JP2006124246A - 炭化珪素単結晶の製造方法および炭化珪素基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 効率的に高抵抗率のＳｉＣ単結晶を製造することができるＳｉＣ単結晶の製造方法とその方法により得られた高抵抗率のＳｉＣ基板を提供する。
【解決手段】 シリコンを含む材料と炭素を含む材料とから炭化珪素単結晶を製造する炭化珪素単結晶の製造方法であって、シリコンを含む材料および炭素を含む材料の少なくとも一方に遷移金属を添加する工程と、シリコンを含む材料および炭素を含む材料を加熱してシリコンと炭素とを含むガスを生成する工程と、シリコンと炭素とを再結晶させる工程とを含む炭化珪素単結晶の製造方法である。また、この製造方法により得られたＳｉＣ単結晶を所定の厚みに切断して得られたＳｉＣ基板である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶の製造方法とその方法により得られたＳｉＣ基板に関する。

ＳｉＣはシリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とからなる化合物であるが、ＳｉＣはＳｉに比べてバンドギャップが約３倍、絶縁破壊電圧が約１０倍、電子飽和速度が約２倍、さらに熱伝導率が約３倍大きく、Ｓｉにない特性を有している。また、ＳｉＣは熱的かつ化学的に安定な半導体材料であり、これらの特性を生かして、近年ではＳｉデバイスの物理的な限界を打破するパワーデバイスや高温で動作する耐環境デバイスなどへの応用が期待されている。

一方、光デバイス研究においては短波長化を目指した窒化ガリウム（ＧａＮ）系の材料開発がなされているが、ＳｉＣはＧａＮに対する格子不整合が他の化合物半導体に比べて格段に小さいので、ＳｉＣをＧａＮ層のエピタキシャル成長用の基板として用いることが注目されている。

半導体デバイス分野においては、使用目的に応じて半導体デバイスの製造に用いられる基板の電気伝導特性を制御する必要がある。例えば、半導体レーザ用の基板としては低抵抗率の基板が必要とされ、高周波デバイス用の基板としては寄生容量低減および素子分離等の理由から高抵抗率の基板が必要とされている。

特許文献１には、従来の高抵抗率のＳｉＣ基板の製造方法が開示されている。この方法においては、二酸化珪素と黒鉛からなる混合材料に高純度バナジウムを添加して高温炉で反応させることによってバナジウム添加ＳｉＣ結晶を製造し、このバナジウム添加ＳｉＣ結晶から、改良レーリー法を用いて、ＳｉＣ単結晶が製造される。そして、このＳｉＣ単結晶を所定の厚みに切り出して高抵抗率のＳｉＣ基板が製造される。

しかしながら、この方法においては、バナジウム添加ＳｉＣ結晶を製造する工程において、高純度バナジウムが添加された二酸化珪素と黒鉛とからなる混合材料を２０００℃以上の高温で３０時間以上加熱する必要がある。そして、このように加熱された混合原料は改良レーリー法において再度２０００℃以上に加熱される。それゆえ、この方法においては、大量のエネルギを消費し、また、製造コストも増大するため、効率的にＳｉＣ単結晶を製造することができないという問題があった。
特開２００３−１０４７９８号公報

本発明の目的は、効率的に高抵抗率のＳｉＣ単結晶を製造することができるＳｉＣ単結晶の製造方法とその方法により得られた高抵抗率のＳｉＣ基板を提供することにある。

本発明は、Ｓｉを含む材料とＣを含む材料とからＳｉＣ単結晶を製造するＳｉＣ単結晶の製造方法であって、Ｓｉを含む材料およびＣを含む材料の少なくとも一方に遷移金属を添加する工程と、Ｓｉを含む材料およびＣを含む材料を加熱してＳｉとＣとを含むガスを生成する工程と、ＳｉとＣとを再結晶させる工程とを含むＳｉＣ単結晶の製造方法である。

ここで、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法において、上記遷移金属は、バナジウムであることが好ましい。

また、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法において、上記ガスは、Ｓｉを含む材料とＣを含む材料とを混合した後に加熱することによって生成され得る。

また、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法において、上記ガスは、Ｓｉを含む材料を加熱して得られたＳｉを含むガスと、Ｃを含む材料を加熱して得られたＣを含むガスとを混合することによって生成され得る。

また、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法においては、上記遷移金属の物質量が、Ｓｉの物質量の０．０４％以上０．４％以下であることが好ましい。

さらに、本発明は、上記のＳｉＣ単結晶の製造方法により得られたＳｉＣ単結晶を所定の厚みに切断することによって得られたＳｉＣ基板である。

また、本発明のＳｉＣ基板中の上記遷移金属の含有量が１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³以上１．０×１０¹⁹個／ｃｍ³以下であることが好ましい。

また、本発明のＳｉＣ基板は、半導体デバイス用の基板として用いられることが好ましい。

本発明によれば、効率的に高抵抗率のＳｉＣ単結晶を製造することができ、また、そのＳｉＣ単結晶を所定の厚みに切断することによって高抵抗率のＳｉＣ基板を効率的に得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

（実施の形態１）
図１に、本実施の形態のＳｉＣ単結晶の製造方法のフローチャートを示す。図１を参照して、本実施の形態の概要について説明する。最初に、ステップＳ１においてＳｉを含む材料である固形の二酸化珪素粉末（ＳｉＯ₂粉末）中に遷移金属としての固形の金属バナジウム粉末が添加される。次に、ステップＳ２において、金属バナジウム粉末が添加された後のＳｉＯ₂粉末と、固形の黒鉛粉末とを混合する。そして、ステップＳ３において、これらの混合した材料を加熱して気化させてＳｉとＣとを含むガスを生成する。最後に、ステップＳ４において、ＳｉとＣとを含むガスを再結晶させることによってＳｉＣ単結晶を成長させて、ＳｉＣ単結晶が製造される。

図２には、本発明に用いられるＳｉＣ単結晶成長装置の好ましい一例の模式的な断面図が示されている。この成長装置５は、石英管６の内部に設置された黒鉛製の坩堝７と、坩堝７の上端開口部を閉鎖する蓋８と、坩堝７と蓋８の周囲に設置された熱シールドのための黒鉛製のフェルト９と、石英管６の外周を取り巻くように設置されたワークコイル１０とを含む。そして、ＳｉＣからなる種結晶基板１が蓋８の下面中央に取り付けられている。

この成長装置５の坩堝７内には、金属バナジウム粉末が添加されたＳｉＯ₂粉末と黒鉛粉末とを混合して得られた原料２が導入される。そして、この原料２が導入された後、坩堝７の内部をアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気とし、ワークコイル１０に高周波電流を流すことによって種結晶基板１および原料２が例えば２０００℃以上に加熱される。そして、坩堝７の内部を減圧して原料２を昇華させることにより原料２が気化して原料２の昇華ガス１１が発生する。この原料２の昇華ガス１１には、ＳｉとＣの他に、バナジウムが含まれている。

ここで、上記加熱は、原料２が充填されている坩堝７の下部側から種結晶基板１がある坩堝７の上部側にかけて次第に低温となるように温度勾配をつけて行われているため、種結晶基板１の表面近傍に到達した原料２の昇華ガス１１は、種結晶基板１の表面で過飽和状態となって種結晶基板１上で再結晶し、種結晶基板１上にバナジウムを含有するＳｉＣ単結晶２ａが成長して、ＳｉＣ単結晶インゴッド３が得られる。

そして、ＳｉＣ単結晶インゴッド３を成長装置５から取り出した後、任意の厚みに切断することによって、図３の模式的斜視図に示すＳｉＣ基板４を得ることができる。

このＳｉＣ基板４上に半導体層が積層等されてダイオード、トランジスタまたはサイリスタ等の半導体デバイスが作製される。

ここで、ＳｉＣ基板４中におけるバナジウムの含有量が、１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³以上１．０×１０¹⁹個／ｃｍ³以下であることが好ましい。バナジウムの含有量が１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³未満である場合にはＳｉＣ基板４中におけるバナジウムの含有量が少なすぎてＳｉＣ基板４が高抵抗率を示さない傾向にあり、バナジウムの含有量が１．０×１０¹⁹個／ｃｍ³よりも多い場合にはＳｉＣ基板４中におけるバナジウムの含有量が多すぎてＳｉＣ基板４中の欠陥数が増加してＳｉＣの特性が悪化する傾向にある。

また、Ｓｉを含む材料であるＳｉＯ₂粉末中に添加されるバナジウムの物質量が、ＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．０４％以上０．４％以下であることが好ましい。添加されるバナジウムの物質量がＳｉの物質量の０．０４％未満である場合にはバナジウムの添加量が少なすぎてＳｉＣ基板が高抵抗率を示さない傾向にあり、添加されるバナジウムの物質量がＳｉの物質量の０．４％よりも多い場合にはバナジウムの添加量が多すぎてＳｉＣ基板４中の欠陥数が増加してＳｉＣの特性が悪化する傾向にある。

このように本発明においてはＳｉＣ単結晶の原料を加熱する機会は１回であるため、製造工程の短縮化を図ることができる。それゆえ、本発明においては、消費エネルギおよび製造コストの観点から効率的にＳｉＣ単結晶およびＳｉＣ基板を製造することができるのである。

（実施の形態２）
図４に、本実施の形態のＳｉＣ単結晶の製造方法のフローチャートを示す。図４を参照して、本実施の形態の概要について説明する。最初に、ステップＳ１においてＳｉを含む材料である固形のＳｉＯ₂粉末中に固形の金属バナジウム粉末が添加される。次に、ステップＳ２において、金属バナジウム粉末が添加された後のＳｉＯ₂粉末と、固形の黒鉛粉末とをそれぞれ別々に加熱することによってＳｉを含むガスと、Ｃを含むガスとを別々に生成する。そして、ステップＳ３において、Ｓｉを含むガスとＣを含むガスとを容器内に別々に導入して混合し、ＳｉとＣとを含むガスを生成する。最後に、ステップＳ４において、ＳｉとＣとを含むガスを再結晶させることによってＳｉＣ単結晶を成長させて、ＳｉＣ単結晶が製造される。

図５には、本発明に用いられるＳｉＣ単結晶成長装置の好ましい他の例の模式的な断面図が示されている。この成長装置５においては、坩堝７の内部とガス導入管１４ａ、１４ｂによってそれぞれ連結されている加熱室１２、１３が設置されていることに特徴がある。

この加熱室１２には金属バナジウム粉末が添加されたＳｉＯ₂粉末１５が導入されており、加熱室１３には黒鉛粉末１６が導入されている。そして、加熱室１２、１３において、金属バナジウム粉末が添加されたＳｉＯ₂粉末１５および黒鉛粉末１６がそれぞれ同時に加熱されて、Ｓｉを含む昇華ガス１１ａ、Ｃを含む昇華ガス１１ｂが生成し、昇華ガス１１ａ、１１ｂがガス導入管１４ａ、１４ｂをそれぞれ通過して別々に坩堝７の内部に導入されることによって、ＳｉとＣとを含むガスが生成される。

ここで、ワークコイル１０に高周波電流を流すことによって坩堝７の内部と種結晶基板１とは例えば２０００℃以上に加熱される。また、加熱室１２、１３が連結されている坩堝７の下部側から種結晶基板１がある坩堝７の上部側にかけて次第に低温となるように温度勾配をつけて加熱されているため、種結晶基板１の表面近傍に到達したＳｉとＣとを含むガスは、種結晶基板１の表面で過飽和状態となって種結晶基板１上で再結晶し、種結晶基板１上にＳｉＣ単結晶２ａがバルク成長して、ＳｉＣ単結晶インゴッド３が得られる。

そして、ＳｉＣ単結晶インゴッド３を成長装置５から取り出した後、任意の厚みに切断することによって、実施の形態１と同様にＳｉＣ基板を得ることができる。

（その他）
上記実施の形態においては、金属バナジウム粉末をＳｉＯ₂粉末中に添加したが、金属バナジウム粉末を黒鉛粉末のみに添加してもよく、ＳｉＯ₂粉末と黒鉛粉末の双方に添加してもよい。

また、上記実施の形態においては、遷移金属としてバナジウムを添加したが、チタン等を添加してもよい。

（実施例１）
図２に示す成長装置５の坩堝７内に、金属バナジウム粉末を添加したＳｉＯ₂粉末と黒鉛粉末とを混合した原料２を導入した。ここで、金属バナジウム粉末はバナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．４％となるように添加した。

そして、坩堝７内に原料２を導入した後、坩堝７の内部を１．０×１０⁵Ｐａのアルゴンガス雰囲気とし、ワークコイル１０に高周波電流を流すことによって種結晶基板１を２０００℃、原料２を２３００℃に加熱した。そして、坩堝７の内部を５．０×１０⁴Ｐａまで減圧して原料２を昇華させた後、種結晶基板１上で再結晶させて、種結晶基板１上にバナジウムを含有するＳｉＣ単結晶２ａをバルク成長させて、ＳｉＣ単結晶インゴッド３を得た。

そして、ＳｉＣ単結晶インゴッド３を成長装置５から取り出した後、任意の厚みに切断することによって、ＳｉＣ基板（厚さ４００μｍ、口径２インチ）を製造した。このＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量と抵抗率（２５℃）を表１に示す。

表１に示すように、実施例１のＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量は１．０×１０¹⁹個／ｃｍ³であって、抵抗率（２５℃）は１．０×１０¹⁰Ω・ｃｍであった。

（実施例２）
バナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．０４％となるように金属バナジウム粉末を添加したこと以外は実施例１と同様にして、ＳｉＣ基板（厚さ４００μｍ、口径２インチ）を製造した。このＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量と抵抗率（２５℃）を表１に示す。

表１に示すように、実施例２のＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量は１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³であって、抵抗率（２５℃）は１．０×１０⁹Ω・ｃｍであった。

（実施例３）
バナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．０３％となるように金属バナジウム粉末を添加したこと以外は実施例１と同様にして、ＳｉＣ基板（厚さ４００μｍ、口径２インチ）を製造した。このＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量と抵抗率（２５℃）を表１に示す。

表１に示すように、実施例３のＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量は７．５×１０¹⁶個／ｃｍ³であって、抵抗率（２５℃）は１．０×１０³Ω・ｃｍであった。

（実施例４）
図５に示す成長装置５の加熱室１２に金属バナジウム粉末が添加されたＳｉＯ₂粉末１５を導入し、加熱室１３には黒鉛粉末１６を導入した。ここで、金属バナジウム粉末はバナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．４％となるように添加した。

続いて、加熱室１２、１３において、金属バナジウム粉末が添加されたＳｉＯ₂粉末１５および黒鉛粉末１６をそれぞれ同時に加熱して、Ｓｉとバナジウムとを含む昇華ガス１１ａ、Ｃを含む昇華ガス１１ｂを生成させて、それぞれの昇華ガス１１ａ、１１ｂを別々に坩堝７の内部に導入した。

そして、これらの昇華ガス１１ａ、１１ｂを種結晶基板１上で再結晶させて、種結晶基板１上にバナジウムを含有するＳｉＣ単結晶２ａをバルク成長させて、ＳｉＣ単結晶インゴッド３を得た。

そして、ＳｉＣ単結晶インゴッド３を成長装置５から取り出した後、任意の厚みに切断することによって、ＳｉＣ基板（厚さ４００μｍ、口径２インチ）を製造した。
このＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量と抵抗率（２５℃）を表１に示す。

表１に示すように、実施例４のＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量は１．０×１０¹⁹個／ｃｍ³であって、抵抗率（２５℃）は１．０×１０¹⁰Ω・ｃｍであった。

（実施例５）
バナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．０４％となるように金属バナジウム粉末を添加したこと以外は実施例５と同様にして、ＳｉＣ基板（厚さ４００μｍ、口径２インチ）を製造した。このＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量と抵抗率（２５℃）を表１に示す。

表１に示すように、実施例５のＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量は１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³であって、抵抗率（２５℃）は１．０×１０⁹Ω・ｃｍであった。

（実施例６）
バナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．０３％となるように金属バナジウム粉末を添加したこと以外は実施例５と同様にして、ＳｉＣ基板（厚さ４００μｍ、口径２インチ）を製造した。このＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量と抵抗率（２５℃）を表１に示す。

表１に示すように、実施例６のＳｉＣ基板中のバナジウムの含有量は７．５×１０¹⁶個／ｃｍ³であって、抵抗率（２５℃）は１．０×１０³Ω・ｃｍであった。

表１に示すように、バナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．０４％以上０．４％以下となるように金属バナジウム粉末を添加した実施例１および実施例２のＳｉＣ基板は、バナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．０３％となるように金属バナジウム粉末を添加した実施例３のＳｉＣ基板よりも高抵抗率を示した。

また、表１に示すように、バナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．０４％以上０．４％以下となるように金属バナジウム粉末を添加した実施例４および実施例５のＳｉＣ基板は、バナジウムの物質量がＳｉＯ₂粉末中のＳｉの物質量の０．０３％となるように金属バナジウム粉末を添加した実施例６のＳｉＣ基板よりも高抵抗率を示した。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

上述したように本発明によれば、高抵抗率を示すＳｉＣ単結晶とＳｉＣ基板とを効率的に製造することができる。本発明のＳｉＣ基板は高抵抗率を示すことから、本発明のＳｉＣ基板は、高周波デバイス、特にスイッチングダイオードまたはスイッチングトランジスタ等の動作周波数の高いスイッチング素子用の基板として好適に利用される。

本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法の好ましい一例のフローチャートである。 本発明において用いられるＳｉＣ単結晶成長装置の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明において製造されるＳｉＣ基板の好ましい一例の模式的な斜視図である。 本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法の好ましい他の例のフローチャートである。 本発明において用いられるＳｉＣ単結晶成長装置の好ましい他の例の模式的な断面図である。

符号の説明

１ 種結晶基板、２ 原料、２ａ ＳｉＣ単結晶、３ ＳｉＣ単結晶インゴッド、４ ＳｉＣ基板、５ 成長装置、６ 石英管、７ 坩堝、８ 蓋、９ フェルト、１０ ワークコイル、１１，１１ａ，１１ｂ 昇華ガス、１２，１３ 加熱室、１４ａ，１４ｂ ガス導入管、１５ ＳｉＯ₂粉末、１６ 黒鉛粉末。

Claims (8)

1. シリコンを含む材料と炭素を含む材料とから炭化珪素単結晶を製造する炭化珪素単結晶の製造方法であって、前記シリコンを含む材料および前記炭素を含む材料の少なくとも一方に遷移金属を添加する工程と、前記シリコンを含む材料および前記炭素を含む材料を加熱して前記シリコンと前記炭素とを含むガスを生成する工程と、前記シリコンと前記炭素とを再結晶させる工程とを含む、炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 前記遷移金属は、バナジウムであることを特徴とする、請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
3. 前記ガスは、前記シリコンを含む材料と前記炭素を含む材料とを混合した後に加熱することによって生成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
4. 前記ガスは、前記シリコンを含む材料を加熱して得られたシリコンを含むガスと、前記炭素を含む材料を加熱して得られた炭素を含むガスとを混合することによって生成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
5. 前記遷移金属の物質量が、前記シリコンの物質量の０．０４％以上０．４％以下であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法により得られた炭化珪素単結晶を所定の厚みに切断することによって得られた、炭化珪素基板。
7. 前記遷移金属の含有量が、１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³以上１．０×１０¹⁹個／ｃｍ³以下であることを特徴とする、請求項６に記載の炭化珪素基板。
8. 半導体デバイス用の基板として用いられることを特徴とする、請求項６または７に記載の炭化珪素基板。

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