JP2009029687A - 炭化ケイ素単結晶の製造方法及び炭化ケイ素単結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より高抵抗な炭化ケイ素単結晶を提供する。
【解決手段】炭化ケイ素単結晶が所定の成長高さｈ以上になったタイミングで、炉１内に
０．０１〜５［ｐｐｍ］程度の濃度の窒素ガスを導入する。このような処理によれば、微
量の濃度の窒素を単結晶に導入し、単結晶中のアクセプタ濃度とドナー濃度の差の絶対値
を１×１０^−１６ＡＴＯＭＳ／ｃｍ^３以下にすることができるので、より高抵抗な炭化ケ
イ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、高周波半導体デバイス用の基板材料として利用して好適な、炭化ケイ素（Ｓ
ｉＣ）単結晶の製造方法及び製造装置に関する。

高周波半導体デバイス用の基板材料に対しては、一般に１０^５〜１０^１２［Ω・ｃｍ］
程度の抵抗率の半絶縁（高抵抗）特性が要求される。このような背景から、高周波半導体
デバイス用の基板材料としての利用が期待される炭化ケイ素単結晶については、結晶内に
含まれる不純物濃度、すなわちアクセプタ濃度とドナー濃度を低下させる試みがなされて
いる（特許文献１参照）。
特開２００６−１２４２４５号公報

炭化ケイ素単結晶中に含まれる不純物のうち、アクセプタとして作用するものの代表的
なものとして、ボロンが挙げられる。従って、アクセプタ濃度を低下させるためにはボロ
ン濃度を低下させる必要がある。ところが、ボロンは原材料中に含まれ、また結晶成長中
に除去することが困難であるために、単結晶内のボロン濃度は単結晶の成長高さに係わら
ず図７に示すように略一定となる。一方、炭化ケイ素単結晶中に含まれる不純物のうち、
ドナーとして作用するものの代表的なものとして、窒素が挙げられる。単結晶中の窒素濃
度は結晶成長に伴い低下し、ある成長高さになると図７に示すようにボロン濃度より少な
くなる。このため従来の炭化ケイ素単結晶の製造方法によれば、炭化ケイ素単結晶の抵抗
率は、図７に示すように、結晶成長に伴い増加していくが、ある成長高さになるとドナー
濃度とアクセプタ濃度の間に差分が生じ始めるため低下する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、アクセプタ濃
度とドナー濃度の間の差分を補償することにより高抵抗化が可能な炭化ケイ素単結晶の製
造方法及び製造装置を提供することにある。

本願発明の発明者らは、鋭意研究を重ねてきた結果、ドナー濃度とアクセプタ濃度が等
しくなるタイミング又はドナー濃度がアクセプター濃度以下になっている状態で微量の窒
素を単結晶内に導入し始めることにより、ドナー濃度とアクセプタ濃度の間に差分が生じ
ることを抑制し、単結晶の高抵抗化が可能となるという知見を得るに至った。なお、本明
細書中において“微量”とは、炭化ケイ素単結晶中のドナー濃度とアクセプタ濃度の差の
絶対値が１×１０^−１６ＡＴＯＭＳ／ｃｍ^３以下となる量を意味する。

本発明に係る炭化ケイ素単結晶の製造方法及び製造装置によれば、アクセプタ濃度とド
ナー濃度の間の差分を補償することにより炭化ケイ素単結晶の高抵抗化が可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる炭化ケイ素単結晶の製造方法の流れに
ついて説明する。

〔製造装置の構成〕
本発明の実施形態となる炭化ケイ素単結晶の製造装置は、図１に示すように、坩堝を収
容，加熱する炉（石英管）１を備える。炉１内に収納される坩堝は、図２に示すように、
内部に炭化ケイ素原料２が収容される黒鉛製の坩堝本体３と、原料２と対向する面に種結
晶４が取り付けられ、坩堝本体３上面の開口部を覆う蓋体６とを有する。炉１には、アル
ゴンガス導入路７を介してアルゴンガスボンベ８が接続され、アルゴンガス導入路７には
アルゴンガスの流量を制御するためのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９が設けられて
いる。またＭＦＣ９の上流側及び下流側にはバルブ１０，１１が設けられている。

炉１には、窒素ガス導入路１２を介して窒素ガスボンベ１３が接続されている。窒素ガ
ス導入路１２の一部はキャピラリー（ガラス製の細管，穴径３０ｕｍ，長さ１ｍ）１４に
より形成され、キャピラリー１４の上流側及び下流側にはバルブ１５，１６が設けられて
いる。また図示しないが、窒素ガス導入路１２とキャピラリー１４の接続部分は、金属製
のシール部材により封止され、さらに外側を樹脂製のチューブによって封止される二重封
止構造により封止，固定保持されている。バルブ１５の下流側にはバッファチャンバー１
７が設けられ、バッファチャンバー１７の上流側にはバルブ１８と可変バルブ（圧力調整
弁）１９が上流側から順に設けられている。なお、バルブ１５は可能な限りキャピラリー
１４の近傍に配置することが望ましい。

バッファチャンバー１７と炉１には、内部の圧力を検出するための圧力計（ＤＧ）２０
，２１が設けられている。また炉１には圧力制御バルブ２２を介してドライポンプ（ＤＰ
）２４が接続され、炉１内を真空排気可能なように構成されている。またドライポンプ２
４はバルブ２３を介してバッファチャンバー１７とバルブ１５間の窒素ガス導入路１２に
も接続され、バッファチャンバー１７内を排気可能なように構成されている。また炉１に
はバルブ２５を介してターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）２６とドライポンプ２４が直列に接続
されている。

〔炭化ケイ素単結晶の製造方法〕
上記製造装置を利用して炭化ケイ素単結晶を製造する際は、始めに、炉１内に坩堝をセ
ットした後、ドライポンプ２４とターボ分子ポンプ２６を駆動することにより炉１内を１
Ｅ−３Ｐａ程度まで真空排気しながら、炭化ケイ素原料２が昇華しない温度（５００〜１
５００℃）に坩堝を所定時間（２４時間程度）保持する（脱ガス処理）。なおこの時、バ
ルブ１５及びバルブ１６はそれぞれ閉状態及び開状態に設定する。

次に、バルブ１６を閉状態に設定した後、バルブ２５を閉じバルブ１０，１１を開状態
に設定することにより一定量のアルゴンガスを炉１内に導入し、炭化ケイ素原料２が昇華
する温度（２５００℃程度）に坩堝を加熱することによりアルゴンガス雰囲気下で炭化ケ
イ素原料２を昇華させて種結晶４の表面上に炭化ケイ素単結晶５を結晶成長させる。なお
この時、炉１内の圧力は圧力制御バルブ２２を用いて５ｋＰａ程度の一定値に制御する。

次に、バルブ１５，１６，２３を閉じた状態でバルブ１８を開状態に設定し、圧力計２
０の計測値を参照しながらバッファチャンバー１７内の圧力を所望の値になるように可変
バルブ１９の開度を調整する。そして最後に、炭化ケイ素単結晶５が所定の成長高さｈ以
上になったタイミングでバルブ１５，１６を開状態に設定することにより、０．０１〜５
［ｐｐｍ］程度の濃度の窒素ガスをキャピラリー１４を介して炉１内に導入する。

なお、所定の成長高さｈとは、ドナー濃度とアクセプタ濃度が等しくなる成長高さであ
り、予め実験やシミュレーションにより算出される。また炭化ケイ素単結晶５が所定の成
長高さｈになったか否かの判断は、炭化ケイ素単結晶の成長速度と成長時間に基づいて行
われる。また加熱炉内の導入される窒素ガスの濃度は、図３に示すようなバッファチャン
バー１７内の圧力と炉１内に導入される窒素ガス濃度の関係を示すマップを実験若しくは
理論的に予め作成しておき、このマップを参照してバッファチャンバー１７内の圧力を制
御することにより、０．０１〜５［ｐｐｍ］程度に制御される。

このように、本発明の実施形態となる炭化ケイ素単結晶の製造方法では、炭化ケイ素単
結晶５が所定の成長高さｈ以上になったタイミング、換言すれば、図４に示すように、単
結晶中の窒素濃度がボロン濃度以下になったタイミング（時間Ｔ＝ｔ）で、炉１内に０．
０１〜５［ｐｐｍ］程度の濃度の窒素ガスを導入する。このような処理によれば、微量の
窒素を単結晶に導入し、単結晶中のアクセプタ濃度とドナー濃度の差の絶対値を１×１０
^−１６ＡＴＯＭＳ／ｃｍ^３以下にすることができるので、より高抵抗な炭化ケイ素単結晶
を製造することができる。なおより高抵抗な炭化ケイ素単結晶を製造する上では、単結晶
中のアクセプタ濃度とドナー濃度の差の絶対値を０．５×１０^−１６ＡＴＯＭＳ／ｃｍ^３
以下にすることが望ましい。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、こ
の実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されるこ
とはない。例えば上記実施形態では、炉１内に０．０１〜５［ｐｐｍ］程度の濃度の窒素
ガスを導入したが、この濃度は０．０１〜０．５［ｐｐｍ］程度の濃度の窒素を単結晶に
導入する際の値であり、単結晶内に導入する窒素の濃度に応じて適宜変更されるべきであ
る。

また上記実施形態では、単結晶中の窒素濃度がボロン濃度以下になる炭化ケイ素単結晶
５が所定の成長高さｈ以上になったタイミングで炉１内に窒素ガスを導入したが、炉１内
の窒素濃度を結晶成長開始前にボロン濃度以下にする窒素低減処理ができるのであれば、
図５に示すように、この窒素低減処理が終了したタイミングで炉１内に窒素ガスを導入す
るようにしてもよい。

なお炉１内に導入された窒素ガスは濃度拡散によって坩堝内に導入される。このため、
炭化ケイ素単結晶内にドープされる窒素の濃度は、炉１内に導入する窒素ガスの濃度に比
べて小さくなることが予想される。本発明者らは図１，２に示すような実施形態において
、炉１内に導入する窒素ガスの濃度と炭化ケイ素単結晶内にドープされる窒素の濃度の関
係を調査した結果、図６に示すように両者の間には１０：１の関係があることを見出した
。すなわち、炉１内に導入する窒素ガスの濃度は炭化ケイ素単結晶中にドープしたい窒素
濃度の約１０倍にする必要がある。なお、上記の比率１０：１は坩堝の厚さや炉１内の圧
力によって変動する値であり、適宜調整されるべきである。このように、上記実施の形態
に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明
の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる炭化ケイ素単結晶製造装置の構成を示す模式図である。 図１に示す炉内に収容される坩堝の構成を示す模式図である。 図１に示すバッファチャンバー内の圧力と加熱炉内の導入される窒素ガスの濃度の関係を示す図である。 本発明の実施形態となる窒素ガスの導入タイミングを説明するための図である。 本発明の他の実施形態となる窒素ガスの導入タイミングを説明するための図である。 炉内に導入する窒素ガス濃度と炭化ケイ素単結晶内にドープされる窒素濃度との関係を示す図である。 炭化ケイ素単結晶の成長に伴う抵抗率，アクセプタ濃度，及びドナー濃度の変化の様子を示す図である。

符号の説明

１：炉
２：炭化ケイ素原料
３：坩堝本体
４：種結晶
５：炭化ケイ素単結晶
６：蓋体
７：アルゴンガス導入路
８：アルゴンガスボンベ（Ａｒ）
９：マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
１０，１１，１５，１６，１８，２３，２５：バルブ
１２：窒素ガス導入路
１３：窒素ガスボンベ（Ｎ２）
１４：キャピラリー
１７：バッファチャンバー
１９：可変バルブ（圧力調整弁）
２０，２１：圧力計（ＤＧ）
２２：圧力制御バルブ（ＰＣＶ）
２４：ドライポンプ（ＤＰ）
２６：ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）

Claims (5)

1. 不活性ガス雰囲気において炭化ケイ素を含む原料を加熱昇華させ、種結晶上に炭化ケイ
   素単結晶を成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法において、炭化ケイ素単結晶内のドナ
   ー濃度がアクセプタ濃度以下になったタイミングで雰囲気内に微量の窒素ガスを導入し、
   炭化ケイ素単結晶中に窒素をドープする工程を有することを特徴とする炭化ケイ素単結晶
   の製造方法。
2. 請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法において、炭化ケイ素単結晶中のドナー
   濃度とアクセプタ濃度の差の絶対値以上の濃度に対応する窒素ガスを導入することを特徴
   とする炭化ケイ素単結晶の製造方法。
3. 請求項２に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法において、炭化ケイ素単結晶中のドナー
   濃度とアクセプタ濃度の差の絶対値が１×１０^−１６ＡＴＯＭＳ／ｃｍ^３以下であること
   を特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法。
4. 請求項２又は請求項３に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法において、炭化ケイ素単結
   晶中にドープする窒素濃度の８倍以上１２倍以下の濃度に対応する窒素ガスを導入するこ
   とを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法。
5. 不活性ガス雰囲気において炭化ケイ素を含む原料を加熱昇華させ、種結晶上に炭化ケイ
   素単結晶を成長させる炭化ケイ素単結晶の製造装置において、炭化ケイ素単結晶内のドナ
   ー濃度がアクセプタ濃度以下になったタイミングで雰囲気内に微量の窒素ガスを導入し、
   炭化ケイ素単結晶中に窒素をドープする手段を備えることを特徴とする炭化ケイ素単結晶
   の製造装置。

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