JP2008001537A - 炭化硅素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶液法により、転位密度の低い炭化硅素単結晶を製造する。
【解決手段】黒鉛るつぼ１と加熱装置２は断熱材３で覆われている。原料のシリコンを黒鉛るつぼ１に充填し、加熱して溶融する。黒鉛るつぼ１から供給された炭素はシリコン溶融液６に溶解する。引き上げ棒４を下げて先端の種結晶５を、炭素が溶解した溶液６の表面に接触し、次いでこの棒４を徐々に引き上げながら種結晶５表面に炭化硅素単結晶を析出させ、成長させる。種結晶５として、表面粗さＲｍｓを０．９nm以下に研磨処理した炭化硅素単結晶を用いる。これにより、炭化硅素単結晶成長層の転位の起点となる、種結晶５表面の凹凸が極めて小さくなり、成長層の転位の発生を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は炭化硅素単結晶の製造方法、特に溶液法による炭化硅素単結晶の製造方法に関する。

炭化硅素は、シリコンに比べてバンドキャップが大きく、耐電圧性、動作温度および耐熱性においても優れた特性を有しており、近時、その単結晶はパワーデバイスや耐環境型デバイスとしての応用が期待されている材料である。しかしながら、炭化硅素単結晶には、マイクロパイプと称される中空貫通孔や転位といった結晶欠陥が多く存在し、これらの結晶欠陥をいかに低減するかが、デバイス材料として応用する際の課題とされている。特にマイクロパイプの存在は、素子の耐電圧を著しく低下するという点でデバイス材料として用いる場合には致命的な欠陥となる。

また、転位は、結晶中に存在する線状の格子欠陥であるが、転位密度が高い炭化硅素単結晶を半導体デバイスなど電子デバイス材料として使用した場合には、リーク電流（漏れ電流）が発生する。リーク電流は電子回路上で本来流れるはずがない場所で、水漏れのように電流が流れてしまう現象である。このためリーク電流が多くなると、消費電力が増えるばかりでなく発熱による回路の損傷の原因となる。半導体の集積度を高め、高性能のデバイスの設計の要求に応えるためには、リーク電流を小さくすることが不可欠の条件とされ、この原因となる転位密度の低い炭化硅素単結晶をいかにして製造するかが大きな課題となっている。

炭化硅素単結晶の製造方法として、昇華法と溶液法がある。炭化硅素は常圧下では液相をつくることなく昇華してしまい炭化硅素融液を得ることができないので、融液法を用いてその単結晶を製造することは事実上不可能である。

昇華法は炭化硅素粉末原料を２０００数百度に加熱して昇華させ、低温側に配置した種結晶上に炭化硅素単結晶を析出、成長させる方法である。これに対して溶液法はシリコンを、たとえば反応容器であると同時に炭素の供給源となる黒鉛るつぼに入れて溶融し、シリコン溶融液に黒鉛るつぼから供給される炭素を溶解し、この溶液に、低温側に配置した種結晶を接触して種結晶の表面に炭化硅素の単結晶を析出して成長させる方法である。

溶液法は炭化硅素単結晶の成長速度が遅いため、一般的に炭化硅素単結晶は昇華法によって製造されている。しかしながら、昇華法は熱的に非平衡なプロセスで反応が行われるため、この方法によって製造した炭化硅素単結晶には、溶液法で製造したものに比べて叙述したマイクロパイプ欠陥が多く含まれるという問題がある。この昇華法に本質的に内在するマイクロパイプ欠陥を減少するため、たとえば、種結晶を電解インプロセスドレッシング研削法で加工して結晶成長させる方法（特許文献１参照）あるいは成長させた炭化硅素単結晶の中央凸形状部の曲率半径を一定値に制御するようにして製造する方法（特許文献２参照）などが提案されているが、溶液法によって得られる炭化硅素単結晶に比べて未だ十分な程度とはいい難い。

溶液法に関し、シリコン溶融液に炭化水素を含むガスを供給して炭化硅素単結晶の成長速度を促進しかつ良質の単結晶を製造しようとする提案がある（特許文献３参照）。この方法は溶液法の特徴であるマイクロパイプ欠陥の発生の抑制には有効であっても、叙述した転位という、デバイス材料にとって重大なもう１つの結晶欠陥を抑制することにはならない。

特開２０００−１９１３９９号公報 特開２００３−９５７９４号公報 特開２００２−３５６３９７号公報

本発明は、現状の技術レベルの下では本質的に回避し難い昇華法に内在する問題（マイクロパイプ欠陥）を考慮し、溶液法を用いて転位の少ない、すなわち転位密度の低い炭化硅素単結晶を製造する方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明に係る炭化硅素単結晶の製造方法は、炭素を含む原料をシリコン溶融液に溶解し、この溶液に種結晶を接触して種結晶表面に炭化硅素単結晶を成長させる炭化硅素単結晶の製造方法であって、前記の種結晶として表面粗さＲｍｓを０．９nm以下に研磨処理した炭化硅素単結晶を用いることを特徴としている。
本発明方法において定義される種結晶の表面粗さＲｍｓは、二乗平均粗さを意味する。これは粗さ曲線を用い、平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根で表わさした値である。表面粗さの測定はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で行うことができる。ＡＦＭは走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一種で、極細に鋭らせた金属針（プローブ）を試料表面上に走査しながら、プローブと試料間に働く物理量の変化を検出して試料の表面形状を測定する顕微鏡であり、物理量としてプローブと試料の間に働く原子間力（引力と反撥力）を利用したものである。ＡＦＭを使うと、試料の表面粗さをほぼ原子レベルの大きさで観察することができる。
次に、炭化硅素単結晶の研磨処理の方法としては、例えば遊離砥粒として酸化クロムを分散した研磨スラリを用い、研磨布と擦り合わせて研磨するケミカルメカニカルポリッシング法（ＣＭＰ法）が一般的であるが、アルカリ水性研磨液を用いてもよい。後者の方法は、研磨所要時間が長くなる反面、研磨面のキズの発生を少くすることができ、本発明の目的のためにはより好ましい研磨処理の方法といえる。

本発明の方法によれば、結晶の転位密度が低い良質の炭化硅素単結晶を製造することができる。これは種結晶として表面粗さの小さい炭化硅素単結晶を用いることにより、その表面に析出する炭化硅素単結晶成長層にとって転位の起点となる凹凸が少なくなりかつその凹部の溝の深さと凸部の高さとの差が小さくなるため、析出する結晶成長層の結晶内部の原子配列の規則性が高められることによるものと推察される。

以下、本発明に係る炭化硅素単結晶の製造方法の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は本発明方法を実施するための装置の１例を示す説明図である。この装置は種結晶を溶液に接触して引き上げながら単結晶を引き上げる、溶液法の１つであるフラックス引き上げ法（ＴＳＳＧ法：Top-Seeded Solution Growth法）として公知の装置であるが、本発明の方法はこの装置を用いて、好ましく実施することができる。

この図において、参照数字１は黒鉛るつぼであり、この外周に沿って加熱装置２が配設されている。るつぼ１と加熱装置２は断熱材３で覆われている。加熱装置１は電気抵抗加熱方式によるもののほか、黒鉛るつぼが導体である性質を利用して高周波誘電コイルによる加熱方式によって構成してもよい。黒鉛るつぼ１はシリコンを溶融する容器であると同時にるつぼ自体、シリコン溶融液に溶解する炭素の原料供給源として機能する。黒鉛るつぼ１の上方には炭化硅素単結晶を引き上げるための引き上げ棒４が配設される。引き上げ棒４の先端には種結晶５が取り付けられる。

原料のシリコンを黒鉛るつぼ１に充填し、１，８００ないし２，０００℃に加熱して溶融する。黒鉛るつぼ１から供給された炭素はこのシリコン溶融液（溶媒）に溶解する。引き上げ棒４を下げて先端の種結晶５を、炭素が溶解した溶液６の表面に接触し、次いでこの棒４を徐々に引き上げながら種結晶表面に炭化硅素単結晶を析出させ、成長させる。

本発明の方法において、種結晶はその表面粗さＲｍｓが０．９nm以下になるように処理される。このように処理することによって、炭化硅素単結晶成長層の転位の起点となる、種結晶表面の凹凸が極めて小さくなり、成長層の転位の発生を効果的に抑制することができる。

市販の炭化硅素単結晶（レーリー結晶）を、pH７〜１０に調整したアルカリ水性研磨液を用いて研磨し、ＡＦＭで測定した表面粗さＲｍｓ＝０．８７nm（２μｍ×２μｍの領域内の測定値）の種結晶を作成した。図１に示した装置を用いて、この種結晶上に炭化硅素単結晶を成長させた（製造条件：シリコン溶液温度１８５０℃）。
得られた炭化硅素単結晶の転位密度を測定したところ、転位密度は僅か６１６個／cm²であった。また、その拡大顕微鏡写真を第２図に示した。
単結晶の転位密度の測定は、試料を次に述べる前処理をした後、金属顕微鏡を用いてその表面を写真撮影し、転位の数を数えて行った。前処理は、水酸化カリウムを白金坩堝に入れて４９０℃の温度で溶融し、この溶融液の中に、試料を白金メシュのカゴに入れて５分間浸漬し、次いで取り出した後、水洗し、乾燥して行った。

＜比較例＞
比較のため、研磨前の炭化硅素単結晶（レーリー結晶）を種結晶（表面粗さＲｍｓ＝２７．３nm、２μｍ×２μｍ領域内測定値）として、実施例と同じ方法で、種結晶上に炭化硅素単結晶を成長させた。
得られた炭化硅素単結晶の転位密度は１６０００個／cm²であった。また、この拡大顕微鏡写真を第３図に示した。
以上のとおり、本発明の方法によれば転位密度の極めて小さな炭化硅素単結晶を製造することができる。

本発明に係る炭化硅素単結晶の製造装置の一例を示す説明図である。 本発明方法によって製造された炭化硅素単結晶表面の拡大顕微鏡写真である。 比較例の方法によって製造された炭化硅素単結晶表面の拡大顕微鏡写真である。

符号の説明

１ 黒鉛るつぼ
２ 加熱装置
３ 断熱材
４ 引き上げ棒
５ 種結晶
６ シリコン−炭素の溶液

Claims (1)

1. 炭素を含む原料をシリコン溶融液に溶解し、この溶液に種結晶を接触して種結晶表面に炭化硅素単結晶を成長させる炭化硅素単結晶の製造方法であって、前記の種結晶として表面粗さＲｍｓを０．９nm以下に研磨処理した炭化硅素単結晶を用いることを特徴とする炭化硅素単結晶の製造方法。