JP2005239465A - Silicon carbide single crystal production device - Google Patents
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Description
本発明は昇華法による炭化珪素単結晶インゴットの製造技術に関する。特に、4H型炭化珪素単結晶を効率的に製造する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for producing a silicon carbide single crystal ingot by a sublimation method. In particular, the present invention relates to a technique for efficiently producing a 4H type silicon carbide single crystal.
炭化珪素(SiC)は、大きな熱伝導率、低い誘電率、広いバンドギャップを有し、熱的、機械的に安定した特性を持っている。従って、炭化珪素を用いた半導体素子は、従来のシリコンを用いた半導体素子よりも高い性能を持つ。その利用範囲は、高温の環境で使用される耐環境デバイス材料、耐放射線デバイス材料、電力制御用パワーデバイス材料、高周波デバイス材料などが期待されている。この炭化珪素の結晶は、珪素(Si)と炭素(C)原子単位層の細密充填構造を考えたときの原子の積み重なりの違いにより、200種類以上の結晶多形(ポリタイプ)が存在する。これらの結晶多形の中で、4H型炭化珪素は、電子移動度、バンドギャップ、絶縁破壊電界が他の結晶多形よりも大きい。従って、最も利用価値が高い。ところが、4H型炭化珪素は、結晶成長時における発生確率が低く、且つ安定して成長させることが難しい。 Silicon carbide (SiC) has a large thermal conductivity, a low dielectric constant, a wide band gap, and has thermally and mechanically stable characteristics. Therefore, a semiconductor element using silicon carbide has higher performance than a semiconductor element using conventional silicon. The range of use is expected to be environment-resistant device materials, radiation-resistant device materials, power device materials for power control, high-frequency device materials, etc. used in high-temperature environments. This silicon carbide crystal has more than 200 types of crystal polymorphs (polytypes) due to the difference in stacking of atoms when considering a close packed structure of silicon (Si) and carbon (C) atomic unit layers. Among these crystal polymorphs, 4H-type silicon carbide has a higher electron mobility, band gap, and breakdown electric field than other crystal polymorphs. Therefore, it has the highest utility value. However, 4H-type silicon carbide has a low probability of occurrence during crystal growth and is difficult to grow stably.
一方、炭化珪素単結晶の成長方法としては、昇華法(改良レーリー法)が知られている。これは炭化珪素原料を加熱昇華させ、この炭化珪素原料に対向させて配置した炭化珪素種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる方法である。しかし、前述のように4H型炭化珪素は発生確率が低いので、昇華法においても4H型炭化珪素が成長する確率が低いという問題があった。 On the other hand, a sublimation method (modified Rayleigh method) is known as a method for growing a silicon carbide single crystal. In this method, a silicon carbide raw material is heated and sublimated, and a silicon carbide single crystal is grown on a silicon carbide seed crystal substrate disposed to face the silicon carbide raw material. However, as described above, since the generation probability of 4H type silicon carbide is low, there is a problem that the probability of growth of 4H type silicon carbide is low even in the sublimation method.
そのため、4H型炭化珪素を成長させる方法が、幾つか提案されている。例えば、種結晶基板上に、高濃度(3×1018〜6×1020atoms/cm3)の窒素を添加した3mm以下の4H型バッファー層を形成し、その後、所望のキャリア密度の4H型炭化珪素を成長させる方法が開示されている(特許文献1)。また、別の方法として、シリコン単結晶基板上に不純物として第3の元素をドーピングして3C型炭化珪素を成長させ、その後、シリコン基板を除去し、2000℃以上の熱処理を行い、4H型炭化珪素単結晶を製造する方法が開示されている(特許文献2)。さらには、成長初期に、種結晶基板上に成長する炭化珪素に低濃度のスカンジウムをドーピングすることが4H型SiC単結晶の成長に有効であるとの報告がある。
しかしながら特許文献1の発明においては、成長初期に3mm以下のバッファー層を作成する工程が余分に必要であり、製造プロセスのコスト増加を招く。
However, in the invention of
また、特許文献2の発明では、シリコン単結晶基板を用いているが、シリコンの融点が1414℃であるため、炭化珪素原料を昇華させるために2000℃以上の加熱が必要な昇華法は用いることができない。従って、1400℃程度でシラン(SiH4)とプロパン(C3H8)を反応させて種結晶基板上に炭化珪素の結晶成長を行う公知のCVD法(化学気相成長法)を用いなければならない。しかし、CVD法による炭化珪素の結晶成長速度は、数μm/hour程度であり、数100μm/hour以上の結晶成長速度が得られる昇華法に比べて非常に遅く、所望の膜厚(約20μm)の炭化珪素を得るために非常に長時間の結晶成長を行う必要がある。更に、その後に行うシリコン単結晶基板を除去する工程、及び2000℃以上の熱処理を行う工程が余分に必要であり、製造プロセスのコスト増加を招く。更に、この方法により得られた4H型炭化珪素単結晶膜を種結晶として用いて、昇華法により成長を行っても、4H型炭化珪素の発生確率が、炭化珪素の他の結晶多形に比べて低いため、4H型炭化珪素単結晶は安定して成長しない。
In the invention of
また、非特許文献1では、昇華法を用いた炭化珪素単結晶の成長の際に、必要な成長条件や炭化珪素原料にドープすべきスカンジウムの添加量を明示しておらず、概念的な手法を示唆しているだけである。
In addition, Non-Patent
本発明は、上記のような実状を鑑みてなされたものであり、昇華法において、結晶品質の良い4H型炭化珪素を簡便に安定して成長する方法を提供することが目的である。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for easily and stably growing 4H-type silicon carbide having good crystal quality in the sublimation method.
本発明の炭化珪素単結晶製造装置は、炭化珪素単結晶を成長させるための原料を坩堝内に収容し、前記原料に対向する位置に種結晶を固定する種結晶固定部を前記坩堝内に持ち、上記原料を加熱昇華させて上記種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造装置において、前記原料にスカンジウムを2.0から3.5重量%添加したことを特徴としたものである。 The silicon carbide single crystal manufacturing apparatus of the present invention contains a raw material for growing a silicon carbide single crystal in a crucible, and has a seed crystal fixing portion in the crucible for fixing a seed crystal at a position facing the raw material. A silicon carbide single crystal manufacturing apparatus for growing a silicon carbide single crystal on the seed crystal by heating and sublimating the raw material, wherein scandium is added to the raw material in an amount of 2.0 to 3.5% by weight. It is.
本発明の炭化珪素単結晶の成長方法によれば、他の結晶多形が混入すること無く、結晶性の良い4H型炭化珪素を、安定して成長させることができる。なお、特許文献1の課題に、重金属不純物を結晶に添加することはデバイス作成の観点から好ましくないとの記載があるが、スカンジウムは炭化珪素の結晶にほとんど取り込まれないので(半導体SiC技術と応用:松波弘之編著,日刊工業新聞社,ISBN4−526−05096−2に記載)、添加されたスカンジウムが、リーク電流の原因となりデバイス特性を劣化させることは無い。
According to the method for growing a silicon carbide single crystal of the present invention, 4H type silicon carbide having good crystallinity can be stably grown without mixing other crystal polymorphs. In addition, although the subject of
以下に、本発明の炭化珪素単結晶の成長方法の実施の形態を図面と共に詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a method for growing a silicon carbide single crystal of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の炭化珪素単結晶の成長に用いる成長装置の概略図である。坩堝1内にスカンジウムを添加した炭化珪素原料2を収容し、坩堝上蓋3内側の凸部に種結晶基板4を固定する。この単結晶基板の成長面には、4H型炭化珪素結晶の(000−1)カーボン面を用いる。もし、成長面に(0001)シリコン面を用いると、6H型炭化珪素の成長が支配的で、4H型炭化珪素の成長が全く見られないためである。このため、4H型炭化珪素単結晶の成長を行う場合、種結晶基板の成長面には、(000−1)カーボン面を用いる必要がある。
FIG. 1 is a schematic view of a growth apparatus used for growing a silicon carbide single crystal of the present invention. The silicon carbide
前記炭化珪素原料2を収容する前記坩堝1は、炭化珪素の昇華に必要な2000℃以上の温度を用いる。従って、その温度に耐える材質でなければならず、例えば黒鉛製の坩堝が用いられる。また、温度の4乗に比例して輻射熱が失われるため、2000℃以上の高温では、坩堝1および坩堝上蓋3を断熱材5で覆う必要がある。この断熱材5で覆った坩堝1及び坩堝上蓋3を、石英製の反応管6内に配置する。この反応管6は、二重管構造になっており、結晶成長中には、冷却水7を流して冷却している。また反応管6の上部にガス導入口8が、下部にはガス排気口9が設けられている。
The
その後、反応管6内部を不活性ガスで置換するが、不活性ガスは、コスト、高純度などの面から、アルゴン(Ar)が適している。この不活性ガス置換は、まずガス排気口9から反応管6内を高真空排気し、その後、ガス導入口8から不活性ガスを常圧まで充填する。反応管6内部を十分にアルゴンガス置換するために、この工程を数回繰り返した方が良い。
Thereafter, the inside of the
その後、反応管6の周囲にらせん状に巻かれたコイル10に高周波電流を流すことにより、坩堝1および坩堝上蓋3を高周波加熱し昇温する。昇温時には、反応管6内部は、数10kPa程度の圧力にしておく必要がある。これは、低温時(所望の結晶成長温度以下)における炭化珪素原料2の昇華を防ぎ、結晶成長を開始させないようにするためである。
Thereafter, by applying a high-frequency current to the
加熱時の温度制御は、反応管6上下部に設けられている石英製の温度測定用窓11、及び断熱材5の上下部に設けられた温度測定用の穴を通して、放射温度計12で、坩堝1下部の中心点(図1中のA点)、及び坩堝上蓋3上部の中心点(図1中のB点)の温度を測定し、高周波電源(図示せず)にフィードバックをかけ、コイル10に流す高周波電流を制御して行っている。このようにして、所望の温度まで昇温した後、徐々に圧力を下げて結晶成長を開始させる。
The temperature control at the time of heating is performed by a
炭化珪素の結晶成長速度は、炭化珪素原料2の温度(坩堝下部温度に比例する)、坩堝内の温度勾配および成長圧力により決まる。炭化珪素原料2の温度と坩堝内の温度勾配が大きく、且つ、成長圧力が低いほど成長速度が速くなる。しかし、成長速度が速過ぎると、成長する炭化珪素単結晶の結晶性は悪くなる。反対に、成長速度が遅くなると、結晶性は良いが成長が遅くなり、工業的な実用性は無い。従って、成長速度は、0.1〜1.0mm/hourの範囲内にするのが好ましい。また、結晶成長中の成長圧力は0.6〜4.0kPa、坩堝1下部温度は2200〜2350℃、坩堝内の温度勾配は5〜15℃/cmの範囲が良い。
The crystal growth rate of silicon carbide is determined by the temperature of the silicon carbide raw material 2 (proportional to the crucible lower temperature), the temperature gradient in the crucible, and the growth pressure. The growth rate increases as the temperature of the silicon carbide
坩堝内の温度勾配は、坩堝1下部中心点Aと坩堝上蓋3上部中心点Bの温度から次のように定義している。
The temperature gradient in the crucible is defined as follows from the temperatures of the
坩堝内の温度勾配=(A点の温度−B点の温度)÷坩堝の高さ
炭化珪素単結晶の成長終了時は、成長開始時とは逆の手順を行う。すなわち、反応管6内の圧力を数10kPaまで徐々に昇圧して、炭化珪素原料2からの原料の昇華を止め、その後、坩堝1下部温度を常温までゆっくりと降温する。
Temperature gradient in crucible = (temperature of point A−temperature of point B) ÷ crucible height At the end of the growth of the silicon carbide single crystal, the reverse procedure to that at the start of growth is performed. That is, the pressure in the
以上の装置を用いた本発明のより具体的な実施例を、図1を用いて説明する。まず、坩堝1内にスカンジウムを0〜4.0重量%添加した9種類の炭化珪素原料2(試料1〜9)を入れ、該炭化珪素原料2に対向するように坩堝上蓋3内側の凸部に種結晶基板4を固定した。該単結晶基板4の結晶成長面には、4H型炭化珪素の(000−1)カーボン面を用いた。その後、前記炭化珪素原料2及び種結晶基板4を配置した坩堝1及び坩堝上蓋3を断熱材5で覆い、石英製の反応管6内に配置した。
A more specific embodiment of the present invention using the above apparatus will be described with reference to FIG. First, nine kinds of silicon carbide raw materials 2 (
然る後、ガス排気口9からロータリーポンプ及びターボ分子ポンプを用いて、反応管6内部を、10-7kPa台まで高真空排気を行い、その後、ガス導入口8からアルゴンガスを常圧まで充填した。反応管6内部のアルゴンガス置換を十分に行うために、この工程を3回繰り返し、最後のアルゴンガス導入の際に、反応管6内部の圧力を80KPaに調整した。
Thereafter, the inside of the
その後、反応管6の周囲にらせん状に巻かれたコイル10に高周波電流を流すことにより、坩堝1及び坩堝上蓋3の加熱を行った。加熱時の温度制御は、反応管6上下部に設けられている石英製の温度測定用窓11、及び断熱材5の上下部に設けられた温度測定用の穴を通して、放射温度計12で、坩堝1下部の中心点(図1中のA点)、及び坩堝上蓋3上部の中心点(図1中のB点)の温度を測定し、高周波電源(図示せず)にフィードバックをかけ、コイル10に流す高周波電流を制御して行った。
Thereafter, the
このようにして、坩堝1下部中心点Aの温度を常温から2250℃まで2時間30分かけて、ゆっくりと昇温し、その後、反応管内の圧力を80kPaから4kPaまで1時間かけて減圧して結晶成長を開始させた。この際、坩堝内の温度勾配を10℃/cmとなるようにコイル10と坩堝1の位置を調整してある。この状態で40時間の結晶成長を行った。
In this way, the temperature at the lower center point A of the
成長終了時は、成長開始時とは逆に、反応管6内の圧力を80kPaまで1時間かけて昇圧して、炭化珪素原料2からの原料の昇華を止め、その後、常温までゆっくりと冷却した。
At the end of growth, contrary to the start of growth, the pressure in the
上記のようにして、得られた炭化珪素単結晶の結晶多形をラマン分光法で測定し判別した。その結果を表1に示す。
As described above, the polymorphism of the obtained silicon carbide single crystal was measured and determined by Raman spectroscopy. The results are shown in Table 1.
表1の結果より明らかなように、試料1の炭化珪素原料2を用いた場合は、全て6H型の炭化珪素単結晶が得られた。また、試料2〜4の炭化珪素原料2を用いた場合は、4H型と6H型が混在した炭化珪素単結晶が得られた。試料5〜8の炭化珪素原料2を用いた場合は、全て4H型の炭化珪素単結晶が得られた。試料9の炭化珪素原料2を用いた場合には、4H型の炭化珪素結晶が得られたが、多結晶のものが混在し、全てが単結晶となり良質な炭化珪素結晶は得られなかった。
As is clear from the results in Table 1, when the silicon carbide
以上の結果から、結晶性の良い4H型炭化珪素単結晶を成長させるためには、前記炭化珪素原料2へ2.0〜3.5重量%の範囲でスカンジウムを添加すれば良いことが分かる。
From the above results, it is understood that scandium may be added to the silicon carbide
本発明にかかる炭化珪素単結晶製造装置は、余分な工程を追加することなく、4H型の炭化珪素単結晶を選択的に製造できる製造装置として有用である。 The silicon carbide single crystal manufacturing apparatus according to the present invention is useful as a manufacturing apparatus capable of selectively manufacturing a 4H type silicon carbide single crystal without adding an extra step.
1 坩堝
2 炭化珪素原料
3 坩堝上蓋
4 種結晶基板
5 断熱材
6 反応管
7 冷却水
8 ガス導入口
9 ガス排気口
10 コイル
11 温度測定用窓
12 放射温度計
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