KR20110071092A

KR20110071092A - 탄화규소 단결정 및 탄화규소 단결정 웨이퍼

Info

Publication number: KR20110071092A
Application number: KR1020117008465A
Authority: KR
Inventors: 마사시 나카바야시; 다츠오 후지모토; 마사카즈 가츠노; 히로시 츠게
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2011-06-28
Also published as: CN102187019A; EP2385158A4; KR101379941B1; WO2010044484A1; EP2385158B1; US20110206929A1; EP2385158A1; US9777403B2; CN106435733B; CN106435733A; JP2010095397A

Abstract

본 발명은 전위나 마이크로 파이프 등의 결정 결함의 밀도가 낮고, 디바이스 응용하였을 경우에 높은 수율, 높은 성능을 발휘할 수 있는 양질의 탄화규소 단결정 및 탄화규소 단결정 웨이퍼를 제공하는 것이며, 시드 결정과 성장 결정의 계면의 성장 방향의 전후에서의 불순물 첨가 원소 농도의 비를 5배 이내로 하고, 또한 시드 결정 근방의 성장 결정의 불순물 첨가 원소 농도를 2×10¹⁹cm^-3이상, 6×10²⁰cm^-3 이하로 한다.

Description

탄화규소 단결정 및 탄화규소 단결정 웨이퍼 {SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL AND SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL WAFER}

본 발명은 전위 등의 결정 결함이 적고, 결정 품질이 높은 탄화규소 단결정 및 탄화규소 단결정 웨이퍼에 관한 것이다.

탄화규소(SiC)는 2.2 내지 3.3 eV의 넓은 금제(禁制) 대역을 가진 와이드 밴드 갭 반도체이다. 종래에 SiC는 그 우수한 물리적, 화학적 특성으로부터 내환경성 반도체 재료로서의 연구 개발이 실시되어 왔는데, 최근에는 청색에서부터 자외선에 걸친 단파장 광 디바이스, 고주파 전자장치, 고내압·고출력 전자 디바이스용 재료로서 SiC가 주목을 받고 있으며, 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나, 지금까지 SiC는 양질의 대구경(大口徑) 단결정을 제조하기 어렵다고 생각되었고, 그것이 SiC 디바이스의 실용화를 방해해왔다.

종래, 연구실 정도의 규모에서는, 예를 들면 승화 재결정법(레이리법)으로 반도체 소자의 제작이 가능한 크기의 SiC 단결정을 얻었다. 그러나, 이 방법으로는 얻는 단결정의 면적은 작고, 치수, 형상 그리고 결정다형(폴리타이프)(polytype)이나 불순물 캐리어 농도의 제어도 용이하지 않다.

한편, 화학 기상 성장(CVD: Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 규소(Si) 등의 이종 기판 위에 헤테로 에피텍셜 성장시킴으로써, 입방정의 SiC 단결정을 성장시키는 것도 실시되고 있다. 이 방법으로는 대면적 단결정은 얻을 수 있으나, SiC와 Si의 격자 불일치가 약 2O%나 되는 등으로 인하여 많은 결함 (~10⁷/cm²)을 포함하는 SiC 단결정 밖에 성장시키지 못하고, 고품질의 SiC 단결정은 얻을 수 없었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, SiC 단결정 웨이퍼를 시드 결정으로서 사용하여 승화 재결정을 실시하는 개량형 레이리법이 제안되어 있다(비특허 문헌 1). 이 개량 레이리법을 사용하면, SiC 단결정의 결정다형(6H형, 4H형, 15R형 등) 및 형상, 캐리어형 및 농도를 제어하면서 SiC 단결정을 성장시킬 수 있다.

현재, 개량 레이리법으로 제작한 SiC 단결정으로부터, 구경 51 ㎜(2 인치)에서 100 ㎜의 SiC 단결정 웨이퍼를 잘라내어 전력 일렉트로닉스 분야의 디바이스 제작 등에 제공하고 있다. 그러나, 이들 결정에는 마이크로 파이프로 불리는 성장 방향을 관통하는 중공 홀 형태의 결함이 ~수십 개cm^-2 정도, 전위 결함이 10⁴ 내지 10⁵cm^-2대의 밀도로 관찰되는 경우가 많다. 이러한 결함은, 예를 들면 비특허 문헌 2나 비특허 문헌 3에 기재되어 있는 바와 같이, 전자 디바이스를 제작하였을 때에 누설전류 등의 문제를 일으킨다. 결정 결함을 저감하는 것은 SiC 디바이스 응용에서 가장 중요한 과제의 하나로 여겨지고 있다.

마이크로 파이프는 SiC 단결정의 대표적인 결정 결함으로 자리 매김되어 지금까지 많은 연구 보고가 있다. 성장 결정 내의 마이크로 파이프는 시드 결정에 존재하던 마이크로 파이프가 이어진 것인 경우가 많다. 결정 성장 기술의 진보에 의하여, SiC 단결정 웨이퍼의 평균적인 마이크로 파이프의 존재 수는 줄어드는 경향이 있으나, 결정 성장 중에 혼입하는 이종 폴리타이프나 다결정 등의 제2상을 기점으로 하여 새롭게 발생하여, 시드 결정보다 성장 결정의 마이크로 파이프의 수가 많아진다고 하는 문제는 현재에도 완전하게 해소되지는 않았다.

최근에는 SiC 단결정의 전위 결함도 크게 주목을 받고 있다. SiC 단결정의 전위 결함의 발생이나 전파에 대하여는 밝혀지지 않은 부분도 많지만, 이하에 개략을 설명한다.

관통 나선 전위 또는 관통 칼날(刃狀) 전위 등의 관통 전위에 대하여는 마이크로 파이프와 마찬가지로, 시드 결정에 원래 존재하던 것이 성장 결정에도 이어지는 경우가 많다. 그러나, SiC 단결정의 특성으로서 결정 성장 중에 기저면 ({0001})을 미끄럼면으로 하는 전위(기저면 전위)가 비교적 용이하게 발생한다. 이것은 SiC 단결정의 대표적인 제조 방법인 개량 레이리법에서는 열 응력이 거의 불가피하게 발생하는데, SiC의 주미끄럼면인 {0001}면의 임계 전단 응력이 고온에서는 매우 작기 때문이다(예를 들면, 비특허 문헌 4 등 참조). 기저면 전위 그 자체는 성장 방향에 대하여 거의 수직인 미끄럼선을 가지고 있기 때문에, 성장 방향으로 전파하지 않는다. 그런데, 기저면 전위는 결정 성장 과정에서 성장 방향 ([0001])을 관통하는 미끄럼선을 가진 관통 전위로 변화하여 이어지는 경우가 있고, 결과적으로 성장 결정의 전위 밀도가 증가하는 것으로 생각된다.

전술한 바와 같이, 성장 결정의 품질은 시드 결정의 품질에 의존하는 부분도 크지만, 그 한편으로, 높은 품질의 SiC 단결정을 시드 결정으로 하여 결정 성장을 하였다고 하더라도, 결정 성장 중에 혼입되는 이종 폴리타이프, 다결정, 또는 불가피한 열 응력 등도 원인이 되어 결정 결함이 새롭게 발생하여, 성장 결정의 품질이 저하하는 경우도 적지 않다. 이와 같은 문제를 회피하고, 고품질의 SiC 단결정을 안정적으로 제조하는 기술의 개발은 종래부터 활발하게 이루어지고 있다.

예를 들면, 목적으로 하는 폴리타이프를 안정적으로 성장시키는 기술로서 특허 문헌 1에는 어떤 종류의 불순물을 결정에 첨가하는 방법이 나타나 있다. 이것은 단결정 SiC를 성장시킬 때에, 탄소 원자 위치에 원자수 밀도로 5×10¹⁸cm^-3이상, 좋기로는, 5×10¹⁹cm^-3이상의 질소를 첨가함으로써, 결정 내의 탄소/규소 원소비 (C/Si비)를 실효적으로 증가시키고, 높은 C/Si비의 조건 하에서 우선적으로 핵 생성하는 4H 폴리타이프를 안정적으로 제조하는 것을 목표로 한 것이다.

또한, 특허 문헌 2에는 N회(N은 N≥3의 자연수)의 성장 공정을 포함하고, 각 성장 공정을 제n 성장 공정(n은 자연수으로, 1에서 시작하여 N으로 끝나는 서수)로서 나타냈을 경우, n=1인 제1 성장 공정에 있어서는 {1-10O}면으로부터 오프셋 각도 ±20˚이하의 면, 또는 {11-20}면으로부터 오프셋 각도 ±20˚이하의 면을 제1 성장면으로서 노출시킨 제1 시드 결정을 사용하고, 상기 제1 성장면 위에 SiC 단결정을 성장시켜 제1 성장 결정을 제작하고, n=2, 3, …, (N-1)회째인 중간 성장 공정에 있어서는 제(n-1) 성장면으로부터 45 내지 90˚기울이고, 또한 {0001}면으로부터 60 내지 90˚기울인 면을 제n 성장면으로 한 제n 시드 결정을 제(n-1) 성장 결정으로부터 제작하고, 이 제n 시드 결정의 상기 제n 성장면 위에 SiC 단결정을 성장시켜 제n 성장 결정을 제작하고, n=N인 최종 성장 공정에 있어서는 제(N-1) 성장 결정의 {0001}면으로부터 오프셋 각도 ±20˚이하의 면을 최종 성장면으로서 노출시킨 최종 시드 결정을 제(N-1) 성장 결정으로부터 제작하고, 이 최종 시드 결정의 상기 최종 성장면에 벌크 형태의 SiC 단결정을 성장시킴으로써, 마이크로 파이프 결함, 전위 결함, 적층 결함 등이 적은 고품질 SiC 단결정의 제조 방법이 개시되어 있다.

한편, SiC 단결정의 결정 품질에 중대한 영향을 미치는 문제는 결정 성장의 초기 단계에 발생하는 것이 많다. 예를 들면, 비특허 문헌 5에 나타내는 바와 같이, 결정 성장의 극히 초기 즉, 시드 결정과 성장 결정의 계면에서 전위 결함이 대량 발생하는 현상이 있고, 또한, 예를 들면, 비특허 문헌 6 등에 기재되어 있는 바와 같이, 결정 성장의 초기에는 이종 폴리타이프의 발생 확률도 높은 것이 알려져 있다.

결정 성장의 초기에 발생한 결함의 일부는 계속하는 성장 중에 소멸하고, 결함 밀도는 성장 후반으로 갈수록 감소하지만, 그 일부는 성장 종료까지 잔존하기 때문에, 아무리 높은 품질의 시드 결정을 사용하였다고 하더라도, 성장 결정의 결함 밀도가 어느 레벨보다 저하하지 않게 된다. 따라서, SiC 단결정의 고품질화를 도모하는데 있어서, 성장 초기의 결정 결함 발생을 억제하는 것은 불가결하다.

성장 초기에 결정 결함이 발생하는 이유는 현시점에서 모두 밝혀져 있지는 않지만, 하나는 개량 레이리법에 있어서 불가피하게 발생하는 열 응력이 시드 결정과 성장 결정의 계면에서는 크다고 생각된다. 또한, 최근의 연구에 의하여, 시드 결정과 성장 결정의 불순물 원소의 농도 차도 큰 요인의 하나인 것을 알 수 있다.

불순물 원소의 농도 차에 착안하여, 특허 문헌 3의 발명이 이루어졌다. 이 특허 문헌에는 성장 결정 내의 첨가 원소 농도를 성장 결정 중에서 시드 결정 중과 동일한 농도로부터 소정의 농도 변화율의 범위 내에서 점증(漸增) 또는 점감(漸減)시켜 소망하는 농도까지 변화시킴으로써, 시드 결정과 성장 결정 계면에서의 결함 발생을 억제하고, 고품질의 탄화규소 단결정을 제조하는 방법이 개시되어 있다.

일본 공개 특허 공보 평9-157091호 일본 공개 특허 공보 2003-119097호 일본 공개 특허 공보 2006-290635호

Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vols. 52 (1981) pp. 146-150 P. G. Neudeck, et al., IEEE Electron Device Letters, vols. 15 (1994) pp.63-65 H. Lendenmann, et al., Materials Science Forum, vols. 389-393 (2002) pp. 1259-1264 A. V. Samant, et al., Physica Status Solid i (A), Vols. 166 (1998), 1, pp. 155-169 P. Wu, et al., Journal of Crystal Growth, vols. 310 (2008) pp. 1804-1809 C. Basceri, et al., Materials Science Forum, vols. 527-529 (2006) pp.39-42

그러나, 전술한 특허 문헌 1에 기재되어 있는 방법에서는 결정 성장의 초기 즉, 시드 결정과 성장 결정의 계면에서의 결함 발생을 완전하게 회피할 수는 없었다.

특허 문헌 2에 기재되어 있는 방법에서도 마찬가지여서, 최종 제N회 성장에 있어서 고품질의 최종 시드 결정을 사용하였다고 하더라도, 성장 초기의 결함 발생에 의하여, 시드 결정보다 품질이 높은 결정을 제조할 수 없었다.

한편, 특허 문헌 3의 방법은 성장 초기의 결함 발생의 억제를 목적으로 한 것이었다. 그러나, 특허 문헌 3의 방법을 가지고 하더라도, 결함 밀도의 저감에 대하여는 충분한 것이 아니고, 또한 이 방법에서는 성장 결정의 시드 결정 근방 영역에 있어서의 첨가 원소의 농도는 시드 결정 내의 첨가 원소 농도에 맞출 필요가 있고, 그것이 소망하는 폴리타이프의 안정 성장에 충분히 기여하지 않는 경우에는 이종 폴리타이프의 발생 확률이 높아져, 결정성이 저하하는 경우도 있었다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 마이크로 파이프 결함이나 전위 결함이 적은 양질의 SiC 단결정과 이 단결정으로부터 가공되는 양질의 SiC 단결정 웨이퍼를 제공하는 것이다.

본 발명은 이하의 구성으로 이루어진 것이다.

(1) 시드 결정과 시드 결정의 위에 성장한 성장 결정으로 이루어지는 탄화규소 단결정으로서, 상기 성장 결정이 적어도 시드 결정 근방 영역은 불순물 첨가 원소 농도가 2×10¹⁹cm^-3 이상, 6×10²⁰cm^-3 이하이며, 또한, 시드 결정과 성장 결정의 계면 전후에 있어서의 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비(고농도측 결정의 농도/저농도측 결정의 농도)가 5배 이내인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.

(2) 상기 시드 결정 근방 영역은 시드 결정과 성장 결정의 계면으로부터 성장 결정 측에 두께 0.5 ㎜ 이내의 영역인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 탄화규소 단결정.

(3) 상기 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비가 2배 이내인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 탄화규소 단결정.

(4) 상기 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비가 1.5배 이내인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정.

(5) 상기 시드 결정 근방 영역의 불순물 첨가 원소 농도가 5×10¹⁹cm^-3이상, 6×10²⁰cm^-3 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정.

(6) 상기 시드 결정 근방 영역의 불순물 첨가 원소 농도가 1×10²⁰cm^-3이상, 6×10²⁰cm^-3 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정.

(7) 상기 불순물 첨가 원소가 질소인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정.

(8) 주된 폴리타이프가 4H인 것을 특징으로 하는 (l) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정.

(9) 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 결정으로부터 가공한 {0001}면 8˚오프 웨이퍼에서 관찰되는 각종 전위에 기인한 에치 피트 밀도의 합계가 1×10⁴cm^-2 이하인 동시에, 마이크로 파이프의 밀도가 10개cm^-2 이하인 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정.

(10) 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 결정으로부터 가공한 {0001}면 8˚오프 웨이퍼에서 관찰되는 각종 전위에 기인한 에치 피트 밀도의 합계가 5×10³cm^-2 이하인 동시에, 마이크로 파이프의 밀도가 5개 cm^-2 이하인 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정.

(11) (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 탄화규소 단결정의 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 결정을 가공하여 이루어지는 탄화규소 단결정 웨이퍼로, 구경은 75 ㎜ 이상, 300 ㎜ 이하이며, 에지 제외 영역을 제외한 폴리타이프는 4H인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 웨이퍼.

본 발명의 SiC 단결정은 결정 결함이 적고, 이 단결정으로부터 가공된 웨이퍼는 양질이기 때문에, 디바이스용 웨이퍼로서 높은 성능을 발휘한다.

도 1은 본 발명의 단결정을 제조하는데 사용한 단결정 제조 장치의 일례를 나타내는 구성도이다.

본 발명의 SiC 단결정은 시드 결정과 시드 결정의 위에 성장시킨 성장 결정으로 이루어지고, 성장 결정 중의 불순물 첨가 원소 농도가 2×10¹⁹cm^-3 이상, 6×10²⁰cm^-3 이하인 시드 결정 근방 영역을 가지고, 또한 시드 결정과 성장 결정의 계면의 성장 방향의 전후에서의 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비(계면 전후의 고농도측 결정의 농도/계면 전후의 저농도측 결정의 농도)를 5배 이내로 억제함으로써, 마이크로 파이프 결함이나 전위 결함의 밀도가 낮게 억제되고 높은 단결정 품질이 된다.

여기서, 전술한 시드 결정 근방 영역이란, 결정 성장 초기 단계의 결정 결함이나 이종 폴리타이프의 발생율이 높은 영역을 가리킨다. 이 영역의 불순물 농도를 본 발명의 범위로 함으로써, 결정 결함의 발생을 충분히 억제하고, 성장 결정을 고품질화할 수 있다.

시드 결정 근방 영역을 넘어 성장한 성장 결정의 불순물 농도는 디바이스 등의 요구 사양에 맞추어 조정할 수도 있다. 시드 결정 근방 영역을 넘어 성장한 성장 결정의 불순물 농도에 대하여는 특히 제한은 없다. 시드 결정 근방 영역의 두께는 성장 조건에도 영향을 받지만, 0.5 ㎜ 이내이면, 거의 잉곳의 기계 가공 부분의 범위에 들어가서, 디바이스용 웨이퍼의 수득 매수(枚數)에 대한 영향을 무시할 수 있다고 하는 점에서 좋다. 다만, 0.05 ㎜보다 시드 결정 근방 영역이 얇아지면, 성장이 불안정한 영역을 커버할 수 없게 되므로 바람직하지 않다. 본 발명의 SiC 단결정은 종래의 SiC 단결정과 동등한 웨이퍼 수득 매수를 확보할 수 있으므로, 비용면에서 불리하지 않게 된다.

시드 결정과 성장 결정의 계면의 성장 방향의 전후에서의 불순물 첨가 원소의 농도비는 좋기로는 2배 이내이며, 한층 더 좋기로는 1.5배 이내이다. 농도비 1 (동일 농도)이 이상적이지만, 현실적으로는 결정 성장에 사용하는 도가니나 단열재로부터의 원소의 오염 외에, 고체 도펀트 소스에 의한 경우에는 SiC와의 포화 증기압의 차이나, 나아가 성장 온도의 미묘한 변동에 의한 불순물의 결정 혼입 효율의 변화가 있기 때문에, 시드 결정과 성장 결정의 농도를 완전하게 동일하게 하는 것은 곤란하다. 그 때문에, 만일 그것을 실현하려고 하면, 특수한 고순도재로부터 제작된 도가니를 사용하거나, 성장 프로세서를 극히 정밀하게 관리하는 것 등이 필요하고, 이것은 생산성이나 비용의 면에서 바람직하지 않다. 시드 결정과 성장 결정의 계면 전후에서의 불순물 원소 농도를 완전하게 동일하게 하지 않더라도, 본 발명의 범위로 하면 효과를 충분히 얻을 수 있다.

성장 결정의 시드 결정 근방 영역의 불순물 첨가 원소 농도는 좋기로는, 5×10¹⁹cm^-3이상, 6×10²⁰cm^-3 이하이며, 한층 더 좋기로는, 1×10²⁰cm^-3이상, 6×10²⁰cm^-3 이하이다. 불순물 첨가 원소의 농도가 2×10¹⁹cm^-3 미만에서는 본 발명의 효과를 얻기가 어렵고, 6×10²⁰cm^-3을넘으면, 다결정의 발생 확률이 높아지므로 바람직하지 않다. 또한, 전술한 이유에 의하여, 일반적으로 불순물 첨가 원소의 농도는 결정 성장의 초기에 높아지는 경향이 있고, 시드 결정 내의 첨가 원소 농도가 낮은 경우에는 성장 결정과의 농도비를 작게 하는 것이 곤란해진다. 시드 결정 근방 영역의 첨가 원소 농도를 본 발명의 범위로 하였을 경우에는 계면의 성장 방향 전후의 농도비를 작게 한다는 점에 있어서도 유리하게 된다.

불순물 첨가 원소는 SiC의 도판트 원소로서 일반적인 질소, 붕소(B), 알루미늄(Al), 또한 결정을 고저항율화하기 위하여 사용되는 바나듐(V) 등으로부터 선택할 수 있다. 그 중에서도, 질소가 좋다. 질소의 첨가는 가스 소스 (N₂)를 사용할 수 있으므로, 농도의 제어가 용이하다. 또한 질소의 첨가에 의하여, 파워 디바이스 전용으로 가장 적합하다고 여겨지는 4H 폴리타이프의 핵 생성 확률을 높여 이종 폴리타이프의 혼재를 억제할 수 있다.

본 발명의 SiC 단결정이 결함 밀도가 낮고, 고품질 단결정이 되는 이유는 이하에 말하는 네 개의 효과에 의한 것이다. 먼저, 제1 효과는 결정 성장이 불안정하게 되기 쉬운 결정 성장의 초기에 있어서, 성장 결정 중의 불순물 농도가 일반적인 디바이스용 웨이퍼에 적절한 불순물 농도(예를 들면, 질소 농도로서 5×10¹⁸cm^-3이상, 2×10¹⁹cm^-3 미만)보다 높기 때문에, 소망하는 폴리타이프가 우선적으로 핵 생성하여, 이종 폴리타이프의 혼재가 억제되는 것이다. 제2 효과는 시드 결정과 성장 결정의 계면에서의 첨가 원소의 농도 차가 작기 때문에, 격자 상수 기타 물성값의 불일치에 기인하는 결함 발생이 억제되는 것이다. 제３ 효과는 시드 결정, 성장 결정 계면에서의 기저면 전위의 발생 수가 적은 것이다. 제４ 효과는 기저면 전위로부터 관통 전위로의 변환율이 저하하기 때문에, 기저면 전위가 발생하여도 성장 방향으로 전파하지 않게 되는 것이다.

상기한 제3 효과와 제４ 효과에 대하여는, 현재로서는 추측에 지나지 않지만, 생각할 수 있는 메커니즘에 대하여 이하에 설명한다. 우선 제３ 효과에 대하여는 불순물을 고농도로 첨가한 결정에 대하여, 파괴 인성의 저하가 관찰되고 있는 것이 시사하는 바와 같이, 원소 첨가에 의한 임계 전단 응력의 상승을 생각할 수 있다. 개량 레이리법에서는 열 응력의 발생은 거의 불가피이지만, 임계 전단 응력의 상승에 의하여, 전위 발생을 경감할 수 있다. 다음으로, 제４ 효과에 대하여는 C/Si비의 증가에 의한 성장 모드 변화의 영향을 생각할 수 있다. 다만, Si면 위의 SiC 에피텍셜 박막 성장에 대하여는 C/Si비가 높은 경우에 기저면 전위로부터 관통 전위로의 변환율이 높아진다는 연구 보고도 있으므로, 제４ 효과로서 설명한 현상은 벌크성장, 카본면 성장이라는 특성을 고려할 필요가 있다. 또한, 본 발명은 결함 억제의 메커니즘에 의하여 한정되지 않는다.

본 발명의 SiC 단결정은 종래 큰 과제였던 결정 성장 초기의 결함 발생이 큰 폭으로 억제되었다. 이것은 본 발명의 SiC 단결정만이 전술한 4개의 효과를 동시에 얻을 수 있기 때문이고, 특히, 제3 효과와 제４ 효과에 대하여는 본 발명에 의해 처음으로 밝혀낸 것이다.

본 발명의 SiC 단결정이 성장하기 위한 시드 결정은 디바이스용으로서 일반적으로 요구되는 질소 농도(예를 들면, 5×10¹⁸내지 1×10¹⁹cm^-3 정도)보다 높은 농도로 질소를 함유시킬 필요가 있다. 이 때문에, 디바이스용 웨이퍼 제조용의 결정 성장을 실시하는 경우에는 성장 중에 질소를 점감하여 소망하는 농도로 할 필요가 있고, 한편, 시드용으로서 제조한 단결정은 디바이스 용도로 전용할 수 없는 경우도 있다. 그러나, 원래, 개량 레이리법에 따른 단결정 제조는 시드 결정용 결정 성장 배치도 포함하는 자기 재생산 사이클로 실시할 필요가 있으므로, 시드 전용의 결정 성장 공정이 사이클에 포함하더라도, 생산성의 저하 등의 문제는 발생하지 않는다.

본 발명에 있어서는 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 결정으로부터 가공한 {0001}면 8˚ 오프 웨이퍼에서 관찰되는 전위에 기인한 에치 피트의 밀도는 1×10⁴cm^-2 이하인 동시에, 마이크로 파이프의 밀도가 10개cm^-2 이하이며, 한층 더 바람직한 조건하에서는 에치 피트의 밀도는 5×10³cm^-2 이하이고, 마이크로 파이프의 밀도가 5개cm^-2 이하이다.

이 품질의 웨이퍼 상에 디바이스를 제작하였을 경우, 종래 웨이퍼에 비하여 누설 전류 경감 등의 효과를 기대할 수 있기 때문에, 특히 대전류의 디바이스에 적합하다.

SiC 단결정은 구경이 커질수록 높은 품질을 유지하기가 어려워지지만, 본 발명의 기술은 기본적으로 성장 결정의 사이즈에 의존하지 않기 때문에, 구경 76 ㎜ (3 인치) 이상, 300 ㎜ 이하의 웨이퍼가 제작 가능한 대구경의 단결정에 적용하는 경우에 효과가 더 크다. 구경 75 ㎜(3 인치) 이상의 웨이퍼는 공업적으로 확립되어 있는 종래의 반도체(Si, GaAs 등)의 제조 라인을 적용할 수 있기 때문에, 공업 생산에 적절하고, 본 발명의 웨이퍼는 에지 제외 영역을 제외한 폴리타이프가 4H만으로 구성되어 있으므로, 디바이스의 생산성이 높다. 또한, 에지 제외 영역이란, 일반적으로 직경 76 ㎜(3 인치) 웨이퍼의 경우에는 외주로부터 2 ㎜ 정도 내측, 직경 100 ㎜ 웨이퍼의 경우에는 외주로부터 3 ㎜ 정도 내측까지의 영역이며, 이 영역은 품질 보증 대상 외로 여겨져 디바이스 과정 등에는 사용되지 않는 영역이다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 기초하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예의 단결정을 제조하기 위하여 사용한 개량형 레이리법에 따른 결정 성장 장치이다. 결정 성장은 승화 원료(2)를 유도 가열에 의하여 승화시키고, 시드 결정(1) 상에 재결정시킴으로써 이루어진다. 시드 결정(1)은 흑연 뚜껑(4)의 내면에 장착되어 있고, 승화 원료(2)는 흑연 도가니(3)의 내부에 충전된다. 이 흑연 도가니(3) 및 흑연 뚜껑(4)은 열 쉴드를 위하여 흑연제 펠트(7)로 피복되고, 2중 석영 튜브(5) 내부의 흑연 지지봉(6) 위에 설치된다. 석영 튜브(5)의 내부를 진공 배기 장치(11)를 사용하여 1.O×10^-4 Pa 미만까지 진공 배기한 후, 순도 99.9999% 이상의 고순도 Ar 가스를, 배관(9)을 거쳐 매스 플로우 제어기(10)로 유량을 제어하면서 석영관 내에 유입시키고, 석영관 내 압력을 80 kPa로 유지하면서 워크 코일 (8)에 고주파 전류를 흘려, 흑연 도가니 하부를 목표 온도인 2400℃까지 상승시킨다.

질소 가스(N₂)도 마찬가지로 배관(9)을 거쳐 매스 플로우 컨트롤러(10)로 유량을 제어하면서 석영관 내에 유입시키고, 분위기 가스 중의 질소 분압을 제어하여, SiC 단결정 내에 유입되는 질소 원소의 농도를 조정하였다. 도가니 온도의 계측은 도가니 상부 및 하부의 흑연제 펠트(7)에 직경 2 내지 15 ㎜의 광로를 설치하고 2색 온도계에 의하여 실시한다. 도가니 상부 온도를 시드 결정 온도, 도가니 하부 온도를 원료 온도로 하였다. 그 후, 석영관 내 압력을 성장 압력인 0.8 kPa 내지 3.9 kPa까지 약 15분에 걸쳐 감압하고, 이 상태를 60시간 유지하여 결정 성장을 실시하였다.

(실시예 1)

먼저, 실시예 1의 결정 성장을 실시하기 위한 시드 결정용 SiC 단결정 잉곳을 제작하였다.

성장 결정 내의 질소 농도가 시드 결정과의 계면으로부터 1 ㎜ 이상 떨어진 영역에서 2.2×10¹⁹cm^-3이 되는 조건으로, 전술한 단결정 성장 장치를 사용한 성장 프로세스에 의하여 구경 79 ㎜의 SiC 단결정 잉곳을 제조하였다. 성장 결정의 질소 농도를 소망하는 값으로 하기 위하여, 성장 결정이 1 ㎜에 도달하였다고 추측되는 시간부터 성장 종료까지의 분위기 중의 질소 가스의 분압은 100 Pa로 제어하고, 성장 개시 시점의 질소 가스의 분압은 시드 결정의 질소 농도 등을 고려한 값으로 하였다. 다음으로, 이렇게 하여 얻은 시드 결정용 SiC 단결정 잉곳을 기계 가공하고, 구경 77㎜의 {0001}면 8˚ 오프 웨이퍼를 복수 장 제작하여, 양면을 연마하였다. 결정의 전위 밀도를 평가하기 위하여 1장의 웨이퍼를 약 530℃의 용융 KOH로 에칭하고, 에치 피트 관찰을 실시하였다. 그 결과, 관통 전이, 기저면 전이에 대응한 에치 피트의 밀도는 각각 2.1×10⁴cm^-2, 4.9×10³cm^-2이며, 전위에 기인하는 에치 피트 밀도의 합계는 2.6×10⁴cm^-2이었다. 또한, 마이크로 파이프에 기인하는 에치 피트의 밀도는 1.7개cm^-2이었다.

나머지의 웨이퍼 중 1장을 시드 결정으로 하여 전술한 단결정 성장 장치를 사용한 프로세스에 의하여, 실시예 1의 SiC 단결정의 성장을 실시하였다. 질소 가스의 분압은 성장 개시시에 180 Pa로 하여 12시간 유지하였다. 그 후, 디바이스용 웨이퍼에 적합한 질소 농도(5×10¹⁸cm^-3이상, 2×10¹⁹cm^-3 미만)로 하기 위하여, 180 Pa에서 65 Pa까지 8시간 들여 점감하고, 거기에서부터 성장 종료까지는 65 Pa의 일정값이 되도록 제어하였다.

이렇게 하여 얻은 SiC 단결정 잉곳은 구경이 79 ㎜, 높이는 30 ㎜ 정도이었다. X선 회절 및 라만 산란에 의하여 분석한 바, 4H 폴리타이프가 성장한 것을 확인할 수 있었다. 시드 결정 근방의 성장 결정의 질소 농도를 분석하기 위하여, 잉곳의 성장 초기 부분으로부터 성장 방향과 평행한 면을 가진 시험편을 잘라내어, 2차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)을 이용하여 측정하였다. 시드 결정과 성장 결정의 계면에 있어서의 시드 결정측의 질소 농도는 2.2×1O¹⁹cm^-3이며, 성장 결정측의 질소 농도는 4.5×10¹⁹cm^-3이었다. 따라서, 계면의 결정 성장 방향의 전후에 있어서의 불순물 첨가 원소 농도가 높은 쪽과 낮은 쪽의 비(질소의 농도비)는 4.5×10¹⁹cm^-3/2.2×10¹⁹cm^-3=2.05이었다.

시드 결정과의 계면으로부터 0.35 ㎜까지의 영역의 성장 결정은 대략 전술한 질소 농도(2.2×10¹⁹cm^-3)이었기 때문에, 이 영역이 시드 결정 근방 영역이었다.

또한, 성장 결정의 전위 밀도를 측정하기 위하여, 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 후반 부분으로부터 구경 77 ㎜의 {0001}면 8˚ 오프 웨이퍼를 제작하고, 연마한 후, 에치 피트 관찰을 실시하였다. 관통 전이, 기저면 전이에 대응한 에치 피트의 밀도는 각각 5.7×10³cm^-2, 2.4×10³cm^-2이며, 각종 전위에 기인하는 에치 피트 밀도의 합계는 8.1×10³cm^-2이며, 마이크로 파이프에 기인하는 에치 피트의 밀도는 1.7개cm^-2이었다.

또한, 제작한 웨이퍼의 색을 육안으로 관찰한 바, 에지 제외 영역을 포함하여 웨이퍼는 4H 폴리타이프만으로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 2)

전술한 결정 성장 장치를 사용한 성장 프로세스에 의하여, 실시예 2의 결정 성장용의 시드 결정을 제작하기 위하여, 성장 결정 내의 질소 농도가 시드 결정과의 계면으로부터 2 ㎜ 이상 떨어진 영역으로부터 5.1×10¹⁹cm^-3인, 구경 103 ㎜의 SiC 단결정 잉곳을 제조하였다. 이 경우, 성장 개시시를 제외하고 질소 가스 분압은 230 Pa로 제어하였다. 이 잉곳을 기계 가공하여, 구경 101 ㎜의 {0001}면 8˚오프 웨이퍼를 복수 장 제작하고, 양면 연마하여, 1장의 웨이퍼의 에치 피트를 관찰하였다. 관통 전이, 기저면 전이에 대응한 에치 피트의 밀도는 각각 6.8×10³cm^-2, 1.8×10³cm^-2이고, 각종 전위에 기인하는 에치 피트를 합계한 밀도는 8.6×10³cm^-2이며, 마이크로 파이프에 기인하는 에치 피트의 밀도는 1.1개 cm^-2이었다.

나머지의 웨이퍼 중 1장을 시드 결정으로 하여 전술한 결정 성장 장치를 사용한 프로세스에 의하여 실시예 2의 SiC 단결정의 성장을 실시하였다. 디바이스용 웨이퍼에 적절한 질소 농도(5×10¹⁸cm^-3이상, 2×10¹⁹cm^-3 미만)로 하기 위하여, 질소 가스 분압은 성장 개시시부터 종료까지, 260 Pa의 일정값이 되도록 제어하였다.

이렇게 하여 얻은 SiC 단결정 잉곳은 구경이 103 ㎜, 높이는 25 ㎜ 정도이었다. X선 회절 및 라만 산란에 의하여 분석한 바, 4H 폴리타이프가 성장한 것을 확인할 수 있었다. 잉곳의 성장 초기 부분으로부터 성장 방향과 평행한 면을 가진 시험편을 잘라내어, SIMS를 사용하여 단결정 중의 질소 농도를 측정하였다.

성장 결정 계면에 있어서의 시드 결정측의 질소 농도는 5.1×10¹⁹cm^-3이며, 성장 결정측의 질소 농도는 6.3×10¹⁹cm^-3이었다. 따라서, 계면의 결정 성장 방향의 전후에 있어서의 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비(질소의 농도비)는 6.3×10¹⁹cm^-3/5.1×10¹⁹cm^-3=1.23이었다.

시드 결정과의 계면으로부터 0.5 ㎜까지의 영역의 성장 결정은 대략 전술한 질소 농도(5.1×10¹⁹cm^-3)이었기 때문에, 이 영역이 시드 결정 근방 영역이었다.

또한, 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 후반 부분으로부터 구경 101 ㎜의 {0001}면 8˚오프 웨이퍼를 제작하여, 연마하였다. 얻은 웨이퍼의 색을 육안으로 관찰한 바, 웨이퍼는 에지 제외 영역을 포함하여 모두 4H 폴리타이프만으로 구성되어 있었다.

1장의 웨이퍼에 대하여 에치 피트 관찰을 실시하였다. 관통 전이, 기저면 전이에 대응한 에치 피트의 밀도는 각각 5.3×10³cm^-2, 1.1×10³cm^-2이며, 각종 전위에 기인하는 에치 피트 밀도의 합계는 6.4×10³cm^-2이며, 마이크로 파이프에 기인하는 에치 피트의 밀도는 0.9개 cm^-2이었다.

(실시예 3)

실시예 1과 마찬가지로 하여, 구경 79 ㎜의 SiC 단결정 잉곳을 시드 결정용으로 제조하였다. 시드 결정으로부터 1 ㎜ 떨어진 영역으로부터의 성장 결정의 질소 농도가 2.O×10²⁰cm^-3이 되도록, 성장 개시시를 제외하고 질소 가스 분압은 1 kPa로 제어하였다.

이 잉곳을 기계 가공하여, 구경 77 ㎜의 {0001}면 8˚오프 웨이퍼를 복수 장 제작하고, 양면을 연마하여, 1장의 웨이퍼의 에치 피트를 관찰하였다. 관통 전이, 기저면 전이에 대응한 에치 피트의 밀도는 각각 5.6×10³cm^-2, 1.1×10³cm^-2이며, 각종 전위에 기인하는 에치 피트를 합계하면, 그 밀도는 6.7×10³cm^-2이며, 마이크로 파이프에 기인하는 에치 피트의 밀도는 0.06개cm^-2이었다.

나머지의 웨이퍼 중 1장을 시드 결정으로 하여 전술한 단결정 성장 장치를 사용한 프로세스에 의하여 의하여 실시예 3의 SiC 단결정의 성장을 실시하였다.

성장 개시시의 질소 가스 분압은 900 Pa로 하고, 이 분압을 12 시간 유지하였다. 그 후, 디바이스 용도에 적절한 캐리어 농도(질소 농도 (5×10¹⁸cm^-3이상, 2×10¹⁹cm^-3 미만))로 하기 위하여, 10 시간에 걸쳐서 질소 분압을 점감시켜 70 Pa로 하고, 성장 도중부터 종료까지는 70 Pa의 일정한 값이 되도록 제어하였다.

이와 같이 하여 얻은 SiC 단결정 잉곳은 구경이 79 ㎜, 높이는 29 ㎜ 정도이었다. X선 회절 및 라만 산란에 의하여 분석한 바, 4H 폴리타이프의 단결정이 성장한 것을 확인할 수 있었다.

잉곳의 성장 초기 부분으로부터 성장 방향과 평행한 면을 가진 시험편을 잘라내고, SIMS를 이용하여 질소 농도를 측정하였다. 성장 결정 계면의 시드 결정측의 질소 농도는 2.O×10²⁰cm^-3이며, 성장 결정측의 질소 농도는 1.9×10²⁰cm^-3이었다. 따라서, 계면의 결정 성장 방향의 전후에서의 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비(질소의 농도비)는 1.9×10²⁰cm^-3/2.0×10²⁰cm^-3=1.05이었다.

시드 결정과의 계면으로부터 0.6 ㎜까지의 영역의 성장 결정은 대략 전술한 질소 농도(2.O×10²⁰cm^-3)이기 때문에, 실시예 3에 있어서의 시드 결정 근방 영역은 이 0.6 ㎜의 영역이었다.

또한, 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 후반 부분으로부터 구경 77 ㎜의 {0001}면 8˚오프 웨이퍼를 제작하였다. 얻은 웨이퍼의 색을 육안으로 관찰한 바, 제작한 웨이퍼는 에지 제외 영역을 포함하여 모두 4H 폴리타이프만으로 구성되어 있었다.

1장의 웨이퍼를 연마한 후, 에치 피트 관찰을 실시하였다. 관통 전이, 기저면 전이에 대응한 에치 피트의 밀도는 각각 2.3×10³cm^-2, 0.7×10³cm^-2이며, 각종 전위에 기인하는 에치 피트 밀도의 합계는 3.0×10³cm^-2이며, 마이크로 파이프에 기인하는 에치 피트의 밀도는 0.02개cm^-2이었다.

또한, 상기 SiC 단결정 잉곳의 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 후반 부분으로부터, 구경 75.2㎜(3 인치)의 {0001}면 8˚오프 웨이퍼를 제작하고, 다이아몬드 숫돌에 의하여 연마하여 경면 웨이퍼로 하고, Si면에 호모 에피텍셜 성장을 실시하였다.

에피텍셜 성장의 조건은 성장 온도 1550℃, 실란(SiH₄), 프로판(C₃H₈), 수소(H₂)의 유량이 각각 32 cc/분, 21 cc/분, 150 L/분이고, 질소 가스는 활성층에 있어서의 캐리어 농도가 1×10¹⁶cm^-3이 되는 유량으로 하고, 약 5㎛의 활성층을 성장시켰다. 이렇게 하여 제조한 에피텍셜 기판 위에 MOSFET 구조를 제작하고, 게이트 절연막의 내압을 측정한 바, 대략 800 V이었다.

(비교예 1)

실시예와 같이, 비교예 실험에 앞서, 미리 시드 결정 제작용 구경 79 ㎜의 SiC 단결정 잉곳을 제조하였다. 성장 결정 중의 질소 농도가 시드 결정으로부터 2 ㎜ 이상 성장한 영역으로부터 1.4×10¹⁹cm^-3이 되도록, 성장 도중에서 종료까지의 질소 가스 분압은 65 Pa로 제어하였다.

이 잉곳을 전술한 실시예와 마찬가지로 기계 가공하고, 구경 77 ㎜의 {0001}면 8˚오프 웨이퍼를 복수 장 제작하고, 양면을 연마하였다. 또한, 전술한 실시예와 동일하게 하여 단결정의 전위 밀도를 평가하였다. 관통 전이, 기저면 전이에 대응한 에치 피트의 밀도는 각각 1.3×10⁴cm^-2, 3.2×10³cm^-2이며, 각종 전위에 기인하는 에치 피트를 합계한 밀도는 1.6×10⁴cm^-2이며, 마이크로 파이프에 기인하는 에치 피트의 밀도는 2.1개 cm^-2이었다.

제작한 웨이퍼 1장을 시드 결정으로 하여 전술한 결정 성장 장치를 사용한 프로세스에 의하여 비교예 1의 SiC 결정 성장을 하였다. 불순물 농도는 디바이스용 웨이퍼에 적합한 질소 농도(5×10¹⁸cm^-3이상, 2×10¹⁹cm^-3 미만)를 목표로 하여, 질소 가스의 분압은 성장 개시로부터 종료까지 900 kPa로 일정으로 하였다.

이와 같이 하여 얻은 SiC 단결정 잉곳은 구경이 79 ㎜, 높이는 24 ㎜ 정도이었다. X선 회절 및 라먼 산란에 의하여, 4H 폴리타이프가 주체인 것이 확인되었다. 잉곳의 성장 초기 부분으로부터 성장 방향과 평행한 면을 가진 시험편을 잘라, SIMS를 사용하여 질소 농도를 측정하였다. 시드 결정과 성장 결정 계면에 있어서의, 시드 결정측의 질소 농도는 1.4×10¹⁹cm^-3이며, 성장 결정의 시드 결정 근방 영역의 질소 농도는 1.9×10²⁰cm^-3이었다. 따라서, 계면의 결정 성장 방향의 전후에서의 불순물 첨가 원소 농도의 높은 쪽과 낮은 쪽의 비(질소의 농도비)는 1.9×10²⁰cm^-3/1.4×10¹⁹cm^-3=13.5이었다.

또한, 광학현미경의 투과상으로 확인한 바, 시드 결정과 성장 결정의 계면에 있어서, 3C 폴리타이프의 SiC 다결정 핵이 관찰되었다. 다결정의 발생 원인은 큰 질소 농도 차에 의하여 생긴, 시드 결정과 성장 결정의 물성값의 불일치 때문으로 생각된다.

시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 후반 부분으로부터 구경 101 ㎜의 {0001}면 8˚오프 웨이퍼를 제작하고, 연마한 후, 에치 피트 관찰을 실시하였다. 관통 전이, 기저면 전이에 대응한 에치 피트의 밀도는 각각 3.7×10⁵cm^-2, 1.2×10⁴cm^-2이고, 각종전위에 기인하는 에치 피트 밀도의 합계는 3.8×10⁵cm^-2이며, 마이크로 파이프에 기인하는 에치 피트의 밀도는 38.2개cm^-2이었다. 전위 밀도는 거의 기판 전면에서 증가하고, 마이크로 파이프는 주로 다결정 핵을 기점으로 하여 발생하였다.

또한, 얻은 웨이퍼의 색을 육안 점검으로 관찰한 바, 에지 제외 영역을 제외한 웨이퍼의 폴리타이프는 4H 폴리타이프가 주체이지만, 3C 폴리타이프가 혼재된 것이었다.

(비교예 2)

비교예 1에 있어서, 시드 결정용으로서 미리 준비한 것과 동일한 잉곳으로부터 가공한 시드 결정을 사용하여, 전술한 결정 성장 장치를 사용한 프로세스에 의하여 비교예 2의 SiC 결정 성장을 실시하였다. 불순물 농도는 디바이스용 웨이퍼에 적절한 질소 농도 (5×10¹⁸cm^-3이상, 2×10¹⁹cm^-3 미만)를 목표로 하고, 질소 가스의 분압은 성장 개시 시점에서는 30 Pa로 하고, 그 후 6시간에 걸쳐 65 Pa로 점증시키고, 그 후 성장 종료까지 65 Pa로 일정하게 하였다.

이와 같이 하여 얻은 SiC 단결정 잉곳는 구경이 79 ㎜, 높이는 33 ㎜ 정도이었다. X선 회절 및 라만 산란에 의하여, 4H, 6H, 15R의 3 종류의 폴리타이프가 확인되었다.

잉곳의 성장 초기 부분으로부터 성장 방향과 수직면을 가진 시험편을 잘라내어 SIMS를 이용하여 질소 농도를 측정하였다. 성장 결정 계면의, 시드 결정측의 질소 농도는 1.4×10¹⁹cm^-3이고, 성장 결정의 시드 결정 근방 영역의 질소 농도는 1.2×10¹⁹cm^-3이었다. 따라서, 계면의 결정 성장 방향의 전후에서의 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비(질소의 농도비)는 1.4×10¹⁹cm^-3/1.2×10¹⁹cm^-3=1.17이었다.

광학 현미경의 투과상으로 확인한 바, 시드 결정 근방의 성장 초기의 성장 결정에 있어서, 4H, 6H, 15R의 3 종류의 폴리타이프가 혼재하여 발생하였다. 성장이 불안정화하기 쉬운 성장 초기에 있어서 성장 결정의 시드 결정 근방 영역의 질소의 농도가 1.2×10¹⁹cm^-3으로 낮기 때문에, 4H 이외의 이종 폴리타이프의 핵이 생성되어, 성장 종료까지 이어진 것으로 생각된다.

시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 후반 부분으로부터 구경 79 ㎜의 {0001}면 8˚ 오프 웨이퍼를 제작하고, 연마한 후, 에치 피트 관찰을 실시하였다. 관통 전이, 기저면 전이에 대응한 에치 피트의 밀도는 각각 6.6×10⁴cm^-2, 0.9×10⁴cm^-2이고, 각종 전위에 기인하는 에치 피트 밀도의 합계는 7.5×10⁴cm^-2이며, 마이크로 파이프에 기인하는 에치 피트의 밀도는 81.5개cm^-2이었다. 마이크로 파이프는 주로 이종 폴리타이프의 계면에서 발생하고, 성장 중에 폴리타이프 계면이 소멸하더라도, 마이크로 파이프는 그 후에 성장하는 결정 중에도 잔존하였다. 또한, 전위는 기판 전면에 걸쳐 높은 밀도로 존재하였지만, 마이크로 파이프의 주변부에서는 특히 높았다.

또한, 얻은 웨이퍼의 색을 육안으로 관찰하였더니, 에지 제외 영역을 제외한 웨이퍼의 폴리타이프는 4H 폴리타이프가 주체이지만, 특히 웨이퍼 주변부에서 6H, 15R의 폴리타이프가 다수 혼재된 것이었다.

비교예 2의 SiC 단결정 잉곳의 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 후반 부분으로부터, 구경 75.2㎜(3 인치)의 {0001}면 8˚오프 웨이퍼를 제작하고, 다이아몬드 숫돌에 의하여 연마하여 경면 웨이퍼로 하고, Si면에 호모 에피텍셜 성장을 실시하였다. 에피텍셜 성장의 조건은 실시예 3과 동일하게 하였다.

제조한 에피텍셜 기판에는 4H 이외의 이종 폴리타이프도 혼재하고 있으므로, 4H 폴리타이프 부분의, 마이크로 파이프가 적은 영역을 선택하여 MOSFET 구조를 제작하고, 게이트 절연막의 내압을 측정하였다. 그 결과, 내압은 대략 340 V이었다.

1 시드 결정(SiC 단결정)
2 승화 원료
3 흑연 도가니
4 흑연 뚜껑
5 2중 석영 튜브
6 지지봉
7 흑연제 펠트
8 워크 코일
9 가스 배관
10 가스용 매스 플로우 제어기
11 진공 배기 장치

Claims

시드 결정과 시드 결정의 위에 성장한 성장 결정으로 이루어지는 탄화규소 단결정으로서, 상기 성장 결정이 적어도 시드 결정 근방 영역은 불순물 첨가 원소 농도가 2×10¹⁹cm^-3 이상, 6×10²⁰cm^-3 이하이며, 또한, 시드 결정과 성장 결정의 계면 전후에 있어서의 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비(고농도측 결정의 농도/저농도측 결정의 농도)가 5배 이내인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
제1항에 있어서, 상기 시드 결정 근방 영역은 시드 결정과 성장 결정의 계면으로부터 성장 결정 측에 두께 0.5 ㎜ 이내의 영역인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비가 2배 이내인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 불순물 첨가 원소 농도가 높은 것과 낮은 것의 비가 1.5배 이내인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 시드 결정 근방 영역의 불순물 첨가 원소 농도가 5×10¹⁹cm^-3이상, 6×10²⁰cm^-3 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 시드 결정 근방 영역의 불순물 첨가 원소 농도가 1×10²⁰cm^-3이상, 6×10²⁰cm^-3 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 불순물 첨가 원소가 질소인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 주된 폴리타이프가 4H인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정.
제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 결정으로부터 가공한 {0001}면 8˚오프 웨이퍼에서 관찰되는 각종 전위에 기인한 에치 피트 밀도의 합계가 1×10⁴cm^-2 이하인 동시에, 마이크로 파이프의 밀도가 10개cm^-2 이하인 탄화규소 단결정.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 결정으로부터 가공한 {0001}면 8˚오프 웨이퍼에서 관찰되는 각종 전위에 기인한 에치 피트 밀도의 합계가 5×10³cm^-2 이하인 동시에, 마이크로 파이프의 밀도가 5개cm^-2 이하인 탄화규소 단결정.
제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 기재된 탄화규소 단결정의 시드 결정 근방 영역을 제외한 성장 결정을 가공하여 이루어지는 탄화규소 단결정 웨이퍼로, 구경은 75 ㎜ 이상, 300 ㎜ 이하이며, 에지 제외 영역을 제외한 폴리타이프는 4H인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 웨이퍼.