일한 목적으로 설계된 도가니와, 실시예 4와 동일한 조건에서 열처리된 흑연제 펠트가 사용되고 있다. 또한, 분위기 가스를 고열전도화됨으로써, 한층 더한 온도 구배의 저감화를 도모했다. 이렇게 하여 얻어진 SiC 단결정 잉곳은, 구경이 108.7㎜, 높이는 56.3㎜이었다.
얻어진 잉곳은, 실시예 1과 마찬가지의 잉곳 내의 상대 위치를 갖는 경면 웨이퍼 8매로 가공하고(종결정측부터 순서대로 세어 61 내지 68번), 품질의 평가를 행했다. 평가 결과를 표 6에 나타낸다. 63번 내지 68번의 웨이퍼가, BPD 밀도와, BPD와 TSD의 합계 밀도에서도 본 발명 범위의 특성이며, 그 중에서도 66번 내지 68번의 웨이퍼는 BPD와 TSD의 합계 밀도에서도 500개/㎠를 하회하고 있어, 매우 양호하다. 실시예 4에 비교하면, 약간 전위 밀도는 높은 결과로 되었지만, 라만 지수가 나타낸 대로, 탄성 변형이 매우 작은 웨이퍼를 제조할 수 있었다. 도가니 구조와 가스 조성, 결정 성장 조건을 종합하여 최적화함으로써, 또한 저전위 밀도이고 또한 저탄성 변형의 SiC 단결정 웨이퍼도 제조 가능해진다고 생각되어진다.
Figure 112018007384814-pat00006
(비교예 1)
이어서, 비교예 1에 대하여 설명한다. 비교예 1에서는, 2000℃에서 열처리된 시판되고 있는 흑연제 펠트를 1식 사용하여 성장을 행했다. 도가니의 구조는 실시예 1과 동일하다. 비교예 1의 결정 성장 방법도, 실시예 1과 거의 마찬가지이다. 비교예 1에서는, 일반적인 흑연 펠트와 흑연 도가니가 사용되고 있기 때문에, 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열 변동은 억제되지 않아, 저전위 밀도와 저탄성 변형을 양립하는 SiC 단결정 웨이퍼를 제조할 수는 없다. 이렇게 하여 얻어진 SiC 단결정 잉곳은, 구경이 107.4㎜, 높이는 35.2㎜이었다.
얻어진 잉곳은, 실시예 1과 마찬가지의 잉곳 내의 상대 위치를 갖는 경면 웨이퍼 8매로 가공하고(종결정측부터 순서대로 세어 71 내지 78번), 품질의 평가를 행했다. 평가 결과를 표 7에 나타낸다. 평가 항목마다 웨이퍼의 성질을 보아 가면, 71번의 웨이퍼를 제외하면, 라만 지수는 본 발명 범위의 값을 갖고 있다. 그러나, 전위 밀도가 모든 웨이퍼에 있어서 높고, 특히 BPD 밀도가 높다. 이로 인해, 본 발명 범위의 특성을 갖는 웨이퍼는 1매도 얻을 수 없다.
그리고, 78번의 웨이퍼의 Si면에는, 실시예 6과 동일 조건에서, 호모·에피택셜 성장을 실시하여, 두께 약 5㎛의 활성층을 성장시켰다. 에피택셜막의 표면은, 펀칭 등의 표면 모폴로지 흐트러짐이 관찰되어, 캐럿 등의 에피택셜 결함도 많이 보였다. 이 에피택셜 웨이퍼 위에 MOSFET 구조를 제작하여, 게이트 절연막의 내압을 측정한 바, 약 270V이었다.
Figure 112018007384814-pat00007
(비교예 2)
이어서, 비교예 2에 대하여 설명한다. 비교예 2에서는, 2000℃에서 열처리된 시판되고 있는 흑연제 펠트를 1식 사용하여 성장을 행했다. 도가니의 구조의 개략은 실시예 1과 동일하다. 비교예 2의 결정 성장은, 실시예 1과 거의 마찬가지의 준비를 행하고, 얻어진 SiC 단결정 잉곳은, 구경이 103.1㎜, 높이는 16.5㎜이었다. 비교예 2도 비교예 1과 마찬가지이며, 일반적인 흑연 펠트와 흑연 도가니가 사용되고 있기 때문에, 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열 변동은 억제되지 않는다. 성장 조건의 차이에 의해, 저전위 밀도이면서 혹은 저탄성 변형의 어느 한쪽을 부분적으로 실현하는 경우도 있지만, 그들을 양립하는 SiC 단결정 웨이퍼를 제조할 수는 없다.
얻어진 잉곳은 높이가 낮으므로, 81번, 88번에 상당하는 웨이퍼의 제작은 곤란했다. 이로 인해, 82번 내지 87번의 상대 위치를 갖는 경면 웨이퍼 6매로 가공하여, 품질의 평가를 행했다. 평가 결과를 표 8에 나타낸다. 표 8의 중에서, 84번 내지 87번의 웨이퍼가 기저면 전위 밀도에 관해서는 본 발명 범위의 값을 갖고 있다. 그러나, 라만 지수가 모든 웨이퍼에서 높아, 본 발명 범위의 특성을 갖는 웨이퍼는 1매도 얻을 수 없다.
그리고, 87번의 웨이퍼의 Si면에, 실시예 6과 동일 조건에서, 호모·에피택셜 성장을 실시하여, 두께 약 5㎛의 활성층을 성장시켰다. 에피택셜막의 표면에는, 캐럿 등의 에피택셜 결함은, 실시예 5의 58번의 웨이퍼보다는 많지만, 비교예 1의 78번의 웨이퍼에 비교하면 상당히 적었다. 그러나, 펀칭 등의 표면 모폴로지 흐트러짐은 고밀도로 관찰되었다. 이것은, 탄성 변형에 의해 웨이퍼의 표면 스텝 상태가 흐트러져 있던 것이 원인이라고 생각되어진다. 이 에피택셜 웨이퍼 위에 MOSFET 구조를 제작하고, 게이트 절연막의 내압을 측정한 바, 약 340V이었다.
Figure 112018007384814-pat00008
(비교예 3)
이어서, 비교예 3에 대하여 설명한다. 비교예 3에서는, 2000℃에서 열처리된 시판되고 있는 흑연제 펠트를 1식 사용하여, 구경 150㎜의 웨이퍼의 제작을 행했다. 구경 150㎜ 웨이퍼용 잉곳의 성장에 사용한 도가니와 단열재의 구조는 실시예 1에서 사용한 도가니와 단열재의 상사형이며, 구경 150㎜ 잉곳에 대응한 사이즈를 갖고 있다. 비교예 3의 결정 성장 방법도, 실시예 1과 거의 마찬가지이다. 비교예 3에서는, 일반적인 흑연 펠트와 흑연 도가니가 사용되기 때문에, 단결정 잉곳 측면으로부터의 입열 변동은 억제되지 않아, 저전위 밀도와 저탄성 변형을 양립하는 SiC 단결정 웨이퍼를 제조할 수는 없다. 이렇게 하여 얻어진 SiC 단결정 잉곳은, 구경이 158.5㎜, 높이는 33.2㎜이었다.
얻어진 잉곳은, 실시예 1과 마찬가지의 잉곳 내의 상대 위치를 갖는 경면 웨이퍼 8매로 가공하고(종결정측부터 순서대로 세어 91 내지 98번), 품질의 평가를 행했다. 평가 결과를 표 9에 나타낸다. 평가 항목마다 웨이퍼의 성질을 보아 가면, TSD는 본 발명 범위의 값을 갖고 있다. 그러나, BPD가 모든 웨이퍼에 있어서 높고, 또한 라만 지수도 대개 높다. 이로 인해, 본 발명 범위의 특성을 갖는 웨이퍼는 1매도 얻을 수 없는 것을 알 수 있다.
Figure 112018007384814-pat00009
1: 종결정(SiC 단결정)
2: SiC 단결정 잉곳
3: 승화 원료(SiC 분말 원료)
4: 흑연 도가니
5: 단열재
6: 흑연 덮개(도가니 덮개)
7: 흑연 지지 받침대(도가니 지지대 및 축)
8: 이중 석영관
9: 워크 코일
10: 배관
11: 매스 플로우 컨트롤러
12: 진공 배기 장치 및 압력 제어 장치
13a: 방사 온도계(도가니 상부용)
13b: 방사 온도계(도가니 하부용)
21: 종결정(SiC 단결정)
22: SiC 단결정 잉곳
23: 승화 원료(SiC 분말 원료)
24: 흑연 도가니
25: 단열재
26: 흑연 덮개(도가니 덮개)
27: 열유속 제어 부재

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 표면의 기저면 전위 밀도가 500개/cm2 이하, 관통 나선 전위 밀도가 200개/cm2 이하이고 또한 웨이퍼 표면의 2개 소에서 측정된 라만 산란광의 파수의 차분인 라만 지수가 0.15 이하인, 구경 100mm 이상의 탄화규소 단결정 웨이퍼.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 웨이퍼 표면의 2개 소에서 측정된 라만 산란광의 파수의 차분인 라만 지수가 0.1 이하인 탄화규소 단결정 웨이퍼.
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서, 표면의 기저면 전위 밀도가 300개/cm2 이하인 탄화규소 단결정 웨이퍼.
  7. 제2항에 있어서, 표면의 기저면 전위 밀도가 100개/cm2 이하인 탄화규소 단결정 웨이퍼.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제2항에 있어서, 관통 나선 전위 밀도가 100개/cm2 이하인 탄화규소 단결정 웨이퍼.
  11. 삭제
  12. 제2항에 있어서, 표면의 기저면 전위 밀도와 관통 나선 전위 밀도의 합계가 500개/cm2 이하인 탄화규소 단결정 웨이퍼.
  13. 제2항에 있어서, 표면의 기저면 전위 밀도와 관통 나선 전위 밀도의 합계가 300개/cm2 이하인 탄화규소 단결정 웨이퍼.
  14. 표면의 기저면 전위 밀도가 100개/cm2 이하, 관통 나선 전위 밀도가 300개/cm2 이하이고 또한 웨이퍼 표면의 2개 소에서 측정된 라만 산란광의 파수의 차분인 라만 지수가 0.15 이하인, 구경 100mm 이상의 탄화규소 단결정 웨이퍼.
  15. 표면의 기저면 전위 밀도가 300개/cm2 이하, 관통 나선 전위 밀도가 300개/cm2 이하, 웨이퍼 표면의 2개 소에서 측정된 라만 산란광의 파수의 차분인 라만 지수가 0.15 이하이고 또한 표면의 기저면 전위 밀도와 관통 나선 전위 밀도의 합계가 300개/cm2 이하인, 구경 100mm 이상의 탄화규소 단결정 웨이퍼.
  16. 표면의 기저면 전위 밀도가 300개/cm2 이하, 관통 나선 전위 밀도가 200개/cm2 이하, 웨이퍼 표면의 2개 소에서 측정된 라만 산란광의 파수의 차분인 라만 지수가 0.15 이하이고 또한 표면의 기저면 전위 밀도와 관통 나선 전위 밀도의 합계가 300개/cm2 이하인, 구경 100mm 이상의 탄화규소 단결정 웨이퍼.
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