JP2009256159A - 結晶炭化珪素基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶欠陥、ひずみが少なく、製造コストが安価な大形状の結晶ＳｉＣ基板の製造方法を提供する。
【解決手段】円柱、立柱形状に形成したＳｉＣ材料を熱間静水圧加圧処理することにより、あるいは結晶ＳｉＣ材料の開気孔を低減することを目的として熱間静水圧加圧処理工程の事前にＳｉＣ材料の外表面に炭素質の被膜を形成することにより結晶欠陥、ひずみが少なく、製造コストが安価な大形状の結晶性ＳｉＣ基板を製造する。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、パワーデバイス、高周波デバイス、ＬＥＤなどの基板材料として好適な結晶炭化珪素基板の製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、構成原子であるＳｉ、Ｃ間の結合距離が短く、半導体のバンドギャップが大きいことが特徴であり、また短い原子間結合距離故に化学的安定性が極めて高い。またその構造故に、高い熱伝導度、飽和電子ドリフト速度、高い絶縁破壊電界強度という特性を有しており、大電力を扱う半導体デバイス材料として魅力的なものとなっている。ＳｉＣを用いた電子デバイスが実現されれば、大電力、低損失、高速の半導体デバイスが、電力システム、産業機器、自動車、家電に適用でき、著しい省エネルギー効果が期待できる。また、ＳｉＣは結晶構造の類似性、導電性、高い熱伝導率から，窒化ガリウム（ＧａＮ）系の短波長光学デバイス、大電力高周波デバイスに最適とされ、ＧａＮ系半導体薄膜の基板材料としても重要な位置を占めている。

ＳｉＣは、結晶学的に同一の組成であるが積層構造が異なるポリタイプを呈する。ポリタイプとしては多くの種類が存在するが、３Ｃ、６Ｈ、４Ｈのものが実用的に開発、実用化されている。（数字はＣ軸方向の繰り返し周期を表し、Ｃは立方晶、Ｈは六方晶を示す）。一般に３ＣのＳｉＣは低温安定ポリタイプ、６Ｈ、４Ｈは高温安定ポリタイプとして知られており、半導体素子用基板材料として開発されているものは、６Ｈ、４Ｈ等の六方晶系のＳｉＣである。

結晶ＳｉＣの製造方法としては以下に示す方法が考案され実用されている。
（Ａｃｈｅｓｏｎ法）
高純度のけい石とコークスを電気炉にて焼成することにより製造される。いわゆるカーボランダムで、研磨用砥粒として多用されており、緑色のＧＣ、黒色のＣに大別される。工業炉で生成されるＳｉＣの結晶は、４Ｈ、６Ｈ、１５Ｒの３種の混合結晶体が主体で生成され、一般的には、ＧＣには６Ｈが多く、Ｃには６Ｈと４Ｈの結晶が多く含まれる。

（レーリー法）
黒鉛坩堝内で原料ＳｉＣを２５００℃以上の高温で昇華させ低温部に再結晶化させる方法である。レーリー法では、成長速度が小さいのに加え、成長初期の核生成過程が制御できない問題点がある。

（改良レーリー法）
現在、大型のＳｉＣの結晶成長に用いられている方法は、改良レ−リー法と呼ばれる種付き昇華再結晶法である。この方法では温度勾配を設けた成長系内を不活性ガスで満たすことにより原料の輸送過程を制御し、また種結晶を使うことにより結晶成長の核生成過程を制御することが特徴である。原料から昇華したＳｉとＣとからなる蒸気が、不活性ガス中を拡散により輸送されて、原料より低温の種結晶上に過飽和状態で凝結する。
Ｙｕ．Ｍ．Ｔａｉｒｏｖ ａｎｄ Ｖ．Ｆ．Ｔｓｖｅｔｋｏｖ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ．５２（１９８１）ｐｐ．１４６−１５０

（高温ＣＶＤ法）
ＳｉＨ_４、炭化水素（Ｃ_２Ｈ_４等）を原料として２０００℃以上の高温でＣＶＤにてバルク材料を製造する方法で、Ｓｉ／Ｃ比の制御が可能で、高純度な結晶が得られるメリットがあるが、結晶成長のパラメータが多く条件の最適化には至っていない現状である。
ＰｈＤ ｔｈｅｓｉｓ，Ｄｉｓｓ．Ｎｏ．５１０，Ａ．Ｅｌｌｉｓｏｎ，Ｌｉｎｋ▲ｏ▼ｐｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉｎｋ▲ｏ▼ｐｉｎｇ，Ｓｗｅｄｅｎ（１９９９）．

（溶液成長法）
ＳｉＣの状態図からも明らかなように溶液状態から結晶材料を引き上げるには極めて高温かつ高圧な条件が必要となる。実用可能な操業条件にて結晶材料を得るために、高温化によるＳｉ融液中へのＣ元素溶解度向上、高圧化でのＳｉ蒸発抑制、強制対流による物質輸送強化、金属触媒の利用などが試みられている。特開２００４−３２３２４７号公報では、Ｓｉ融液面からるつぼ底部へ向かう下向きの縦磁場を印加することにより自然対流を抑制して多結晶化を防止することが提案され、特開２００５−８２４３５号公報では、Ｓｉ融液にＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔのいずれかを添加することにより成長表面を安定して平坦に維持することが提案されている。

実用可能でなおかつデバイスコストを低減するためのＳｉＣバルク単結晶製造の課題にはポリタイプの制御、結晶欠陥の低減、ｎ＋／ｎ−積層構造のためのドーピング、電気特性の制御などがあり、これらの課題とのトレードオフで成長速度の向上を実現していく必要がある。特に結晶性ＳｉＣに存在する転位欠陥はデバイスへの悪影響のため、その低減が必要とされている。結晶中の転位はその伸展方向によって大別され、結晶成長方向であるＣ軸方向に伸びた貫通転位と、成長方向と垂直な基底面内に存在する基底面転位の２つに分類される。貫通転位は、ＳｉＣ素子の耐圧劣化をもたらすとされ、また基底面転位は、バイポーラデバイスの順方向特性劣化の原因となるとされている。
改良レーリー法で作製したＳｉＣの最大の問題点は、マイクロパイプと呼ばれる中空貫通欠陥の存在である。成長方向に貫通する直径数μｍの中空状欠陥であるマイクロパイプ欠陥はエピタキシャル薄膜成長時に引き継がれ、デバイスにとっては致命的な欠陥となる。

パワーデバイス、高周波デバイス、ＬＥＤ素子を工業的に安価に製造するためには大形状のＳｉＣウエハを製造し素子１個あたりのコストを低減する必要があるが、従来の製造方法では形状が大きくなると転位などによる結晶欠陥が極めて発生しやすくなる傾向が顕著である。また大形状にて低欠陥密度のＳｉＣを製造するためには、その生成速度が極めて低速な条件を選択する必要があり、現状では結晶ＳｉＣ基板の製造コストは極めて高価なものとなっている。ＳｉＣの優れた特性を活用し、インバーターなどのパワーデバイスとして適用した場合には現状の消費電力を大幅に削減し極めて大きな省エネルギー効果が得られることが明らかになっているが、結晶ＳｉＣ基板の高コストがその普及のための大きな課題となっている。

そこで本発明ではパワーデバイス、高周波デバイス、ＬＥＤ素子を工業的に安価で製造するために好適に使用できる結晶ＳｉＣ基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明では結晶ＳｉＣ材料に内在する転位等の結晶欠陥、材料ひずみを、所定の条件にて熱間静水圧加圧処理することにより低減させることを特徴とする。具体的には合同な二つの平面図形を底面として持つ円柱、立柱形状に形成したＳｉＣ材料を熱間静水圧加圧処理する工程を含むことを特徴とする。さらに結晶ＳｉＣ材料の開気孔を低減することを目的として熱間静水圧加圧処理工程の事前にＳｉＣ材料の外表面に炭素質、炭化ケイ素の被膜を形成することを特徴とする。詳細には炭素質の被膜がダイアモンドライクカーボンを含むアモルファスカーボンから構成されることを特徴とする。

本発明によればアルゴンガスなどの雰囲気ガスによる等方的な高温高圧の処理により結晶ＳｉＣ材料中の欠陥、ひずみが低減し、パワーデバイス、高周波デバイス、ＬＥＤ素子を安価に製造するために好適な大形状の基板材料を提供することが可能である。

レーリー法、改良レーリー法、高温ＣＶＤ法、溶液法等の各種の製造方法にて製造した結晶ＳｉＣのインゴット材料の外表面を研削加工により円柱、立柱などの所定の対称形状に加工する。研削加工には電着ダイヤモンドなどの固定砥石を使用して材料表面への加工ダメージの導入を極力避けるように留意し引き続く製造工程での材料割れなどの不具合を回避する。材料中の欠陥等によるひずみを除去するためには材料内部にできるだけ均等に等方的な圧力を導入する必要があるため上記の形状加工は重要である。

所定の形状に加工した結晶性材料を黒鉛製の蓋付き坩堝に挿入し、熱間静水圧加圧処理装置の圧力容器内にセットし、アルゴンガスなどの雰囲気ガスを使用して高温、高圧で等方的な加圧処理をおこなう。熱間静水圧加圧処理時には１５００℃以上、１００ＭＰａ以上の高温高圧処理が望ましく、処理プロセスには昇温・昇圧、保持、降温・降圧のプロセスがありそれぞれのプロセスにおいて適切な処理速度を設定する。

結晶ＳｉＣ材料の中に存在する開気孔を効果的に低減させるための封孔処理として、熱間静水圧加圧処理の事前に、ＳｉＣ材料の外表面を炭素質、ＳｉＣなどで被覆する。被覆する材質は、結晶性ＳｉＣ材料のそれぞれの表面の面方位における熱膨張係数により決定する。被処理材料の結晶形態、すなわち３Ｃ、４Ｈ、６Ｈなどのポリタイプによりそれぞれの材料表面の熱膨張係数が異なるために、その熱膨張係数差が僅少になるように被覆する材質、成膜プロセスを選択する。とくに４Ｈ、６Ｈなどの六方晶の場合は面内とｃ軸方向の熱膨張係数差が大きいため、所定の形状に加工したインゴットの方位により適切な熱膨張係数を有する被覆材質を選択する。被処理材と被覆材質の熱膨張係数差が大きい場合には熱間静水圧処理時に被覆材質が剥離してしまい十分な効果が得られない。

イオン化蒸着法、プラズマＣＶＤ法、陰極アーク法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法、プラズマイオン注入法などの方法により成膜されるダイアモンドライクカーボンなどのアモルファス系カーボン膜は封孔処理の材質として好適に使用できる。アモルファスカーボン膜は等方的な物理特性を有すること、水素残留量などにより熱膨張係数のコントロールが可能なため、引き続く熱間静水圧加圧処理時に効果的に被処理材の欠陥を低減することができる。

熱間静水圧加圧処理後の材料の外周をダイヤモンド固定砥石にて所定の外径に研削加工し、次いでダイヤモンド固定砥石をコーティングしたソーワイヤを使用し、マルチワイヤーソにて所定の薄さのウエハ形状にスライス加工する。スライス加工処理後のウエハの外周をダイヤモンド電着砥石により研削し所定の端面形状に加工する。形状加工が終了したＳｉＣウエハをダイヤモンド砥粒を使用した特殊定盤によりラッピング加工し、次いでダイヤモンド砥粒と特殊クロスを使用したポリッシング加工、ＣＭＰ加工によりエピタキシャル膜成膜に適した鏡面を形成する。図１に本発明の製造プロセスの概略を示した。

（実施例１）
改良レーリー法にて製造した結晶ＳｉＣ材料を外径５５ｍｍ×１００ｍｍの円柱状に研削加工し、内径５５．５ｍｍの等方性黒鉛製の蓋付き坩堝に挿入し、上、下のネジ式の蓋で軽く締め付けて保持した。結晶性ＳｉＣ材料を挿入した黒鉛坩堝を熱間静水圧化圧装置の圧力容器内に装填しアルゴンガスを使用した熱間静水圧加圧処理をおこなった。熱間静水圧加圧処理の処理パターンは、３００℃にて減圧し水分等を除去した後で２００℃／Ｈｒ、２０ＭＰａ／Ｈｒの速度にて昇温、昇圧し、２５００℃、２００ＭＰａにて１時間保持した後で所定の速度にて降温、降圧した。熱間静水圧加圧処理後の結晶ＳｉＣ材料をダイヤモンド固定式のソーワイヤで０．２５ｍｍの板厚にスライス加工し、次いでダイヤモンド砥粒を使用したラッピング、ポリッシングにより表面を研磨し両面が鏡面の結晶性ウエハを製造した。

製造した結晶ＳｉＣウエハのμ−ＰＣＤ法によるライフタイムマップを測定したところ、熱間静水圧加圧処理せずに製造した比較材料に比べて、中心から外周方向でのライフタイムの時間差が３０％改善し、結晶ＳｉＣウエハのひずみが改善された。

（実施例２）
改良レーリー法にて製造した結晶ＳｉＣ材料を外径５５ｍｍ、板厚０．２５ｍｍの円柱ウエハ形状に加工し、次いで内径５５．５ｍｍの等方性黒鉛製の蓋付き坩堝に、黒鉛製のスペーサを介して挿入し、上、下のネジ式の蓋で軽く締め付けて保持した。結晶ＳｉＣ材料を挿入した黒鉛坩堝を熱間静水圧化圧装置の圧力容器内に装填しアルゴンガスを使用した熱間静水圧加圧処理をおこなった。熱間静水圧加圧処理の処理パターンは、３００℃にて減圧し水分等を除去した後で２００℃／Ｈｒ、２０ＭＰａ／Ｈｒの速度にて昇温、昇圧し、２５００℃、２００ＭＰａにて１時間保持した後で所定の速度にて降温、降圧した。熱間静水圧加圧処理後の結晶ＳｉＣ材料をダイヤモンド砥粒を使用したラッピング、ポリッシングにより表面を研磨し両面が鏡面の結晶ＳｉＣウエハを製造した。

製造した結晶ＳｉＣウエハのμ−ＰＣＤ法によるライフタイムマップを測定したところ、熱間静水圧加圧処理をせずに製造した比較材料に比べて中心から外周方向でのライフタイムの時間差が３０％改善し、結晶ＳｉＣウエハのひずみが改善された。

（実施例３）
改良レーリー法にて製造した結晶ＳｉＣ材料を外径５５ｍｍ、板厚０．２５ｍｍの円柱ウエハ形状に加工し、次いでアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置を使用してウエハの全表面に厚さ２μｍのダイヤモンドライクカーボンを成膜した。次いで内径５５．５ｍｍの等方性黒鉛製の蓋付き坩堝に、黒鉛製のスペーサを介して挿入し、上、下のネジ式の蓋で軽く締め付けて保持した。結晶ＳｉＣ材料を挿入した黒鉛坩堝を熱間静水圧加圧装置の圧力容器内に装填しアルゴンガスを使用した熱間静水圧加圧処理をおこなった。熱間静水圧加圧処理の処理パターンは、３００℃にて減圧し水分等を除去した後で１００℃／Ｈｒ、１０ＭＰａ／Ｈｒの速度にて昇温、昇圧し、２５００℃、２００ＭＰａにて１時間保持した後で所定の速度にて降温、降圧した。熱間静水圧加圧処理後の結晶ＳｉＣ材料をダイヤモンド砥粒を使用したラッピング、ポリッシングにより表面を研磨し両面が鏡面の結晶性ＳｉＣウエハを製造した。

製造した結晶ＳｉＣウエハのμ−ＰＣＤ法によるライフタイムマップを測定したところ、熱間静水圧加圧処理をせずに製造した比較材料に比べて中心から外周方向でのライフタイムの時間差が５０％改善し、結晶ＳｉＣウエハのひずみ歪みが大幅に改善された。

本発明の実施形態の一例を示す工程図

Claims (3)

1. 合同な二つの平面図形を底面として持つ円柱、立柱形状に形成した炭化珪素材料を熱間静水圧加圧処理する工程を含むことを特徴とする結晶炭化珪素基板の製造方法。
2. 熱間静水圧加圧処理工程の事前に炭化珪素材料の外表面に炭素質及び又は炭化珪素の被膜を形成することを特徴とする請求項１記載の結晶炭化珪素基板の製造方法。
3. 炭素質の被膜がダイアモンドライクカーボンを含むアモルファスカーボンから構成されることを特徴とする請求項２に記載の結晶炭化珪素基板の製造方法。

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