KR20150116885A

KR20150116885A - 낮은 전위 밀도를 가진 sic 결정

Info

Publication number: KR20150116885A
Application number: KR1020157024104A
Authority: KR
Inventors: 마크 로보다
Original assignee: 다우 코닝 코포레이션
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-10-16
Also published as: KR102137671B1; US20170137964A1; CN105008596B; EP2954100B1; US9738991B2; WO2014123636A1; JP6444890B2; EP2954100A1; JP2016508948A; CN105008596A; US20140220298A1; US10106912B2

Abstract

SiC 결정을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은, SiC 시드를 성장 용기에 위치시키는 단계, 성장 용기를 가열하는 단계, 및 성장 용기를 진공화하는 단계를 포함하며, 여기서 시드는 온도 및 압력 구배의 결과로서 부양되고, 시드의 성장면으로부터 시드의 에지를 돌아 시드 뒤의 체적 내로 기체가 유동하며, 이는 진공 시스템에 의해 펌핑된다.

Description

낮은 전위 밀도를 가진 SIC 결정{SIC CRYSTAL WITH LOW DISLOCATION DENSITY}

관련 출원

본 출원은 2013년 8월 9일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/963,989호, 및 2013년 2월 5일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 61/761,179호의 우선권 이익을 주장한다.

기술분야

본 개시는 낮은 전위 밀도 계수를 가진 탄화규소의 생산, 및 물리적 증기 수송 성장 중에 SiC 시드를 지지하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

탄화규소, SiC는, 재료 과학, 전자공학, 및 물리학에 친숙한 이들에게, 그의 와이드 밴드갭(wide band gap) 특성에 대해, 그리고 또한 극도의 경도, 높은 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 전력 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 한편, 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 한편, 3C-SiC은 더 작은 밴드갭을 가지며, 대부분의 다른 폴리타입들에 대한 밴드갭은 이들 사이에 속한다. 밴드갭이 더 큰 경우의 고성능 전력 소자 응용에 대해, 재료는, 이론적으로, 상대적으로 더 높은 전력 및 열전도도 성능을 제공하는 것이 더욱 가능하다.

SiC 결정은 자연에서는 발생하지 않으며 따라서 합성해야만 한다. SiC 결정의 성장은 승화/물리적 증기 수송(PVT: physical vapor transport) 또는 화학 증착에 의해 실행될 수 있다.

승화에 의한 SiC의 성장은 매우 어렵다. 승화에 의해 Si/C 화학종들의 증기 스트림을 발생시키기 위해서는 2000℃를 초과하는 온도가 필요한데, 이는 반응 셀 구성요소 및 퍼니스(furnace) 설계를 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 구배를 생성하도록 용기를 신중한 방식으로 단열시킨다. 통상적으로 플레이트 또는 디스크와 유사한 형상의 시드 결정이 사용된다. 시드 결정은 전형적으로 그의 성장 표면이 공급원 재료에 면하도록 배향된다. 용기 내의 시드 결정의 위치는, 용기가 가열될 때 시드가 상대적으로 더 낮은 온도 위치에 놓이는 반면에, Si-C 공급원 재료가 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 이들에게는 수행하기 매우 어려운 것으로 인식된다.

역사적으로, SiC 승화-기반 결정 성장의 초기의 진보는 렐리(Lely) (US 2,854,364)에 의해 처음 기재되는데, 그의 시딩되지 않은 결정 성장 방법은 소형 육방 SiC 소판(platelet)을 유발했다. 1970년대 및 1980년대에는, 소자를 생성하기 위해 매력적인 크기의 첫 번째 결정을 생성하는 기술이 러시아에서 타이로프(Tairov) 및 츠베트코프(Tsvetkov)에 의해 수행되었다(문헌[Journal of Crystal Growth, 52 (1981) p. 146-50 and 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)(US 4,866,005)가 공급원 재료 및 구배 제어의 신중한 선택에 의한 개선을 밝혀내었다. 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 전위로 구분될 수 있다. SiC 결정에서의 주요한 결정 결함은 나선 전위이다. 이들 중에는 마이크로파이프 또는 중공 코어 나선 전위로서 알려진 특정 케이스가 있다. 추가로, 기저면 전위 및 관통 칼날 전위(threading edge dislocation)가 있다. 이들 결함은 다수의 공급원으로부터 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 유발할 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 에칭하는 것이 전위를 드러낼 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 소자 내에 함유된 결함의 용이한 상관관계를 가능하게 하기 때문에 유용하다. 관찰 평면 내에 전위가 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. 그러므로, 전위의 양을 결정하기 위해 에칭된 영역을 샘플링한다. 그러나, 부정확한 샘플링 방법은 더 큰 결정과 연계된 전위 농도의 추산에 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 유래하는 결함들을 감소시킬 수 있는 요인들을 확인하고 제어하고자 한다.

일단 충분히 큰 결정이 생성되면, 평면 제작 방법을 사용하여 반도체 소자를 제작하기에 유용하기 위하여, 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 개질이 이루어져야 하며, 연마제의 선택이 일반적으로 사용되는 재료를 넘어서 변화될 필요가 있다. 경면 연마된(mirror polished) SiC 웨이퍼에 대해 상당한 표면 아래 손상이 관찰가능하며 이는 규소 업계에서 사용되는 것과 유사한 화학적 향상된 기계적 연마 방법을 사용함으로써 감소시키거나 제거할 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 에피택시(epitaxy)에 의한 SiC의 성장을 위한 기술은 1970년대 이래로 러시아, 일본, 및 미국의 그룹으로부터 공개되었다. CVD에 의한 SiC의 성장을 위한 가장 일반적인 화학은 규소 함유 공급원 기체(예를 들어, 모노실란 또는 클로로실란)와 탄소 함유 공급원 기체(예를 들어, 탄화수소 기체)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, 이러한 결함은 비-작동 반도체 소자를 유발할 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 하에서는, 기저면 전위 및 입방 SiC 개재물을 포함하는 몇몇 결함이 에피택셜 필름 내에 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 차단 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 개관하였는데, 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 현대 기술은 전위 유형의 전반에 걸친 동시 제어를 가능하게 하는 결정 성장 공정을 위한 상업적 방법을 개발하는 데에 성공하지 못했다.

선행 기술에 개시된 다양한 방법은 종종 결정 성장에 채용되는 특정 단계 또는 결함의 농도를 평가하고 반복가능성을 입증하기 위해 채용되는 방법에 관한 상세사항이 결여되어 있다.

최근에는, 탄화규소 및 질화갈륨의 더 큰 결정을 성장시키는 것이 바람직해졌다. 현재, 대부분의 성장 공정은 물리적 증기 수송(PVT) 승화 방법과 같은 증기-기반 수송 방법을 이용한다.

예를 들어, 전형적으로 고체 흑연으로부터 형성되는 반응 셀 내에서 PVT에 의해 SiC의 결정을 성장시킬 수 있다. 셀은 전형적으로 직각 원통이며, 각각의 팽창 계수의 차이에 의해 부여되는 응력을 최소화하기 위해 흑연의 등급은 그의 열팽창 계수가 SiC의 것에 근접하도록 선택된다. SiC 시드 결정은 전형적으로 디스크 형상으로 제공된다. 시드 결정을 연마하고 성장 온도에서 안정한 재료를 이용하여 성장 표면의 반대쪽 측면 상에 코팅할 수 있다. 보호 탄소 코팅의 존재는 결정 성장 공정 중에 시드의 악화를 억제하기 위해 중요하며, 보호의 부재시에는 시드 내에 공극("열 증발 공동")이 형성되는 것으로 나타난다.

시드는 일반적으로, 원통형 반응 셀의 주축과 시드 웨이퍼의 평면이 명목상 서로에 대해 직각이도록 반응 셀 내에 배향된다. 대부분의 PVT 반응 셀 내에서, 증기 유동의 제어와 더불어 성장 중에 잔해 및 오염이 시드에 없도록 유지하는 것을 지원하기 위해, 시드 결정은 Si/C 공급원 공급원료 위에 위치한다. 이러한 유형의 PVT 반응 셀 배열에서는, 전형적으로 시드가 반응 셀의 뚜껑에 강성 부착되거나 기계적으로 부착됨으로써, 증기 공급원 위에 시드가 지지된다. 시드는 접착제, 시멘트, 고정 링(retaining ring) 등에 의해 뚜껑에 부착될 수 있다. 그러나, 시드를 반응 셀 뚜껑 또는 시드 홀더에 마운팅하는 행위는 결정 성장 중에 바람직하지 않은 효과를 유발할 수 있다.

예를 들어, 마운팅 공정 중에, 코팅된 시드 뒤쪽에 스크래칭이 발생할 수 있다. 추가로, 마운팅 공정 중에 시드와 반응 셀 천정 계면 사이에 공극이 생성될 수 있다. 이러한 발생은 시드 배면의 증발 공동의 형성을 악화시켜 결함 형성을 유발할 수 있다. 또한, 시드와 뚜껑 사이의 열팽창의 차이는 시드 내에 응력을 야기할 수 있다. 예를 들어, 일본 특허 공개 JP 2011-20860의 논의를 참조한다.

반응 셀 내에서 시드 표면 상에 증기 스트림의 응축을 가능하게 하기 위해 온도를 제어할 수 있는 위치에 시드 결정을 지지하는 것이 중요하다. 그러나, 전형적으로 시드 결정과는 상이한 재료로 반응 셀이 제조되기 때문에, 강성 부착 방법은 종종 성장 중의 결정 내에 응력을 생성한다. 예를 들어, 접착제를 사용하여 반응 셀 또는 뚜껑에 시드를 마운팅하는 경우, 마운팅 공정 중에 시드가 굴곡될 가능성이 있으며, 이는 결정 내에 바람직하지 않은 응력을 유발한다.

결과적으로, 성장 중의 시드 결정을 지지하기 위한 대안적 방법의 개발이 시도되어 왔다. 예를 들어, JP 2011-20860은 시드를 뚜껑에 대해 고정하는 진공을 생성하기 위해 차압에 의존한다. 그러나, 결정과 홀더 사이의 접촉은 성장 중에 결정 상의 응력이 여전히 발생할 수 있는 접촉이다. 구체적으로, 차압력(pressure differential force)은 시드를 변형시킬 수 있다. 또한, 뚜껑의 표면이 평탄하고 편평하지 않다면, 이는 시드의 뒤쪽 표면 상에 압력점을 생성시킴으로써 시드 내에 변형을 발생시킬 것이다. 마찬가지로, 시드와 뚜껑 사이에 우연히 포획될 수 있는 임의의 미립자 재료는 압력점을 생성시킬 것이다. 시드가 뚜껑에 완벽하게 접촉되도록 뚜껑이 완벽하게 편평하더라도, 시드가 뚜껑에 닿을 경우에는 그것이 시드의 배면을 냉각시켜 그것이 뚜껑으로부터 만곡되는 것을 야기하고 밀봉이 파손될 것이다. 또한, 만곡은 결정이 응력 중에 있는 것을 야기하여 성장하는 결정 내에 결함을 유발할 것이다.

JP 2011-20860에 개시된 접근법에는 다른 문제들이 있다. 예를 들어, 차압으로 인해 시드가 상승할 경우, 그것은 도가니로부터 나오는 기체 유동을 차단함으로써, 도가니 내부의 증가된 압력 및 온도를 유발한다. 적어도 이들 이유로 인해, 도가니로부터 나오는 기체의 유동을 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 결정이 성장함에 따라 그것은 더 무거워지고 어느 지점에서는 너무 무거워서 차압이 그것을 뚜껑에 대해 유지하지 못할 것이며, 그 지점에서 결정이 떨어져, 결정의 온도 급변을 유발하고 도가니로부터 나오는 기체의 재개된 유동으로 인해 도가니 내부의 감소된 압력 및 온도를 유발할 것이다.

따라서, 감소된 결함(예를 들어, 마이크로파이프, 나선 전위, 및 기저면 전위)을 유발하는 최소화된 응력을 동반하여 결정 성장을 유발하는, SiC 결정 성장 방법에 대한 필요성이 당업계에 존재한다.

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 발명의 다양한 실시 형태는 증기-기반 결정 성장 중의 시드 결정을 위한 지지에 관한 것이며, 더욱 특히, 결정 성장 중에 시드 결정이 외부 응력을 받지 않는 증기 수송 성장 방법에 관한 것이다.

본 발명의 태양에 따라, SiC 결정을 형성하는 방법이 제공되며, 본 방법은, SiC의 육방 폴리타입의 벌크 결정으로부터 얻어진 시드 결정을 절연 흑연 용기의 선반(shelf) 상에 위치시킴으로써, 흑연 용기의 천정과 시드의 뒤쪽 표면 사이의 체적을 정의하는 단계; 규소 및 탄소 원자의 공급원을 절연 흑연 용기 내에 위치시키며, 여기서 규소 및 탄소 원자의 공급원은 SiC 결정을 성장시키기 위한 시드 결정으로의 수송을 위한 것인 단계; 흑연 용기를 퍼니스의 내부에 위치시키는 단계; 퍼니스를 약 2,000℃ 내지 약 2,500℃의 온도로 가열하는 단계; 및 기체 유동을 시드 결정 아래로부터 시드 결정의 주변부를 통해 흑연 용기의 천정과 시드의 뒤쪽 표면 사이의 체적의 중앙으로 지향하면서, 유도 퍼니스를 약 0.1 토르 내지 약 100 토르의 압력으로 진공화함으로써, 시드의 뒤쪽 표면이 흑연 용기의 임의의 부분에 접촉되는 것을 방지하면서, 규소 및 탄소 원자의 공급원으로부터 시드로의 증기 수송을 촉진하는 단계를 포함한다.

추가의 태양에 따라, 성장 중의 질소 농도가 1 × 10¹⁵ 내지 1 × 10¹⁹/㎤인 0.1 내지 50 mm 두께의 SiC 결정 성장을 가능하게 하도록 진공 퍼니스 내부의 온도 및 압력이 유지되는 방법이 개시된다.

다른 태양에 따라, 시드가 (11-20) 결정질 배향을 향해 0 내지 4 도의 오프컷(offcut)을 가진 4H-SiC 폴리타입이고 시드 결정의 질소 농도가 약 1 × 10¹⁶/㎤ 내지 약 8 × 10¹⁸/㎤인, 결정 성장을 위한 시드가 제공된다.

추가의 태양은, 4H-SiC 기재에 대해 실행된 9회 이상의 측정으로부터 결정할 때, 평균 마이크로파이프 밀도가 약 1/㎠ 미만이고, 나선 전위 밀도가 약 5,000/㎠ 미만이며, 기저면 전위 밀도가 약 5,000/㎠ 미만인 4H-SiC 기재를 제공한다. 이들 계량은 동시에 달성된다. 기재는 반도체 소자의 제작에 사용되는 기재로서, 또는 시드 결정으로서 사용할 수 있다.

또 다른 태양은 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정 성장에 적합한 반응 셀을 제공하며, 여기서 시드는 온도 및 압력 구배의 결과로서 부양되고, 시드의 성장면으로부터 시드의 에지를 돌아 시드 뒤의 체적 내로 기체가 유동하며, 이는 진공 시스템에 의해 펌핑된다. 반응 셀은 시드의 뒤쪽 표면이 용기의 임의의 부분에 접촉되는 것을 방지하도록 제작된다. 예를 들어, 시드의 주변 에지에 접촉되고 시드의 그 뒤쪽 표면이 뚜껑의 표면에 닿는 것을 방지하도록 구성된 주변 링 연장부(peripheral ring extension)로 뚜껑을 작제할 수 있다.

추가로, SiC 결정을 형성하기 위한 퍼니스 시스템이 제공되며, 시스템은, 그의 상단부에 뚜껑을 갖는 절연 흑연 용기, 및 그의 상단부에 뚜껑을 갖는 절연 흑연 용기를 갖기 위한 선반 및 시드 결정을 지지하기 위한 선반(선반은 천정 아래에 위치되며 시드의 뒤쪽 표면이 뚜껑의 표면에 접촉되는 것을 방지하도록 구성됨); 기체 유동을 시드 결정의 주변부로부터 시드 결정 뒤의 체적의 중앙으로 지향하기 위한 수단; 증기 플럭스가 뚜껑을 통과하는 것을 가능하게 하기 위해 구성된 진공화 통로; 흑연 용기를 약 2,000℃ 내지 약 2,500℃의 온도로 가열하기 위한 가열기; 흑연 용기의 내부를 약 0.1 토르 내지 약 100 토르의 압력으로 유지하기 위한 진공 펌프; 및 불활성 기체 및 또는 도핑 기체로 퍼니스를 충전하기 위한 기체 투입구를 포함한다. 뚜껑은 시드의 뒤쪽 표면이 뚜껑의 표면에 접촉되는 것을 방지하도록 시드의 주변 에지에 맞물리게 구성된 연장부를 포함할 수 있다.

추가의 태양은 또한, SiC 시드를 성장 용기에 위치시키는 단계, 성장 용기를 가열하는 단계, 및 성장 용기를 진공화하는 단계를 포함하며, 여기서 시드는 온도 및 압력 구배의 결과로서 부양되지만, 그의 뒤쪽 표면이 뚜껑의 표면에 접촉되는 것이 방지되며, 시드의 성장면으로부터 시드의 에지를 돌아 시드 뒤의 체적 내로 기체가 유동하고, 이는 진공 시스템에 의해 펌핑되는, 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정 성장을 위한 방법을 포함한다.

상세한 설명으로부터 본 발명의 다른 태양 및 특징이 자명해질 것이며, 이는 하기 도면과 관련하여 수행된다. 상세한 설명 및 도면은 본 발명의 다양한 실시 형태의 다양한 비-제한적 실시예를 제공하며, 이는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다는 것이 인정되어야 한다.

이러한 명세서의 일부에 포함되거나 그를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시 형태들을 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 형태들의 모든 특징 또는 도시된 요소의 상대적인 치수를 도시하고자 하는 것이 아니며, 축척에 맞게 그려지지 않는다.
도 1은 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정의 성장을 위한 선행 기술 배열의 개략도이다.
도 2는 일 실시 형태에 따른 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정의 성장을 위한 배열의 개략도이다.
도 3은 다른 실시 형태에 따른 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정의 성장을 위한 배열의 개략도이다.
도 4는 또 다른 실시 형태에 따른 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정의 성장을 위한 배열의 개략도이다.
도 5는 또 다른 실시 형태에 따른 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정의 성장을 위한 배열의 개략도이다.

본 발명의 실시 형태에 따른 제작 방법의 실시예가 하기에 제공되며, 이는 낮은 마이크로파이프, 나선 전위 밀도, 및 기저면 전위 밀도를 나타내면서 상대적으로 큰 직경의 기재를 유발한다. 개시된 실시 형태에 따라, 시드는 성장 중에 용기의 임의의 부분에 물리적으로 부착되지 않고, 오히려 통제 경계 이내에서 자유롭게 이동하는 것이 가능하다. 통제 경계는 가공 중에 시드의 수평(팽창 및 수축) 및 수직 이동을 가능하게 하지만, 수직 이동은 시드의 뒤쪽 표면이 뚜껑의 표면에 접촉되는 것을 방지하도록 제한된다. 일부 실시 형태에서는, 가공 용기 내부에 차압 및/또는 기체의 상향 유동을 생성시킴으로써 수직 이동을 촉진한다. 일부 실시 형태에서는, 연장부 링, o-링, 또는 시드의 주변 에지에 접촉되기 위한 유사한 컨스트랙트(constract)를 가짐으로써 시드의 뒤쪽 표면과 뚜껑의 표면 사이에 공간을 유지함으로써, 시드의 뒤쪽 표면이 뚜껑의 표면에 접촉되는 것을 방지한다. 이러한 성장을 달성하는 방법의 실시예는 도 2 내지 4에 예시된 실시 형태와 관련하여 하기 기재될 것이다. 물론, 본 개시의 범주 및/또는 사상으로부터 이탈하지 않으면서 본 명세서에 기재된 결과를 달성하는 다른 방식을 사용할 수 있다.

본 발명의 특징은, 1/㎠ 미만의 마이크로파이프 밀도, 5,000/㎠ 미만의 나선 전위 밀도, 및 5,000/㎠ 미만의 기저면 전위 밀도를 나타내는 4H-SiC 결정/웨이퍼를 생성하기 위한 방법의 실시예의 하기 기재로부터 이해될 수 있다. 즉, 개시된 결정은 낮은 결함 밀도 요건 3개 모두를 동시에 나타낸다. 76 mm 만큼 작은 직경 또는 최대 150 mm 직경 및 150 mm 초과의 직경의 시드를 사용하여 4H-SiC 결정을 성장시킬 수 있다.

하기 실시 형태에 따라, 공정은 SiC 시드로 시작되며, 이는 일반적으로 성장시킨 결정과 대략 동일한 직경의 원형 웨이퍼의 형상이다. 표면에 기계적 손상이 없음을 보장하기 위하여 시드 결정을 탄소면 상에 연마 및/또는 에칭한다. 결정 성장을 위한 개질된 배열을 이용하여 결정 상의 성장을 개선한다. 필요한 개질을 완전히 이해하기 위해, 선행 기술에 따른 성장 배열을 먼저 기재할 것이다.

도 1은, 선행 기술을 나타내는, 물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정의 성장을 위한 일반적 배열을 나타낸다. SiC 결정 성장을 위해 구성된 PVT 반응 셀(40)이 예시된다. 반응 셀(40)은 전형적으로 흑연 뚜껑(55)을 가진 흑연 용기로부터 형성된다. 과립화 SiC 또는 규소 및 탄소 재료(42)를 셀의 하단에 위치시킨다. 시드 결정(48)이 용기의 상위부에 위치되며, 이는 셀의 뚜껑의 내부에 물리적으로 마운팅되거나 결합된다. 전체 용기(40)는 흑연 펠트 또는 폼과 같은 절연체(54)로 둘러싸인다. 진공 펌프에 의해 펌핑되는 진공 퍼니스(70) 내에 반응 셀(40)을 위치시킨다. 셀이 저항 가열되는 경우에 진공 퍼니스(70)는 강철로 이루어질 수 있거나, 셀이 유도 가열되는 경우에 그것은 석영, 유리, 또는 다른 유전체로 이루어질 수 있다. 나타낸 실시 형태에서, 진공 퍼니스는 유리로 이루어지며 RF 유도 코일(72)에 의해 가열된다. 규소 및 탄소는 공급원 재료(42)로부터 증발하고 시드(48) 상에 응축된다. 시드 상에 응축되지 않은 규소 및 탄소는 반응 용기로부터 나와 진공 퍼니스 내로 확산된다. 이러한 확산은 반응 용기의 내부와 진공 퍼니스 사이의 압력 구배에 의해 추진된다. 진공 퍼니스 내로 주입되는 기체, 예를 들어, 질소, 아르곤, 및 도판트는 흑연 도가니 벽을 통해 반응 용기 내로 확산된다. 이러한 확산은 진공 챔버와 반응 용기의 내부 사이의 농도 구배에 의해 추진된다.

본 명세서에 기재된 방법의 실시 형태는 시드 결정 성장을 위한 선행 방법 및 장치에 비해 몇몇 이점을 제공한다. 상기 언급된 바와 같이, 대부분의 선행 기술은 시드의 뒤쪽 표면과 도가니 또는 반응 셀의 상단 사이의 접촉 또는 뚜껑에 대한 접촉을 이용하여 시드를 연결한다. 본 발명자들은 이러한 접촉이 불필요하며 결정 형성에 유해할 수 있다는 것을 발견하였다. 의외로 본 발명자들은, 시드와 셀 사이의 접촉을 최소화함으로써 성장 중의 결정에 부여되는 응력 또한 최소화된다는 것을 발견하였다. 또한 의외로 본 발명자들은, 낮은 결정 결함 밀도에 의해 입증되는 바와 같이, 성장시킨 결정의 품질의 개선을 발견하였다.

혁신적인 지지의 다양한 개시된 구성은 마운팅 공정 중의 시드 결정에 대한 손상 또는 그의 굴곡을 최소화하며, 시드 결정이 반응 셀로부터 기계적으로 분리되므로, 성장 중에 시드 결정은 반응 셀과 무관하게 팽창 및 수축할 수 있다. 하기의 것들은 개선된 결정 성장을 달성하기 위한 시드 지지의 실시예이다.

이제 도 2를 참조하면, SiC 결정 성장을 위해 구성된 본 발명의 일 실시 형태에 따른 PVT 반응 셀이 예시된다. 바람직하게는, 반응 셀(40)은 흑연 뚜껑(55)을 가진 흑연 용기로부터 형성된다. 셀은 도 2에서 "d"로 표기된 내경을 가지며, 이는 시드(48)의 직경보다 약간 더 크다. 추가로, 셀의 상위부에 선반(46)이 제공된다. 선반(46)은 도 2에서 "d_s"로 표기된 내경을 가지며, 이는 시드(48)의 직경보다 약간 더 작다. 선반(46)은 용기의 측벽에 결합된 흑연의 링으로서 제조될 수 있다. 대안적으로, 선반(46)은 용기와 일체형으로 제조될 수 있으며, 예를 들어, 용기(40)의 내부 측벽의 일체형 부분으로서의 선반을 가진 용기가 형성될 수 있다. 물론, 선반의 벽이 수직일 필요는 없고, 그 대신에 점선으로 나타낸 바와 같이 경사질 수 있으며, 이 경우에 직경 "d_s"는 시드 측면 상에서보다 선반의 공급원 측면 상에서 더 큰 값을 가질 수 있다.

임의의 물리적 부착 없이 시드 결정(48)을 그의 주변 에지에서 지지하기 위해 선반(46)이 사용된다. 오히려, 시드(48)는 선반(46) 상에 정치되도록 용기의 내부에 단순히 위치한다. 이어서, 시드 위에 자유 공간을 유지하도록 시드에 접촉하지 않으면서 흑연 고정기(53)를 시드 위에 위치시키지만, 유계 공간 이내에서 수직으로 이동하는 시드 자유를 가능하게 한다. 고정기(53)는, 시드의 뒤쪽 표면이 뚜껑(55)의 표면에 접촉될 정도로 시드가 수직으로 이동하는 것을 방지하도록 구성된다. 일부 실시 형태에서, 고정기(53)는 뚜껑(55)의 부분으로서 형성된다. 예를 들어, 고정기(53)는 뚜껑(55)에 일체형으로 제조되거나 기계가공된 링 연장부일 수 있다.

임의로, 흑연 고정기 또는 스페이서(53)의 하단에 하나의 기체 채널 링(50)이 제공되고, 시드 아래에 다른 하나가 제공되며, 뚜껑(55)과 시드(48) 사이의 갭(31) 내로 기체를 지향하기 위해 사용된다. 기체 채널 링(50)의 예를 콜아웃에 나타내며, 이는 시드에 면하는 표면 상에 제공되고 기체 유동을 보조하는 그루브(57)를 예시한다. 그것은 일반적으로 편평한 워셔의 형상이며, 그의 아래 측면, 즉, 시드(48)에 면하는 측면에 유동 채널(57)을 갖는다. 부차적인 콜아웃은 링(50)의 이형을 예시하며, 여기서 그루브(57)는 시드에 면하는 표면 및 링(50)의 외측 에지 상에 제공된다. 이 실시예에서, 기체는 뚜껑(55) 내의 기체 수집기(61)를 통해 셀(40)로부터 나오지만; 기체 수집기는 방사 방향에 비해 셀의 상단으로부터 나오는 방향으로 기체의 전도율을 증가시키는 임의의 기하형태 또는 재료일 수 있다. 일반적으로, 도 2의 파선 화살표에 의해 나타낸 바와 같이, 시드(48) 아래로부터, 시드를 돌아 기체 채널 링(50)을 통해 갭(31) 내로, 그리고 용기의 상단으로부터 나오는 기체 유동을 발생시키도록 배열이 구성된다. 기체 채널 피팅 및 기체 수집기 양자 모두는, SiC 결정 성장에 사용되는 공정 온도 및 화학특성과 상용성인 재료, 예를 들어, 흑연, 몰리브덴 등으로 작제되어야 한다. 이러한 전반적인 배열은, 뚜껑과 시드의 뒤쪽 표면 사이의 갭(31)이 유지되도록 시드를 그의 수직 운동 내에 구속하는 것을 가능하게 한다. 이렇게 해서 시드의 뒤쪽 표면은 뚜껑에 절대 접촉되지 않으며, 이러한 접촉으로 인해 야기될 수 있는 응력이 방지된다. 또한 그 배열은, 가열 및 냉각시에 셀로부터 시드에 응력이 부여됨이 없이 시드가 자유롭게 팽창 및 수축하는 것을 가능하게 한다.

도 3은 셀(40)의 일체형 부분으로서 선반(46)을 형성하기 위한 다른 실시 형태를 예시한다. 구체적으로, 셀(40)은 그의 내경이 도 2의 실시 형태에서의 직경 d_s와 유사하고 시드(48)의 것보다 약간 더 작도록 제작된다. 셀(40)의 상위 부분은 시드(48)의 직경보다 약간 더 큰 직경(즉, 도 2의 실시 형태에서의 직경 d와 유사함)을 갖도록 제작된다. 2개 직경 사이의 차이는 선반(46)을 형성하며, 그 위에 시드(48)가 정치된다. 따라서, 이해될 수 있는 바와 같이, 다양한 구성을 사용하여 선반(46)을 가능하게 할 수 있으며, 시드가 물리적 통제를 갖지 않으면서 자유롭게 팽창 및 수축할 수 있도록 시드가 선반 상에 정치 배향으로 위치될 수 있다면, 사용되는 특정 구성이 필수적인 것은 아니다. 또한, 시드가 수직 방향으로 약간 자유 이동할 수 있지만 뚜껑의 표면에 접촉되는 것은 방지되도록, 셀(40)의 상단 아래 소정의 거리에 선반이 위치해야 한다.

도 3에 예시된 다른 이형은, 콜아웃에 나타낸 기체 유동 링(50)의 이형이다. 콜아웃에 나타낸 바와 같이, 기체 유동 링(50)은 편평한 워셔의 형상이며, 기체 유동 링(50)과 시드(48) 사이에 유동하도록 기체를 지향하기 위하여, 시드(48)로부터의 후퇴부가 발생되도록, 그의 하단 표면 상에 제공된 범프(bump) 또는 다른 돌출부(58)를 갖는다.

도 4는 고정기(53) 및 상단 기체 유동 링(50)이 뚜껑(55) 내에 통합되는 또 다른 실시 형태를 예시한다. 콜아웃에 나타낸 바와 같이, 뚜껑(55)은 연장부(53)와 일체형으로 형성되며, 이는 고정기 링(retainer ring)(53)으로서 작용한다. 연장부(53)의 하단에는 기체 유동 채널(59)이 형성되어 기체 유동 링(50) 내의 채널(57)로서 작용한다. 용기의 상단에 뚜껑(55)이 위치할 경우, 그것은 뚜껑(55)과 시드(48) 사이에 갭(31)을 형성한다. 하단 기체 유동 링은 기체가 시드 아래로부터 진입하는 것을 가능하게 한다. 또한, 이전의 실시 형태에서와 같이, 시드(48)가 수직으로 이동하기 위한 후퇴부 공간이 있으나, 그의 뒤쪽 표면이 뚜껑의 표면에 절대 닿지 않도록 그의 수직 운동은 연장부(53)에 의해 구속된다. 또한, 뚜껑(55)을 통해 용기로부터 나오는 기체의 펌핑을 가능하게 하기 위해 뚜껑(55) 내에는 천공(61)이 제공된다.

도 5는 도 4의 실시 형태의 다른 이형을 예시한다. 도 5의 실시 형태에 따라, 뚜껑(55)은 연장부(53)와 일체형으로 형성되며, 이는 고정기 링(53)으로서 작용한다. 연장부(53)의 측벽 상에는 기체 유동 천공(59)이 형성되어 기체 유동 링(50) 내의 채널(57)로서 작용한다. 파선 화살표에 의해 예시된 바와 같이, 시드 아래로부터 시드 위로의 기체 유동을 가능하게 하기 위하여, 시드 아래에 위치한 링(50)은 수직 채널로 이어지는 수평 채널을 갖는다.

하기 기재는 이용된 특정 실시 형태에 무관하게 적용가능하다. 전체 용기(40)는 흑연 펠트 또는 폼과 같은 절연체(54)로 둘러싸인다. 절연체의 두께, 열전도도, 및 투과성은 반응 셀 내에서 원하는 온도 분포를 달성하도록 선택된다. SiC 결정의 성장을 위한 배열은, 진공 퍼니스(70)에 연결되는, 질소 공급원(84)에 대한 밸브(82)를 제어하고, 또한 진공 퍼니스(70)에 연결되는, 아르곤 공급원(88)에 대한 밸브(86)를 제어하기 위한 제어기(80)를 포함할 수 있다. 진공 퍼니스(70) 내부의 진공은 진공 펌프(92)로 이어지는 밸브(90)에 의해 제어된다. 본 실시 형태에서는, 진공 퍼니스 내로의 아르곤 및/또는 질소 유동에 무관하게 진공 퍼니스(70) 내부의 사용자-설정 진공 수준을 유지하도록 진공 밸브(90) 및 펌프(92)를 제어하기 위해 제어기(80)를 구성한다. 예를 들어, 챔버 내로의 질소 유동이 증가하는 경우, 제어기(80)가 진공 밸브(90)를 개방하여 퍼니스로부터의 진공 펌핑을 증가시키고 설정된 진공 수준을 유지한다. 제어기(80)는 RF 유도 코일(72)에 인가되는 전력과 같은 가열기의 작동 또한 제어한다.

일단 셀(40)이 공급원 재료(42) 및 시드(48)로 로딩되면, 그것을 밀봉하고 RF 유도 퍼니스(70) 내에 위치시킨다. 펌프(92)를 사용하여 퍼니스를 진공화함으로써, 퍼니스(70)의 내부와 셀(40)의 내부 사이에 차압을 생성한다. 그러나 셀(40)은 뚜껑이 셀을 완전히 밀폐하여 밀봉하지 않도록 작제되며, 따라서 기체 물질이 셀(40) 내부로부터 퍼니스(70)의 내부로 누설되고 펌핑되어 나간다. 마찬가지로, 셀(40)의 벽은 기체 및 퍼니스(70)의 내부로의 누설에 대해 다소 투과성이다. 결과적으로, 펌프(92)의 펌핑 작용은 또한, 셀(40)의 내부와 퍼니스(70)의 내부 사이에 차압을 생성함으로써 셀(40)의 내부를 진공화한다.

이어서, 퍼니스(70)를 아르곤과 같은 비-산화성 기체로 재충전한다. 압력을 대기압(500 내지 700 토르) 부근으로 설정하고 용기를 대략 1,600 내지 2,500℃로 가열한다. 그 후에 밸브(90)의 적절한 설정에 의해 압력을 감소시켜 증기 수송 공정을 개시한다. 질소 또는 다른 도판트 기체를 퍼니스에 첨가하여 성장시킨 결정의 전도도를 제어할 수 있다. 이 지점에서 압력, 온도, 및 질소 유동을 제어하여 시드 상에 벌크 SiC 결정을 형성하기 위해 필요한 조건을 달성한다. 성장시킨 잔류 결정의 두께는 5 내지 50 mm의 범위이다. 전형적인 압력의 값은 0.1 내지 10.0 토르의 범위이고 온도는 2,000 내지 2,500℃의 범위이다.

온도, 압력, 및 공급원으로부터 시드 결정으로의 증기 수송을 촉진하는 기체 유동의 조건에서는, 시드의 대칭축에 평행한 온도 구배가 존재할 것이며, 성장면이 시드의 배면보다 더 높은 온도에 있다. 배면보다 성장면에서 시드의 열팽창이 더 클 것이므로, 이는 시드의 만곡을 야기할 것이다. 즉, 시드 성장면의 면적이 배면보다 이제 더 크므로, 시드는 그의 중앙이 그의 주변부보다 더 낮아지면서 만곡된다. 시드는 선반(46)에 단순히 정치되며 기계적으로 또는 물리적으로 고정되지 않으므로, 이러한 팽창 및 만곡은 제한되지 않는다 ― 선반 수준에서 용기의 직경은 시드 팽창을 가능하게 하기에 충분히 크며 시드 위에는 시드의 수직 이동을 가능하게 하기에 충분한 공간이 존재한다.

동시에, 성장 퍼니스의 차등 펌핑 작용으로 인해, 공급원 재료를 함유하는 성장 셀 체적은 시드 위의 갭(31)보다 더 높은 압력에 있으므로, 시드의 대칭축에 평행하게, 시드를 가로질러 압력 구배 또한 설정된다. 기체 유동이 상단부 또는 뚜껑을 통해 상향이도록 셀(40)이 작제되므로, 시드 아래로부터의 기체는 상향으로 시드의 주변부를 돌아 유동하고 있다. 이러한 조합은 시드를 가로질러 부력을 유발하여, 시드가 고정기(53) 상의 기체 채널 피팅(50)에 접촉될 때까지 시드를 부양시키거나 그것을 상향으로 부유시킨다. 성장시킨 결정의 중량이 부력을 이길 때까지 시드는 이 위치를 유지할 것이며, 이 시간에 시드는 아래로 유동하고 선반(46)에, 또는 쿠션 링(51) 상에(제공되는 경우) 다시 정치될 것이다. 그의 부력 위치에서, 시드는 그의 주변 에지에서 고정기 링(53)에 대해 압착되어, 시드의 뒤쪽 표면이 뚜껑의 하단 표면에 접촉될 수 없다.

성장 공정의 종점에서, 압력을 대략 600 토르로 상승시킨다. 이는 더이상의 증기 수송을 억제한다. 이어서, 퍼니스를 실온으로 냉각시킨다. 용기를 개방할 때, 시드 결정과 동일한 폴리타입을 가진 SiC의 단결정이 시드 결정 상에 형성되었다.

새로운 결정을 제조하기 위하여, 이 방법에 의해 성장시킨 결정으로부터 새로운 시드를 생성하고 사용할 수 있다. 성장시킨 결정의 각각의 세대는 감소된 전위 밀도를 나타내는 것으로 확인된다.

본 발명의 유익한 특징은, 적절한 기체 유동 및 차압을 촉진하여 시드의 부양을 개시하기 위한, 선반, 고정기, 및 뚜껑/기체 수집기, 시드 위의 갭, 및 기체 채널 피팅/기체 수집기에 의해 정의되는 시드 국한 섹션을 포함하는 셀 설계이다.

결정 내의 전위를 평가하기 위하여, 결정을 슬라이싱하고 모든 슬라이스를 연마한다. 먼저 용융염 에칭으로 마이크로파이프가 드러나게 하고 수동 또는 자동 방법을 통해 계수하거나, 연마된 슬라이스를 레이저 광 산란 분광계로 스캐닝하고 영상 처리 알고리듬으로 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 계수되면, 이 값을 측정된 슬라이스의 면적으로 나누어 단위 면적 당 계수의 단위로 결함 밀도를 유도한다.

나선 전위 및 기저면 전위는 상기 기재된 바와 같은 용융염 에칭 또는 x-선 토포그래피를 필요로 한다. 계수는 일반적으로, 슬라이스 상의 몇몇 영역을 샘플링하고 결함을 계수함으로써 수행된다. 결함을 보고하기 위해 전형적으로 사용되는 방법은 웨이퍼의 중앙, 웨이퍼 반경의 50%에서 90 도 떨어진 4개 부위, 및 웨이퍼 반경의 >80%에서 90 도 떨어지고 반경의 50%에서의 지점에 대해 45 도 회전시킨 4개 부위에서의 측정으로 구성된다. 각각의 부위에서의 총 계수를 합산한 후, 합계를 측정 면적으로 나누어 단위 면적 당 계수의 단위로 결함 밀도를 유도한다. 웨이퍼의 평가에는 더 큰 웨이퍼의 샘플링 방법이 중요하므로, 결함의 순 계수와 더불어 부위 계수 값을 보고하는 것이 종종 타당하다.

실시예

흑연 용기를 형성하고 총합이 대략 850 그램인 규소 및 탄소의 공급원 혼합물로 로딩하였다. 공급원에 면하는 C-면을 이용하여 앞서 기재된 방법에 따라 대략 102 mm 직경의 4H-SiC 시드를 셀 내에 고정하였다. 흑연 조립체를 흑연 펠트로 둘러싸고 RF 유도 가열 진공 퍼니스 내에 위치시켰다. 진공 챔버를 기저 압력까지 진공화한 후에 아르곤 기체로 재충전하였다. 압력을 600 T로 설정하고 시스템을 가열하여, 흑연 용기의 뚜껑에 조준된 고온계에 의해 판독할 때 대략 2200℃의 온도를 달성하였다. 이 시간에 N2 기체를 챔버에 전달하고 압력을 10 T 미만으로 하락시켜 공급원의 승화를 개시하였다. 3 내지 8E18/㎤ 범위 이내로 결정 내에 질소 농도를 전달하기 위한 수준으로 N2 기체 유동을 설정하였다. 약 100 hr 후에 압력을 600 T로 상승시켜 승화를 중단시킨 후에 시스템을 냉각시켜 결정을 회수하였다.

AG1045로 표기된 생성된 결정은 경사 측면 상에서 길이가 15 mm였다. 직경이 100 mm이고 <11-20>을 향해 오프컷이 4 도인 웨이퍼로 결정을 슬라이싱하였다. 다이아몬드 연마제를 사용하여 웨이퍼를 연마하여 평탄한 정반사성 표면을 달성하였다. 웨이퍼 상에서 저항 측정을 수행하였으며, 그 값은 0.017 내지 0.020 옴-cm의 범위였다.

레이저 광 산란 분광법을 사용하여 연마된 웨이퍼 내의 마이크로파이프를 평가하였다. 조사된 웨이퍼 영역에서 외측 2 mm는 배제되었다. 하기 표는 총 마이크로파이프 및 마이크로파이프 밀도(MPD: micropipe density)에 대해 측정된 값을 나타낸다.

슬라이스 중 하나를 용융 KOH 내에서 에칭하여 전위가 드러나게 하였다. 반경 및 각도에 의해 배열된 웨이퍼 상의 9개 부위에서 전위를 측정하였다. 시험 위치는 웨이퍼의 중앙, 웨이퍼 반경의 50%에서 90 도 떨어진 4개 부위, 및 웨이퍼 반경의 >80%에서 90 도 떨어지고 반경의 50%에서의 지점에 대해 45 도 회전시킨 4개 부위에서의 측정으로 구성된다. 각각의 부위에서 현미경 영상을 취하고, 그 영상으로부터 모든 관통, 기조, 및 나선 전위의 합계인 에치 피트 밀도(EPD: etch pit density), 기저면 전위 밀도, 및 나선 전위 밀도를 결정하였다. 데이터는 하기에 표로 나타낸다:

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 구현예가, 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

SiC 결정을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
a. 절연 흑연 용기의 선반(shelf) 상에 시드 결정을 위치시킴으로써, 상기 흑연 용기의 천정과 상기 시드의 뒤쪽 표면 사이의 체적을 정의하는 단계;
b. 규소 및 탄소 원자의 공급원을 상기 절연 흑연 용기 내에 위치시키며, 여기서 상기 규소 및 탄소 원자의 공급원은 상기 SiC 결정을 성장시키기 위한 상기 시드 결정으로의 수송을 위한 것인 단계;
c. 상기 흑연 용기를 퍼니스(furnace)의 내부에 위치시키는 단계;
d. 상기 퍼니스를 진공화하고 불활성 기체로 600 토르 초과의 압력까지 충전하는 단계;
e. 상기 퍼니스를 약 2,000℃ 내지 약 2,500℃의 온도로 가열하는 단계; 및,
f. 기체 유동을 상기 시드 결정 아래로부터 상기 시드 결정의 주변부를 통해 상기 흑연 용기의 천정과 상기 시드의 상기 뒤쪽 표면 사이의 상기 체적의 중앙으로 지향하면서, 상기 유도 퍼니스를 약 0.1 토르 내지 약 100 토르의 압력으로 진공화함으로써, 상기 시드의 상기 뒤쪽 표면이 상기 천정에 접촉되는 것을 방지하면서 상기 규소 및 탄소 원자의 공급원으로부터 상기 시드로의 증기 수송을 촉진하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 퍼니스 내로 도판트 기체를 유동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제2항에 있어서, 0.1 내지 50 mm 두께의 결정 성장 및 1 × 10¹⁵ 내지 1 × 10¹⁹/㎤의 질소 농도가 가능하도록 온도 및 압력을 유지하는, 방법.
제2항에 있어서, 상기 시드 결정이 (11-20) 결정질 배향을 향해 0 내지 4 도의 오프컷(offcut)을 가진 4H-SiC 결정이고, 상기 시드 결정의 질소 농도가 약 1 × 10¹⁶/㎤ 내지 약 8 × 10¹⁸/㎤인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 시드의 상기 뒤쪽 표면이 상기 천정에 접촉되는 것을 방지하는 단계가 상기 시드 위에 고정 링(retaining ring)을 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
제5항에 있어서, 상기 시드와 상기 고정 링 사이에 기체 채널 링을 삽입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, 상기 시드와 상기 선반 사이에 제2 기체 채널 링을 삽입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제1항의 방법으로부터 제조된 상기 SiC 결정으로부터 절단된 4H-SiC 기재로서, 상기 4H-SiC 기재는, 상기 4H-SiC 기재에 대해 실행된 9회 이상의 측정으로부터 결정할 때, 평균 마이크로파이프 밀도가 약 1/㎠ 미만이고, 나선 전위 밀도가 약 5,000/㎠ 미만이며, 기저면 전위 밀도가 약 5,000/㎠ 미만인, 4H-SiC 기재.
물리적 증기 수송에 의한 SiC 결정 성장에 적합한 반응 셀로서, 여기서 시드는 온도 및 압력 구배의 결과로서 부양되고, 상기 시드의 성장면으로부터 상기 시드의 상기 에지를 돌아 상기 시드 뒤의 체적 내로 기체가 유동하며, 이는 진공 시스템에 의해 펌핑되고, 여기서 상기 시드 부양은 상기 시드의 뒤쪽 표면이 상기 반응 셀의 천정 표면에 접촉될 수 없도록 통제되는, 반응 셀.
제9항에 있어서, 흑연 용기 및 흑연 뚜껑을 포함하며, 여기서 상기 흑연 용기의 상위 섹션에 선반이 형성되고, 여기서 상기 뚜껑의 하단 표면이 상기 천정을 형성하는, 반응 셀.
제10항에 있어서, 상기 시드 위의 상기 선반 위에 적합되도록 구성된 고정기 링(retainer ring)을 추가로 포함하는, 반응 셀.
제11항에 있어서, 상기 고정기 링이 상기 뚜껑과 일체형으로 형성되는, 반응 셀.
제11항에 있어서, 상기 고정기 링 상에 제공된 기체 유동 채널을 추가로 포함하는, 반응 셀.
제10항에 있어서, 상기 뚜껑이 기체 진공화 천공을 포함하는, 반응 셀.
제10항에 있어서, 상기 용기의 내경이 상기 시드의 것보다 약간 더 작고, 상기 용기의 상위 섹션이 상기 시드의 것보다 더 큰 내경을 갖도록 제조되며, 여기서 상기 시드의 것보다 약간 더 작은 상기 내경으로부터 상기 시드의 것보다 더 큰 상기 직경으로의 전이가 상기 선반을 정의하는, 반응 셀.
SiC 결정으로서, 상기 SiC 결정은,
a. 육방 폴리타입(polytype)의 SiC의 벌크 결정으로부터 형성된 시드 결정; 및
b. 상기 시드 상에 성장시키며 두께가 약 0.1 mm 내지 약 50 mm인 SiC 결정의 층을 포함하고, 여기서 상기 SiC 결정의 층의 질소 농도는 약 1 × 10¹⁵/㎤ 내지 약 1 × 10¹⁹/㎤이며;
여기서 상기 결정은, 상기 결정에 대해 실행된 9회 이상의 측정으로부터 결정할 때, 평균 마이크로파이프 밀도가 약 1/㎠ 미만이고, 나선 전위 밀도가 약 5,000/㎠ 미만이며, 기저면 전위 밀도가 약 5,000/㎠ 미만인, SiC 결정.
SiC 결정을 형성하기 위한 퍼니스 시스템으로서, 상기 시스템은,
a. 그의 상단부 상의 뚜껑, 및 시드 결정을 지지하기 위한 선반을 가지며, 상기 선반은 상기 상단부에 매우 근접하여 위치하지만 상기 선반 상에 위치시킨 시드가 상기 뚜껑에 접촉될 수 없도록 상기 뚜껑 아래로 충분한 거리에 위치하는, 절연 흑연 용기;
b. 상기 시드 결정의 주변부로부터 상기 시드 결정 뒤의 체적으로 기체 유동을 지향하기 위한 수단;
c. 증기 플럭스가 상기 뚜껑을 통과하는 것을 가능하게 하기 위해 구성된 진공화 통로;
d. 상기 흑연 용기를 약 2,000℃ 내지 약 2,500℃의 온도로 가열하기 위한 가열기;
e. 상기 흑연 용기의 내부를 약 0.1 토르 내지 약 100 토르의 압력으로 유지하기 위한 진공 펌프;
f. 상기 퍼니스를 불활성 기체로 충전하기 위한 기체 투입구를 포함하는, 퍼니스 시스템.
제17항에 있어서, 상기 선반 위에 위치하는 고정기 링을 추가로 포함하는, 퍼니스 시스템.
제18항에 있어서, 상기 고정 링이 복수의 기체 유동 채널을 포함하는, 퍼니스 시스템.
제18항에 있어서, 상기 고정 링이 복수의 범프(bump)를 포함하는, 퍼니스 시스템.
제18항에 있어서, 기체 유동을 지향하기 위한 상기 수단이 기체 채널 링을 포함하는, 퍼니스 시스템.
제17항에 있어서, 기체 유동을 지향하기 위한 상기 수단이 상기 시드 아래에 위치하는 제1 기체 채널 링 및 상기 시드 위에 위치하는 제2 기체 채널 링을 포함하는, 퍼니스 시스템.
제17항에 있어서, 상기 뚜껑이 그의 하단 표면으로부터 연장되고 상기 시드의 주변 에지에 맞물리도록 구성된 직경을 갖는 고정 링을 포함하는, 퍼니스 시스템.
제23항에 있어서, 상기 뚜껑이 기체 유동 도관을 포함하는, 퍼니스 시스템.
제24항에 있어서, 상기 기체 유동 도관이 상기 고정 링 상에 형성된 채널을 포함하는, 퍼니스 시스템.
제25항에 있어서, 상기 뚜껑이 복수의 기체 유동 천공을 추가로 포함하는, 퍼니스 시스템.