KR102610099B1 - SiC 기판 및 SiC 에피택셜 웨이퍼 - Google Patents

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림페이 긴다이치
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Abstract

본 발명의 SiC 기판은, 중심으로부터 [11-20] 방향으로 외주단으로부터 10㎜ 내측의 점을 제1 외주점으로 하고, 중심으로부터 직경 10㎜의 원 내의 임의의 점을 제1 중심점으로 했을 때에, 상기 제1 외주점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력보다 크다.

Description

SiC 기판 및 SiC 에피택셜 웨이퍼{SiC SUBSTRATE AND SiC EPITAXIAL WAFER}
본 발명은, SiC 기판 및 SiC 에피택셜 웨이퍼에 관한 것이다.
탄화규소(SiC)는, 실리콘(Si)에 비하여 절연 파괴 전계가 한 자릿수 크고, 밴드 갭이 3배 크다. 또한, 탄화규소(SiC)는, 실리콘(Si)에 비하여 열전도율이 3배 정도 높은 등의 특성을 갖는다. 그 때문에 탄화규소(SiC)는, 파워 디바이스, 고주파 디바이스, 고온 동작 디바이스 등에 대한 응용이 기대되고 있다. 이 때문에, 근년, 상기와 같은 반도체 디바이스에 SiC 에피택셜 웨이퍼가 사용되도록 되어 있다.
SiC 에피택셜 웨이퍼는, SiC 잉곳으로부터 잘라내어진 SiC 기판의 표면에 SiC 에피택셜층을 적층함으로써 얻어진다. 이하, SiC 에피택셜층을 적층 전의 기판을 SiC 기판이라고 칭하고, SiC 에피택셜층을 적층 후의 기판을 SiC 에피택셜 웨이퍼라고 칭한다.
SiC 에피택셜 웨이퍼는, 편면에 SiC 에피택셜층을 갖기 때문에, 휘는 경우가 있다. SiC 에피택셜 웨이퍼의 휨은, 반도체 디바이스의 프로세스에 악영향을 미친다. 예를 들어, 휨은, 포토리소그래피 가공에 있어서의 초점 어긋남의 원인이 된다. 또한 휨은, 반송 프로세스 중에 있어서의 웨이퍼의 위치 정밀도 저하의 원인이 된다. 또한, SiC 에피택셜 웨이퍼는 반도체 프로세스 중의 산화막 적층이나 이온 주입에 의해, 큰 휨이 발생하는 경우가 있다.
한편으로, SiC 에피택셜층을 적층하기 전의 SiC 기판은 평탄하며, SiC 기판의 상태에서 SiC 에피택셜 웨이퍼의 휨이나 반도체 프로세스 중의 휨을 예상하는 일은 어렵다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 연마가 완료된 SiC 단결정 제품 웨이퍼의 휨의 값을, 연마 공정 완료 전에 예측하기 위해서, 라만 산란광의 파수 시프트량의 차분을 이용하는 것이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는, 기판의 두께 방향에 있어서 라만 스펙트럼을 측정하고, 두께 방향에 있어서 응력의 분포가 저감되어 있는 기판이 개시되어 있다. 또한 예를 들어, 특허문헌 3에는, 결정학적인 스트레스를 완화함으로써, SiC 기판의 휨이 저감되는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2015-59073호 공보 국제 공개 제2019/111507호 미국 특허 출원 공개 제2021/0198804호 명세서 일본 특허 공개 제2007-290880호 공보
특허문헌 1 및 2에는, 라만 시프트를 사용하여, 기판의 내부 응력의 평가를 하고 있지만, 라만 시프트에는 방향의 정보는 포함되어 있지 않다. 또한 특허문헌 1 내지 3에는 응력을 작게 하는 것이 기재되어 있지만, 응력을 작게 하는 것만으로는, SiC 에피택셜 웨이퍼의 휨을 충분히 억제할 수 없었다. 또한, 특허문헌 4에는 잉곳의 둘레 방향의 압축 응력을 크게 함으로써, 잉곳의 크랙을 억제하는 것이 기재되어 있지만, SiC 에피택셜 웨이퍼의 휨을 충분히 억제할 수 없었다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, SiC 에피택셜층을 적층하고, 산화막을 적층하며, 이온 주입을 실시하는 등의 표면 처리한 후의 휨을 억제할 수 있는 SiC 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 외주 근방의 원주 방향의 인장 응력을 중심 근방의 원주 방향의 인장 응력보다 크게 함으로써, SiC 에피택셜층을 적층하는 등의 표면 처리한 후의 휨을 억제할 수 있음을 알아내었다. 즉, 본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 이하의 수단을 제공한다.
(1) 제1 양태에 따른 SiC 기판은, 중심으로부터 [11-20] 방향으로 외주단으로부터 10㎜ 내측의 점을 제1 외주점으로 하고, 중심으로부터 직경 10㎜의 원 내의 임의의 점을 제1 중심점으로 했을 때에, 상기 제1 외주점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력보다 크다.
(2) 상기 양태에 따른 SiC 기판은, 중심으로부터 [-1100] 방향으로 외주단으로부터 10㎜ 내측의 점을 제2 외주점으로 했을 때에, 상기 제2 외주점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력보다 커도 된다.
(3) 제2 양태에 따른 SiC 기판은, 중심으로부터 [-1100] 방향으로 외주단으로부터 10㎜ 내측의 점을 제2 외주점으로 하고, 중심으로부터 직경 10㎜의 원 내의 임의의 점을 제1 중심점으로 했을 때에, 상기 제2 외주점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력보다 크다.
(4) 상기 양태에 따른 SiC 기판은, 중심으로부터 [11-20] 방향으로 외주단으로부터 10㎜ 내측의 점을 제1 외주점으로 했을 때에, 상기 제1 외주점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력보다 커도 된다.
(5) 상기 양태에 따른 SiC 기판에 있어서, 상기 제1 외주점의 원주 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 10MPa 이상 커도 된다. 또한 상기 제2 외주점의 원주 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 10MPa 이상 커도 된다.
(6) 상기 양태에 따른 SiC 기판에 있어서, 상기 제1 외주점의 원주 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 30MPa 이상 커도 된다. 또한 상기 제2 외주점의 원주 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 30MPa 이상 커도 된다.
(7) 상기 양태에 따른 SiC 기판은, 직경이 145㎜ 이상이어도 된다.
(8) 상기 양태에 따른 SiC 기판은, 직경이 195㎜ 이상이어도 된다.
(9) 상기 양태에 따른 SiC 기판은, 제1 면의 표면 조도(Ra)가 1㎚ 이하여도 된다.
(10) 상기 양태에 따른 SiC 기판은, Warp가 50㎛ 이하여도 된다.
(11) 상기 양태에 따른 SiC 기판은, 제1 면에 있어서, 최외주로부터 7.5㎜ 내측의 원주와 겹치는 위치에 있는 지지체와, 두께 방향으로부터 보아 겹치는 부분을 연결하는 면을 기준면으로 했을 때의 Bow가 30㎛ 이하여도 된다.
(12) 제3 양태에 따른 SiC 에피택셜 웨이퍼는, 상기 양태에 따른 SiC 기판과, 상기 SiC 기판의 한 면에 적층된 SiC 에피택셜층을 갖는다.
(13) 상기 양태에 따른 SiC 에피택셜 웨이퍼는, Warp가 50㎛ 이하여도 된다.
(14) 상기 양태에 따른 SiC 에피택셜 웨이퍼는, 상기 에피택셜층의 표면에 있어서, 최외주로부터 7.5㎜ 내측의 원주와 겹치는 위치에 있는 지지체와, 두께 방향으로부터 보아 겹치는 부분을 통과하는 면을 기준면으로 했을 때의 Bow가 30㎛ 이하여도 된다.
상기 양태에 따른 SiC 기판은, SiC 에피택셜층을 적층하는 등의 표면 처리한 후의 휨을 억제할 수 있다.
도 1은 SiC 에피택셜 웨이퍼의 휨을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 실시 형태에 따른 SiC 기판의 평면도이다.
도 3은 제1 외주점의 원주 방향의 인장 응력의 측정 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 제2 외주점의 원주 방향의 인장 응력의 측정 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 Warp에 의한 SiC 기판의 형상의 평가 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 Bow에 의한 SiC 기판의 형상의 평가 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 SiC 잉곳의 제조 장치의 일례인 승화법을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 본 실시 형태에 따른 SiC 기판 등에 대하여 도면을 적절히 참조하면서 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 이용하는 도면은, 본 실시 형태의 특징을 이해하기 쉽게 하기 위해서 편의상 특징이 되는 부분을 확대해서 나타내고 있는 경우가 있고, 각 구성 요소의 치수 비율 등은 실제와는 다르게 되어 있는 경우가 있다. 이하의 설명에 있어서 예시되는 재질, 치수 등은 일례이며, 본 발명은 그것들로 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절히 변경해서 실시하는 것이 가능하다.
우선 SiC 에피택셜 웨이퍼(20)의 휨에 대하여 설명한다. 도 1은, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)의 휨을 설명하기 위한 모식도이다. SiC 에피택셜 웨이퍼(20)는, SiC 기판(10)의 제1 면(10a)에 SiC 에피택셜층(11)을 적층함으로써 얻어진다. SiC 에피택셜 웨이퍼(20)는, SiC 기판(10)과 SiC 에피택셜층(11)을 갖는다.
SiC 기판(10)에 큰 휨은 없으며, 거의 평탄하다. 거의 평탄이라 함은, 평탄 면 위에 적재했을 때에, 크게 부상하는 부분이 없음을 의미한다.
디바이스를 동작할 수 있는 고품질의 SiC를 얻기 위해서, SiC 기판(10)에는 SiC 에피택셜층(11)이 적층된다. 또한 SiC 에피택셜층(11)을 적층하기 전에는, 연마 등의 기계적인 가공이 실시되는 경우가 많다. 이 경우, SiC 기판(10)의 제1 면(10a)에 가공 변질층이 형성된다. SiC 기판(10)의 한 면에, SiC 에피택셜층(11)이 적층되거나, 가공 변질층이 형성되면 SiC 에피택셜 웨이퍼(20)가 휘는 경우가 있다.
「제1 실시 형태」
도 2는, 본 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)이다. SiC 기판(10)은, SiC를 포함한다. SiC 기판(10)의 폴리타입은 특별히 묻지 않고, 2H, 3C, 4H, 6H 중 어느 것이어도 된다. SiC 기판(10)은, 예를 들어 4H-SiC이다.
SiC 기판(10)의 평면으로 본 형상은 대략 원형이다. SiC 기판(10)은, 결정축의 방향을 파악하기 위한 오리엔테이션 플랫 OF 혹은 노치를 가져도 된다. SiC 기판(10)의 직경은, 예를 들어 145㎜ 이상이며, 바람직하게는 195㎜ 이상이다. SiC 기판(10)의 직경이 클수록, 동일한 곡률이어도 휨의 절대량이 커진다. 휨이 큰 SiC 에피택셜 웨이퍼는, 후공정의 프로세스에 미치는 영향이 커서, 휨의 억제가 요구된다. 다시 말해, 본 발명은, 직경이 큰 SiC 기판(10)에 적용할수록 효과적이다.
본 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)은, 제1 외주점(1)의 원주 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력이, 제1 중심점(2)에 있어서의 제1 외주점(1)의 원주 방향과 동일한 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력보다 크다. 제1 외주점(1)의 원주 방향의 인장 응력은, 제1 중심점(2)에 있어서의 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 10MPa 이상 큰 것이 바람직하고, 30MPa 이상 큰 것이 보다 바람직하다.
제1 외주점(1)은, SiC 기판(10)의 외주단으로부터 10㎜ 내측의 외주부(5)에 있다. 제1 외주점(1)은, 외주부(5) 중 SiC 기판(10)의 중심으로부터 [11-20]의 방향에 있는 점이다. 제1 중심점(2)은, 중심부(6) 내의 임의의 점이다. 중심부(6)는, SiC 기판(10)의 중심으로부터 직경 10㎜의 원 내의 영역이다. 제1 중심점(2)은, 예를 들어 SiC 기판(10)의 중심과 일치한다.
여기서, 미러 지수의 방향을 나타내는 괄호의 표기로서, < >, [ ]가 있다. <1-100>은, 결정 방향의 대칭성으로부터 [-1100]을 포함한다. <11-20>은, 결정 방향의 대칭성으로부터 [11-20]을 포함한다.
인장 응력은, 변형 ε과 영률의 곱으로 산출된다. 변형 ε은, (a0-a)/a0으로구해진다. a0은, 기준 격자 상수이다. a0은, 4H-SiC의 경우, 약 3.08Å이다. a는, X선 회절법(XRD)으로 구해지는 격자 상수이다. 응력의 방향은, X선 회절의 입사 X선의 방향으로부터 구해진다. 또한, 본 발명에서는 인장을 정, 압축을 부의 값으로서 취급한다. 응력의 대소를 논의할 때에는, 절댓값으로 대소를 규정한다. 격자 상수 a가, 기준 격자 상수 a0보다 작아지면 작아질수록, 변형 ε은 커지고, 그 결과, 인장 응력이 커진다.
도 3은, 제1 외주점(1)의 원주 방향의 인장 응력의 측정 방법을 설명하기 위한 모식도이다. 제1 외주점(1)에 있어서의 원주 방향은, SiC 기판(10)의 중심과 제1 외주점(1)을 연결하는 선분과 직교하는 방향(이하, '제1 방향'이라고 칭함)이다. 제1 방향은, <1-100> 방향이다. 제1 외주점(1)의 원주 방향의 인장 응력을 측정하는 경우에는, 제1 방향으로부터 X선을 조사한다. 이 원주 방향으로부터 X선을 SiC 기판(10)에 입사함으로써, 제1 외주점(1)에 있어서의 원주 방향의 격자 상수 a가 구해진다. 그리고 이 격자 상수 a를 이용하여, 상기 식으로부터 제1 외주점(1)에 있어서의 원주 방향의 응력이 구해진다. 또한, 실측의 격자 상수 a가 기준 격자 상수 a0보다 작은 경우에는, 인장 응력이 작용하고 있다고 간주한다.
제1 중심점(2)에 있어서 제1 외주점(1)의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력은, 제1 외주점(1)과 동일한 방법으로, 제1 중심점(2)에 X선을 입사함으로써 구해진다. 제1 외주점(1)의 원주 방향과 동일한 방향은, 상술한 제1 방향이다. 제1 외주점(1)과 제1 중심점(2)은, 동일한 방향(제1 방향)에 작용하는 인장 응력의 대소를 비교한다.
제1 외주점(1)의 원주 방향의 인장 응력이, 제1 중심점(2)에 있어서의 제1 외주점(1)의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 크면, SiC 에피택셜층(11)을 적층 후에 SiC 에피택셜 웨이퍼(20)가 휘기 어렵다. 이것은, 제1 외주점(1)의 원주 방향으로 인장 응력이 강하게 가해짐으로써, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)를 외측을 향해 넓히려고 하는 힘이 SiC 에피택셜 웨이퍼(20)에 작용하기 때문이라고 생각된다.
또한 본 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)은, 제2 외주점(3)의 원주 방향의 인장 응력이, 제1 중심점(2)에 있어서의 제2 외주점(3)의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 큰 것이 바람직하다. 또한 제2 외주점(3)의 원주 방향의 인장 응력은, 제1 중심점(2)에 있어서의 제2 외주점(3)의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 10MPa 이상 큰 것이 바람직하고, 30MPa 이상 큰 것이 보다 바람직하다.
제2 외주점(3)은, SiC 기판(10)의 외주단으로부터 10㎜ 내측의 외주부(5)에 있다. 제2 외주점(3)은, 외주부(5) 중 SiC 기판(10)의 중심으로부터 [-1100]의 방향에 있는 점이다.
도 4는, 제2 외주점(3)의 원주 방향의 인장 응력의 측정 방법을 설명하기 위한 모식도이다. 제2 외주점(3)에 있어서의 원주 방향은, SiC 기판(10)의 중심과 제2 외주점(3)을 연결하는 선분과 직교하는 방향(이하, '제2 방향'이라고 칭함)이다. 제2 방향은, <11-20> 방향이다. 제2 외주점(3)의 원주 방향의 인장 응력을 측정하는 경우에는, 제2 방향으로부터 X선을 조사한다. 이 원주 방향으로부터 X선을 SiC 기판(10)에 입사함으로써, 제2 외주점(3)에 있어서의 원주 방향의 격자 상수 a가 구해진다. 그리고 이 격자 상수 a를 이용하여, 상기 식으로부터 제2 외주점(3)에 있어서의 원주 방향의 인장 응력이 구해진다.
제2 외주점(3)의 원주 방향의 인장 응력과, 제1 중심점(2)에 있어서의 제2 외주점(3)의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력을 비교할 때에는, 제1 중심점(2)에 있어서 제2 외주점(3)의 원주 방향과 동일한 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력을 구한다. 제1 중심점(2)에 있어서 제2 외주점(3)의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력은, 제2 외주점(3)과 동일한 방법으로, 제1 중심점(2)에 X선을 입사함으로써 구해진다. 제2 외주점(3)의 원주 방향과 동일한 방향은, 상술한 제2 방향이다.
제2 외주점(3)의 원주 방향의 인장 응력이, 제1 중심점(2)에 있어서의 제2 외주점(3)의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 크면, SiC 에피택셜층(11)을 적층 후에 SiC 에피택셜 웨이퍼(20)가 보다 휘기 어렵다. 이것은, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)를 외측을 향해 넓히려고 하는 힘이, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)의 면 내 다른 방향으로 작용하기 때문이라고 생각된다.
또한 본 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)은, 외주부(5)의 어느 위치에서도 원주 방향의 인장 응력이, 제1 중심점(2)의 인장 응력보다 큰 것이 바람직하다. 여기서, 제1 중심점(2)의 인장 응력은, 측정점에 있어서의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력이다. 또한 외주부(5)보다 외측의 영역에 가해지는 평균 인장 응력은, 중심부(6)에 가해지는 평균 인장 응력보다 큰 것이 바람직하다. 여기서, 평균 인장 응력은, 예를 들어 그 영역 내의 다른 5점에서 측정된 인장 응력의 평균값이다.
SiC 기판(10)의 표면은 연삭되는 경우가 많다. SiC 기판(10)의 제1 면(10a)의 표면 조도(Ra)는, 예를 들어 1㎚ 이하인 것이 바람직하다. 제1 면(10a)은, 예를 들어 SiC 에피택셜층(11)이 적층되는 측의 면이다.
SiC 기판(10)의 제1 면(10a) 및 제2 면(10b)은, 모두 연삭되어 있어도 된다. 제1 면(10a)은 예를 들어 Si면이고, 제2 면(10b)은 예를 들어 C면이다. 제1 면(10a)과 제2 면(10b)의 관계는 이 반대여도 된다. 제1 면(10a)과 제2 면(10b)은, 모두 스크래치 등이 잔류된 경면 가공된 경면에서도, 모두 CMP(Chemical mechanical polish)된 CMP 처리면이어도 되며, 연마의 정도가 제1 면(10a)과 제2 면(10b)에서 달라도 된다. 스크래치 등이 잔류된 경면에는 가공 변질층이 형성되고, CMP 처리면에는 거의 가공 변질층이 형성되지 않는다. 가공 변질층은, 가공에 의해 대미지를 받은 부분이며, 결정 구조가 무너져 있는 부분이다.
예를 들어, 제1 면(10a)이 경면 연삭면에서 제2 면(10b)이 CMP 처리면인 경우에는, 양면의 표면 상태의 차이에 의해, SiC 기판(10)에 트와이만 효과가 발생한다. 트와이만 효과는, 기판의 양면에 있는 잔류 응력에 차가 발생한 경우에, 양면의 응력의 차를 보충하려고 하는 힘이 작용하는 현상이다. 트와이만 효과는, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)의 휨의 원인이 될 수 있다. 즉, 본 발명은, 제1 면(10a)과 제2 면(10b)의 표면 상태가 다른 SiC 기판(10)에 적용할수록 효과적이다.
본 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)은, Warp가 50㎛ 이하인 것이 바람직하고, Warp가 30㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. Warp가 50㎛ 이하로 상기 인장 응력의 관계를 충족하는 SiC 기판(10)을 사용하면, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)의 휨을 충분히 작게 할 수 있다. 그 때문에, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)가 반송 중의 정밀도 저하를 피할 수 있어, 미세한 리소그래피 프로세스에 있어서도, 초점을 적절하게 맞출 수 있다.
도 5는, Warp에 의한 SiC 기판의 형상(변형)의 평가 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다. Warp는, 제1 면(10a)의 최고점 hp와 최저점 lp의 두께 방향의 거리이다. Warp가 클수록, SiC 기판(10)은 변형되고 있다고 판단된다. 우선 SiC 기판(10)을 평탄면 F에 설치된 3점의 지지점 위에 설치한다. 제1 면(10a)에 있어서의 최저점 lp를 통과하고 평탄면 F와 평행한 가상면 Slp와, 제1 면(10a)에 있어서의 최고점 hp를 통과하고 평탄면 F와 평행한 가상면 Shp를 구한다. Warp는, 가상면 Slp와 가상면 Shp의 높이 방향의 거리로서 구해진다. 높이 방향은, 평탄면 F와 직교하고, 평탄면 F로부터 이격되는 방향이다.
본 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)은, Bow가 30㎛ 이하인 것이 바람직하고, Bow가 10㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, Bow는 -30㎛ 이상인 것이 바람직하다. Bow의 절댓값이 30㎛ 이하이고 상기 인장 응력의 관계를 충족하는 SiC 기판(10)을 사용하면, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)의 휨을 충분히 작게 할 수 있다. 그 때문에, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)의 반송 중의 정밀도 저하를 피할 수 있어, 미세한 리소그래피 프로세스에 있어서도, 초점을 적절하게 맞출 수 있다.
도 6은, Bow에 의한 SiC 기판의 형상(변형)의 평가 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다. Bow는, 기준면 Sr에 대한 SiC 기판(10)의 중심 c의 높이 방향의 위치이다. 다시 말해, Bow는, SiC 기판(10)의 중심 c의, 기준면 Sr로부터의 부호가 부여된 거리이다. 기준면 Sr은, 제1 면(10a) 중 두께 방향으로부터 보아, 복수의 지지체의 각각과 겹치는 점 sp를 연결하는 면이다. 복수의 지지체는, 예를 들어 SiC 기판(10)의 외주단으로부터 7.5㎜ 내측의 원주와 겹치는 위치에 배치된다. 예를 들어, 3개의 지지체로 SiC 기판(10)을 지지한다. 3개의 지지체의 각각은, 지지체가 지지하는 SiC 기판(10)의 중심을 중심축으로, 3회 대칭의 위치에 있다. 기준면 Sr은, 예를 들어 3점 기준 평면이다. Bow의 절댓값이 클수록, SiC 기판(10)은 변형되고 있다고 판단된다. 우선 SiC 기판(10)을 평탄면 F에 설치된 3점의 지지점 위에 설치한다. 두께 방향으로부터 보아 지지점 위에 있는 제1 면(10a)의 3개의 점 sp를 연결하고, 기준면 Sr을 구한다. 그리고, 기준면 Sr을 0으로 하고, 기준면 Sr을 기준으로 평탄면 F로부터 이격되는 방향을 +, 기준면 Sr을 기준으로 평탄면 F에 근접하는 방향을 -로 규정한다. Bow는, 제1 면(10a)의 중심 c의 기준면 Sr에 대한 높이 방향의 위치로서 구해진다. 다시 말해, Bow는, 제1 면(10a)의 중심 c의, 기준면 Sr로부터의 부호가 부여된 거리로서 구해진다.
또한 에피택셜층(11)을 적층 후의 SiC 에피택셜 웨이퍼(20)도, Warp가 50㎛ 이하인 것이 바람직하고, Warp가 30㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한 에피택셜층(11)을 적층 후의 SiC 에피택셜 웨이퍼도, Bow가 30㎛ 이하인 것이 바람직하고, Bow가 10㎛ 이하인 것이 보다 바람직하며, Bow는 -30㎛ 이상인 것이 바람직하다. SiC 에피택셜 웨이퍼(20)의 Bow를 측정할 때의 기준면은, 에피택셜층(11)의 표면 중 두께 방향으로부터 보아, 복수의 지지체 각각과 겹치는 점을 연결하는 면이다. 복수의 지지체의 위치는, SiC 기판(10)의 Bow를 측정하는 위치와 동일하다. 우선 SiC 에피택셜 웨이퍼(20)를 평탄면 F에 설치된 3점의 지지점 위에 설치한다. 두께 방향으로부터 보아 지지점 위에 있는 에피택셜층(11)의 표면의 3개의 점을 연결하고, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)의 Bow를 측정할 때의 기준면을 구한다. Bow는, 에피택셜층(11)의 표면의 중심의 기준면에 대한 높이 방향의 위치로서 구해진다. 다시 말해, Bow는, 에피택셜층(11)의 표면의 중심의, 기준면으로부터의 부호가 부여된 거리로서 구해진다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다. SiC 기판(10)은, SiC 잉곳을 슬라이스해서 얻어진다. SiC 잉곳은, 예를 들어 승화법에 의해 얻어진다.
도 7은, SiC 잉곳의 제조 장치(30)의 일례인 승화법을 설명하기 위한 모식도이다. 도 7에 있어서 받침대(32)의 표면과 직교하는 방향을 z 방향, z 방향과 직교하는 일방향을 x 방향, z 방향 및 x 방향과 직교하는 방향을 y 방향이라 한다.
승화법은, 흑연제의 도가니(31) 내에 배치한 받침대(32)에 SiC 단결정으로 이루어지는 종결정(33)을 배치하고, 도가니(31)를 가열함으로써 도가니(31) 내의 원료 분말(34)로부터 승화한 승화 가스를 종결정(33)에 공급하고, 종결정(33)을 보다 큰 SiC 잉곳(35)으로 성장시키는 방법이다. 도가니(31)의 가열은, 예를 들어 코일(36)에서 행한다.
승화법에 의한 결정 성장 조건을 제어함으로써, SiC 잉곳(35)으로부터 얻어지는 SiC 기판(10)의 내부에 가해지는 인장 응력을 제어할 수 있다.
예를 들어, SiC 잉곳(35)을 c면 성장시킬 때, 결정 성장면의 중심부의 온도와, 외주부의 온도를 제어한다. 결정 성장면은, 결정의 성장 과정에 있어서의 표면이다. 예를 들어, SiC 잉곳(35)을 c면 성장시킬 때, 결정 성장면의 중심부의 온도보다 외주부의 온도를 낮게 한다. 또한 xy 면 내의 중앙과 외주의 성장 속도차가 0.001㎜/h 이상, 0.05㎜/h 이하로 되도록, 결정 성장을 행한다. 여기서, xy 면 내의 중앙 성장 속도는, 외주의 성장 속도보다 늦게 한다. 성장 속도는, 결정 성장면의 온도를 바꿈으로써 변화한다.
결정 성장면의 온도는, 코일(36)에 의한 도가니(31)의 가열 중심의 z 방향의 위치를 제어함으로써 조정할 수 있다. 예를 들어, 도가니(31)의 가열 중심의 z 방향의 위치는, 코일(36)의 z 방향의 위치를 바꿈으로써 변경할 수 있다. 도가니(31)의 가열 중심의 z 방향의 위치와 결정 성장면의 z 방향의 위치가, 0.5㎜/h로 이격되도록 제어한다. 여기서, 도가니(31)의 가열 중심의 z 방향의 위치가, 결정 성장면의 z 방향의 위치에 대하여 하측(원료 분말(34)측)으로 오도록 제어한다.
이어서, 이와 같은 조건에서 제작한 SiC 잉곳을 SiC 기판(10)으로 가공한다. 일반적인 가공 방법에서는, SiC 잉곳의 상태와 SiC 기판의 상태에서, 단결정에 걸리는 응력이 바뀌어버린다. 예를 들어, 성형 공정에서는, 직경 180㎜의 SiC 잉곳으로부터, 직경 150㎜의 SiC 기판에 가공할 때에는 직경을 작게 할 필요가 있다. 또한, 예를 들어 멀티와이어 절단 공정에서는 표면의 파상이 발생하여, 파상을 제거할 필요가 있다. 이와 같은 공정을 거침으로써, 예를 들어 SiC 잉곳의 응력이 큰 부분이 제거되는 것이나 결정 격자면의 형상이 바뀌는 경우가 있어, SiC 잉곳의 상태 응력이, SiC 기판의 상태에서는 개방되고, 외주부에서 인장 응력이 큰 SiC 기판을 얻지 못한다. 외주부에서 인장 응력이 큰 SiC 기판을 얻기 위해서는, 잉곳의 상태 단결정에 걸리는 응력을 기판의 상태로 인계되도록 가공하는 것이 필요하다.
예를 들어, SiC 잉곳의 편면에 대미지 프리 가공을 실시한 후, 싱글 와이어 쏘로 절단하고, 대미지 프리 가공을 실시한 면을 흡착해서 절단면에 대하여 추가로 대미지 프리 가공을 행한다. SiC 기판(10)의 양면에 대하여 대미지 프리 가공을 행함으로써, SiC 잉곳의 상태에서 발생한 인장 응력의 일부가, 기판에도 인계된다. 대미지 프리 가공은, 예를 들어 CMP 가공이다. 이렇게 SiC 잉곳의 상태 격자면 형상을 남기도록 기판 가공을 행함으로써, SiC 잉곳이 갖는 응력이 해방되지 않고 큰 인장 응력을 갖는 SiC 기판(10)을 제작할 수 있다. 그 후, 직경을 조정하는 성형 공정을 행함으로써, 큰 인장 응력을 갖는 SiC 기판(10)을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)은, SiC 에피택셜층(11)을 적층한 후에도 휘기 어렵다. 이것은, SiC 기판(10)의 외측의 둘레 방향의 인장 응력을 의도적으로 높임으로써, SiC 에피택셜 웨이퍼(20)를 외측을 향해 넓히려고 하는 힘이 작용하기 때문이라고 생각된다.
「제2 실시 형태」
제2 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)은, 제2 외주점(3)의 원주 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력이, 제1 중심점(2)에 있어서의 제2 외주점(3)의 원주 방향과 동일한 방향인 <11-20> 방향으로 작용하는 인장 응력보다 크다. 제2 실시 형태에 있어서의 SiC 기판(10)은, SiC 기판(10)의 상태를 규정하기 위한 측정 개소가 다른 것을 제외하고, 제1 실시 형태에 있어서의 SiC 기판(10)과 마찬가지이다. 예를 들어, 제2 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)의 Warp, Bow, 직경, 표면 조도 등의 바람직한 범위는, 제1 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)과 마찬가지이다.
제2 외주점(3)의 원주 방향의 인장 응력은, 제1 중심점(2)에 있어서의 제2 외주점(3)의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 10MPa 이상 큰 것이 바람직하고, 30MPa 이상 큰 것이 보다 바람직하다.
또한 제1 외주점(1)의 원주 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력은, 제1 중심점(2)에 있어서의 제1 외주점(1)의 원주 방향과 동일한 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력보다 큰 것이 바람직하다. 제1 외주점(1)의 원주 방향의 인장 응력은, 제1 중심점(2)에 있어서의 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 10MPa 이상 큰 것이 보다 바람직하고, 30MPa 이상 큰 것이 더욱 바람직하다.
제2 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)은, 제1 실시 형태에 따른 SiC 기판(10)과 마찬가지의 효과를 발휘한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은 특정한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 청구범위 내에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형·변경이 가능하다.
실시예
(실시예 1)
SiC 기판의 표면에, SiC 에피택셜층을 적층했을 때의 휨을 시뮬레이션에 의해 구하였다. 시뮬레이션은, 유한 요소법 시뮬레이터 ANSYS를 이용하여 행하였다. 유한 요소법 시뮬레이터 ANSYS를 사용한 시뮬레이션이, 실제로 제작한 것의 결과와 일치함은 별도 확인하였다.
시뮬레이션은 이하의 수순으로 행하였다. 우선, SiC 기판 및 응력이 다른 표면층의 물성값을 설정하였다. 설정하는 물성값은, SiC 기판의 판 두께, 표면층의 막 두께, 영률, 푸아송비이다. SiC 기판의 판 두께는 350㎛로 하였다. SiC 기판의 직경은 150㎜로 하였다. SiC 기판의 Warp는 0㎛로 하였다. SiC 기판의 영률은 480GPa, 푸아송비는 0.20으로 하였다. 표면층의 막 두께는 10㎛로 하였다. 여기서 표면층은 이온 주입에 의해 응력이 발생한 경우를 생각하여, 표면층의 영률 및 푸아송비는, SiC 기판과 동일한 값을 이용하였다.
이어서, SiC 기판의 응력 분포와 표면층의 응력을 설정하였다. 우선 SiC 기판의 응력 분포를 설정하였다. SiC 기판의 제1 외주점(1)의 인장 응력을 제1 중심점(2)의 인장 응력보다 40MPa 크게 설정하였다. 즉, 제1 외주점(1)과 제1 중심점(2)의 응력차는 40MPa로 설정하고, 제1 외주점(1)이 제1 중심점보다 강하게 인장 응력이 걸리도록 설정하였다. 표면층의 전체에는, 응력으로서 60MPa를 인가하였다.
상기 조건에서 시뮬레이션을 행하고, 표면층을 갖는 SiC 기판의 휨을 구하였다. 휨은, Warp로 평가하였다. 실시예 1의 휨(Warp)은 47㎛였다. 표면층을 갖는 SiC 기판의 휨은, 표면층을 에피택셜층이라고 간주함으로써, 에피택셜 웨이퍼의 휨이라고 간주할 수 있다. 표면층이 에피택셜층의 경우에는, 에피택셜층의 막 두께나 불순물 농도차에 의존하는 응력차에 의해, Warp의 대소는 바뀌지만, 구해진 표면층을 갖는 SiC 기판의 휨과 상관이 있음을 확인하였다.
(실시예 2)
실시예 2는, SiC 기판의 제1 외주점(1)의 인장 응력을 제1 중심점(2)의 인장 응력보다 20MPa 크게 설정한 점이 실시예 1과 다르다. 즉, 제1 외주점(1)과 제1 중심점(2)의 응력차는, 20MPa로 설정하고, 제1 외주점(1)이 제1 중심점보다 강하게 인장 응력이 걸리도록 설정하였다. 그 밖의 파라미터는 실시예 1과 동일하게 하고, 실시예 1과 마찬가지로, 시뮬레이션으로 표면층을 갖는 SiC 기판의 휨(Warp)을 구하였다. 실시예 2의 휨(Warp)은 78㎛였다.
(비교예 1)
비교예 1은, SiC 기판의 제1 외주점(1)의 인장 응력을 제1 중심점(2)의 인장 응력과 동일하게 설정한 점이 실시예 1과 다르다. 즉, 제1 외주점(1)과 제1 중심점(2)의 응력차는, 0MPa로 설정하고, 제1 외주점(1)이 제1 중심점(2)과 동일한 응력이 걸리도록 설정하였다. 그 밖의 파라미터는 실시예 1과 동일하게 하고, 실시예 1과 마찬가지로, 시뮬레이션으로 표면층을 갖는 SiC 기판의 휨(Warp)을 구하였다. 비교예 1의 휨(Warp)은 116㎛였다.
(비교예 2)
비교예 2는, SiC 기판의 제1 중심점(2)의 인장 응력을 제1 외주점(1)의 인장 응력보다 20MPa 크게 설정한 점이 실시예 1과 다르다. 즉, 제1 외주점(1)과 제1 중심점(2)의 응력차는 -20MPa로 설정하고, 제1 중심점(2)이 제1 외주점(1)보다 강하게 인장 응력이 걸리도록 설정하였다. 즉, 제1 외주점(1)은, 제1 중심점(2)보다 압축 응력이 걸려 있다. 그 밖의 파라미터는 실시예 1과 동일하게 한, 실시예 1과 마찬가지로, 시뮬레이션으로 표면층을 갖는 SiC 기판의 휨(Warp)을 구하였다. 비교예 2의 휨(Warp)은 189㎛였다.
실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 결과를 표 1에 정리하였다.
중앙부와 비교해서 외주부에 큰 인장 응력이 작용하고 있는 실시예 1 및 실시예 2는, 중앙부와 비교해서 외주부에 인장 응력이 작용하지 않는 비교예 1 및 외주부에 압축 응력이 작용하고 있는 비교예 2과 비교해서 표면층을 갖는 SiC 기판의 휨이 작았다. 즉 중앙부와 비교해서 외주부에 인장 응력을 갖는 기판에 있어서는, 선행 문헌에 나타낸 바와 같은, 중앙부와 비교해서 외주부에 인장 응력이 작용하지 않는 SiC 기판 및 외주부에 압축 응력이 작용하고 있는 SiC 기판보다, 에피택셜 웨이퍼 및 반도체 프로세스 중의 휨을 저감시킬 수 있다.
1: 제1 외주점
2: 제1 중심점
3: 제2 외주점
5: 외주부
6: 중심부
10: SiC 기판
10a: 제1 면
10b: 제2 면
11: SiC 에피택셜층
20: SiC 에피택셜 웨이퍼
hp: 최고점
lp: 최저점
sp: 지지점
Shp, Slp: 가상면
Sr: 기준면

Claims (18)

  1. 중심으로부터 [11-20] 방향으로 외주단으로부터 10㎜ 내측의 점을 제1 외주점으로 하고, 중심으로부터 직경 10㎜의 원 내의 임의의 점을 제1 중심점으로 했을 때에,
    상기 제1 외주점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력보다 크고,
    상기 제1 외주점의 원주 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 10MPa 이상 크고,
    상기 인장 응력은 변형과 영률의 곱으로 산출되고, 변형은 (a0-a)/a0으로 구해지고, a0은 기준 격자 상수이고, a는 X선 회절법으로 구해지는 격자 상수인, SiC 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    중심으로부터 [-1100] 방향으로 외주단으로부터 10㎜ 내측의 점을 제2 외주점으로 했을 때에,
    상기 제2 외주점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력보다 큰, SiC 기판.
  3. 중심으로부터 [-1100] 방향으로 외주단으로부터 10㎜ 내측의 점을 제2 외주점으로 하고, 중심으로부터 직경 10㎜의 원 내의 임의의 점을 제1 중심점으로 했을 때에,
    상기 제2 외주점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <11-20> 방향의 인장 응력보다 크고,
    상기 제2 외주점의 원주 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 10MPa 이상 크고,
    상기 인장 응력은 변형과 영률의 곱으로 산출되고, 변형은 (a0-a)/a0으로 구해지고, a0은 기준 격자 상수이고, a는 X선 회절법으로 구해지는 격자 상수인, SiC 기판.
  4. 제3항에 있어서,
    중심으로부터 [11-20] 방향으로 외주단으로부터 10㎜ 내측의 점을 제1 외주점으로 했을 때에,
    상기 제1 외주점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향인 <1-100> 방향의 인장 응력보다 큰, SiC 기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 외주점의 원주 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제1 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 30MPa 이상 큰, SiC 기판.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 외주점의 원주 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 10MPa 이상 큰, SiC 기판.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 외주점의 원주 방향의 인장 응력은, 상기 제1 중심점에 있어서의 상기 제2 외주점의 원주 방향과 동일한 방향으로 작용하는 인장 응력보다 30MPa 이상 큰, SiC 기판.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 면의 표면 조도(Ra)가 1㎚ 이하인, SiC 기판.
  9. 제1항에 있어서,
    Warp가 50㎛ 이하인, SiC 기판.
  10. 제1항에 있어서,
    제1 면에 있어서, 최외주로부터 7.5㎜ 내측의 원주와 겹치는 위치에 있는 지지체와, 두께 방향으로부터 보아 겹치는 부분을 연결하는 면을 기준면으로 했을 때의 Bow가 30㎛ 이하인, SiC 기판.
  11. 제1항에 있어서,
    직경이 145㎜ 이상인, SiC 기판.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    직경이 195㎜ 이상인, SiC 기판.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 SiC 기판과, 상기 SiC 기판의 한 면에 적층된 SiC 에피택셜층을 갖는, SiC 에피택셜 웨이퍼.
  14. 제13항에 있어서,
    Warp가 50㎛ 이하인, SiC 에피택셜 웨이퍼.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 에피택셜층의 표면에 있어서, 최외주로부터 7.5㎜ 내측의 원주와 겹치는 위치에 있는 지지체와, 두께 방향으로부터 보아 겹치는 부분을 통과하는 면을 기준면으로 했을 때의 Bow가 30㎛ 이하인, SiC 에피택셜 웨이퍼.
  16. 제12항에 기재된 SiC 기판과, 상기 SiC 기판의 한 면에 적층된 SiC 에피택셜층을 갖는, SiC 에피택셜 웨이퍼.
  17. 제16항에 있어서,
    Warp가 50㎛ 이하인, SiC 에피택셜 웨이퍼.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 에피택셜층의 표면에 있어서, 최외주로부터 7.5㎜ 내측의 원주와 겹치는 위치에 있는 지지체와, 두께 방향으로부터 보아 겹치는 부분을 통과하는 면을 기준면으로 했을 때의 Bow가 30㎛ 이하인, SiC 에피택셜 웨이퍼.
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