KR20160067960A - 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SiC 기판 상에 SiC를 에피택셜 성장시켜 에피택셜 SiC 웨이퍼를 제조할 때에, 적층 결함 및 코멧 결함을 종래보다도 더욱 저감시킨 고품질 에피택셜 막을 갖는 에피택셜 SiC 웨이퍼를 얻는 제조 방법을 제공하는 것이다. 상기 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법은, 에피택셜 성장의 개시 전에 성장로에 흐르게 하는 성장 전 분위기 가스가, 수소 가스를 함유하고 잔부가 불활성 가스 및 불가피적 불순물이며, 상기 수소 가스가 불활성 가스에 대해 0.1∼10.0체적％ 함유하는 것을 특징으로 한다.

Description

에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법 {EPITAXIAL SILICON CARBIDE WAFER MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것이다.
탄화규소(이하, SiC라고 표기함)는 내열성 및 기계적 강도가 우수하고, 물리적, 화학적으로 안정된 점에서, 내환경성 반도체 재료로서 주목받고 있다. 또한, 최근 들어, 고주파 고내압 전자 디바이스 등의 기판으로서 에피택셜 SiC 웨이퍼의 수요가 높아지고 있다.
SiC 단결정 기판(이하, SiC 기판이라고 함)을 사용하여, 전력 디바이스, 고주파 디바이스 등을 제작하는 경우에는, 통상 SiC 기판 상에 열 CVD법(열화학 증착법)이라고 불리는 방법을 사용하여 SiC 박막을 에피택셜 성장시키거나, 이온 주입법에 의해 직접 도펀트를 주입하는 것이 일반적인데, 후자의 경우에는, 주입 후에 고온에서의 어닐이 필요해지기 때문에, 에피택셜 성장에 의한 박막 형성이 다용되고 있다.
상기 SiC의 에피택셜 막을 성장시킬 때, SiC 기판 표면에 결정의 교란이 존재하면, 그것에 기인한 적층 결함이 에피택셜 막 중에 형성되기 때문에, 에피택셜 막 중에는 그 적층 결함과 소위 통상의 에피택셜 결함이 존재하게 된다. 상기 적층 결함과 상기 에피택셜 결함의 조화에 의해, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼가 그 상에 형성되는 전자 디바이스에 대한 영향, 즉, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 성능이 결정된다.
상기 에피택셜 결함으로서는, 삼각형 결함, 캐럿 결함, 코멧 결함 등이 대표적인 것으로서 알려져 있다. 이들은 디바이스 내부에 존재하면 디바이스 특성이나 신뢰성을 열화시키는, 소위 킬러 결함으로서 작용하기 때문에, 그 저감이 강하게 요구되고 있다. 현상에서, 상기 에피택셜 결함은 1㎠당 수개∼10개 정도의 레벨이지만, 디바이스 내에 포함되는 에피택셜 결함수는 실질적으로 제로이어야만 하기 때문에, 현재 5㎜×5㎜ 정도보다도 큰 면적을 갖는 디바이스는 수율이 극단적으로 저하되고, 그 작성은 어려운 상황에 있다.
최근 들어, 삼각형 결함과 캐럿 결함에 있어서는, 구조 해석이 진행되고, 그 형성 원인이 밝혀지고 있지만(비특허문헌 1 참조), 코멧 결함은 3C-SiC로 형성되어 있는 것은 판명되어 있지만, 성인은 불분명한 점이 많다(비특허문헌 2 참조). 또한 에피택셜 결함의 반수 정도는 코멧 결함이며, 다른 결함보다도 큰 면적을 차지하는 경향이 있는 점에서, 조급히 그 저감책을 확립할 필요가 있다. 향후 디바이스에의 응용이 기대되는 에피택셜 SiC 웨이퍼이지만, 특히 코멧 결함을 저감시키지 않으면, 비교적 소면적의 디바이스는 작성할 수 있으나, 5㎜×5㎜ 정도 이상의 면적을 갖는 대형 디바이스에 대응하는 것은 곤란하다.
특허문헌 1은 카본의 공급을 억제한 반응실 내 조건하에 SiC 기판을 아르곤 분위기하에서 에피택셜 성장 온도까지 승온시켜 기판 표면을 아르곤 처리함으로써, Si 드롭렛을 억제하는 것을 특징으로 하고 있다.
특허문헌 2는 불활성 가스 분위기 또는 진공에 있어서, 1700℃∼2200℃에서 탄화규소 기판을 가열 처리함으로써, 당해 탄화규소 기판의 기저면 전위의 선단부를 관통 날 형상 전위로 전환함으로써, 기저면 전위를 보다 확실하게 관통 커터 형상 전위로 전환하는 것을 특징으로 하고 있다.
특허문헌 3은 0.4°∼5°의 오프각으로 경사지게 한 4H-SiC 단결정 기판을 연마하고, 수소 분위기하에서, 상기 연마 후의 기판을 1400∼1600℃로 하여 그 표면을 청정화함으로써, 스텝 번칭의 발생을 억제하는 것을 특징으로 하고 있다.
특허문헌 4는 <0001>면으로부터의 경사각이 5°보다도 작은 탄화규소 벌크 기판을 환원성 가스 분위기 중에서 소정의 온도 및 소정의 처리 시간의 조건으로 어닐하고, 상기 환원성 가스 분위기 중에서 기판 온도를 저하시킴으로써, 캐럿 결함 및 삼각 결함 밀도를 저감시키는 것을 특징으로 하고 있다.
전술한 바와 같이, 상기 적층 결함과 상기 에피택셜 결함의 균형에 의해, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 성능이 결정된다. 그러나, 특허문헌 1∼4에 개시된 발명은, 삼각형 결함, 캐럿 결함 등의 에피택셜 결함의 억제만, 또는 SiC 에피택셜 막의 평탄성만을 착안하여 이루어진 것으로서, 적층 결함의 저감 효과가 불충분하였다.
일본 특허 공개 제2009-274899호 공보 일본 특허 공개 제2012-246168호 공보 일본 특허 공개 제2011-49496호 공보 WO2011/142074호 공보
H.Tsuchida et al.:Phys. Status Solidi B246, No7, 1553(2009). T.Okada et al.:Materials Science and Engineering A36167(2003).
본 발명은 SiC 기판 상에 SiC를 에피택셜 성장시켜 에피택셜 SiC 웨이퍼를 제조할 때에, 적층 결함 및 코멧 결함을 종래보다도 더욱 저감시킨 고품질 에피택셜 막을 갖는 에피택셜 SiC 웨이퍼를 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 에피택셜 SiC 웨이퍼에 있어서의 에피택셜 막 중의 코멧 결함의 형성 원인의 하나가, 에피택셜 성장 전에 SiC 기판 상에 비래한 그래파이트의 입자를 핵으로 하여 발생한 3C-SiC인 것을 규명하였다. 즉, SiC의 에피택셜 막을 성장시킬 때는, 통상 성장 전에 캐리어 가스로서 수소를 흐르게 하여 성장 시의 압력 분위기를 형성하는데, 예를 들어 성장로가 그래파이트제이면, 이 수소 가스에 의해 그래파이트가 에칭되고, 그래파이트 입자가 SiC 기판 상에 비래하여 코멧 결함을 형성하는 요인이 된다고 생각하였다.
한편, 성장 전에 캐리어 가스로서 수소를 흐르게 하여 SiC 기판을 에칭함으로써, 상기 SiC 기판 표면의 결정의 교란이 제거된다. 이 수소 가스의 작용에 의해, 적층 결함을 저감시킬 수 있다고 생각하였다.
따라서, 에피택셜 성장 전에 수소 가스와 같은 에칭 작용이 있는 가스를 미량 흘리고, 에피택셜 성장 전의 분위기를 형성하여 그래파이트 입자의 발생을 억제하면서 SiC 기판 표면을 에칭하면, 코멧 결함 및 적층 결함을 저감시킬 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 목적은, 이하의 구성에 의해 달성된다.
(1) 성장로 내의 탄화규소 단결정 기판 상에, 열 CVD법에 의해 탄화규소를 에피택셜 성장시키는 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법에 있어서,
에피택셜 성장의 개시 전에 성장로에 흐르게 하는 성장 전 분위기 가스가, 수소 가스를 함유하고 잔부가 불활성 가스 및 불가피적 불순물이며,
수소 가스가 불활성 가스에 대해 0.1∼10.0체적％ 함유하는 것을 특징으로 하는 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
(2) 성장 전 분위기 가스가, 또한 실란계 가스 또는 탄화수소계 가스 중 적어도 어느 하나를, 합계로 상기 불활성 가스에 대해 0.1∼1.0체적％ 포함하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
(3) 성장 전 분위기 가스가, 또한 염화규소계 가스, 염소화탄화수소 가스 및 사염화탄소 가스 중 적어도 1종을, 합계로 불활성 가스에 대해 0.1∼1.0체적％ 포함하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
(4) 불활성 가스가 아르곤 가스 또는 헬륨 가스인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
(5) 실란계 가스의 성분은, SixHy(x, y는 1 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 (2)에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
(6) 탄화수소계 가스의 성분은, CxHy(x, y는 1 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 (2)에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
(7) 염화규소계 가스의 성분은, SixHyClz(단, x, z는 1 이상의 정수; y는 0 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 (3)에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
(8) 염소화탄화수소 가스의 성분은, CxHyClz(단, x, y, z는 1 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 (3)에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
(9) 탄화규소 단결정 기판은, (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 기울인 각도가 4°이하의 오프 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 (1)∼(8) 중 어느 한 항에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
(10) 그래파이트제의 성장로를 사용한 유도 가열 방식의 열 CVD법에 의해 탄화규소를 에피택셜 성장시키는 것을 특징으로 하는 (1)∼(9)의 어느 하나에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
본 발명의 에피택셜 SiC 웨이퍼의 제조 방법에 의하면, 에피택셜 막 중의 코멧 결함 등의 에피택셜 결함 및 적층 결함을 종래보다도 더욱 저감시켜, 고품질 에피택셜 막을 갖는 에피택셜 SiC 웨이퍼를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 제조 방법에서는, 열 CVD법에 의해 에피택셜 막을 형성하기 때문에, 장치 구성이 용이하고 제어성도 우수하여, 균일성, 재현성이 높은 에피택셜 SiC 웨이퍼가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의해 얻어진 에피택셜 SiC 웨이퍼를 사용한 디바이스는, 코멧 결함을 저감시킨 고품질 에피택셜 막 상에 형성되기 때문에, 그 특성 및 수율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의해 에피택셜 성장을 행할 때의 성장 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 의해 에피택셜 성장을 행할 때의 성장 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 형태에 의해 에피택셜 성장을 행할 때의 성장 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 방법에 의해 제조된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 표면 상태를 나타내는 광학 현미경 사진이며, (b)는 본 발명의 제조 조건을 만족시키지 않는 성장 전 분위기 가스를 사용하여 제조된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 표면 상태를 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 5는 종래의 에피택셜 성장을 행할 때의 전형적인 성장 시퀀스를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 구체적인 내용에 대해 설명한다.
우선, SiC 기판 상에의 에피택셜 성장에 대해 설명한다.
본 발명에서 적절하게 에피택셜 성장에 사용하는 장치는, 횡형의 CVD 장치이다. CVD법은, 장치 구성이 간단하고, 가스의 on/off로 에피택셜 성장의 막 두께를 제어할 수 있기 때문에, 에피택셜 막의 제어성, 재현성이 우수한 성장 방법이다. 그 중에서도, 본 발명은 그래파이트제의 성장로를 구비한 유도 가열 방식의 열 CVD법에 의해, 탄화규소를 에피택셜 성장시킬 때 적용하는 것이 보다 적합하다.
도 5에, 종래의 에피택셜 막 성장을 행할 때의 전형적인 CVD법에 의한 성장 시퀀스를, 가스의 도입 타이밍과 함께 나타낸다. 우선, 성장로에 SiC 기판을 세트하고, 성장로 내를 진공 배기한 후, 수소 가스(캐리어 가스)를 도입하여 압력을 1×104∼3×104㎩로 조정한다. 그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 성장로의 온도를 높이고, 성장 온도인 1550∼1650℃에 도달한 후, 재료 가스인 SiH4 및 C2H4과, 도핑 가스인 N2를 도입하여 성장을 개시한다. 이때의 규소계 재료 가스인 SiH4의 유량은 매분 40∼50㎤, 탄소계 재료 가스인 C2H4의 유량은 매분 20∼40㎤이며(C/Si비는 0.8∼2.0 정도), 성장 속도는 매시 6∼7㎛이다. 이 성장 속도는, 통상 이용되는 에피택셜층의 막 두께가 10㎛ 정도이기 때문에, 생산성을 고려하여 결정된 것이다. 원하는 막 두께가 얻어진 시점에서 SiH4, C2H4 및 N2의 도입을 멈추고, 수소 가스만 흘린 상태에서 온도를 낮춘다. 온도가 상온까지 낮아진 후, 수소 가스의 도입을 멈추고, 성장실 내를 진공 배기하고, 불활성 가스를 성장실에 도입하여, 성장실을 대기압으로 복귀시키고 나서, SiC 기판을 취출한다.
(제1 실시 형태)
이어서, 본 발명에 의해 에피택셜 막 성장을 행할 때의 성장 시퀀스의 일 실시 형태를 도 1에 나타낸다. 성장로에 SiC 기판을 세트하고, 성장로 내를 진공 배기한 후, 불활성 가스(도 1에서는 아르곤 가스) 및 수소 가스를 포함하는 성장 전 분위기 가스를 도입하여 압력을 1×104∼3×104㎩로 조정한다. 상기 수소 가스의 유량은, 상기 성장 전 분위기 가스 중의 수소 가스 농도가 불활성 가스에 대해 0.1∼10.0체적％로 되도록 조정한다.
그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 성장로의 온도를 높이고, 성장 온도인 1550∼1650℃에 도달한 후, 아르곤 가스의 도입을 멈춤과 동시에, 필요하다면 수소 가스(캐리어 가스)의 유량을 조정하고, 재료 가스인 SiH4 및 C2H4과, 도핑 가스인 N2를 도입하여 성장을 개시한다. 그 후의 프로세스는 종래법과 마찬가지이다. 이와 같이, 성장 직전까지 수소 가스를 대량으로 흐르게 하지 않음으로써, 성장로를 구성하고 있는 그래파이트 부재의 에칭을 방지하고, 성장 전 기판 상에 비래하는 그래파이트 입자의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 성장이 완료된 에피택셜 막 표면에 있어서의 코멧 결함을 저감시킬 수 있다.
종래, SiC 기판 표면에는, 연마 등에 의한 흠이나 가공 변질층이 존재하고, 이들이 에피택셜 결함을 유기하기 때문에, 에피택셜 성장 전에 성장로 내에서 SiC 기판을 어느 정도 에칭하는 것이 필요하였다. 한편, CVD용의 캐리어 가스에는 자연 대류가 적고, 재료 가스의 확산 속도가 크다고 하는 이유에서 수소 가스가 다용되고 있지만, 수소 가스는 SiC에 대한 에칭성도 갖기 때문에 SiC의 CVD에는 보다 적합하게 사용되어 왔다. 이 성장 전의 SiC 기판의 에칭은, 일반적으로, 성장로 내부의 온도가 성장 온도에 도달하는 동안 및 성장 온도에 도달한 후에 어느 정도의 시간을 취함으로써 행해지고 있지만, 그것에 의해 가령 대미지가 없는 표면이 얻어졌다고 해도, 전술한 바와 같이 수소 가스에 의한 그래파이트 부재의 에칭으로 그래파이트 입자는 발생하기 때문에, 그것을 원인으로 하는 코멧 결함의 발생은 억제되지 않았다.
한편, 캐리어 가스에 아르곤 가스와 같은 불활성 가스만을 성장 전 분위기 가스로서 사용하면, 그래파이트 부재의 에칭 문제는 저감되지만, SiC 기판 표면의 흠이나 가공 변질층의 제거가 불충분해져, 적층 결함이 증가하는 것이 우려된다.
따라서, 본 발명에 있어서는, 다소의 에칭성을 부여하는 목적으로, 에피택셜 성장의 개시 직전까지, 불활성 가스에 대한 비율로 수소 가스를 0.1∼10체적％ 함유하는, 불활성 가스를 주성분으로 한 성장 전 분위기 가스를 성장로 내에 흐르게 하도록 한다.
예를 들어, 도 1에 나타낸 시퀀스와 같이, 아르곤 가스에 대한 비율로 수소 가스를 0.1∼10체적％ 함유하는 성장 전 분위기 가스를 성장로 내에 흘린다. 이와 같은 성장 전 분위기 가스를 흘림으로써, 에피택셜 성장 시와 동일한 압력 조건을 형성하고, 성장로 내의 가스를 성장 전 분위기 가스로부터 성장 분위기 가스로 전환함으로써, 에피택셜 성장을 개시할 수 있다.
또한, 상기 성장 분위기 가스라 함은, 성장로 내에 수소 가스와 함께 도입되는, 재료 가스나 도핑 가스(N2)를 함유하는 가스이다. 이들 성분을 포함하는 가스를 「성장 분위기 가스」라고 칭한다.
에피택셜 성장의 성장 직전까지 흐르게 하는 성장 전 분위기 가스에 대해서는, 상술한 바와 같이 불활성 가스를 주성분으로 하는 것이며, 이 중 불활성 가스로서는, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 등의 희가스가 적합하고, 보다 적합하게는 아르곤 가스 또는 헬륨 가스이다. 질소 가스도 불활성 가스이지만, SiC에 대해서는 도핑 가스로서 작용하고, 성장 직전까지 흐르게 하면, 성장이 개시되었을 때에 도핑 밀도의 제어가 불안정해지기 때문에 부적당하다.
또한, 불활성 가스로서, 예를 들어 아르곤 가스와 헬륨 가스의 혼합 가스의 사용도 생각되지만, 이들 가스의 사용 목적은, 그래파이트 부재의 에칭을 방지하기 위한 것이기 때문에, 굳이 양자를 혼합할 필요는 없다.
또한, 에피택셜 막을 성장시키는 SiC 기판에 대해서는, (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 오프 각도를 갖는 것인 것이 바람직하다. 그 각도는 큰 편이, 표면에 나타나는 스텝의 밀도가 높아지기 때문에, 소위 스텝 플로우 성장이 일어나기 쉬워지고, 결함이 적은 에피택셜 막이 얻어진다. 그러나, 오프 각도가 커지면, 잉곳으로부터의 수율이 저하되는 점, 기저면 전위 밀도가 커지는 점 등의 문제가 발생하는 점에서, 오프 각도를 작게 하는 것이 필요해지고 있고, 현재의 주류는 4°이하이다. 본 발명은 직접 오프 각도의 대소와 관련되는 것은 아니기 때문에, 4°이하의 오프 각도를 갖는 SiC 기판 상의 에피택셜 성장에도 적용할 수 있고, 그 결과 코멧 결함을 비롯한 에피택셜 결함이 적은, 고품질 에피택셜 SiC 웨이퍼를 얻을 수 있다.
(제2 실시 형태)
또한, 성장 전의 SiC 기판 표면으로부터의 규소 원자 또는 탄소 원자의 증발이 문제가 되는 경우에는, 성장 전 분위기 가스는, 실란계 가스 또는 탄화수소계 가스(이하, 「재료 가스」라고 함) 중 적어도 어느 하나를 함유하고 있어도 된다.
이 경우, 재료 가스가 지나치게 많으면 표면 상태가 불안정해지기 때문에, 재료 가스의 유량은, 불활성 가스의 유량에 대한 비율로, 실란계 또는 탄화수소계의 재료 가스 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 합계가 0.1체적％ 이상 1.0체적％ 이하의 사이가 적합하다.
또한, 상기 실란계 가스는, SixHy(x, y는 1 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 가스이어도 된다.
또한, 상기 탄화수소계 가스는, CxHy(x, y는 1 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 가스이어도 된다.
제2 실시 형태의 성장 시퀀스를 도 2에 나타낸다. 도 2는 실란계 가스로서 SiH4 가스를 사용하고, 탄화수소계 가스로서 C2H4 가스를 사용한 경우의 성장 시퀀스를 나타낸다.
(제3 실시 형태)
또한, SiC 기판 표면의 에칭성을 높여 적층 결함을 저감시키는 목적으로, 성장 전 분위기 가스가, 염화규소계 가스, 염소화탄화수소 가스 및 사염화탄소 가스 중 적어도 1종을, 합계로 불활성 가스에 대해 0.1∼1.0체적％ 더 포함하고 있어도 된다.
또한, 상기 염화규소계 가스는, SixHyClz(단, x, z는 1 이상의 정수; y는 0 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 가스이어도 된다.
제3 실시 형태의 성장 시퀀스를 도 3에 나타낸다. 도 3은 실란계 가스로서 SiH4 가스를 사용하고, 탄화수소계 가스로서 C2H4 가스를 사용하고, 염화규소계 가스, 염소화탄화수소 가스 및 사염화탄소 가스 중 적어도 1종을 더 사용한 경우의 성장 시퀀스를 나타낸다.
이와 같이 하여 에피택셜 막을 성장시킨 에피택셜 SiC 웨이퍼에 대해, 당해 웨이퍼 상에 적절하게 형성되는 디바이스는, 예를 들어 쇼트키 배리어 다이오드, PIN 다이오드, MOS 다이오드, MOS 트랜지스터 등을 들 수 있고, 이들로 제한되지 않고, 그 중에서도, 특히 전력 제어용에 사용되는 디바이스를 얻는 데에 적합하다.
실시예
이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이들 내용으로 제한되지 않는다.
(발명예:시료 No.1∼81)
(SiC 단결정 기판의 조제)
4인치(100㎜) 웨이퍼용 SiC 단결정 잉곳으로부터, 약 400㎛의 두께로 슬라이스하고, 랩핑과 다이아몬드 지립에 의한 통상의 폴리싱을 실시하여 SiC 단결정 기판을 준비한다. 이 SiC 단결정 기판의 폴리 타입은 4H, 면 방위는 (0001) Si면, 기판의 오프각은 4°이다(오프 방향은 <11-20> 방향. 이하, 특별히 언급하지 않는 한 마찬가지이다). 이와 같이 폴리싱을 행한 경우, 표면의 가공 변질층의 두께는 수백㎚ 정도 이하이다. 그 후, 마무리 연마로서 CMP를 실시하는데, 연마 슬러리로서 실리카 등의 연마제 입자 및 산을 포함하는 것을 사용하고, 가공압이나 슬러리의 pH를 적절히 조정하여, 연마 속도를 50∼100㎚/hr. 정도로 조정한 후, 상기 가공 변질층을 제거할 수 있고, 또한 연마 흠도 남지 않는 연마 시간에서 CMP를 행하였다. 그것에 의해, 표면 조도의 Ra가 0.1㎚ 이하이고, 또한 원자 스텝이 나타내어지는, 즉 표면의 가공 변질층이 제거된 상태가 얻어졌다.
상기한 바와 같이 조제된 SiC 단결정 기판을 사용하여, 발명예인 시료 No.1∼81의 탄화규소 웨이퍼를 이하의 제조 방법에 의해 제조하였다.
(에피택셜 성장의 수순)
유도 가열 방식의 열 CVD 장치를 구성하는 그래파이트제의 성장로에 SiC 단결정 기판을 세트하고, 성장로 내를 진공 배기한 후, 표 1∼표 4에 나타내는 성분의 성장 전 분위기 가스를 도입하면서 압력을 1.0×104㎩로 조정하였다. 그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 성장로의 온도를 1600℃까지 높이고, 온도가 안정된 시점에서, 상기 성장 전 분위기 가스에 함유되는 불활성 가스, SiCl4 및 CCl4 가스를 멈춤과 동시에, 수소 가스(캐리어 가스)를 매분 150L, SiH4 유량을 매분 40㎤, C2H4 유량을 매분 20㎤로 하여 성장로에 도입하고 성장을 개시하였다. SiC의 에피택셜 막이 두께 10㎛ 성장한 후, SiH4 및 C2H4의 도입을 멈추고, 수소 가스만 흘린 상태에서 온도를 낮추었다. 상온까지 낮아진 후, 수소 가스의 도입을 멈추고, 성장실 내를 진공 배기하고, 불활성 가스를 성장실에 도입하고, 성장실을 대기압으로 복귀시키고 나서, 기판을 취출하였다.
발명예의 시료의 탄화규소 웨이퍼의 결함 밀도의 측정 결과를 표 1∼표 4에 나타낸다. 표 1∼표 4에 나타낸 바와 같이, 성장 전 분위기 가스의 조성이 본 발명의 제조 방법의 조건을 만족하는 발명예는, 모두 에피택셜 결함수가 4 미만, 코멧 결함수가 2 이하, 적층 결함수가 3 이하이었다.
또한, 이들 결함 밀도의 측정에 대해서는, 미분 간섭형 현미경을 사용하고, 웨이퍼 표면을, 그 직경 방향(세로, 가로)으로 100배 정도의 배율로 관찰하여 각 결함수를 카운트하고, 그 수를 관찰 면적으로 나누어 1㎠당의 수로 나타내는 것이 일반적이다. 또한, 적층 결함 밀도는, 포토 루미네센스에 의해 약 420㎚, 460㎚의 파장으로 발광하는 결함의 1㎠당의 수로 나타내고 있다.
발명예인 시료 No.33의 탄화규소 웨이퍼의 표면의 광학 현미경 사진을 도 4의 (a)에 나타낸다. 도 4의 (a)로부터, 표면 거칠기나 결함이 적은 양호한 막이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.
(비교예:시료 No.82∼94)
상기 발명예와 마찬가지로 슬라이스, 거친 절삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형의 폴리 타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, SiC의 에피택셜 성장을 실시하였다. 이 SiC 단결정 기판의 면 방위는 (0001) Si면, 오프각은 4°이다. 기판의 연마 상태는 발명예의 시료 No.1∼81과 마찬가지이다. 비교예의 탄화규소 웨이퍼의 제조 시, 시료 No.84를 제외하고, 발명예와 동일한 조건으로 불활성 가스를 도입하면서 압력을 1.0×104㎩로 조정하였다. 그 후의 수순, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 동일하고, 성장 막 두께는 10㎛이었다.
시료 No.84의 탄화규소 웨이퍼의 에피택셜 성장의 수순으로서는, 그래파이트제의 성장로에 기판을 세트하고, 성장로 내를 진공 배기한 후, 불활성 가스는 사용하지 않고, 수소 가스만을 매분 150L 도입하면서 압력을 1.0×104㎩로 조정하였다. 그 후의 수순, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 동일하고, 성장 막 두께는 10㎛이었다.
시료 No.84의 에피택셜 막은, 에피택셜 결함 밀도가 9개/㎠이며, 코멧 결함의 밀도는 6개/㎠로 많고, 흠이나 가공 변질층이 제거된 기판이어도, 수소 가스에 의한 에칭으로 발생한 그래파이트 입자가, 성장 전 기판 표면에 비래한 것에 기인하는 결함 증가가 보였다.
시료 No.82, 83, 86, 87, 89∼94는 수소를 함유하지 않는 성장 전 분위기 가스를 사용하여 제조된 탄화규소 웨이퍼이다. 수소 가스를 함유하는 성장 전 분위기 가스를 사용하여 제조된 시료 No.84, 85, 88에 비해, 시료 No.82, 83, 86, 87, 89∼94는 적층 결함의 결함 밀도가 명백하게 증가하고 있다.
한편, 시료 No.85는, 수소 가스를 함유하는 성장 전 분위기 가스를 사용하여 제조된 탄화규소 웨이퍼인데, 에피택셜 결함 밀도가 6.5개/㎠이며, 코멧 결함의 밀도는 4개/㎠로 많다. 도 4의 (b)는 시료 No.85의 탄화규소 웨이퍼의 표면의 광학 현미경 사진이며, 그 표면에는 코멧 결함이 형성되어 있다. 이와 같이, 시료 No.85에는, 사용된 성장 전 분위기 가스에 수소 가스의 비율이 많은 것에 의한 그래파이트 부재의 에칭의 영향이 나타나 있었다.
또한, 시료 No.86은, 에피택셜 결함 밀도가 7.8개/㎠이며, 코멧 결함의 밀도는 4.5개/㎠로 많고, SiH4 가스의 비율이 많음으로써, 기판 상에서 Si의 드롭렛 등이 발생한 것에 의한 결함 증가의 영향이 나타나 있었다.
시료 No.87은, 에피택셜 결함 밀도가 8.5개/㎠이며, 코멧 결함의 밀도는 4개/㎠로 많고, C2H4 가스의 비율이 많음으로써, 기판의 표면 상태가 불안정해진 것에 의한 결함 증가의 영향이 나타나 있었다.
시료 No.82, 85∼87, 91, 92에 있어서는, 불활성 가스로서 아르곤 가스를 사용하였다. 한편, 시료 83, 88∼90, 93, 94에 있어서는, 아르곤 가스 대신에 헬륨 가스를 사용하고, 다른 조건은 발명예와 마찬가지로 하여, 에피택셜 성장을 행하였다. 시료 No.88의 에피택셜 성장막은, 에피택셜 결함 밀도가 7개/㎠, 코멧 결함의 밀도는 5.5개/㎠이며, 시료 No.89의 에피택셜 성장막은, 에피택셜 결함 밀도가 8.8개/㎠, 코멧 결함의 밀도는 5.8개/㎠이며, 시료 No.90의 에피택셜 성장막은, 에피택셜 결함 밀도가 8.5개/㎠, 코멧 결함의 밀도는 4.3개/㎠이었다.
이상의 실시예에 있어서는, 성장 전 분위기 가스로서, 아르곤 가스 또는 헬륨 가스와 수소 가스의 혼합 가스, 및 아르곤 가스 또는 헬륨 가스와 수소 가스 및 재료 가스의 혼합 가스를 각각 성장 직전까지 흘리고, 에피택셜 성장 시에 이들 성장 전 분위기 가스를 멈춤과 동시에 수소 가스(캐리어 가스)와 재료 가스를 흐르게 하여 성장을 개시하고 있다. 그러나, 이들 가스의 정지 및 도입을 서서히 행할 수도 있다. 또한, 재료 가스는, SiH4 가스와 C2H4 가스뿐만 아니라, 규소계의 재료 가스로서 Si2H6이나 클로로실란 가스, 탄소계의 재료 가스로서 C3H8 등을 사용할 수도 있다. 또한 도핑 가스로서 N2 가스를 재료 가스와 동시에 흐르게 하면서 성장시킬 수도 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
본 발명에 의하면, SiC 단결정 기판 상에의 SiC의 에피택셜 성장에 있어서, 에피택셜 결함, 특히 코멧 결함을 저감시키고, 또한 적층 결함을 저감시킨 고품질 에피택셜 막을 갖는 에피택셜 SiC 웨이퍼를 작성하는 것이 가능하다. 그로 인해, 이와 같은 기판 상에 전자 디바이스를 형성하면 디바이스의 특성 및 수율이 향상되는 것을 기대할 수 있다.

Claims (10)

  1. 성장로 내의 탄화규소 단결정 기판 상에, 열 CVD법에 의해 탄화규소를 에피택셜 성장시키는 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법에 있어서,
    에피택셜 성장의 개시 전에 성장로에 흐르게 하는 성장 전 분위기 가스가, 수소 가스를 함유하고 잔부가 불활성 가스 및 불가피적 불순물이며,
    상기 수소 가스가 불활성 가스에 대해 0.1∼10.0체적％ 함유하는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 성장 전 분위기 가스가, 또한 실란계 가스 또는 탄화수소계 가스 중 적어도 어느 하나를, 합계로 상기 불활성 가스에 대해 0.1∼1.0체적％ 포함하는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성장 전 분위기 가스가, 또한 염화규소계 가스, 염소화탄화수소 가스 및 사염화탄소 가스 중 적어도 1종을, 합계로 상기 불활성 가스에 대해 0.1∼1.0체적％ 포함하는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 불활성 가스가 아르곤 가스 또는 헬륨 가스인 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 실란계 가스의 성분은, SixHy(x, y는 1 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 탄화수소계 가스의 성분은, CxHy(x, y는 1 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 염화규소계 가스의 성분은, SixHyClz(단, x, z는 1 이상의 정수; y는 0 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 염소화탄화수소 가스의 성분은, CxHyClz(단, x, y, z는 1 이상의 정수)로 나타내어지는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화규소 단결정 기판은, (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 기울인 각도가 4°이하의 오프 각도를 갖는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    그래파이트제의 성장로를 사용한 유도 가열 방식의 열 CVD법에 의해 탄화규소를 에피택셜 성장시키는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
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