JP2000026199A - 炭化珪素単結晶の製造方法および炭化珪素単結晶 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭化珪素単結晶基板の内部に存在するマイク
ロパイプ欠陥を塞ぎ、欠陥の少ない炭化珪素単結晶を得
る。 【解決手段】 第１の工程で、内部にマイクロパイプ欠
陥２を有する炭化珪素単結晶基板１の一方の面にＣＶＤ
法等により炭化珪素単結晶膜３を形成し、マイクロパイ
プ欠陥２の一端側を閉鎖する。次いで、黒鉛るつぼ４内
に、炭化珪素単結晶基板１の他方の面が炭化珪素粉末５
と対向するようにして配置し、熱処理して、他方の面側
から炭化珪素粉末５を昇華させた原料ガスを供給し、マ
イクロパイプ欠陥２内で再結晶化させてこれを埋める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイス用
の基板や炭化珪素単結晶成長用の種結晶として用いられ
る炭化珪素単結晶を製造する方法、特に、炭化珪素単結
晶中のマイクロパイプ欠陥を低減する方法に関する。ま
た、マイクロパイプ欠陥が低減された炭化珪素単結晶に
関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化珪素単結晶を製造するための方法の
１つに昇華法（改良レーリー法）がある。昇華法は、黒
鉛るつぼの上部に種結晶を、下部に原料粉末を配置して
上下方向に温度勾配を設け、高温にした原料粉末から低
温にした種結晶への物質移動で単結晶を得る方法であ
る。この方法による炭化珪素単結晶の製造例を図２を用
いて具体的に説明すると、図中、黒鉛るつぼ４内には、
上部に設けた台座４１に炭化珪素種結晶７が接合してあ
り、下部には主として炭化珪素からなる原料粉末５が充
填されている。ここで、原料粉末５を２１００℃以上に
加熱して原料ガスＧを発生させる一方、種結晶７を原料
粉末５より数１０℃以上低温にすると、原料ガスＧが種
結晶７上で拡散輸送されて再結晶し、炭化珪素単結晶８
が成長する。

【０００３】ところが、昇華法により成長させた炭化珪
素単結晶８には、図示するように、マイクロパイプ欠陥
２が発生しやすい。このような単結晶８から切り出した
基板は、図３のように、内部に貫通した欠陥２を有する
炭化珪素単結晶基板１となり、その後のデバイス作製等
において、大きな障害となっていた。

【０００４】そこで、炭化珪素単結晶基板１のマイクロ
パイプ欠陥２を閉塞することが重要となっており、図３
のように、炭化珪素単結晶基板１上に、マイクロパイプ
欠陥２に蓋をするようにして炭化珪素単結晶膜１１を形
成する方法が検討されている。例えば、米国特許第５６
７９１５３号には、炭化珪素単結晶基板（マイクロパイ
プ欠陥密度：５０〜４００ｃｍ^-2）上に液相エピタキシ
ャル成長法を用いて第１のエピタキシャル層を形成し、
その密度が０。５０ｃｍ^-2に低減されることが記載され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法は、炭化珪素単結晶基板上に欠陥が低減された新たな
炭化珪素単結晶の層を形成しようとするもので、炭化珪
素単結晶基板内部のマイクロパイプ欠陥を閉塞すること
はできない。また、図３のように、形成される炭化珪素
単結晶膜１１にマイクロパイプ欠陥２が引き継がれる場
合があり、米国特許第５６７９１５３号の方法では欠陥
をより少なくすることが可能であるが、異なる方法で複
数層のエピタキシャル層を形成する必要があって、製作
工程が複雑になる。しかも、このようにして形成される
新たな炭化珪素単結晶の層は、せいぜい数１０μｍ程度
と薄いため、デバイス作製等には、なお問題があった。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、炭化珪素単結晶基板の内部に存在するマイクロパ
イプ欠陥を塞ぎ、欠陥の少ない炭化珪素単結晶を得るこ
とを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１の方法は、内部にマイクロパイプ
欠陥を有する炭化珪素単結晶基板の一方の面に炭化珪素
膜を形成する第１の工程と、熱処理することにより上記
炭化珪素単結晶基板の他方の面側から炭素源および珪素
源を含む原料ガスを供給する第２の工程とからなる。

【０００８】本発明のメカニズムは必ずしも明らかでは
ないが、以下のように推定される。第１の工程で、上記
炭化珪素単結晶基板の一方の面に上記炭化珪素膜を形成
すると、上記炭化珪素単結晶基板中の上記マイクロパイ
プ欠陥の一端側が閉塞されると同時に、その閉塞場所に
おいては上記マイクロパイプ欠陥特有の結晶歪みが緩和
される。この状態で、第２工程において、他方の面側か
ら原料ガスを供給すると、上記マイクロパイプ欠陥内を
起点に原料ガスの再結晶化が起こる。特に、第１の工程
で結晶歪みが緩和された部分で再結晶化が進行し、上記
マイクロパイプ欠陥が埋まるものと考えられる。このよ
うに、本発明方法によれば、上記炭化珪素単結晶基板の
内部に存在するマイクロパイプ欠陥を埋めることがで
き、簡易な方法で欠陥の少ない炭化珪素単結晶を得るこ
とができる。よって、これを用いて良質な半導体デバイ
スの作製が可能であり、また、これを種結晶として欠陥
の少ない炭化珪素単結晶を成長させることができる。
尚、炭化珪素膜は、単結晶、多結晶、非晶質のいずれで
あってもよい。

【０００９】請求項２の方法では、上記炭化珪素膜を、
化学的気相蒸着法または液相エピタキシャル法を用いて
形成する。上記炭化珪素膜の形成方法としては、これら
気相または液相のエピタキシャル成長法が好適に用いら
れる。

【００１０】請求項３の方法では、上記炭化珪素膜を、
１μｍ以上の膜厚で形成する。上記炭化珪素膜により、
上記マイクロパイプ欠陥の一端側を閉鎖する効果を得る
ためには、上記炭化珪素膜の膜厚を１μｍ以上、好適に
は数μｍ以上とすることが望ましい。

【００１１】請求項４の方法では、上記第２の工程を、
上記炭化珪素単結晶基板を上記炭化珪素膜を介して熱処
理用容器の台座に接合し、上記炭化珪素単結晶基板の上
記他方の面を、上記容器内に配置した上記原料ガスの供
給源となる炭化珪素粉末に対向させて熱処理することに
より行う。具体的には、上記炭化珪素単結晶基板の上記
他方の面と、上記炭化珪素粉末を対向させて熱処理する
ことで、上記原料ガスを発生させて、上記マイクロパイ
プ欠陥内に供給することができる。

【００１２】請求項５の方法では、上記第２の工程にお
いて、上記炭化珪素粉末を２１００〜２５００℃とし、
上記炭化珪素単結晶基板を上記炭化珪素粉末より１０〜
２００℃低い温度に設定する。上記炭化珪素粉末を２１
００〜２５００℃とすることで、上記炭化珪素粉末を昇
華させ、より低温の上記炭化珪素単結晶基板において再
結晶化させることができる。

【００１３】請求項６の炭化珪素単結晶は、内部にマイ
クロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板の一方の面
に炭化珪素膜を形成し、上記マイクロパイプ欠陥の少な
くとも上記一方の面側を、他方の面側から供給される炭
素源および珪素源を含む原料ガスを結晶化することで閉
塞してなる。このような炭化珪素単結晶は、上述したよ
うに内部からマイクロパイプ欠陥を閉塞しているので、
デバイス作製用や単結晶成長用の種結晶として好適であ
る。

【００１４】請求項７の方法では、上記第２の工程の
後、上記炭化珪素膜を除去して上記炭化珪素単結晶基板
の上記一方の面を露出させ、その上に炭化珪素単結晶を
成長させる。上記第１および第２の工程により欠陥が修
復された上記炭化珪素単結晶基板から、上記炭化珪素膜
を除去して、欠陥のない上記一方の面を露出させ、その
上に、昇華法等により炭化珪素単結晶を成長させること
で、欠陥のないバルク単結晶を得ることができる。

【００１５】請求項８の方法では、上記炭化珪素膜を単
結晶としている。発明者らの実験によると上記炭化珪素
膜を多結晶とするよりも単結晶とした場合の方が、マイ
クロパイプ欠陥の少ない炭化珪素単結晶基板を得ること
ができた。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明方法を図面に基づい
て説明する。図１（ａ）は、上記図２のようにして形成
されたマイクロパイプ欠陥２を有する炭化珪素単結晶８
から切り出された、貫通するマイクロパイプ欠陥２を有
する炭化珪素単結晶基板１である。炭化珪素単結晶基板
１の厚さは、通常、０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度とする。本
発明の第１の工程では、この炭化珪素単結晶基板１の一
方の面、ここでは上面に、炭化珪素単結晶膜３を形成し
て、マイクロパイプ欠陥２の一端側を閉鎖する。炭化珪
素単結晶膜３の形成には、通常、公知のＣＶＤ法（化学
的気相蒸着法）または液相エピタキシャル法を用いるこ
とができ、結晶多形は特に制限されないが、例えば、立
方晶形とすることが好ましい。炭化珪素単結晶膜３の厚
さは、通常、１μｍ以上とし、１μｍに満たないとマイ
クロパイプ欠陥２が十分塞がらず、第２の工程において
十分な効果が得られない。従って、マイクロパイプ欠陥
２の一端側の閉鎖性と第２工程における熱処理条件の自
由度を考慮すると、好ましくは数μｍ以上で形成するこ
とが好ましい。

【００１７】次に、本発明の第２の工程で、炭化珪素単
結晶基板１の他方の面側から、炭素源および珪素源を含
む原料ガスを供給して、マイクロパイプ欠陥２を埋め
る。具体的には、図１（ｂ）に示すように、熱処理用容
器として黒鉛るつぼ４を用い、黒鉛るつぼ４の頂面に設
けた台座４１に、炭化珪素単結晶膜３側が接合面となる
ようにして炭化珪素単結晶基板１を貼り付ける。黒鉛る
つぼ４の底部には、原料ガスの供給源となる炭化珪素粉
末５を充填する。このように、炭化珪素単結晶基板１の
他方の面と炭化珪素粉末５が対向するようにして配置
し、るつぼ４を加熱装置内で熱処理することにより、マ
イクロパイプ欠陥２内に原料ガスＧを供給する。この
時、炭化珪素粉末５の温度を２１００〜２５００℃に制
御し、炭化珪素単結晶基板１がこれより１０〜２００℃
低い温度になるようにすると、より低温のマイクロパイ
プ欠陥２内で原料ガスＧの再結晶化が起こり、マイクロ
パイプ欠陥２が徐々に埋まる。雰囲気は、不活性ガス雰
囲気とし、圧力５００Ｔｏｒｒ程度で、所定時間、熱処
理を行うことで、炭化珪素単結晶基板１中のマイクロパ
イプ欠陥２を閉塞することができる。

【００１８】このマイクロパイプ欠陥２を閉塞するメカ
ニズムは必ずしも明らかではないが、次のように考えら
れる。第１の工程で、炭化珪素単結晶膜３を形成するこ
とにより、その形成箇所ではマイクロパイプ欠陥２の特
有の結晶歪みが緩和される。次いで第２工程において、
マイクロパイプ欠陥２内に原料ガスＧを供給することに
より、結晶歪みが緩和された部分を起点に原料ガスＧの
再結晶化が起こり、この再結晶化の進行によってマイク
ロパイプ欠陥２が埋まる。この時、図１（ｃ）のよう
に、炭化珪素単結晶膜３で閉鎖されている上面側からマ
イクロパイプ欠陥２が埋まっていき、熱処理時間を十分
長くすることで、マイクロパイプ欠陥２をほぼ完全に埋
めることができる。なお、デバイス作製等に使用する場
合には、上面側を基板面とすれば、炭化珪素単結晶基板
１の下面側にマイクロパイプ欠陥２が多少残っていても
よい。

【００１９】上記第１および第２の工程によりマイクロ
パイプ欠陥２を低減した炭化珪素単結晶基板１を、次い
で、るつぼ４の台座４１から取り外すが、この際に、台
座４１に接合されている炭化珪素単結晶膜３を除去す
る。除去方法は、通常、切断・研削・研磨する方法が用
いられるが、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）や化学
エッチングを用いることも可能である。また、上記第２
の工程では、図１（ｃ）のように、マイクロパイプ欠陥
２が閉塞されると同時に、炭化珪素単結晶基板１の下面
に炭化珪素単結晶６が堆積しており、この炭化珪素単結
晶６も同様の方法で除去することができる。

【００２０】このようにして、マイクロパイプ欠陥２を
修復した炭化珪素単結晶基板１を得ることができる。こ
れをデバイス作製用の基板、または単結晶成長用の種結
晶として使用する場合には、マイクロパイプ欠陥２が修
復された面、すなわち炭化珪素単結晶膜３を除去した面
を成長面とすればよい。単結晶成長用の種結晶として用
い、昇華法により単結晶を成長させる場合には、炭化珪
素単結晶膜３を除去して露出させた面が、炭化珪素粉末
５と対向するようにしてるつぼ４内に配置し、るつぼ４
を加熱して炭化珪素粉末５が２２００〜２４００℃、炭
化珪素単結晶基板１がこれより１０〜１００℃低い温度
になるように制御する。不活性ガス雰囲気中、減圧下
で、単結晶を成長させると、炭化珪素単結晶基板１上
に、欠陥の少ない炭化珪素単結晶を成長させることがで
きる。

【００２１】

【実施例】次に、本発明の効果を確認するための試験を
以下のようにして行った。マイクロパイプ欠陥を有する
炭化珪素単結晶から、厚さ０．５ｍｍ〜１ｍｍの炭化珪
素単結晶基板を切り出し、この炭化珪素単結晶基板の一
方の面に、ＣＶＤ法を用いて、厚さ５μｍの炭化珪素単
結晶膜を形成した。この時、炭化珪素単結晶基板の温度
を１４００℃とし、原料ガスとしてプロパンとシラン
を、キャリアガスに水素を用いた。形成された炭化珪素
単結晶膜の結晶多形は立方晶であった。また、炭化珪素
単結晶膜の厚さが１μｍ以上であれば、炭化珪素単結晶
基板のマイクロパイプ欠陥の一端が閉塞する効果が得ら
れることが確認された。

【００２２】次いで、炭化珪素単結晶基板を、炭化珪素
単結晶膜側が接合面となるようにして接着剤で黒鉛るつ
ぼの台座に貼り付けた。黒鉛るつぼの底部には、この炭
化珪素単結晶基板の炭化珪素単結晶膜と反対側の表面と
対向させて、原料ガスの供給源となる炭化珪素粉末を充
填した。この黒鉛るつぼを高温炉内に配置して、炭化珪
素粉末の温度を２３００℃、炭化珪素単結晶基板の温度
を２２８０℃とし、全体の圧力をアルゴンガスで５００
Ｔｏｒｒに調整して、２４時間、熱処理を行った。

【００２３】その後、炭化珪素単結晶基板をるつぼから
取出し、炭化珪素単結晶基板の両面を鏡面研磨した後、
偏光顕微鏡で観察したところ、炭化珪素単結晶基板に存
在していたマイクロパイプ欠陥の９０％が埋まっている
ことが確認された。

【００２４】また、比較のため、炭化珪素単結晶基板の
一方の面に炭化珪素単結晶膜を形成する工程を省略し、
熱処理する工程のみを同様の方法で行ったところ、炭化
珪素単結晶基板中のマイクロパイプ欠陥はほとんど埋ま
らず、炭化珪素粉末と対向する面側からマイクロパイプ
欠陥がわずかに埋まったものがあったが、その割合は数
％であった。以上より、本発明の効果を得るためには、
炭化珪素単結晶膜の形成が重要であることがわかる。
尚、上記実施例では、炭化珪素基板の一方の面に炭化珪
素単結晶膜を形成したが、他に多結晶や非晶質の膜であ
ってもよい。ただしマイクロパイプ修復率の点から言え
ば単結晶が最もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明方法による炭化珪素単結晶の製造
工程を示す図で、（ａ）は第１の工程により一方の面に
炭化珪素単結晶膜を形成した炭化珪素単結晶基板の断面
図、（ｂ）は第２の工程で使用した黒鉛るつぼの全体概
略断面図、（ｃ）は第２の工程後の炭化珪素単結晶基板
の断面図である。

【図２】図２は昇華法による炭化珪素単結晶の製造方法
を説明するための黒鉛るつぼの全体概略断面図である。

【図３】図３は従来方法により一方の面に炭化珪素単結
晶膜を形成した炭化珪素単結晶基板の断面図である。

【符号の説明】

１ 炭化珪素単結晶基板 １１ 炭化珪素単結晶膜 ２ マイクロパイプ欠陥 ３ 炭化珪素単結晶膜（炭化珪素膜） ４ 黒鉛るつぼ（熱処理用容器） ４１ 黒鉛台座（台座） ５ 炭化珪素原料粉末 ６ 炭化珪素単結晶 ７ 炭化珪素種結晶 ８ 炭化珪素単結晶 Ｇ 原料ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 尚宏 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 岡本 篤人 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE08 DA02 DA19 DB04 FF01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部にマイクロパイプ欠陥を有する炭化
   珪素単結晶基板の一方の面に炭化珪素膜を形成する第１
   の工程と、熱処理することにより上記炭化珪素単結晶基
   板の他方の面側から炭素源および珪素源を含む原料ガス
   を供給する第２の工程とからなることを特徴とする炭化
   珪素単結晶の製造方法。
2. 【請求項２】 上記炭化珪素膜を、化学的気相蒸着法ま
   たは液相エピタキシャル法を用いて形成する請求項１記
   載の炭化珪素単結晶の製造方法。
3. 【請求項３】 上記炭化珪素膜を、１μｍ以上の膜厚で
   形成する請求項２記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
4. 【請求項４】 上記第２の工程を、上記炭化珪素単結晶
   基板を上記炭化珪素膜を介して熱処理用容器の台座に接
   合し、上記炭化珪素単結晶基板の上記他方の面を、上記
   容器内に配置した上記原料ガスの供給源となる炭化珪素
   粉末に対向させて熱処理することにより行う請求項１な
   いし３のいずれか記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
5. 【請求項５】 上記第２の工程において、上記炭化珪素
   粉末を２１００〜２５００℃とし、上記炭化珪素単結晶
   基板を上記炭化珪素粉末より１０〜２００℃低い温度に
   設定する炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 【請求項６】 内部にマイクロパイプ欠陥を有する炭化
   珪素単結晶基板の一方の面に炭化珪素膜を形成し、上記
   マイクロパイプ欠陥の少なくとも上記一方の面側を、他
   方の面側から供給される炭素源および珪素源を含む原料
   ガスを結晶化させることにより閉塞してなることを特徴
   とする炭化珪素単結晶。
7. 【請求項７】 上記第２の工程の後、上記炭化珪素膜を
   除去して上記炭化珪素単結晶基板の上記一方の面を露出
   させ、その上に炭化珪素単結晶を成長させる請求項４ま
   たは５記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
8. 【請求項８】 上記炭化珪素膜は単結晶である請求項１
   ないし７のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方
   法。