KR20150107895A

KR20150107895A - 승화 (PVT)에 의해 성장된 SiC 결정에서의 전위를 감소시키는 방법

Info

Publication number: KR20150107895A
Application number: KR1020157024047A
Authority: KR
Inventors: 마크 로보다
Original assignee: 다우 코닝 코포레이션
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-09-23
Also published as: WO2014123634A1; JP6285963B2; EP2943602A1; KR101635438B1; US20140220325A1; JP2016507462A; CN105189835A; US9017804B2; CN105189835B; EP2943602B1

Abstract

SiC의 시드 결정을 단열된 흑연 용기 내에 배치하는 단계; Si 원자 및 C 원자의 공급원을 상기 단열된 흑연 용기 내에 배치하는 단계로서, 상기 Si 원자 및 C 원자의 공급원은 상기 시드 결정으로 수송하여 SiC 결정을 성장시키기 위한 것인, 상기 배치 단계; 상기 용기를 퍼니스 내에 배치하는 단계; 상기 퍼니스를 약 2,000℃ 내지 약 2,500℃의 온도로 가열하는 단계; 상기 퍼니스를 약 0.013 내지 약 13 ㎪ (약 0.1 Torr 내지 약 100 Torr)의 압력으로 진공화시키는 단계; 상기 퍼니스를 불활성 기체로 충전하는 단계; 및 제어된 유동으로 상기 퍼니스 내로 도펀트 가스를 도입하여서 복수의 계층화된 층들을 형성하는 단계로서, 각각의 층은 그 바로 아래의 층 및 그 바로 위의 층과 상이한 도펀트 농도를 갖는, SiC 결정을 형성하는 방법. 상기 방법에 의해 제조된 4H-SiC 결정. 상기 방법으로부터 제조된 SiC 결정으로부터 절단된 4H-SiC 기재.

Description

승화 (PVT)에 의해 성장된 SiC 결정에서의 전위를 감소시키는 방법 {METHOD TO REDUCE DISLOCATIONS IN SIC CRYSTAL GROWN BY SUBLIMATION (PVT)}

관련 출원

본 출원은 2013년 7월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/937,149호 및 2013년 2월 5일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/761,165호로부터의 우선권의 이득을 주장한다.

개시된 발명은 탄화규소 (SiC) 결정 및 웨이퍼의 제조에 관한 것이다.

탄화규소, SiC는, 재료 과학, 전자공학, 및 물리학에 친숙한 사람들에게 그들의 와이드 밴드갭(wide band gap) 특성에 대해 그리고 또한 극도의 경도, 고도의 열전도도 및 화학적 불활성 특성에 대해 유리한 것으로 인지되는 결정질 반도체 재료이다. 이들 특성은 SiC를, 규소와 같은 더욱 일반적인 재료로부터 제조되는 소자에 비해 전력 밀도 및 성능 향상을 가능하게 하는, 전력 반도체 소자의 제작을 위한 매우 매력적인 반도체로 만든다.

SiC의 가장 일반적인 형태는 원자들의 입방 배열 또는 육방 배열로 이루어진다. Si 층 및 C 층의 적층은 폴리타입(polytype)으로 알려진 다수의 형태를 취할 수 있다. 탄화규소 결정의 타입은 적층 구성(stacking sequence) 내의 반복 단위의 개수를 나타내는 숫자 뒤에 결정형을 나타내는 문자에 의해 표시된다. 예를 들어, 3C-SiC 폴리타입은 3개의 반복 단위 및 입방 (C) 격자를 지칭하는 반면, 4H-SiC 폴리타입은 4개의 반복 단위 및 육방 (H) 격자를 지칭한다.

상이한 탄화규소 폴리타입들은 재료 특성에 있어서, 가장 현저하게는 전기적 특성에 있어서 약간의 차이를 갖는다. 4H-SiC 폴리타입은 상대적으로 더 큰 밴드갭을 갖는 반면 3C-SiC은 더 작은 밴드갭을 가지며, 대부분의 다른 폴리타입들에 대한 밴드갭은 이들 사이에 속한다. 밴드갭이 더 큰 경우의 고성능 전력 소자 응용에 대해, 이론적으로 재료는 상대적으로 더 높은 전력 및 열전도 성능을 제공하는 것이 더 가능하다.

SiC 결정은 자연에서는 발생하지 않으며 따라서 합성해야만 한다. SiC 결정의 성장은 승화 또는 화학 증착에 의해 실행될 수 있다.

승화 (물리적 증기 수송(Physical Vapor Transport) - PVT로도 지칭됨)에 의한 SiC의 성장은 매우 어렵다. 승화에 의해 Si/C 화학종들의 증기 스트림을 생성하기 위해서는 2000℃를 초과하는 온도가 필요한데, 이는 반응 셀 구성요소 및 퍼니스 설계(furnace design)를 크게 제한한다. 원래는, 애치슨(Acheson) 방법과 같은 공정에 의해 형성되는 SiC 연마재가 결정을 위한 Si 원자 및 C 원자의 공급원으로서 사용되었으며, 기술이 성숙됨에 따라 여러 곳에서 구체적으로는 SiC 결정 성장을 위한 SiC 공급원 분말을 합성하기 위한 수단을 개발하였다. 성장은 보통 진공 챔버 내의 흑연 용기에서 수행된다. 흑연 용기는 저항 방법 또는 유도 방법 중 어느 하나에 의해 가열된다. 체적 내에 제어된 온도 구배(temperature gradient)를 생성하도록 용기를 꼼꼼한 방식으로 단열시킨다. 시드 결정(seed crystal)이 사용되는데, 이는 보통 플레이트 또는 디스크와 같은 형상이다. 이 시드 결정은 전형적으로 그 성장 표면이 공급원 재료를 향하도록 배향된다. 용기 내의 시드 결정의 위치는, 용기가 가열될 때, 시드가 상대적으로 더 낮은 온도 위치에 놓이고 Si-C 공급원 재료는 더 높은 온도 위치에 놓이도록 설계된다. 공급원 재료를 승화시키기에 충분한 온도로 용기가 가열될 때, 증기가 낮은 온도 영역을 향해 이동하여 시드 결정 상에서 응축될 것이다. 이는 개념상으로는 단순해 보이지만, 실제로 SiC의 성장은 매우 복잡하며, 실시하는 사람들에게는 수행하기 매우 어려운 것으로 인식된다.

역사적으로, SiC 승화-기반 결정 성장의 초기의 진보는 렐리(Lely) (미국 특허 제2,854,364호)에 의해 처음 설명되는데, 그의 시딩되지 않은 결정 성장 방법은 소형 육방 SiC 소판(platelet)을 생성한다. 1970년대 및 1980년대에는, 소자를 생성하기 위해 매력적인 크기의 첫 번째 결정을 생성하는 기술이 러시아에서 타이로프(Tairov) 및 츠베트코프(Tsvetkov)에 의해 행해졌다 (문헌[Journal of Crystal Growth, 52 (1981) p. 146-50] 및 문헌[Progress in Controlling the Growth of Polytypic Crystals in Crystal Growth and Characterization of Polytype Structures, P. Krishna, ed., Pergammon Press, London, p. 111 (1983)]). 그들의 접근법은 렐리의 결정을 시드로서 사용하였으며, 상기한 바와 같은 승화 및 수송에 의해 성장을 행하였다. 이러한 결과는 시드의 선택, 압력 제어 및 온도 구배에 의한 폴리타입 제어 방법을 보여주었다. 그 후에, 데이비스(Davis) (미국 특허 제4,866,005호)가 공급원 재료 및 구배 제어의 신중한 선택에 의한 개선을 보여주었다. 타이로프, 츠베트코프, 및 데이비스의 방법에 대한 개량이 오늘날까지 계속 밝혀지고 있다.

더 큰 결정을 생성하는 방법이 나왔을 때에는, 결정의 결함을 제어하는 쪽으로 주안점이 또한 이동하였다. 결함은 개재물(inclusion) 및 결정 전위(crystal dislocation)로 구분될 수 있다. SiC 결정에서의 주요한 결정 결함은 나선 전위(screw dislocation)이다. 이들 중에는 마이크로파이프 또는 중공 코어 나선 전위로서 알려진 특정 케이스가 있다. 추가로, 기저면 전위(basal plane dislocation) 및 관통 칼날 전위(threading edge dislocation)가 있다. 이들 결함은 다수의 원인으로부터 유래한다. 예를 들어, 시드 결정에 함유된 결함이 새로 성장된 결정 체적으로 이동될 수 있다. 온도 구배 및 열팽창 부정합(mismatch)에 의해 일어나며 시드 및 성장 중의 결정에 부여되는 응력이 전위의 형성을 가져올 수 있다. SiC를 형성하는 데 필요한 것과 승화 증기 스트림에서와의 화학량론적 편차가 불안정한 폴리타입 성장을 가져올 수 있으며 - 이는 결국 성장된 결정 내의 폴리타입 개재물로 이어지고, 이는 폴리타입 경계에서의 전위 형성으로 이어진다. 심지어 전위들 사이의 상호작용이 전위를 생성하거나 없앨 수 있다.

확인된 방법에 의해 생성되는 SiC 결정은 큰 농도의 전위를 갖는다. 본 출원으로부터, 나선 전위 및 기저면 농도의 일반적으로 보고된 값은 공칭으로 각각 5,000 내지 10000/㎠이다. 전위는 결정 대칭축에 수직인 평면에서 결정을 절단함으로써 가장 일반적으로 평가된다. 노출된 결정 표면을 350 내지 500℃ 범위의 온도에서 수산화칼륨과 같은 용융된 염으로 에칭함으로써 전위가 드러나게 될 것이다. 각각의 전위 타입은 특유의 형상을 가지므로 특유하게 계수될 수 있다. 전위는 일반적으로 검사 면적으로 나눈 수치로서 계수 및 보고된다. 이러한 특성화 방법은, 결정 평면 상에 형성된 평면 반도체 소자에 함유된 결함들의 용이한 상관관계를 가능하게 하기 때문에 유용하다. 전위가 관찰 평면에 균일하게 분포되지 않음을 나타내는 다수의 예가 문헌에 있다. 특히, 오늘날에는 100 mm 직경의 원에 상응하거나 더 큰 섹션에 대한 검사가 필요할 수 있기 때문에, 전위의 개수가 많으면 각각을 하나씩 계수하는 것이 매우 실현불가능하다. 그래서, 에칭된 영역을 샘플링하여 전위의 양을 결정한다. 부정확한 샘플링 방법은 더 큰 결정과 관련된 전위 농도의 평가에 있어서 오차를 야기할 수 있다. 대부분의 보고서에서, 샘플링 방법의 상세 사항은 제공되지 않으므로, 보고된 결과의 복제가 불가능하지는 않더라도 종종 어려울 수 있다.

고체 물리학 및 반도체 소자에 대해 숙달된 과학자들은 전위로 인해 소자 성능이 재료의 이론적 특성보다 낮게 됨을 안다. 그러므로, 반도체 SiC 결정 품질의 개선에 주안점을 둔 현대의 노력은 결정 성장에서 유래한 결함들을 감소시킬 수 있는 요인들을 확인하고 제어하고자 한다.

일단 충분히 큰 결정이 생성되면, 평면 제작 방법을 사용하여 반도체 소자를 제작하기에 유용하도록 결정을 절단하여 웨이퍼로 제작하여야 한다. 다수의 반도체 결정 (예를 들어, 규소, 비소화갈륨)이 성공적으로 개발되고 웨이퍼 제품으로 상업화되었기 때문에, 벌크 결정으로부터 웨이퍼를 제작하는 방법은 공지되어 있다. 웨이퍼 제작 및 표준 특성화 방법에 대한 일반적인 접근법 및 요건의 개관은 문헌[Wolf and Tauber, Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. 1 - Process Technology, Chapter 1 (Lattice Press -1986)]에서 찾아 볼 수 있다.

그의 경도로 인해, SiC를 웨이퍼 기재로 제작하는 것은, 규소 또는 비소화갈륨과 같은 다른 일반적인 반도체 결정을 처리하는 것과 비교하여 특유의 문제를 제공한다. 기계에 대해 개조가 이루어져야만 하며, 연마제의 선택이 일반적으로 사용되는 재료를 넘어서 변화되어야 한다. 경면 연마된(mirror polished) SiC 웨이퍼에 대해 상당한 표면 아래 손상(subsurface damage)이 관찰가능하며 이는 규소 업계에서 사용되는 것과 유사한 화학적 향상된 기계적 연마 방법을 사용하여 감소되거나 제거될 수 있는 것으로 보고되어 있다 (문헌[Zhou, L., et al., Chemomechanical Polishing of Silicon Carbide, J. Electrochem. Soc., Vol. 144, no. 6, June 1997, pp. L161-L163]).

SiC 웨이퍼 상에 반도체 소자를 구축하기 위해서는, 웨이퍼 상에 부가적인 결정질 SiC 필름들을 침착하여, 필요한 전도도 값 및 전도체 타입을 갖는 소자 활성 영역을 생성하여야 한다. 이는 전형적으로 화학 증착 (CVD) 방법을 사용하여 수행된다. CVD 에피택시에 의한 SiC의 성장을 위한 기술은 1970년대 이래로 러시아, 일본 및 미국의 기업들에 의해 공개되어 왔다. CVD에 의한 SiC의 성장을 위한 가장 일반적인 화학 물질은 규소 함유 공급원 가스 (예를 들어, 모노실란 또는 클로로실란)와 탄소 함유 공급원 가스 (예를 들어, 탄화수소 가스)의 혼합물이다. 저결함 에피택셜 층들의 성장에 중요한 요소는, 기재 표면이 결정 대칭축으로부터 떨어져 경사져서, 화학 원자들이 기재 결정에 의해 확립된 적층 순서대로 표면에 부착될 수 있게 한다는 것이다. 경사가 적절하지 않은 경우, CVD 공정은 표면 상에 3차원적 결함을 생성할 것이며 그러한 결함은 비-작동 반도체 소자를 생성할 것이다. 표면 결점, 예를 들어, 균열, 표면 아래 손상, 피트(pit), 입자, 스크래치 또는 오염은 CVD 공정에 의한 웨이퍼의 결정 구조의 복제를 방해할 것이다 (예를 들어, 문헌[Powell and Larkin, Phys. Stat. Sol. (b) 202, 529 (1997)] 참조). 웨이퍼를 제작하는 데 사용되는 연마 및 세정 공정에 의해 표면 결점을 최소화하는 것이 중요하다. 이들 표면 결점의 존재 시에, 기저면 전위 및 입방 SiC 개재물을 포함하는, 몇몇 결함이 에피택셜 필름에서 발생할 수 있다 (예를 들어, 문헌[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] 참조).

SiC에서의 결함은 그러한 결함 위에 형성된 반도체 소자의 작동을 제한하거나 파괴하는 것으로 알려져 있다. 뉴덱(Neudeck) 및 파웰(Powell)은 중공 코어 나선 전위 (마이크로파이프)가 SiC 다이오드에서의 전압 블로킹 성능을 심각하게 제한하였음을 보고하였다 (문헌[P. G. Neudeck and J. A. Powell, IEEE Electron Device Letters, vol. 15, no. 2, pp. 63-65 (1994)]). 뉴덱은 1994년에 전력 소자에 대한 결정 (웨이퍼) 및 에피택시 유래 결함의 영향을 재검토하였는데, 나선 전위 및 형태학적 에피택시 결함으로 인한 전력 소자 기능의 제한을 강조하였다 (문헌[Neudeck, Mat. Sci . Forum, Vols 338-342, pp. 1161-1166 (2000)]). 헐(Hull)은 더 낮은 나선 전위 밀도를 갖는 기재 상에 다이오드가 제작된 경우에 고전압 다이오드 역 바이어스 누설 전류의 분포에 있어서 더 낮은 값으로의 이동을 보고하였다 (문헌[Hull, et. al., Mat. Sci. forum, Vol. 600-603, p. 931-934 (2009)]). 렌덴만(Lendenmann)은, 바이폴라 다이오드에서의 순방향 전압 저하가 기재의 기저면 전위로부터 유래된 에피층의 기저면 전위와 연관됨을 보고하였다 (문헌[Lendenmann et. al., Mat. Sci . Forum, Vols 338-342, pp. 1161-1166 (2000)]).

4H-SiC 결정의 성장을 위한 현대의 기술은 전위 타입들의 전체에 걸친 동시 제어를 가능하게 하는 결정 성장 공정을 위한 상업적인 방법을 개발하는 데 성공적이지 않았다. 종래 기술에 개시된 다양한 방법들은, 결정 성장에 이용되는 구체적인 단계들 또는 결함들의 농도를 평가하고 반복가능성을 입증하는 데 이용되는 방법과 관련된 상세 사항이 종종 결여되어 있다. 현 시점에서는, 76 mm보다 큰 직경을 갖고 낮은 값의 마이크로파이프, 나선 전위 및 기저면 전위를 갖는 SiC 결정을 제조하는 방법이 개시되어 있지 않다.

본 발명의 하기 개요는 본 발명의 일부 태양 및 특징의 기본적인 이해를 제공하기 위해 포함된다. 이러한 개요는 본 발명의 광범위한 개관이 아니며 따라서 본 발명의 중요하거나 결정적인 요소를 특별히 확인하고자 하거나 본 발명의 범주를 기술하고자 하는 것은 아니다. 이것의 유일한 목적은 하기에 제공되는 더욱 상세한 설명에 대한 서두로서 본 발명의 일부 개념을 단순화된 형태로 제공하는 것이다.

본 명세서에 개시된 실시 형태는, 승화 결정 성장을 통해 SiC 결정에서 마이크로파이프, 나선 및 기저면 전위를 감소시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 결정 성장의 초기 단계들을 제어하여 몇몇 층들을 형성하는 것을 포함하는데, 여기서 도핑 농도는 각각의 층에서 달라진다. 동일한 도핑 원소가 각각의 층에 사용된다. 전위는 이러한 층들의 계면에서 변환되며, 결국에는 측벽에서 결정으로부터 분리되거나 빠져나갈 것이다. 그 결과는 처음의 시드에서보다 더 낮은 마이크로파이프, 나선 및/또는 기저면 전위를 갖는 결정이다. 결정으로부터 새로운 시드를 수확하고 후속 성장에 사용한다. 이러한 공정을 반복하여 결정 내의 전체 전위를 원하는 수준으로 감소시킨다.

4H-SiC 결정은 76 mm만큼 작은 직경, 또는 150 mm에 이르는 또는 이를 초과하는 직경의 시드를 사용하여 성장될 수 있다.

본 발명의 태양은 SiC 결정을 형성하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은, SiC의 시드 결정을 흑연 용기 내에 배치하는 단계; 상기 용기를 단열 흑연으로 둘러싸는 단계; 규소 원자 및 탄소 원자의 공급원을 상기 단열된 흑연 용기 내에 배치하는 단계로서, 규소 원자 및 탄소 원자의 상기 공급원은 상기 시드 결정으로 수송하여 SiC 결정을 성장시키기 위한 것인, 상기 배치 단계; 상기 용기를 퍼니스(furnace) 내에 배치하는 단계; 상기 퍼니스를 약 2,000℃ 내지 약 2,500℃의 온도로 가열하는 단계; 상기 퍼니스를 약 1.3 ㎪ 내지 약 13 ㎪ (약 10 Torr 내지 약 100 Torr)의 압력으로 진공화시키는 단계; 상기 퍼니스를 불활성 가스로 충전하는 단계; 제어된 유동으로 상기 퍼니스 내로 질소 가스를 도입하여서, 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm이고 상기 시드 결정의 질소 농도의 약 0.9 내지 약 10배인 제1 질소 농도를 갖는 제1 침착층; 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm이고 상기 시드 결정의 상기 질소 농도보다 작은 제2 질소 농도를 갖는 제2 침착층; 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm이고 상기 제1 질소 농도보다 크고 상기 시드 결정의 상기 질소 농도의 약 0.9 내지 약 100배보다 크지 않은 제3 질소 농도를 갖는 제3 침착층; 및, 0.013 내지 13 ㎪ (0.1 내지 100 torr)의 압력 범위에서, 두께가 약 0.1 mm 내지 약 50 mm이고 약 1 × 10¹⁵/㎤ 내지 약 1 × 10¹⁹/㎤의 질소 농도를 갖는 마지막 침착층을 형성하는 단계를 포함한다.

다른 태양은 (11-20) 결정 배향을 향해 0 내지 4도의 오프컷(offcut)을 갖는 4H-SiC 결정인 시드 결정을 제공하는데, 상기 시드 결정의 질소 농도는 약 1 × 1016/㎤ 내지 약 8 × 1018/㎤이다.

추가의 태양은 평균 마이크로파이프 밀도가 약 1/㎠ 미만인 4H-SiC 기재를 제공하는데, 상기 4H-SiC 기재에서 이루어진 9회 이상의 측정으로부터 결정할 때, 상기 4H-SiC 기재는 나선 전위 밀도가 약 5,000/㎠ 미만이고 상기 4H-SiC 기재는 기저면 전위 밀도가 약 5,000/㎠ 미만이다. 모든 측정은 동시에 성취된다.

또 다른 태양은 SiC 결정을 제공하는데, 상기 SiC 결정은 SiC의 벌크 결정으로부터 형성된 시드 결정; 상기 시드 결정 위에 그와 접촉하여 형성되며 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm이고 상기 시드 결정의 질소 농도의 약 0.9 내지 약 10배인 제1 질소 농도를 갖는 제1 침착층; 상기 제1 침착층 위에 그와 접촉하여 형성되며 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm이고 상기 시드 결정의 상기 질소 농도보다 작은 제2 질소 농도를 갖는 제2 침착층; 상기 제2 침착층 위에 그와 접촉하여 형성되며 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm이고 상기 제1 질소 농도보다 크고 상기 시드 결정의 상기 질소 농도의 약 0.9 내지 약 100배보다 크지 않은 제3 질소 농도를 갖는 제3 침착층; 및, 두께가 약 0.1 mm 내지 약 50 mm이고, 약 1 × 10¹⁵/㎤ 내지 약 1 × 10¹⁹/㎤의 벌크 질소 농도를 갖는 벌크 침착층을 포함한다.

다른 태양은 SiC 결정을 형성하기 위한 시스템을 제공하는데, 상기 시스템은, 시드 결정, 및 상기 시드 결정으로 수송하여 상기 SiC 결정을 성장시키기 위한 Si 원자 및 C 원자의 공급원을 지지하기 위해 구성된 흑연 용기; 퍼니스를 약 2,000℃ 내지 약 2,500℃의 온도로 가열하기 위한 가열기; 상기 퍼니스를 약 0.013 ㎪ 내지 약 13 ㎪ (약 0.1 Torr 내지 약 100 Torr)의 압력으로 진공화시키기 위한 수단; 상기 퍼니스를 불활성 가스로 충전하기 위한 가스 전달 시스템; 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm이고 상기 시드 결정의 질소 농도의 약 0.9 내지 약 10배인 제1 질소 농도를 갖는 제1 침착층을 형성하고; 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm이고 상기 시드 결정의 상기 질소 농도보다 작은 제2 질소 농도를 갖는 제2 침착층을 형성하고; 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm이고 상기 제1 질소 농도보다 크고 상기 시드 결정의 상기 질소 농도의 약 0.9 내지 약 100배보다 크지 않은 제3 질소 농도를 갖는 제3 침착층을 형성하고; 두께가 약 0.1 mm 내지 약 50 mm이고 약 1 × 10¹⁵/㎤ 내지 약 1 × 10¹⁹/㎤의 질소 농도를 갖는 벌크 침착층을 형성하도록 구성된 가변 유동으로 상기 퍼니스 내로 질소 가스를 도입하도록 사전 프로그래밍된 제어기를 포함한다.

추가의 태양은 별개의 질소 농도의 계층화된 층을 갖는 SiC 결정을 제공하는데, 상기 SiC 결정은 시드 결정; 복수의 계층화된 층들로서, 각각의 층은 그 바로 아래의 층 및 그 바로 위의 층과 상이한 별개의 질소 농도를 갖는, 층들; 및, 약 1 × 10¹⁵/㎤ 내지 약 1 × 10¹⁹/㎤의 질소 농도를 갖는 벌크 층을 포함한다.

추가의 태양은 낮은 전위 개수를 갖는 SiC 결정을 형성하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 SiC 시드 결정을 증기 수송 퍼니스 내에 배치하는 단계; 규소 원자 및 탄소 원자의 공급원을 상기 증기 수송 퍼니스 내에 배치하는 단계; 상기 퍼니스를 작동시켜서 상기 공급원으로부터 상기 시드 결정을 향해 Si 원자 및 C 원자의 증기 수송을 일으키는 단계; 및, 상기 증기 수송 퍼니스 내로의 질소 유동을 변화시켜서 상기 시드 결정 상에 계층화된 SiC 층들의 성장을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 계층화된 SiC 층들은, 각각의 층이 그 바로 아래의 층 및 그 바로 위의 층과 상이한 질소 농도를 갖도록 계층화된다.

하기의 도면을 참조하는 상세한 설명으로부터 본 발명의 다른 태양들 및 특징들이 명백할 것이다. 발명의 상세한 설명 및 도면은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 다양한 실시 형태의 다양한 비제한적인 예를 제공하는 것으로 이해되어야 한다.

이러한 명세서의 일부에 포함되거나 그를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시 형태를 예시하며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하고 예시하는 역할을 한다. 도면은 예시적인 실시 형태의 주된 특징을 도식의 방식으로 나타내고자 하는 것이다. 도면은 실제 실시 형태의 모든 특징 또는 도시된 요소의 상대적인 치수를 도시하고자 하는 것이 아니며, 축척에 맞게 그려지지 않는다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정의 성장을 위한 설비를 나타내며, 상기 설비는 질소 공급원으로의 밸브, 아르곤 공급원으로의 밸브, 진공 라인 및 가열기를 제어하기 위한 제어기를 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 성장을 갖는 시드를 나타내는 개략도이다.

하기는, 낮은 마이크로파이프, 나선 및 기저면 전위 밀도를 나타내면서 비교적 큰 직경의 기재를 생성하는, 본 발명의 실시 형태에 따른 제작 방법의 예를 제공한다. 하기의 예들은 공여체 도펀트(donor dopant)로서 질소를 사용하는 것과 관련되지만, 유사한 공정이 붕소 (B), 인 (P) 및 알루미늄 (Al)과 같은 수용체 도펀트(acceptor dopant)를 사용하여 실시될 수 있다.

이러한 논의는 PVT에 의해 성장되는 벌크 결정에서 형성되는 전위와 관련되며, 에피택시얼 CVD에 의해 결정 웨이퍼 위에 나중에 형성되는 박막 층과는 관련이 없다. PVT에 의한 벌크의 성장은 섬(island)에서 일어나며, 3차원 공정인 반면, SiC 상의 에피택시얼 CVD 성장은 2차원의, 단계 유동 성장(step flow growth) 공정이다. 또한, PVT 공정에서의 반응물은 금속 증기인 반면에, 에피택시얼 CVD에서는 반응물이 하이드라이드 또는 클로라이드이다. PVT와 CVD 사이의 차이로 인해, 에피택시얼 CVD에서의 마이크로파이프의 폐쇄는 개방 코어의 과성장에 의해 유발되며, CVD 공정은 1c 나선 전위 (폐쇄된 코어)의 농도를 감소시킬 수 없다. PVT에서 전위 감소는 결정이 성장할 때 결정 내의 응력 분포를 제어함으로써 주로 이루어진다.

하기 실시 형태에 따르면, 공정은, 일반적으로 성장되는 결정과 유사한 직경의 원형 웨이퍼의 형상인, SiC 시드에서 시작한다. 시드 결정을 카본면(carbon face) 상에서 연마하고/하거나 에칭하여, 표면에 기계적 손상이 부재함을 보장한다. 시드 결정은, 성장 표면 반대편의 면에서, 성장 온도에서 안정한 재료로 코팅할 수 있다. 보호 카본 코팅의 존재는 결정 성장 공정 동안 시드의 열화를 억제하는 데 도움을 줄 수 있는데, 보호가 부재하는 경우에는 공극 ("열 증발 공동"(thermal evaporation cavity))이 시드에 형성될 수 있기 때문이다. SiC 시드는 시드 층을 형성하며, 그 상에는 하기에 기재된 바와 같이 추가의 층들이 성장된다.

다음으로, 원통 형상의 흑연 반응 셀을 하부에서 Si 및 C 증기를 위한 고체 공급원으로 충전한다. 공급원은 SiC 분말, 또는 Si 과립과 탄소 분말의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. SiC의 시드 결정을 흑연 반응 셀의 상부에 배치한다. 흑연 용기를 매칭 스레드 뚜껑(matching threaded lid)으로 밀봉한다. 용기를 단열 흑연 펠트 또는 폼(foam)으로 둘러싸는데, 이의 배열은 분말보다 다소 더 낮은 온도에서 시드를 유지하도록 설계된다. 용기를 유도 퍼니스(induction furnace) 내에 배치한다. 퍼니스를 진공화시키고 아르곤과 같은 비산화 가스로 백필링(backfilling)한다. 압력을 거의 대기압 (67 내지 93 ㎪ (500 내지 700 torr))에서 확립하고 용기를 대략 1,600 내지 2,500℃로 가열한다.

후속하여, 압력을 감소시켜서 증기 수송 공정을 개시한다. 이러한 방법에서는, 압력을 우선 1.3 내지 13 ㎪ (10 내지 100 torr)의 범위로 감소시킨다. 도핑 가스, 이러한 예에서는 질소 가스를 퍼니스에 첨가한다.

시드 결정 상의 재료의 제1 침착은, 유사하지만 가장 유리하게는 시드 중의 질소 농도보다 더 높은 평균 질소 농도를 갖는 층을 생성한다. 구체적으로, 질소 농도가, 시드의 질소 농도와 평균적으로 유사하거나 그보다 더 높은 경우에, 그리고 최대 10배 더 높은 경우에 개선된 결과가 얻어질 수 있다. 이러한 제1 층은 두께가 1 내지 1,000 마이크로미터 (μm) 일 수 있다. 제1 층의 질소 농도를 시드의 질소 농도보다 더 높게 하는 것이 전위를 감소시키는 메커니즘의 일부이다. 시드보다 제1 층에서 질소가 낮으면, 더 많은 전위가 형성될 것임이 경험적으로 나타나 있다. 제1 층은 핵화층(nucleation layer)이며, 원래 그대로의(virgin) 시드 표면 상에서 성장하기 때문에 하기 층들과 상이한 역할을 함에 유의한다. 따라서, 제1 층에서의 질소 농도를 제어하는 것은 마이크로파이프의 핵화를 감소시키는 것과 관련된다. 다른 한편으로, 하기 층들에서의 질소의 농도를 제어하는 것은, 하기에 기재된 바와 같이, 응력을 제어하는 것과 관련된다.

이어서, 질소 유동을 명시된 양만큼 감소시켜서 제2 층에서의 질소 농도를 제어한다. 즉, 제1 층보다 낮은 질소 농도를 갖는 제2 층이 형성되도록 질소 유동을 제어한다. 이러한 제2 층은 두께가 1 내지 1,000 마이크로미터 (μm)일 수 있다.

이어서, 질소 유동을 명시된 양만큼 증가시켜서 제3 층에서의 질소 농도를 제어한다. 즉, 제2 층보다 높지만, 시드 결정에서의 농도를 초과하지 않는 질소 농도를 갖는 제3 층이 형성되도록 질소 유동을 제어한다. 제3 층에서는 질소 농도를 증가시켜서 성장하는 결정 내의 응력을 제어한다. 구체적으로, 층들이 저 도핑과 고 도핑 사이에서 전환되기 때문에, 계면 변화에서의 응력은 자연스러운 것이다 - 저 도핑된 층이 고 도핑된 층 위에 성장될 때, 그러한 층 내의 응력은 압축 응력이고, 고 도핑된 층이 저 도핑된 층 위에 성장될 때, 그러한 층 내의 응력은 인장 응력이다. 추가로, 제1 층에서의 목표 도핑이 조금 지나친 경우에, 이는 제3 층에서 적절한 도핑에 의해 회복될 수 있다.

층 2 및 층 3을 위한 공정을, 전위를 없애는 데 필요한 만큼 다수회 반복할 수 있다. 압력 및 온도는 전위의 최적의 감소를 달성하는 데 필요한 대로 각각의 층에서 변경될 수 있다.

일단 전위 감소 층들이 침착되었으면, 시드 층의 값에 가까운 질소 농도를 갖는 마지막 층을 형성하여야 한다.

이 시점에, 압력, 온도, 및 질소 유동은, 결정의 나머지 부분을 형성하는 데 필요한 조건을 위해 변경된다. 남아 있는 성장된 결정의 두께는 5 내지 50 mm의 범위이며, 이는 나중에 웨이퍼로 슬라이싱되는 벌크 층을 형성하는데, 이 웨이퍼는 소자 제작을 위해 사용될 수 있거나 또는 연마되어 다른 성장을 위한 시드로서 사용될 수 있다. 전형적인 값의 압력은 0.013 내지 1.33 ㎪ (0.1 내지 10.0 torr)의 범위이고 온도는 2,000 내지 2,500℃의 범위이다.

성장 공정의 마지막에는, 압력을 대략 80 ㎪ (600 torr)로 증가시킨다. 이는 임의의 더 많은 증기 수송을 억제한다. 이어서, 퍼니스를 실온으로 냉각한다. 용기를 열었을 때에, 시드 결정과 동일한 폴리타입을 갖는 SiC의 단결정이 시드 결정 상에 형성되어 있다.

이러한 방법에 의해 성장된 결정으로부터 새로운 시드를 생성할 수 있으며 새로운 결정을 제조하는 데 사용할 수 있다. 각 세대의 성장된 결정은 감소된 전위 밀도를 나타내는 것으로 밝혀졌다.

상기한 실시 형태의 특징들은 질소 계층화된 층 구조를 갖는 결정을 제공하며, 따라서, 상기 방법은 큰 (직경 >76 mm, 길이 >25 mm) 결정을 성장시키기 위해 임의의 전략에 통합될 수 있다. 각각의 생성된 결정을 슬라이싱하여, 공정을 반복하기 위한 몇몇 시드를 제공할 수 있으며, 각각의 후속 성장은 더 적은 전위를 나타내고, 원하는 전위 밀도에 도달할 때까지, 다시 슬라이싱하여서 더 우수한 시드를 생성할 수 있다.

결정 내의 전위를 평가하기 위해서, 결정을 슬라이싱하고 모든 슬라이스를 연마한다. 우선 용융염 에칭에 의해 마이크로파이프를 노출시키고 수동 및 자동 방법을 통해 계수함으로써, 또는 연마된 슬라이스를 레이저 광 산란 분광계 및 이미지 처리 알고리즘으로 스캐닝하여 마이크로파이프를 계수함으로써, 마이크로파이프를 시험할 수 있다. 이와 같은 방법은 문헌[J. Wan, et. al., "A New Method of Mapping and Counting Micropipes in SiC Wafers" Proc. 2005 Int'l Conf. On SiC and Related Materials, Materials Science Forum (2006), p. 447] 및 문헌[J. Wan, et, al., "A Comparative Study of Micropipe Decoration and Counting in Conductive and Semi-Insulating Silicon Carbide Wafers," J. Electronic Materials, Vol. 34 (10), p. 1342]에 기재되어 있다. 일단 결함의 총 수가 계수되었으면, 이 값을 측정된 슬라이스의 면적으로 나누어서, 단위 면적당 개수의 단위로 결함 밀도를 유도한다.

나선 전위 및 기저면 전위는 상기에 기재된 바와 같은 용융염 에칭 또는 x-선 토포그래피(topography) 중 어느 하나를 필요로 한다. 계수는 일반적으로 슬라이스 상의 몇몇 영역을 샘플링하고 결함을 계수함으로써 행한다. 결함을 보고하는 데 전형적으로 사용되는 방법은, 웨이퍼의 중심, 웨이퍼 반경의 50%에서 90도씩 떨어져 있는 4개의 부위, 및 웨이퍼 반경의 80% 초과에서 90도씩 떨어져 있으며 반경의 50%에서의 지점들에 대해 45도씩 회전된 4개의 부위에서의 측정으로 이루어진다. 각각의 부위에서의 총 개수를 합계하고, 이어서 합계를 측정 면적으로 나누어서, 단위 면적당 개수의 단위로 결함 밀도를 유도한다. 대형 웨이퍼의 샘플링 방법은 웨이퍼를 평가하는 데 중요하기 때문에, 부위 개수(site count) 값뿐만 아니라 결함의 순 개수(net count)를 보고하는 것이 종종 적절하다.

도 1은 일 실시 형태에 따른 방법을 나타내는 흐름도이다. 본 방법은, 하기 단계들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 단계 100은 SiC 시드 및 스톡을 반응 용기 내에 배치시킴으로써 시작된다. 반응 용기는, 진공 펌핑되고 반응 온도로 가열된 진공 퍼니스 내에 배치한다. 단계 105에서는 초기 도펀트 유동, 여기서는 질소 (N2) 유동을 설정하고, 단계 110에서는 초기 질소 유동을 사용하여 제1 층을 형성한다. 단계 155에서는 N2 유동을 변화시키며, 성장이 계속되어서, 변화된 질소 유동으로 인한 질소 농도를 갖는 다른 층을 형성한다. 이러한 예에서, 변화된 질소 유동은 제2 층에서 더 낮은 질소 농도를 야기하도록 설정된다. 질소 유동을 변화시키고 후속 층을 성장시키는 것을 N회 반복할 수 있다. 그 후에, 단계 120에서는, 최종 N2 유동을 설정하고 단계 125에서는 결정의 벌크를 성장시키도록 공정이 계속된다. 이러한 예에서는, 다양한 질소 유동 설정들 사이에 성장이 중단되지 않는다.

도 2는 일 실시 형태에 따른 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정의 성장을 위한 설비를 나타낸다. SiC 결정 성장을 위해 구성된, 뚜껑(43)을 갖는 PVT 반응 셀(40)이 나타나 있다. 반응 셀은 바람직하게는 흑연 용기로부터 형성된다. 과립화된 SiC 또는 분쇄된 규소 및 탄소 분말의 혼합물(42)이 셀의 하부에 배치된다. 셀의 상부의 안쪽에 장착된 시드 결정(48)이 용기의 위쪽 부분에 위치된다. 전체 용기는 흑연 펠트 또는 폼과 같은 단열재(54)로 둘러싸인다. 반응 셀(40)은 진공 퍼니스(70) 내에 배치된다. 진공 퍼니스(70)는, 셀이 저항 가열되는 경우에 강으로 구성될 수 있거나 또는 셀이 유도 가열되는 경우에 유리로 구성될 수 있다. 나타낸 실시 형태에서, 진공 퍼니스는 유리로 구성되며 RF 유도 코일(72)에 의해 가열된다.

SiC 결정의 성장을 위한 설비는, 진공 퍼니스(70)에 연결된 질소 공급원(84)으로의 밸브(82)를 제어하기 위한, 그리고 진공 퍼니스(70)에 또한 연결된 아르곤 공급원(88)으로의 밸브(86)를 제어하기 위한 제어기(80)를 포함할 수 있다. 진공 퍼니스(70) 내의 진공은 진공 펌프(92)로 이어지는 밸브(90)에 의해 제어된다. 이러한 실시 형태에서, 제어기(80)는, 진공 퍼니스 내로의 아르곤 및/또는 질소 유동과 관계없이 진공 퍼니스(70) 내의 사용자-설정 진공 수준을 유지하기 위해 진공 밸브(90) 및 펌프(92)를 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 챔버 내로의 질소 유동이 증가되면, 제어기(80)가 진공 밸브(90)를 개방하여서 퍼니스로부터의 진공 펌핑을 증가시키고 설정 진공 수준을 유지한다. 제어기(80)는 가열기의 작동, 예를 들어, RF 유도 코일(72)에 인가되는 전력을 또한 제어한다.

일단 셀(40)에 공급원 재료(42) 및 시드(48)를 로딩하였으면, 셀을 밀봉하고 RF 유도 퍼니스(70) 내에 배치한다. 펌프(92)를 사용하여 퍼니스를 진공화시키고, 그에 의해 퍼니스(70)의 내부와 셀(40)의 내부 사이에 압력차를 생성한다. 그러나, 셀(40)은 뚜껑이 셀을 완전 밀폐되게 밀봉하지 않도록 구성되므로, 가스 물질이 셀(40)의 내부로부터 퍼니스(70)의 내부로 누출되고 밖으로 펌핑된다. 유사하게는, 셀(40)의 벽은 가스에 대해 다소 다공성이어서 가스가 퍼니스(70)의 내부로 누출된다. 결과적으로, 펌프(92)의 펌핑 작용은, 셀(40)의 내부와 퍼니스(70)의 내부 사이에 압력차를 생성함으로써 셀(40)의 내부를 또한 진공화시킨다.

일단 셀(40) 및 퍼니스(70)의 내부가 진공화되었으면, 퍼니스(70)의 내부를 비산화 가스, 예를 들어, 아르곤 공급원(88)으로부터의 아르곤으로 백필링한다. 진공 밸브(90)를 제어함으로써 압력을 거의 대기압 (67 내지 93 ㎪ (500 내지 700 torr))으로 확립하고, 코일(72)에 전력을 공급함으로써 용기를 대략 1,600 내지 2,500℃로 가열한다.

후속하여, 압력을 감소시켜서 증기 수송 공정을 개시한다. 이러한 방법에서는, 압력을 우선 1.3 내지 13 ㎪ (10 내지 100 torr)의 범위로 감소시킨다. 이어서, 성장된 결정의 전도도를 제어하기 위해 질소 가스를 퍼니스에 부가하지만, 질소 유동과 관계없이, 제어기는 압력을 설정 값으로, 즉, 1.3 내지 13 ㎪ (10 내지 100 torr)의 범위로 유지한다. 이 시점에, 압력, 온도, 및 질소 유동은, 시드 결정의 질소 농도의 약 0.9 내지 약 10배의 질소 농도를 갖는, SiC의 제1 층을 형성하는 데 필요한 조건을 달성하도록 제어된다. 미리 결정된 성장 기간 후에는, 질소 유동을 변화시켜서 결정 성장을 계속하여 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm인 제2 침착층을 형성하는데, 제2 침착층은 시드 결정의 질소 농도보다 작은 제2 질소 농도를 갖는다. 제2 층은 제1 층과 동일한 압력 또는 상이한 압력에서 침착될 수 있다. 이러한 층 형성 공정은 다수회 반복할 수 있다. 예를 들어, 질소 유동을 다시 변화시켜서 결정 성장을 계속하여 두께가 약 0.1 μm 내지 약 1,000 μm인 제3 침착층을 형성할 수 있는데, 제3 침착층은 제1 질소 농도보다 크고 시드 결정의 질소 농도의 약 0.9 내지 약 100배보다 크지 않은 제3 질소 농도를 갖는다. 일단 원하는 계층화된 층이 성장되었으면, 압력을 0.013 내지 1.3 ㎪ (0.1 내지 10 torr)의 범위로 감소시킬 수 있고, 질소 유동을 조정하여 두께가 약 0.1 mm 내지 약 50 mm인 마지막 침착층을 성장시키는데, 마지막 침착층은 약 1 × 10¹⁵/㎤ 내지 약 1 × 10¹⁹/㎤의 질소 농도를 갖는다. 이러한 층은 시드 상에 벌크 SiC 결정 성장을 형성한다. 남아 있는 성장된 결정의 두께는 5 내지 50 mm의 범위이다. 성장 공정의 마지막에는, 압력을 대략 80 ㎪ (600 torr)로 증가시킨다. 이는 임의의 더 많은 증기 수송을 억제한다. 이어서, 퍼니스를 실온으로 냉각한다. 용기를 열었을 때에, 시드 결정과 동일한 폴리타입을 갖는 SiC의 단결정이 시드 결정 상에 형성되어 있다. 압력, 온도, 아르곤 및 질소 유동, 성장 시간 등을 포함하는, 상기 성장 단계들은 제어기(80) 내에 사전 프로그래밍될 수 있어서, 제어기(80)는 성장 공정을 자동으로 실행할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 형태에 따라 만들어진 성장을 갖는 시드를 나타내는 개략도이다. 계층화된 층들(310)은 각각의 계층화된 층들이 그 바로 아래의 층 및 그 바로 위의 층과 상이한 별개의 평균 도펀트 농도를 갖도록 시드(300) 위에 성장된다. 그러나, 성장이 반응 셀 안쪽에서 수행되기 때문에, 도핑 농도의 변화는 단계 변화와는 반대로 등급화된다. 계층화된 층들(310)은, 결함이 최소화되도록, 원하는 만큼 많은 층들을 포함한다. 계층화된 층들의 성장의 완료 후에, 원하는 도핑 수준을 갖는 벌크 SiC 결정(320)을 형성하도록 성장 공정이 계속된다. 모든 계층화된 층들 및 벌크 SiC 결정 내의 도펀트는 동일함에 유의한다. 일부 실시 형태에서, 벌크 SiC 결정(320) 내의 도핑은 시드(300) 내의 도핑과 동일한 수준이다.

가위 그림으로 나타낸 바와 같이, 생성된 잉곳을 절단하여서, 일반적으로 폐기되는 시드(300) 및 계층화된 층(310)으로부터 벌크 SiC 결정(320)을 분리한다. 실제로, 그림으로 나타낸 바와 같이 벌크 SiC 결정(320)을 분리하기보다는, 잉곳을 SiC 웨이퍼로 간단히 슬라이싱하고, 벌크 SiC 결정(320)으로부터 절단된 웨이퍼만을 사용한다. 또한, 이러한 방법에 의해 성장된 결정을 슬라이싱하여, 즉, 벌크 SiC 결정(320)을 슬라이싱하여 새로운 시드를 생성할 수 있으며, 새로운 시드를 사용하여 새로운 결정을 성장시킬 수 있다. 각 세대의 성장된 결정은 감소된 전위 밀도를 나타내는 것으로 밝혀졌다.

본 명세서에 기재된 공정 및 기술은 임의의 특정 장치와 본질적으로 관련되지 않으며 구성 요소들의 임의의 적합한 조합에 의해 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 본 명세서에 기재된 교시에 따라 다양한 유형의 다목적 장치가 사용될 수 있다. 본 발명이 특정 예와 관련하여 기재되었는데, 이러한 예는 모두 제한하고자 하는 것이 아니라 설명하고자 하는 것이다. 당업자는 다수의 상이한 조합이 본 발명의 실시에 적합할 것임을 알 것이다.

더욱이, 본 발명의 다른 구현 형태가, 본 명세서에 개시된 본 발명의 상세한 설명 및 실시를 고려하여, 당업자에게 명백할 것이다. 기재된 실시 형태의 다양한 태양 및/또는 구성 요소는 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 명세서 및 예는 단지 예시로서 간주되도록 의도되며, 본 발명의 진정한 사상 및 범주는 하기 청구범위에 의해 나타난다.

Claims

물리적 증기 수송(physical vapor transport)에 의해서 SiC 결정을 형성하는 방법으로서,
a. SiC의 시드 결정(seed crystal)을 단열된 흑연 용기 내에 배치하는 단계;
b. 규소 원자 및 탄소 원자의 공급원을 상기 단열된 흑연 용기 내에 배치하는 단계;
c. 상기 용기를 퍼니스(furnace) 내에 배치하는 단계;
d. 상기 퍼니스를 진공화시키고, 이어서 불활성 가스를 상기 퍼니스 내로 유동시키고 압력을 제어하여 80 ㎪ (600 torr) 초과의 압력을 성취하는 단계;
e. 상기 퍼니스를 2,000℃ 내지 2,500℃의 온도로 가열하는 단계;
f. 상기 퍼니스 내의 압력 제어를 0.013 ㎪ 내지 약 13 ㎪ (0.1 Torr 내지 100 Torr)의 압력으로 조정하는 단계;
g. 질소 가스를 상기 퍼니스 내로 도입하고 질소 가스의 유동을 제어하여,
i. 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고 상기 시드 결정의 질소 농도의 0.9 내지 10배인 제1 질소 농도를 갖는 제1 침착층;
ii. 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고 상기 시드 결정의 상기 질소 농도보다 작은 제2 질소 농도를 갖는 제2 침착층;
iii. 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고, 상기 제1 질소 농도보다 크고 상기 시드 결정의 상기 질소 농도의 0.9 내지 100배보다 크지 않은 제3 질소 농도를 갖는 제3 침착층; 및,
iv. 0.1 mm 내지 50 mm의 두께를 갖고 1 × 10¹⁵/㎤ 내지 1 × 10¹⁹/㎤의 질소 농도를 갖는 마지막 침착층을 형성하는 단계
를 포함하는, SiC 결정의 형성 방법.
제1항에 있어서, 단계 g.ii. 및 단계 g.iii.은 단계 g.iv.를 진행하기 전에 다수회 반복되는, SiC 결정의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 방법은 단계 g.i, 단계 g.ii, 단계 g.iii, 및 단계 g.iv 사이에 압력을 상이한 값으로 조정하는 단계를 추가로 포함하는, SiC 결정의 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 시드 결정은 (11-20)을 향해 0 내지 4도의 오프컷(offcut)을 갖는 4H-SiC 결정이고, 상기 시드 결정의 상기 질소 농도는 1 × 10¹⁶/㎤ 내지 8 × 10¹⁸/㎤인, SiC 결정의 형성 방법.
제4항에 있어서, 상기 마지막 침착층을 슬라이싱하여 복수의 SiC 웨이퍼들을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, SiC 결정의 형성 방법.
제1항의 방법에 의해 제조되는 4H-SiC 결정으로서, 상기 시드 결정은 제1항의 방법에 의해 제조된 다른 시드 결정으로부터 형성되는, 4H-SiC 결정.
제1항의 방법에 의해 제조되는 상기 SiC 결정으로부터 절단된 4H-SiC 기재로서, 상기 4H-SiC 기재에서 이루어진 9회 이상의 측정으로부터 결정할 때, 상기 4H-SiC 기재는 평균 마이크로파이프 밀도가 1/㎠ 미만이고, 상기 4H-SiC 기재는 나선 전위 밀도가 5,000/㎠ 미만이고, 상기 4H-SiC 기재는 기저면 전위 밀도가 5,000/㎠ 미만인, 4H-SiC 기재.
SiC 단결정 잉곳으로서,
a. SiC의 벌크 결정으로부터 형성되는 단결정 시드;
b. 상기 시드 결정 위에 그와 접촉하여 형성되며, 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고, 상기 단결정 시드의 질소 농도와 같거나 높은 제1 질소 농도를 갖는 제1 침착층;
c. 상기 제1 침착층 위에 그와 접촉하여 형성되며, 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고, 상기 단결정 시드의 상기 질소 농도보다 작은 제2 질소 농도를 갖는 제2 침착층;
d. 상기 제2 침착층 위에 그와 접촉하여 형성되며, 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고, 상기 제1 질소 농도보다 크고 상기 단결정 시드의 상기 질소 농도의 약 0.9 내지 약 100배보다 크지 않은 제3 질소 농도를 갖는 제3 침착층; 및
e. 0.1 mm 내지 50 mm의 두께를 갖고, 1 × 10¹⁵/㎤ 내지 1 × 10¹⁹/㎤의 벌크 질소 농도를 갖는 벌크 침착층을 포함하는, SiC 단결정 잉곳.
제8항에 있어서, 상기 제1 침착층은 상기 단결정 시드의 상기 질소 농도의 1 내지 100배의 질소 농도를 갖는, SiC 단결정 잉곳.
제8항에 있어서, 상기 잉곳은 상기 벌크 침착층과 상기 제3 침착층 사이에 개재된 하나 이상의 이중층을 추가로 포함하며, 상기 이중층은 상기 제2 질소 농도를 갖는 하나의 층 및 상기 제3 질소 농도를 갖는 다른 층을 포함하는, SiC 단결정 잉곳.
SiC 결정을 형성하는 시스템으로서,
a. 시드 결정, 및 상기 시드 결정으로 수송하여 상기 SiC 결정을 성장시키기 위한 Si 원자 및 C 원자의 공급원을 지지하기 위해 구성된 흑연 용기;
b. 퍼니스를 2,000℃ 내지 2,500℃의 온도로 가열하기 위한 가열기;
c. 상기 퍼니스를 약 0.013 ㎪ 내지 약 13 ㎪ (0.1 Torr 내지 약 100 Torr)의 압력으로 진공화시키기 위한 수단;
d. 상기 퍼니스를 불활성 가스로 충전하기 위한 가스 전달 시스템;
e.
i. 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고, 상기 시드 결정의 질소 농도의 0.9 내지 10배인 제1 질소 농도를 갖는 제1 침착층을 형성하고;
ii. 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고, 상기 시드 결정의 상기 질소 농도보다 작은 제2 질소 농도를 갖는 제2 침착층을 형성하고;
iii. 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고, 상기 제1 질소 농도보다 크고 상기 시드 결정의 상기 질소 농도의 0.9 내지 100배보다 크지 않은 제3 질소 농도를 갖는 제3 침착층을 형성하고;
iv. 0.1 mm 내지 50 mm의 두께를 갖고, 1 × 10¹⁵/㎤ 내지 1 × 10¹⁹/㎤의 질소 농도를 갖는 벌크 침착층을 형성하도록 구성된 가변 유동으로 상기 퍼니스 내로 질소 가스를 도입하도록 사전 프로그래밍된 제어기
를 포함하는, SiC 결정을 형성하는 시스템.
별개의 도펀트 농도의 계층화된 층들을 갖는 SiC 결정으로서,
시드 결정;
상기 시드 결정 상에 형성된 복수의 계층화된 층들로서, 상기 계층화된 층들의 각각은 상기 각각의 층 바로 아래의 층 및 상기 각각의 층 바로 위의 층과 상이한 별개의 도펀트 농도를 갖는, 상기 복수의 계층화된 층들; 및
1 × 10¹⁵/㎤ 내지 1 × 10¹⁹/㎤의 도펀트 농도를 갖는, 상기 계층화된 층들 위의 벌크 층을 포함하는, SiC 결정.
제12항에 있어서, 상기 도펀트는 질소를 포함하는, SiC 결정.
제12항에 있어서, 상기 도펀트는 붕소 (B), 인 (P) 및 알루미늄 (Al)을 포함하는, SiC 결정.
제12항에 있어서, 상기 복수의 계층화된 층들의 제1 층은 상기 시드 결정 바로 위에 형성되며, 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고, 상기 시드 결정의 질소 농도의 0.9 내지 10배인 제1 질소 농도를 갖는, SiC 결정.
제12항에 있어서, 상기 복수의 계층화된 층들의 제1 층은 상기 시드 결정 바로 위에 형성되며, 0.1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖고, 상기 시드 결정의 질소 농도와 같거나 큰 제1 질소 농도를 갖는, SiC 결정.