JP2000044393A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - 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】 マイクロパイプ欠陥３を有する炭化珪素
単結晶基板２の両面に接して、原料となる炭化珪素基
板、特に炭化珪素単結晶基板２と結晶形の異なる炭化珪
素基板１ａ、１ｂを配置し、るつぼ６内で熱処理を行う
と、マイクロパイプ欠陥３内で炭化珪素蒸気が再結晶化
し、マイクロパイプ欠陥３が閉塞する。

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。

【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５
（ａ）を用いて具体的に説明すると、図中、黒鉛るつぼ
９１内には、上部に設けた台座９２に炭化珪素種結晶Ｓ
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９３が充填されている。ここで、原料粉末９３を
２２００℃以上に加熱して原料ガスＧを発生させる一
方、種結晶Ｓを原料粉末９３より数１０℃以上低温にす
ると、原料ガスＧが種結晶Ｓ上で再結晶し、炭化珪素単
結晶９４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９４には、図示するように、マイクロパイプ欠
陥３が発生することがある。このような単結晶９４から
切り出した基板は、図５（ｂ）のように、内部に貫通し
た欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２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２のマイクロ
パイプ欠陥３を閉塞することが検討されており、例え
ば、炭化珪素単結晶基板上に、マイクロパイプ欠陥に蓋
をするようにして炭化珪素単結晶膜を形成する方法が提
案されている。米国特許第５６７９１５３号には、シリ
コン中へのＳｉＣ溶融を用いた液相エピタキシー法を用
いて結晶成長させると、エピタキシャル成長途中でマイ
クロパイプ欠陥が閉塞されていくことを利用して、マイ
クロパイプ欠陥を有する種結晶上にマイクロパイプ欠陥
が低減されたエピタキシャル層を形成できることが示さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方法は、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の内部に存在するマイクロパイプ欠
陥を閉塞することはできない。また、異なる成長法で複
数層のエピタキシャル層を形成する必要があるなど、製
造工程が複雑になる問題があった。

【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
の本発明の請求項１の方法は、マイクロパイプ欠陥を有
する炭化珪素単結晶基板の、マイクロパイプ欠陥が開口
した一方の面または両面に接して、炭化珪素基板を配置
し、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞す
ることを特徴とする。

【０００８】マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結
晶基板を、上記マイクロパイプ欠陥を埋めるための原料
となる上記炭化珪素基板と接触させた状態で熱処理する
ことにより、上記炭化珪素基板およびマイクロパイプ欠
陥内壁またはその一方からの物質移動で上記マイクロパ
イプ欠陥を閉塞することができる。このメカニズムは必
ずしも明らかではないが、以下のように推定される。昇
華法による結晶成長の原理は、温度差による飽和蒸気圧
の差であり、高温の原料側からの昇華ガスが低温の成長
面側で再結晶化する。本発明の方法では、上記マイクロ
パイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板と上記炭化珪素
基板には温度差がほとんどないが、上記マイクロパイプ
欠陥の内壁と上記炭化珪素基板の飽和蒸気圧の差によっ
て、物質移動が発生し、上記炭化珪素単結晶基板と上記
炭化珪素基板の界面付近から格子歪みが緩和され、その
結果として、上記マイクロパイプ欠陥が該界面付近より
埋まっていくと考えられる。このように、本発明では、
上記炭化珪素基板を重ねて熱処理するという簡単な方法
で、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞することができ、上
記マイクロパイプ欠陥が修復された炭化珪素単結晶基板
を用いて、良質な半導体デバイスの作製が可能である。
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。

【０００９】請求項２のように、上記炭化珪素基板とし
ては、上記マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶
基板と結晶形の異なる炭化珪素よりなる基板が好適に用
いられる。結晶形が異なると、飽和蒸気圧が異なるの
で、上記炭化珪素単結晶基板中のマイクロパイプ欠陥端
部への物質移動を発生させ、上記マイクロパイプ欠陥を
埋める効果が高い。

【００１０】請求項３のように、複数枚の上記炭化珪素
単結晶基板を、上記炭化珪素基板を介して積層し、同時
に熱処理することもできる。これにより、各炭化珪素単
結晶基板内のマイクロパイプ欠陥を同時に修復し、欠陥
の少ない上記炭化珪素単結晶基板を、複数、同時に得る
ことができる。

【００１１】請求項４の方法では、マイクロパイプ欠陥
を有する炭化珪素単結晶基板を、炭化珪素粉末中に埋没
させ、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞
する。上記炭化珪素粉末に覆われた状態で熱処理を行う
ことによっても、上記炭化珪素基板を接して配置した場
合と同様に上記マイクロパイプ欠陥を閉塞することが可
能である。

【００１２】請求項５のように、上記マイクロパイプ欠
陥を有する炭化珪素単結晶基板としては、例えば、４Ｈ
または６Ｈ−ＳｉＣ単結晶が好適に用いられる。この
時、請求項６のように、上記炭化珪素基板としては、例
えば、結晶形が異なる３Ｃ−ＳｉＣ単結晶、３Ｃ−Ｓｉ
Ｃ多結晶、３Ｃ−ＳｉＣ焼結体、もしくは３Ｃ−ＳｉＣ
で表面を被覆された部材を使用することができる。上記
炭化珪素粉末としては、請求項７のように、結晶形が異
なる３Ｃ−ＳｉＣ粉末を用いることができる。あるい
は、請求項８のように、上記炭化珪素基板または上記炭
化珪素粉末として、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣを
用いることもできる。上記マイクロパイプ欠陥の内壁は
歪みを有し飽和蒸気圧が異なるため、上記炭化珪素単結
晶基板と上記炭化珪素基板が同じ結晶形であっても、飽
和蒸気圧差による物質移動を発生させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図面に基づいて説明する。図１は、本発明で使用する
熱処理装置の概略構成を示す図で、図中、断熱材５で覆
われたるつぼ６内には、マイクロパイプ欠陥３を有する
炭化珪素単結晶基板２が、その両面に接して配した炭化
珪素基板１ａ、１ｂ間に挟持された状態で設置してあ
る。るつぼ６の外周には、高周波加熱用ヒータコイル４
が配設されて、るつぼ６内を所定温度に加熱できるよう
になしてある。また、これらるつぼ６およびヒータコイ
ル４は、排気管および雰囲気ガス導入管を備えた図略の
容器内に設置されており、るつぼ６内を所定雰囲気、所
定圧力に調整することができる。また、ヒータコイル４
に代えて抵抗加熱ヒータ等を用いることもできる。

【００１４】ここで、マイクロパイプ欠陥３を有する炭
化珪素単結晶基板２は、例えば、６Ｈ−ＳｉＣまたは４
Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりなる。６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−
ＳｉＣ単結晶は、電気的特性に優れ半導体デバイス用の
基板として好適である。炭化珪素単結晶基板２の厚さ
は、通常、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であるが、厚さは
特に限定されない。本実施の形態では、炭化珪素単結晶
基板２の上下面にそれぞれ接して、炭化珪素基板１ａ、
１ｂを配置し、この状態で、熱処理を行う。炭化珪素基
板１ａ、１ｂは、好ましくは、炭化珪素単結晶基板２と
結晶形の異なる炭化珪素からなり、炭化珪素単結晶基板
２が６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりなる場
合には、例えば、ＣＶＤ法（化学的気相蒸着法）により
形成した３Ｃ−ＳｉＣ多結晶が好適に用いられる。立方
晶系の３Ｃ−ＳｉＣは、六方晶系の６Ｈ−ＳｉＣや４Ｈ
−ＳｉＣに比べて昇華しやすく、原料となる昇華ガスが
発生しやすい利点がある。炭化珪素基板１ａ、１ｂの厚
さは、通常、０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、好適には、０．１
ｍｍ〜１ｍｍの範囲とするのがよい。

【００１５】炭化珪素基板１ａ、１ｂとしては、３Ｃ−
ＳｉＣ多結晶の他、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶や３Ｃ−ＳｉＣ
焼結体を用いてもよく、同様の効果が得られる。また、
炭化珪素基板１ａ、１ｂを、炭化珪素単結晶基板２と結
晶形の異なる炭化珪素で構成する必要は必ずしもなく、
結晶形の同じ４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣとしてもマイクロ
パイプ欠陥３を閉塞する効果がある。炭化珪素単結晶基
板２のマイクロパイプ欠陥３を両面から埋める必要がな
い場合には、炭化珪素基板１ａ、１ｂを、いずれか一方
とすることもでき、炭化珪素基板１ａ、１ｂを配置した
側からマイクロパイプ欠陥３が閉塞する。

【００１６】熱処理温度は、炭化珪素が昇華可能な温
度、通常、２０００〜２５００℃の範囲とし、圧力は、
通常、７６０Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。るつ
ぼ６内の雰囲気は、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不
活性ガス雰囲気、または、ｎ型のドーパントである窒素
雰囲気とすることもできる。あるいは、アルゴンガス、
ヘリウムガス等に、窒素を少量添加してもよい。熱処理
時間は、時間が長くなるほど再結晶化が進み、修復率が
向上するので、必要に応じて適宜設定すればよい。通
常、６時間以上で系内がほぼ平衡状態になる。

【００１７】本発明では、このように、マイクロパイプ
欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２を、結晶形の異な
る炭化珪素基板１ａ、１ｂ間に挟持された状態で、熱処
理を行うことにより、マイクロパイプ欠陥３を両面から
閉塞することができる。このメカニズムについて以下に
説明する。昇華法による成長の原理は、温度差による飽
和蒸気圧の差であり、原料粉末の温度（Ｔ1 ）と種結晶
の成長面の温度（Ｔ2）との間に温度差（ΔＴ）を設け
ることにより、温度の高い原料側からのＳｉＣ蒸気が、
温度の低い成長面側で再結晶化する。一方、本発明のよ
うに、炭化珪素単結晶基板２と炭化珪素基板１ａ、１ｂ
を積層させた場合には、図２に示すように、各基板が近
接しており、温度差（ΔＴ）は非常に小さい。従って、
単なる温度差では物質の移動が起こらない。ところが、
このような状態でも、結晶形および（または）結晶性が
異なる物質を近接した場合には、ほぼ同一温度（ΔＴが
小さい状態）でも、物質移動が起こることが判明し、結
晶形および（または）結晶性の違いに基づく飽和蒸気圧
の差が結晶の成長に大きく影響していることが考えられ
る。

【００１８】この原理を図２で説明する。図中、炭化珪
素単結晶基板２は４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣ、炭化珪素基
板１ａ、１ｂは３Ｃ−ＳｉＣであるとすると、マイクロ
パイプ欠陥３の内壁と、炭化珪素基板１ａ、１ｂとは、
結晶形が異なるため、飽和蒸気圧が異なる。従って、こ
の飽和蒸気圧の差が原動力となって、３Ｃ−ＳｉＣより
なる炭化珪素基板１ａ、１ｂおよび（または）マイクロ
パイプ欠陥内壁から、マイクロパイプ欠陥３の内部空間
への物質移動が発生し（図中、矢印）、炭化珪素単結晶
基板２と炭化珪素基板１ａ、１ｂの界面付近で格子歪み
が緩和されることで該界面付近で再結晶化が起こり、マ
イクロパイプ欠陥３が埋まっていくものと考えられる。
より詳細に説明すると、図２（ａ）に示すように、マイ
クロパイプ欠陥３の端（両端、一方端）で再結晶化しは
じめ、両端の閉塞後はマイクロパイプ欠陥３の内壁から
のＳｉＣ原料蒸気により、内部への方向に修復されてい
く（図２（ｂ））。従って、両端から修復した場合は、
中央付近に空間が残り（図２（ｃ））、一方端からの修
復では、完全に修復されてマイクロパイプ欠陥３が消滅
することもある。通常は、部分的に空洞が残る。

【００１９】なお、上述したように、物質個々の飽和蒸
気圧は、多形の違いの他に、結晶の内部歪みの程度によ
っても異なる。従って、同一結晶であってもマイクロパ
イプ欠陥３の近傍と、良好な結晶性を有する部分とでは
飽和蒸気圧が異なる。つまり、炭化珪素基板１ａ、１ｂ
が、炭化珪素単結晶基板２と同じ４Ｈまたは６Ｈ−Ｓｉ
Ｃであっても、マイクロパイプ欠陥３との飽和蒸気圧の
差により物質移動を発生させて、マイクロパイプ欠陥３
内を閉塞することが可能となる。

【００２０】このようにして、本発明によれば、マイク
ロパイプ欠陥３を低減した炭化珪素単結晶基板２を得る
ことができる。得られた炭化珪素単結晶基板２は、デバ
イス作製用の基板として好適であり、または単結晶成長
用の種結晶として用いることにより、高品質の炭化珪素
単結晶を得ることができる。なお、マイクロパイプ欠陥
３を有する炭化珪素単結晶基板２と炭化珪素基板１ａ、
１ｂができるだけ密接している方が、マイクロパイプ欠
陥３を修復する効果が高く、両者の隙間を小さくするた
めに、例えば炭化珪素基板１ａ、１ｂの表面を平滑化す
る前処理を行ってもよい。

【００２１】図３は本発明の第２の実施の形態を示すも
のである。本実施の形態のように、複数枚のマイクロパ
イプ欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２を、炭化珪素
基板１を介して積層し、この積層体の上下面に炭化珪素
基板１を配置して、るつぼ６内で同時に熱処理を行うこ
ともできる。炭化珪素単結晶基板２や炭化珪素基板１の
結晶形や、単結晶、多結晶といった形態、熱処理の条件
等は、上記第１の実施の形態と同様である。このよう
に、本発明方法では、複数枚の炭化珪素単結晶基板２を
同時に熱処理することが可能であり、欠陥修復を効率よ
く行うことができるため、経済的である。

【００２２】図４は本発明の第３の実施の形態を示すも
のである。本実施の形態では、マイクロパイプ欠陥３を
有する炭化珪素単結晶基板２を、炭化珪素粉末８中に埋
没させて、熱処理を行う。上記各実施の形態と同様に、
炭化珪素単結晶基板２としては、例えば、６Ｈ−ＳｉＣ
または４Ｈ−ＳｉＣ単結晶が使用され、炭化珪素粉末８
は、炭化珪素単結晶基板２と結晶形の異なる炭化珪素の
粉末、例えば、３Ｃ−ＳｉＣ粉末が好適に用いられる。
炭化珪素単結晶基板２と結晶形の同じ６Ｈ−ＳｉＣまた
は４Ｈ−ＳｉＣ粉末を用いることもできる。熱処理等の
条件も、上記各実施の形態と同様である。このように、
本発明方法では、炭化珪素粉末８中で熱処理を行うこと
もでき、マイクロパイプ欠陥３を閉塞する同様の効果が
得られる。また、複数枚の炭化珪素単結晶基板２を炭化
珪素粉末８中に埋没させて、同時に熱処理を行うことも
できる。また、同様に、炭化珪素基板１ａ、１ｂと炭化
珪素粉末８を組み合わせてもよい。

【００２３】

【実施例】（実施例１）本発明の効果を確認するため
に、図１に示すように、炭化珪素単結晶基板２の両面に
接して炭化珪素基板１ａ、１ｂを配し、熱処理を行っ
た。マイクロパイプ欠陥３を有する厚さ０．３５ｍｍの
４Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりなる炭化珪素単結晶基板２を、
ＣＶＤ法を用いて形成した厚さ０．５ｍｍの多結晶３Ｃ
−ＳｉＣよりなる炭化珪素基板１ａ、１ｂにより両面か
ら挟み込み、断熱材５で覆われたるつぼ６内に設置し
た。圧力５００Ｔｏｒｒ、アルゴンガス雰囲気におい
て、るつぼ６をヒータコイル４によって２３００℃に加
熱して、２４時間熱処理を行った。炭化珪素単結晶基板
２をるつぼ６から取出し、鏡面研磨した後、光学顕微鏡
で観察したところ、マイクロパイプ欠陥３が両面から閉
塞していることが確認された。

【００２４】（実施例２）本発明の効果を確認するため
に、図３に示すように、複数枚の炭化珪素単結晶基板２
を積層して、同時に熱処理を行った。マイクロパイプ欠
陥３を有する厚さ０．３５ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ単結晶よ
りなる炭化珪素単結晶基板２を、複数枚用意し、ＣＶＤ
法を用いて形成した厚さ０．５ｍｍの多結晶３Ｃ−Ｓｉ
Ｃよりなる炭化珪素基板１を介して積層した。積層体の
上下面にも炭化珪素基板１を配置して、断熱材５で覆わ
れたるつぼ６内に設置した。圧力５００Ｔｏｒｒ、アル
ゴンガス雰囲気において、るつぼ６をヒータコイル４に
よって２３００℃に加熱して、２４時間熱処理を行っ
た。炭化珪素単結晶基板２をるつぼ６から取出し、鏡面
研磨した後、光学顕微鏡で観察したところ、いずれの炭
化珪素単結晶基板２においても、マイクロパイプ欠陥３
が両面から閉塞していることが確認された。

【００２５】（実施例３）本発明の効果を確認するため
に、図４に示すように、炭化珪素単結晶基板２を炭化珪
素粉末８に埋没させて熱処理を行った。マイクロパイプ
欠陥３を有する厚さ０．３５ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ単結晶
よりなる炭化珪素単結晶基板２を、断熱材５で覆われた
るつぼ６内に充填した３Ｃ−ＳｉＣ粉末よりなる炭化珪
素粉末８中に埋没させた。圧力５００Ｔｏｒｒ、アルゴ
ンガス雰囲気において、るつぼ６をヒータコイル４によ
って２３００℃に加熱して、２４時間熱処理を行った。
炭化珪素単結晶基板２をるつぼ６から取出し、鏡面研磨
した後、光学顕微鏡で観察したところ、マイクロパイプ
欠陥３が両面から閉塞していることが確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１の実施の形態を示す熱処理
装置の全体概略断面図である。

【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は本発明方法による作用効
果を説明するための模式図である。

【図３】図３は本発明の第２の実施の形態を示す熱処理
装置の全体概略断面図である。

【図４】図４は本発明の第３の実施の形態を示す熱処理
装置の全体概略断面図である。

【図５】図５は昇華法による単結晶の製造方法を説明す
るための成長装置の全体概略断面図と、マイクロパイプ
欠陥を有する炭化珪素単結晶基板の概略断面図である。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ 炭化珪素基板 ２ 炭化珪素単結晶基板 ３ マイクロパイプ欠陥 ４ ヒータコイル ５ 断熱材 ６ るつぼ ７ 再結晶化炭化珪素 ８ 炭化珪素粉末

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野田 隆 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (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 (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 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BE08 CA03 FE08 HA12

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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または両面に接して、炭化珪素基板
   を配置し、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を
   閉塞す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】 上記炭化珪素基板が、上記マイクロパイ
   プ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板と結晶形の異なる炭
   化珪素よりなる請求項１記載の炭化珪素単結晶の製造方
   法。
3. 【請求項３】 複数枚の上記マイクロパイプ欠陥を有す
   る炭化珪素単結晶基板を、上記炭化珪素基板を介して積
   層し、同時に熱処理する請求項１記載の炭化珪素単結晶
   の製造方法。
4. 【請求項４】 マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単
   結晶基板を、炭化珪素粉末中に埋没させ、熱処理を行っ
   て、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞することを特徴とす
   る炭化珪素単結晶の製造方法。
5. 【請求項５】 上記マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪
   素単結晶基板が４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりなる
   請求項１または４記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 【請求項６】 上記炭化珪素基板が３Ｃ−ＳｉＣ多結
   晶、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶、３Ｃ−ＳｉＣ焼結体もしくは
   ３Ｃ−ＳｉＣで表面を被覆された部材よりなる請求項５
   記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
7. 【請求項７】 上記炭化珪素粉末が３Ｃ−ＳｉＣ粉末で
   ある請求項５記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
8. 【請求項８】 上記炭化珪素基板または上記炭化珪素粉
   末が４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣである請求項５記
   載の炭化珪素単結晶の製造方法。