KR20060095656A - 고품질의 대구경 탄화규소 단결정 성장 방법 - Google Patents

Abstract

탄화규소 단결정 성장시 사용하는 탄화규소(SiC) 고체 원료를 선택하여 대구경의 탄화규소 단결정을 성장하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 사용원료의 종류를 제안하고, 고품질의 단결정을 성장하기 위해 안정된 공정 제안하기 위한 방법을 제공하는 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. 이때 사용되는 SiC 분말원료의 상태 및 구성, 적용방법을 제안한다.

탄화규소, 고품질 단결정, 알파상 탄화규소 분말, 베타상 탄화규소 분말

Description

고품질의 대구경 탄화규소 단결정 성장 방법 {Growing method of large diameter SiC single crystal for high quality}

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 실시예에서 사용된 알파상의 탄화규소 원료의 X선 회절 패턴이며, 도 2의 (b)는 베타상의 탄화규소 원료의 X선 회절 패턴이며,

도 3의 (a)는 베타상의 탄화규소 원료분말 만을 사용하여 얻은 다양한 다형체 (polytype)를 포함한 다결정이 형성된 결과이고, (b)와 (c)는 베타상의 탄화규소 원료에 각각 부피비로 25% 및 50%의 알파상 탄화규소 원료분말을 혼합하여 성장한 고품질의 단일 다형의 단결정이 형성된 결과이고, (d)는 알파상의 탄화규소 원료분말 만을 사용하여 고품질의 직경 2인치 탄화규소 단결정을 성장한 결과이며,

도 4는 다양한 다형체가 혼합된 다결정이 형성된 원인을 보여주는 EPMA 분석을 통한 조성분포를 보여주는 결과이며,

도 5는 베타상의 탄화규소원료를 열처리과정을 통하여 알파상으로 상전이한 후 성장한 탄화규소 단결정의 단면을 보여주는 결과사진이다.

본 발명은 고품질의 대구경 탄화규소 결정 성장에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄화규소 단결정 성장과정에서 사용되는 원료의 종류와 형태를 결정하고 이로부터 고품질의 단결정을 성장하는 방법에 관한 것이다.

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.

이러한 응용을 위하여 고품질의 탄화규소 단결정 성장이 요구되는데, 성장공정은 각 단위공정에 상당한 영향을 받고 있다. 그중에서 원료에 대한 영향이 탄화규소 단결정의 품질에 큰 영향을 주게 된다. 일반적으로는 원료사용에 대하여 단순하게 금속 불순물이 적게 함유된 고순도의 원료를 사용하는 것을 적용하고 있다. 그러나 본 발명에서는 원료의 고순도화는 기본적인 사항으로 하고, 그 외에 원료의 종류와 형태에 따라서 탄화규소 단결정성장의 품질에 영향을 주는 것에 관하여 실시 예를 제시하여 원료의 선택방법을 제안하고자 한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 고품질의 탄화규소 단결정 성장을 위한 원료의 선택 및 적용 방법을 제안하고 고품의 단결정 수율을 증대시키는 것이다.

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

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.

SiC 단결정을 성장시키는 단계에서 SiC 단결정이 성장되는 씨드 부분의 온도는 1700-2400℃인 것이 바람직하고, 원료 부분의 온도는 1800-2500℃인 것이 바람직하다. 고상의 분말 원료의 사용은 알파상(alpha phase; 4H, 6H, 15R, 33R, 8H 등을 포함하는 통칭)의 탄화규소 원료를 100%의 구성비로 사용할 수 있으며, 베타상(beta phase; 3C)의 탄화규소 원료에 알파상의 탄화규소 원료를 1 - 99%의 구성비로 혼합하여 사용하거나 100%의 베타상 탄화규소 원료를 열처리 과정을 통하여 알 파상의 탄화규소를 1 - 99%를 함유한 상태로 상전이(phase transformation)하여 사용하는 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 앞서 명시한 구성비 또는 열처리를 통한 상전이된 상태로 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 8인치까지 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>

탄화규소 단결정을 성장하기 위하여 승화법(sublimation method)을 사용하였으며 도 1 과 같이 크게 3가지로 가열부와 열의 손실을 막는 단열부 그리고 결정이 성장되는 도가니로 구분되어 있다. 탄화규소 결정의 성장영역인 도가니 안에는 종자정(seed)과 원료(source)를 함께 넣어 구성하였다.

본 연구에서는 성장온도를 2200℃로 고정하였으며, 실험에 사용한 원료는 알파상의 탄화규소 분말과 베타상의 탄화규소 분말을 사용하였다.

탄화규소 다결정체가 성장하는 원인을 규명하기 위해서 종자정과 결정의 계면에서 원소의 성분분포를 EPMA (Electron Probe Micro Analyzer, Shimadzu AT-760)을 이용하여 분석과 함께 원소별 지도(mapping)로 나타내었다. 또한 같은 분석 장비로 탄화규소 분말의 실리콘과 탄소의 원소비율을 분석하였다. 그리고 RAMAN(Renishaw, S1000)으로 결정 다형(polytype)을 XRD (Rigaku, D/Max 2200 + ultima)로 결정구조와 상을 평가하였다.

우선 본 연구에 사용한 각각의 알파형 탄화규소 분말과 베타형 탄화규소 분말을 X-ray 회절 분석으로 결정구조와 상의 구성을 분석하였다.

도 2의 (a)는 알파상 탄화규소 분말의 X-ray 회절 패턴 결과이다. 알파상 탄화규소 분말은 주로 6H로 구성되어 있으며 4H, 5H와 15R의 다형이 소량 혼재되어 있음을 확인할 수 있었다. 그 외에 나타난 C(222) 피크는 베타상 탄화규소로 전체 피크면적에 대하여 차지하는 비율이 3.5% 에 불과했다.

도 2의 (b)는 베타상 탄화규소 분말의 X-ray 회절 패턴 결과이다. 베타상 탄화규소 분말과 관련되는 피크를 주로 확인할 수 있었으며, 그 외에 분석된 알파상 탄화규소에 관련된 피크는 전체 피크면적에 대하여 차지하는 비율이 2%로 매우 낮은 혼입량을 보여 주었다.

우선 베타상 탄화규소 분말 만을 원료로 사용하여 탄화규소 단결정을 성장하였다. 도 3의 (a)는 베타상 탄화규소 분말을 원료로 사용하여 성장한 탄화규소 결정의 표면사진으로 직경 2인치 종자정(시드, seed)을 사용하여 결정을 성장하였음에도 불구하고 결정의 전 영역에 걸쳐서 다결정이 성장한 것을 관측할 수 있었으며, 이 결과는 몇 회의 반복적인 성장에서도 탄화규소 다양한 다형을 포함한 다결정으로 성장하는 재현성을 확인하였다.

베타상의 탄화규소 분말을 사용한 실험에서 다결정이 성장하는 원인을 확인하고 또 다른 상인 알파형 탄화규소 분말이 탄화규소 단결정성장에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위하여 베타상 탄화규소 분말에 부피비 25% 및 50%의 알파상의 탄화규소 분말을 각각 혼합하여 구성한 후 직경 1인치 종자정 위에 단결정을 성장하였다.

베타상 탄화규소 분말에 부피비로 25%의 알파상 탄화규소 분말을 첨가한 혼합원료를 사용하여 성장한 탄화규소 단결정에서는 도 3의 (b)에서 제시한 단면사진과 같이 종자정 성장방향을 따라 약 1인치의 폭을 갖는 단결정이 성장된 결과를 얻을 수 있었다.

도 3의 (c)는 베타상 탄화규소 분말에 부피비로 50%의 알파상 탄화규소 분말을 혼합한 원료를 사용하여 성장한 결정의 사진이다. 직경 30mm 정도의 단결정을 얻을 수 있었고, 도 3의 (b)의 결과와 같이 알파상 탄화규소 분말이 부피비로 25% 첨가된 결정보다 단결정 특성이 향상된 것을 단면 사진을 통해 관찰할 수 있었다.

상기 결과를 기본으로 100%의 알파상 탄화규소 분말을 원료로 사용하여 탄화 규소 결정을 성장하였는데, 도 3의 (d)와 같이 전 영역에서 단결정(6H-SiC)으로 성장한 것을 관찰할 수 있었고, 본 단결정을 웨이퍼로 제조한 결과, 6H의 단결정이 형성되었음을 관찰 할 수 있었다.

그 원인을 규명하기 위해 우선, 알파상의 탄화규소 분말과 베타상의 탄화규소 분말을 EPMA를 이용하여 각각의 탄소에 대한 실리콘 원소조성비(NSi/NC)를 분석한 결과 0.81 과 1.57 로 베타상 탄화규소 분말이 알파상 탄화규소 분말에 비하여 실리콘 함유율이 높음을 확인하였다. 이는 알파상 탄화규소 분말을 사용할 때보다 베타상 탄화규소 분말을 사용한 경우에 실리콘 화학종이 보다 많이 과포화가 되어 종자정에 액적 또는 막 형태의 실리콘 핵이 형성되고 이것이 결국 다결정으로 성장되는 원인이 됨을 보여주는 결과이다. 또한 다결정으로 성장된 탄화규소의 종자정에서 길이방향으로 EPMA를 이용하여 탄소 및 실리콘의 분포를 지도화하여 얻은 결과에서도 종자정 부근에서의 실리콘의 농도가 매우 높은 것으로 보아 실리콘의 핵이 성장초기(밝은 부분이 농도가 높은 영역임)에 많이 형성된 것으로 판단되며, 이것에 의해 다결정이 성장되었음을 분명히 확인할 수 있었다.

또한 베타상의 탄화규소 원료를 열처리과정을 통해 알파상의 탄화규소 원료의 함유율을 20 - 50% 로 상전이하여 성장한 결과, 도 5와 같이 고품질의 탄화규소 단결정을 성장할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 고품질의 탄화규소 단결정 성장을 위한 원료의 선택 및 적용 방법(혼합원료사용, 열처리 원료사용)을 제안하고 고품의 단결정 수 율을 증대시키는 것이다.

또한, 본 발명에 통해 고품질의 대구경 SiC 웨이퍼를 대량 생산에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 도가니에 SiC 원료를 공급하는 단계;

   단결정이 성장될 SiC 씨드(seed) 배치시키는 단계; 및 상기 원료를 가열하여 상기 씨드 상에 SiC 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는 SiC 단결정 성장 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   베타상의 탄화규소 원료에 알파상의 탄화규소 원료를 1 - 99% 혼합하여 SiC 단결정을 성장하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   알파상의 탄화규소 원료를 사용하여 SiC 단결정을 성장하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서

   베타상의 탄화규소 원료를 열처리과정을 통하여 알파상의 탄화규소 원료로 1 - 99% 상전이하여 SiC 단결정을 성장하는 방법.

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