JP2007176718A - 炭化珪素単結晶の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種結晶に存在する欠陥や歪みの伝播を抑制することにより高品質な単結晶を得ることが可能となる、炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】欠陥や歪みが多く存在する種結晶の側面及び外縁部を昇華エッチングして前記種結晶の口径を縮小する工程と、口径が縮小された前記種結晶を、所望の大きさにまで口径拡大する単結晶成長工程を順次実施することにより、種結晶外縁部に起因する欠陥や歪みの発生や伝播を抑制して単結晶成長させることができ、高品質な炭化珪素単結晶を製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素単結晶の製造方法と、炭化珪素単結晶製造に用いられる製造装置に関する。

炭化珪素は禁制帯幅の広い半導体であり、優れた物理的及び化学的性質を有することから、高出力や高温動作が可能なデバイスや高周波デバイス作製用の半導体基板材料として注目されており、高品質かつ大型の炭化珪素単結晶基板の開発が求められている。炭化珪素には結晶多形が様々あるが、特に注目されている六方晶形の単結晶の製造においては、昇華再結晶法（Ｊ．Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ ４３（１９７８）２０９に記載）を用いるのが一般的である。

図３は、昇華再結晶法を用いた炭化珪素単結晶製造装置の一例である（以下「従来技術１」という。）。種結晶３は坩堝蓋１から坩堝６内部へと突出させた台座２に設置されている。この坩堝６は減圧下でアルゴン等の不活性ガス雰囲気中、２０００〜２４００℃で加熱される。この際、原料粉末７に比べて種結晶３がやや低温となるように温度勾配が設定される。昇華された原料は、やや低温となっている種結晶３が設置された方向へと拡散、輸送される。拡散、輸送された昇華ガスが種結晶３上で再結晶化することによって単結晶８が得られる。通常、単結晶８の成長時には多結晶９も同時に坩堝蓋１等に析出してしまうが、単結晶８と多結晶９が接触すると、その界面から単結晶８の内部へと歪みが導入され、欠陥も発生することは周知の事実である。従来技術１では、種結晶３が坩堝内部へと突出した台座２上に設置されているため、種結晶３上に成長する単結晶８と、台座２周辺に析出する多結晶９とが接触するタイミングをかなり遅らせることができ、単結晶８が多結晶９に接することで生じる、結晶品質の低下をある程度防止することが可能である。

従来技術１に記載の、単結晶と多結晶の分離成長技術以外にも、単結晶品質の向上のために様々な取り組みがなされている。その一つに、種絞り（ネッキング）法が挙げられる。ネッキング法とは、成長の初期段階において、種結晶よりも口径を一旦細く絞って成長させた後、再び口径を拡大させる単結晶成長方法であり、シリコン単結晶インゴットの製造で一般的に行われている手法である。炭化珪素単結晶の製造においても、図４に示すような製造装置を用いれば適用可能である（例えば、特許文献１参照。）。種結晶３の近傍の坩堝６の内壁には、最適なネッキングを行うためのガイド部５が形成されている。単結晶８は、成長の初期段階において種結晶３の口径よりも一旦細く絞られ、その後引き続き行われる成長において口径は拡大される。成長初期に発生した欠陥などは細く絞られた部分で抑制されるため、高品質の炭化珪素単結晶を得ることができる（以下「従来技術２」という。）。

さらには、単結晶内の欠陥や転位が、軸方向（縦方向）には容易に伝播してしまうが、横方向に成長した場合には伝播及び発生しづらいという性質を用いた高品質化技術も提案されている（以下「従来技術３」という。）。図５は、従来技術３で用いられる炭化珪素単結晶製造装置の一例である。坩堝６の内部に形成されたガイド部５によって、成長初期段階では通常の縦方向の成長よりも横方向成長を促進し（第１の成長段階）、単結晶８を所望の口径にまで大きく拡大する。第１の成長段階に続く第２の成長段階では、坩堝６の内壁の形状によって横方向成長を抑制し、通常の縦方向の成長を促進させている。（例えば、特許文献２参照。）。第１の成長段階で、単結晶８内部の欠陥や転位の伝播及び発生が抑制されるので結晶品質は向上し、第２の成長段階では高品質な結晶状態を維持させている。
特開平５−３１９９９８号公報 特表２００３−５２３９１８号公報

しかしながら、従来技術１において、短時間の成長であれば多結晶９と単結晶８の接触は回避できるが、成長を長く続けるに従い、いずれは図３に示すように多結晶９と単結晶８は接触してしまうので、単結晶８を高品質な状態を保ちつつ長尺化を図ることが困難であるという課題があった。

また、従来技術２において、欠陥や歪みなどは、ネッキングされることで抑制されるので、高品質な単結晶基板が得られるのはネッキング後の成長結晶であるが、ネッキングによって一旦細く絞り込まれてしまうと、もとの種結晶口径にまで復元することさえ容易ではなく、種結晶口径以上に拡大することは極めて困難であり、例え高品質化が行えても、種結晶と同等の口径以上の単結晶基板を得ることが難しい。さらに、ネッキング段階では、単結晶の成長表面積が徐々に減少することにより、昇華した原料が単結晶として析出する割合も徐々に減少してしまい、坩堝内壁へ多結晶として析出する方が優勢となって単結晶の成長効率が悪くなってしまうだけでなく、単結晶と多結晶も一体化しやすい傾向となるため、両者を分離して成長することは容易ではないという課題を有していた。

一方、従来技術３では、横方向成長を優勢とすることで縦方向に伸びる欠陥の伝播や発生をかなり抑制できる。しかしながら、種結晶の、特に種結晶側面と側面近傍の種結晶（以下、種結晶外縁部と呼ぶ。）には、欠陥や歪みが多く存在し、加工によるダメージも受けているが、この種結晶外縁部には縦方向の欠陥だけでなく、種結晶外縁部から種結晶の中心部へと向かう横方向の欠陥も多く存在する。このような、種結晶外縁部から種結晶中心部へと向かう横方向の欠陥に関しては、従来技術３を持ってしても、成長結晶中への伝播を抑制することは困難である。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、欠陥の発生を防止し、単結晶と多結晶が分離した状態を保ち、さらには種結晶に起因する欠陥や歪みが単結晶中へと伝播することを抑制して成長させることにより、高品質な炭化珪素単結晶が得られる製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の炭化珪素単結晶製造装置は、炭化珪素原材料を加熱昇華させ、炭化珪素単結晶からなる種結晶上に供給し、この炭化珪素結晶上に炭化珪素を成長させる炭化珪素製造装置において、
単結晶成長用坩堝容器内の蓋部に種結晶を配置するための第１の口径ｄの円柱形状の台座と、
前記台座に第１の口径ｄより大きい第２の口径Ａの略円柱形状若しくは多角形柱形状の炭化珪素種結晶を配置し、当該種結晶に対し所定の距離離して前記種結晶面に対抗する開口部を有する突起状のガイド部と、を備え、
前記ガイド部は、前記蓋部に対抗し前記台座と所定の距離ｈだけ離間する平面部と前記炭化珪素種結晶の厚みｔの方向と所定の角度θをなす円錐状部を有し、前記炭化珪素原材料を加熱昇華し炭化珪素成長させる際に、炭化珪素種結晶を口径縮小して成長した後に、前記ガイド部の円錐状部に沿って口径拡大して成長さすことを特徴としたものである。

また、本発明の炭化珪素単結晶製造方法は、炭化珪素原材料を加熱昇華させ、炭化珪素単結晶からなる種結晶上に供給し、この炭化珪素種結晶上に当該種結晶近傍に当該種結晶面に対抗する開口部と所定の角度をなす円錐状部を有する突起状のガイド部を介して炭化珪素を成長させる炭化珪素製造方法において、単結晶成長用坩堝容器内の蓋部に種結晶を配置するための第１の口径ｄの円柱形状の台座
に前記台座に第１の口径ｄより大きい第２の口径Ａの略円柱形状若しくは多角形柱形状の炭化珪素種結晶を配置し、
前記台座から水平方向にはみ出した前記種結晶外縁部を昇華エッチングし前記種結晶の口径を縮小して炭化珪素を成長し、
前記炭化珪素種結晶を口径縮小して成長した後に前記ガイド部の円錐状部に沿って口径拡大して成長さすことを特徴としたものである。

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法によれば、種結晶に起因する欠陥や歪みが単結晶中へと伝播することや、成長中の欠陥発生を抑制すると同時に、単結晶と多結晶を分離した状態で口径拡大させつつ成長させることができ、高品質な炭化珪素単結晶が得られる。

以下に、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の炭化珪素単結晶製造装置の構成を示したものである。図１（ａ）に示す装置は、坩堝６、坩堝蓋１、坩堝蓋１から下方へと突出した円柱形状の台座２、及びガイド部５で構成されている。台座２の口径（第１の口径）ｄよりも、種結晶口径（第２の口径Ａ）が大きくなるような種結晶３を用い、種結晶外縁部４が台座２から概ね均等にはみ出した状態となるように、種結晶３を台座２に設置する。ガイド部５の種結晶３側の開口部の口径である第３の口径Ｄと台座２の口径である第１の口径ｄの関係は、ｄ≦Ｄ≦ｄ＋２ｍｍ（好ましくはｄ＝Ｄ）、ガイド部５と台座２との距離ｈと種結晶３の厚みｔの関係は、ｔ＜ｈ≦ｔ＋１ｍｍ（好ましくはｔ＜ｈ≦ｔ＋０．５ｍｍ）、ガイド部５の傾斜角、即ち、種結晶３の厚み方法とのなす角度θは、１５°≦θ≦６０°である。この装置を、不活性ガス雰囲気、雰囲気圧力５〜１００Ｔｏｒｒ、坩堝下部温度を約２２００〜２３００℃、坩堝上部温度を約２０００〜２２００℃に加熱する。一般に、種結晶外縁部４は、加工ダメージや熱歪みなどの影響により、貫通欠陥および歪みや転位など欠陥密度の高い領域となっているので、その部分を取り除くことができれば、種結晶に潜在的に存在する欠陥は著しく低減されることになる。

台座２から水平方向にはみ出した部分の種結晶３は昇華エッチングされてしまうので、種結晶外縁部４が台座２から完全にはみ出すように種結晶３を設置すれば、欠陥密度の高い種結晶外縁部４は昇華エッチングによって取り除かれ、台座２と接している種結晶３上に高品質な炭化珪素単結晶８を成長させることができる。従って、種結晶外縁部４を取り除いた種結晶の領域が、第１の口径ｄ以上となるように台座２のサイズを選択することが好ましい。例えば、欠陥密度の高い種結晶外縁部４が種結晶３の外周から内側へ１ｍｍ幅以下の範囲である場合には、第２の口径Ａは、第１の口径ｄよりも２ｍｍ以上大きく、坩堝６内部に設置可能なサイズ以下であればかまわない。なお、種結晶は通常、円柱形状もしくは円柱形状に近い多角形柱状に成形されたものを用いるが、本発明によれば、台座２から水平方向にはみ出した部分の種結晶３は昇華エッチングされるため、第２の口径Ａ、厚みｔの円柱形状以上の大きさであれば、どのような形状であっても最終的に得られる結晶形状は同じものとなる。

図１（ｂ）は、好ましい条件である、ｄ＝Ｄ、ｔ＜ｈ≦ｔ＋０．５ｍｍ、１５°≦θ≦６０°として炭化珪素単結晶８を成長させた結果を詳細に示す断面図である。

炭化珪素の原料粉末７を昇華してガス化し、昇華ガスを種結晶３に接触させて再結晶させ種結晶表面１１上に炭化珪素単結晶を成長させていくものである。

種結晶外縁部は昇華エッチングされて台座側の種結晶表面１０は第１の口径ｄと等しくなり、単結晶が成長する側の種結晶表面１１は、第１の口径ｄよりも小さくなる。単結晶が成長する側の種結晶表面１１が第１の口径ｄよりも小さくなることに対応して、単結晶８の口径も第１の口径ｄよりも概ね１〜２ｍｍ程度縮小された後、ガイド部５の傾斜角θの大きさに応じて口径拡大される。即ち、傾斜角度に沿って口径が拡大して成長した単結晶が得られる。

即ち、炭化珪素種結晶３の近傍に、突起状のガイド部５を形成し、ガイド部５は、蓋部１に対向し台座２と所定の距離ｈだけ離間する平面部と炭化珪素種結晶の厚みｔの方向と所定の角度θをなす円錐状部を有し、炭化珪素原材料７を加熱昇華し炭化珪素成長させる際に、炭化珪素種結晶を口径縮小して成長した後に、ガイド部５の円錐状部に沿って口径拡大して成長させていくものである。

なお、第３の口径Ｄと、第１の口径ｄがｄ≦Ｄ≦ｄ＋２ｍｍで表される関係を満たしていないＤ＞ｄ＋２ｍｍの場合には、台座とガイド部との隙間が増加するため、単結晶析出に至らずに坩堝蓋へと向かって拡散する昇華ガス量が増えることになる。その結果、図２に示すように坩堝蓋１への多結晶９の析出量が大幅に増加し、さらには単結晶８の側面を覆うようになり、単結晶８と多結晶９の分離が難しくなる。

また、従来技術２に類似した坩堝構成となるｄ＞Ｄの場合には、成長初期に単結晶は一旦細く絞られる。一旦細く絞られることによって欠陥は成長軸方向と平行な方向には伝播されずに伝播の方向が曲げられるので、欠陥を単結晶側面へと逃がすことができる。欠陥の伝播の方向を曲げることによって欠陥の低減を行えるものの、種結晶３と同等の口径以上の単結晶基板を得ることが難しく、単結晶と多結晶を分離して成長することも難しい。

また、ガイド部５と台座２との距離ｈと種結晶３の厚みｔとの関係が、前述のｔ＜ｈ≦ｔ＋１ｍｍで示される関係を満たしていない場合、例えば、ガイド部５と台座２との距離ｈが小さすぎる場合には、ガイド部５の原料粉末７に対向する側の壁面に多結晶が多量に析出してしまったり、逆にｈが大きすぎる場合には、坩堝蓋１へと昇華ガスが多量に流れ込むことで坩堝蓋１上に多結晶が多量に析出してしまったりすることになる。いずれの場合にも、多量に析出した多結晶と単結晶が接触してしまうので、高品質な結晶が得られない。

ガイド部５の傾斜角θは、単結晶の口径拡大率を決めるパラメータとなるが、θ＜１５°では、単結晶の口径は復元せずに縮小したままであるか、復元したとしてもほとんど口径拡大はしないので、横方向成長が促進されることによって欠陥の伝播を抑制して欠陥を低減するといった効果が望めない。

逆にθ＞６０°と大きい場合には口径拡大率は良いが、単結晶８の原料粉末７に対向する側の表面形状が極端に凸型となってしまい、表面形状がほぼフラットな場合と比べて、大きな口径を持つ基板を切り出せる量が少なくなってしまう。さらに、ガイド部５の原料に対向する傾斜した面上に、多結晶が析出しやすくなる傾向にある。ガイド部５に析出した多結晶は、単結晶成長の妨げになったり、単結晶と接触して欠陥の発生源となったりするので、ガイド部５に多結晶が析出しやすい傾向にあるθ＞６０°は好ましくない。

以上のように、本実施の形態において、坩堝内部の構成や種結晶の配置場所を適切に制御することで、欠陥密度の高い種結晶外縁部を昇華エッチングして取り除き、続いて口径をわずかに縮小しながら少量成長させた後に口径を復元あるいは拡大する、すなわち、単結晶内の欠陥や転位が、軸方向（縦方向）には容易に伝播してしまうが、横方向に成長した場合には伝播及び発生しづらいという性質を利用して、横方向成長させつつ単結晶成長を行うことで欠陥の伝播や発生を抑制することができ、高品質な炭化珪素単結晶を得ることができる。

本発明にかかる炭化珪素単結晶製造方法は、種結晶に起因する欠陥や歪みが単結晶中へと伝播することを抑制して成長させるだけでなく、単結晶と多結晶を完全に分離しつつ口径拡大させることができ、高品質で大型の単結晶基板を効率よく製造する方法として有用である。

（ａ）本発明の実施例１における炭化珪素単結晶製造装置の構成を示す図（ｂ）本発明の実施例１における炭化珪素単結晶製造装置を用いて成長させた炭化珪素を説明するための図 第１の口径ｄと、第３の口径Ｄの関係が、Ｄ＞ｄ＋２ｍｍである場合の炭化珪素単結晶製造装置を用いて成長させた炭化珪素を説明するための図 従来技術１の炭化珪素単結晶製造装置の構成を示す図 従来技術２の炭化珪素単結晶製造装置の構成を示す図 従来技術３の炭化珪素単結晶製造装置の構成を示す図

符号の説明

１ 坩堝蓋
２ 台座
３ 種結晶
４ 種結晶外縁部
５ ガイド部
６ 坩堝
７ 原料粉末
８ 単結晶
９ 多結晶
１０ 台座側の種結晶表面
１１ 単結晶が成長する側の種結晶表面

Claims (8)

1. 炭化珪素原材料を加熱昇華させ、炭化珪素単結晶からなる種結晶上に供給し、この炭化珪素結晶上に炭化珪素を成長させる炭化珪素製造装置において、
   単結晶成長用坩堝容器内の蓋部に種結晶を配置するための第１の口径ｄの円柱形状の台座と、
   前記台座に第１の口径ｄより大きい第２の口径Ａの略円柱形状若しくは多角形柱形状の炭化珪素種結晶を配置し、当該種結晶に対し所定の距離離して前記種結晶面に対抗する開口部を有する突起状のガイド部と、を備え、
   前記ガイド部は、前記蓋部に対向し前記台座と所定の距離ｈだけ離間する平面部と前記炭化珪素種結晶の厚みｔの方向と所定の角度θをなす円錐状部を有し、前記炭化珪素原材料を加熱昇華し炭化珪素成長させる際に、炭化珪素種結晶を口径縮小して成長した後に、前記ガイド部の円錐状部に沿って口径拡大して成長さすことを特徴とする炭化珪素製造装置。
2. 前記ガイド部の開口部である第３の口径Ｄは、前記第１の口径ｄの間に、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋２ｍｍで表される関係を有することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
3. 前記ガイド部の平面部と前記台座との距離ｈと前記種結晶の厚みｔとの間に、ｔ＜ｈ≦ｔ＋１ｍｍで表される関係を有することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
4. 前記所定の角度θは、１５°以上６０°以下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製造装置。
5. 炭化珪素原材料を加熱昇華させ、炭化珪素単結晶からなる種結晶上に供給し、この炭化珪素種結晶上に当該種結晶近傍に当該種結晶面に対抗する口径Ｄの開口部と所定の角度θをなす円錐状部を有する突起状のガイド部を介して炭化珪素を成長させる炭化珪素製造方法において、単結晶成長用坩堝容器内の蓋部に種結晶を配置するための第１の口径ｄの円柱形状の台座
   に前記台座に第１の口径ｄより大きい第２の口径Ａの略円柱形状若しくは多角形柱形状の炭化珪素種結晶を配置し、
   前記台座から水平方向にはみ出した前記種結晶外縁部を昇華エッチングし前記種結晶の口径を縮小して炭化珪素を成長し、
   前記炭化珪素種結晶を口径縮小して成長した後に前記ガイド部の円錐状部に沿って口径拡大して成長さすことを特徴とする炭化珪素単結晶製造方法。
6. 前記ガイド部の開口部である第３の口径Ｄは、前記第１の口径ｄの間に、ｄ＜Ｄ≦ｄ＋２ｍｍで表されることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素単結晶製造方法。
7. 前記ガイド部の平面部と前記台座との距離ｈと前記種結晶の厚みｔとの間に、ｔ＜ｈ≦ｔ＋１ｍｍで表される関係を有することを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素単結晶製造方法。
8. 前記所定の角度θは、１５°以上６０°以下であることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素単結晶製造方法。
   

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