KR20050083262A - 대구경 탄화규소 단결정 성장법 - Google Patents

Abstract

탄화규소 단결정 성장시 도가니 구조를 개선하여 대구경의 탄화규소 단결정을 성장하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 씨드의 안전한 고정방법을 제안하고 고품질의 단결정을 성장하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 도가니에 SiC 원료를 공급하는 단계; SiC 씨드(seed)를 배치시키는 단계와 방법; 및 원료를 가열하여 씨드 상에 SiC 단결정을 성장시키는 단계를 포함하여 SiC 단결정을 성장한다.

Description

대구경 탄화규소 단결정 성장법 {Crystal Growth method of large diameter SiC single crystals}

본 발명은 대구경의 탄화규소 결정 성장에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직경이 큰 SiC 단결정성장용 씨드를 안전하게 고정하고 이로부터 고품질의 단결정을 성장하는 방법에 관한 것이다.

1960년대 이후부터 현재까지 대표적인 반도체 소자 재료로 사용되어온 Si이 물리적 한계를 드러내게 되어 이를 극복하는 새로운 반도체 소자 재료로서 여러 가지 화합물 반도체 재료들이 연구되고 있다.

차세대 반도체 소자 재료로서는 SiC, GaN, AIN, ZnO 등의 광대역 반도체 재료가 유망한 것으로 기대되고 있다. 그러나, 이들 광대역 반도체 재료 중 현재 단결정 잉곳(ingot) 성장기술이 확보되어 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산이 가능한 것은 SiC 단결정 재료 뿐이다.

특히, SiC는 1500℃ 이하에서 열적 안정성이 우수하고 산화성 분위기에서의 안정성도 뛰어나며, 4.6W/cm℃ 정도의 큰 열전도도를 갖고 있기 때문에, 고온에서 장시간 안정성이 요구되는 환경 하에서는 GaAs 또는 GaN와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체보다 훨씬 유용할 것으로 기대된다.

SiC는 비록 전자이동도가 실리콘에 비해 작으나, 밴드갭이 실리콘의 2-3배 정도이어서 동작 한계온도가 650℃이고 따라서 동작 한계온도가 200℃ 이하인 Si에 비하여 동작 한계온도가 훨씬 높다는 장점이 있다. 또한 화학적 및 기계적으로 강하므로 극한 환경에서도 사용할 수 있는 소자로 제작가능하다.

이러한 재료의 본질적 물성차이에 기인한 소자의 성능 한계는 JFOM, KFOM, BFOM 및 BHFFOM과 같은 여러 가지의 지표계수를 비교해 보면 쉽게 비교 가능하다. 예를 들어 높은 주파수와 대전력의 응용의 이점을 나타내는 JFOM은 트랜지스터의 전력과 주파수의 한계를 항복전압과 포화전자 이동속도로부터 유도한 비교계수로서 SiC가 Si에 비해 600배 이상이다.

이와 같이 우수한 물성을 가지는 SiC를 이용한 소자가 현재 하루가 다르게 발표되면서 SiC의 응용범위 및 그 파급효과가 매우 빠른 속도로 광범위해지고 있다. 예를 들면, SiC는 자동차 또는 우주항공 등의 고온 집적회로, 내방사능 소자, Ⅲ-Ⅴ-Ⅳ-Ⅵ 연계소자, 초정밀 멤스(MEMS) 소자, 엑스레이 마스크, 자외선(UV) 탐지기, 청색 발광소자(LED) 등에 응용되고 있다.

그러나, 아직까지 SiC 2인치 웨이퍼의 가격이 화합물 반도체용 기판으로 사용되고 있는 사파이어에 비하여 7배 이상의 고가이기 때문에 관련소자의 기술적 발전에 결정적인 장애요인으로 작용하고 있는 것이 현실이다.

SiC 단결정을 성장하기 위해서는 원하는 직경의 씨드를 사용해야 하는데, 2인치 이상의 직경으로 단결정을 성장하는 경우에, 씨드를 고르게 부착하기 어렵고 성장공정 중에 쉽게 상부에 위치한 도가니 뚜껑으로부터 씨드가 분리되어 승화용 탄화규소 소스로 떨어져 성장이 실패되는 현상이 종종 발생된다. 따라서, 씨드표면을 소스의 표면을 향하도록 하지 않고 씨드의 표면을 중력방향의 반대로 하여 특정 지지판 위에 위치시키면, 씨드의 낙하현상을 방지할 수 있어 단결정 성장의 성공률을 증가시킬 수 있다. 또한, 소스의 승화시 발생되는 금속 이물질의 증발에 의한 증착을 방지하고 승화된 소스의 이동을 중력방향으로 하여 고품질의 단결정을 성장할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 씨드의 안전한 고정방법을 제안하고 고품질의 단결정을 성장하며 수율을 증대시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 대량 생산에 적용할 수 있는 대구경의 SiC 웨이퍼 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 도가니에 SiC 원료를 공급하는 단계; 복수개의 SiC 씨드(seed)를 배치시키는 방법과 단계; 및 원료를 가열하여 씨드 상에 SiC 단결정을 성장시키는 단계를 포함하여 SiC 단결정을 성장한다.

이 때, 단결정 성장이 이루어지는 씨드 표면의 방향을 중력방향과 반대로 하는 것을 제안한다.

본 발명에 따르면 SiC 단결정은 직경이 2인치 이상의 씨드를 도 3과 같이 고정시킴으로써 성장과정 중에서 씨드의 낙하현상을 방지하고, 소스에 잔류하는 금속 성분과 탄소입자의 영향을 최소화할 수 있으며, 이와 같이 성장된 SiC 단결정의 직경은 6 인치까지 가능하다.

SiC 단결정은 100㎛ 이상의 두께로 성장시킬 수 있다.

씨드는 헥사고날(hexagonal) 구조, 큐빅(cubic) 구조, 롬보히드랄(rhombohedral) 구조 중의 어느 한 구조를 가지는 단결정인 것이 바람직하다.

씨드가 헥사고날 구조일 때 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면은 0001, 1100, 1120, 및 0338 중의 어느 한 방위를 가지고, 씨드가 큐빅 구조일 때 상기 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면은 100, 110, 및 111 중의 어느 한 방위를 가지며, 씨드가 롬보히드랄 구조일 때 상기 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면은 100, 110, 및 111 중의 어느 한 방위를 가질 수 있다.

씨드는 원형의 판상인 것이 바람직하다.

SiC 단결정은 승화법(sublimation)에 의해 성장시킬 수 있다.

SiC 단결정을 승화법에 의해 성장시킬 때, 씨드는 도가니의 중앙에 배치시킬 수 있다. 원료로 사용되는 소스는 도 4와 같이 씨드의 하부에 충진하거나 그 외에 측부에 충진할 수 있다. 씨드를 고정시키는 흑연지지판은 열전도도가 비교적 낮은 기공성의 흑연을 사용하거나 얇은 흑연판에 다량의 구멍을 뚫어 승화된 소스의 이동경로를 부여하고, 열전달로 상대적으로 억제하도록 디자인된 것을 사용할 수 있다. 또한 씨드의 하부에 위치하는 흑연지지대 또는 다공성 흑연에 씨드 영역에 해당하는 만큼 열방출(heat sink)영역을 형성시켜 도가니 외벽으로부터 전달되는 열을 최소화 시킨다.

SiC 단결정을 성장시키는 단계에서 SiC 단결정이 성장되는 씨드 부분의 온도는 1700-2400℃인 것이 바람직하고, 원료 부분의 온도는 1800-2500℃인 것이 바람직하다.

본 발명에서는 승화법(sublimation)에 의해 SiC 단결정을 성장시키며, 소스의 충진방법에 따라서 씨드 하부 또는 측부에 한정하여 충진한다.

본 발명의 SiC 단결정 시스템은 도가니(crucible)를 포함한다. 도가니는 일반적으로 원통형이나 반드시 원통형으로 한정될 필요는 없고 다른 형상으로도 제작가능하다.

도가니는 SiC의 승화온도 이상의 융점을 갖는 물질로 이루어지고, 일 예로서 흑연으로 이루어질 수 있다. 또는 흑연 재질 위에 SiC의 승화온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다.

도포되는 물질은 SiC 단결정이 성장되는 온도에서 규소 및 수소에 대해 화학적으로 불활성이다. 예를 들면, 도포 물질로는 금속 탄화물 또는 금속 질화물이 있으며, 특히 Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 그리고 이 중에서 둘 이상의 혼합물과 탄소가 이루는 탄화물과, Ta, Hf, Nb, Zr, W, V 그리고 이 중에서 둘 이상의 혼합물과 질소가 이루는 질화물이 있다.

도가니에는 SiC 원료가 공급된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 승화법에 의해 SiC 단결정을 성장시키므로, 도가니 내에 SiC 파우더를 장입한다.

씨드의 표면을 중력의 반대방향으로 하기 위하여 도가니 내부에 다공성의 흑연 또는 다구멍의 흑연지지판 위에 고정시킨다.

씨드를 부착할 때에는 카본 페이스트, 슈가(sugar) 또는 포토레지스트 등을 접착제로 사용할 수 있다.

씨드의 직경은 2인치에서 최대 6인치까지 가능하다.

씨드는 단결정 성장이 시작되는 SiC 종자 결정으로서 판상으로 제작하여 사용할 수 있다. 이러한 씨드는 헥사고날(hexagonal; 6H, 4H, 2H) 구조, 큐빅(cubic; 3C) 구조, 롬보히드랄(rhombohedral; 15R) 구조 중의 어느 한 구조를 가지는 SiC 단결정을 사용한다.

만약, 씨드가 헥사고날 구조일 때에는 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면이 0001, 1100, 1120, 및 0338 중의 어느 한 방위를 가지도록 하고, 씨드가 큐빅 구조일 때에는 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면이 100, 110, 및 111 중의 어느 한 방위를 가지도록 하며, 씨드가 롬보히드랄 구조일 때에는 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면이 100, 110, 및 111 중의 어느 한 방위를 가지도록 한다.

도가니의 주변을 둘러싸도록 단열재가 설치될 수 있다.

도가니의 상부 및 하부에는 온도를 측정할 수 있는 장치가 설치될 수 있다.

본 발명의 SiC 단결정 성장 시스템은 온도구배를 형성하기 위해 도가니를 가열시키는 히터장치를 포함한다.

(실시예)

도 1과 같은 본 발명의 SiC 단결정 성장 시스템은 온도구배를 형성하기 위해 도가니를 가열시키는 히터장치를 포함하고, 단열재 내부에 도가니를 장착하여 가열한다. 도 2는 일반적인 도가니에 씨드를 배치하는 구조로 단결정이 성장될 씨드의 표면은 중력방향을 향하도록 도가니 뚜껑에 고온에서 견디는 접착방법으로 고정한다. 이때 직경 2인치 이상의 씨드를 부착하는 경우에는 씨드의 자중과 부착상태에 따라서 씨드의 낙하현상이 자주 발생이 될 수 있다. 이러한 현상은 실제 양산에서는 성장 수율을 저하시키는 직접적인 원인이 된다. 그리고, 승화성장법은 공정도중에 씨드의 낙하현상을 확인할 수 없기 때문에 공정의 시간적 소모가 상당하다.

따라서 도 3과 같이 단결정이 성장되는 씨드의 표면을 중력의 반대방향으로 하되 하부에는 씨드를 지지해 주는 판상의 다공성 흑연 또는 다구멍(구멍의 직경은 100um 이상)의 흑연판을 사용하여 씨드를 그 위에 고정하는 방법으로 상기 문제를 해결할 수 있다.

일반적으로 도가니 하부에서 씨드 표면까지의 온도구배는 선형적으로 변화되는 것으로 알려져 왔으나, 최근의 많은 연구에 의하면 소스표면의 중간부분에서 재결정화가 형성될 수 있는 가능성이 시뮬레이션과 실제 실험 결과로부터 확인이 되고 있으며, 도 2의 (b)에 해당하는 온도구배를 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있었다. 따라서 이러한 재결정화가 일어나는 영역에 도 3과 같이 씨드 표면을 중력의 반대방향으로 향하도록 배치하고 이러한 구조에서 단결정을 성장하는 것을 제안한다.

씨드를 고정하는 판상의 다공성 흑연 또는 다구멍의 흑연판을 사용하는데, 두가지 모두 승화된 소스기체(SiC₂, Si₂C, C, Si)를 통과시키고 씨드를 고정시키는 역할을 한다. 여기서 씨드의 직경에 해당하는 만큼 고정 흑연판 하부에 열방출(heat sink) 영역을 형성시켜 가열효과나 열전달 효과를 최대한 억제하는 구조를 제안한다.

도 5는 성장후의 개략도로 도가니 최 상부에는 다결정의 탄화규소가 성장되며, 씨드표면에는 단결정이 성장되는 결과를 얻을 수 있으며, 물질의 이동경로는 소스표면에서 씨드표면으로 이동하는 것과 소스표면에서 도가니 뚜껑 표면으로 이동하는 것이 있다.

씨드의 낙하현상을 방지할 뿐 아니라 소스에 잔류하는 금속성분을 씨드를 지지하는 다공성 또는 다구멍의 흑연판에서 주로 제거함으로써 금속성분의 오염으로부터 보호될 수 있기 때문에 고품질의 결정을 성장할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 씨드의 표면을 중력의 반대방향으로 배치하면, 씨드의 낙하현상을 방지하여 성장 수율을 증가할 수 있다. 또한 금속성분이 다공성 또는 다구멍의 흑연 판에서 제거되어 고품질의 SiC 단결정 성장이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면 대구경의 SiC 웨이퍼를 대량 생산에 적용할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에서는 SiC 웨이퍼를 목적하는 직경으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예에서 사용된 승화형 결정 성장 장치를 도시한 단면도이고(10:흑연도가니, 11:흑연도가니 뚜껑, 12:단열재, 13:유도코일, 20:씨드),

도 2의 (a)는 본 발명의 실시예 1에서 일반적으로 사용되고 있는 도가니의 뚜껑 안쪽면에 씨드를 부착하여 사용하는 방법의 도가니 내부 평면도이며, 도 2의 (b)는 일반적인 도가니 내부의 온도구배이며,

도 3의 (a)는 개량된 형태의 도가니 내부 구조이며 (b)는 씨드를 고정시키는 열방출 영역을 포함한 다공성 흑연 또는 다구멍의 흑연판 위에 씨드를 고정시킨 것의 개략도이고,

도 4의 (a)은 개량된 도가니 내부 구조이며, (b)은 관련된 온도구배이고,

도 5는 개량된 도가니의 내부에서의 물질이동 경로 및 성장양태에 관한 개략도이다.

Claims (2)

1. 상기 씨드를 중력 반대방향으로 배치하여 SiC 단결정을 성장시킬때, 씨드를 헥사 고날(hexagonal; 6H, 4H, 2H) 구조, 큐빅(cubic ; 3C) 구조,

   롬보히드랄(rhombohedral ; 15R) 구조 중의 어느 한 구조를 가지는 경우의 2인치

   직경(50 mm) 이상의 SiC 단결정성장방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 씨드가 헥사고날 구조일 때 상기 단결정 성장이 시작되는

   씨드의 면은 0001, 1100, 1120, 및 0338 중의 어느 한 방위를 가지고, 상기 씨드

   가 큐빅 구조일 때 상기 단결정 성장이 시작되는 씨드의 면은 100, 110, 및 111

   중의 어느 한 방위를 가지며, 상기 씨드가 롬보히드랄 구조일 때 상기 단결정 성

   장이 시작되는 씨드의 면은 100, 110, 및 111 중의 어느 한 방위를 가지는 경우의

   2인치 직경(50 mm)이상의 SiC 단결정 성장 방법.