KR20130014566A - 탄화규소 에피택셜 웨이퍼 및 그 제조 방법, 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판 및 그 제조 방법 및 열처리 장치 - Google Patents

탄화규소 에피택셜 웨이퍼 및 그 제조 방법, 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판 및 그 제조 방법 및 열처리 장치 Download PDF

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Abstract

표면의 평탄성이 지극히 양호하고 또한 에피택셜 성장 후에 나타나는 캐럿 결함 및 삼각 결함이 현저하게 저밀도인 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법을 제공한다. 탄화규소 에피택셜 웨이퍼를, <0001>면으로부터의 경사각이 5도보다 작은 탄화규소 벌크 기판을 환원성 가스 분위기 중에서 제 1 온도 T1 및 처리 시간 t의 조건에서 어닐하는 제 1 공정과, 환원성 가스 분위기 중에서 기판 온도를 저하시키는 제 2 공정과, 제 1 공정에서의 어닐 온도 T1보다 낮은 제 2 온도 T2에서 적어도 실리콘 원자를 포함하는 가스와 탄소 원자를 포함한 가스를 공급하여 에피택셜 성장하는 제 3 공정으로 제조한다.

Description

탄화규소 에피택셜 웨이퍼 및 그 제조 방법, 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판 및 그 제조 방법 및 열처리 장치{SILICON CARBIDE EPITAXIAL WAFER AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF, SILICON CARBIDE BULK SUBSTRATE FOR EPITAXIAL GROWTH PURPOSES AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF, AND HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은 탄화규소 파워 디바이스 등에 이용되는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼 및 그 제조 방법, 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판 및 그 제조 방법 및 탄화규소 벌크 기판을 열처리하기 위한 열처리 장치에 관한 것이다.
탄화규소(이하 「SiC」라고 함)는, 규소(이하 「Si」라고 함)에 비해 밴드 갭이 크고, 또한 절연 파괴 전계 강도, 포화 전자 속도 및 열전도도 등의 물성값이 우수하여, 반도체 파워 디바이스 재료로서 우수한 성질을 가진다. 특히, 이 SiC를 이용한 파워 디바이스에서는 전력 손실의 대폭적인 저감·소형화 등이 가능해져, 전원 전력 변환시의 에너지 절약화를 실현할 수 있기 때문에, 전기 자동차의 고성능화, 태양 전지 시스템 등의 고기능화 등, 저탄소 사회 실현상, 키 디바이스로 될 가능성을 갖고 있다.
SiC 파워 디바이스를 제조함에 있어서는, 미리 열CVD법(열화학 기상 퇴적법) 등에 의해 SiC 벌크 기판 상에 반도체 디바이스의 활성 영역을 에피택셜 성장시키는 것이 필수이다. 여기서, 활성 영역이란, 결정(結晶) 중에서의 도핑 밀도 및 막 두께가 정밀하게 제어되어 제조되는 성장 방향축을 포함한 단면 영역을 가리킨다. 벌크 기판에 부가하여, 이러한 에피택셜 성장층이 필요하게 되는 이유는, 디바이스의 설계 사양에 따라 도핑 농도 및 막 두께가 거의 규정되기 때문이며, 또한, 통상 벌크 기판의 도핑 농도보다 한층 더 고정밀도의 제어성이 요구되기 때문이다.
SiC 벌크 기판 상에 에피택셜 성장층을 형성한 웨이퍼를 이하 에피택셜 웨이퍼라고 칭한다. SiC 디바이스는 에피택셜 웨이퍼에 대해 여러 가공을 실시하여 제작되기 때문에, 1장의 에피택셜 웨이퍼로부터 소망한 특성을 갖는 디바이스가 제작되는 개수의 비율, 즉, 이른바 소자 양품률은 에피택셜 성장층의 전기적 특성의 균일성에 강하게 의존하고 있다. 즉, 에피택셜 웨이퍼면 내에서 다른 영역에 비해 절연 파괴 전계가 작거나, 혹은, 일정한 전압을 인가했을 때에 상대적으로 큰 전류가 흐르는 국소적인 영역이 존재하면, 당해 영역을 포함하는 디바이스의 특성은 예를 들면 내(耐)전압 특성이 열화되게 되어, 상대적으로 작은 인가 전압에서도, 이른바 리크 전류가 흐르는 문제가 생긴다. 바꾸어 말하면, 소자 양품률을 최우선적으로 규정하는 요소는 에피택셜 웨이퍼의 결정학적인 균일성이다. 이러한 균일성을 저해하는 요인으로서, 에피택셜 성장시의 문제에 기인하는 이른바 여러 가지의 전류 리크 결함의 존재가 알려져 있다.
상술한 결정 결함에 공통되는 특징은, 결정에서의 원자 배열의 주기성이 결정 성장 방향을 따라 국소적으로 불완전하게 되어 있는 점이다. SiC의 에피택셜 성장에 의해서 생기는 결함으로서, 그 표면 형상의 특징으로부터, 캐럿 결함(carrot defect), 삼각 결함(triangular defect) 등으로 호칭되는 전류 리크 결함이 알려져 있다.
이러한 결함의 발생을 억제하는 방법으로서, 예를 들면, 특허문헌 1에는 결함의 발생을 억제하기 위한 에피택셜 성장층을, 벌크 기판과 활성층 사이에, 전형적인 성장 온도로서 1500℃ 미만으로 성장하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 예를 들면 특허문헌 2에는, 온도 1400℃, 압력 30Torr(4.0㎪)의 조건 하에서 40분간 수소 에칭하고, 온도를 150℃ 더 고온화하고, 또한 42Torr(5.6㎪)로 상대적으로 고압화하여 에피택셜 성장시키는 것에 의해, 기저면 전위 밀도가 평균값으로 20/㎠로 되는 에피택셜 웨이퍼가 얻어지는 실시예가 개시되어 있다.
SiC 결정에는 잘 알려져 있는 바와 같이 폴리타입이라고 불리는 특유의 주기성이 존재한다. 즉, 화학량론비적 조성은 Si와 C에서 1대1이고, 또한, 결정 격자가 육방 최밀 충전 구조(hexagonal closest packing structure)이더라도, 본 구조에서의 c축을 따라 원자 배열에 별종(別種)의 주기성이 존재한다. 이 원자 스케일에서의 주기 및 결정 격자의 대칭성에 의해서 SiC의 물성이 규정된다. 현재 디바이스 응용의 관점에서 가장 주목을 끌고 있는 것은 4H-SiC라고 불리는 타입이다. 4H-SiC를 이용한 파워 디바이스에서는, 주로 원재료비를 저감한다고 하는 관점에서, <0001>면으로부터 <11-20> 방향으로 5도 정도보다 작은 각도로 경사시키고, 또한, Si 원자가 C 원자에 비해, 보다 안정하게 배치될 수 있는 면을 표면으로 하는 에피택셜 웨이퍼를 이용하는 것이 주류이다.
이러한 에피택셜 웨이퍼에서는, 통상, 그 표면에 수 나노미터의 고저차를 갖는 요철이 <1-100> 방향으로 평행한 형태로 출현한다. 이러한 표면 형상의 요철은 스텝 번칭(step bunching)으로 불린다. 스텝 번칭이 존재하는 경우, 에피택셜 성장층의 표면 근방에 전계 등에 의해서 유기되는 전기적 캐리어는, 표면에 평행한 면 내에서 스텝 번칭에 대해 평행이 아닌 방향으로 이동할 때, 직접적인 전위 장벽으로 된다. 즉, 이동도 또는 전기 전도율이 저하하여, 디바이스 특성이 악화된다. 이 때문에, 스텝 번칭이 존재하는 경우, 전기 전도도의 웨이퍼면내 일양성(一樣性)이 저하되는 문제가 생긴다. 따라서, 스텝 번칭이 존재하는 경우, 에피택셜 성장층 표면 근방에 캐리어를 유기하는 MOS형 등의 디바이스에서는, 그 구체적 구조의 설계 단계 및 제조 단계에서의 자유도가 현저하게 제한된다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 공보 제2007-284298호 특허문헌 2: 일본 특허 공개 공보 제2005-311348호
특허문헌 1의 수법에서는, 본질적으로 디바이스 특성과는 무관계이며 활성층과는 명확하게 다른 결함 억제층을, 활성층과는 다른 성장 조건으로 별도로 형성할 필요가 있다. 이것은, 원료 가스의 이용 효율, 에피택셜 웨이퍼의 제작 시간 등의 관점에서는 현저하게 불리하며, 생산성을 저하시키는 문제가 생긴다. 또, 디바이스의 전기적 특성은 에피택셜 성장층의 전기적 특성에 따라 본질적으로 규정되기 때문에, 이러한 결함 억제층의 도입에 의해서 디바이스 구조상의 제약 조건이 더해지는 결과, 디바이스 설계에서의 자유도가 저감한다고 하는 문제도 발생한다.
한편, 특허문헌 2의 수법에서는 이러한 억제층은 불필요하지만, 사실상 40분 이상에 걸쳐 수소 에칭을 행하고, 또 성장시에는 실질적으로 압력 및 온도를 모두 상승시켜야 한다. 이것은, 에피택셜 웨이퍼의 제조상의 시간적 효율, 즉 비용의 관점에서 불리하며, 또한, 장치 상태를 크게 변화시켜야 한다고 하는 장치상의 문제, 특히 장치의 배기계에 대한 부하가 크다고 하는 문제가 있다. 또, 특허문헌 2에는 기저면 전위에 관한 기재는 있지만, 소자 양품률을 본질적으로 규정하는 캐럿 결함 및 삼각 결함 등의 전류 리크 결함에 대해서는 일절 언급하고 있지 않다.
또한, 4H-SiC 타입의 SiC 벌크 기판에서 표면이 <0001>면으로부터 <11-20> 방향으로 5도 정도보다 작은 각도로 경사지는 것에 의해서 Si 원자가 C 원자에 비해 보다 안정하게 배치되는 경우에는, 에피택셜 성장하면 스텝 번칭이라고 불리는 요철이 형성되는 경향이 강하기 때문에, 이러한 스텝 번칭이 디바이스 특성에 미치는 영향을 회피하기 위해, 디바이스 구조 등이 극단적으로 제한된다고 하는 중대한 문제가 있었다.
본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 원료 가스의 이용 효율을 저감하는 일없이 에피택셜 웨이퍼의 제작 시간을 단축하여 양호한 생산성을 확보한 후, SiC 디바이스에서 전류 리크원으로 되는 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 현저하게 낮은, 즉, 높은 소자 양품률이 얻어지고, 게다가, 양호한 전기적 특성을 얻는데 있어 중요한 요소인 평탄성이 우수한 SiC 에피택셜 웨이퍼를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은, 원료 가스의 이용 효율을 저하시키는 공정이나 장시간의 처리를 필요로 하여 생산성을 저하시키는 공정 등의 특수한 전처리 공정을 행하는 일없이 SiC 벌크 기판 상에 활성층의 에피택셜 성장을 행하더라도, SiC 디바이스에서 전류 리크원으로 되는 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 낮은, 즉, 높은 소자 양품률이 얻어지는 SiC 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있는 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은, 장시간의 처리를 필요로 하여 생산성을 저하시키는 공정 등의 특수한 전처리 공정을 행하는 일없이 SiC 벌크 기판 상에 활성층의 에피택셜 성장을 행하더라도, SiC 디바이스에서 전류 리크원으로 되는 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 낮은, 즉, 높은 소자 양품률이 얻어지는 SiC 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있는 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판을 얻기 위한 열처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 SiC 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법은, <0001>면으로부터 경사각이 5도보다 작은 탄화규소 벌크 기판을 환원성 가스 분위기 중에서 제 1 온도 T1 및 처리 시간 t의 조건에서 어닐하는 제 1 공정과, 상기 환원성 가스 분위기 중에서 기판 온도를 저하시키는 제 2 공정과, 상기 제 1 공정에서의 어닐 온도 T1보다 낮은 제 2 온도 T2에서 적어도 실리콘 원자를 포함하는 가스와 탄소 원자를 포함하는 가스를 공급하여 에피택셜 성장하는 제 3 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판의 제조 방법은, <0001>면으로부터의 경사각이 5도보다 작은 탄화규소 벌크 기판을 환원성 가스 분위기 중에서 제 1 온도 T1 및 처리 시간 t의 조건에서 어닐하는 제 1 공정과, 환원성 가스 분위기 중에서 탄화규소 벌크 기판의 온도를 제 1 온도 T1보다 낮은 제 3 온도 T3까지 저하시키는 제 2 공정과, 환원성 가스의 공급을 정지하는 제 3 공정과, 탄화규소 벌크 기판의 온도를 상기 제 3 온도 T3보다 낮은 온도로 저하시키는 제 4 공정을 구비한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 열처리 장치는, 탄화규소 벌크 기판을 환원성 가스 분위기에서 열처리하기 위한 처리실과, 처리실 내에 환원성 가스를 도입하기 위한 환원성 가스 도입부와, 처리실 내에서 탄화규소 벌크 기판을 지지하기 위한 기판 지지구와, 처리실 밖으로 환원성 가스를 배출하기 위한 환원성 가스 배출부와, 처리실 내의 환원성 가스가 흐르는 방향에 대해 기판 지지구보다 상류측에 기판 지지구와 인접하여 설치된 단차 경감 부재와, 탄화규소 벌크 기판을 가열하기 위한 가열 장치를 구비하며, 기판 지지구의 환원성 가스의 유로와 접하는 면과, 단차 경감 부재의 환원성 가스의 유로와 접하는 면은 거의 동일한 평면 상에 존재하는 것이다.
본 발명에 따른 SiC 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법에 의하면, 원료 가스 등의 이용 효율을 저감하는 일없이, SiC 에피택셜 웨이퍼의 제작 시간을 단축하여 양호한 생산성을 확보한 후, SiC 디바이스에서 전류 리크원으로 되는 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 현저하게 낮고, 또한, 우수한 디바이스 특성을 얻는데 있어 중요한 웨이퍼 표면의 평탄성이 지극히 양호한 SiC 에피택셜 웨이퍼를 간편하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판의 제조 방법 의하면, 예를 들면 원료 가스 등의 이용 효율을 저하시키거나 생산성을 저하시키거나 하는 특수한 전처리 공정을 행하는 일없이 에피택셜 성장을 행하더라도 SiC 디바이스에서 전류 리크원으로 되는 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 낮은 SiC 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있는 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판을 간편하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열처리 장치에 의하면, 장시간의 처리를 필요로 하는 등의 생산성을 저하시키는 특수한 전처리 공정을 행하는 일없이 에피택셜 성장을 행하더라도 SiC 디바이스에서 전류 리크원으로 되는 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 낮은 SiC 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있는 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판을 간편하게 제작할 수 있는 열처리 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 SiC 에피택셜 웨이퍼의 제조 순서를 나타내는 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 웨트 약액 처리(wet chemical process) 후의 SiC 벌크 기판의 표면에 대한 암(暗)시야 조건하에서의 광학 현미경 이미지(像)이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 웨트 약액 처리 후의 SiC 벌크 기판의 표면에 존재하는 SiC 더스트(dust)의 주사형 전자 현미경 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 웨트 약액 처리 후의 SiC 벌크 기판의 표면에 존재하는 SiC 더스트의 에너지 분산형 X선 분석 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 도 2와 동일한 영역을 에피택셜 성장한 후에 관찰한 명(明)시야 조건하에서의 노마스키(Nomarski) 미분 간섭 광학 현미경 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 SiC 에피택셜 웨이퍼의 기판 온도의 시간 변화 및 가스 흐름이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 결정 성장 온도 1550℃에서 에피택셜 성장한 웨이퍼 표면의 10㎛ 스퀘어 영역(square area)에 대한 원자간력 현미경(atomic force microscope)의 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 결정 성장 온도 1525℃에서 에피택셜 성장한 웨이퍼 표면의 10㎛ 스퀘어 영역에 대한 원자간력 현미경 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 결정 성장 온도 1500℃에서 에피택셜 성장한 웨이퍼 표면의 10㎛ 스퀘어 영역에 대한 원자간력 현미경 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 결정 성장 온도 1475℃에서 에피택셜 성장한 웨이퍼 표면의 10㎛ 스퀘어 영역에 대한 원자간력 현미경 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 결정 성장 온도 1450℃에서 에피택셜 성장한 웨이퍼 표면의 10㎛ 스퀘어 영역에 대한 원자간력 현미경 이미지이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서의 에피 결함 밀도와 표준화 온도×시간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서의 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도의 C/Si비 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태 4에 있어서의 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도의 결정 성장 온도 T2 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판의 제조 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 웨트 약액 세정 공정 후의 SiC 벌크 기판의 표면에 대한 암시야 조건 하에서의 광학 현미경 이미지이다.
도 17은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 웨트 약액 세정 공정 후의 SiC 벌크 기판의 표면에 존재하는 SiC 더스트의 주사형 전자 현미경 이미지이다.
도 18은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 도 17 중의 정방형으로 둘러싸인 영역에 대해 에너지 분산형 X선 분석을 행한 결과를 나타내는 스펙트럼이다.
도 19는 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 도 16과 동일한 영역을 에피택셜 성장한 후에 관찰한 명시야 조건 하에서의 노마스키 미분 간섭 광학 현미경 이미지이다.
도 20은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 SiC 벌크 기판의 온도의 시간 변화 및 가스 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 어닐 처리 후에 에피택셜 성장을 행하는 실험에 이용한 SiC 벌크 기판의 온도의 시간 변화 및 가스 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 SiC 에피택셜 웨이퍼의 10㎛ 스퀘어 영역에 대한 원자간력 현미경 이미지이다.
도 23은 본 발명의 실시 형태 6에 있어서의 에피택셜 결함의 밀도와 표준화 온도×시간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 실시 형태 7에 있어서의 어닐 처리 후에 에피택셜 성장을 행하는 실험에 이용한 SiC 벌크 기판의 온도의 시간 변화 및 가스 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 열처리 장치를 나타내는 측면 단면도이다.
도 26은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 열처리 장치를 나타내는 평면도이다.
도 27은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더 및 단차 경감 부재를 나타내는 평면도이다.
도 28은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더를 나타내는 단면도이다.
도 29는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더로 SiC 벌크 기판을 지지한 모습을 나타내는 단면도이다.
도 30은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더를 나타내는 사시도이다.
도 31은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판의 제조 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 32는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 웨트 약액 세정 공정 후의 SiC 벌크 기판의 표면에 대한 암시야 조건 하에서의 광학 현미경 이미지이다.
도 33은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 웨트 약액 세정 공정 후의 SiC 벌크 기판의 표면에 존재하는 SiC 더스트의 주사형 전자 현미경 이미지이다.
도 34는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 도 33 중의 정방형으로 둘러싸인 영역에 대해 에너지 분산형 X선 분석을 행한 결과를 나타내는 스펙트럼이다.
도 35는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 도 32와 동일한 영역을 에피택셜 성장 후에 관찰한 명시야 조건 하에서의 노마스키 미분 간섭 광학 현미경 이미지이다.
도 36은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 SiC 벌크 기판의 열처리시의 온도 프로파일 및 가스 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 37은 본 발명의 실시 형태 9에 있어서의 열처리 장치를 나타내는 측면 단면도이다.
도 38은 본 발명의 실시 형태 9에 있어서의 도 37의 A-A 단면도이다.
도 39는 본 발명의 실시 형태 9에 있어서의 도 37의 B-B 단면도이다.
도 40은 본 발명의 실시 형태 9에 있어서의 기판 홀더로 SiC 벌크 기판을 지지한 모습을 나타내는 단면도이다.
도 41은 본 발명의 실시 형태 9에 있어서의 기판 홀더를 나타내는 사시도이다.
도 42는 본 발명의 실시 형태 10에 있어서의 기판 홀더를 나타내는 사시도이다.
(실시 형태 1)
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 SiC 에피택셜 웨이퍼의 제조 순서를 나타내는 공정 흐름도이다.
본 발명에서 사용하는 SiC 벌크 기판은, 4H-SiC 타입이고, <0001>면으로부터 <11-20> 방향으로 5도 정도보다 작은 각도로 기울인 사양의 기판이다. 또, 경사 방향은 <11-20> 방향으로 엄밀하게 한정되는 것이 아니고, 다른 방향으로 경사진 사양의 기판이더라도 좋다.
우선, SiC 벌크 기판을, 미리 기계 연마 및, 산성 또는 알칼리성을 나타내는 약액을 이용하여 화학 기계 연마에 의해 평탄화 처리(CPM 처리)한다. 평탄화 처리 후의 SiC 벌크 기판을 아세톤 등을 이용하여 초음파 세정을 실시하여, 표면에 부착한 유기물을 제거한다. 다음으로, 황산과 과산화수소수를 체적 비율로 5:1로 혼합하고, 약 130℃(±5℃)로 가열한 혼합 용액 중에, SiC 벌크 기판을 침지하는 것에 의해, 주로 금속 부착물을 제거한다. 또, 왕수(王水)에 의해 잔류 금속 부착물을 제거한다.
다음으로, 이 SiC 벌크 기판에 대해, 이른바 RCA 세정을 행한다. 즉, 75℃(±5℃)로 가열한 암모니아수와 과산화수소수의 혼합 용액(1:9) 내에 10분간 담근 후, 75℃(±5℃)로 가열한 염산과 과산화수소수의 혼합 용액(1:9)에 담근다. 또, 체적 비율로 5% 정도의 불산을 포함하는 수용액에 담근 후, 순수(純水)에 의해 치환 처리를 실시하고, SiC 벌크 기판에 대한 표면 세정을 행한다. 그러나, 상술한 일련의 웨트 약액 세정에 의해서도, SiC 벌크 기판 표면은 다른 예컨대 실리콘 등의 반도체 재료와 같이는 청정하게는 안된다. 이것은, SiC 결정에서의 원자간력이 종래의 반도체의 원자간력에 비해 현저하게 강하기 때문에, SiC 벌크 기판 표면을 균일하게 용해하는 약액을 아직 찾아내지 못했기 때문이다.
도 2는 상기 처리 후의 SiC 벌크 기판의 표면을 암시야 조건 하에서, 광학 현미경 관찰을 행한 결과이다. 후술하지만, 도 2에서 실선으로 둘러싸인 영역에서는, 에피택셜 성장 후, 삼각 결함이 확인되고, 한편, 파선으로 둘러싸인 영역에서는 캐럿 결함이 관측되었다. 파선으로 둘러싸인 영역에서는 비교적 강한 발광을 볼 수 있고, 실선으로 둘러싸인 영역 내 혹은 영역 외의 근방에서, 비교적 약한 발광을 볼 수 있다. 또, 실선 화살표로 나타낸 직선 형상은 SiC 벌크 기판 이면의 연마 상처에 기인하는 것이고, 또한, 매우 강한 발광 영역은 이면의 요철을 반영한 것이다. 또, 상세하게 관찰하면 보다 작은 점 형상의 발광이 확인되지만, 이들 부위는 이후의 결과에 영향을 미치지 않는다. 이러한 관찰법은 표면 상태에 민감하기 때문에, 이러한 관찰로부터 SiC 벌크 기판 표면에 어떠한 미소한 입자가 부착되어 있는 것을 알 수 있다.
상기 처리 후의 SiC 벌크 기판을 주사형 전자 현미경에 의해서 더 평가한 결과를 도 3에 나타낸다. 도 3으로부터 명백한 바와 같이, 상기 미소 발광 영역에 존재하는 이물은 예각 형상을 나타내고 있고, 그 크기는 적어도 마이크로 미터 스케일인 것을 판별할 수 있다. 도 3 중의 정방형으로 둘러싸인 영역에 대해서, 에너지 분산형 X선 분광에 의해 얻어진 스펙트럼을 도 4에 나타낸다. 도 4의 세로축은 스펙트럼 강도, 가로축은 에너지를 나타내고 있다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 탄소 및 실리콘으로부터의 피크가 강하고, 이들의 상대 강도로부터 판단하면, 이 부착물은 화학량론비가 1대1의 SiC로 이루어지는 것을 알았다. 즉, 상술한 여러 가지의 세정을 행했음에도 불구하고, SiC 벌크 기판 표면에는 아직도 SiC 더스트가 부착되어 있는 것이 판명되었다.
도 2로 나타낸 바와 같은, 미리, SiC 벌크 기판에 대한 암시야 조건 하에서 표면 관찰을 행한 영역 상에, 1475℃에서 에피택셜 성장을 행한 후의 미분 간섭 광학 현미경 이미지를 도 5에 나타낸다. 이하, 본 발명에 이르는 과정에서 얻어진 실험 결과에서의 각 처리 온도를 상세하게 기술하지만, 이러한 처리 온도의 표시값은 CVD 장치에서의 측정 방법에 강하게 의존한다. 그래서, 본 발명에 있어서의 온도 측정은 원칙으로서 고온계(pyrometer)에서의 측정값으로 통일하고 있다. 이와 관련하여, 다른 측정 방법으로 온도를 측정한 경우는, 고온계에서 동시에 측정한 값과의 오프셋값을 계산하여 조정하면 좋다.
도 5로부터 명백한 바와 같이, 도 2에서 파선으로 둘러싸인 영역의 근방에는 캐럿 결함이, 실선으로 둘러싸인 영역의 근방에는 삼각 결함이라고 하는 전류 리크 결함이 형성되어 있는 사실을 본 발명의 발명자 등이 처음으로 찾아냈다. 또, 도 2에서의 비교적 약한 발광을 볼 수 있던 위치와 도 3에서 삼각형 결함을 볼 수 있던 위치가 반드시 완전하게 대응하지 않고, 100㎛ 오더로 어긋나 있는 개소를 복수 볼 수 있지만, 이것은, 후술하는 과정에 의해서, 실질적으로 이동하는 것을 명확하게 나타내는 것이다.
또한, 이러한 결함이 존재하는 영역을 파워 디바이스가 포함하는 경우, 고전계 인가시에 리크 전류가 생기는 것이 일반적으로 알려져 있다. 즉, 이러한 결함의 존재는 소자 양품률을 큰폭으로 저하시키는 직접적 요인으로 된다. 따라서, 이러한 결함을 제거하지 않으면, 균일성이 양호하고 파워 디바이스 제작에 매우 적합한 에피택셜 성장층은 도저히 얻을 수 없다.
이러한 각종 결함의 요인으로 되는 SiC 더스트를 제거하기 위해서, 본 발명의 발명자 등이 여러 가지 실험을 시행 착오하면서 반복하여 행한 결과, 이하에 상술하는 일련의 공정이 가장 효율적으로 SiC 더스트를 제거할 수 있고, 또, 평탄성이 지극히 양호한 에피택셜 표면이 얻어진다고 하는 새로운 지견을 얻었다. 이하에, 본 발명의 특징인 SiC 더스트 제거의 공정을 설명한다.
우선, 예를 들면 SiC막에 의해서 코팅된 그라파이트(graphite)제의 기판 홀더 상에 SiC 벌크 기판을 탑재하여, CVD 장치의 반응로 내에 설치한다. 반응로 내에 잔존하는 의도하지 않은 분자 혹은 원자 형상의 불순물의 에피택셜 성장층으로의 혼입을 억제하기 위해, 반응로 내를 약 1×10-7㎪ 정도로까지 진공 흡인을 행한다.
다음으로, 도 6에 나타내는 온도 프로파일 및 가스 시퀀스에서, SiC 에피택셜 웨이퍼, 즉, SiC 벌크 기판 상에 에피택셜 성장층이 형성된 웨이퍼의 제작을 행한다.
최초로, 반응로 내에 환원성 가스로서 예를 들면 수소 가스를 도입한다. 이와 관련하여, 본 실시 형태에서는, 수소 가스는 캐리어 가스를 겸하고 있다. 환원성 가스가 도입되어, 기판 표면에 환원성 가스종이 접하는 설정 하에서, 진공도가 예를 들면 25㎪ 정도로 일정하게 유지되도록, 반응로의 압력을 제어한다. 또, 본 실시 형태에서는 상기 압력 하에서의 실험예를 상술하지만, 일반적으로, 반응로의 구조·형상의 상위(相違) 등에 의해서, 각 CVD 장치에서 매우 적합한 압력은 변화될 수 있는 것이며, 이러한 상위를 가미하면, 1㎪ 내지 70㎪의 범위 내에서의 감압 분위기로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 1㎪보다 압력이 낮으면, 후술하는 환원성 가스에 의한 치환 반응 효율이 저하되고, 또한, 70㎪보다 높으면 SiC 벌크 기판에 대한 에칭이 지배적으로 되어, 얻어지는 에피택셜 성장층의 표면의 평탄성이 악화되기 때문이다.
다음으로, 고주파 유도 전류에 의해서 주로 기판 홀더를 가열하는 것에 의해, SiC 벌크 기판을 소정의 처리 온도 T1까지 가열한다. 일반적으로, SiC 벌크 기판으로부터의 탄소 원자의 우선적 이탈을 억제하기 위해서, 결정 성장을 개시하는 온도보다 100℃ 정도 낮은 온도에 기판 온도가 도달한 단계에서 탄소를 포함하는 가스, 예를 들면 프로판의 반응로로의 공급을 개시한다. 그러나, 이러한 탄소 원자를 포함하는 가스를 선행하여 공급하면, 상기 경사각이 5도 정도 이하인 SiC 벌크 기판 표면에서는 원자의 표면 재구성이 현저하게 발생하고, 탄소를 포함하는 가스의 선행 공급 시간이 길어질수록, 스텝 번칭의 현재화(顯在化), 즉, SiC 벌크 기판 표면의 요철이 증가하는 경향이 있는 것을 알았다. 즉, 성장 개시시까지 프로판의 공급을 행하지 않는 것이 평탄성을 확보함에 있어 중요하다는 점을 본 발명의 발명자 등은 찾아냈던 것이다.
기판 온도를 상승시켜, 예를 들면 1550℃ 이상의 상대적으로 높은 온도 T1에서 환원성 가스 분위기에서 소정의 시간 유지한다. 이러한 고온에서의 어닐 처리는 캐럿 결함 및 삼각 결함 등의 전류 리크 결함을 저감함과 동시에, 평탄성이 우수한 에피택셜 웨이퍼를 얻는데 있어 필수이다. 후술하는 바와 같이, 스텝 번칭이 존재하지 않고, 또한, 평탄한 에피택셜 성장면을 얻기 위해서는 1475℃ 정도라는 비교적 저온에서 에피택셜 성장을 행할 필요가 있지만, 상술한 바와 같은 고온 어닐 처리를 행하지 않는 경우, 캐럿 결함 및 삼각 결함 등의 전류 리크 결함 밀도가 적어도 10개/㎠ 이상의 고밀도로 발생하기 때문이다.
상술한 바와 같이, 캐럿 결함 및 삼각 결함의 주된 발생 원인은, SiC 벌크 기판에 부착한 SiC 더스트에 의한 것이기 때문에, SiC 벌크 기판 자체에 데미지를 주지 않도록 SiC 더스트를 선택적으로 제거하기 위해서는, SiC 벌크 기판 상에 화학적으로 흡착하고 있는 SiC 더스트를, 환원성 가스 분위기 하에서 어닐하는 처리가 지극히 효과적이다.
즉, 이 SiC 더스트는 상술한 약액 처리의 마지막에 사용되는 불산 용액 중에서, SiC 벌크 기판 상에 부착한 것이라고 추측된다. 불산 처리는 본래는 SiC 표면의 산화막을 제거하기 위한 것이다. 따라서, 불산 용액 중에서는, SiC 벌크 기판과 부착한 SiC 더스트는 양자 모두 산화막은 형성되지 않는다. SiC 벌크 기판을 불산 용액 중으로부터 대기 중으로 노출시키면, 즉시, 양자의 표면에 대한 산화가 개시된다. SiC 더스트의 형상으로부터 판단하여 SiC 더스트 표면은 원자 레벨에서는 평탄하지 않기 때문에, SiC 더스트와 SiC 벌크 기판은 얇은 산화막을 거쳐서 부착되어 있는 것이라 추측된다. 따라서, SiC 벌크 기판에 데미지를 주지 않도록 하면서, SiC 더스트를 선택적으로 기판 표면으로부터 제거하기 위해서는, 환원성 가스 중에서의 어닐 처리에 의해, 양자의 산화막을 제거한 후, 환원성 가스에 포함되는 예를 들면 수소 원자에 의해서, 양자의 표면을 수소 치환함으로써 표면을 안정화하는 처리가 지극히 유효하다. 이러한 처리에 의해서, 양자의 표면은 서로 수소 종단(終端)되고, 양자 사이에 전기 화학적인 척력(斥力)이 생긴 뒤, 가스류 자체에 의해서 SiC 더스트가 SiC 벌크 기판 표면 영역으로부터 가스의 하류측으로 이동될 수 있기 때문이다. 이 결과, SiC 벌크 기판 표면에 부착되어 있던 SiC 더스트는 SiC 벌크 기판에 어떠한 데미지를 주는 일없이 제거된다.
본 발명의 발명자 등이 여러 가지 조건 하에서 실험을 반복한 결과, 상술한 수소 치환이 효율적으로 생기는 어닐 온도는 1525℃ 이상인 것이 판명되었다. 즉, 1525℃가 어닐 효과가 효과적으로 발현하는 가장 낮은 어닐 온도라고 말할 수 있다. 표 1에, 어닐 온도(T1)를 1525℃로부터 1600℃까지 25℃씩 변화시키고, 또한, 어닐 처리 시간을 10초, 180초, 420초로 각각 처리한 경우에 대해서, 광학 현미경에 의한 표면 관찰에서 관측·계수하여 산출한 캐럿 결함 및 삼각 결함 밀도의 총합을 나타낸다.
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어닐 온도 T1을 1525℃로 한 경우, 어닐 처리 시간 420초에서 본 결함 밀도는 3.1개/㎠로 되고, 상기 어닐 공정을 행하지 않은 경우에 대해, 1/3 이하로 저감하였다. 어닐 온도 T1을 1550℃로 한 경우, 어닐 처리 시간 180초 이상에서 이들 결함 밀도가 3개/㎠ 이하로 되었다. 또한, 어닐 온도 T1을 1575℃로 한 경우, 어닐 처리 시간이 180초에서 0.7개/㎠라고 하는 결과로 되었다. 어닐 온도 T1을 1600℃로 한 경우, 어닐 처리 시간 10초에서는 0.83개/㎠, 180초에서는 2.6개/㎠라고 하는 양호한 결과를 얻을 수 있었지만, 420초에서는 30개/㎠ 이상으로 급격하게 악화되었다.
어닐 온도 T1의 고온화에 수반하여, 비교적 단시간에 이러한 결함의 저밀도화가 실현되는 것은 화학 반응이 고온에서 가속된다고 하는 일반적인 지견과 일치한다. 단, 어닐 온도 T1이 1600℃에서는, 어닐 처리 시간 420초에서 삼각 결함이 고밀도화되었다. 이것은, SiC 더스트의 이탈에 부가하여, 환원성 가스에 의한 SiC 벌크 기판 표면으로의 에칭이 지배적으로 되었기 때문이라고 생각된다. 즉, 환원성 가스에 의한 SiC 벌크 기판의 에칭이 과잉으로 되어, SiC 드롭렛(droplet)이 형성되는 것, 혹은 SiC 더스트 자체도 SiC 벌크 기판 상에서 일부 융해되어 SiC 벌크 기판과 일체화하는 것 등을 통해, CMP 가공에서 얻어진, 우수한 평탄성이 국소적으로 악화되는 결과, 이들이 새로운 이상 성장핵으로 되기 때문이다.
따라서, 작업 시간의 목표 효율의 관점에서는, 어닐 온도 T1은 1550℃ 이상이 바람직하고, 더 바람직하게는 1575℃ 이상이 좋다. 어닐 온도 T1이 1550℃에서는 어닐 처리 시간 t는 420초 이상이 좋다. 어닐 온도 T1이 1575℃에서는, 어닐 처리 시간 t는 420초 이하, 더 바람직하게는 180초로 하는 것이 좋다. 어닐 온도 T1이 1600℃에서는 어닐 처리 시간 t는 180초 미만에서 10초 정도의 어닐 시간이 바람직하다. 일련의 실험 결과가 나타내는 바와 같이, 어닐 온도 T1을 고온화함에 수반하여, 어닐 시간 t는 단축되는 경향이 있다. 또, 여기서는, 어닐 처리 시간 t 내에서 어닐 온도 T1을 일정하게 한 경우에 대해 설명했지만, 본 공정을 단시간화하기 위해, 어닐 온도 T1에 대해, 일정하지 않게 시간적 변화를 주어도 좋다. 이 경우, 피크 온도가 상술한 어닐 온도 T1에 대응한다.
다음으로, 환원성 가스 분위기 중에서, 동일 압력을 유지하면서 기판 온도를 강온한다. 당해 강온 공정에 필요로 하는 시간은 본 발명에 관한 일련의 실험에 이용한 CVD 장치에서는 약 5분이었다. 또, 강온 시간은 CVD 장치의 특히 냉각계 구조에 의존한다. 강온 공정에 필요로 하는 시간은 가능한 한 짧은 쪽이 바람직하다. 즉, SiC 벌크 기판 도입 단계에서 기판 표면에 부착한 SiC 더스트에 대해서는 상기 환원성 가스에 의한 이탈 공정에 의해 제거 가능한데 반하여, 강온 공정에 필요로 하는 시간이 긴 경우, CVD 장치 내부에 부착·잔존하는 SiC 더스트 등이 상술한 고온 어닐 처리 공정에 의해서 청정화된 SiC 벌크 기판 표면에 새롭게 부착된다고 하는 문제가 생겨서, 부착한 SiC 더스트 등이 다음 공정인 에피택셜 성장 단계에서의 이상 성장핵으로 되어, 새로운 전류 리크 결함을 형성하기 때문이다.
특히 문제로 되는 것은, SiC 벌크 기판에 대해 환원성 가스 혹은 원료 가스 등이 유입되는 방향(이른바 상류측) 및, SiC 벌크 기판과 대향하는 상면(上面)의 가열 영역을 구성하고 있는 부재, 예를 들면 기판 홀더 및 서셉터 등의 표면에 부착된 SiC 분진에 의한 부착이다. 이러한 SiC 분진은, SiC 벌크 기판 상으로의 SiC의 에피택셜 성장시에, 상기 부재의 표면에 동시에 형성되고, SiC 벌크 기판에 부착되는 것에 의해서 발생한다. 따라서, SiC 분진의 형성 자체를 억제하는 것은 지극히 곤란하다. 또한, 에피택셜 성장을 행할 때마다, 이러한 부재를 모두 교환하는 것은 제조 비용의 관점에서 불리하다. 따라서, 에피택셜 웨이퍼의 제조를 반복하여 행함에 따라 CVD 장치 중에서 가열되는 부재에 부착되는 SiC 분진이 상기 고온 어닐 처리 공정에 의해서 일단은 청정화된 SiC 벌크 기판 표면에 부착하므로, 에피택셜 성장 후, 캐럿 결함 및 삼각 결함 등의 전류 리크 결함으로 되는 문제를 저감함에 있어, 이러한 강온 공정은 단시간쪽이 보다 바람직하다.
상술한 환원성 가스 분위기 중에서의 고온 어닐 처리 공정 및 기판 온도의 강온 공정 후, 소정의 결정 성장 온도 T2에 도달하고 나서, 원료 가스의 공급의 개시에 의해서 에피택셜 성장이 개시된다. 또, 여기서는, 강온 공정 완료 후에 재료 가스를 공급하는 사례를 나타냈지만, 전체의 처리 시간을 단축하기 위해, 강온 과정 중에 원료 가스의 공급을 개시하더라도 좋다.
상술한 원료 가스의 유량은, 반응로의 구조 혹은 압력에 따라 바람직한 양이 정해지는 것이며, 또한 성장 속도에 따라 크게 변화되는 것이기 때문에, 일률적으로 규정은 할 수 없기는 하지만, 본 발명에 이용한 CVD 장치에서는, 적어도, 실리콘 원자를 포함하는 가스로서 예를 들면 수소로 90% 희석된 실란을 90sccm, 탄소 원자를 포함한 가스로서 예를 들면 프로판을 2.4sccm의 유량으로 동시에 공급하기 시작하는 시퀀스에 의해서 에피택셜 성장을 행하였다.
또한, 필요에 따라 N형 도핑용의 N2 가스를 동시에 공급하더라도 좋고, P형 도핑용으로 Al, B, Be를 포함하는 유기 금속 재료를 공급하더라도 좋다. 또, 성장 속도의 고속화를 도모하기 위해 HCl 가스를 병용하더라도 좋고, 혹은, 실리콘 원자를 포함하는 가스로서 실란을 이용하더라도 좋다.
또한, SiC 더스트의 이탈이 효율적으로 생기는 결정 성장 온도 T2, 예를 들면 1550℃에서 에피택셜 성장을 행한 경우, 주로 실리콘 원자의 기판 표면에서의 마이그레이션(migration)이 과대하게 되어, 예를 들면 5도 정도의 경사각을 갖는 SiC 벌크 기판 상으로의 성장에서는, <11-20> 방향을 따라서, 마이크로 미터 오더 이상의 정도로 거의 주기적인 요철이 형성된다.
도 7은 1550℃의 결정 성장 온도 T2에서 에피택셜 성장한 웨이퍼 표면의 10㎛ 스퀘어 영역에 대한 원자간력 현미경 이미지이다. 이 고저차는 4H-SiC에서의 c축 방향의 기본 단위 구조인 1㎚보다 수배 정도 큰 약 6㎚이고, 원자 레벨에서 평탄한 표면을 얻을 수 없었다. 이러한 요철 형상은 상술한 바와 같이, 스텝 번칭이라고 칭해지는 것이다.
이러한 스텝 번칭을 억제하여 원자 스케일로 거의 평탄한 에피택셜 성장 표면을 얻기 위해서, 결정 성장 온도 T2를 여러 가지 변화시켜 실험을 반복하였다. 결정 성장 온도 T2를 1525℃, 1500℃, 1475℃, 1450℃로 변화하고, 막 두께 6㎛의 에피택셜 성장을 행한 웨이퍼에 대해, 10㎛의 정방(正方) 영역에 대해 원자간력 현미경에 의한 평가를 행한 결과를, 도 8, 도 9, 도 10, 도 11에 각각 나타낸다. 그 결과, 결정 성장 온도 T2를 1475℃ 이하, 즉 어닐 온도 T1보다 75℃ 이하로 한 경우에, 에피택셜 성장층의 표면이 현저하게 평탄화되는 것이 판명되었다. 즉, 도 10에 나타내는 바와 같이, 스텝 번칭은 관찰되지 않았다. 또, 결정 성장 온도 T2를 저하시켜, 1450℃로 한 경우, 도 11에 나타내는 바와 같이, 평탄성이 현저하게 개선되어, Ra=0.2㎚ 이하라는 지극히 평탄성이 양호한 에피택셜 성장층이 얻어졌다.
즉, 결정 성장 온도 T2를 어닐 처리 온도 T1보다 낮고 하는 것에 의해, 양호한 에피택셜 성장층 표면이 얻어졌다. 또한, 결정 성장 온도 T2를 어닐 처리 온도 T1보다 75℃ 이상 낮게 하면, 매우 평탄성이 양호한 에피택셜 성장층이 얻어지는 것이 판명되었다.
(실시 형태 2)
실시 형태 1에서는 SiC 벌크 기판의 표면 상태의 어닐 온도 의존성에 대해 상술하였다. 일반적으로, 어닐 처리에서는, 어닐 온도 T1과 처리 시간 t가 중요한 팩터로 된다. 즉, 웨이퍼에 대한 어닐 처리의 효과는 이러한 2개의 파라미터를 동시에 고려해야 한다. 일반적으로, 보다 높은 어닐 온도 T1에서 장시간 처리할수록, 열처리의 정도가 크다고 말할 수 있다. 즉, 어닐 온도 T1과 어닐 시간 t의 곱, T1×t가 열처리의 정도를 직접적으로 나타내고 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 표 1의 실험 결과도 어닐 온도 T1에 따라 최적인 처리 시간 t는 변화되는 것을 시사하고 있다. 즉, 원칙으로서, 어닐 온도 T1이 고온으로 될수록, 처리 시간 t는 짧은 쪽이 결함 밀도는 저감하는 경향이 있다.
처리 시간 t에 대해서는 단지 처리 시간 자체를 적용하면 좋지만, 어닐 온도 T1에 대해서는, 실제의 어닐 온도를 그대로 적용하기보다, 어닐 효과가 발현하는 온도를 오프셋 온도 To로서 표준화 온도를 도입하는 쪽이 보다 바람직하다. 즉, (T1-To)×t가 열처리의 정도를 나타낸다고 생각한다. 이와 관련하여, 단위는 K·s로 된다.
도 12에, 표 1의 각 어닐 온도 T1, 처리 시간 t에 대해 표준화 온도×시간, 즉, (T1-To)×t를 계산하여 가로축으로 하고, 각 조건에서의 결함 밀도를 세로축으로 한 결과를 나타낸다. 또, 오프셋 온도 To는 어닐 효과가 발현되는 가장 낮은 어닐 온도인 1525℃로 하였다.
도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, (T1-To)×t가 0~21000K·s의 범위에서 3.3개/㎠ 이하라고 하는 실용 레벨의 결함 밀도의 웨이퍼가 얻어지고 있다. 500~13500K·s의 범위에서는, 2.6개/㎠ 이하라는 더 적합한 결과로 된다.
이러한 파라미터를 도입하여 바람직한 범위를 찾아내면, 모든 처리 조건에 대해 망라적으로 실험하지 않아도, 상술한 표 1 정도의 실험값으로부터 어닐 온도 T1을 바꾼 경우의 적합한 처리 시간 t, 혹은 일정한 처리 시간 t로 하고자 하는 경우의 적합한 어닐 온도 T1을 즉시 찾아낼 수 있다고 하는 효과가 있다.
(실시 형태 3)
실시 형태 1, 실시 형태 2에서는 에피택셜 웨이퍼의 표면 상태의 어닐 온도 의존성, 결함 밀도의 어닐 온도 T1 및 어닐 시간 t의 의존성에 대해 상술하였다. 즉, 결함 밀도가 낮고, 표면 평탄성이 양호한 고품질의 에피택셜 성장층을 얻기 위한 수법에 대해 설명하였다.
한편, 실제의 디바이스에서는, 에피택셜 웨이퍼가 고품질인 지표로는, 상술한 결함 밀도와 표면 평탄성에 부가하여, 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도가 작은 것이 중요해진다.
여기서, 「N형 잔류 불순물」이란, 에피택셜 성장시에, 에피택셜 성장층 내에 의도하지 않게 포함되어 버리는 N형의 불순물을 가리키고 있다. N형 잔류 불순물은, 예를 들면, CVD 장치 내부에 잔존하고 있는 공기 중의 질소나, CVD 장치 내부에 배치된 단열재 등으로부터 배출되는 가스 등에 기인한다.
N형 잔류 불순물 농도가 높으면, 에피택셜 성장층 내에 의도적으로 불순물을 도핑할 때에, 도핑하는 불순물 농도의 제어가 곤란하게 된다고 하는 문제가 있다. 예를 들면, 에피택셜 성장층 내에, 의도적으로 N형의 불순물을 1017㎝-3대 이하로 도핑하고자 할 때에, N형 잔류 불순물 농도가 1016㎝-3대인 경우, 에피택셜 성장층으로의 도핑 농도를 제어하는 것은 곤란하다.
즉, 에피택셜 웨이퍼가 고품질이기 위해서는, 저결함 밀도 또한 표면 평탄성이 양호하고, 또, N형 잔류 불순물 농도가 예를 들면 2×1016㎝-3 이하라는 낮은 것이, 디바이스용의 에피택셜 웨이퍼로서 적합하다고 말할 수 있다. 그 때문에, 본 발명자 등은, 상술한 에피택셜 성장 및 그 표면 상태의 원자 스케일에서의 평가, 결함 밀도의 계수에 부가하여, 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도의 평가를 반복하여 행하였다.
N형 잔류 불순물 농도를 평가하기 위해서, 예를 들면 CVD 장치 내에 질소를 공급하는 등의 에피택셜 성장층 내로 의도적으로 불순물 도핑하는 행위를 행하지 않고 에피택셜 성장을 행하였다. 의도한 도핑을 행하고 있지 않기 때문에, 형성된 에피택셜 성장층에 포함되는 N형의 불순물은 모두 잔류 불순물이다. 따라서, 이렇게 해서 형성된 에피택셜 성장층의 N형의 불순물 농도를 평가하는 것에 의해서, N형 잔류 불순물 농도를 평가할 수 있다.
N형 잔류 불순물 농도의 평가는 이른바 C-V 측정에 의해서 행하였다. C-V 측정이란, 에피택셜 웨이퍼에 전압을 인가하여, 전기 용량을 측정하는 것에 의해, 에피택셜 웨이퍼 중의 불순물 농도를 평가할 수 있는 수법이다.
상술한 수법에 의해 N형 잔류 불순물 농도를 평가하는 실험을 반복하여 행한 결과, <0001>면으로부터의 오프각이 5도보다 작은 SiC 벌크 기판인 경우, 에피택셜 성장에 관련되는 주된 실험 파라미터 중, 특히, 에피택셜 성장시에 공급하는 전체 원료 가스 중의 탄소 원자와 실리콘(규소) 원자의 원자수비(이하 「C/Si비」 또는 「C/Si」라고 함)를 정밀하게 제어하는 것이, 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도를 제어하기 위해서 중요하다고 하는 것을 알았다. 이하에서 이 실험 결과에 대해 상세하게 설명한다.
에피택셜 웨이퍼를 제조하는 공정의 흐름은 상술한 실시 형태 1과 마찬가지이다. 즉, 우선, SiC 벌크 기판에 대해서, CMP 처리 공정, 웨트 약액 세정 공정을 행한 후, SiC 벌크 기판을 CVD 장치의 반응로 내로 도입한다. 그리고, 환원성 가스 분위기 중에서의 어닐 온도 T1, 어닐 시간 t에서의 고온 어닐 처리 공정을 행하고, 기판 온도의 강온 공정 후, 소정의 결정 성장 온도 T2에 도달하고 나서, 원료 가스의 공급의 개시에 의해서, 에피택셜 성장을 개시한다. 여기서는, 어닐 온도 T1은 1575℃, 어닐 시간 t는 180초, 결정 성장 온도 T2는 1450℃로 하고, 에피택셜 성장층의 두께는 6㎛로 하였다.
다음으로, 저온 에피택셜 성장 공정에서의 원료 가스의 공급 조건에 대해 설명한다. 수소로 90% 희석된 실란(즉, 수소:실란=9:1의 혼합 가스)의 유량은 90sccm으로 일정하게 하였다. 한편, 프로판의 가스 유량은 1.8sccm(C/Si=0.6), 2.4sccm(C/Si=0.8), 3.0sccm(C/Si=1.0), 3.6sccm(C/Si=1.2), 4.2sccm(C/Si=1.4)으로 하여, 각각 에피택셜 성장을 행하였다. 여기서, 실란 가스 유량을 일정하게 하고 있기 때문에, 프로판 가스 유량의 변화에 따라 C/Si비는 변화된다. 또, 여기서 「실란」은 이른바 「모노실란」을 사용하였다.
상술한 조건에서 프로판 가스 유량을 변화시켜, 즉, C/Si비를 변화시켜 에피택셜 성장을 행하여 얻어진 에피택셜 웨이퍼는 모두 에피택셜 성장층 표면의 결함 밀도가 0.7개/㎠ 이하였다. 또한, 각각의 에피택셜 웨이퍼의 에피택셜 성장층의 표면을 원자간력 현미경으로 관찰하였는 바, 모든 에피택셜 웨이퍼에 스텝 번칭은 존재하지 않았다. 이것에 의해, 모든 에피택셜 웨이퍼에 대해서, 결함 밀도가 지극히 낮은 것과, 에피택셜 성장층의 표면 평탄성이 양호하다는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로, C-V 측정에 의해, 상술한 에피택셜 웨이퍼의 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도를 조사한 결과에 대해 설명한다. 도 13은 상술한 실험에서의 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도의 C/Si비 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 13에 나타내는 바와 같이, C/Si비를 0.45 이상이라고 하면, N형 잔류 불순물 농도가 2×1016㎝-3 이하로 되어, 전기적 특성상의 고품질화를 실현할 수 있는 것을 알았다. 또, C/Si비를 1.17 이상으로 하면, N형 잔류 불순물 농도를 1×1014㎝-3 이하로 할 수 있다.
한편, C/Si비를 더 상승시켜, C/Si=1.4로서 에피택셜 성장층을 형성한 경우에서는, C-V 측정에 이용한 장치의 측정 한계에 이르렀기 때문에, 측정이 불가능하였다.
따라서, 바람직하게는, C/Si비를 0.45 이상 또한 1.4 미만, 더 바람직하게는, C/Si비를 1.17 이상 또한 1.4 미만이라고 하면, N형 잔류 불순물 농도가 낮은 고품질의 에피택셜 성장층을 얻을 수 있다. 또, 이 실험에서는 측정은 불가능했지만, C/Si비를 1.4 이상으로 하면 N형 잔류 불순물 농도가 더 낮아질 가능성이 있다.
본 발명의 실시 형태 3에서는, 이상과 같이, 에피택셜 성장시에 공급하는 전체 가스 중에 포함되는 탄소 원자수와 실리콘 원자수의 비, 즉, C/Si비를 0.45 이상 또한 1.4 미만으로 한 것에 의해, 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도를 2×1016㎝-3 이하로 할 수 있다. 이것은, 예를 들면, 에피택셜 성장층 내에, 의도적으로 N형의 불순물을 1017㎝-3대 이하로 도핑하고자 할 때에 특히 유효하다.
또한, 본 발명의 실시 형태 3에서는, C/Si비를 1.17 이상 또한 1.4 미만으로 한 것에 의해, 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도를 1×1014㎝-3 이하로 할 수 있다. 이것은, 예를 들면, 고내압 디바이스용으로, 에피택셜 성장층 내에, 의도적으로 N형의 불순물을 1015㎝-3대 이하로 도핑하고자 할 때에 특히 유효하다.
(실시 형태 4)
상술한 실시 형태 3에서는, 공급하는 원료 가스의 C/Si비를 변화시켜 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도를 저감하는 수법에 대해 설명하였다. 한편, N형 잔류 불순물 농도는, 에피택셜 성장시의 결정 성장 온도 T2에도 의존하기 때문에, 본 발명의 실시 형태 4에서는, 결정 성장 온도 T2를 변화시켜 에피택셜 성장층을 형성하고, N형 잔류 불순물 농도를 조사한 실험 결과에 대해 설명한다.
에피택셜 웨이퍼를 제조하는 공정의 흐름은 상술한 실시 형태 1 및 실시 형태 3과 마찬가지이다. 즉, 우선, SiC 벌크 기판에 대해서, CMP 처리 공정, 웨트 약액 세정 공정을 행한 후, SiC 벌크 기판을 CVD 장치의 반응로 내로 도입한다. 그리고, 환원성 가스 분위기 중에서의 어닐 온도 T1, 어닐 시간 t에서의 고온 어닐 처리 공정을 행하고, 기판 온도의 강온 공정 후, 소정의 결정 성장 온도 T2에 도달하고 나서, 원료 가스의 공급의 개시에 의해서 에피택셜 성장을 개시한다. 여기서는, 어닐 온도 T1은 1575℃, 어닐 시간 t는 180초로 하였다.
다음으로, 저온 에피택셜 성장 공정에서의 조건에 대해 설명한다. 수소로 90% 희석된 실란(즉, 수소:실란=9:1의 혼합 가스)의 유량을 90sccm, 프로판의 가스 유량을 2.4sccm, 즉, C/Si비를 0.8로 하였다. 그리고, 결정 성장 온도 T2를 1450℃, 1463℃, 1475℃로서 각각 에피택셜 성장을 행하였다.
다음으로, C-V 측정에 의해, 상술한 에피택셜 웨이퍼의 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도를 조사한 결과에 대해 설명한다. 도 14는 상술한 실험에서의 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도의 결정 성장 온도 T2 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 결정 성장 온도 T2를 1325℃ 이상으로 하면, N형 잔류 불순물 농도가 2×1016㎝-3 이하로 되는 것을 알 수 있다.
한편, 결정 성장 온도 T2를 더 상승시켜 1500℃ 이상으로 하면, 에피택셜 성장층 표면에 스텝 번칭이 표면화되어 버렸다.
따라서, 결정 성장 온도 T2를 1325℃ 이상 또한 1500℃ 미만으로 하는 것에 의해, 낮은 결함 밀도와 양호한 표면 평탄성을 갖고, 또 낮은 N형 잔류 불순물 농도를 갖는 에피택셜 성장층을 얻을 수 있다.
따라서, 상술한 실시 형태 1~3과 본 실시 형태 4로부터, 벌크 기판에 대해, 환원성 가스 분위기 중에서의 어닐 온도 T1, 어닐 시간 t에서의 고온 어닐 처리 공정, 기판 온도의 강온 공정 후, 소정의 결정 성장 온도 T2에 도달하고 나서, 에피택셜 성장을 개시하고, 에피택셜 성장시에 공급하는 원료 가스의 C/Si비를 0.72 이상 1.4 미만 또한 결정 성장 온도 T2를 1325℃ 이상 1500℃ 미만으로 하는 것에 의해, 낮은 결함 밀도와 양호한 표면 평탄성을 갖고, 또 낮은 N형 잔류 불순물 농도를 갖는 에피택셜 성장층을 얻을 수 있는 것을 알았다.
본 발명의 실시 형태 4에서는, 이상과 같이, 결정 성장 온도 T2를 1325℃ 이상 또한 1500℃ 미만으로 한 것에 의해, 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도를 2×1016㎝-3 이하로 할 수 있다. 이것은, 예를 들면, 에피택셜 성장층 내에, 의도적으로 N형의 불순물을 1017㎝-3대 이하로 도핑하고자 할 때에 특히 유효하다.
또, 필요에 따라, 에피택셜 성장 시에, C/Si비, 결정 성장 온도 T2, 혹은 성장 속도 등, 실험 파라미터를 적절히 조합하더라도 좋으며, 그 경우는, N형 잔류 불순물 농도가 보다 낮은 에피택셜 성장층을 얻을 수 있다.
(실시 형태 5)
우선, 본 발명의 실시 형태 5에서의 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 15는 본 발명의 실시 형태 5에서의 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판의 제조 순서를 나타내는 흐름도이다.
또, SiC 결정에는 폴리타입이라고 불리는 특유의 주기성이 존재한다. 즉, 화학량론비적 조성은 Si와 C로 1대1이고, 또한, 결정 격자가 육방 최밀 충전 구조이더라도, 본 구조에서의 c축을 따라 원자 배열에 별종의 주기성이 존재하고, 이 원자 스케일에서의 주기 및 결정 격자의 대칭성에 의해서 SiC의 물성은 규정된다. 현재 디바이스 응용의 관점으로부터 가장 주목을 받고 있는 것은 4H-SiC라고 불리는 타입이다. 4H-SiC를 이용한 파워 디바이스에서는, 주로 원재료비를 저감한다고 하는 관점에서, <0001>면으로부터 <11-20> 방향으로 5도 정도보다 작은 각도로 경사시키고, 또한, Si 원자가 C 원자에 비해 보다 안정하게 배치할 수 있는 면을 표면으로 하는 에피택셜 웨이퍼를 이용하는 것이 주류이다.
따라서, 여기서는, 4H-SiC 타입에서, <0001>면으로부터 <11-20> 방향으로 5도 정도보다 작은 각도로 기울인 사양의 SiC 벌크 기판을 제조하여 사용한다. 그러나, 경사 방향은 <11-20> 방향으로 엄밀하게 한정되는 것이 아니며, 다른 방향으로 경사진 사양이라 하더라도 좋다.
우선, 도가니(crucible) 내에 종결정(ceed crystal)과 원료를 대향 배치하고, 원료측이 상대적으로 고온으로 되도록 양자를 가열하여, 승화법에 의해 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시키고, 4H-SiC로 이루어지는 SiC 잉곳을 제조한다(S1). 다음으로, SiC 잉곳의 외주를 연삭 가공하는 것에 의해, SiC 잉곳의 형상을 원통 형상으로 형성한다(S2). 여기서, 기판의 면 방위를 기정(旣定)하기 위한 이른바 오리엔테이션 플랫(orentation flat) 등의 가공을 실시해 둔다. 다음으로, 와이어 소(wire saw)나 와이어 방전 가공 등에 의해, SiC 잉곳을 평판 형상으로 절단한다(S3). 다음으로, 평판 형상으로 절단한 SiC 벌크 기판의 표면 및 이면을 연삭 및 기계 연마 등에 의해 평탄화한다(S4). 여기서, 기판의 크랙(crack)을 방지하기 위해 베베링(beveled) 가공을 외주(外周)에 실시해 둔다.
이상의 공정에 의해서 제조된 SiC 벌크 기판의 표면에는 기계 연마에 수반하는 손상 등이 존재하고, 이것이 기점으로 되어 에피택셜 성장시에 결함이 형성되기 때문에, 이상의 공정만으로는 양호한 SiC 에피택셜 웨이퍼를 얻기에는 불충분하다.
다음으로, SiC 벌크 기판을, 기계 연마 및 산성 또는 알칼리성을 나타내는 약액을 이용하여 화학 기계 연마(CMP)에 의해 평탄화 처리한다(S5). 그리고, CMP 처리 후의 SiC 벌크 기판을 아세톤 등을 이용하여 초음파 세정을 실시하고, 표면에 부착된 유기물을 제거한다. 또, 황산과 과산화수소수를 체적 비율로 5:1로 혼합하여 약 130℃(±5℃)로 가열한 혼합 용액 중에 SiC 벌크 기판을 침지하는 것에 의해, 주로 금속 부착물을 제거한다. 그리고, 왕수에 의해 잔류 금속 부착물을 제거한다.
다음으로, 이 SiC 벌크 기판에 대해, RCA 세정이라 불리는 웨트 약액 세정을 행한다(S6). 즉, 75℃(±5℃)로 가열한 암모니아수와 과산화수소수의 혼합 용액(1:9) 내에 10분간 담근 후, 75℃(±5℃)로 가열한 염산과 과산화수소수의 혼합 용액(1:9)에 담근다. 또, 체적 비율로 5% 정도의 불산을 포함하는 수용액에 담근 후, 순수(純水)에 의해 치환 처리를 실시하여, SiC 벌크 기판에 대한 표면 세정을 행한다. 그러나, 상술한 일련의 웨트 약액 세정에 의해서도, SiC 벌크 기판 표면은 다른 예컨대 실리콘 등의 반도체 재료와 같이는 청정하게는 안된다. 이것은, SiC 결정에서의 원자간력이 종래의 반도체의 원자간력에 비해 현저하게 강하기 때문에, SiC 벌크 기판 표면을 균일하게 용해하는 약액을 아직도 찾아내지 못했기 때문이다.
도 16은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 웨트 약액 세정 공정 후의 SiC 벌크 기판의 표면에 대한 암시야 조건 하에서의 광학 현미경 이미지이다. 후술하지만, 도 16에서 실선으로 둘러싸인 영역에서는, 에피택셜 성장 후, 삼각 결함이 확인되고, 한편, 파선으로 둘러싸인 영역에서는 캐럿 결함이 관측되었다. 파선으로 둘러싸인 영역에서는 비교적 강한 발광을 볼 수 있고, 실선으로 둘러싸인 영역 내 혹은 영역 외의 근방에서 비교적 약한 발광을 볼 수 있다. 또, 지극히 강한 발광 영역은 이면의 요철을 반영한 것이다. 또한, 상세하게 관찰하면 보다 작은 점 형상의 발광이 확인되지만, 이들 부위는 이후의 결과에 영향을 미치지 않는다. 이러한 관찰법은 표면 상태에 민감하기 때문에, 이러한 관찰로부터 SiC 벌크 기판 표면에 어떠한 미소한 입자가 부착되어 있는 것을 알 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 웨트 약액 세정 공정 후의 SiC 벌크 기판의 표면에 존재하는 SiC 더스트의 주사형 전자 현미경 이미지이다. 도 17로부터 명확한 바와 같이, 상기 미소 발광 영역에 존재하는 이물은 예각 형상을 나타내고 있고, 그 크기는 적어도 마이크로 미터 스케일인 것을 판별할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 도 17 중의 정방형으로 둘러싸인 영역에 대해 에너지 분산형 X선 분석을 행한 결과를 나타내는 스펙트럼이다. 도 18에서, 세로축은 스펙트럼 강도, 가로축은 에너지를 나타내고 있다. 도 18 중, 탄소 및 실리콘으로부터의 피크가 강하고, 이러한 상대 강도로부터 판단하면, 이 부착물은 화학량론비가 1대1의 SiC로 이루어지는 것을 알았다. 즉, 상술한 여러 가지의 세정을 행했음에도 불구하고, SiC 벌크 기판 표면에는 아직도 SiC 더스트가 부착되어 있는 것이 판명되었다.
도 19는 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 도 16과 동일한 영역을 에피택셜 성장 후에 관찰한 명시야 조건 하에서의 노마스키 미분 간섭 광학 현미경 이미지이다. 여기서, 에피택셜 성장은 SiC 벌크 기판의 온도를 1475℃로 하여 행하였다. 이하, 본 발명에 이르는 과정에서 얻어진 실험 결과에서의 각 처리 온도를 상세하게 기술하지만, 이러한 처리 온도의 표시값은 측정 방법에 강하게 의존한다. 그래서, 본 발명에 있어서의 온도의 측정은 원칙적으로 고온계로의 측정값으로 통일하고 있다. 이와 관련하여, 다른 측정 방법으로 온도를 측정한 경우는, 고온계로 동시에 측정한 값과의 오프셋값을 계산하여 조정하면 좋다.
도 19로부터 명백한 바와 같이, 도 16에서 파선으로 둘러싸인 영역의 근방에는 캐럿 결함이, 실선으로 둘러싸인 영역의 근방에는 삼각 결함이라고 하는 전류 리크 결함이 형성되어 있는 사실을 본 발명의 발명자 등이 처음으로 찾아냈다. 또, 도 16에서의 비교적 약한 발광을 볼 수 있던 위치와 도 19에서 삼각 결함을 볼 수 있던 위치가 반드시 완전하게 대응하지 않고, 100㎛ 오더로 어긋나 있는 개소를 복수 볼 수 있지만, 이것은, 후술하는 과정에 의해서, 실질적으로 이동하는 것을 명확하게 나타내는 것이다.
또한, 이러한 결함이 존재하는 영역을 파워 디바이스가 포함한 경우, 고전계 인가시에 리크 전류가 생기는 것이 일반적으로 알려져 있다. 즉, 이러한 결함의 존재는 소자 양품률을 대폭 저하시키는 직접적 요인으로 된다. 따라서, 이러한 결함을 제거하지 않으면, 균일성이 양호하고 파워 디바이스 제작에 적합한 에피택셜 성장층은 도저히 얻을 수 없다.
이러한 각종 결함의 요인으로 되는 SiC 더스트를 제거하기 위해서, 본 발명의 발명자 등이 여러가지 실험을 시행 착오하면서 반복하여 행한 결과, 이하에 상술하는 일련의 공정이 가장 효율적으로 SiC 더스트를 제거할 수 있다는 새로운 지견을 얻었다. 이하에, 본 발명의 특징인 SiC 더스트 제거의 공정을 설명한다.
우선, 예를 들면 SiC막에 의해서 코팅된 그라파이트제의 기판 홀더 상에 SiC 벌크 기판을 탑재하고, 반응로 내에 설치한다(S7). 그리고, 반응로 내에 잔존하는 의도하지 않은 분자 혹은 원자 형상의 불순물이 악영향을 주는 것을 억제하기 위해서, 반응로 내를 약 1×10-7㎪ 정도로까지 진공 흡인을 행한다.
도 20은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 SiC 벌크 기판의 온도의 시간 변화 및 가스 시퀀스를 나타내는 도면이다. 도 20에서, 세로축은 온도, 가로축은 시각을 나타내고 있다. 다음으로, 도 20에 나타내는 온도 프로파일 및 가스 시퀀스로 SiC 벌크 기판을 처리한다.
우선, 반응로 내에 환원성 가스로서 예를 들면 수소 가스를 도입한다. 단, 환원성 가스는 수소 가스에 한정되지는 않는다. 환원성 가스가 도입되어, 기판 표면에 환원성 가스종이 접하는 설정 하에서, 진공도가 예를 들면 25㎪ 정도로 일정하게 유지되도록 반응로의 압력을 제어한다. 또, 본 발명의 실시 형태 1에서는 상기 압력 하에서의 실험예를 상술하지만, 일반적으로, 반응로의 구조·형상의 상위(相違) 등에 의해, 반응로마다 적합한 압력은 변화될 수 있는 것이며, 이러한 상위를 가미하면, 1㎪ 내지 70㎪의 범위 내에서의 감압 분위기로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 1㎪보다 압력이 낮으면, 후술하는 환원성 가스에 의한 치환 반응 효율이 저하하고, 또한, 70㎪보다 높으면 벌크 기판에 대한 에칭이 지배적으로 되어, 그 후, 이 SiC 벌크 기판 상으로의 성장에 의해 얻어지는 에피택셜 성장층의 표면의 평탄성이 악화되기 때문이다.
그리고, 고주파 유도 전류에 의해서 주로 기판 홀더를 가열하는 것에 의해, SiC 벌크 기판을 소정의 처리 온도 T1까지 가열한다. 온도 T1을 예를 들면 1550℃ 이상의 상대적으로 높은 온도로 설정하고, 환원성 가스 분위기에서 처리 시간 t 동안 유지한다(S8).
다음으로, 환원성 가스 분위기 중에서, 동일 압력을 유지하면서 SiC 벌크 기판의 온도를 강온시킨다. 여기서, 환원성 가스의 비용의 관점에서, SiC 벌크 기판의 온도가 실온에 도달하기 전에 환원성 가스의 공급을 정지하는 것이 유리하다. 따라서, SiC 벌크 기판의 온도를 온도 T1보다 낮은 소정의 온도 T3까지 강온한 시점에서(S9), 환원성 가스의 공급을 정지하고(S10), 그 후 또 SiC 벌크 기판의 온도를 온도 T3보다 낮은 실온까지 강온시킨다(S11). 이상에 의해, 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판이 완성된다.
이러한 고온 어닐 처리를 행하지 않는 경우, 에피택셜 성장을 행하면, 캐럿 결함 및 삼각 결함 등의 전류 리크 결함 밀도가 적어도 10개/㎠ 이상의 고밀도로 발생하는 것을 알고 있다.
상술한 바와 같이, 캐럿 결함 및 삼각 결함의 주된 발생 원인은, SiC 벌크 기판에 부착된 SiC 더스트에 의하는 것이기 때문에, SiC 벌크 기판 자체에 데미지를 주지 않게 SiC 더스트를 선택적으로 제거하기 위해서는, SiC 벌크 기판 상에 화학적으로 흡착하고 있는 SiC 더스트를 환원성 가스 분위기 하에서 어닐하는 처리가 지극히 효과적이다.
즉, 이 SiC 더스트는 상술한 약액 처리의 마지막에 사용되는 불산 용액 중에서, SiC 벌크 기판 상에 부착된 것이라고 추측된다. 불산 처리는, 본래는 SiC 표면의 산화막을 제거하기 위한 것이다. 따라서, 불산 용액 중에서는, SiC 벌크 기판과 부착한 SiC 더스트는 양자 모두 산화막은 형성되지 않는다. SiC 벌크 기판을 불산 용액 중으로부터 대기 중으로 노출시키면, 즉시, 양자의 표면에 대한 산화가 개시된다. SiC 더스트의 형상으로부터 판단하여 SiC 더스트 표면은 원자 레벨에서는 평탄하지 않기 때문에, SiC 더스트와 SiC 벌크 기판은 얇은 산화막을 거쳐서 부착되어 있는 것이라고 추측된다. 따라서, SiC 벌크 기판에 데미지를 주지 않도록 하면서, SiC 더스트를 선택적으로 기판 표면으로부터 제거하기 위해서는, 환원성 가스 중에서의 어닐 처리에 의해, 양자의 산화막을 제거한 후에, 환원성 가스에 포함되는 예를 들면 수소 원자에 의해서, 양자의 표면을 수소 치환함으로써 표면을 안정화하는 처리가 지극히 유효하다. 이러한 처리에 의해서, 양자의 표면은 서로 수소 종단되고, 양자 사이에 전기 화학적인 척력이 생겨서, 가스류 자체에 의해서 SiC 더스트가 SiC 벌크 기판 표면으로부터 가스의 하류측으로 이동될 수 있기 때문이다. 이 결과, SiC 벌크 기판 표면에 부착되어 있던 SiC 더스트는 SiC 벌크 기판에 어떠한 데미지를 주는 일없이 제거된다.
단, 환원성 가스의 공급을 정지하는 온도 T3이 너무 높으면 SiC 벌크 기판의 표면 원자가 환원성 가스에 포함되는 예를 들면 수소 원자 이외의 것으로 종단되거나 혹은 표면 당링 본드(surface dangling bond)의 형성에 수반하여 산화층이 형성된다. 이러한 것을 회피하는 것을 감안하면, 환원성 가스의 공급을 정지할 때의 SiC 벌크 기판의 온도 T3은, 900℃ 이하인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 300℃ 이하가 좋다. 300℃ 이하가 바람직한 것은, SiC 벌크 기판의 표면 원자가 환원성 가스에 포함되는 예를 들면 수소 원자로 종단되는 효과를 철저화할 뿐만 아니라, 효율적으로 기판 제조를 행하기 위해, 기판 온도의 저하 속도를 높여, 단시간에 효율적인 강온을 실현할 수 있기 때문이다.
또, 강온 공정에 필요로 하는 시간은 짧은 쪽이 바람직하다. 강온 공정에 필요로 하는 시간이 긴 경우, 반응로 내부에 부착·잔존하고 있는 SiC 더스트 등이 상술한 어닐 처리 공정에 의해서 청정화된 SiC 벌크 기판의 표면에 새롭게 부착하여, 에피택셜 성장시에서의 이상 성장핵으로 되어 전류 리크 결함을 형성하는 일이 있기 때문이다.
본 발명의 발명자 등이 여러 가지 조건 하에서 실험을 반복한 결과, 상술한 수소 치환이 효율적으로 생기는 어닐 온도는 1525℃ 이상인 것이 판명되었다. 즉, 1525℃가 어닐 효과가 효과적으로 발현하는 가장 낮은 어닐 온도라고 말할 수 있다. 이하에, 온도 T1을 변화시켜 어닐 처리를 한 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판에 에피택셜 성장을 행하여, 캐럿 결함 및 삼각 결함의 밀도를 조사한 실험 결과에 대해 설명한다.
도 21은 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 어닐 처리 후에 에피택셜 성장을 행하는 실험에 이용한 SiC 벌크 기판의 온도의 시간 변화 및 가스 시퀀스를 나타내는 도면이다. 상술한 설명에서는 어닐 처리 공정 후에 실온까지 SiC 벌크 기판의 온도를 강온한다고 했지만, 어닐 처리 공정 후에 1번 실온까지 강온하고 나서 에피택셜 성장을 행하는 온도까지 가열하여 에피택셜 성장을 행하더라도, 실온까지 강온하는 일없이 에피택셜 성장을 행하는 온도로 설정해서 에피택셜 성장을 행하여도, 결과에는 영향을 주지 않는다. 따라서, 여기서는, 시간 단축을 위해, 도 21에 나타내는 바와 같이 어닐 처리 후에 실온까지 강온하는 일없이 에피택셜 성장을 행하는 온도로 설정하여 에피택셜 성장을 행하였다.
잉곳 제조 공정으로부터 어닐 처리 공정까지는 상술한 바와 같다. 어닐 처리 공정 후, 환원성 가스의 공급을 정지하는 일없이, SiC 벌크 기판의 온도를 에피택셜 성장하는 온도 T2까지 강온하고, 그 후 실란(SiH4)이나 프로판(C3H8)이라고 하는 원료 가스의 공급을 개시한다. 원료 가스의 공급 개시에 의해서 에피택셜 성장이 개시된다. SiC 벌크 기판의 온도는 에피택셜 성장 동안은 온도 T2로 일정하게 유지되어 있다. 또, 여기서는, SiC 벌크 기판의 온도가 에피택셜 성장을 행하는 온도 T2까지 내리고 나서 원료 가스를 공급하는 경우를 나타냈지만, 전체의 처리 시간을 단축하기 위해, SiC 벌크 기판의 온도가 T2에 이르기 전에 원료 가스의 공급을 개시하더라도 좋다.
소정의 두께의 에피택셜 성장층이 형성된 후, 원료 가스의 공급을 정지한다. 그리고, SiC 벌크 기판 상에 에피택셜 성장층이 형성된 SiC 에피택셜 웨이퍼의 온도를 실온까지 강온하고, 환원성 가스의 공급을 정지한다. 환원성 가스의 공급은 상술한 온도 T3에 이른 시점에서 정지하더라도 좋다.
또, 상술한 바와 같이, 어닐 처리 공정은 SiC 에피택셜 성장용의 CVD 장치 내에서 행하는 것도 가능하지만, CVD 장치 내부에 부착·잔존하는 SiC 더스트 등이, 고온 어닐 처리에 의해서 청정화된 SiC 벌크 기판의 표면에 새롭게 부착하여, 에피택셜 성장 단계에서의 이상 성장핵으로 되어, 새로운 전류 리크 결함을 형성한다고 하는 문제가 생기는 경우가 있다.
특히 문제로 되는 것은, SiC 벌크 기판에 대해, 환원성 가스 혹은 원료 가스 등이 유입되는 방향 및, SiC 벌크 기판과 대향하는 상면(上面)의 가열 영역을 구성해 있는 부재, 예를 들면 기판 홀더 및 서셉터 등의 표면에 부착한 SiC 더스트이다. 이러한 SiC 더스트는, SiC 벌크 기판 상으로의 SiC의 에피택셜 성장시에, 상기 부재의 표면에 동시에 형성되어 부착되는 것에 의해서 발생한다. 따라서, SiC 더스트의 형성 자체를 억제하는 것은 매우 곤란하다. 또한, 에피택셜 성장을 행할 때마다, 이러한 부재를 모두 교환하는 것은 제조 비용의 관점에서 불리하다. 따라서, 에피택셜 웨이퍼의 제조를 반복하여 행함에 따라, CVD 장치 중에서 가열되는 부재에 부착되는 SiC 더스트가, 어닐 처리 공정에 의해서 일단은 청정화된 SiC 벌크 기판 표면에 부착되므로, 어닐 처리 공정과 에피택셜 성장 공정은 다른 장치에서 행하는 것이 바람직하다.
여기서, 도 21에 나타내는 온도 프로파일 및 가스 시퀀스에서, 어닐 처리를 행하는 온도 T1을 1525℃로부터 1600℃까지 25℃씩 변화시키고, 또한, 어닐 처리 시간 t를 10초, 180초, 420초로 각각 처리한 경우에 대해, 광학 현미경에 의한 표면 관찰에서 관측·계수하여 산출한 캐럿 결함 및 삼각 결함 밀도의 총합을 표 2에 나타낸다. 다른 조건으로서는, 에피택셜 성장을 행한 온도 T2는 1475℃, 원료 가스의 유량은 수소로 90% 희석된 실란이 90sccm, 프로판이 2.4sccm이고, 에피택셜 성장층의 두께는 6㎛였다.
Figure pct00002
어닐 온도 T1을 1525℃로 한 경우, 어닐 처리 시간 t가 420초에서 결함 밀도는 3.1개/㎠로 되고, 상기 어닐 공정을 행하지 않은 경우에 대해 3분의 1 이하로 저감되었다. 어닐 온도 T1을 1550℃로 한 경우, 어닐 처리 시간 t가 180초 이상에서 이들 결함 밀도가 3개/㎠ 이하로 되었다. 또한, 어닐 온도 T1을 1575℃로 한 경우, 어닐 처리 시간 t가 180초에서 0.7개/㎠라고 하는 결과로 되었다. 어닐 온도 T1을 1600℃로 한 경우, 어닐 처리 시간 t가 10초에서는 0.83개/㎠, 180초에서는 2.6개/㎠라고 하는 양호한 결과가 얻어졌지만, 420초에서는 30개/㎠ 이상으로 급격하게 악화되었다.
어닐 온도 T1의 고온화에 수반하여, 비교적 단시간에 이러한 결함의 저밀도화가 실현되는 것은, 화학 반응이 고온으로 가속한다고 하는 일반적인 지견과 일치한다. 단, 어닐 온도 T1이 1600℃에서는, 어닐 처리 시간 420초에서 삼각 결함이 고밀도화되었다. 이것은, SiC 더스트의 이탈에 부가하여, 환원성 가스에 의한 SiC 벌크 기판 표면으로의 에칭이 지배적으로 되었기 때문이라고 생각된다. 즉, 환원성 가스에 의한 SiC 벌크 기판의 에칭이 과잉으로 되어, SiC 드롭렛이 형성되는 것, 혹은 SiC 더스트 자체도 SiC 벌크 기판 상에서 일부 융해되어 SiC 벌크 기판과 일체화되는 것 등을 통해, CMP 가공에서 얻어진, 우수한 평탄성이 국소적으로 악화되는 결과, 이들이 새로운 이상 성장핵으로 되기 때문이다.
따라서, 작업 시간 효율의 관점에서는, 어닐 온도 T1은 1550℃ 이상이 바람직하고, 더 바람직하게는 1575℃ 이상이 좋다. 어닐 온도 T1이 1550℃에서는 어닐 처리 시간 t는 420초 이상이 좋다. 어닐 온도 T1이 1575℃에서는, 어닐 처리 시간 t는 420초 이하, 더 바람직하게는 180초로 하는 것이 좋다. 어닐 온도 T1이 1600℃에서는 어닐 처리 시간 t는 180초 미만으로 10초 정도가 바람직하다. 일련의 실험 결과가 나타내는 바와 같이, 어닐 온도 T1을 고온화함에 따라, 어닐 처리 시간 t는 단축되는 경향이 있다. 또, 여기서는, 어닐 처리 시간 t 내에서 어닐 온도 T1을 일정하게 한 경우에 대해 설명했지만, 본 공정을 단시간화하기 위해, 어닐 온도 T1에 대해, 일정하지 않고, 시간적 변화를 주어도 좋다. 이 경우, 피크 온도가 상술한 어닐 온도 T1에 대응한다.
다음으로, 상술한 도 21에 나타내는 온도 프로파일 및 가스 시퀀스를 거쳐 얻어진 SiC 에피택셜 웨이퍼의 표면의 평탄성을 조사한 결과에 대해 설명한다. 도 22는 본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 SiC 에피택셜 웨이퍼의 10㎛ 스퀘어 영역에 대한 원자간력 현미경 이미지이다. 여기서 관측을 행한 SiC 에피택셜 웨이퍼는, 어닐 온도 T1이 1550℃, 처리 시간 t가 420초인 것이다.
4H-SiC 타입의 SiC 벌크 기판에 대해 표면이 <0001>면으로부터 <11-20> 방향으로 5도 정도보다 작은 각도로 경사시키는 것에 의해서 Si 원자가 C 원자에 비해보다 안정하게 배치되는 경우에는, 에피택셜 성장하면, <11-20> 방향을 따라, 스텝 번칭이라 불리는 마이크로 미터 오더 이상의 거의 주기적인 요철이 형성되는 경향이 강하다. 스텝 번칭이 존재하는 경우, 에피택셜 성장층의 표면 근방에 전계 등에 의해서 여기되는 전기적 캐리어는, 표면에 평행한 면 내에서 스텝 번칭에 대해서 평행이 아닌 방향으로 이동하는 경우, 직접적인 전위 장벽으로 된다. 따라서, 이동도 즉 전기 전도율이 저하하여, 디바이스 특성이 악화된다. 이 때문에, 스텝 번칭이 존재하는 경우, 전기 전도도의 에피택셜 웨이퍼면 일의성이 저하하는 문제가 생긴다. 따라서, 스텝 번칭이 존재하는 경우, 에피택셜 성장층 표면 근방에 캐리어를 여기하는 MOS형 등의 디바이스에서는, 그 구체적 구조의 설계 단계 및 제조 단계에서의 자유도가 현저하게 제한된다.
본 발명의 실시 형태 5에 있어서의 어닐 처리 공정을 거친 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판 상에 에피택셜 성장을 행한 경우는, 도 22에 나타내는 바와 같이, 마이크로 미터 오더의 주기적인 요철은 보이지 않아, 스텝 번칭이 없는 평탄성이 양호한 에피택셜 성장층이 얻어진 것을 안다.
본 발명의 실시 형태 5에서는, 이상과 같이 한 것에 의해, SiC 벌크 기판 상에 부착된 SiC 더스트 등의 이물이 제거되고, 그 후, 어떠한 처리를 요하지 않고, 에피택셜 성장시에 형성되는 결함 밀도가 현저하게 낮고, 고품질인 에피택셜 성장층을 제조 가능한, 청정한 표면을 갖는 SiC 벌크 기판을 얻을 수가 있다고 하는 효과가 있다. 또, 에피택셜 성장시에 스텝 번칭이 형성되는 것을 억제할 수 있어, 평탄성이 양호한 에피택셜 성장층을 형성할 수 있다.
(실시 형태 6)
상술한 본 발명의 실시 형태 5에서는, SiC 벌크 기판의 표면 상태의 어닐 온도 의존성에 대해 상술하였다. 일반적으로, 어닐 처리에서는, 어닐 온도 T1과 처리 시간 t가 중요한 팩터로 된다. 즉, SiC 벌크 기판에 대한 어닐 처리의 효과는 이들 2개의 파라미터를 동시에 고려해야 한다. 일반적으로, 보다 높은 어닐 온도 T1에서 장시간 처리할수록, 열처리의 정도가 크다고 말할 수 있다. 즉, 어닐 온도 T1과 어닐 시간 t의 곱, T1×t가 열처리의 정도를 직접적으로 나타내고 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 표 2의 실험 결과도 어닐 온도 T1에 의해서 최적인 처리 시간 t는 변화해 가는 것을 시사하고 있다. 즉, 원칙적으로 어닐 온도 T1이 고온이 될수록, 처리 시간 t는 짧은 쪽이 결함 밀도는 저감되는 경향이 있다.
처리 시간 t에 대해서는 단지 처리 시간 자체를 적용하면 좋지만, 어닐 온도 T1에 대해서는, 실제의 어닐 온도 T1을 그대로 적용하기보다, 어닐 효과가 발현되는 온도를 오프셋 온도 To로서 표준화 온도(T1-To)를 도입하는 쪽이 보다 적절하다. 즉, (T1-To)×t가 열처리의 정도를 나타낸다고 생각한다. 이와 관련하여, 단위는 K·s로 된다.
도 23은 본 발명의 실시 형태 6에 있어서의 에피택셜 결함(에피 결함)의 밀도와 표준화 온도×시간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 23에서는, 표 2에 나타낸 각 어닐 온도 T1, 처리 시간 t에 대해 표준화 온도×시간, 즉, (T1-To)×t를 계산하여 가로축으로 하고, 각 조건에서의 결함 밀도를 세로축으로 하고 있다. 또, 오프셋 온도 To는 어닐 효과가 발현되는 가장 낮은 어닐 온도인 1525℃로 하였다.
도 23으로부터 알 수 있는 바와 같이, (T1-To)×t가 0~21000인 범위에서 3.3개/㎠ 이하라고 하는 실용 레벨의 결함 밀도의 웨이퍼가 얻어지고 있다. 500~13500의 범위에서는, 2.6개/㎠ 이하라고 더 적합한 결과로 된다.
본 발명의 실시 형태 6에서는, 이상과 같은 파라미터를 도입한 것에 의해, 적합한 범위를 찾아내면, 모든 처리 조건에 대해 망라적으로 실험하지 않아도, 상술한 표 2 정도의 실험값으로부터 어닐 온도 T1을 바꾸었을 경우의 적합한 처리 시간 t, 혹은 일정한 처리 시간 t로 하고자 하는 경우의 적합한 어닐 온도 T1을 즉시 찾아낼 수 있다고 하는 효과가 있다.
(실시 형태 7)
본 발명의 실시 형태 5 및 6에서는, 시간 단축을 위해, 도 21에 나타내는 바와 같이 어닐 처리 후에 실온까지 강온하는 일없이, 에피택셜 성장을 행하는 결정 성장 온도 T2로 설정하여 에피택셜 성장을 행한 실험 결과에 대해 설명하였다. 그것에 대해, 본 발명의 실시 형태 7에서는, 어닐 처리 후에 SiC 벌크 기판의 온도를 실온까지 강온한 후에 에피택셜 성장을 행한 실험 결과에 대해 설명한다.
도 24는 본 발명의 실시 형태 7에 있어서의 어닐 처리 후에 에피택셜 성장을 행하는 실험에 이용한 SiC 벌크 기판의 온도의 시간 변화 및 가스 시퀀스를 나타내는 도면이다. 잉곳 제조 공정(S1)으로부터, 온도를 온도 T3보다 낮은 실온까지 강온하는 공정(S11)까지는 본 발명의 실시 형태 5 및 6과 마찬가지이다.
여기서, 구체적인 어닐 조건으로서는, 어닐 온도 T1을 1575℃, 어닐 처리 시간 t를 180초로 하였다. 어닐 효과가 발현되는 온도 To가 1525℃이기 때문에, 이 때, (T1-To)×t=9000이다.
도 24에 나타내는 바와 같이, 어닐 처리 후는, 온도 T3=100℃까지 SiC 벌크 기판의 온도를 강온한 시점에서, 환원성 가스인 수소 가스의 공급을 정지하였다. 그리고, 일단 장치 내를 대기압으로 되돌리고, SiC 벌크 기판을 대기 중에 노출하여 강온하였다. 또, SiC 벌크 기판을 실온, 구체적으로는 30℃ 이하, 여기서는 약 25℃에서 60분간 유지하였다.
SiC 벌크 기판을 실온에서 60분간 유지한 후, 다시 기판 온도를 결정 성장 온도 T2까지 온도 상승시켜, 에피택셜 성장을 행했다. 구체적인 에피택셜 성장의 조건으로서는, 본 발명의 실시 형태 5 및 6과 동일하고, 결정 성장 온도 T2는 1475℃, 원료 가스의 유량은 수소로 90% 희석된 실란(즉, 수소:실란=9:1의 혼합 가스)이 90sccm, 프로판이 2.4sccm이며, 에피택셜 성장층의 두께는 6㎛로 하였다.
그 후, 실시 형태 5 및 6과 동일한 수법으로 에피택셜 웨이퍼의 표면의 결함, 즉, 에피 결함의 밀도를 평가한 결과, 결함 밀도는 0.7개/㎠이었다. 이것은 실시 형태 5와 동등한 결과이다.
또한, 어닐 온도 T1을 1550℃, 어닐 처리 시간 t를 10초로 하고, 다른 조건은 상술한 방법과 동일하게 하여 에피택셜 웨이퍼를 제조해서, 에피 결함의 밀도를 평가하면, 결함 밀도는 0.33개/㎠이었다.
이상으로부터, 도 24에 나타내는 바와 같이 SiC 벌크 기판을 어닐 처리한 후에 일단, 대기압으로 되돌리고 대기 중에 노출시켜 실온까지 기판 온도를 강온한 후에, 재차 온도 상승시켜 에피택셜 성장을 행하더라도, 낮은 결함 밀도와 양호한 표면 평탄성을 갖는 에피택셜 웨이퍼가 얻어지는 것이 더 명확하게 되었다. 이것은 즉, SiC 벌크 기판을 어닐 처리한 후에 일단 대기 중에 노출하여 실온까지 기판 온도를 강온하는 유지 공정을 거치더라도, 그 후, 어떠한 처리를 요하지 않고, 에피택셜 성장시에 형성되는 결함 밀도가 현저하게 낮고, 평탄성이 양호한, 고품질인 에피택셜 성장층을 제조 가능한, 청정한 표면을 갖는 SiC 벌크 기판을 얻을 수가 있는 것을 더 명확하게 나타내고 있다.
(실시 형태 8)
우선, 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 열처리 장치(1a)의 구성을 설명한다. 도 25는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 열처리 장치(1a)를 나타내는 측면 단면도이다.
도 25에서, 열처리 장치(1a)는 SiC 벌크 기판을 열처리하기 위한 처리실(2)을 구비하고 있다. 처리실(2)의 측면에는, 처리실(2) 내에 환원성 가스를 도입하기 위한 환원성 가스 도입부인 도입 노즐(3)이 접속되고, 처리실(2)의 표면에는, 처리실(2) 밖으로 환원성 가스를 배출하기 위한 환원성 가스 배출부인 배출 노즐(6)이 접속되어 있다. 환원성 가스 공급원(7)으로부터 공급되는 환원성 가스는, 혼입 불순물 가스 성분을 제거하기 위한 환원성 가스 순화기(reducing-gas purification equipment)(8)를 통해, 밸브(11)를 거쳐서, 도입 노즐(3)로부터 처리실(2) 내로 도입된다. 배출 노즐(6)에는 배기 펌프(12)가 접속되고, 처리실(2) 내를 진공 흡인할 수 있게 되어 있다. 처리실(2) 밖으로 배출된 환원성 가스는 환원성 가스 제해(除害) 장치(13)에 의해서 처리된다.
다음으로, 처리실(2)에 대해 설명한다. 처리실(2)은, 적어도 그 외주 영역이, 예를 들면 석영을 포함하는 재료 등과 같은 내열성 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 처리실(2) 내에는, 환원성 가스가 도입 노즐(3)로부터 배출 노즐(6)로 흐르는 환원성 가스의 유로(16)가 형성되어 있다.
처리실(2)의 중앙 부근의 외면(外面)에는, 처리실(2)을 사이에 두고 서로 대향하도록, 가열 장치인 유도 가열 코일(17) 및 유도 가열 코일(18)이 각각 설치된다. 유도 가열 코일(17) 및 유도 가열 코일(18) 자체가 고온으로 되면 근방 영역이 고온화되어 버리기 때문에, 이를 방지하기 위해서 유도 가열 코일(17) 및 유도 가열 코일(18)은 냉각수용 튜브를 갖는 것이 바람직하다. 유도 가열 코일(17)과 유도 가열 코일(18) 사이에 위치하는 처리실(2) 내에는, 상부 서셉터(21)와 하부 서셉터(22)가 서로 대향하도록 설치된다. 상부 서셉터(21)와 유도 가열 코일(17) 사이, 하부 서셉터(22)와 유도 가열 코일(18) 사이에는, 단열재(23)가 설치된다. 또한, 하부 서셉터(22) 상에는 SiC 벌크 기판을 지지하기 위한 기판 지지구인 기판 홀더(26a)가 설치된다.
여기서, 기판 홀더(26a)는 환원성 가스의 유로(16)에 접하도록 설치되지만, 이와 같이 기판 홀더(26a)를 설치하면, 환원성 가스의 유로(16)에서 처리실(2)의 내벽과 기판 홀더(26a)에 의해서 기계적 단차가 형성된다. 이 기계적 단차를 경감하기 위해서, 환원성 가스가 흐르는 방향에 대해 기판 홀더(26a)보다 상류측 및 하류측에 각각 인접하여 단차 경감 부재(27)가 설치된다. 또한, 상부 서셉터(21)도 환원성 가스의 유로(16)에 접하도록 설치되어 있고, 환원성 가스의 유로(16)에서 처리실(2)의 내벽과 상부 서셉터(21)에 의해서 기계적 단차가 형성되기 때문에, 환원성 가스가 흐르는 방향에 대해 상부 서셉터(21)보다 상류측 및 하류측에 각각 인접하여 단차 경감 부재(28)가 설치된다.
환원성 가스가 흐르는 방향에 대해 기판 홀더(26a)보다 하류측의 처리실(2)의 측면에는, 취출 도어(take out door)(31)가 개폐 자유롭게 설치되고, 기판 홀더(26a)의 출입이 가능하도록 되어 있다. 취출 도어(31)에는 O링 등이 구비되는 것에 의해서, 처리실(2) 내의 기밀성을 유지할 수 있게 되어 있다. 또, 기판 홀더(26a)의 출입은, 대기압에서 행하기 때문에, 취출 도어(31)에 리크 밸브를 장착해 두어도 좋다.
또한, 취출 도어(31)에는, 기판 홀더(26a) 혹은 그 근방 영역의 온도를 측정하기 위한 예를 들면 고온계와 같은 측온 장치(32)가 설치된다. 측온 장치(32)로서 고온계를 이용하는 경우, 취출 도어(31)에, 고온계에 이용하는 파장에 대해 투과율이 높은 부재로 형성된 뷰 포트(view port)를 마련해 둔다.
다음으로, 도입 노즐(3)에 대해 설명한다. 도 26은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 열처리 장치(1a)를 나타내는 평면도이다. 단, 도 26에서는, 밸브(11), 환원성 가스 순화기(8), 환원성 가스 공급원(7), 배출 노즐(6), 배기 펌프(12) 및 환원성 가스 제해 장치(13)를 생략하여 나타내고 있다. 도입 노즐(3)의 형상은, 도입 노즐(3)을 통해 처리실(2) 내로 도입된 환원성 가스에 난류가 발생하는 것을 억제하기 위해서, 급격한 각도나 직선 모양의 형상을 가능한 한 갖지 않는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도 26에 나타내는 바와 같이, 도입 노즐(3)의 형상을, 적어도 1개의 변곡점을 갖는 곡선으로 형성하는 것에 의해, 환원성 가스에 난류가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
다음으로, 단차 경감 부재(27) 및 단차 경감 부재(28)에 대해 설명한다. 도 27은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더(26a) 및 단차 경감 부재(27)를 나타내는 평면도이다. 단차 경감 부재(27)는, 처리 대상물인 SiC 벌크 기판의 전기 전도성에 가능한 한 영향을 주기 어려운 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면 알루미늄이나 질소와 같은 SiC 벌크 기판의 전기 전도성에 영향을 주는 물질을 가능한 한 포함하지 않는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또, 고온으로 되는 것이 예측되기 때문에, 단열성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 단열성 재료로 본체 부분을 형성하고, 본체 부분의 표면에, SiC 벌크 기판의 전기 전도성에 영향을 주기 어려운 예를 들면 SiC, TaC 또는 그라파이트(탄소)의 층을 코팅하여 단차 경감 부재(27)를 형성하더라도 좋다. 또한, 단차 경감 부재(28)에 대해서도 마찬가지이다.
도 25 및 도 27에 나타내는 바와 같이, 단차 경감 부재(27)는 판 형상의 부재이다. 그리고, 도 25에서의 지면 수직 방향 즉 도 27에서의 세로 방향의 폭이 기판 홀더(26a)의 폭과 거의 동일하고, 환원성 가스의 유로(16)에서 처리실(2)의 내벽과 기판 홀더(26a)에 의해서 형성되는 기계적 단차를 가능한 한 경감하는 두께로 형성된다. 즉, 기판 홀더(26a)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면과, 단차 경감 부재(27)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면은 거의 동일한 평면 상에 존재하게 된다. 또, 기판 홀더(26a)와 단차 경감 부재(27)는 가능한 한 상호의 사이에 간격이 비지 않게 접촉해서 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 단차 경감 부재(27)를 설치하는 것에 의해서, 환원성 가스의 유로(16)에서 기계적 단차가 가능한 한 없도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하는 것에 의해, 처리실(2) 내에 도입된 환원성 가스에 난류가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또, 기판 홀더(26a)와 단차 경감 부재(27)는 기계적으로 연결되어 있는 것이 취급의 관점에서 바람직하다. 이들이 기계적으로 연결되어 있는 경우, 도 27에 나타내는 바와 같이, 단차 경감 부재(27) 중, 환원성 가스가 흐르는 방향에 대해 하류측의 쪽에 취출용 부품(33)을 마련해 두면 좋다. 취출용 부품(33)은, 구체적으로는 예를 들면 관통 구성이나 돌기 형상 부재이며, 기계적으로 연결된 기판 홀더(26a)와 단차 경감 부재(27)를 취출 도어(31)로부터 출입시킬 때에 사용하는 것에 의해, 취급 효율이 향상된다. 또, 도 27에서는 취출용 부품(33)을 2개 마련한 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고, 적어도 1개 이상 마련하고 있으면 좋다.
상부 서셉터(21)에 인접하여 설치되는 단차 경감 부재(28)도, 단차 경감 부재(27)와 마찬가지로 판 형상의 부재이다. 그리고, 도 25에서의 지면 수직 방향의 폭이 상부 서셉터(21)의 폭과 거의 동일하고, 환원성 가스의 유로(16)에서 처리실(2)의 내벽과 상부 서셉터(21)에 의해서 형성되는 기계적 단차를 가능한 한 경감하는 두께로 형성된다. 즉, 상부 서셉터(21)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면과, 단차 경감 부재(28)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면은 거의 동일한 평면 상에 존재하게 된다. 또, 상부 서셉터(21)와 단차 경감 부재(28)는 가능한 한 상호의 사이에 간격이 비지 않게 접촉해서 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 단차 경감 부재(28)를 설치하는 것에 의해서, 환원성 가스의 유로(16)에서 기계적 단차가 가능한 한 없도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하는 것에 의해, 처리실(2) 내에 도입된 환원성 가스에 난류가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
다음에, 기판 홀더(26a)에 대해 설명한다. 도 28은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더(26a)를 나타내는 단면도이다. 도 29는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더(26a)로 SiC 벌크 기판(36)을 지지한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 30은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더(26a)를 나타내는 사시도이다.
기판 홀더(26a)는, 환원성 가스에 의한 영향이 비교적 경미하고, 1500℃ 정도 이상의 열처리에 견딜 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 처리 대상물인 SiC 벌크 기판(36)의 전기 전도성에 가능한 한 영향을 주기 어려운 물질로 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들면 알루미늄이나 질소와 같은 SiC 벌크 기판(36)의 전기 전도성에 영향을 주는 물질을 가능한 한 포함하지 않는 것이 바람직하다. 또, SiC 벌크 기판(36)을 효율적으로 가열하기 위해서, 유도 가열 코일(17)의 작용에 의해서 기판 홀더(26a) 자체에 유도 전류가 흘러 기판 홀더(26a)를 직접 가열할 수 있는 것이 바람직하다. 이들을 고려하면, 기판 홀더(26a)는, 예를 들면 SiC, TaC 또는 그라파이트(탄소)로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 기판 홀더(26a)의 본체 부분을 고순도의 그라파이트(탄소)로 형성하고, 본체 부분의 표면에 SiC 또는 TaC의 층을 코팅하여 기판 홀더(26a)를 형성하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 본체 부분을 예를 들면 금속 등으로 형성하고, 본체 부분의 표면에 SiC, TaC 또는 그라파이트(탄소)의 층을 코팅하여 기판 홀더(26a)를 형성하더라도 좋다.
도 28에 나타내는 바와 같이, 기판 홀더(26a)는 SiC 벌크 기판(36)을 지지하기 위한 영역인 오목부(37)를 복수 갖고 있다. 1개의 오목부(37)에 대해 1매의 SiC 벌크 기판(36)을 탑재할 수 있어, 복수의 오목부(37)를 갖는 것에 의해 복수의 SiC 벌크 기판(36)을 탑재할 수 있도록 되어 있다.
도 29에 나타내는 바와 같이, 오목부(37)는 오목부(37) 내에 SiC 벌크 기판(36)이 꼭 들어맞도록 형성되어 있다. 처리실(2) 내에 도입된 환원성 가스에 난류가 발생하는 것을 억제하기 위해, 오목부(37)의 깊이는 오목부(37) 내에 탑재된 SiC 벌크 기판(36)과 기판 홀더(26a) 사이에 기계적 단차가 가능한 한 생기지 않도록 설정하는 것이 바람직하다. SiC 벌크 기판(36)의 두께와 오목부(37)의 깊이의 차이는, ±500㎛이하로 하는 것이 바람직하고, ±100㎛이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 오목부(37) 내에는, SiC 벌크 기판(36)이, 에피택셜 성장용의 면이 위쪽을 향하도록 탑재되고, 이 SiC 벌크 기판(36)의 에피택셜 성장용의 면이 환원성 가스의 유로(16)와 접하게 된다.
환원성 가스에 난류가 발생하는 것을 억제하는 관점에서는, 오목부(37)는, SiC 벌크 기판(36)의 외형과 거의 동일한 형상을 갖고, SiC 벌크 기판(36)의 외주와 오목부(37) 사이에 가능한 한 간극이 생기지 않도록 하는 것이 바람직하다. 다만, SiC 벌크 기판(36)과 기판 홀더(26a)의 열팽창 계수의 차이나, SiC 벌크 기판(36)을 오목부(37)에 배치하거나 오목부(37)로부터 취출하거나 하는 작업의 효율을 고려하면, SiC 벌크 기판(36)의 외주와 오목부(37) 사이에는 500㎛ 정도의 간극이 있는 것이 바람직하다.
또한, SiC 벌크 기판(36)은, 그 표리의 연마 상태의 상위(相違)에 따라 동심원 형상으로 휘어져 있는 경우가 많다. 오목부(37)의 바닥면(38)이 평탄하게 형성되어 있는 경우, SiC 벌크 기판(36)의 휨에 의해서, 오목부(37)의 바닥면(38)과 SiC 벌크 기판(36) 사이에 간극이 생긴다. SiC 벌크 기판(36)의 휨에 의해서 생기는 간극의 크기는 SiC 벌크 기판(36)의 구경이 클수록 증대한다. SiC 벌크 기판(36)을 균일하게 가열하기 위해서는, 오목부(37)의 바닥면(38)과 SiC 벌크 기판(36) 사이에 생기는 간극이 가능한 한 작은 쪽이 바람직하다. 따라서, 오목부(37)의 바닥면(38)의 형상은 SiC 벌크 기판(36)의 휨에 맞추어 만곡되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 오목부(37)의 바닥면(38)의 단면 형상이, 오목부(37)의 바닥면(38)의 중심으로부터의 거리에 대해 2차 이상의 함수로 나타내어지는 곡선으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 30에 나타내는 바와 같이, 기판 홀더(26a)의 오목부(37)는 2차원 면심 격자 형상으로 나열되어 있고, 기판 홀더(26a)는 환원성 가스가 흐를 방향과 거의 평행한 평면 상에서 복수의 SiC 벌크 기판(36)을 지지할 수 있게 되어 있다. 또한, 기판 홀더(26a)는 오목부(37)가 형성하는 2차원 면심 격자의 1변이 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행하게 되도록 처리실(2) 내에 설치된다. 따라서, 기판 홀더(26a)는 격자의 1변이 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행하게 되는 2차원 면심 격자 형상으로 복수의 SiC 벌크 기판(36)이 나열되도록 처리실(2) 내에서 복수의 SiC 벌크 기판(36)을 지지할 수 있게 되어 있다. 또, 도 30에서는, 간략화를 위해, 오목부(37)의 형상이 원인 것으로 나타내었지만, 실제로는, SiC 벌크 기판(36)은 통상, 오리엔테이션 플랫이나 인덱스 플랫이라고 하는 직선 영역을 갖기 때문에, 오목부(37)의 형상도 직선 영역을 가져, SiC 벌크 기판(36)의 외형과 거의 상사형(相似形)으로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 열처리 장치(1a)를 이용하여 SiC 벌크 기판(36)을 열처리해서 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판을 제조하는 방법 및 열처리 장치(1a)의 동작에 대해 설명한다.
도 31은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판의 제조 순서를 나타내는 흐름도이다.
우선, SiC 벌크 기판(36)을 제조하는 공정에 대해 설명한다. 또, SiC 결정에는 폴리타입이라고 불리는 특유의 주기성이 존재한다. 즉, 화학량론비적 조성은 Si와 C가 일대일이고, 또한, 결정 격자가 육방 최밀 충전 구조이더라도, 본 구조에서의 c축을 따라 원자 배열에 별종의 주기성이 존재하고, 이 원자 스케일에서의 주기 및 결정 격자의 대칭성에 의해서, SiC의 물성은 규정된다. 현재 디바이스 응용의 관점에서 가장 주목을 받고 있는 것은 4H-SiC라고 불리는 타입이다. 4H-SiC를 이용한 파워 디바이스에서는, 주로 원재료비를 저감한다고 하는 관점에서, <0001>면으로부터 <11-20> 방향으로 5도 정도보다 작은 각도로 경사시키고, 또한, Si 원자를 C 원자에 비해 보다 안정하게 배치할 수 있는 면을 표면으로 하는 에피택셜 웨이퍼를 이용하는 것이 주류이다.
따라서, 여기서는, 4H-SiC 타입으로, <0001>면으로부터 <11-20> 방향으로 5도 정도보다 작은 각도로 기울인 사양의 SiC 벌크 기판을 제조하여 사용한다. 그러나, 경사 방향은 <11-20> 방향으로 엄밀하게 한정되는 것이 아니며, 다른 방향으로 경사진 사양이라고 하더라도 좋다. 또한, 폴리타입에 대해서도, 4H에 한정되는 것도 아니며, 예를 들면 6H나 3C 등의 다른 폴리타입이라도 좋다.
우선, 도가니 내에 종결정과 원료를 대향 배치하고, 원료측이 상대적으로 고온이 되도록 양자를 가열하고, 승화법에 의해 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시키고, 4H-SiC로 이루어지는 SiC 잉곳을 제조한다(S1). 다음으로, SiC 잉곳의 외주를 연삭 가공하는 것에 의해, SiC 잉곳의 형상을 원통 형상으로 형상한다(S2). 여기서, 기판의 면 방위를 기정하기 위한 오리엔테이션 플랫 등의 가공을 실시해 둔다. 다음으로, 와이어 소나 와이어 방전 가공 등에 의해, SiC 잉곳을 평판 형상으로 절단한다(S3). 다음으로, 평판 형상으로 절단한 SiC 벌크 기판의 표면 및 이면을 연삭 및 기계 연마 등에 의해 평탄화한다(S4). 여기서, 기판의 분열을 방지하기 위해서 베베링 가공을 외주에 실시해 둔다.
이상의 공정에 의해서 제조된 SiC 벌크 기판의 표면에는 기계 연마에 수반되는 손상 등이 존재하여, 이것이 기점으로 되어 에피택셜 성장시에 결함이 형성되기 때문에, 이상의 공정만으로는 양호한 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판을 얻기에는 불충분하다.
다음으로, SiC 벌크 기판을, 기계 연마 및 산성 또는 알칼리성을 나타내는 약액을 이용하여 화학 기계 연마(CMP)에 의해 평탄화 처리한다(S5). 그리고, CMP 처리 후의 SiC 벌크 기판을 아세톤 등을 이용하여 초음파 세정을 실시해서, 표면에 부착된 유기물을 제거한다. 또, 황산과 과산화수소수를 체적 비율로 5:1로 혼합하여 약 130℃(±5℃)로 가열한 혼합 용액 중에, SiC 벌크 기판을 침지하는 것에 의해, 주로 금속 부착물을 제거한다. 그리고, 왕수에 의해 잔류 금속 부착물을 제거한다.
다음으로, 이 SiC 벌크 기판에 대해서, RCA 세정이라 불리는 웨트 약액 세정을 행한다(S6). 즉, 75℃(±5℃)로 가열한 암모니아수와 과산화수소수의 혼합 용액(1:9) 내에 10분간 담근 후, 75℃(±5℃)로 가열한 염산과 과산화수소수의 혼합 용액(1:9)에 담근다. 또, 체적 비율로 5% 정도의 불산을 포함하는 수용액에 담근 후, 순수에 의해 치환 처리를 실시하여, SiC 벌크 기판에 대한 표면 세정을 행한다. 이상의 공정에 의해, 열처리 장치(1a)에 의해서 열처리를 행하는 SiC 벌크 기판(36)이 완성된다.
상술한 일련의 웨트 약액 세정에 의해서, SiC 벌크 기판(36) 표면은 다른 예컨대 실리콘 등의 반도체 재료와 같이는 청정하게는 안 된다. 이것은, SiC 결정에서의 원자간력이 종래의 반도체의 원자간력에 비해 현저하게 강하기 때문에, SiC 벌크 기판(36) 표면을 균일하게 용해하는 약액을 아직도 찾아내지 못했기 때문이다.
도 32는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 웨트 약액 세정 공정 후의 SiC 벌크 기판(36)의 표면에 대한 암시야 조건 하에서의 광학 현미경 이미지이다. 후술하지만, 도 32에서 실선으로 둘러싸인 영역에서는, 에피택셜 성장 후, 삼각 결함이 확인되고, 한편, 파선으로 둘러싸인 영역에서는 캐럿 결함이 관측되었다. 파선으로 둘러싸인 영역에서는 비교적 강한 발광을 볼 수 있고, 실선으로 둘러싸인 영역 내 혹은 영역 외의 근방에서 비교적 약한 발광을 볼 수 있다. 또, 지극히 강한 발광 영역은 이면의 요철을 반영한 것이다. 또한, 상세하게 관찰하면 보다 작은 점 형상의 발광이 확인되지만, 이들의 부위는 이후의 결과에 영향을 미치지 않는다. 이러한 관찰법은 표면 상태에 민감하기 때문에, 이러한 관찰로부터 SiC 벌크 기판(36) 표면에 어떠한 미소한 입자가 부착되어 있는 것을 알 수 있다.
도 33은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 웨트 약액 세정 공정 후의 SiC 벌크 기판(36)의 표면에 존재하는 SiC 더스트의 주사형 전자 현미경 이미지이다. 도 33으로부터 명백한 바와 같이, 상기 미소 발광 영역에 존재하는 이물은 예각 형상을 나타내고 있고, 그 크기는 적어도 마이크로 미터 스케일인 것을 판별할 수 있다.
도 34는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 도 33 중의 정방형으로 둘러싸인 영역에 대해 에너지 분산형 X선 분석을 행한 결과를 나타내는 스펙트럼이다. 도 34에 있어서, 세로축은 스펙트럼 강도, 가로축은 에너지를 나타내고 있다. 도 34 중, 탄소 및 실리콘으로부터의 피크가 강하고, 이들의 상대 강도로부터 판단하면, 이 부착물은 화학량론비가 1대1의 SiC로 이루어지는 것을 알았다. 즉, 상술한 여러 가지의 세정을 행했음에도 불구하고, SiC 벌크 기판(36) 표면에는 아직도 SiC 더스트가 부착되어 있는 것이 판명되었다.
도 35는 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 도 32와 동일한 영역을 에피택셜 성장 후에 관찰한 명시야 조건 하에서의 노마스키 미분 간섭 광학 현미경 이미지이다. 여기서, 에피택셜 성장은 SiC 벌크 기판(36)의 온도를 1475℃로서 행하였다. 이하, 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 각 처리 온도를 상세하게 기술하지만, 이러한 처리 온도의 표시값은 측정 방법에 강하게 의존한다. 그래서, 본 발명에 있어서의 온도의 측정은 원칙적으로 고온계에서의 측정값으로 통일하고 있다. 이와 관련해서, 다른 측정 방법으로 온도를 측정한 경우는, 고온계에서 동시에 측정한 값과의 오프셋값을 계산하여 조정하면 좋다.
도 35로부터 명백한 바와 같이, 도 32에서 파선으로 둘러싸인 영역의 근방에는 캐럿 결함이, 실선으로 둘러싸인 영역의 근방에는 삼각 결함이라고 하는 전류 리크 결함이 형성되어 있는 사실을 본 발명의 발명자 등이 처음으로 찾아냈다.
또한, 이러한 결함이 존재하는 영역을 파워 디바이스가 포함한 경우, 고전계 인가시에 리크 전류가 생기는 것이 일반적으로 알려져 있다. 즉, 이러한 결함의 존재는 소자 양품률을 대폭 저하시키는 직접적 요인으로 된다. 따라서, 이들 결함을 제거하지 않으면, 균일성이 양호하고 파워 디바이스 제작에 적합한 에피택셜 성장층은 도저히 얻을 수 없다.
이하에서, 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 열처리 장치(1a)를 이용하여 SiC 벌크 기판(36)을 열처리해서 SiC 더스트를 제거하는 공정에 대해 설명한다.
우선, 열처리 장치(1a)의 취출 도어(31)를 열고, 단차 경감 부재(27)와 기계적으로 연결된 기판 홀더(26a)를 처리실(2) 밖으로 취출한다. 그리고, 기판 홀더(26a)의 오목부(37)에 SiC 벌크 기판(36)을 에피택셜 성장용의 면이 위쪽을 향하도록 각각 설치한다. 그 후, SiC 벌크 기판(36)이 설치된 기판 홀더(26a)를 단차 경감 부재(27)와 함께 처리실(2) 내로 도입한다(S7). 이것에 의해, SiC 벌크 기판(36)의 에피택셜 성장용의 면이 환원성 가스의 유로(16)에 접하게 된다. 그리고, 처리실(2) 내에 잔존하는 의도하지 않은 분자 혹은 원자 형상의 불순물이 악영향을 주는 것을 억제하기 위해서, 배기 펌프(12)에 의해서 처리실(2) 내를 약 1×10-7㎪ 정도로까지 진공 흡인한다.
도 36은 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 SiC 벌크 기판(36)의 열처리시의 온도 프로파일 및 가스 시퀀스를 나타내는 도면이다. 도 36에 있어서, 세로축은 온도, 가로축은 시각을 나타내고 있다. 다음으로, 도 36에 나타내는 온도 프로파일 및 가스 시퀀스로 SiC 벌크 기판(36)을 열처리한다.
우선, 처리실(2) 내에 환원성 가스로서 예를 들면 수소 가스를 도입한다. 단, 환원성 가스는 수소 가스에 한정되지 않는다. 환원성 가스 공급원(7)으로부터 공급되는 환원성 가스는, 환원성 가스 순화기(8)를 통해 혼입 불순물 가스가 제거된 후, 밸브(11) 및 도입 노즐(3)을 거쳐서 처리실(2) 내에 도입된다. 처리실(2) 내에 도입된 환원성 가스는 환원성 가스의 유로(16)를 통해 배출 노즐(6)로부터 처리실(2) 밖으로 배출된다. 배출된 환원성 가스는 환원성 가스 제해 장치(13)에 의해서 제해 처리된다.
환원성 가스가 도입되고, SiC 벌크 기판(36)의 에피택셜 성장용의 면에 환원성 가스가 접하는 설정 하에서, 처리실(2) 내의 진공도가 예를 들면 25㎪ 정도로 일정하게 유지되도록 압력을 제어한다. 또, 본 발명의 실시 형태 8에서는 상기 압력 하에서의 예를 상술하지만, 일반적으로, 처리실(2)의 구조·형상의 상위 등에 따라, 열처리 장치마다 적합한 압력은 변화될 수 있는 것이며, 이러한 상위를 가미하면, 1㎪ 내지 70㎪의 범위 내에서의 감압 분위기로 하는 것이 적합하다. 이것은, 1㎪보다 압력이 낮으면, 후술하는 환원성 가스에 의한 치환 반응 효율이 저하되고, 또한, 70㎪보다 높으면 SiC 벌크 기판(36)에 대한 에칭이 지배적으로 되어, 그 후, 이 SiC 벌크 기판(36) 상으로의 에피택셜 성장에 의해 얻어지는 에피택셜 성장층의 표면의 평탄성이 악화되기 때문이다.
그리고, 유도 가열 코일(18)로 통전하는 것에 의해서 하부 서셉터(22) 및 기판 홀더(26a)를 가열하여, SiC 벌크 기판(36)을 소정의 처리 온도 T1까지 가열한다. 온도 T1은 예를 들면 1550℃ 이상의 온도로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 환원성 가스 분위기에서, SiC 벌크 기판(36)의 온도를 처리 시간 t 동안, 온도 T1로 유지한다(S8). 처리 시간 t는, 예를 들면 10~180초이고, 처리 온도 T1에 의해서 적절한 시간으로 설정하는 것이 바람직하다. 이 때, 상부의 유도 가열 코일(17)에도 통전하여 상부 서셉터(21)를 가열하는 것에 의해, 유로(16)를 흐르는 환원성 가스를 가열하면 SiC 벌크 기판(36)의 가열 효율이 상승한다.
다음으로, 환원성 가스 분위기 중에서, 동일 압력을 유지하면서 SiC 벌크 기판(36)의 온도를 강온한다. 여기서, 환원성 가스의 사용량을 삭감하는 관점에서, SiC 벌크 기판(36)의 온도가 실온에 도달하기 전에 환원성 가스의 공급을 정지하는 것이 유리하다. 따라서, SiC 벌크 기판(36)의 온도를 온도 T1보다 낮은 소정의 온도 T3까지 강온한 시점에서(S9), 환원성 가스의 공급을 정지하고(S10), 그 후 SiC 벌크 기판(36)의 온도를 온도 T3보다 낮은 실온까지 더 강온한다(S11). 이상에 의해, 열처리가 완료되어, 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판이 완성된다.
이러한 열처리를 실시하지 않은 경우, 에피택셜 성장을 행하면, 캐럿 결함 및 삼각 결함 등의 전류 리크 결함 밀도가 적어도 10개/㎠ 이상의 고밀도로 발생하는 것을 알고 있다.
상술한 바와 같이, 캐럿 결함 및 삼각 결함의 주된 발생 원인은, SiC 벌크 기판(36)에 부착한 SiC 더스트에 의한 것이기 때문에, SiC 벌크 기판(36) 자체에 데미지를 주지 않도록 SiC 더스트를 선택적으로 제거하기 위해서는, SiC 벌크 기판(36) 상에 화학적으로 흡착되어 있는 SiC 더스트를 환원성 가스 분위기 하에서 열처리하는 것이 지극히 효과적이다.
즉, 이 SiC 더스트는 상술한 약액 처리의 마지막에 사용되는 불산 용액 중에서, SiC 벌크 기판(36) 상에 부착된 것으로 추측된다. 불산 처리는, 본래는 SiC 표면의 산화막을 제거하기 위한 것이다. 따라서, 불산 용액 중에서는, SiC 벌크 기판(36)과 부착한 SiC 더스트는 양자 모두 산화막이 형성되지 않는다. SiC 벌크 기판(36)을 불산 용액 중으로부터 대기중으로 노출시키면, 즉시, 양자의 표면에 대한 산화가 개시된다. SiC 더스트의 형상으로부터 판단하여 SiC 더스트 표면은 원자 레벨에서는 평탄하지 않기 때문에, SiC 더스트와 SiC 벌크 기판(36)은 얇은 산화막을 거처서 부착되어 있는 것으로 추측된다. 따라서, SiC 벌크 기판(36)에 데미지를 주지 않게 하면서, SiC 더스트를 선택적으로 기판 표면으로부터 제거하기 위해서는, 환원성 가스 중에서의 열처리에 의해, 양자의 산화막을 제거한 후에, 환원성 가스에 포함되는 예를 들면 수소 원자에 의해서, 양자의 표면을 수소 치환함으로써 표면을 안정화하는 처리가 지극히 유효하다. 이러한 처리에 의해서, 양자의 표면은 서로 수소 종단되고, 양자 사이에 전기 화학적인 척력이 생겨서, 환원성 가스의 흐름 자체에 의해서 SiC 더스트가 SiC 벌크 기판(36) 표면으로부터 환원성 가스가 흐르는 방향의 하류측으로 이동될 수 있기 때문이다. 이 결과, SiC 벌크 기판(36) 표면에 부착되어 있던 SiC 더스트는 SiC 벌크 기판(36)에 어떤 데미지를 주는 일없이 제거된다.
단, 환원성 가스의 공급을 정지하는 온도 T3가 너무 높으면 SiC 벌크 기판(36)의 표면 원자가 환원성 가스에 포함되는 예를 들면 수소 원자 이외의 것으로 종단되거나 혹은 표면 당링 본드의 형성에 수반하여 산화층이 형성된다. 이러한 것의 회피를 감안하면, 환원성 가스의 공급을 정지할 때의 SiC 벌크 기판(36)의 온도 T3은, 900℃ 이하인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 300℃ 이하가 좋다. 300℃ 이하가 바람직한 것은, SiC 벌크 기판(36)의 표면 원자가 환원성 가스에 포함되는 예를 들면 수소 원자로 종단되는 효과를 철저화할 뿐만 아니라, 효율적으로 기판 제조를 행하기 위해, 기판 온도의 저하 속도를 높여, 단시간에 효율적인 강온을 실현할 수 있기 때문이다.
또, 강온 공정에 필요로 하는 시간은 짧은 쪽이 바람직하다. 강온 공정에 필요로 하는 시간이 긴 경우, 처리실(2) 내에 부착·잔존하고 있는 SiC 더스트 등이 상술한 열처리 공정에 의해서 청정화된 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판의 표면에 새롭게 부착되어, 에피택셜 성장시에서의 이상 성장핵으로 되어 전류 리크 결함을 형성하는 일이 있기 때문이다.
본 발명의 실시 형태 8에서는, 이상과 같은 구성으로 한 것에 의해, 장시간의 처리를 필요로 하는 등의 생산성을 저하시키는 특수한 전처리 공정을 행하는 일없이 에피택셜 성장을 행하더라도 SiC 디바이스에서 전류 리크원으로 되는 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 낮은 SiC 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있는 에피택셜 성장용 SiC 벌크 기판을 간편하게 제작할 수 있는 열처리 장치(1a)를 얻을 수 있다고 하는 효과가 있다.
특히, 기판 홀더(26a)에 인접하여 단차 경감 부재(27)를 설치한 것에 의해, 기판 홀더(26a)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면과, 단차 경감 부재(27)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면이 거의 동일한 평면 상에 존재하도록 할 수 있다. 즉, 환원성 가스의 유로(16)에서의 기계적 단차를 경감할 수 있기 때문에, 처리실(2) 내에 도입된 환원성 가스의 흐름에 난류가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 난류가 발생하면, SiC 벌크 기판(36) 상으로부터 일단 멀어진 SiC 더스트가 하류측으로 흘러가지 않고, 재차 SiC 벌크 기판(36) 상으로 부착하는 일이 있다. 난류의 발생을 억제하는 것에 의해, SiC 더스트의 재부착을 억제할 수 있기 때문에, 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 낮은 SiC 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있다.
또한, 상부 서셉터(21)에 인접하여 단차 경감 부재(28)를 설치한 것에 의해, 상부 서셉터(21)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면과, 단차 경감 부재(28)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면이 거의 동일한 평면 상에 존재하도록 할 수 있다. 즉, 환원성 가스의 유로(16)에서의 기계적 단차를 경감할 수 있기 때문에, 처리실(2) 내에 도입된 환원성 가스에 난류가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 보다 낮은 SiC 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있다.
기판 홀더(26a)에 복수의 오목부(37)가 2차원 면심 격자 형상으로 나열되도록 배치하는 것에 의해서, 기판 홀더(26a)가, 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행한 평면 상에 복수의 SiC 벌크 기판(36)이 2차원 면심 격자 형상으로 나열되도록 복수의 SiC 벌크 기판(36)을 지지하는 것에 의해, 기판 홀더(26a) 상에 SiC 벌크 기판(36)을 보다 조밀하게 배치할 수 있다. 이것에 의해, 기판 홀더(26a) 상에서 복수의 SiC 벌크 기판(36)을 보다 균일하게 가열할 수 있다.
또, 기판 홀더(26a) 상에서, 격자의 1변이 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행하게 되는 2차원 면심 격자 형상으로 SiC 벌크 기판(36)을 배치한 것에 의해, 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행한 방향에서 인접하는 SiC 벌크 기판(36)끼리의 거리를 줄이는 일없이, 기판 홀더(26a) 상에 SiC 벌크 기판(36)을 보다 조밀하게 배치할 수 있다. 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행한 방향에서 인접하는 SiC 벌크 기판(36)끼리의 거리가 짧으면, SiC 벌크 기판(36) 상으로부터 떨어진 SiC 더스트가 환원성 가스의 흐름을 타고 이동하여, 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행한 방향에서 인접하는 다른 SiC 벌크 기판(36) 상에 재차 부착되는 일이 있다. 그러나, 본 발명의 실시 형태 8에서는 상술한 바와 같이 한 것에 의해, SiC 벌크 기판(36) 상으로부터 떨어진 SiC 더스트가, 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행한 방향에서 인접하는 다른 SiC 벌크 기판(36) 상에 재차 부착되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 기판 홀더(26a)를 SiC, TaC 또는 그라파이트(탄소)로 형성하거나, 또는, 기판 홀더(26a)가 표면에 SiC, TaC 또는 그라파이트(탄소)의 층을 가지도록 형성한 것에 의해, 처리 대상물인 SiC 벌크 기판(36)의 전기 전도성에 대해 악영향이 미치는 것을 억제할 수 있다.
단차 경감 부재(27)나 단차 경감 부재(28)에 대해서도 마찬가지이며, SiC, TaC 또는 그라파이트(탄소)로 형성하거나, 또는, 기판 홀더(26a)가 표면에 SiC, TaC 또는 그라파이트(탄소)의 층을 가지도록 형성한 것에 의해, 처리 대상물인 SiC 벌크 기판(36)의 전기 전도성에 대해 악영향이 미치는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 실시 형태 8에서는, 단차 경감 부재(27) 및 단차 경감 부재(28)를 환원성 가스가 흐르는 방향에 대해 기판 홀더(26a)의 상류측과 하류측의 양쪽 모두에 배치하였다. 그러나, 기판 홀더(26a)의 하류측보다 상류측에서 환원성 가스의 흐름에 난류가 발생한 경우가, SiC 벌크 기판(36) 상으로부터 한번 떨어진 SiC 더스트가 재부착하는 것으로의 영향이 크다. 이 때문에, 기판 홀더(26a)의 상류측에만 단차 경감 부재(27) 및 단차 경감 부재(28)를 배치하더라도 일정한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상부 서셉터(21)와 인접하는 단차 경감 부재(28)를 배치하지 않고, 기판 홀더(26a)와 인접하는 단차 경감 부재(27)만을 배치하더라도 일정한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 25에 나타내는 바와 같이, 단차 경감 부재(27)를 처리실(2)의 내벽과 접촉하도록 설치하였다.
그러나, 반드시 처리실(2)의 내벽과 접촉해야 하는 것은 아니며, 기판 홀더(26a)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면과, 단차 경감 부재(27)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면이 거의 동일한 평면 상에 존재하도록 설치되어 있으면 좋다. 단차 경감 부재(28)에 대해서도 마찬가지이며, 상부 서셉터(21)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면과, 단차 경감 부재(28)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면이 거의 동일한 평면 상에 존재하도록 설치되어 있으면 좋다. 따라서, 단차 경감 부재(27) 및 단차 경감 부재(28)의 두께나 형상 등은 적절히 설정하면 좋으며, 또한, 판 형상의 부재일 필요도 없다.
또, 본 발명의 실시 형태 8에서는, 유도 가열 코일(17) 및 유도 가열 코일(18)을 처리실(2)의 외면에 설치했지만, 이것에 한정되지 않고, 처리실(2)의 내부에 설치하더라도 좋다. 또, 가열 장치로서 유도 가열 코일(17) 및 유도 가열 코일(18)을 이용했지만, 이것에 한정되는 일은 없다. 그러나, 유도 가열 코일은 넓은 범위를 균일하게 가열하는 것이 가능하기 때문에, 많은 SiC 벌크 기판(36)을 열처리하는 경우는 유도 가열 코일을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 형태 8에서는, 도입 노즐(3)을 처리실(2)의 측면에 접속했지만, 접속 개소는 측면에 한정되는 일은 없으며, 예를 들면 상면이나 하면 등 다른 개소이더라도 좋다. 마찬가지로, 배출 노즐(6)에 대해서도, 접속 개소는 상면에 한정되는 일은 없다.
또, 도입 노즐(3)의 개수도 1개로 한정되는 일은 없고, 복수 설치하더라도 좋다. 예를 들면, 미세한 노즐을 다수 밀집시켜 마련하면 환원성 가스에 난류가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 마찬가지로, 배출 노즐(6)에 대해서도 복수 설치하더라도 좋다.
또한, 본 발명의 실시 형태 8에서는, 단차 경감 부재(27) 및 단차 경감 부재(28)를 처리실(2) 내에 설치하는 것에 의해 환원성 가스의 유로(16)에서의 기계적 단차를 경감하였다. 그러나, 이 단차 경감 부재(27) 및 단차 경감 부재(28)를 처리실(2)의 내벽의 일부로서 처리실(2)의 내벽과 일체로 되도록 형성하더라도 좋다. 즉, 처리실(2)의 내벽과 기판 홀더(26a)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면이나 상부 서셉터(21)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면이 거의 동일한 평면 상에 존재하도록 형성하더라도 좋다.
(실시 형태 9)
도 37은 본 발명의 실시 형태 9에서의 열처리 장치(1b)를 나타내는 측면 단면도이다. 도 37에 있어서, 도 25와 동일한 부호를 부여한 것은 동일 또는 대응하는 구성을 나타내고 있으며, 그 설명을 생략한다. 본 발명의 실시 형태 8과는, 하부 서셉터(22) 상에 기판 홀더(26a)를 설치하는 대신에, 상부 서셉터(21)의 하부에 기판 홀더(26b)를 설치한 구성이 다르다.
이에 따라, 기판 홀더(26b)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면과 단차 경감 부재(28)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면이 거의 동일한 평면 상에 존재하게 되어 있다. 그리고, 하부 서셉터(22)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면과, 단차 경감 부재(27)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 면이 거의 동일한 평면 상에 존재하게 되어 있다.
도 38은 본 발명의 실시 형태 9에 있어서의 도 37의 A-A 단면도이다. 도 38에 나타내는 바와 같이, 기판 홀더(26b)는, 측면 서셉터(41)에 의해서 지지되고, 그 하면이 환원성 가스의 유로(16)와 접하도록 배치된다. 상부 서셉터(21)와 기판 홀더(26b)는 접촉하고 있다. 또, 도 38에 있어서, 도입 노즐(3)로부터 처리실(2) 내로 도입된 환원성 가스는 유로(16)를 지면 수직 방향으로 흐른다.
또한, 도 39는 본 발명의 실시 형태 9에 있어서의 도 37의 B-B 단면도이다. 본 발명의 실시 형태 8과는, 배출 노즐(6)이, 처리실(2)의 상면이 아니라, 측면의 서로 대향하는 2개소에 접속된 구성이 다르다. 도입 노즐(3)로부터 처리실(2) 내로 도입된 환원성 가스는, 유로(16)를 도 37에서의 가로 방향, 즉 도 38에서의 지면 수직 방향으로 흐르고, 배출 노즐(6)로부터 처리실(2) 밖으로 배출된다. 배출 노즐(6)로부터 배출된 환원성 가스는 배기 펌프(12)를 통해 환원성 가스 제해 장치(13)에 들어가 제해 처리된다.
다음으로, 기판 홀더(26b)에 대해 설명한다. 도 40은 본 발명의 실시 형태 9에서의 기판 홀더(26b)로 SiC 벌크 기판(36)을 지지한 모습을 나타내는 단면도이다. 도 41은 본 발명의 실시 형태 9에 있어서의 기판 홀더(26b)를 나타내는 사시도이다.
도 40에 나타내는 바와 같이, 기판 홀더(26b)는, 관통 구멍(42)을 갖고, 이 관통 구멍(42)의 환원성 가스의 유로(16)와 접하는 측, 즉 도 40에서의 아래쪽에 SiC 벌크 기판(36)을 지지하기 위한 지지부(43)를 갖고 있다. 관통 구멍(42)은 SiC 벌크 기판(36)의 외형과 상사형으로 SiC 벌크 기판(36)의 직경보다 크게 형성되어 있다. 구체적으로는, SiC 벌크 기판(36)의 외주와 관통 구멍(42) 사이에 500㎛ 정도의 간극이 생기는 크기인 것이 바람직하다. 지지부(43)는 SiC 벌크 기판(36)과 상사형으로 SiC 벌크 기판(36)의 직경보다 작게 형성된다.
도 40에서의 위쪽으로부터 관통 구멍(42) 내로 SiC 벌크 기판(36)을 넣으면, 지지부(43)에 의해서 SiC 벌크 기판(36)이 지지된다. 관통 구멍(42) 내에는, SiC 벌크 기판(36)이, 에피택셜 성장용의 면이 아래쪽을 향하도록 설치되고, 이 SiC 벌크 기판(36)의 에피택셜 성장용의 면이 환원성 가스의 유로(16)와 접하게 된다.
또한, SiC 벌크 기판(36) 상에는, 가열 효율을 높이기 위해서, SiC 벌크 기판(36)과 상부 서셉터(21) 사이의 간극을 묻도록 균열판(46)이 설치된다. 균열판(46)은 기판 홀더(26b)와 동일한 재질로 형성되는 것이 바람직하다. SiC 벌크 기판(36)은, 그 표리의 연마 상태의 차이에 따라 동심원 형상으로 휘어져 있는 경우가 많기 때문에, 가열 효율을 높이기 위해서, 균열판(46)의 형상은 SiC 벌크 기판(36)의 휨에 맞추어 만곡되어 있는 것이 바람직하다.
도 41에 나타내는 바와 같이, 기판 홀더(26b)의 관통 구멍(42)은 2차원 면심 격자 형상으로 나열되어 있고, 기판 홀더(26b)는 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행한 평면 상에서 복수의 SiC 벌크 기판(36)을 지지할 수 있게 되어 있다. 또, 도 41에서는, 간단화를 위해, 관통 구멍(42)의 형상이 원인 것으로 나타내었지만, 실제로는, SiC 벌크 기판(36)은 통상, 오리엔테이션 플랫 등의 직선 영역을 갖기 때문에, 관통 구멍(42)의 형상도 직선 영역을 갖고, SiC 벌크 기판(36)의 외형과 거의 상사형으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 형태 9에서는, 이상과 같이, 기판 홀더(26b)가, SiC 벌크 기판(36)의 에피택셜 성장용의 면이 아래쪽을 향하고, 또한, SiC 벌크 기판(36)의 에피택셜 성장용의 면이 환원성 가스의 유로(16)에 접하게 SiC 벌크 기판(36)을 지지하도록 한 것에 의해, 환원성 가스 분위기에서의 열처리의 효과에 의해서 SiC 벌크 기판(36)의 표면으로부터 떨어진 SiC 더스트가 중력에 의해서 아래쪽으로 떨어진다. 이것에 의해, SiC 벌크 기판(36)의 표면으로부터 한번 떨어진 SiC 더스트가 SiC 벌크 기판(36)의 표면에 재부착되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 에피택셜 성장 후의 결함 밀도가 보다 낮은 SiC 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있다.
또, 본 발명의 실시 형태 9에서는, 본 발명의 실시 형태 8과 다른 부분에 대해 설명하며, 동일 또는 대응하는 부분에 대한 설명은 생략하였다.
(실시 형태 10)
도 42는 본 발명의 실시 형태 10에서의 기판 지지구인 기판 홀더(26c)를 나타내는 사시도이다. 도 42에 있어서, 도 30과 동일한 부호를 부여한 것은 동일 또는 대응하는 구성을 나타내고 있으며, 그 설명을 생략한다. 본 발명의 실시 형태 8에서는, 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행한 평면 상에서 복수의 SiC 벌크 기판(36)이 2차원 면심 격자 형상으로 나열되도록 기판 홀더(26a)에 의해서 지지한 것에 반하여, 본 발명의 실시 형태 10에서는, 기판 홀더(26c)가, 서로 거의 평행한 복수의 평면 상에 각각 SiC 벌크 기판(36)을 지지한 구성이 다르다.
도 42에 나타내는 바와 같이, 기판 홀더(26c)는 복수의 기판 트레이(47)를 갖고, 이들 복수의 기판 트레이(47)는 서로 거의 평행하게 되도록 트레이 지지봉(48)으로 지지되어 있다. 그리고, 기판 트레이(47)의 중앙 부근에는, 기판 홀더(26a)와 마찬가지로, SiC 벌크 기판(36)을 지지하기 위한 영역인 오목부(37)가 형성되어 있다. 여기서는, 1개의 기판 트레이(47)에 대해서 1개씩 오목부(37)가 형성되고, 각각의 기판 트레이(47)에 1매씩 SiC 벌크 기판(36)을 지지할 수 있게 되어 있다. 상술한 바와 같이, 기판 트레이(47)는 서로 거의 평행하게 되도록 설치되어 있기 때문에, 기판 트레이(47)로 지지되는 SiC 벌크 기판(36)끼리도 서로 거의 평행하게 된다. 기판 트레이(47)끼리의 간격은 작업성이나 장치의 컴팩트화의 관점에서 예를 들면 1㎜ 정도로 하면 좋다.
오목부(37)는, 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더(26a)의 경우와 마찬가지이며, 그 깊이는, 오목부(37) 내에 탑재된 SiC 벌크 기판(36)과 기판 트레이(47) 사이에 기계적 단차가 가능한 한 생기지 않도록 설정되는 것이 바람직하다. 오목부(37) 내에는, SiC 벌크 기판(36)이, 에피택셜 성장용의 면이 위쪽을 향하도록 탑재되고, 이 SiC 벌크 기판(36)의 에피택셜 성장용의 면이 환원성 가스의 유로와 접하게 된다.
또, 도 42에서는, 간단화를 위해, 오목부(37)의 형상이 원인 것으로 나타냈지만, 실제로는, SiC 벌크 기판(36)은 통상, 오리엔테이션 플랫이나 인덱스 플랫이라고 하는 직선 영역을 갖기 때문에, 오목부(37)의 형상도 직선 영역을 갖고, SiC 벌크 기판(36)의 외형과 거의 상사형으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 도 42에서는, 기판 트레이(47)의 형상이 원 형상인 것으로 나타냈지만, 원 형상으로만 한정되지 않는다.
기판 홀더(26c)의 재질은, 본 발명의 실시 형태 8에 있어서의 기판 홀더(26a)와 마찬가지이며, 예를 들면, 기판 홀더(26c)의 기판 트레이(47) 및 트레이 지지봉(48)의 본체 부분을 고순도의 그라파이트(탄소)로 형성하고, 이 본체 부분의 표면에 SiC 또는 TaC의 층을 코팅하여 기판 홀더(26c)를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 형태 10에서는, 상술한 기판 홀더(26c)에 SiC 벌크 기판(36)을 설치하고, 열처리 장치의 처리실(2) 내에 고정하여 열처리를 행한다. 여기서는, 열처리 장치는, 예를 들면, 기판 홀더(26c)를 덮는 통 모양의 형상으로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 환원성 가스는 기판 트레이(47)에 탑재된 SiC 벌크 기판(36)의 표면에 충분한 양이 공급되도록 흘리면 좋다. 예를 들면, 도 42에서의 좌측 위쪽에 도입 노즐(2)을 설치하고, 우측 아래쪽에 배출 노즐(6)을 설치하면, 각 SiC 벌크 기판(36)의 표면을 따라 층류(層流)로 되어 환원성 가스를 흘릴 수 있다.
한편, 트레이 지지봉(48)의 근방에서는, 트레이 지지봉(48)이 환원성 가스의 흐름을 방해하기 때문에, 다른 영역보다 난류가 발생하기 쉬워져, 난류가 발생하기 쉬운 영역의 체적은, 열적인 요동이나 환원성 가스 유량의 요동 등의 영향에 의해, 열처리 중에 시시각각으로 변동한다. 열처리에 의해서 SiC 벌크 기판(36)의 표면으로부터 제거된 SiC 더스트가, 트레이 지지봉(48)의 근방에서 발생한 난류에 취입되면, 이 난류 영역 내에 장시간 머물어, 열처리 완료 후의 SiC 벌크 기판(36)의 표면에 재차 부착될 가능성이 있다.
그러나, 난류가 발생하는 영역은 트레이 지지봉(48)의 근방으로 한정되기 때문에, 트레이 지지봉(48)으로부터 충분히 떨어진 개소에 SiC 벌크 기판(36)을 설치하면 상술한 바와 같은 SiC 더스트가 재부착될 가능성을 작게 할 수 있다. 트레이 지지봉(48)으로부터, 즉, 기판 트레이(47)의 외주로부터 예를 들면 5㎜ 정도 내측으로 떨어진 영역에서는, 난류는 거의 생기지 않기 때문에, 트레이 지지봉(48)의 근방에서 발생한 난류의 영향에 의해서, SiC 벌크 기판(36)의 표면으로부터 한번 제거된 SiC 더스트가 SiC 벌크 기판(36)의 표면에 재부착되는 것을 막기 위해서는, 기판 트레이(47)의 외주와 SiC 벌크 기판(36)의 외주의 거리가 5㎜보다 커지도록 하면 좋다.
한편, 기판 트레이(47)의 외주와 SiC 벌크 기판(36)의 외주의 거리를 너무 크게 하면, 즉, SiC 벌크 기판(36)의 크기에 대해서 기판 트레이(47)를 너무 크게 하면, 열처리에서 가열해야 하는 체적이 커져 가열 효율이 나빠진다. 가열 효율의 관점에서는, 기판 트레이(47)의 외주와 SiC 벌크 기판(36)의 외주의 거리는 100㎜보다 작아지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 트레이 지지봉(48)의 근방에서의 난류의 발생을 더 억제하기 위해서는, 열처리 중에, 환원성 가스의 유량을 변동시켜, 난류가 발생하는 지표로 되는 이른바 레이놀드수를 실효적으로 변화시키면 좋다. 환원성 가스의 유량을 변동시키는 방법으로서는, 예를 들면 불규칙하게 변화시키면 효과적이다.
본 발명의 실시 형태 10에서는, 이상과 같이, 서로 거의 평행한 기판 트레이(47) 상에, 즉, 서로 거의 평행한 평면 상에, 각각 SiC 벌크 기판(36)을 지지한 것에 의해, 처리실(2) 내에서 SiC 벌크 기판(36)이 적층되도록 나열되기 때문에, 복수의 SiC 벌크 기판(36)을 동일한 평면 상에 나열하는 경우와 비교하여, 열처리 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
기판 트레이(47)의 외주와 SiC 벌크 기판(36)의 외주의 거리가, 5㎜보다 크고, 100㎜보다 작아지도록 설정한 것에 의해, SiC 벌크 기판(36)의 표면으로부터 한번 이탈한 SiC 더스트가 난류의 영향에 의해서 재차 SiC 벌크 기판(36)의 표면에 부착될 가능성을 낮게 할 수 있다. 또, 열처리시의 가열 효율의 저하도 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 실시 형태 10에서는, 1개의 기판 트레이(47)에 대해서 1매의 SiC 벌크 기판(36)을 탑재했지만, 1개의 기판 트레이(47)에 대해 복수의 SiC 벌크 기판(36)을 탑재하더라도 좋다.
또한, 본 발명의 실시 형태 10에서는, 기판 홀더(26c)의 기판 트레이(47)와 트레이 지지봉(48)을 다른 부재로 했지만, 기판 트레이(47)와 트레이 지지봉(48)이 일체로 된 1개의 부재로서 기판 홀더(26c)를 형성하더라도 좋다. 또한, 다른 부재로서 형성하는 경우에도, 트레이 지지봉(48)의 형상은 봉 형상에 한정되는 일은 없다.
본 발명의 실시 형태 10에서는, 복수의 기판 트레이(47)를 연직(鉛直) 방향으로 적층하도록 배치한, 즉, 복수의 SiC 벌크 기판(36)이 연직 방향으로 나열되도록 하였다. 그러나, 반드시 복수의 SiC 벌크 기판(36)을 연직 방향으로 나열하도록 할 필요는 없으며, 예를 들면 도 42에 나타내는 기판 홀더(26c)를 90° 회전시켜 배치하고, SiC 벌크 기판(36)의 표면이 각각, 연직 방향과 거의 평행하게 되도록 하더라도 좋다. 이렇게 하면, SiC 벌크 기판(36)을 탑재하는 기판 트레이(47)의 수가 많은 경우, 예를 들면 10매 이상인 경우, 기판 홀더(26c) 및 열처리 장치가 장척화(長尺化)되지만, 연직 방향으로 적층하는 경우와 비교하여, 기판 홀더(26c) 및 열처리 장치가 기계적으로 안정된다. 따라서, 진동 등이 열처리 장치에 미치는 영향을 경감할 수 있다. 또, 이 경우, 기판 트레이(47) 상에 탑재한 SiC 벌크 기판(36)이 떨어지지 않도록 고정하는 것이 바람직하다.
또한, 기판 홀더(26c)의 형상도 도 42에 나타내는 형상에 한정되는 일은 없으며, 예를 들면, 직방체(直方體)에 하프 파이프 형상의 오목형 가공을 실시하고, 이 하프 파이프 형상의 부분에 SiC 벌크 기판(36)을 찔러넣어 지지하는 구성으로 하더라도 좋다.
이상, 본 발명의 실시 형태 1~10을 상세하게 개시하여 기술하였지만, 이상의 기술은 본 발명의 적용 가능한 국면을 예시한 것으로, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 기술한 국면에 대한 여러 가지 수정이나 변형예를, 본 발명의 범위로부터 일탈하는 일이 없는 범위 내에서 고려하는 것이 가능하다.
1a, 1b: 열처리 장치 2: 처리실
3: 도입 노즐 6: 배출 노즐
16: 환원성 가스의 유로 17: 유도 가열 코일
18: 유도 가열 코일 26a~26c: 기판 홀더
27: 단차 경감 부재 28: 단차 경감 부재
36: SiC 벌크 기판 47: 기판 트레이
48: 트레이 지지봉

Claims (33)

  1. <0001>면으로부터의 경사각이 5도보다 작은 탄화규소 벌크 기판을 환원성 가스 분위기 중에서 제 1 온도 T1 및 처리 시간 t의 조건에서 어닐하는 제 1 공정과,
    상기 환원성 가스 분위기 중에서 기판 온도를 저하시키는 제 2 공정과,
    상기 제 1 공정에서의 어닐 온도 T1보다 낮은 제 2 온도 T2에서 적어도 실리콘 원자를 포함하는 가스와 탄소 원자를 포함한 가스를 공급하여 에피택셜 성장시키는 제 3 공정
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 온도 T1은 상기 제 2 온도 T2에 대해 75℃ 이상 높은 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    에피택셜 성장을 CVD법에 따라 행하는 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 한에 있어서,
    상기 실리콘 원자를 포함하는 가스는 모노실란 가스이고,
    상기 탄소 원자를 포함하는 가스는 프로판인 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원성 가스가 수소로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화규소 벌크 기판은 4H-SiC로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 공정의 처리 시간 t는 10초 이상 180초 이하인 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 공정에서 어닐 효과가 발현되는 가장 낮은 어닐 온도를 오프셋 온도 To로 한 경우에, (T1-To)×t가 0~21000의 범위 내인 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (T1-To)×t는 500~13500의 범위 내인 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 공정에서 형성된 에피택셜 성장층 중의 N형 잔류 불순물 농도는 2×1016㎝-3 이하인 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 공정에서 공급하는 전체 가스 중에 포함되는 탄소 원자수와 실리콘 원자수의 비를 C/Si비로 하고, 상기 C/Si비는 0.45 이상 또한 1.4 미만인 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 C/Si비는 1.17 이상 또한 1.4 미만인 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 온도 T2는 1325℃ 이상 또한 1500℃ 미만인 것
    을 특징으로 하는 탄화규소 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 따라 제작된
    탄화규소 에피택셜 웨이퍼.
  15. <0001>면으로부터의 경사각이 5도보다 작은 탄화규소 벌크 기판을 환원성 가스 분위기 중에서 제 1 온도 T1 및 처리 시간 t의 조건에서 어닐하는 제 1 공정과,
    상기 환원성 가스 분위기 중에서 상기 탄화규소 벌크 기판의 온도를 상기 제 1 온도 T1보다 낮은 제 3 온도 T3까지 저하시키는 제 2 공정과,
    상기 환원성 가스의 공급을 정지하는 제 3 공정과,
    상기 탄화규소 벌크 기판의 온도를 상기 제 3 온도 T3보다 낮은 온도로 저하시키는 제 4 공정
    을 구비한 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 온도 T1은 1550℃ 이상인 것
    을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판의 제조 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 제 3 온도 T3은 900℃ 이하인 것
    을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판의 제조 방법.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원성 가스는 수소로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판의 제조 방법.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화규소 벌크 기판은 4H-SiC로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판의 제조 방법.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 시간 t는 10초 이상 180초 이하인 것
    을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판의 제조 방법.
  21. 제 15 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 공정에서 어닐 효과가 발현되는 가장 낮은 어닐 온도를 오프셋 온도 To로 한 경우에, (T1-To)×t는 0~21000의 범위 내인 것
    을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판의 제조 방법.

  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 (T1-To)×t는 500~13500의 범위 내인 것
    을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판의 제조 방법.
  23. 제 15 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화규소 벌크 기판을 대기압 또한 30℃ 이하에서, 60분 이상 유지하는 제 4 공정을 구비한 것
    을 특징으로 하는 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판의 제조 방법.
  24. 청구항 15 내지 23 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 따라 제조된
    에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판.
  25. 탄화규소 벌크 기판을 환원성 가스 분위기에서 열처리하기 위한 처리실과,
    상기 처리실 내에 상기 환원성 가스를 도입하기 위한 환원성 가스 도입부와,
    상기 처리실 내에서 상기 탄화규소 벌크 기판을 지지하기 위한 기판 지지구와,
    상기 처리실 밖으로 상기 환원성 가스를 배출하기 위한 환원성 가스 배출부와,
    상기 처리실 내의 상기 환원성 가스가 흐르는 방향에 대해 상기 기판 지지구보다 상류측에 상기 기판 지지구와 인접하여 설치된 단차 경감 부재와,
    상기 탄화규소 벌크 기판을 가열하기 위한 가열 장치
    를 구비하되,
    상기 기판 지지구의 상기 환원성 가스의 유로와 접하는 면과, 상기 단차 경감 부재의 상기 환원성 가스의 유로와 접하는 면은 거의 동일한 평면 상에 존재하는
    열처리 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 기판 지지구는 상기 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행한 평면 상에 복수의 상기 탄화규소 벌크 기판이 2차원 면심 격자 형상으로 나열되도록 상기 복수의 탄화규소 벌크 기판을 지지하는 것
    을 특징으로 하는 열처리 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 기판 지지구는 격자의 1변이 상기 환원성 가스가 흐르는 방향과 거의 평행하게 되는 2차원 면심 격자 형상으로 상기 복수의 탄화규소 벌크 기판이 나열되도록 상기 복수의 탄화규소 벌크 기판을 지지하는 것
    을 특징으로 하는 열처리 장치.
  28. 제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 지지구는, 상기 탄화규소 벌크 기판의 에피택셜 성장용의 면이 아래쪽을 향하고, 또한, 상기 에피택셜 성장용의 면이 상기 환원성 가스의 유로에 접하도록 상기 탄화규소 벌크 기판을 지지하는 것
    을 특징으로 하는 열처리 장치.
  29. 제 25 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 지지구는 적어도 표면에 탄화규소, 탄화 탄탈 또는 탄소로 형성된 층을 갖는 것
    을 특징으로 하는 열처리 장치.
  30. 제 25 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단차 경감 부재는 적어도 표면에 탄화규소, 탄화탄탈 또는 탄소로 형성된 층을 갖는 것
    을 특징으로 하는 열처리 장치.
  31. 제 25 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단차 경감 부재는 상기 처리실의 내벽의 일부로서 형성된 것
    을 특징으로 하는 열처리 장치.
  32. 제 25 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 지지구는, 서로 거의 평행한 복수의 평면 상에, 각각 상기 탄화규소 벌크 기판을 지지하는 것
    을 특징으로 하는 열처리 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 기판 지지구는 1개의 상기 평면 상에 1매의 상기 탄화규소 벌크를 지지하고,
    상기 기판 지지구의 외주와 상기 탄화규소 벌크 기판의 외주의 거리는 5㎜보다 크고 100㎜보다 작은 것
    을 특징으로 하는 열처리 장치.
KR1020127029309A 2010-05-10 2011-03-18 탄화규소 에피택셜 웨이퍼 및 그 제조 방법, 에피택셜 성장용 탄화규소 벌크 기판 및 그 제조 방법 및 열처리 장치 KR101412227B1 (ko)

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