KR20130082439A

KR20130082439A - 탄화규소 기판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20130082439A
Application number: KR1020127008002A
Authority: KR
Inventors: 다케요시 마스다; 사토미 이토; 신 하라다; 마코토 사사키
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2013-07-19
Also published as: US20120168774A1; WO2011148843A1; JP2011246315A; TW201207173A; CA2775065A1; CN102597338A

Abstract

탄화규소 기판을 이용한 반도체 장치의 제조 비용의 저감을 실현할 수 있는 탄화규소 기판 및 그 제조 방법을 얻을 수 있다. SiC 결합 기판의 제조 방법은, 복수 개의 탄화규소(SiC)로 이루어지는 단결정체를 준비하는 공정(S10)과, 집합체를 형성하는 공정(S20)과, 단결정체끼리를 접속하는 공정(S30)과, 집합체를 슬라이스하는 공정(S60)을 포함한다. 공정(S20)에서는, 복수 개의 SiC 단결정 잉곳을, 규소(Si)를 포함하는 Si층을 사이에 두고 나란하도록 배치하여 단결정체의 집합체를 형성한다. 공정(S30)에서는, 집합체를 가열함으로써 Si층의 적어도 일부를 탄화규소화하고, Si층에서 탄화규소화된 부분에 의해 인접하는 SiC 단결정 잉곳끼리를 접속한다. 공정(S60)에서는, SiC 단결정 잉곳끼리가 접속된 집합체를 슬라이스한다.

Description

탄화규소 기판 및 그 제조 방법{SILICON CARBIDE SUBSTRATE AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 탄화규소 기판 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 특정적으로는, 복수 개의 단결정 영역이 접합층을 통해 접합된 탄화규소 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 반도체 장치의 고내압화, 저손실화, 고온 환경 하에서의 사용 등을 가능하게 하기 위해, 반도체 장치를 구성하는 재료로서 탄화규소의 채용이 진행되고 있다. 탄화규소는, 종래로부터 반도체 장치를 구성하는 재료로서 널리 사용되고 있는 규소에 비해 밴드 갭이 큰 와이드 밴드 갭 반도체이다. 따라서, 반도체 장치를 구성하는 재료로서 탄화규소를 채용함으로써, 반도체 장치의 고내압화, 온 저항의 저감 등을 달성할 수 있다. 또한, 탄화규소를 재료로서 채용한 반도체 장치는, 규소를 재료로서 채용한 반도체 장치에 비해, 고온 환경 하에서 사용된 경우의 특성의 저하가 작다는 이점도 가지고 있다.

이러한 상황 하에서, 반도체 장치의 제조에 사용되는 탄화규소 결정 및 탄화규소 기판의 제조 방법에 대해서는 다양한 검토가 이루어져, 다양한 아이디어가 제안되고 있다(예를 들면, M. Nakabayashi 외,“Growth of Crackfree 100mm-diameter 4HSiC Crystals with Low Micropipe Densities, Mater. Sci. Forum, vols. 600603, 2009년, p. 3-6.(비 특허 문헌 1) 참조).

비 특허 문헌 1 : M. Nakabayashi 외,"Growth of Crackfree 100mm-diameter 4HSiC Crystals with Low Micropipe Densities, Mater. Sci. Forum, vols. 600603, 2009년, p. 3-6.

그러나, 탄화규소는 상압에서 액상을 갖지 않는다. 또한, 결정 성장 온도가 2000℃ 이상으로 매우 높아, 성장 조건의 제어나 그 안정화가 어렵다. 따라서, 탄화규소 단결정은, 고품질을 유지하면서 대구경화하기가 어려워, 대구경의 고품질의 탄화규소 기판을 얻기는 쉽지 않다. 그리고, 대구경의 탄화규소 기판의 제작이 어려운 것에 기인하여, 탄화규소 기판의 제조 비용이 상승할 뿐만 아니라, 그 탄화규소 기판을 이용하여 반도체 장치를 제조함에 있어서는 1 배치(batch) 당 생산 갯수가 적어져, 반도체 장치의 제조 비용이 비싸진다는 문제가 있었다. 또한, 제조 비용이 비싼 탄화규소 단결정을 기판으로서 유효하게 이용함으로써, 반도체 장치의 제조 비용을 저감할 수 있는 것이라고 생각된다.

따라서, 본 발명의 목적은 탄화규소 기판을 이용한 반도체 장치의 제조 비용의 저감을 실현할 수 있는 탄화규소 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 탄화규소 기판의 제조 방법은, 복수 개의 탄화규소(SiC)로 이루어지는 단결정체를 준비하는 공정과, 집합체를 형성하는 공정과, 단결정체끼리를 접속하는 공정과, 집합체를 슬라이스하는 공정을 포함한다. 집합체를 형성하는 공정에서는, 복수 개의 단결정체를, 규소(Si)를 포함하는 접합층을 사이에 두고 나란하도록 배치하여 단결정체의 집합체를 형성한다. 단결정체끼리를 접속하는 공정에서는, 집합체를 가열함으로써 접합층의 적어도 일부를 탄화규소화하고, 접합층에서 탄화규소화된 부분에 의해 접합층을 통해 인접하는 단결정체끼리를 접속한다. 집합체를 슬라이스하는 공정에서는, 단결정체끼리가 접속된 집합체를 슬라이스한다.

이와 같이, 복수 개의 단결정체를 탄화규소화된 접합층에 의해 접속하여 탄화규소가 큰 잉곳을 형성하고 나서 그 잉곳을 슬라이스함으로써, 단일의 단결정체를 슬라이스하여 얻어지는 사이즈보다 큰 사이즈의 탄화규소 기판을 복수 장 효율적으로 얻을 수 있다. 따라서, 사이즈가 큰 탄화규소 기판을 이용하여 반도체 장치를 제조하면, 한 장의 탄화규소 기판에 형성할 수 있는 반도체 장치(칩)의 수를 종래보다 많게 할 수 있다. 이 결과, 반도체 장치의 제조 비용을 저감할 수 있다.

또한, 상기와 같이 큰 잉곳을 형성하고, 그 잉곳을 슬라이스함으로써 본 발명에 따른 탄화규소 기판을 얻으므로, 비교적 두께가 얇은 단결정체를 접합하여 탄화규소 기판을 한 장씩 형성하는 경우보다, 한 번에 복수 장의 탄화규소 기판을 제조할 수 있다. 따라서, 탄화규소 기판의 제조 비용도, 단결정체를 접합하여 한 장씩 탄화규소 기판을 형성하는 경우보다 저감할 수 있다.

본 발명에 따른 탄화규소 기판은, 탄화규소로 이루어지는 복수 개의 단결정 영역과 접속층을 구비한다. 접속층은, 탄화규소로 이루어지고, 복수 개의 단결정 영역 사이에 위치하여 단결정 영역끼리를 접속한다. 단결정 영역은, 탄화규소 기판의 제1 주표면으로부터 그 제1 주표면과 반대측에 위치하는 제2 주표면에까지 도달하도록 형성되어 있다. 단결정 영역에서의 결정성은, 제1 주표면으로부터 제2 주표면까지의 두께 방향에서 실질적으로 동일하다. 복수 개의 단결정 영역에서는, 제1 주표면에서의 결정 방위가 서로 상이하게 되어 있다. 접속층은 단결정 영역보다 결정성이 떨어진다.

이와 같이 하면, 복수 개의 단결정 영역이 접합층에 의해 접속된 상태로 되어 있으므로, 단일의 단결정 영역을 포함하는 탄화규소 기판보다 주표면의 면적이 큰 탄화규소 기판을 실현할 수 있다. 따라서, 반도체 장치를 형성할 때 한 장의 탄화규소 기판으로부터 보다 많은 반도체 장치를 얻을 수 있으므로, 반도체 장치의 제조 비용을 저감할 수 있다.

또한, 단결정 영역에서는, 제1 주표면으로부터 제2 주표면까지 두께 방향으로 대략 결정성이 동일하게 되어 있으므로, 종형 디바이스를 형성하는 경우에 그 탄화규소 기판의 두께 방향에서의 특성이 문제가 되지 않는다.

본 발명에 따르면, 반도체 장치의 제조 비용을 저감할 수 있는 탄화규소 기판 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 기판의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시한 탄화규소 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 도 2의 선분 III-III에서의 단면 모식도이다.
도 4는 도 1에 도시한 탄화규소 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 도 1에 도시한 탄화규소 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 도 1에 도시한 탄화규소 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 도 1에 도시한 탄화규소 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 도 1에 도시한 탄화규소 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 도 1에 도시한 공정(S20)에서의 SiC 단결정 잉곳의 배치의 다른 예를 설명하기 위한 평면 모식도이다.
도 10은 도 1에 도시한 공정(S20)에서의 SiC 단결정 잉곳의 배치의 다른 예를 설명하기 위한 평면 모식도이다.
도 11은 도 1의 공정(S20)에서의 프로세스의 변형예를 도시한 단면 모식도이다.
도 12는 도 1의 공정(S20)에서의 프로세스의 다른 변형예를 도시한 단면 모식도이다.
도 13은 도 1의 공정(S20)에서의 프로세스의 다른 변형예를 도시한 단면 모식도이다.
도 14는 도 1의 공정(S20)에서의 프로세스의 다른 변형예를 도시한 단면 모식도이다.
도 15는 도 1의 공정(S20)에서의 프로세스의 다른 변형예를 도시한 단면 모식도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 덧붙여, 이하의 도면에서 동일 또는 해당하는 부분에는 동일한 참조 번호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.

도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 탄화규소 기판의 제조 방법을 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 먼저 복수 개의 단결정체를 준비하는 공정(S10)을 실시한다. 구체적으로는, 도 2에 도시한 바와 같이, 탄화규소(SiC) 단결정 잉곳(1)을 복수개 준비한다.

다음, 규소 함유층을 통해 복수 개의 단결정체를 나란히 배치하는 공정(S20)을 실시한다. 구체적으로는, 도 2에 도시한 바와 같이, 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)을, 서로 대향하는 단면(端面)이 Si층(2)을 개재하여 접촉하도록 배치한다. 여기서, 도 2는, SiC 단결정 잉곳(1)을, Si층(2)을 개재하여 접촉하도록 나란히 배열함으로써 구성되는 집합체를 도시한 사시 모식도이다. 도 2 및 도 3으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 이 공정(S20)에서는, SiC 단결정 잉곳(1)이, 서로 대향하는 단면이 각각 Si층(2)에 접촉한 상태로 배치되어 있다. Si층(2)으로서는, Si를 주성분으로 하는 층이면 임의의 형태의 층을 사용할 수 있다. 예를 들면, Si층(2)으로서, Si를 주성분으로 하는 시트형 부재, 혹은 Si 기판을 정해진 형상으로 절단한 것 등을 사용해도 된다. 또한, SiC 단결정 잉곳(1)의 단면에, 예를 들면 CVD법 등을 이용하여 Si막을 형성하여, 그 Si막을 Si층(2)으로서 이용해도 된다.

또한, 도 2에 도시한 바와 같이 나란히 배열된 SiC 단결정 잉곳(1)은, 그 결정 방위가 대략 맞추어져 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 2에 도시한 집합체에서, SiC 단결정 잉곳(1)의 상측의 주표면(상부 표면)이 C면 또는 Si면, 혹은 다른 임의의 결정면으로 되어 있어도 된다. 또, 이와 같이 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)의 결정 방위가 맞추어져 있는 것이 바람직한데, 가공 공정에서의 오차 등으로 인해 이들의 결정 방위를 완전히 일치시키기는 어렵다. 따라서, 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)의 결정 방위에 대해서는, 예를 들면 하나의 기준으로 하는 SiC 단결정 잉곳(1)의 정해진 결정 방위에 대한, 다른 SiC 단결정 잉곳(1)의 대응하는 결정 방위의 어긋남 각도(교차 각도)가 5°이내, 보다 바람직하게는 1° 이내인 것이 바람직하다.

다음, 도 1에 도시한 바와 같이, 탄소를 포함하는 분위기 중에서 열처리하는 공정(S30)을 실시한다. 구체적으로는, 분위기에 탄소를 포함하는 가스를 이용하여 상기 집합체를 가열한다. 예를 들면, 분위기 가스로서, 아세틸렌, 프로판 등의 탄화 수소 가스를 사용하고, 분위기 압력을 1Pa 이상 대기압 이하 정도로 하고, 가열 온도를 1400℃ 이상 1900℃ 이하, 가열 유지 시간을 10분 이상 6시간 이하 정도로 한 조건의 열처리를 실시해도 된다.

그 결과, 도 4에 도시한 바와 같이, Si층(2)(도 3 참조)의 상단부 및 하단부에서, 분위기로부터 공급되는 탄소와 Si층(2) 중의 규소가 반응함으로써 SiC층(3)이 형성된다. 여기서, 도 4는 도 1의 공정(S30)에서의 처리 대상물인 집합체의 상황을 설명하기 위한 단면 모식도이다. 또한, 도 4는 도 3에 대응한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 인접하는 SiC 단결정 잉곳(1)끼리가 SiC층(3)에 의해 접속된 상태가 된다. 이 SiC층(3)은, Si층(2)의 일부가 용융되어 SiC가 액상 성장함으로써 형성되어도 된다. 덧붙여, SiC층(3)을 형성하기 위해, 임의의 열처리 조건을 이용할 수 있다.

다음, 도 1에 도시한 바와 같이, SiC부를 확대하는 공정(S40)을 실시한다. 구체적으로는, 열처리에 의해 도 4에 도시한 SiC층(3) 사이에 잔존하는 Si층(2)(도 4 참조)을 도 5에 도시한 바와 같이 SiC층(4)으로 변환한다.

이 공정(S40)에서는, Si층(2)을 SiC층(4)으로 변환하기 위해 임의의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, SiC 단결정 잉곳(1) 사이의 간극(SiC층(4)이 형성되어야 할 영역)을 따라(도 5의 상하 방향, 혹은 집합체의 두께 방향을 따라) 온도 구배를 형성하고, 소위 근접 승화법을 이용하여 SiC층(3) 측으로부터 Si층(2) 측으로 SiC층을 성장시켜도 된다. 또한, 그 간극의 도 5의 상하 방향을 따라 온도 분포를 형성하고, 용액 성장에 의해 SiC층(3) 측으로부터 SiC를 성장시켜도 된다. 또한, 이 공정(S40)에서는, 분위기 가스로서 예를 들면 아세틸렌, 프로판 등의 탄화규소 가스를 사용하고, 분위기 압력을 1Pa 이상 대기압 이하로 하고, 가열 온도를 1400℃ 이상 1900℃ 이하, 가열 유지 시간을 10분 이상 6시간 이하로 한 조건의 열처리를 실시해도 된다.

다음, 도 1에 도시한 바와 같이, 후처리 공정(S50)을 실시한다. 구체적으로는, 전술한 바와 같이 Si층(2)(도 2 참조)으로부터 SiC층(3, 4)으로 변환된 영역(이하, 접합층이라고도 함)으로부터 잔존해 있는 규소(Si)를 제거함으로써, 그 접합층의 주성분을 SiC로 한다. 이 공정(S50)에서는, 예를 들면 도 6에 도시한 바와 같이, 열처리로(10)의 내부에 SiC 단결정 잉곳(1)과 전술한 접합층을 포함하는 집합체를 서셉터(11) 상에 탑재하고, 열처리로(10)의 내부를 감압 분위기로 한 상태에서, 히터(12)에 의해 서셉터(11)를 통해 그 집합체를 가열한다. 덧붙여, 열처리로(10)의 내부는, 그 열처리로(10)에 접속된 배관(14)을 통해 진공 펌프(13)에 의해 내부의 분위기 가스를 배출함으로써 그 압력을 조정할 수 있다. 이 결과, 전술한 접합층으로부터 규소가 승화하여, 그 접합층에서의 주성분을 SiC로 할 수 있다.

덧붙여, 이 후처리 공정(S50)에서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 불질산 용액(21)에 SiC 단결정 잉곳(1)과 접합층을 포함하는 집합체(접합 잉곳이라고도 함)를 침지하여, 그 접합층으로부터 규소를 제거해도 된다. 여기서, 도 6은 후처리 공정(S50)에서의 프로세스의 예를 설명하기 위한 모식도이고, 도 7은 후처리 공정(S50)에서의 프로세스의 다른 예를 설명하기 위한 모식도이다.

다음, 도 1에 도시한 바와 같이, 슬라이스 공정(S60)을 실시한다. 구체적으로는, 전술한 공정(S10) 내지 (S50)에 의해 얻어진, 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)을 접속층에 의해 접속한 집합체(접합 잉곳)로부터, 임의의 면방위가 주표면에서 표출되는 SiC 결합 기판(30)(도 8 참조)을 잘라낸다. 이 결과, 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 영역(31)과 제2 영역(32)이 결합 영역(combining region)(33)에 의해 접속된 결합 기판인 SiC 결합 기판(30)을 얻을 수 있다. 또한, 이 공정(S60)에서 사용하는 장치는 와이어 소(wire saw)나 블레이드(예를 들면 내주날 블레이드나 외주날 블레이드 등)를 이용한, 종래 주지의 임의의 절단 장치를 이용할 수 있다. 이와 같이 하여 본 발명에 따른 SiC 결합 기판(30)을 얻을 수 있다.

여기서, 도 8에 도시한 결합 영역(33)은, 도 6에 도시한 SiC층(3, 4)에 대응한다. 또한, 제1 영역(31)과 제2 영역(32)은 각각 도 6에 도시한 SiC 단결정 잉곳(1)의 일부이다. 그리고, 제1 영역(31)과 제2 영역(32)은, 정해진 결정 방위(예를 들면 <0001> 방향)가 서로 어느 정도 맞추어져는 있지만, 완전히 평행하게는 되어 있지 않다. 이러한 결정 방위의 차이는, 예를 들면 X선 회절에 의한 특정 면의 회절 방위 측정에 의해 검출할 수 있다. 예컨대, 극점도법(pole figure method)에 의한 전천(全天, omnidirectional) 방위 측정에 의한 피크 방위의 어긋남을 검출한다는 방법에 의해 전술한 결정 방위의 차이를 확인할 수 있다.

또한, 제1 영역(31)과 제2 영역(32)은 그 두께 방향에서의 결정성이 대략 동일하게 되어 있다. 여기서, 결정성이란, XRD 평가에 의해 측정되는, 회절 각도의 반치폭에 의해 평가할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이 "결정성이 두께 방향에서 대략 동일"이란, 구체적으로는 상기 데이터의 상기 두께 방향에서의 변동이 정해진 값 이하로 되어 있는(예를 들면, 데이터의 변동이 평균치에 대해 ±10% 이내인) 것을 의미한다. 또한, 상기 결정성의 평가 방법에 기초하여 측정하면, 제1 영역(31) 및 제2 영역(32)보다 결합 영역(33)의 결정성은 떨어져 있다.

또, 도 1에 도시한 공정(S20)에서는, 도 2에 도시한 바와 같이 SiC 단결정 잉곳(1)을 매트릭스형으로 복수 열×복수 행 배치하는 구성으로 했지만, 다른 배치로 해도 된다. 도 9 및 도 10을 참조하여, SiC 단결정 잉곳(1)의 집합체의 구성의 변형예를 설명한다. 또한, 도 9 및 도 10은 SiC 단결정 잉곳(1)을 복수 개 모아 형성한 집합체의 평면 모식도이다.

예를 들면, 도 9에 도시한 바와 같이, 도 1의 공정(S20)에서의 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)을 포함하는 집합체는, 정해진 방향(도 9에서 상하 방향을 따른 방향)으로 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)이 Si층(2)을 개재하여 나란한 열이, 복수 열(도 9에서는 2열이지만 3열 이상이어도 된다) 서로 Si층(2)을 개재하여 그 Si층(2)과 접촉한 상태로 되어 있다. 그 집합체에서는 각 열에서의 Si층(2)의 그 정해진 방향에서의 위치가 각 열마다 상이하도록 한 구성이어도 된다. 이 경우, Si층(2)이 SiC 단결정 잉곳(1)의 코너부에서 3 방향으로 연장되는 구성으로 되어 있다. 한편, 도 2 및 도 3에 도시한 집합체에서의 SiC 단결정 잉곳(1)의 배치에서는, 그 코너부로부터 Si층(2)이 4 방향으로 연장된 상태가 된다. 따라서, 도 9에 도시한 배치 쪽이, 그 코너부에 인접하는 Si층(2)의 체적을 적게 할 수 있다. 이 결과, SiC 단결정 잉곳(1)끼리를 (Si층(2)에 유래하는)SiC층(3, 4)으로 접속하는 구조로 하는 경우에, Si층(2)의 체적이 하나의 상기 코너부 근방에서 커지기 때문에, Si층(2)으로부터 SiC층(3, 4)이 충분히 형성되지 않는다(SiC층(3, 4)에 의해 인접하는 SiC 단결정 잉곳(1)끼리를 충분히 접합하는 접속 구조를 형성할 수 없다)는 문제의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 도 1의 공정(S20)에서의 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)을 포함하는 집합체에서는, 도 10에 도시한 바와 같은 배치를 채용해도 된다. 도 10에서는, SiC 단결정 잉곳(1)의 평면 형상은 육각 형상으로 되어 있다. 그리고, 이 평면 형상이 육각 형상인(즉 육각 기둥형의 외형을 갖는) SiC 단결정 잉곳(1)의 단면이 Si층(2)을 개재하여 접촉하도록 집합체가 구성되어 있다. 이러한 구성에 의해서도, SiC 단결정 잉곳(1)의 하나의 코너부에서는 Si층(2)이 3 방향으로 연장되도록 되어 있으므로, 도 9에 도시한 집합체와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 전술한 탄화규소 기판의 제조 방법에서는, 공정(S20)에서, 접합층이 되어야 할 층인 Si층(2) 상을 덮도록 캡 부재(5)를 도 11 또는 도 12에 도시한 바와 같이 배치되어도 된다. 또, 도 11 및 도 12는 도 3에 대응한다. 이하, 도 11 및 도 12를 참조하여, 도 1의 공정(S20)에서의 SiC 단결정 잉곳(1)을 포함하는 집합체의 구성의 변형예를 설명한다.

도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 가공 대상물인 SiC 단결정 잉곳(1) 사이에 Si층(2)을 배치한 가공 대상물인 집합체에서는, 그 Si층(2) 상을 덮도록 캡 부재(5)를 배치해도 된다. 이 캡 부재(5)로서는, 예를 들면 SiC제의 기판을 사용할 수 있다. 캡 부재(5)의 평면 형상은, 기본적으로는 Si층(2)의 평면 형상을 따라 그 Si층(2)의 상부 단면을 덮는 구성이면 임의의 형상으로 할 수 있다. 예를 들면, 비교적 작은 사이즈의 기판(예를 들면 SiC 기판)을 Si층(2)의 상단을 따라 복수 개 나란하도록 배치해도 된다. 이와 같이 하면, Si층(2)을 SiC층(3) 등으로 변환하는 열처리를 수행할 때(공정(S30)이나 공정(S40)을 실시할 때), 예를 들면 형성된 SiC층(3, 4) 등으로부터 Si가 승화되어 산실되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 도 12에 도시한 바와 같이, 그 캡 부재(5) 아래에 캡 Si층(6)을 배치해도 된다. 이러한 캡 Si층(6)을 배치함으로써, 캡 부재(5)와 SiC 단결정 잉곳(1) 사이의 밀착성을 보다 향상시킬 수 있다. 또, 캡 Si층(6) 대신 탄소(C)로 이루어지는 층(캡 탄소층)을 배치해도 된다.

또한, 도 13에 도시한 바와 같이, 전술한 캡 부재(5)를 사용하는 대신, 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)을 나란히 배열한 제1 층(41)의 상부 표면을 덮도록, 다른 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)을 나란히 배열한 제2 층(42)을 배치해도 된다. 제1 층(41)과 제2 층(42)은 중간 Si층(7)을 개재하여 적층되어 있다. 제1 층(41) 및 제2 층(42)에서는, 인접하는 SiC 단결정 잉곳(1)의 단면은, 각각 접합층이 되어야 할 Si층(2)과 접촉한 상태로 되어 있다.

이 때, SiC 단결정 잉곳(1)의 단면과 접촉하는 Si층(2)을 평면에서 본 위치를, 제1 층(41)과 제2 층(42)에서 조금 옮겨 놓는(일부만 중첩되고, 다른 대부분의 영역에서는 중첩되지 않도록 해 두는) 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 제1 층(41)에 대해서는, 제2 층(42)을 전술한 캡 부재와 동일한 효과를 이루는 부재로서 이용할 수 있다. 또한, 이와 같이 SiC 단결정 잉곳(1)을 2단 적층 혹은 3단 이상의 복수 단 적층한 구조로 함으로써, 보다 큰 SiC 단결정의 집합체(결합 잉곳)를 얻을 수 있다.

다음, 도 1의 공정(S20)의 다른 변형예를 도 14 및 도 15를 참조하면서 설명한다. 도 14, 도 15는 도 3에 대응한다.

도 14에 도시한 바와 같이, 도 1의 공정(S20)에서는, 베이스재(45) 상에 공극(46)을 개재하여 SiC 단결정 잉곳(1)을 나란히 배치한다. 그리고, 그 공극(46)을 덮도록 캡 Si층(6)을 배치한다. 또한, 캡 Si층(6) 상에 SiC로 이루어지는 캡 부재(5)를 배치한다. 이 상태에서, 도 14에 도시한 집합체 전체를 정해진 온도까지 가열함으로써 캡 Si층(6)을 용융한다. 그 온도는, 캡 Si층(6)이 용융되는 온도(규소의 융점보다 높은 온도)로서, 탄화규소가 승화되는 온도보다 낮은 온도이면 된다. 이 열처리에서는, 예를 들면 가열 온도를 1400℃ 이상 1900℃ 이하, 보다 바람직하게는 1500℃ 이상 1800℃ 이하로 할 수 있다. 그리고, 캡 Si층(6)이 용융됨으로써 형성되는 용융 Si는, 도 14에 도시한 공극(46)으로 흘러들어간다. 그 후, 온도를 규소의 융점 이하에까지 저하시키면, 상기 공극(46)으로 흘러들어간 용융 Si가 다시 고화된다.

이 결과, 도 15에 도시한 바와 같이, SiC 단결정 잉곳(1) 사이의 공극에는 유입 Si층(52)이 고체로서 배치된 상태가 된다. 또한, 전술한 캡 부재(5)는, 유입 Si층(52)의 상부 단면을 덮은 상태로 되어 있다. 이와 같이 하여 도 2 및 도 3에 도시한 SiC 단결정 잉곳(1)을 결합한 상태로 되어야 할 집합체를 얻을 수 있다. 그리고, 이러한 유입 Si층(52)에 대해서도, 도 1에 도시한 공정(S30) 내지 공정(S50)을 실시함으로써 SiC층으로 변환할 수 있다. 이 결과, SiC 단결정 잉곳(1)끼리를 SiC층을 포함하는 접합층(결합층)에 의해 접속한 단결정 잉곳 집합체(결합 잉곳)를 형성할 수 있다. 그리고, 도 1의 공정(S60)을 실시함으로써 SiC 결합 기판을 얻을 수 있다. 또, 전술한 각 실시 형태에서의 구성을 적당히 조합해도 된다.

이하, 전술한 설명과 일부 중복되는 부분도 있지만, 본 발명의 특징적인 구성을 열거한다.

본 발명에 따른 탄화규소 기판의 제조 방법은, SiC 결합 기판의 제조 방법으로서, 복수 개의 탄화규소(SiC)로 이루어지는 단결정체를 준비하는 공정(S10)과, 집합체를 형성하는 공정(도 1의 공정(S20))과, 단결정체끼리를 접속하는 공정(도 1의 공정(S30))과, 집합체를 슬라이스하는 공정(도 1의 공정(S60))을 구비한다. 집합체를 형성하는 공정(S20)에서는, 복수 개의 단결정체(SiC 단결정 잉곳(1))를, 규소(Si)를 포함하는 접합층(Si층(2), 중간 Si층(7), 유입 Si층(52))을 사이에 두고 나란하도록 배치하여 단결정체의 집합체를 형성한다. SiC 단결정 잉곳(1)끼리를 접속하는 공정인 상기 공정(S30)에서는, 집합체를 가열함으로써 접합층(Si층(2), 중간 Si층(7), 유입 Si층(52))의 적어도 일부를 탄화규소화하고, 접합층에서 탄화규소화된 부분에 의해, 접합층을 개재하여 인접하는 SiC 단결정 잉곳(1)끼리를 접속한다. 집합체를 슬라이스하는 슬라이스 공정(S60)에서는, SiC 단결정 잉곳(1)끼리가 접속된 집합체를 슬라이스한다.

이와 같이 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)을, 탄화규소화된 접합층인 SiC층(3, 4)에 의해 접속하여 탄화규소의 큰 잉곳(결합 잉곳)을 형성하고 나서, 그 잉곳을 슬라이스함으로써, 단일의 단결정체를 포함하는 잉곳을 슬라이스하여 얻어지는 사이즈보다 큰 사이즈의 탄화규소 기판(SiC 결합 기판(30))을 복수 장 효율적으로 얻을 수 있다. 그리고, 사이즈가 큰 SiC 결합 기판(30)을 이용하여 반도체 장치를 제조하면, 한 장의 SiC 결합 기판(30)에 형성할 수 있는 반도체 장치(칩)의 수를 종래보다 많게 할 수 있다. 이 결과, 반도체 장치의 제조 비용을 저감할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 큰 잉곳을 형성하여, 그 잉곳을 슬라이스함으로써 본 발명에 따른 탄화규소 기판(SiC 결합 기판(30))을 얻으므로, 비교적 두께가 얇은 단결정체를 접합하여 SiC 결합 기판(탄화규소 기판)을 한 장씩 형성하는 경우보다, 한 번에 복수 장의 SiC 결합 기판을 제조할 수 있다. 따라서, SiC 결합 기판(30)의 제조 비용도, 두께가 얇은 단결정체를 접합하여 한 장씩 탄화규소 기판(SiC 결합 기판)을 형성하는 경우보다 저감할 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법은, 상기 접속하는 공정(도 1의 공정(S30)) 이후이며 상기 슬라이스하는 공정(도 1의 공정(S60) 이전에, 접합층으로부터 규소를 제거하는 공정(도 1의 공정(S50))을 더 구비해도 된다.

이 경우, 접합층인 SiC층(3, 4)에 규소(Si)가 잔존하지 않도록 할 수 있으므로, 그 SiC층(3, 4)(SiC 결합 기판(30)의 결합 영역(33))에 규소가 잔존해 있는 것에 기인하는 문제의 발생을 억제할 수 있다. 예를 들면, 그 접합층을 갖는 탄화규소 기판(SiC 결합 기판(30))의 접합층인 결합 영역(33)에 규소가 잔존해 있으면, SiC 결합 기판(30)에 대한 열처리 등의 시에 그 열처리 온도가 규소의 융점 부근이 된 경우, 결합 영역(33)으로부터 규소가 외부로 방출될 가능성이 있다. 이와 같이 결합 영역(33)으로부터 규소가 외부로 방출되면, 그 결합 영역(33)의 밀도가 내려가 결과적으로 그 결합 영역(33)의 강도가 저하할 가능성이 높아진다. 이와 같이 결합 영역(33)의 강도가 저하하면, SiC 결합 기판(30)이 파손되거나 혹은 방출된 규소가 SiC 결합 기판(30)에의 처리에 대해 악영향을 미친다는 가능성이 있다. 그러나, 상기와 같은 공정(S50)을 실시함으로써, 전술한 문제의 발생을 억제할 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법에서, 상기 접속하는 공정(도 1의 공정(S30))에서는, 액상 성장법(LPE법)을 이용하여 접합층(Si층(2), 중간 Si층(7), 유입 Si층(52))의 적어도 일부를 탄화규소화해도 된다. 이 경우, Si층(2)의 일부를 확실하게 탄화규소화할 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법에서, 접속하는 공정(도 1의 공정(S30))에서는, 접합층(Si층(2) 및 중간 Si층(7))의 일부가 탄화규소화되어 있다. 또한, 상기 탄화규소 기판의 제조 방법은, 접속하는 공정인 도 1의 공정(S30) 이후, 접합층의 연장 방향을 따라(예를 들면 Si층(2)의 연장 방향인 두께 방향을 따라) 온도 구배를 형성하도록 집합체를 가열함으로써, 탄화규소화된 접합층의 일부(SiC층(3))로부터, 접합층에서 탄화규소화되지 않은 부분(예를 들면 도 4의 Si층(2))으로 탄화규소를 성장시키는 공정(도 1의 공정(S40))을 더 포함해도 된다. 또한, 상기 접속하는 공정(도 1의 공정(S30))에서는, 탄소를 함유하는 분위기 중에서 상기 집합체를 가열해도 된다.

이 경우, 탄화규소화된 접합층에서의 탄화규소의 비율을 높일 수 있다. 따라서, 탄화규소화된 접합층(도 6의 SiC층(3, 4): 접속층이라고도 함)에 의한 SiC 단결정 잉곳(1) 간의 접속 강도를 향상시킬 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법에서, 집합체를 형성하는 공정(도 1의 공정(S20))에서는, 접합층(Si층(2), 중간 Si층(7))으로서 규소를 주성분으로 하는 시트형 부재를 사용해도 된다. 이 경우, 시트형 부재를 SiC 단결정 잉곳(1) 사이에 배치함으로써, 용이하게 집합체를 구성할 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법에서, 집합체를 형성하는 공정(도 1의 공정(S20))은, 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)을 도 14에 도시한 바와 같이 간극을 개재하여 나란하도록 배치하는 공정과, 간극을 덮도록 규소를 주성분으로 하는 접합 부재(도 14의 캡 Si층(6))를 배치하는 공정과, 상기 접합 부재(캡 Si층(6))를 가열하여 용융시켜, 용융된 접합 부재를 간극에 유입시킴으로써 접합층(유입 Si층(52))을 형성하는 공정을 포함해도 된다.

이 경우, 용융된 접합 부재가 간극에 유입되므로, 간극의 구석 구석까지 용융된 캡 Si층(6)을 배치할 수 있다. 따라서, 간극을 그 유입 Si층(52)으로 충전할 수 있으므로, 접합 부재(즉 유입 Si층(52))와 SiC 단결정 잉곳(1)의 단면(간극에 나타나는 표면)을 확실하게 접촉시킬 수 있다. 따라서, 유입 Si층(52)이 탄화규소화된 부분에 대해 상기 부분과 SiC 단결정 잉곳(1)의 접속을 보다 확실하게 수행할 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법에서, 집합체를 형성하는 공정(도 1의 공정(S20))에서는, 화학 기상 성장법(CVD법)을 이용하여 접합층(Si층(2), 중간 Si층(7))을 형성해도 된다. 이 경우, 시트형의 접합층을 준비하여 SiC 단결정 잉곳(1) 사이에 개별적으로 배치하는 공정 대신, 정해진 간극을 개재하여 나란히 배열한 복수 개의 SiC 단결정 잉곳(1)에 대해, 그 간극에 CVD법을 이용하여 Si층(2)을 한 번에 형성할 수 있다. 따라서, 집합체를 형성하는 공정(도 1의 공정(S20))을 간략화할 수 있으므로, 결과적으로 SiC 결합 기판(30)의 제조 비용을 저감할 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법에서, 접속하는 공정(도 1의 공정(S30))에서는, 접합층(Si층(2), 중간 Si층(7) 혹은 유입 Si층(52))의 단면을 덮도록 덮개 부재(캡 부재(5))를 배치한 상태에서 집합체를 가열해도 된다. 이 경우, 도 1의 공정(S30)에서 접합층(Si층(2))의 일부가 탄화규소화될 때, 그 Si층(2)으로부터 규소가 방출되거나, Si층(2)이 일시적으로 용융되어 Si층(2)이 배치된 영역(SiC 단결정 잉곳(1) 사이의 간극)으로부터 용융된 Si층(2), 즉 접합층이 유출되는 것을 억제할 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법에서, 덮개 부재(캡 부재(5))는 탄화규소(SiC) 및 탄소(C) 중 어느 하나를 주성분으로 해도 된다. 이 경우, 캡 부재(5)가 충분히 융점이 높은 재료에 의해 구성되게 되기 때문에, 캡 부재(5)가 상기 공정(S30)에서의 열처리로 인해 손상을 받는 것을 방지할 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법에서, 접속하는 공정(도 1의 공정(S30))에서는, 캡 부재(5)와 집합체 사이에는 중간층(캡 Si층(6))이 배치되어도 된다. 이 경우, 중간층의 재료로서 캡 부재(5)의 재질과 달리, 집합체(SiC 단결정 잉곳(1)이나 접합층으로서의 Si층(2))와의 밀착성이 뛰어난 재료를 선택할 수 있다. 따라서, 캡 부재(5) 및 캡 Si층(6)에 의해 접합층인 Si층(2)의 단면을 확실하게 덮을 수 있다.

상기 탄화규소 기판의 제조 방법에서, 중간층(캡 Si층(6))은 규소(Si) 및 탄소(C) 중 어느 하나를 주성분으로 해도 된다. 특히, 중간층으로서 규소를 사용하는 경우, 중간층과 집합체 간의 밀착성을 보다 높일 수 있다.

본 발명에 따른 탄화규소 기판인 SiC 결합 기판(30)은, 탄화규소로 이루어지는 복수 개의 단결정 영역(도 8의 제1 영역(31) 및 제2 영역(32))과 접합층(결합 영역(33))을 구비한다. 결합 영역(33)은, 탄화규소(SiC)로 이루어지고 복수 개의 단결정 영역(제1 영역(31) 및 제2 영역(32)) 사이에 위치하며, 단결정 영역(제1 영역(31) 및 제2 영역(32))끼리를 접속한다. 단결정 영역(제1 영역(31) 및 제2 영역(32))은, SiC 결합 기판(30)의 제1 주표면(도 8의 상측의 주표면)으로부터 그 제1 주표면과 반대측에 위치하는 제2 주표면(도 8의 SiC 결합 기판(30)의 하측에 위치하는 이면)에까지 도달하도록 형성되어 있다. 단결정 영역(제1 영역(31) 및 제2 영역(32))에서의 결정성은, 제1 주표면으로부터 제2 주표면까지의 두께 방향에서 실질적으로 동일하다. 복수 개의 단결정 영역(제1 영역(31) 및 제2 영역(32))에서는, 제1 주표면에서의 결정 방위가 서로 상이하게 되어 있다. 결합 영역(33)은 단결정 영역(제1 영역(31) 및 제2 영역(32))보다 결정성이 떨어진다.

이와 같이 하면, 복수 개의 단결정 영역(제1 영역(31) 및 제2 영역(32))이 결합 영역(33)에 의해 접속된 상태로 되어 있으므로, 단일의 단결정 영역을 포함하는 탄화규소 기판보다 주표면의 면적이 큰 탄화규소 기판(SiC 결합 기판(30))을 실현할 수 있다. 따라서, 반도체 장치를 형성할 때 한 장의 탄화규소 기판으로부터 보다 많은 반도체 장치를 얻을 수 있으므로, 반도체 장치의 제조 비용을 저감할 수 있다.

또한, 단결정 영역(제1 영역(31) 및 제2 영역(32))에서는, 제1 주표면으로부터 제2 주표면까지 두께 방향에서 대략 결정성이 동일하게 되어 있으므로, 종형 디바이스를 형성하는 경우에 그 SiC 결합 기판(30)의 두께 방향에서의 결정성이 국소적으로 떨어진 것에 기인하는 문제는 발생하지 않는다.

여기에 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 개시되며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

본 발명은, 탄화규소의 단결정체를 복수 개 결합한 구조의 기판에 대해 특히 유리하게 적용된다.

1…SiC 단결정 잉곳, 2…Si층, 3, 4…SiC층, 5…캡 부재, 6…캡 Si층, 7…중간 Si층, 10…열처리로, 11…서셉터, 12…히터, 13…진공 펌프, 14…배관, 21…불질산 용액, 30…SiC 결합 기판, 31…제1 영역, 32…제2 영역, 33…결합 영역, 41…제1 층, 42…제2 층, 45…베이스재, 46…공극, 52…유입 Si층.

Claims

복수 개의 탄화규소로 이루어지는 단결정체(1)를 준비하는 공정(S10)과,
복수 개의 상기 단결정체(1)를, 규소를 포함하는 접합층(2, 7, 52)을 사이에 두고 나란하도록 배치하여, 상기 단결정체(1)의 집합체를 형성하는 공정(S20)과,
상기 집합체를 가열함으로써 상기 접합층(2, 7, 52)의 적어도 일부를 탄화규소화하고, 상기 접합층(2, 7, 52)에서 탄화규소화된 부분에 의해 상기 접합층(2, 7, 52)을 개재하여 인접하는 상기 단결정체(1)끼리를 접속하는 공정(S30)과,
상기 단결정체(1)끼리가 접속된 상기 집합체를 슬라이스하는 공정(S60)
을 포함하는 탄화규소 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 접속하는 공정(S30)에서는, 액상 성장법을 이용하여 상기 접합층(2, 7, 52)의 적어도 일부를 탄화규소화하는 것인 탄화규소 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 접속하는 공정(S30)에서는, 상기 접합층(2, 7, 52)의 일부가 탄화규소화되어 있고,
상기 접속하는 공정(S30) 이후, 상기 접합층(2, 7, 52)의 연장 방향을 따라 온도 구배를 형성하도록 상기 집합체를 가열함으로써, 탄화규소화된 상기 접합층(2, 7, 52)의 일부로부터 상기 접합층(2, 7, 52)에서 탄화규소화되지 않은 부분으로 탄화규소를 성장시키는 공정을 더 포함하는 탄화규소 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 접속하는 공정(S30)에서는, 탄소를 함유하는 분위기 중에서 상기 집합체를 가열하는 것인 탄화규소 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 집합체를 형성하는 공정(S20)에서는, 상기 접합층(2,7)으로서 규소를 주성분으로 하는 시트형 부재를 사용하는 것인 탄화규소 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 집합체를 형성하는 공정(S20)은,
복수 개의 상기 단결정체(1)를, 간극을 개재하여 나란하도록 배치하는 공정과,
상기 간극을 덮도록 규소를 주성분으로 하는 접합 부재(6)를 배치하는 공정과,
상기 접합 부재(6)를 가열하여 용융시켜, 용융된 상기 접합 부재(6)를 상기 간극에 유입시킴으로써 상기 접합층(52)을 형성하는 공정
을 포함하는 것인 탄화규소 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 집합체를 형성하는 공정(S20)에서는, 화학 기상 성장법을 이용하여 상기 접합층(2, 7)을 형성하는 것인 탄화규소 기판의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 접속하는 공정(S30)에서는, 상기 접합층(2, 52)의 단면(端面)을 덮도록 덮개 부재(5)를 배치한 상태에서 상기 집합체를 가열하는 것인 탄화규소 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 덮개 부재(5)는 규소 및 탄소 중 어느 하나를 주성분으로 하는 것인 탄화규소 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 접속하는 공정(S30)에서는, 상기 덮개 부재(5)와 상기 집합체 사이에는 중간층(6)이 배치되어 있는 것인 탄화규소 기판의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 중간층(6)은 탄화규소 및 탄소 중 어느 하나를 주성분으로 하는 것인 탄화규소 기판의 제조 방법.
탄화규소로 이루어지는 복수 개의 단결정 영역(31, 32)과,
탄화규소로 이루어지고 복수 개의 상기 단결정 영역(31, 32) 사이에 위치하며, 상기 단결정 영역(31, 32)끼리를 접속하는 접속층(33)
을 구비하는 탄화규소 기판(30)으로서,
상기 단결정 영역(31, 32)은, 상기 탄화규소 기판의 제1 주표면으로부터 상기 제1 주표면과 반대측에 위치하는 제2 주표면에까지 도달하도록 형성되고,
상기 단결정 영역(31, 32)에서의 결정성은 상기 제1 주표면으로부터 상기 제2 주표면까지의 두께 방향에서 동일하고,
복수 개의 상기 단결정 영역(31, 32)에서는 상기 제1 주표면에서의 결정 방위가 서로 상이하게 되어 있고,
상기 접속층(33)은 상기 단결정 영역(31, 32)보다 결정성이 떨어지는 것인 탄화규소 기판.