KR101947926B1 - 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

스텝 번칭이 적고 고품질의 탄화규소 단결정 박막을 갖는 에피택셜 탄화규소 웨이퍼를, 재현성 좋게 제조하는 것을 과제로 한다. 상기 과제를 해결하기 위해, 에피택셜 성장로 내에서의 탄화규소 단결정 기판의 에칭 처리에 수소 캐리어 가스와 규소계의 재료 가스를 사용하여, 에칭 처리 종료 후에도 이들 가스를 흐르게 한 상태에서 에피택셜 성장 조건의 변경을 행하고, 조건이 안정된 후에 탄소계의 재료 가스를 도입하여, 에피택셜 성장을 행한다.

Description

에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법 {METHOD FOR PRODUCING EPITAXIAL SILICON CARBIDE WAFERS}
본 발명은, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것이다.
탄화규소(이하, SiC라고 표기함)는, 내열성 및 기계적 강도가 우수하고, 물리적, 화학적으로 안정된 것이므로, 내환경성 반도체 재료로서 주목받고 있다. 또한, 최근, 고주파 고내압 전자 디바이스 등의 기판으로서 에피택셜 SiC 웨이퍼의 수요가 높아지고 있다.
SiC 단결정 기판(이하, SiC 기판이라고 하는 경우가 있음)을 사용하여, 전력 디바이스, 고주파 디바이스 등을 제작하는 경우에는, 통상 SiC 기판 상에 열 CVD법(열화학 증착법)으로 SiC 박막을 에피택셜 성장시키거나, 이온 주입법에 의해 직접 도펀트를 주입하거나 하는 것이 일반적이다. 후자의 경우에는, 주입 후에 고온에서의 어닐링이 필요해지므로, 에피택셜 성장에 의한 박막 형성이 다용되고 있다.
SiC의 에피택셜막 상에는, 삼각형 결함, 캐럿 결함, 코밋 결함 등의 에피택셜 결함 외에, 표면의 미세한 요철, 이른바 스텝 번칭이 존재한다. 이 스텝 번칭은, 스텝 플로우에 의해 에피택셜 성장이 진행될 때, 각 스텝의 진행 속도가 동일하지 않으므로, 느린 스텝 상에 빠른 스텝이 따라붙음으로써 스텝의 높이가 커진 결과로서 발생하는 것이다. 스텝 번칭이 존재하면, 예를 들어 그 위에 MOS 디바이스를 제작하였을 때, 산화막과 SiC의 계면의 요철에 의해 전자의 이동도가 저하되어, 디바이스 특성이 열화된다. 그로 인해, 디바이스의 특성 및 수율을 향상시키기 위해서는, 에피택셜 결함과 마찬가지로, 이 스텝 번칭도 저감시킬 필요가 있다.
상기 스텝 번칭은, 일반적으로 성장 전에 행하는 SiC 기판의 에칭 처리의 시점에서 이미 발생되어 있는 것이 밝혀져 있어, 스텝 번칭을 발생시키지 않는 에칭 처리 조건의 검토가 진행되고 있다. 일례로서, 수소와 실란의 혼합 가스를 에칭 처리 가스로서 사용함으로써 에칭 처리 후의 스텝 번칭을, 수소만을 사용한 에칭 처리의 경우에 비해 대폭 저감시킬 수 있는 것이 개시되어 있다(비특허문헌 1 참조).
도 1에, 종래의 에피택셜막 성장을 행할 때의 전형적인 열 CVD법에 의한 성장 시퀀스를, 가스의 도입 타이밍과 함께 나타낸다. 우선, 에피택셜 성장로에 SiC 기판을 세트하고, 에피택셜 성장로 내를 진공 배기한 후, 수소의 캐리어 가스를 도입하여 압력을 2×103∼2×104Pa로 조정한다. 그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 에피택셜 성장로의 온도를 올려, 1550∼1600℃ 정도에 도달한 후, SiH4를 도입하여 에칭 처리를 개시한다(수소의 캐리어 가스는 흐르게 한 상태임). 이때의 SiH4 유량은 매분 1∼2㎤, 수소의 캐리어 가스 유량은 매분 100∼200L이다. 에칭 처리 종료 후, 에피택셜 성장로의 온도를 에피택셜 성장 온도인 1600∼1650℃ 정도까지 변화시키지만, 그동안, SiH4의 도입을 멈추고, 에피택셜 성장로의 온도가 안정된 후, 규소계의 재료 가스인 SiH4를 재도입하는 동시에, 탄소계의 재료 가스인 C3H8 및 도핑 가스인 N2를 도입하여 에피택셜 성장을 개시한다. 이때의 SiH4 유량은 매분 100∼150㎤, C3H8 유량은 매분 50∼70㎤이고(C/Si비는 1.0∼2.0 정도), 에피택셜 성장 속도는 매시 10㎛ 정도이다. 이 에피택셜 성장 속도는, 통상 이용되는 에피택셜층의 막 두께가 10㎛ 정도이므로, 생산성을 고려하여 결정된 것이다. 원하는 막 두께가 얻어진 시점에서 SiH4, C3H8 및 N2의 도입을 멈추고, 수소 가스만 흐르게 한 상태에서 온도를 낮춘다. 온도가 상온까지 내려간 후, 수소 가스의 도입을 멈추고, 에피택셜 성장실 내를 진공 배기하고, 불활성 가스를 에피택셜 성장실에 도입하여, 에피택셜 성장실을 대기압으로 복귀시키고 나서, SiC 기판을 취출한다.
그러나, 상기 수소와 실란의 혼합 가스를 사용해도, 종래법에서는, 에피택셜 성장 후에 스텝 번칭이 발생하는 것이 상당한 빈도로 관찰되고 있어, 에칭 처리 후의 표면 상태의 불안정성이 시사되어 있다. 따라서, 더욱 스텝 번칭을 억제하기 위한 시도가 개시되어 있다.
특허문헌 1에는, 수소와 실란의 혼합 가스 중에, 트리클로로실란 등의 규소-염소계 가스를 도입하는 것이 제안되어 있다. 이것은, 실란이 분해되면 다종류 화합물이 생성되지만, 규소-염소계 가스의 경우는, 분해되어도 SiCl2로 되어, 안정된 에칭 속도가 얻어지는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 성막 중의 Si/C비를 제어하여 원자 스텝을 억제하는 기술이 개시되어 있다. 이때 에칭으로부터 성막 초기에 있어서, Si/C 비율을 일정하게 하는 것이 제안되어 있다.
특허문헌 3에는, 수소 에칭에 의한 에칭 깊이를 일정값(1㎚) 이하로 함으로써, 기저면 전위(BPD)에 기인하는 자이언트 스텝 번칭(GSB)을 억제하는 기술이 개시되어 있다. 이때, 에칭 공정과 에피택셜 성장층 형성 공정으로의 이행을 순식간에 행하는 것이 제안되어 있다. 구체적으로는, 에칭 가스의 도입 정지와 대략 동시에 에피택셜 성장용 원료 가스를 도입하거나, 또는 에칭 가스의 도입을 계속한 상태에서, 에피택셜 성장층의 형성에 필요한 가스를 원료 가스로서 추가 도입하는 것이 제안되어 있다.
따라서 금후 디바이스에의 응용이 기대되는 에피택셜 SiC 웨이퍼이지만, 에칭 처리 후의 표면 상태를 안정시키고, 에피택셜 성장 후의 스텝 번칭을 안정적으로 저감시키지 않으면, 특성이 우수한 전자 디바이스를 고수율로 제작하는 것은 곤란하였다.
국제 공개 공보WO2012/67112호 일본 특허 공개 제2007-326743호 공보 일본 특허 공개 제2014-189436호 공보
K. Kojima et al.: Materials Science Forum Vols. 556-557(2007) pp 85-88.
스텝 번칭을 억제하는 기술로서, 예를 들어 특허문헌 1∼3에 개시된 기술이 있고, 일정 효과를 발휘하는 것이 보고되어 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술은, 에칭 가스에 트리클로로실란 등의 규소-염소계 가스가 도입되어, 에칭의 안정화에는 기여하고 있지만, 스텝 번칭의 안정적 감소에는 결부되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 에피택셜 성장 조건이 변동되고 있는 동안에 에피택셜 성장이 개시되므로, 스텝 번칭의 감소 효과에, 뱃치간의 편차가 발생하여, 재현성이 얻어지지 않는다.
특허문헌 3에서는, 에칭 공정과 에피택셜 성장 공정을 순식간에 전환하는 것이 제창되어 있지만, 현실적으로는 어렵다. 전환 시에, 에칭 가스의 도입을 계속한 상태에서, 에피택셜 성장층의 형성에 필요한 가스를 원료 가스로서 추가 도입하는 것이 개시되어 있지만, 특허문헌 2와 마찬가지로, 에피택셜 성장 조건이 변동되고 있는 동안에 에피택셜 성장이 개시되므로, 스텝 번칭의 감소 효과에, 뱃치간의 편차가 발생하여, 재현성이 얻어지지 않는다.
이상과 같이, 이들 기술을 하여도 스텝 번칭이 안정적으로 감소하는 것은 아니며, 또한 뱃치간의 편차가 발생하여, 재현성이 얻어지지 않는다고 하는 문제가 있었다. 한편, 디바이스 기술은 더욱 고도화되어 있어, 스텝 번칭의 한층 안정적인 저감이 요구되고 있다.
본 발명은, 설비의 대폭 개조를 수반하지 않고, 스텝 번칭을 억제하여, 재현성 좋게 고품질의 에피택셜막(SiC 단결정 박막)을 갖는 에피택셜 SiC 웨이퍼를 제조하는 것을 과제로 한다. 또한, 본 발명에 있어서는, 스텝 번칭의 지표로서 표면 조도(Ra)를 이용하고, 표면 조도(Ra)가 1.0㎚ 이하로 되는 것을 목표로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 행한 결과, 이하의 지견을 얻었다.
(a)
종래는, 에칭 종료 후, 캐리어 가스로서의 수소 가스(이하, 수소 캐리어 가스라고 칭함)를 흐르게 한 채이지만, 재료 가스는 정지시켜, 노내 온도나 압력 등의 에피택셜 성장을 위한 조건(이하, 에피택셜 성장 조건이라고 칭함)을 변경하고 있었다. 에피택셜 성장 조건이 안정되고 나서 에피택셜 성장용 재료 가스를 도입하여, 에피택셜 성장을 개시하고 있었다. 에칭 종료로부터 에피택셜 성장의 개시까지의 사이는, 통상 5∼10분간을 필요로 하고 있다. 그동안, 모처럼 에칭에 의해 형성된 청정한 SiC 기판의 표면 상태가 흐트러져 버려, 이것이 스텝 번칭의 재현성을 악화시키는 원인 중 하나인 것을 발견하였다.
(b)
따라서, 에피택셜 성장 전에, 수소 캐리어 가스와 함께 규소계의 재료 가스를 흐르게 하여 SiC 기판의 에칭 처리를 행하고, 이 에칭 처리 프로세스로부터 성장 프로세스로 가스 유량, 온도, 압력 등의 에피택셜 성장 조건을 변경할 때, 각 조건의 안정화가 완료될 때까지 규소계의 재료 가스와 수소 캐리어 가스를 계속 흐르게 하고, 조건이 안정된 후에 탄소계의 재료 가스를 도입하여 성장을 개시함으로써, 스텝 번칭이 저감된 에피택셜막을 안정적으로 성장시키는 것이 가능한 것을 발견하였다. 이에 의해, 표면 에너지가 낮고 안정된 SiC 기판 표면을 유지하면서, 에피택셜 성장을 개시할 수 있으므로, 스텝 번칭이 억제될 뿐만 아니라, 뱃치간의 편차도 저감되어, 안정적으로 고품질의 에피택셜 SiC 웨이퍼를 얻을 수 있는 것을 발견하였다.
또한, 에피택셜 성장 조건은, 주로 에피택셜 성장 온도, 에피택셜 성장 압력, 수소 캐리어 가스의 유량, 규소계의 재료 가스의 유량 또는 탄소계의 각 재료 가스의 유량 중 적어도 어느 하나를 의미한다. 또한, 에피택셜 성장 조건의 변경이라 함은, 에칭 처리 시의 조건으로부터 에피택셜 성장 시의 조건으로 변경(변화)시키는 것을 의미한다.
(c)
또한, 상기 지견은, 에칭 가스에 트리클로로실란 등의 규소-염소계 가스를 도입한 경우에도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것을 확인하였다.
본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것이며, 그 요지로 하는 것은 이하와 같다.
즉, 본 발명은
[1]
에피택셜 성장로 내의 탄화규소 단결정 기판 상에 열 CVD법에 의해 탄화규소를 에피택셜 성장시키는 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법에 있어서, 에피택셜 성장로 내에, 캐리어 가스로서의 수소 가스와, 상기 캐리어 가스에 대해 10- 4vol％ 이상 10- 2vol％ 이하의 규소계의 재료 가스를 도입하여, 탄화규소 단결정 기판의 표면을 0.05㎛ 초과 0.5㎛ 이하 에칭 처리한 후, 상기 캐리어 가스와 상기 규소계의 재료 가스를 공급한 채, 상기 에피택셜 성장로 내의 에피택셜 성장 조건을 변경하고, 상기 에피택셜 성장 조건이 안정된 후에, 상기 캐리어 가스와 상기 규소계의 재료 가스를 공급한 채, 또한 탄소계의 재료 가스를 공급하여, 탄화규소의 에피택셜 성장을 개시하는 것을 특징으로 하는 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
[2]
상기 에피택셜 성장 조건이, 에피택셜 성장 온도, 에피택셜 성장 압력, 캐리어 가스의 유량, 규소계의 재료 가스의 유량, 또는 탄소계의 재료 가스의 유량 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 [1]에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
[3]
상기 규소계의 재료 가스는, 실란계 가스, 클로로실란계 가스 및 사염화규소 가스 중 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2]에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
[4]
상기 탄소계 재료 가스는, C3H8 가스, C2H4 가스 및 CH4 가스 중 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 [1]∼[3] 중 어느 한 항에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
[5]
얻어진 에피택셜 탄화규소 웨이퍼 표면의 표면 조도(Ra)가 1.0㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 [1]∼[4] 중 어느 한 항에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
[6]
상기 탄화규소 단결정 기판이, (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 기울인 오프 각도가 4° 이하인 것을 특징으로 하는 [1]∼[5] 중 어느 한 항에 기재된 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
본 발명에 따르면, 스텝 번칭을 종래보다 더욱 저감시킨 고품질 에피택셜막을 갖는 에피택셜 SiC 웨이퍼를 안정적으로 제공하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 제조 방법은, 열 CVD법을 사용하므로, 장치 구성이 용이하고 제어성도 우수하여, 균일성, 재현성이 높은 에피택셜막을 얻을 수 있다. 또한, 기존의 에피택셜 성장로를 대폭 개조하는 일 없이 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 에피택셜 SiC 웨이퍼를 사용하면, 스텝 번칭을 저감시킨 고품질 에피택셜막 상에 디바이스를 형성할 수 있으므로, 그 특성 및 수율이 향상된다.
도 1은 종래의 에피택셜 성장을 행할 때의 전형적인 성장 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 방법에 의해 에피택셜 성장을 행할 때의 성장 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 방법에 의해 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 상태를 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 방법에 의해 에피택셜 성장을 행할 때의 성장 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 방법에 의해 에피택셜 성장을 행할 때의 성장 시퀀스를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 종래는 캐리어 가스로서의 수소 가스와 규소계의 재료 가스를 도입하여 1550∼1600℃에서 탄화규소 단결정 기판의 표면을 에칭 처리한 후에, 수소 가스는 흐르게 한 채로 규소계의 재료 가스의 도입을 멈추고, 수소 캐리어 가스는 흐르게 한 채로 노내의 온도·압력을 에피택셜 성장 온도·압력으로 변경하고 있었다. 그리고, 온도·압력이 안정되고 나서, 규소계 및 탄소계의 각 재료 가스를 도입하여 에피택셜 성장을 개시하고 있었다. 그로 인해, 에칭 처리의 종료로부터 에피택셜 성장 개시까지의 동안(일반적으로는 5∼10분간 정도), 탄화 결정 단결정 기판이 약 1600℃ 분위기에 있기 때문에, 에칭 처리에 의해 형성된, 청정도가 높은 SiC 기판의 표면 상태가 흐트러져 버려, 스텝 번칭을 재현성 좋게 저감시킬 수 없었다고 생각된다.
따라서, 본 발명은, 에칭 처리 종료로부터 에피택셜 성장 개시까지의 동안, 수소 캐리어 가스와 규소계의 재료 가스의 도입을 유지하여, 표면 에너지가 낮고 안정된 SiC 기판 표면을 유지하면서, 에피택셜 성장 조건이 안정되고 나서 에피택셜 성장을 개시하는 것을 특징으로 하고 있고, 이 방법에 의해 스텝 번칭을 재현성 좋게 저감시킬 수 있다.
본 발명의 구체적인 내용에 대해, 우선, SiC 기판 상으로의 에피택셜 성장에 대해 서술한다. 에피택셜 성장에 사용하는 장치(에피택셜 성장로)는, 열 CVD 장치이다. CVD법은, 장치 구성이 간단하고, 가스의 온/오프로 에피택셜 성장의 막 두께를 제어할 수 있으므로, 에피택셜막의 제어성, 재현성이 우수한 성장 방법이다.
본 발명에 있어서, 에피택셜막 성장을 행할 때의 시퀀스의 일례를 도 2에 나타낸다. 이 시퀀스는, 에피택셜 성장을 개시하는 데 있어서, 에칭 처리의 조건으로부터 에피택셜 성장 온도를 바꾼 경우에 대해 나타내고 있다. 우선, 도 1에 나타낸 바와 같은 종래예와 마찬가지로 에피택셜 성장로 내에 SiC 기판을 세트하고, 에피택셜 성장로 내를 진공 배기한 후, 수소 캐리어 가스를 도입하여 압력을 2×103∼2×104Pa로 조정한다. 그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 에피택셜 성장로의 온도를 올려, 1550∼1600℃ 정도에 도달한 후, SiH4를 도입하여 에칭 처리를 개시한다(수소 캐리어 가스는 흐르게 한 상태임). 이때의 SiH4 유량은 매분 1∼2㎤, 수소의 캐리어 가스 유량은 매분 100∼200L이다. 에칭 처리 종료 후, 온도를 에피택셜 성장 온도인 1600∼1650℃ 정도까지 변화시키지만, 그 동안(시간 t) SiH4는 흐르게 한 채로, 온도가 안정되는 것을 대기한다(이 시퀀스 예에서는 5∼10분간 정도). 온도가 안정된 후, SiH4는 이미 흐르고 있지만 필요하다면 유량을 조정하여, C3H8 및 도핑 가스인 N2를 도입하여 에피택셜 성장을 개시한다. 그 후의 프로세스는, 도 1에 나타낸 바와 같은 종래법과 마찬가지이다. 이와 같이, SiC 기판의 에칭 처리 후, 온도 등의 에피택셜 성장로 내의 조건을 에피택셜 성장 조건으로 조정(변경)한다. 이때, SiH4와 같은 규소계의 재료 가스를 흐르게 한 채로 함으로써, SiH4를 사용한 에칭 처리의 특징인, 안정된 표면 상태가 유지된다. 그로 인해, SiC 기판이 청정한 표면 상태인 채로 에피택셜 성장을 실시할 수 있다. 그 결과, 에피택셜 성장이 완료된 에피택셜막 표면에 있어서의 스텝 번칭을 안정적으로 저감시킬 수 있다.
SiH4를 사용한 에칭 처리는, 일반적으로 SiC 기판의 표면 에너지가 낮아지므로, 에칭 처리 후의 스텝 번칭을 저감시킬 수 있다. 나아가, 에피택셜 성장을 개시하였을 때에 스텝 플로우가 촉진되기 쉬워지므로, 양자의 효과로 에피택셜 성장 후의 스텝 번칭의 억제에 효과가 있다고 생각된다. 그러나, 에칭 처리 조건과 에피택셜 성장 조건은, 온도, 압력, 각종 가스 유량 등의 프로세스 조건이 상이한 경우가 많아, 에칭 처리로부터 에피택셜 성장으로 조건을 바꿀 때, 조건 변경 및 안정화에 필요로 하는 시간(도 2에 나타내는 시간 t에 상당함)이 필요하다. 종래 기술에 있어서는, 상기 조건 변경 및 안정화의 시간 동안은, 수소 캐리어 가스는 흐르게 한 상태에서 SiH4를 멈추는 것이, 에칭 처리에서 형성된 표면 상태를 유지하기 위해 행해지고 있었다. 그러나, 본 발명자들은, 그동안에도 SiH4를 계속 흐르게 한 쪽이, SiC의 표면 상태의 안정적인 유지에 효과적이고, 재현성이 좋은 스텝 번칭의 억제에 결부되는 것을 발견하였다.
전술한 예에서는, 에피택셜 성장 조건으로서 온도를 예로 들어 설명하였지만, 에피택셜 성장 조건으로서, SiC의 에피택셜 성장을 개시하는 데 있어서, 에피택셜 성장 온도, 에피택셜 성장 압력, 수소 캐리어 가스의 유량, 또는 규소계 및 탄소계의 각 재료 가스의 유량 중 어느 하나 이상을 에칭 처리 시의 조건으로부터 변화시키면 되는 경우도 있다. 에칭 처리로부터 에피택셜 성장 개시까지의 조건 변경 및 안정화에 필요로 하는 시간 t에 대해서는, 캐리어 가스나 각 재료의 유량을 변화시키는 경우는 약 1∼2분간 정도이다. 또한, 에피택셜 성장 온도를 변화시키는 경우는 약 5∼10분간 정도이고, 에피택셜 성장 압력을 변화시키는 경우는 약 3∼5분간 정도이다.
또한, 여기서 에피택셜 성장 조건이 안정된다고 하는 것은, 각 조건(온도, 압력, 유량 등)이 소정의 목표값에 수렴된 것을 말한다. 예를 들어, 1분간의 변동이 목표값을 중심으로 ±3％ 이내이면 되고, 바람직하게는 ±1％ 이내이면, 안정되었다고 판단해도 된다.
에칭 처리에 있어서의 규소계의 재료 가스는, 캐리어 가스에 대해 10- 4vol％ 이상 10- 2vol％ 이하(1E-4vol％ 이상 1E-2vol％ 이하)로 되도록, 에피택셜 성장로 내에 캐리어 가스와 규소계의 재료 가스를 도입하면 된다. 규소계의 재료 가스가 캐리어 가스에 대해 10- 4vol％보다 적으면 에칭 처리에 의한 SiC 기판의 표면 에너지의 저감 효과가 적어진다. 한편, 10- 2vol％보다 많으면, 규소계의 재료 가스의 농도가 높은 것에 의한 Si 드롭렛의 발생이 문제가 된다.
또한, 상기 설명에 있어서 규소계의 재료 가스에 SiH4를 사용하고, 탄소계의 재료 가스에 C3H8을 사용하였지만, 특별히 이것들에 한정될 필요는 없다.
규소계의 재료 가스로서는, 실란(SiH4, 모노실란이라고도 함), 디실란(Si2H6), 트리실란(Si3H8) 등의 실란계 가스, 및 트리클로로실란, 테트라클로로실란 등의 클로로실란계 가스, 사염화규소 가스를 사용할 수 있다. 물론, 실란계 가스, 클로로실란계 가스 및 사염화규소 가스 중 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스여도 된다.
탄소계의 재료 가스로서는, C3H8, C2H4 또는 CH4 등의 탄화수소 화합물의 가스를 사용할 수 있다.
또한, 도 2의 시퀀스 예에서는 N2를 n형 도핑 가스로 하고 있지만, p형 도핑으로서 B나 Al을 포함하는 가스 등을 사용할 수도 있다. 혹은, 도핑 가스를 도입하지 않고 에피택셜 성장시키도록 해도 된다.
나아가, 에칭 처리에 의해 SiC 기판의 표면을 0.05㎛ 초과 0.5㎛ 이하, 바람직하게는 0.1㎛ 이상 0.5㎛ 이하의 양으로 에칭하도록 한다. 이것은, 에칭량이 0.05㎛ 이하로 되면, SiC 기판 표면의 연마 손상층의 제거가 불충분하기 때문에, 스텝 번칭 및 에피택셜 결함을 유발하기 쉽게 되어 버리고, 반대로 0.5㎛보다 크면, 에칭 과잉이 되어, 표면 조도가 증대되기 때문이다.
그런데, 스텝 번칭의 평가에는, 일반적으로 표면 조도인 Ra가 사용된다. 스텝 번칭이 없는 경우 Ra는 0.3∼0.5㎚이고, 이 값의 2배 정도를 초과하면 스텝 번칭이 현저해진다. 따라서, 적합하게는, 에피택셜 SiC 웨이퍼 표면의 표면 조도(Ra)가 1.0㎚ 이하로 억제되어 있는 것이 좋다. 또한, 표면 조도(Ra)는 JIS B0601:2001에 준거하는 산술 평균 조도이다. 바람직하게는 0.8㎚ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.6㎚ 이하인 것이 좋다.
에피택셜 SiC 웨이퍼를 제조하는 데 있어서, SiC 기판의 오프각에 대해서는, 값이 작을수록 잉곳으로부터의 수율이 커져 유리하다. 오프각이, 지나치게 작으면 표면의 스텝 밀도가 감소하고, 테라스 폭이 커지므로 스텝 플로우 성장이 저해되어, 스텝 번칭이나 에피택셜 결함이 증가한다. 이것들을 감안하여, 현재는 4도의 오프각이 주류로 되어 있다. 본 발명의 효과를 충분히 얻기 위해서는, (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 기울인 오프각이 4도 이하인 것이 좋고, 더욱 적합하게는 오프각이 0.5∼4도인 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따르면, 4° 이하의 오프각을 가진 SiC 기판 상의 에피택셜막에 있어서, 스텝 번칭이 적은 고품질의 것을 안정적으로 얻을 수 있게 된다.
이와 같이 하여 에피택셜 성장된 에피택셜 SiC 웨이퍼 상에 적합하게 형성되는 디바이스로서는, 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 쇼트키 배리어 다이오드, PIN 다이오드, MOS 다이오드, MOS 트랜지스터 등과 같은, 특히 전력 제어용으로 사용되는 디바이스이다.
실시예
이하, 실시예 및 비교예에 기초하여, SiC 단결정 기판에 SiC막을 에피택셜 성장시켜, 에피택셜 SiC 웨이퍼를 제조하는 방법에 대해 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 내용에 제한되는 것은 아니다.
(실시예 1)
4인치(100㎜) 웨이퍼용 SiC 단결정 잉곳으로부터, 약 400㎛의 두께로 슬라이스하고, 황삭과 다이아몬드 지립에 의한 통상 연마 및 CMP(화학 기계 연마)에 의한 마무리 연마를 실시하여 SiC 단결정 기판을 얻었다. 이 SiC 단결정 기판의 Si면에 에피택셜 성장을 실시하였다. 여기서, SiC 단결정 기판의 폴리타입은 4H이고, 또한 (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 기울인 SiC 단결정 기판의 오프각은 4°이다(이후의 실시예, 비교예에 있어서 오프각의 오프 방향은 이것과 동일함).
에피택셜 성장의 순서로서는, 열 CVD의 에피택셜 성장로에 SiC 단결정 기판을 세트하고, 에피택셜 성장로 내를 진공 배기한 후, 수소 캐리어 가스를 매분 150L 도입하면서 압력을 3×103Pa로 조정하였다. 그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 에피택셜 성장로의 온도를 1630℃까지 올리고, 온도가 안정된 시점에서 SiH4(규소계 재료 가스)를 매분 15㎤로 도입하여, 에칭 처리를 개시하였다. 이때, 수소 캐리어 가스는 흐르게 한 상태로 하고, SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10-2vol％로 하였다. 또한, 에칭 시간을 60분으로 하고, 이 에칭 처리에 의한 SiC 단결정 기판의 표면의 에칭량은 0.2㎛였다. 또한, 에칭량의 조정은, 에칭 시간으로 행할 수 있고, 사전에 FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)법을 이용한 두께 측정으로부터 에칭 속도를 구하고 있다.
에칭 처리 후, 수소 캐리어 가스 및 SiH4 가스의 유량을 변화시키지 않고 흐르게 하면서, 에피택셜 성장로의 온도를 1650℃로 올렸다. 온도가 안정된 시점에서 SiH4 가스의 유량을 매분 125㎤로 바꾸는 동시에 C3H8(탄소계 재료 가스)의 유량을 매분 54㎤, N2(도핑 가스)의 유량을 매분 30㎤로 하여 에피택셜 성장로에 도입하고, SiC 단결정 기판 상으로의 에피택셜 성장을 개시하였다. 이때, 에칭 종료 후로부터 에피택셜 성장을 개시할 때까지의 시간은 약 3분이었다. 그리고, 에피택셜층을 10㎛ 성장시킨 후, SiH4, C3H8 및 N2의 도입을 멈추고, 수소 가스만 흐르게 한 상태에서 온도를 낮추었다. 상온까지 내려간 후, 수소 가스의 도입을 멈추고, 에피택셜 성장실 내를 진공 배기하고, 불활성 가스를 에피택셜 성장실에 도입하여, 에피택셜 성장실을 대기압으로 복귀시키고 나서, SiC 단결정 기판을 취출하였다.
이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 광학 현미경 사진을 도 3에 나타낸다. 도 3으로부터, 스텝 번칭이 적은 양호한 막이 얻어져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 표면 조도(Ra)는 0.4㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 조건을 안정화시켜, 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되었기 때문에, 스텝 번칭이 저감되었다고 생각된다.
(실시예 2)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이지만, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 1.5㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 3vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 40분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.5㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 3)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는 실시예 1과 마찬가지이지만, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 0.15㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 4vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 30분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.7㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 4)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이지만, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.1㎛(에칭 시간 30분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.6㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 5)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이지만, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.5㎛(에칭 시간 150분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.5㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 6)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 2°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이며, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 60분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.8㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 7)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 0.5°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이며, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 60분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.9㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 8)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이지만, SiH4 대신에 SiHCl3을 사용하고, 에칭 처리 시의 SiHCl3 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiHCl3의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10-2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 60분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.5㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiHCl3을 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 9)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이지만, SiH4 대신에 SiCl4를 사용하고, 에칭 처리 시의 SiCl4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiCl4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 60분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.45㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiCl4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 10)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 4°이다. 실시예 1∼9까지는 에피택셜 성장이 개시되는 조건으로서 에피택셜 온도를 변경하였지만, 이 실시예에서는 에피택셜 압력을 변경하고 있고, 그 경우의 에피택셜 성장 시퀀스를 도 4에 나타낸다.
에피택셜 성장의 순서로서는, 에피택셜 성장로에 SiC 단결정 기판을 세트하고, 에피택셜 성장로 내를 진공 배기한 후, 수소 캐리어 가스를 매분 150L 도입하면서 압력을 3×103Pa로 조정하였다. 그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 에피택셜 성장로의 온도를 1630℃까지 올려, 온도가 안정된 시점에서 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고, 에칭 처리를 개시하였다. SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％이고, 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 60분)로 하였다.
에칭 처리 후, 온도는 바꾸지 않고, 또한 SiH4 유량도 변화시키지 않고 흐르게 하면서 압력을 7×103Pa로 올리고, 압력이 안정된 시점에서 SiH4 유량을 매분 125㎤로 바꾸는 동시에 C3H8 유량을 매분 54㎤, N2 유량을 매분 30㎤로 하여 에피택셜 성장로에 도입하고, 에피택셜 성장을 개시하였다. 이때, 에칭 종료 후로부터 에피택셜 성장을 개시할 때까지의 시간은 약 3분이었다. 그 후의 순서, 에피택셜 성장 막 두께는 실시예 1과 마찬가지이다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.55㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 11)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 4°이다. 이 실시예에서는 에피택셜 성장이 개시되는 조건으로서 캐리어 가스 유량을 변경하고 있고, 그 경우의 에피택셜 성장 시퀀스를 도 5에 나타낸다.
에피택셜 성장의 순서로서는, 에피택셜 성장로에 기판을 세트하고, 에피택셜 성장로 내를 진공 배기한 후, 수소 캐리어 가스를 매분 150L 도입하면서 압력을 3×103Pa로 조정하였다. 그 후, 압력을 일정하게 유지하면서 에피택셜 성장로의 온도를 1630℃까지 올려, 온도가 안정된 시점에서 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고, 에칭 처리를 개시하였다. SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％이고, 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 60분)로 하였다.
에칭 처리 후, 온도는 바꾸지 않고, 또한 SiH4 유량도 변화시키지 않고 흐르게 하면서 수소 캐리어 가스의 유량을 매분 100L로 낮추어, 캐리어 가스의 유량이 안정된 시점에서 SiH4 유량을 매분 125㎤로 바꾸는 동시에 C3H8 유량을 매분 54㎤, N2 유량을 매분 30㎤로 하여 에피택셜 성장로에 도입하고, 에피택셜 성장을 개시하였다. 이때, 에칭 종료 후로부터 에피택셜 성장을 개시할 때까지의 시간은 약 4분이었다. 그 후의 순서, 에피택셜 성장 막 두께는 실시예 1과 마찬가지이다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.6㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(실시예 12)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. SiC 단결정 기판의 오프각은 0°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이며, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 60분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 0.98㎚로 작았다. 이것은, 에칭 처리 종료 후에도 SiH4를 계속 흐르게 하면서 에피택셜 성장 프로세스로 이행함으로써, SiC 기판 표면이, 표면 에너지가 낮은 안정된 상태가 유지된 채, 에피택셜 성장이 개시되어, 스텝 번칭이 저감된 결과이다.
(비교예 1)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이며, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 60분)로 하였지만, 에칭 처리 후, SiH4의 도입을 멈추고, 수소 캐리어 가스만 흐르게 한 상태에서 에피택셜 성장로의 온도를 1650℃로 올려, 온도가 안정된 시점에서 SiH4, C3H8 및 N2를 흐르게 하여 에피택셜 성장을 개시하였다. 에피택셜 성장 시의 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 2.5㎚로 크고, 에칭 처리 종료로부터 에피택셜 성장 개시까지 SiH4의 도입을 멈춤으로써 표면 상태가 불안정해져, 그것에 기인한 스텝 번칭 증대의 영향을 받았다고 생각된다.
(비교예 2)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이지만, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 30㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 2×10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.2㎛(에칭 시간 60분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 2.8㎚로 크고, SiH4의 유량이 많은 것에 의한 Si 드롭렛 발생의 영향을 받았다고 생각된다.
(비교예 3)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는 실시예 1과 마찬가지이지만, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 0.1㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 6.7×10- 5vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.1㎛(에칭 시간 15분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 1.8㎚로 크고, 에칭 처리 중의 SiH4 유량이 적음으로써 스텝 번칭 억제의 효과가 보이지 않았다.
(비교예 4)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이지만, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 0.05㎛(에칭 시간 15분)로 하였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 2.1㎚로 크고, 에칭량이 적음으로써 에피택셜 성장 전 표면의 연마 손상층의 제거가 불충분해져 스텝 번칭 억제의 효과가 보이지 않았다.
(비교예 5)
실시예 1과 마찬가지로 슬라이스, 황삭, 통상 연마 및 마무리 연마를 행한, 4H형 폴리타입을 갖는 4인치(100㎜)의 SiC 단결정 기판의 Si면에, 에피택셜 성장을 실시하였다. 기판의 오프각은 4°이다. 에칭 처리의 순서로서는, 실시예 1과 마찬가지이지만, 에칭 처리 시의 SiH4 유량을 매분 15㎤로 하여 도입하고(SiH4의 수소 캐리어 가스에 대한 비율은 10- 2vol％), 에칭 처리에 의한 에칭량은 1.0㎛(에칭 시간 300분)였다. 그 후의 에피택셜 성장 순서, 가스 유량, 온도 등은 실시예 1과 마찬가지이며, 에피택셜 성장 막 두께는 10㎛였다. 이와 같이 하여 에피택셜 성장을 행한 막의 표면 조도(Ra)는 2.3㎚로 크고, 에칭량이 지나치게 많음으로써 에피택셜 성장 전 표면의 조도가 지나치게 커져, 스텝 번칭 억제의 효과가 보이지 않았다.
이상의 실시예에 있어서는, 에피택셜 온도, 에피택셜 압력, 가스 유량 등의 에피택셜 성장 조건을 개별적으로 바꾸고 있지만, 수소 캐리어 가스와 규소계 재료 가스를 흐르게 하면서, 이러한 조건을 동시에 바꾸어 에피택셜 성장을 개시시킬 수도 있다. 또한, 각 재료 가스는 SiH4 가스와 C3H8 가스를 사용하고 있지만, 규소계의 재료 가스로서, 예를 들어 Si2H6이나 클로로실란 가스 등을 사용하거나, 탄소계의 재료 가스로서 C2H4 등을 사용할 수도 있다. 나아가, 도핑 가스를 흐르게 하지 않는 상태에서 에피택셜 성장시킬 수도 있다.
본 발명에 따르면, SiC 단결정 기판 상에의 에피택셜 성장에 있어서, 특히 스텝 번칭을 저감시킨 고품질 에피택셜막을 갖는 에피택셜 SiC 웨이퍼를 안정적으로 제작하는 것이 가능하다. 그로 인해, 이러한 웨이퍼 상에 전자 디바이스를 형성하면, 디바이스의 특성 및 수율이 향상되는 것을 기대할 수 있다.

Claims (7)

  1. 에피택셜 성장로 내의 탄화규소 단결정 기판 상에 열 CVD법에 의해 탄화규소를 에피택셜 성장시키는 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법에 있어서, 에피택셜 성장로 내에, 캐리어 가스로서의 수소 가스와, 상기 캐리어 가스에 대해 10- 4vol％ 이상 10- 2vol％ 이하의 규소계의 재료 가스를 도입하여, 탄화규소 단결정 기판의 표면을 0.05㎛ 초과 0.5㎛ 이하 에칭 처리한 후, 상기 캐리어 가스와 상기 규소계의 재료 가스를 공급한 채, 상기 에피택셜 성장로 내의 에피택셜 성장 조건을 변경하고, 상기 에피택셜 성장 조건이 안정된 후에, 상기 캐리어 가스와 상기 규소계의 재료 가스를 공급한 채, 또한 탄소계의 재료 가스를 공급하여, 탄화규소의 에피택셜 성장을 개시하는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에피택셜 성장 조건이, 에피택셜 성장 온도, 에피택셜 성장 압력, 캐리어 가스의 유량, 규소계의 재료 가스의 유량, 또는 탄소계의 재료 가스의 유량 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 규소계의 재료 가스가, 실란 또는 클로로실란계의 재료 가스인 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탄소계 재료 가스는, C3H8 가스, C2H4 가스 및 CH4 가스 중 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    얻어진 에피택셜 탄화규소 웨이퍼 표면의 표면 조도(Ra)가 1.0㎚ 이하인 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탄화규소 단결정 기판이, (0001)면에 대해 <11-20> 방향으로 기울인 오프 각도가 4° 이하인 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
  7. 에피택셜 성장로 내의 탄화규소 단결정 기판 상에 열 CVD법에 의해 탄화규소를 에피택셜 성장시키는 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법에 있어서, 에피택셜 성장로 내에, 캐리어 가스로서의 수소 가스와, 상기 캐리어 가스에 대해 10-4vol％ 이상 10-2vol％ 이하의 클로로실란계 가스를 도입하여, 탄화규소 단결정 기판의 표면을 0.05㎛ 초과 0.5㎛ 이하 에칭 처리한 후, 상기 캐리어 가스와 상기 클로로실란계 가스를 공급한 채, 상기 에피택셜 성장로 내의 에피택셜 성장 조건을 변경하고, 상기 에피택셜 성장 조건이 안정된 후에, 상기 캐리어 가스와 상기 클로로실란계 가스를 공급한 채, 또한 탄소계의 재료 가스를 공급하여, 탄화규소의 에피택셜 성장을 개시하는 것을 특징으로 하는, 에피택셜 탄화규소 웨이퍼의 제조 방법.
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