KR20150052304A - Sic 에피택셜 필름을 갖는 sic 기판 - Google Patents

Sic 에피택셜 필름을 갖는 sic 기판 Download PDF

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Abstract

따뜻한 벽 CVD 시스템 내에서 SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 형성시키는 방법이 기재되어 있으며, 여기서 서스셉터는 활성적으로 가열되며 천장 및 측벽은 활성적으로 가열되지 않으나, 서스셉터에 의해 간접적으로 가열되도록 한다. 당해 방법은 반응 셀 제조의 제1 공정 및 에피택셜 필름 성장의 제2 공정을 포함한다. 에피택셜 성장은 수소, 규소 및 탄소 기체의 기체 혼합물을 120 내지 250 cm/sec의 범위의 총 기체 속도에서 웨이퍼의 표면과 평행하게 유동시킴으로써 수행된다.

Description

SIC 에피택셜 필름을 갖는 SIC 기판{SIC SUBSTRATE WITH SIC EPITAXIAL FILM}
관련 출원의 교차-참조
본 출원은 "SiC 에피택셜 필름을 갖는 SiC 기판"이라는 명칭으로 출원된 미국 가특허원 제61/798,819호(출원일: 2013년 3월 15일)의 이익 및 이에 대한 우선권을 청구하며, 이의 전체 기재 내용은 본원에 참조로 혼입된다.
본 발명은 탄화규소 기판의 제작에 관한 것이며, 보다 특히, 상부에 성장된 에피택셜 필름을 갖는 탄화규소 기판에 관한 것이다.
탄화규소 SiC는 넓은 밴드 갭 특성 및 또한 극한 경도, 높은 열 전도도 및 화학적 불활성 특성에 유리한 것으로서 재료 과학(materials science), 전자공학 및 물리학과 친숙한 것들에 의해 인식된 결정성 반도체 물질이다. 이들 특성은 SiC가 동력 반도체 셀의 제작을 위한 매우 매력적인 반도체가 되도록 하여 규소와 같은 보다 일반적인 물질로부터 제조된 셀에 비하여 동력 밀도(power density) 및 성능 증진이 가능하도록 한다.
가장 일반적인 형태의 SiC는 원자의 입방형 또는 육각형 배열로 이루어진다. Si 및 C 층의 적층은 폴리타입(polytype)으로 공지된 많은 형태를 취할 수 있다. 탄화규소 결정의 형태는 반복 단위의 수를 적층 순서로 나타내는 수로 나타내고 이후에 결정성 양식을 나타내는 문자로 나타낸다. 예를 들면, 3C-SiC 폴리타입은 3의 반복 단위 및 입방형 (C) 격자를 나타내지만, 4H-SiC 폴리타입은 4의 반복 단위 및 육각형 (H) 격자를 나타낸다.
상이한 탄화규소 폴리타입은 물질 특성, 가장 현저하게는 전기적 특성에서의 일부 변화를 갖는다. 4H-SiC 폴리타입은 비교적 더 큰 밴드 갭을 갖지만 3C-SiC는, 중간에 속하는 대부분의 다른 폴리타입에 대한 밴드 갭을 갖는, 더 작은 밴드 갭을 갖는다. 밴드 갭이 더 큰 경우, 고성능 동력 셀 성능에 있어서, 물질은 이론상 비교적 더 큰 고전력 및 열전도도 성능을 더 많이 제공할 수 있다.
SiC 결정은 사실상 발생하지 않으며 이와 같은 것은 합성되어야만 한다. SiC 결정의 성장은 승화/물리적 증기 이동 또는 화학적 증착에 의해 수행될 수 있다.
일단 SiC 결정이 제조되면, 각각의 결정은 반드시 절단되어야만 하며, 평면 제작 방법을 이용하여 웨이퍼(wafer)로 제작되어 반도체 장치를 제작하여야만 한다. 많은 반도체 결정(예를 들면, 규소, 비화갈륨)이 웨이퍼 제품으로 성공적으로 개발되고 상업화되어 왔으며, 벌크 결정(bulk crystal)으로부터 웨이퍼를 제작하는 방법이 공지되어 있다. 웨이퍼 제작 및 특성화의 표준 방법에 대한 일반적인 접근법 및 이를 위한 요건의 검토는 문헌[참조: Wolf and Tauber, Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. 1 - Process Technology, Chapter 1 (Lattice Press - 1986)]에서 찾을 수 있다. 이의 경도로 인하여, SiC를 웨이퍼 기판으로 제작하는 것은 규소 또는 비화갈륨과 같은 다른 일반적인 반도체 결정을 가공하는 것과 비교하여 독특한 도전을 제공한다. 기계에 수정을 가하여야만 하며, 효과적인 연마재를 선택하는 것은 일반적으로 사용된 물질을 넘어서는 것이다. SiC를 수용하기 위한 일반적인 웨이퍼 제작 기술에 대한 변형이 종종 독점적 정보로서 유지된다. 그러나, 거울 폴리슁된(mirror polished) SiC 웨이퍼 위에 실질적인 부표면 손상(subsurface damage)이 관찰될 수 있으며, 이는 규소 산업에서 사용된 것과 유사한 화학적 증진된 기계적 폴리슁 방법을 사용하여 감소시키거나 제거할 수 있다[참조: Zhou, L., et al., Chemomechanical Polishing of Silicon Carbide, J. Electrochem. Soc., Vol. 144, no. 6, June 1997, pp. L161-L163].
SiC 웨이퍼 위에 반도체 장치를 제조하기 위해, 추가의 결정성 SiC 필름을 웨이퍼 위에 부착시켜서 필요한 전도도 값 및 도체 유형을 갖는 장치 활성 영역을 생성하도록 하여야만 한다. 이는 전형적으로 화학 증착(CVD) 방법을 사용하여 수행한다. CVD 에피택시(epitaxy)를 사용하여 SiC를 성장시키는 기술은 러시아, 일본 및 미국에서 1970년대 이래로 발표되어 왔다. CVD를 사용하여 SiC를 성장시키는 가장 일반적인 화학은 규소 함유 공급원 기체(예를 들면, 모노실란 또는 클로로실란)과 탄소 함유 공급원 기체(예: 탄화수소 기체)와의 혼합물이다. 저결함 에피택셜 층의 성장을 위한 주요 요소는, 기판 표면이 대칭의 결정 축으로부터 경사져서 화학 원자가 기판 결정에 의해 설정된 적층 순서로 표면에 부착되도록 하는 것이다. 경사가 적절하지 않은 경우, CVD 공정은 표면에 3차원적 결함을 생성할 것이며, 이러한 결함은 비-작동성 반도체 셀을 생성할 것이다. 균열, 표면 손상, 핏(pit), 입자, 스크랫치 또는 오염과 같은 표면 불완전성은 CVD 공정에 의한 웨이퍼의 결정 구조의 반복을 방해할 것이다[참조: 예를 들면, Powell and Larkin, Phys. Stat. Sol. (b) 202, 529 (1997)]. 따라서, 웨이퍼를 제작하기 위해 사용된 폴리슁 및 세정 공정은 표면 불완전성을 최소화하는 것이 중요하다. 이들 표면 불완전성의 존재 하에서, 기저 평면 전위 및 입방형 SiC 함유물을 포함하여, 몇가지 결합들이 에피택셜 필름에서 발생할 수 있다[참조: 예를 들면, Powell, et. al. Transactions Third International High-Temperature Electronics Conference, Volume 1, pp. II-3 - II-8, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM USA, 9-14 June 1996].
SiC 에피택시의 방법은 지. 와그너, 디. 슐츠 및 디. 시췌에 의해 검토되어 왔다[참조: G. Wagner, D. Schulz, and D. Siche in Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 47 (2003) p. 139-165]. 와그너는, SiC 에피택시가 가열 벽 반응기(hot wall reactor) 속에서 수행되는 경우, 양호한 결과를 달성할 수 있고, 여기서 SiC 기판을 유지하는 서스셉터(susceptor)를 포함하는, 기체에 노출되는 반응 셀(reaction cell)의 표면 모두가 활성적으로 가열됨을 토의하고 있다. 이는 냉각 벽 반응기와 대조적인 것이며, 여기서 SiC 기판을 지지하는 서스셉터만이 활성적으로 가열되는 반면, 다른 표면은 활성적으로 냉각되거나 가열되지 않도록 설계된다. 현재, 소위 가열 벽 CVD 시스템이 또한 존재하는 데, 이는 가열 및 냉각 벽 설계의 중간체이며, 여기서 SiC 기판을 지지하는 반응 셀의 서스셉터는 활성적으로 가열되며, 이러한 가열된 표면에 인접한 셀의 측면 표면은 간접적으로 가열되도록 한다. SiC 에피택시를 수개의 웨이퍼 위에 동시에 부착할 수 있는 가열 벽 CVD 시스템은 시판 제품을 위해 출현해 왔다. 이러한 시스템은 문헌에 기재되어 왔다[참조: Burk, Jr. (US 5,954,881), Jurgensen, et. al., (WO 2002018670), and Hecht, et. al., (Materials Science Forum Vols. 645-648 (2010) pp. 89-94)].
SiC에서의 결함은 결함에 대하여 형성된 반도체의 작동을 제한하거나 파괴하는 것으로 공지되어 있다. 네우덱(Neudek) 및 포웰(Powell)은, 중공 스크류 전위(마이크로파이프)가 SiC 다이오드에서 전압 차단 성능을 심하게 제한했음을 기록했다[참조: P. G. Neudeck and J. A. Powell, IEEE Electron Device Letters, vol. 15, no. 2, pp. 63-65, (1994)]. 네우덱은 1994년에 전력 장치에 대한 결정(웨이퍼) 및 에피택시 기원 결함의 영향을 검토했는데, 이는 스크류 전위 및 형태학적 에피택시 결함으로 인한 전력 장치 기능의 제한을 강조하고 있다[참조: Neudeck, Mat. Sci. Forum, Vols. 338-342, pp. 1161-1166 (2000)]. 훌(Hull)은, 다이오드가 저 스크류 전위 밀도를 갖는 기판 위에 제작된 경우, 고전압 다이오드 역 바이어스 누출 전류의 분포에서 하한 값으로의 변환을 보고했다[참조: Hull, et. al., Mat. Sci. forum, Vol. 600-603, p. 931-934 (2009)]. 렌덴만은, 이극성 다이오드에서의 전방 전압 저하가, 기판내 기저 평면 전위로부터 유래되는 에피층(epilayer) 내의 기저 평면 변위에 연결되었음을 보고했다[참조: Lendenmann et. al., Mat. Sci. Forum, Vols. 338-342, pp. 1161-1166 (2000)].
장치 작동 및 제작 수율에 영향을 미치는 결함의 밀집을 감소시키기 위해서는 SiC 기판 및 에피택시에서의 진보가 필요하다. 현재, SiC CVD 에피택시 동안에 기판의 표면에 형성된 결함은 SiC 기판 위의 반도체 장치의 대부분의 영향이 있는 결함 충격성 작동 및 수율이다. 특히, 로 온 저항(low on resistance)을 갖는 큰 전류(>50 Å)를 취급하기 위해 필요한 SiC 전력 장치는 측면당 7 mm 이상인 비교적 큰 다이 크기(die size)를 사용하여 제조한다. 이러한 장치의 양호한 제조 수율을 성취하기 위해, CVD 에피택시 유래 결함을 추가로 감소시키기 위한 방법이 개발될 필요가 있다. 또한, 이러한 문제점의 해결책은 부드럽고 두께와 전기적 특성이 균일한 필름의 반복 가능하고 일관된 부착을 생성할 수 있도록 해서 이러한 매개변수가 여전히 높은 셀 제작 수율과 일치하도록 해야만 한다.
다중-웨이퍼, 따뜻한 벽 SiC CVD 시스템에서, 반응물 기체는 시스템의 중앙의 흑연 반응 영역(구역)으로 도입되며, 기체 유동은 방사상 방향으로 펼쳐지며 기판 표면에 평행하며, 체임버(chamber)의 주변으로 최종적으로 소개(evacuating)된다. 반응 영역, 또는 서스셉터의 바닥은 기판을 포함하며 활성적으로 가열되어 반응 영역에서 가장 뜨거운 지점을 만든다. 서스셉터의 가열은 RF 유도 기술을 사용하거나 저항성 가열기를 사용하여 수행할 수 있다. 인접한 표면은 체임버의 하부에서 서스셉터에 의해 간접적으로 가열되며, 서스셉터의 온도 표적보다 더 낮은 온도에서 존재한다. SiC CVD 에피택시에 필요한 조절 온도로 인하여, 반응 셀은 흑연으로 구성된다. 이의 사용 전에, 반응 영역의 부분은 흑연으로부터 불순물의 외부 확산에 대한 차단재로서 작용하는 열분해탄소 또는 탄화탄탈 필름으로 종종 피복된다. CVD 동안에, SiC의 보조 부착물은 서스셉터/기판 표면보다 더 빠른 속도로 인접한 표면 위에 신속하게 성장한다. 종종, 다결정성 SiC의 플레이트와 같은 마스크(mask)는 보조 부착물로부터 서스셉터의 영역을 마스킹하거나 보호하기 위해 서스셉터의 덮여지지 않은 영역 위에 놓여질 수 있다. 이러한 보조 부착물들이 임계 두께에 도달하는 경우, 이들은 입자를 기판 위로 떨어뜨려서 에피택셜 필름에서 결함을 생성시키는데, 이는 반도체 장치의 작동을 해칠 것이다. 또한, 보조 부착물의 형성은 필름 특성, 필름 표면 형태 및 특히 전기적 특성에서 런-투-런 변화(run-to-run variation)를 생성시킬 수 있는 공정 기체 반응물을 소모시킨다.
요지
다음의 요지는 본 발명의 일부 국면 및 특징의 기본적인 이해를 제공하기 위해 포함된다. 이러한 요지는 본 발명의 광범위한 개요는 아니며 이와 같이 본 발명의 비결 또는 중요한 요소를 특별히 확인하고자 하는 것은 아니다. 이의 유일한 목적은 하기에 제공되는 보다 상세한 설명에 대한 서론으로서 단순화된 형태의 본 발명의 일부 개념을 제공하고자 하는 것이다.
각종의 기술된 양태들은 다중-웨이퍼 CVD 시스템을 사용하여, CVD SiC 에피택시 유래 결함, 표면 조도(surface roughness), 에피택시 필름 두께, 에피택시 필름 도핑 및 런-투-런 일관성의 조절을 제공한다.
하나의 국면에 따라서, 기체 유동 및 온도 조절의 전략을 제공하여 반응 영역에서 기체상 화학 반응물의 최적 분배를 보장하는 한 가지 방법이 기술되어 있다.
또 다른 구현예에 따라, 사용되지 않은 반응 셀을 전처리하여 이를 SiC의 층으로, 미래의 보조 부착물이 원래의 반응 셀 표면에 양호하게 부착되고 벽으로부터 부착물이 분리되고 기판 위로 입자가 떨어질 수 있는 성장 형태를 피하도록 하는 방식으로 피복하는 방법이 기술되어 있다. 이러한 공정은, 새롭거나 개량된 반응 셀이 CVD 시스템 내로 놓이는 경우 반복될 수 있다.
하나의 국면에 있어서, 단결정 4H-SiC 기판을 따뜻한 벽 CVD 시스템의 반응 셀 내에서 서스셉터 위로 로딩(loading)하고; 반응 셀 내에서 서스셉터의 온도를 1500℃ 내지 1620℃의 범위로 조절함으로써 시스템을 가열하고; 제조 실시를 수행하여 4H-SiC 에피웨이퍼를 생산함을 포함하여, 에피택셜 SiC 필름을 포함하는 4H-SiC 에피웨이퍼를 단결정 4H-SiC 기판 위에 제조하는 방법으로서, 여기서 상기 제조 실시는 단결정 4H-SiC 기판의 표면에 평행한 기체 유동(여기서, 기체 유동은 수소 기체, 규소 기체 및 탄소 기체의 혼합물을 포함한다)을, 전체 기체 속도가 120 내지 250 cm/sec의 범위에 있도록 공급하고 반응 셀 내부의 압력을 100 내지 150 mbar의 범위로 조절함으로써, 단결정 4H-SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 생성시킴을 포함하는 방법이 본원에 제공된다.
이러한 국면의 한 가지 구현예에 있어서, 상기 방법은 에피웨이퍼의 표면으로부터 천장(ceiling)으로의 온도 구배를 25℃/cm 내지 80℃/cm의 범위로 설정함을 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 4H-SiC 에피웨이퍼의 성능 매트릭스(performance matrix)를 측정하고; 4H-SiC 에피웨이퍼의 측정된 성능 매트릭스가 허용 가능한 한계치 이하에 있는 경우, 사용된 반응 셀을 제거함을 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 단결정 4H-SiC 기판을 따뜻한 벽 CVD 시스템의 반응 셀 내의 서스셉터 위로 로딩하는 단계는 반응 셀을 전처리하는 것으로 시작되며, 상기 전처리는 희생 기판(sacrificial substrate)을 반응 셀 내에서 서스셉터 위로 로딩하고; 반응 셀을 밀봉 및 소개하고; 불활성 및 수소 기체를 사용하여 반응 셀을 퍼징(purging)하고; 반응 셀을 1400℃ 내지 1700℃의 범위의 온도에서 베이킹(baking)하면서 1% 내지 10% 탄화수소 기체와 혼합된 수소 기체를 유동시키고; CVD 부착 공정을 수행하여 반응 셀의 측벽 및 천장 위에 SiC 필름을 부착시키며; 반응 셀로부터 희생 기판을 제거함을 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 4H-SiC 에피웨이퍼를 생성하기 위한 제조 실시를 수행하는 단계는 단결정 4H-SiC 기판을 따뜻한 벽 CVD 시스템의 반응 셀 내에서 서스셉터 위에 위치시키고; 반응 셀을 소개시킨 다음, 반응 셀을 아르곤으로 퍼징시키고; 아르곤 유동을 종료하고 수소 기체 유동을 반응 셀 내로 개시시키고; 에피웨이퍼의 표면으로부터 천장으로의 온도 구배를 25℃/cm 내지 80℃/cm의 범위로 설정하고; 에피웨이퍼의 표면에 평행하게 수소, 규소 및 탄소 기체의 기체 혼합물을 120 내지 250 cm/sec의 총 기체 속도로 유동시키고; 공정 조건을 유지시켜서 단결정 4H-SiC 기판 위에 3 내지 120 μm의 필름의 총 부착을 달성함으로써 단결정 4H-SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 생성시키고; 시스템을 300℃ 미만의 온도로 냉각시키며; 단결정 4H-SiC 기판을 제거함을 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 단결정 4H-SiC 기판의 성능을 시험함을 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 단결정 4H-SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 생산하기 위해, 단결정 4H-SiC 기판 위에 3 내지 120 μm의 필름의 전체 부착을 달성하기 위한 공정 조건을 유지하는 단계에서, 기체 유동은 도핑 기체를 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 단결정 4H-SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 생산하기 위해 단결정 4H-SiC 기판 위에 3 내지 120 μm의 필름의 천체 부착을 달성하기 위한 공정 조건을 유지하는 단계 전에 단결정 4H-SiC 기판을 에칭(etching)하기 위해 에칭 기체를 반응 셀 내로 유동시킴을 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 에칭 기체는 할로겐 기체 및 수소를 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 단결정 4H-SiC 기판은, 직경 범위가 100 내지 200 mm이고 질소 농도가 적어도 1×1018/cm3인 폴리슁된 4H-SiC 웨이퍼를 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 에피택셜 SiC 필름은 단결정 4H-SiC 기판의 노출된 규소 표면에 부착된다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 에피택셜 SiC 필름은 단결정 4H-SiC 기판의 노출된 탄소 표면에 부착된다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 단결정 4H-SiC 기판을 따뜻한 벽 CVD 시스템의 반응 셀 내에서 서스셉터 위에 로딩하는 단계에서, 다수의 5 내지 12개의 단결정 4H-SiC 기판을 반응 셀 내에 위치시킨다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 단결정 4H-SiC 기판을 따뜻한 벽 CVD 시스템의 반응 셀 내에서 서스셉터 위로 로딩하는 단계에서, 다수의 단결정 4H-SiC 기판이 따뜻한 벽 CVD 시스템의 반응 셀 내에서 서스셉터 위에 위치된다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 반응 셀은 흑연 반응 셀을 포함하고, CVD 에피택시에서 사용하기 위해 셀을 조립하기 전에 반응 셀의 흑연 성분을 열분해탄소 또는 탄화탄탈 필름으로 피복함을 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 에피택셜 SiC 필름을 갖는 단결정 4H-SiC 기판은 상기 방법에 의해 생산되며, 웨이퍼 내에서 SiC 에피택셜 필름의 웨이퍼 총 두께 변화율은 포괄적인 2 내지 12%이며; 에피택셜 SiC 필름의 웨이퍼 도판트 농도는 포괄적인 5 내지 40%이고; 에피택셜 SiC 필름의 상부 표면은 0.2 내지 1.2 nm의 포괄적인 RMS 조도 값을 가지며; 에피택셜 SiC 필름 위의 표면 결함의 밀도는 포괄적인 0.25 내지 2.0/cm2이다.
또 다른 국면에 있어서, 따뜻한 벽 CVD 시스템에서 서스셉터 위에 위치한 단결정 4H-SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 포함하는 4H-SiC 에피웨이퍼를 형성시키는 방법이 본원에 제공되며, 여기서 따뜻한 벽 CVD 시스템은 하부에 위치한 서스셉터를 포함하는 반응 셀, 측벽 및 천장을 갖고, 여기서 서스셉터는 활성적으로 가열되며, 천장 및 측벽은 활성적으로 가열되지 않지만 서스셉터에 의해 간접적으로 가열되도록 하고, 상기 방법은 사용되지 않은 반응 셀 조립체를 CVD 에피택시 시스템 내로 삽입시킴; 반응 셀 제조의 처리를 위한 제1 공정; 및 에피택셜 필름 성장을 위한 제2 공정을 포함하며; 여기서 반응 셀 제조의 처리를 위한 제1 공정은 서스셉터를 희생 기판으로 로딩하는 단계; 반응 셀을 밀봉 및 소개하는 단계; 반응 셀을 아르곤 및 수소 기체를 사용하여 퍼징하는 단계; 반응 셀을 수소와 탄화수소 기체의 혼합물 속에서 베이킹하는 단계; 및 CVD 부착 공정을 수행하여 반응 셀의 측벽 및 천장 위에 SiC 필름을 부착시키는 단계를 포함하며; 에피택셜 필름 성장을 위한 제2 공정은 반응 셀을 냉각시키는 단계; 단결정 4H-SiC 기판을 서스셉터 위에 위치시키는 단계; 반응 셀을 아르곤 기체로 소개한 다음 퍼징하는 단계; 서스셉터를 1200℃ 내지 1400℃의 포괄적인 온도로 가열하는 단계; 아르곤 유동을 종료하고 반응 셀 내로의 수소 기체 유동을 개시하는 단계; 웨이퍼의 표면에 평행하게 수소, 규소 및 탄소 기체의 기체 혼합물을 120 내지 250 cm/sec의 총 기체 속도로 유동시키는 단계; 서스셉터의 온도를 1500℃ 내지 1620℃의 온도로 유지시키는 단계; 및 반응 셀 내부의 압력을 포괄적인 100 내지 150 mbar로 조절하여 기판 위에 3 내지 120 ㎛의 총 부착을 달성하는 단계를 포함한다.
이러한 국면의 하나의 구현예에 있어서, 사용되지 않은 반응 셀을 베이킹하는 단계는 반응 셀을 1400℃ 내지 1700℃의 온도로 가열하고 당해 온도를 4 내지 24시간 동안 유지시킴을 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 탄소 대 규소 기체의 용적 유동의 비는 1 미만이지만, 0.05 이상이다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 서스셉터의 온도, 총 기체 속도 및, 반응 셀의 쓰로틀 설정(throttle setting)을 조절하여 기판으로부터 천장으로의 온도 구배를 25℃/cm 내지 80℃/cm의 범위로 유지시킨다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 총 기체 속도는 포괄적인 120 내지 160 cm/sec로 유지된다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 총 기체 속도는 포괄적인 175 내지 250 cm/sec로 유지된다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 제2 공정의 서스셉터의 온도를 1500℃ 내지 1620℃로 유지시키는 단계는 4H-SiC 기판으로부터 천장으로의 온도 구배를 25℃/cm 내지 80℃/cm로 설정함을 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 다수의 단결정 4H-SiC 기판을 반응 셀 내에 위치시킨다.
여전히 또 다른 국면에 있어서, 하나의 표면에 부착된 에피택셜 SiC 필름을 갖는 4H-SiC 기판이 본원에 제공되며, 여기서 웨이퍼 내의 총 에피택시 필름 두께는 포괄적인 2 내지 12%로 변하고; 각각의 에피택시 층의 웨이퍼 내의 도판트 농도는 포괄적인 5 내지 40%로 변하고; 에피택시 필름의 상부 표면은 0.2 내지 1.2 nm의 포괄적인 범위의 RMS 조도 값을 가지며; 필름 위의 표면 결함의 밀도는 포괄적인 0.25 내지 2.0/cm2로 존재한다.
여전히 또 다른 국면에 있어서, 따뜻한 벽 CVD 시스템에서 단결정 4H-SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 형성시키는 방법이 본원에 제공되며, 여기서 따뜻한 벽 CVD 시스템은 하부에 위치한 서스셉터, 측벽 및 천장을 포함하며, 당해 방법은 단결정 4H-SiC 기판을 서스셉터 위에 위치시키고; 반응 셀을 소개시킨 다음 반응 셀을 아르곤으로 퍼징하고; 서스셉터를 1200℃ 내지 1400℃의 온도로 활성적으로 가열하고 천장 및 측벽이 서스셉터에 의해 간접적으로 가열되도록 함으로써 서스셉터로부터 천장으로의 감소하는 온도 구배를 생성시키고; 아르곤 유동을 종료시키고 수소 기체 유동을 반응 셀 내로 개시시키고; 서스셉터의 온도를 1500℃ 내지 1620℃의 범위로 조절함으로써 시스템의 가열을 통해서 25℃/cm 내지 80℃/cm의 범위로 웨이퍼 표면으로부터 천장으로의 온도 구배를 설정하고; 총 기체 속도가 120 내지 250 cm/sec의 범위로 존재하도록 기판의 표면에 평행한 기체 유동을 공급하고 반응 셀 내부의 압력을 100 내지 150 mbar의 범위로 조절(여기서, 기체 유동은 수소 기체, 규소 기체 및 탄소 기체의 혼합물을 포함한다)하고; 공정 조건을 유지시켜서 기판 위에 3 내지 120 ㎛의 필름의 총 부착을 달성하며; 시스템을 주위 온도로 냉각시킴을 포함한다.
이러한 국면의 한 가지 구현예에 있어서, 반응 셀은 흑연 반응 셀을 포함하고, CVD 에피택시에서 사용하기 위한 셀을 조립하기 전에 열분해탄소 또는 탄화탄탈을 사용하여 반응 셀의 흑연 성분을 피복시킴을 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 반응 셀은 단결정 4H-SiC 기판을 서스셉터 위에 위치시키는 단계 전에 반응 셀의 내부를 SiC 필름으로 피복시킴을 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 반응 셀의 내부는, 반응 셀을 소개시킨 다음 반응 셀을 퍼징시키고; Si 및 C 전구체의 기체 혼합물을 유동[여기서, (전구체 분자 내의 C 원자의 수) × (탄소 용적 유동)/(규소 용적 유동)의 비로 취한, 탄소 대 규소 전구체의 기체 용적 유동 비는 1 미만이지만, 0.05 이상이다]시키며; 반응 셀을 가열시켜 반응 셀의 내부에 SiC 부착물을 형성시키는 단계들에 의해 SiC 층으로 피복시킨다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 기체 혼합물은 수소를 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 반응 셀을 1400℃ 내지 1700℃의 온도로 가열하고, 반응 셀을 소개시키는 단계 전에 반응 셀을 4 내지 24시간 동안 베이킹한 다음 반응 셀을 아르곤으로 퍼징하는 단계를 추가로 포함한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 서스셉터를 1200℃ 내지 1400℃의 온도로 활성적으로 가열하고 천장 및 측벽이 서스셉터에 의해 간접적으로 가열되도록 함으로써, 서스셉터로부터 천장으로의 감소하는 온도 구배를 생성하는 단계를, SiC 부착물이 SiC 웨이퍼 위에 부착되는 경우 5 내지 10 ㎛의 두께로 동등해지는 두께에 도달할 때까지 수행한다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 기판의 표면에 평행한 기체 유동을 공급하여, 총 기체 속도가 120 내지 250 cm/sec의 범위에 있도록 하며, 반응 셀 내부의 압력을 100 내지 150 mbar의 범위로 조절하며, 여기서 기체 유동이 수소 기체, 규소 기체 및 탄소 기체의 혼합물을 포함하는 단계에서, 공여체 또는 수용체 도판트 기체의 유동이 공급된다.
이러한 국면의 또 다른 구현예에 있어서, 다수의 단결정 4H-SiC 기판이 반응 셀 내에 위치한다.
본 명세서에 혼입되고 이의 일부를 구성하는 첨부한 도면은 본 발명의 구현예를 예시하며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하고 예시하는 작용을 한다. 도면은 예시적인 구현예의 주요한 특징을 도식적 방식으로 예시하기 위한 의도이다. 도면은 실제 구현예의 모든 특징들을 나타내고자 하는 것도 아니고, 도시된 요소들의 상대적 치수를 나타내고자 하는 것도 아니며, 축척으로 도시하지 않는다.
도 1은 한 가지 구현예에 따르는 전처리 공정을 예시하는 흐름도이다.
도 2는 SiC 기판 위에 필름을 CVD 에피택셜 성장시키기 위한 구현예를 예시하는 흐름도이다.
도 3은 다수의 SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 형성시키는 방법의 한 가지 구현예를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 반응 셀 제조의 처리를 위한 제1 공정의 한 가지 구현예를 예시하는 흐름도이다.
도 5는 에피택셜 필름 성장을 위한 적어도 하나의 제2 공정의 구현예를 예시하는 흐름도이다.
도 6은 도 3 내지 도 5에 예시된 방법에 따라 형성된 적어도 하나의 에피택셜 층을 갖는 단결정 육각형 SiC 기판의 한 가지 구현예를 나타낸다.
상세한 설명
본 발명은 본원에 기술된 특정한 방법, 프로토콜 등으로 제한되지 않으며 이와 같은 것은 변할 수 있음이 이해되어야 한다. 본원에 사용된 전문 용어는 단지 특정한 구현예를 기술하기 위한 목적이며, 특허청구범위에 유일하게 정의된, 본 발명의 영역을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본원에서 및 특허청구범위에 사용된 것으로서, 단수 형태는, 달리 내용이 명확하게 나타내지 않는 한, 다수의 참조를 포함하거나, 이와 반대를 포함한다. 작동 실시예에서 외에, 또는 달리 나타낸 경우, 본원에 사용된 양을 나타내는 모든 수는 용어 "약"에 의해 모든 예에서 변형된 것으로 이해되어야 한다.
확인된 모든 공보는, 예를 들면, 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 이러한 공보에 기술된 방법을 설명하고 기재할 목적으로 참조로 본원에서 표현하여 혼입된다. 이들 공보는 단지 본 출원의 출원일 전에 이들의 기재 내용을 위해 제공된다. 이와 관련하여 어떤 것도 본 발명자들이 선행 발명 덕분에 또는 어떠한 다른 이유로 이러한 기재 내용에 선행하는 자격이 없다는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 이들 서류의 내용에 대한 날짜 또는 표현에 대한 모든 기술은 출원인에게 이용 가능한 정보를 기본으로 하며 이들 서류의 내용 또는 날짜의 정확성에 대한 어떠한 인정을 구성하지 않는다.
달리 정의하지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는, 본 발명이 속하는 당해 분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 비록 어떠한 공지된 방법, 장치, 및 물질이 본 발명의 실시 또는 시험 시 사용될 수 있다고 해도, 이와 관련한 방법, 장치, 및 물질이 본원에 기술되어 있다.
다음의 실시예는 본 발명의 일부 양태 및 국면을 예시한다. 각종 변형, 첨가, 치환 등이 본 발명의 취지 또는 영역을 변경시키지 않고 수행될 수 있으며, 이러한 변형 및 변화는 다음의 특허청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 영역 내에 포함되는 것이 당해 분야의 숙련가에게 명백할 것이다. 다음 실시예는 본 발명을 어떠한 방식으로도 한정하지 않는다.
다음의 설명은 결함을 최소화하면서, SiC 에피택셜 성장을 수행하기 위한 실시예들을 제공한다. 당해 방법은 따뜻한 벽 CVD 반응기 속해서 시행된다.
CVD 성장 공정을 작동시키기 위한 최적의 공정 매개변수(온도, 압력, 기체 유동)를 우선 측정했다. 이들 공정 매개변수를 사용하여, CVD 공정 및 반응기 구조에 대한 "특징적인" 매개변수를 유한 성분 모델을 사용하여 측정했다. 당해 모델링 작업으로부터, 따뜻한 벽 SiC 성장을 위한 중요한 특징적인 매개변수는 기체 속도 및, 웨이퍼 성장 표면과 반응 영역의 상부 사이의 온도 구배이다.
도 1은 하나의 구현예에 따른 신규하거나 개량된 반응 셀 조립체에 대한 예비-에피택시, 조건화 처리 공정(100)을 예시하는 흐름도이다. 조건화 처리 공정은 반응 셀을 가열한 후 반응 셀 표면에서 SiC 피복물을 부착시키는 것으로 이루어진 2단계 방법이다. 당해 방법은 열분해 탄소 또는 탄화탄탈의 CVD 피복물로 피복된 흑연 부품으로부터 조립된 소모성 반응 셀이 장착된 다중-웨이퍼, 따뜻한 벽 CVD 시스템 속에서 시행했다. 다결정성 SiC의 플레이트 또는 마스크를 사용하여 서스셉터의 개방 영역을 덮을 수 있으며, "희생" 웨이퍼는 웨이퍼 포켓 속에 둔다. 이러한 웨이퍼는 공정의 생성물이 아니며, 단지 포켓이 부착되는 것으로부터 보호하는데 사용된다. 웨이퍼를 지탱하지 않는 서스셉터의 영역은 일부 구현예에서 다결정성 SiC의 마스크 또는 플레이트로 덮힌다. 이러한 방식으로, 서스셉터는 전체적으로 보호되며, 보조 부착물이 플레이트 및 희생 웨이퍼 상에 형성되며, 서스셉터 표면에는 형성되지 않는다. 이들 플레이트를 주기적으로 제거하고 SiC 부착물을 분쇄하여 기계적으로 제거한다. 이후에, 플레이트를 재사용할 수 있다. 당해 공정은 서스셉터의 수명을 연장시킬 수 있다. 마스크/플레이트를 기계가 운행되는 시간의 100%에서 사용한다.
도 1의 공정 이후에, 우선 시스템을 밀봉하고, 소개시키며(단계(101)) 아르곤, 및/또는 불활성 기체 및 수소를 함유하는 기체 혼합물로 퍼징(단계(105))하여 대기 기체 불순물을 제거한다. 이어서, 단계(110)에서, H2의 기체 유동, 및 임의로 탄화수소 기체의 추가의 유동을 설정하고 압력을 쓰로틀 밸브를 사용하여 100 내지 900 mbar의 포괄적인 범위 내의 값으로 조절했다. 탄화수소 기체의 분획은 전형적으로 0 내지 10용적%의 범위이다. 이후에, 당해 시스템을 1400℃ 내지 1700℃의 온도로 가열하고 4 내지 24시간 동안 베이킹했다(단계(115)). 일단 시스템이 베이킹되면, 이후에 SiC의 기저 피복물을 반응 셀 표면에 실리콘과 탄소 전구체 기체, 및 서스셉터 포켓 속에 로딩된 희생 기판을 사용하는 CVD 공정을 사용하여 적용시켜 포켓 내 부착을 방지한다. 당해 체임버-벽 피복은 웨이퍼에 의해 덮히지 않는 표면 위의 후속적인 부착물의 양호한 부착을 촉진시킨다(단계(120)).
Si 및 C의 기체상 전구체를 H2 기체 유동에 가하여 반응 셀의 측면 및 천장 위에 SiC 필름을 형성시킨다. Si 및 C 전구체의 유동을, (전구체 분자내 C 원자의 수) × (탄소 용적 유동) / (규소 용적 유동)의 비로서 취한, 탄소 대 규소 전구체의 기체 용적 유동 비가 1 미만이지만 0.05 이상인 조건으로 설정한다. 상기 압력은 100 내지 200 mbar의 범위로 설정한다. 당해 공정 조건을 반응 영역 내에 유지함으로써 필름이 반응 셀의 내부 표면을 피복하도록 하고, 당해 필름이, SiC 웨이퍼에 부착된 것으로서 5 내지 10 μm의 두께에 상당하도록 한다. 웨이퍼 부착물의 이러한 수준은 반응 영역내 표면에 대한 부착이 양호한 SiC 피복을 형성하기에 충분하며, 상기 전처리 공정은 Si 및 C 전구체의 유동을 종결시키고 상기 시스템을 H2 유동하에 주위 조건으로 냉각시켜 완료한다. 희생 기판은 시스템으로부터 제거하고, 시스템은 SiC 에피택시 웨이퍼 제품을 제조하기 위해 사용될 준비를 한다. 전형적으로, 상기 시스템은 4H-SiC 폴리타입의 폴리슁된 6각형의, 단결정 SiC 기판으로 로딩된다. 에피택시 공정이 반복됨에 따라, 피복물이 셀의 벽에 형성되고, 이들 피복물은 셀 물질을 서서히 열화시키고, 반응 셀 내의 온도를 변화시키고 또한 SiC 기판에 플레이크가 벗겨져 떨어질 것이다. 당해 반응 셀은, 당해 셀을 사용하여 제조된 에피택셜 웨이퍼의 품질이 허용되는 한계 미만인 경우, 새롭거나 개량된 반응 셀 조립체를 CVD 시스템 내로 로딩시키고 위에서 기술된 예비-에피택시 처리 공정을 다시 실행한다.
도 2는 SiC 기판(200)에서 필름의 CVD 에피택셜 성장을 위한 구현예를 예시하는 흐름도이다. 단계(201)에서, CVD 시스템을 단결정인, 6각형 SiC 웨이퍼로 로딩하여 서스셉터 웨이퍼 포켓을 충전한다. 도 1의 조건화 공정 동안 사용된 마스크는 잔류할 수 있거나, 새로운 마스크를 서스셉터 위에 두어서 서스셉터의 어떠한 노출된 표면도 보호할 수 있다. 당해 시스템을 소개시킨 후, 아르곤 및/또는 수소의 유동을 단계(205)에서 웨이퍼 표면에 대해 평행하게 설정하여 반응 셀을 퍼징한다. 단계(210)에서 상기 시스템을 1200℃ 내지 1400℃로 가열한 후, 아르곤 기체를 수소 기체로 대체한다. 이어서, 단계(215)에서, 온도를 1500℃ 내지 1620℃의 범위로 설정하고 H2 기체 유동을 조절하여 에피택셜 성장에 대한 특정 속도 및 구배 조건을 다음과 같이 달성한다. CVD 시스템을 사용하여 에피택셜 성장(220)을 수행할 수 있다. 여기서, 용어 "에피택셜 성장" 등은, 예를 들면, 제조 실시를 수행하여, SiC 피복된 에피웨이퍼를 제조함을 포함하는 것으로 이해되며, 이는 예비-에피택시 단계와는 구별되어야 한다.
결정성 SiC 기판 위에 결정성 SiC 필름을 부착시키기 위한 공정의 경우, 기체 반응물의 최적의 분포를 생성할 적절한 온도 분포 및 기체 속도를 달성하여 입자/표면 결함, 필름 두께, 도핑 및 필름 표면 형태의 최적의 제어를 생성하는 조건을 설정해야만 하는 것으로 밝혀져 있다. 하나의 예에서, 반응 셀의 하부만이 활성적으로 가열되므로, 수소 기체 유동 밸브는 반응 셀의 다른 표면의 온도에 영향을 미칠 것이다. 이러한 영향은 수소 유동 밸브 및 수소의 비교적 큰 열 전도도의 결과이며, 이는 기체 유동과의 접촉 시 표면을 냉각시키도록 작용할 것이다. 기체 유동에 따른 실제 값, 반응 영역의 외부 직경, 및 반응 영역의 배출구의 부위를 갖는, 100 내지 250 cm/sec의 포괄적인 범위로 설정된 기체 속도는 최적의 SiC 필름 특성을 전달할 것으로 밝혀져 있다. 버크(Burk) 또는 헤츠(Hecht)의 실시예에서와 같이 구성된 따뜻한 벽 다중-웨이퍼 CVD 시스템에 있어서, 당해 시스템을 직경이 각각 76 mm인, 5개의 기판의 동시 가공의 구조를 가공하도록 설계되는 경우, 최적의 기체 속도는 120 내지 250 cm/sec의 범위이며, 일부 구현예에서, 120 내지 160 cm/sec이다. 상기 시스템이, 직경 범위가 100 내지 200 mm이고, 일부 구현예에서, 직경이 100 mm인 10 내지 12개의 기판, 또는 직경이 150 mm인 6개의 기판의 동시 가공에 대해 보다 크게 제조되는 경우, 최적의 기체 속도는 175 내지 250 cm/sec의 범위이다. 당해 기체 유동 조건이 설정된 경우, 이는 웨이퍼 표면과 웨이퍼 상부의 반응 셀의 상부 사이에서의 위치에서 25℃/cm 내지 80℃/cm 범위의 수직 온도 구배에 상응할 것이며, 반응 셀의 상부는 웨이퍼 표면보다 온도가 더 낮다. 이는 1500℃ 내지 1620℃의 공정 조절 온도 및 65 내지 130 slpm(표준 리터/분) 범위의 수소 기체 유동의 범위에 상응한다. 이는 SiC 필름 형성을 조절하기에 최적인 조건을 제공하는 제공된 공정 온도에서 H2 유동 및 기체 속도의 당해 조합이다. SiC 에피택시에 사용된 기체의 조성은 99% 수소보다 크므로, 수소의 기체 유동은 주로 속도 및 온도 구배 조건을 설정한다. 반응성 기체를 첨가하고 CVD 공정을 실행하는 경우, 이들 조건하에 형성된 SiC 필름은 최적의 에피택시 필름 특성을 가지며, 보조 부착물로부터 생성되는 입자 형성이 없다.
당해 방법의 공정 조건을 사용하면, 바람직한 온도 구배가 가열 벽 및 냉각 벽 반응기 내에서 SiC 성장에 대해 보고된 것보다 유의적으로 더 낮은 것으로 밝혀져 있다(참조: B. Thomas et. al., Materials Science Forum, 457-460, 181, 2004). 이러한 작업의 최적화된 방법에 의해 제조된 에피택셜 필름의 특성은 토마스(Thomas) 등에 의한 논문에서 보고된 결과보다 개선되어 있다.
도 2를 다시 참조하면, 도 1의 예비조건화 공정이 완료된 후, 도 2의 공정을 개시하며, 여기서 단계(201)에서 CVD 시스템을 개방시켜 표적화된 필름 매개변수에 대한 성장용 신규 SiC 기판으로 재로딩할 수 있다. 전형적으로, 이들 기판을 폴리슁하고 c-축으로부터 <11-20> 방향으로 2 내지 8도 경사진 4H-SiC 기판으로 세정한다. 사용된 기판은 전형적으로 질소를 사용하여 1×1018/cm3보다 큰 농도로 도핑한다. 당해 기판을, 에피택셜 층이 규소 면(0001 방향) 또는 탄소 면(000-1 방향)에서 형성되도록 하는 방식으로 사용할 수 있다. 일단 상기 시스템이 폴리슁된 기판으로 로딩되면, 단계(205)에서 반응 셀을 소개시킨 후, 아르곤 유동을 웨이퍼 표면에 대해 평행으로 설정한다. 상기 시스템을 1200℃ 내지 1400℃의 온도 범위로 가열한 후, 아르곤 기체를 수소 기체로 교체한다(단계 210). 이어서, 온도를 1500℃ 내지 1620℃의 범위로 설정하고 H2 기체 유동을 조절하여 CVD 성장에 대해 위에서 기술된 속도 및 구배 조건을 달성한다(단계 201). SiC 에피택시 층의 성장 전에, 기판을, 표면을 약하게 에칭하는 기체 혼합물에 노출시켜 기판 폴리슁 공정으로부터 어떠한 미량의 표면 손상 또는 오염도 제거할 수 있다(임의 단계(215)). 필름 성장을 위한 시간에, Si 및 C에 대한 기체상 전구체를 총 기체 유동에 첨가하여 SiC 필름을 형성시킨다. 반응성 Si, C 및 불순물 기체의 농도는 전형적으로 총 유동의 1.5% 미만이다. 에피택셜 필름의 형성 동안에, 질소, 포스핀, 디보란 또는 트리메틸알루미늄을 기체 유동에 첨가하여 필름 속에 적절한 수준의 공여체 또는 수용체 불순물을 설정할 수 있으며, 이는 바람직한 저항을 설정할 것이다. 필름은 전형적으로 100 내지 150 mbar의 포괄적인 압력으로 부착시킨다. 필름 두께는 전형적으로 포괄적인 5 내지 150μm의 범위, 및 일부 구현예에서, 3 내지 120μm의 범위일 수 있다. 대표적인 공여체/수용체 원자 농도는 1×1014 내지 2×1019/cm3의 포괄적인 범위일 수 있다.
필름 두께는 전형적으로 적외선 분광법을 사용하여 시험하는 반면, 공여체 또는 수용체 농도는 정전 용량 전압 시험으로 측정한다. 전형적으로, 웨이퍼는 대칭적 반경-쎄타 양식으로 구성된 맵으로 시험하며, 여기서 측정은 2 내지 3 반경 값 내지 웨이퍼 반경-3mm로 큰 값으로 이루어지며, 360/(반복 점의 수)의 회전 값에 대하여 4 내지 8회 반복되었다. 예를 들어, 제공된 반경에서 반복된 점은 0, 90, 180 및 270도의 쎄타 값에서 측정한다. 적절한 기체 속도 및 온도 구배가 설정되면, 필름은 2 내지 12%의 포괄적인 범위의 관계(최대 값-최소 값)/분 값에 의해 기술된 웨이퍼 두께 내에서 나타날 것임이 밝혀져 있다. 상기 보고된 범위의 보다 큰 값은, 최대 반경 측정 점이 기판의 가장자리의 8 mm 이하 내에서 취하는 경우 관찰될 것임이 밝혀져 있다.
기체 속도 및 온도 구배의 최적 조건 하에서, 에피택셜 필름의 표면은 부드러울 것이며, 표면 결함은 최소화될 것임이 밝혀져 있다. 필름의 조도가 20×20 μm 이하의 스캔 크기에서 원자력 현미경으로 측정되는 경우, 이는 포괄적인 0.2 내지 1.2 nm의 조도 값, 및 일부 구현예에서 0.2 내지 1.0 nm의 RMS 조도 값을 생성할 것이다. 당해 조도 수준에서, 웨이퍼는 일반적으로 집군(bunching) 단계가 생략되는 것으로 나타난다. 표면 결함은 레이저 광 산란 분광계를 사용하여 측정한다. 전체 웨이퍼는 1 내지 3 mm의 웨이퍼 가장자리 내에서 스캐닝된 후 스캐닝된 부위는 2×2 mm 부위로 분리된다. 전체 표면 결함은 결함이 있는 부위와 없는 부위를 계수한 후 결함 부위 대 결함이 없는 부위의 비를 계산하여 결함이 없는 부위의 부분을 측정함으로써 측정한다. 이후에, 푸아송 분포(Poisson distribution)를 사용하여 당해 결함 밀도를 결함이 없는 부분 및 부위 영역으로부터 계산한다. 결함의 수득되는 밀도는 0.25 내지 2.0개의 결함/cm2의 범위이다.
실시예 1:
직경이 76 mm인 5 pcs의 기판을 가공할 수 있는 따뜻한 벽 CVD 시스템을 에피택셜 성장을 위해 사용했다.
사용된 기판은 c-축으로부터 <11-20> 방향으로 4도 경사진, 4H-SiC 폴리타입이었다. 기판은, 저항이 0.015 내지 0.030 ohm-cm의 범위였다. 새로운 세트의 흑연 소모품을 기술한 바와 같이 로딩하고, 베이킹하며 SiC 층으로 피복했다. 기판을 로딩하고 가공했다. 공정 세부사항 및 당해 공정으로부터 웨이퍼 위에서 측정된 결과는 다음과 같다:
실시 확인번호(ID)/웨이퍼 확인번호: 1241_AV1006-09
성장 온도: 1585℃
압력: 124 mbar
총 수소 유동: 72.4 slpm
필름 두께: 5.53 μm, 웨이퍼 범위 8.1% 이내
성장 온도: 1585℃
압력: 124 mbar
총 H2 유동: 72.4 slpm
도핑: 5.5x1015/cm3, 웨이퍼 범위 15% 이내.
결함 밀도: 0.4 cm-2
RMS 조도: 0.61 nm
실시예 2:
직경이 100mm인 10pcs의 기판을 가공할 수 있는 따뜻한 벽 CVD 시스템을 에피택셜 성장을 위해 사용했다.
사용된 기판은 <11-20> 방향으로 4도 경사진 4H-SiC 폴리타입이었다. 기판은, 저항이 0.015 내지 0.030 ohm-cm의 범위였다.
새로운 세트의 흑연 소모품을 기술된 바와 같이 로딩하고, 베이킹하며 SiC 층으로 피복했다. 기판을 로딩하고 가공했다. 공정 세부사항 및 당해 공정으로부터 웨이퍼 상에서 측정된 결과는 다음과 같다:
실시 확인번호/웨이퍼 확인번호: A0971_AN2152-16
성장 온도: 1530℃
압력: 200 mbar
총 H2 유동: 126 slpm
필름 두께: 7μm, 웨이퍼 범위 6.4% 이내
필름 도핑: 5.7x1015/cm3, 웨이퍼 범위 15.7% 이내
결함 밀도: 0.83 cm-2
RMS 조도: 0.30 nm
도 3, 도 4 및 도 5는 다수의 SiC 기판 위에서 에피택셜 SiC 필름을 형성시키는 방법(300)의 예를 나타낸다. SiC 기판은 따뜻한 벽 CVD 시스템내 서스셉터 상에 위치시킬 수 있으며, 상기 따뜻한 벽 CVD 시스템은 바닥, 측벽, 및 천장에 위치한 서스셉터를 포함하는 반응 셀을 갖는다. 서스셉터는 활성적으로 가열될 수 있으며, 천장 및 측벽은 활성적으로 가열되지 않지만, 서스셉터에 의해 간접적으로 가열되도록 한다. 방법(300)은 사용되지 않은 반응 셀 조립체를 CVD 에피택시 시스템(310)에 삽입시킴; 반응 셀 제조의 처리를 위한 제1 공정(340)(도 4); 및 에피택셜 필름 성장을 위한 적어도 하나의 제2 공정(370)(도 5)을 포함할 수 있다. 여기서, 용어 "에피택셜 필름 성장" 등은, 예를 들면, 제조 실시를 실행하여 SiC 피복된 에피웨이퍼를 제조함을 포함하는 것으로 이해되며, 이는 예비-에피택시 단계와는 구별되어야 한다.
반응 셀 제조의 처리를 위한 제1 공정(340)은 서스셉터를 희생 기판을 사용하여 로딩하는 단계(345); 반응 셀을 밀봉하고 소개시키는 단계(350); 반응 셀을 아르곤 및 수소 기체를 사용하여 퍼징하는 단계(355); 반응 셀을 수소와 탄화수소 기체의 혼합물 속에서 베이킹하는 단계(360); 및 CVD 부착 공정을 수행하여 반응 셀의 측벽과 천장에 SiC 필름을 부착시키는 단계(365)를 포함할 수 있다.
에피택셜 성장을 위한 적어도 하나의 제2 공정(370)은 반응 셀이 냉각되도록 하는 단계(373); 다수의 SiC 기판을 서스셉터에 위치시키는 단계(376); 반응 셀을 소개시킨 후 아르곤 기체로 퍼징하는 단계(379); 서스셉터를 1200℃ 내지 1400℃의 포괄적인 온도로 가열하는 단계(382); 아르곤 유동을 종결하고 반응 셀 내로 수소 기체 유동을 개시하는 단계(385); 웨이퍼의 표면과 평행하게 수소, 규소 및 탄소 기체의 기체 혼합물을 120 내지 250 cm/sec의 총 기체 속도에서 유동시키는 단계(388); 서스셉터의 온도를 1500℃ 내지 1620℃의 온도에서 유지시키는 단계(391); 및 반응 셀 내부의 압력을 포괄적인 100 내지 150 mbar로 조절하여 기판에서 3 내지 120μm의 필름의 총 부착물을 달성하는 단계(394)를 포함할 수 있다.
방법(300)을 사용하여 방법(300)에 의해 제조된 적어도 하나의 에피택셜 층(620)을 지닌 단결정 6각형 SiC 기판(610)을 포함하는 셀(600)을 형성시킬 수 있다(도 6). 대안적으로, 하나 이상의 에피택셜 층(620), (630) 등을 기판(610) 위에 형성시킬 수 있다. 장치(600)에서, 웨이퍼 내의 총 두께 변화율은 포괄적인 2 내지 12%일 수 있으며; 각각의 층의 웨이퍼 내의 도판트 농도는 포괄적인 5 내지 40%일 수 있고; 필름의 상부 표면은 포괄적인 0.2 내지 1.2 nm의 RMS 조도 값을 가질 수 있으며; 필름 위의 표면 결함의 밀도는 포괄적인 0.25 내지 2.0/cm2일 수 있다.
본원에 기술된 공정 및 기술이 어떠한 특수한 장치에 고유하게 관련되지 않으며 성분들의 어떠한 적합한 조합에 의해 시행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 다양한 유형의 일반적인 목적의 장치가 본원에 기술된 교시내용에 따라 사용될 수 있다. 본 발명은 모든 국면에서 제한적이라기 보다는 예시적이도록 의도된, 특정한 실시예와 관련하여 기술되어 왔다. 당해 분야의 숙련가는, 많은 상이한 조합이, 직경이 >=150 mm인 다수의 기판을 수용하는 보다 큰 CVD 시스템까지 방법을 확장시킴을 포함하여, 본 발명을 실시하는 데 적합할 것임을 인식할 것이다.
각종 도면의 일부가 특정한 순서로 다수의 논리적 단계를 예시하지만, 순서에 의존적이지 않은 단계를 재정리하고 다른 단계를 조합하거나 발생시킬 수 있다. 위에서 기술되었거나 기술되지 않았거나에 상관없이, 대안적인 순서매김 및 그룹화는 당해 분야의 통상의 기술자에게 적절하거나 명백할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실행은 본원에 기재된 본 발명의 명세서 및 실시를 고려하여 당해 분야의 숙련가에게 명백해질 것이다. 기술된 구현예의 각종 국면 및/또는 성분은 단독으로 또는 어떠한 조합으로도 사용될 수 있다. 본 명세서 및 실시예는, 다음 특허청구범위에 의해 나타내는 본 발명의 실제 영역 및 취지와 함께, 단지 예시적인 것으로 고려되는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. a. 단결정 4H-SiC 기판을 따뜻한 벽 CVD 시스템의 반응 셀 내에서 서스셉터(susceptor) 위로 로딩하는 단계;
    b. 반응 셀 내에서 서스셉터의 온도를 1500℃ 내지 1620℃의 범위로 조절함으로써 상기 시스템을 가열하는 단계; 및
    c. 수소 기체, 규소 기체, 및 탄소 기체의 혼합물을 포함하는 기체 유동을 단결정 4H-SiC 기판의 표면에 평행하게 공급하여, 전체 기체 속도가 120 내지 250 cm/sec의 범위에 있도록 하고 반응 셀 내부의 압력을 100 내지 150 mbar의 범위로 조절함을 포함하는 제조 실시를 실행하여 4H-SiC 에피웨이퍼를 제조함으로써, 단결정 4H-SiC 기판 위에 에피택셜 SiC를 생성시키는 단계를 포함하여, 단결정 4H-SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 포함하는 4H-SiC 에피웨이퍼를 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 에피웨이퍼의 표면으로부터 반응 셀의 천장까지의 온도 구배를 25℃/cm 내지 80℃/cm의 범위로 설정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서:
    a. 4H-SiC 에피웨이퍼의 성능 매트릭스(performance matrix)를 측정하는 단계; 및
    b. 4H-SiC 에피웨이퍼의 측정된 성능 매트릭스가 허용되는 한계치 이하로 되는 경우 사용된 반응 셀을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 단계 1(a) 전에 반응 셀을 전처리하는 단계가 선행되며, 당해 전처리는
    a. 희생 기판을 반응 셀 내에서 서스셉터 위로 로딩하는 단계;
    b. 반응 셀을 밀봉 및 소개(evacuating)하는 단계;
    c. 반응 셀을 불활성 및 수소 기체를 사용하여 퍼징하는 단계;
    d. 1% 내지 10% 탄화수소 기체와 혼합된 수소 기체를 유동시키면서 반응 셀을 1400℃ 내지 1700℃의 온도 범위에서 베이킹하는 단계;
    e. CVD 부착 공정을 수행하여 반응 셀의 측벽 및 천장 위에 SiC 필름을 부착시키는 단계; 및
    f. 반응 셀로부터 희생 기판을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 단계 1(c)가
    a. 단결정 4H-SiC 기판을 따뜻한 벽 CVD 시스템의 반응 셀 내에서 서스셉터 위에 위치시키는 단계;
    b. 반응 셀을 소개시킨 후 반응 셀을 아르곤으로 퍼징하는 단계;
    c. 아르곤 유동을 종결시키고 수소 기체 유동을 반응 셀 내로 개시하는 단계;
    d. 에피웨이퍼의 표면으로부터 천장까지의 온도 구배를 25℃/cm 내지 80℃/cm의 범위에서 설정하는 단계;
    e. 수소, 규소 및 탄소 기체의 기체 혼합물을 120 내지 250 cm/sec의 총 기체 속도에서 에피웨이퍼의 표면과 평행하게 유동시키는 단계;
    f. 단결정 4H-SiC 기판 위의 3 내지 120μm의 필름의 총 부착을 달성하기 위한 공정 조건을 유지시킴으로써 단결정 4H-SiC 기판 위에 에피택셜 SiC 필름을 생성하는 단계;
    g. 상기 시스템을 300℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계; 및
    h. 단결정 4H-SiC 기판을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 단결정 4H-SiC 기판의 성능을 시험하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 단계 5(f)에서, 기체 유동이 도핑 기체를 추가로 포함하는 방법.
  8. 청구항 5에 있어서, 에칭 기체를 반응 셀 내로 유동시켜 단계 5(f) 전에 단결정 4H-SiC 기판을 에칭하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 에칭 기체가 할로겐 기체 및 수소를 포함하는 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단결정 4H-SiC 기판이, 직경 범위가 100 내지 200 mm이고, 질소 농도가 적어도 1×1018/cm3인 폴리슁된 4H-SiC 웨이퍼를 포함하는 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에피택셜 SiC 필름이 단결정 4H-SiC 기판의 노출된 규소 표면에 부착되는 방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 에피택셜 SiC 필름이 단결정 4H-SiC 기판의 노출된 탄소 표면에 부착되는 방법.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 단계 1(a)에서, 다수의 단결정 4H-SiC 기판이 반응 셀 내에 위치되는 방법.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 셀이 흑연 반응 셀을 포함하고, CVD 에피택시에서 사용하기 위한 셀을 조립하기 전에 반응 셀의 흑연 성분을 열분해탄소 또는 탄화탄탈 필름으로 피복시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. a. SiC 에피택셜 필름의 웨이퍼 내의 총 두께 변화율이 포괄적인 2 내지 12%이고;
    b. 에피택셜 SiC 필름의 웨이퍼 내의 도판트 농도가 포괄적인 5 내지 40%이며;
    c. 에피택셜 SiC 필름의 상부 표면이 포괄적인 0.2 내지 1.2 nm의 RMS 조도 값을 가지고;
    d. 에피택셜 SiC 필름 위의 표면 결함의 밀도가 포괄적인 0.25 내지 2.0/cm2인, 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 에피택셜 SiC 필름을 갖는 단결정 4H-SiC 기판.
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