JP2011121815A

JP2011121815A - 単結晶の製造方法

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Publication number: JP2011121815A
Application number: JP2009280772A
Authority: JP
Inventors: Makoto Harada; 真原田; Makoto Sasaki; 信佐々木; Taro Nishiguchi; 太郎西口
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-23

Abstract

【課題】台座上に固定された種結晶を用いて高品質の単結晶を成長させることができる、単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】第１および第２の面Ｐ１、Ｐ２を有し、かつ炭化珪素からなる種結晶１１が準備される。第１の面Ｐ１上に第１の炭化層２２ａが形成されるように、種結晶１１の表面が炭化される。接着剤を挟んで第１の炭化層２２ａと台座４１とが互いに接触させられる。種結晶１１を台座４１に固定するために接着剤が硬化させられる。台座４１に固定された種結晶１１の第２の面Ｐ２上に単結晶５２が成長させられる。
【選択図】図４

Description

本発明は単結晶の製造方法に関し、特に、台座上に固定された種結晶を用いた、単結晶の製造方法に関するものである。

近年、半導体装置の製造に用いられる半導体基板として炭化珪素単結晶基板の採用が進められつつある。炭化珪素は、半導体分野においてより一般的に用いられているシリコンに比べて、より大きなバンドギャップを有する。そのため炭化珪素を用いた半導体装置は、耐圧が高く、オン抵抗が低く、また高温環境下での特性の低下が小さい、といった利点を有する。

炭化珪素単結晶は、昇華再結晶法を用いて製造される。具体的には、炭化珪素単結晶が、台座上に固定された種結晶の表面上に成長させられる。種結晶が台座に均一に固定されていないと、種結晶上に成長させられる単結晶の品質が低下し得る。このため種結晶を台座に取り付ける方法について、たとえば、以下の２つの方法が提案されている。

第１に特許第４２５８９２１号公報（特許文献１）によれば、単結晶成長時に種結晶と種結晶台座との界面において、黒鉛微粒子および難黒鉛化炭素を有する炭素の複合構造が形成される。本公報には、これにより貼付面に均一に分散された耐熱性微粒子を核として貼付面全域に炭素が均一に形成され、種結晶貼付面を覆うこととなるので、単結晶成長時において、種結晶の台座貼付面における昇華再結晶化の発生を防止でき、また、種結晶中央部で成長初期に発生するエッチングを防止することができる旨が記載されている。

第２に特許第４０５４１９７号公報（特許文献２）によれば、その裏面に０．５〜５μｍ厚の保護膜が形成された炭化珪素種結晶が、黒鉛製坩堝蓋に機械的に装着される。本公報には、この保護膜によって種結晶の裏面からのＳｉ原子の昇華を防止できるので結晶中でのボイド生成が抑制される旨が記載されている。

特許第４２５８９２１号公報特許第４０５４１９７号公報

特許第４２５８９２１号公報（特許文献１）の技術では、種結晶の材料によっては、種結晶と台座との間の固定の強度が不十分となることがあった。特に、たとえば炭化珪素単結晶が成長させられる場合のように、種結晶と台座との間の温度が高温とされる場合、上記固定の強度が低下しやすかった。よって種結晶の一部または全部が台座から外れてしまうことがあり、このため得られる単結晶の品質が低下することがあった。

特許第４０５４１９７号公報（特許文献２）の技術では、本発明者らの検討したところによれば、種結晶の裏面の保護が不十分であった。たとえば炭化珪素種結晶が用いられる場合、種結晶の裏面における昇華の防止効果が十分でなく、この影響で、得られる単結晶の品質が低下することがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、台座上に固定された種結晶を用いて高品質の単結晶を成長させることができる、単結晶の製造方法を提供することである。

本発明の単結晶の製造方法は、次の工程を有する。第１および第２の面を有し、かつ炭化珪素からなる種結晶が準備される。第１の面上に第１の炭化層が形成されるように、種結晶の表面が炭化される。接着剤を挟んで第１の炭化層と台座とが互いに接触させられる。種結晶を台座に固定するために接着剤が硬化させられる。台座に固定された種結晶の第２の面上に単結晶が成長させられる。

好ましくは、種結晶の表面の炭化は第２の面上に第２の炭化層が形成されるように行われ、単結晶が成長させられる前に第２の炭化層が除去される。好ましくは、第２の炭化層の除去は第２の面上を研磨することによって行われる。好ましくは、第２の炭化層の除去は第２の面の表面粗さを１０ｎｍ以下とするように行われる。

好ましくは、種結晶の表面を炭化する際に、種結晶が加熱される。好ましくは、この加熱は１５００℃以上２５００℃以下の温度で行なわれる。好ましくは、種結晶の表面の炭化は、大気圧よりも低い圧力下で行われる。

好ましくは、種結晶の表面を炭化する前に、第１の面が研磨される。好ましくは、接着剤を挟んで第１の炭化層と台座とが互いに接触させられる前に、台座が研磨される。

好ましくは、接着剤は、加熱されることによって難黒鉛化炭素となる樹脂と、耐熱性微粒子と、溶媒とを含む。より好ましくは、接着剤は炭水化物を含む。

好ましくは、台座の種結晶に面する面は炭素からなる面を含む。

本発明の単結晶の製造方法によれば、単結晶の成長が行われる際に種結晶の第１の面上に第１の炭化層が設けられており、この第１の炭化層は、硬化された接着剤と均一かつ強固に接合される。よってこの接着剤を介して種結晶と台座との間が均一かつ強固に固定されるので、種結晶上に成長する単結晶の品質が高められる。

本発明の一実施の形態における単結晶の製造方法の第１工程を概略的に示す断面図である。本発明の一実施の形態における半導体基板の製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。本発明の一実施の形態における半導体基板の製造方法の第３工程を概略的に示す断面図である。本発明の一実施の形態における半導体基板の製造方法の第４工程を概略的に示す断面図である。第１の比較例の単結晶の製造方法の一工程を示す断面図である。第２の比較例の単結晶の製造方法の一工程を示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１を参照して、ポリタイプ４Ｈを有する炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶の塊を第１および第２の面Ｐ１、Ｐ２に沿ってスライスすることで、ＳｉＣ種結晶１１が準備される。第１の面Ｐ１の面方位は（０００１）、第２の面Ｐ２の面方位は（０００−１）とされる。種結晶１１の厚さ（図中、縦方向の寸法）は、たとえば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。また種結晶１１の平面形状は、たとえば円形であり、その直径は、２５ｍｍ以上が好ましく、１００ｍｍ以上がより好ましい。また種結晶の面方位の（０００１）面からの傾き、すなわちオフ角度は、１５°以下が好ましく、５°以下がより好ましい。

好ましくは、第１の面の平坦性を向上させるために第１の面が研磨される。この研磨にはダイヤモンドスラリーを用いることができる。このスラリーはダイヤモンド粒子を含有し、その粒径は、たとえば５μｍ以上１００μｍ以下であり、より好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下である。

次に種結晶１１の表面が炭化される。すなわち種結晶１１の表面をなすＳｉＣのＳｉ原子が脱離させられる。これにより、第１および第２の面Ｐ１、Ｐ２のそれぞれの上に、第１および第２の炭化層２２ａ、２２ｂが形成される。第１および第２の炭化層２２ａ、２２ｂの各々の厚さは、炭化工程の温度、圧力、および時間の調整によって制御することができ、たとえば０．５μｍ以上１０μｍ以下とされる。なお図示していないが、この炭化は、第１および第２の面Ｐ１、Ｐ２に加えて、第１および第２の面をつなぐ側面Ｐ３に対しても生じてよい。

好ましくは、上記の炭化は、種結晶１１を加熱することによって行なわれる。好ましくは、加熱温度は、１５００℃以上２５００℃以下とされる。加熱温度が１５００℃以下であると炭化が進行せず、２５００℃以上であると種結晶１１からの昇華が激しく発生することで、種結晶１１の表面が荒れてしまう。また加熱の際の雰囲気圧力は、好ましくは大気圧よりも低くされる。なおこの雰囲気は不活性ガス雰囲気であってもよい。

次に第２の炭化層２２ｂが研磨工程によって除去される。この研磨工程として、炭化膜２２ｂが設けられた第２の面Ｐ２に対して、たとえば、研削、ラッピング、機械研磨、およびＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)が順次行われる。好ましくは、この研磨工程によって第２の面Ｐ２の表面粗さは１０ｎｍ以下とされる。この表面粗さの値は、算術平均粗さＲａで定義されるものである。

図２を参照して、種結晶１１が取り付けられることになる取付面を有する台座４１が準備される。この取付面は、好ましくは炭素からなる面を含む。たとえば台座４１はグラファイトによって形成されている。好ましくは、取付面の平坦性を向上させるために、この取付面が研磨される。

次に接着剤３１を挟んで第１の炭化層２２ａと台座４１とが互いに接触させられる。好ましくはこの接触は、５０℃以上１２０℃以下の温度で、また０．０１Ｐａ以上１ＭＰａ以下の圧力で両者が互いを押し付け合うように行われる。また接着剤３１が種結晶１１および台座４１に挟まれた領域からはみ出さないにようにされると、後述する、種結晶１１を用いた単結晶の成長工程において、接着剤３１による悪影響を抑制することができる。

接着剤３１は、好ましくは、加熱により炭化されることで難黒鉛化炭素となる樹脂と、耐熱性微粒子と、溶媒とを含み、より好ましくは、さらに炭水化物を含む。

難黒鉛化炭素となる樹脂は、たとえば、ノボラック樹脂、フェノール樹脂、またはフルフリルアルコール樹脂である。

耐熱性微粒子は、接着剤３１が高温加熱されることで形成される固定層中において、上記の難黒鉛化炭素を均一に分布させることでこの固定層の充填率を高める機能を有する。耐熱性微粒子の材料としては、グラファイトなどの炭素（Ｃ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの耐熱材料を用いることができる。またこれ以外の材料として、高融点金属、またはその炭化物もしくは窒化物などの化合物を用いることもできる。高融点金属としては、たとえば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、またはハフニウム（Ｈｆ）を用いることができる。耐熱性微粒子の粒径は、たとえば０．１〜１０μｍである。

炭水化物としては、糖類またはその誘導体を用いることができる。この糖類は、グルコースのような単糖類であっても、セルロースのような多糖類であってもよい。

溶媒としては、上記の樹脂および炭水化物を溶解・分散させることができるものが適宜選択される。またこの溶媒は、単一の種類の液体からなるものに限られず、複数の種類の液体の混合液であってもよい。たとえば、炭水化物を溶解させるアルコールと、樹脂を溶解させるセロソルブアセテートとを含む溶媒が用いられてもよい。

接着剤３１中における、樹脂、炭水化物、耐熱性微粒子、および溶媒の間の比率は、種結晶１１の適切な接着と固定強度とが得られるように適宜選択される。また接着剤３１の成分は、上述した成分以外の成分を含んでもよく、たとえば、界面活性剤および安定剤などの添加材を含んでもよい。また接着剤３１の塗布量は、好ましくは、１０ｍｇ／ｃｍ²以上１００ｍｇ／ｃｍ²以下である。また接着剤３１の厚さは、好ましくは１００μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以下である。

次に、好ましくは接着剤３１のプリベークが行われる。プリベークの温度は、好ましくは１５０℃以上である。

さらに図３を参照して、接着剤３１（図２）が加熱される。この加熱によって、炭化層２２ａおよび台座４１の間において接着剤３１が硬化されることで固定層３２となる。これにより種結晶１１が台座４１に固定される。

好ましくは上記の加熱は、８００℃以上１８００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間で、０．１３ｋＰａ以上大気圧以下の圧力で、また不活性ガス雰囲気中で行なわる。不活性ガスとしては、たとえば、ヘリウム、アルゴン、または窒素ガスが用いられる。

図４を参照して、グラファイト製の坩堝４２内に、ＳｉＣ粉末からなる原料５１が収められる。次に坩堝４２の内部へ種結晶１１が面するように、台座４１が取り付けられる。なお図４に示すように、台座４１が坩堝４２の蓋として機能してもよい。

次に、昇華再結晶法によって、種結晶１１上に単結晶５２が成長させられる。すなわち、図中矢印で示すように原料５１を昇華させることで種結晶１１上に昇華物を堆積させることで、単結晶５２が成長させられる。この昇華再結晶法における温度は、たとえば、２１００℃以上２５００℃以下とされる。またこの昇華再結晶法における圧力は、好ましくは１．３ｋＰａ以上大気圧以下とされ、より好ましくは、成長速度を高めるために１３ｋＰａ以下とされる。

図５を参照して、第１の比較例においては、炭化層２２ａ（図３）を介することなく、種結晶１１が台座４１に固定層３２によって接着される。本比較例では、種結晶１１の材料によっては、種結晶１１と台座４１との間の固定の強度が不十分となることがある。炭素系接着剤の硬化によって形成される固定層による接着強度は、ＳｉＣの成長に通例用いられる２０００℃程度の温度下において低下しやすい。この結果、種結晶１１の一部または全部が台座から外れてしまうことで、得られる単結晶の品質が低下することがある。またＳｉＣ種結晶１１と、グラファイト製の台座４１とを固定層３２のみによって強固に固定することは、両者の材質上、困難である。たとえば、炭素系接着剤の硬化によって形成される固定層は、炭素材料（グラファイト）同士を高強度で接着することは可能であるものの、炭素材料とＳｉＣとを同程度の強度で接着することはできない。

これに対して本実施の形態によれば、種結晶１１上に炭化層２２ａが設けられており、固定層３２は、この炭化層２２ａと台座４１との間を固定している。つまり固定層３２は、種結晶１１ではなく炭化層２２ａに接合されている。よって種結晶１１の材料に直接的には依存せずに接着が行われるので、種結晶１１と台座４１とをより強固に固定し得る。特に台座４１がグラファイトなどの炭素から形成される場合、台座４１および炭化層２２ａが共に炭素から形成されるので、炭素系の接着剤を用いて両者を強固に接着することができる。

図６を参照して、第２の比較例においては、０．５〜５μｍ厚の炭素膜２９が設けられた種結晶１１が台座４１に、機械的な固定治具３３によって固定される。本比較例では、種結晶１１の材料と台座４１の材料との間の熱膨張係数の差異に起因して、種結晶１１と台座４１との間に、具体的には炭素膜２９および台座４１の界面に、隙間が生じ得る。この隙間の分布に対応して種結晶１１の成長面内に温度分布が生じると、均一な単結晶が得られなくなる。またこの隙間へ種結晶１１から昇華によりＳｉの移動が生じると、種結晶１１の成長面内に組成分布が生じ、この結果、均一な単結晶が得られなくなることがある。このＳｉの移動は０．５〜５μｍ厚程度の炭素膜２９では十分に抑制することができず、その結果、種結晶１１内にＳｉが欠乏した領域が生じる。このようにＳｉが欠乏した領域上においては、所望の単結晶成長が行われず、特にマイクロパイプ欠陥が生じやすい。

これに対して本実施の形態によれば、種結晶１１の固定が、機械的な治具によってではなく、炭化層２２ａと固定層３２との間の均一かつ強固な接合によって行われる。よって上記のような隙間が生じにくいので、種結晶１１における組成分布および温度分布の発生が抑制されることで、より均一に単結晶５２を製造することができる。なおこの温度分布は、種結晶１１の第１の面Ｐ１および台座４１の取付面のいずれかまたは両方の研磨が行われることで、より抑制され得る。

なお本実施の形態においては、接着剤３１が塗布される前に第２の炭化層２２ｂが除去されたが、第２の炭化層２２ｂは、単結晶５２が成長させられる前に除去されればよい。

また単結晶５２を用いてＳｉＣ基板が製造されてもよい。このような基板は、たとえば、単結晶５２をスライスすることによって得られる。

（実施例）
図１を参照して、種結晶１１として、厚さ約３ｍｍ、直径６０ｍｍ、ポリタイプ４Ｈ、面方位（０００−１）の第１の面Ｐ１、面方位（０００−１）の第２の面Ｐ２を有するＳｉＣ基板が準備された。この種結晶１１の第１の面Ｐ１側が、粒径約１５μｍを有するダイヤモンドスラリーを用いて機械的に研磨された。

次に種結晶１１が、雰囲気圧力１Ｐａの下で３時間に渡って２０００℃で加熱された。これにより、第１および第２の面Ｐ１、Ｐ２のそれぞれが炭化されることで、ともに５μｍ厚の第１および第２の炭化層２２ａ、２２ｂが形成された。

次に炭化膜２２ｂが設けられた第２の面Ｐ２に対して、研削、ラッピング、機械研磨、およびＣＭＰが順次行われた。これにより第２の炭化層２２ｂが除去され、また第２の面Ｐ２の表面粗さが１０ｎｍ以下とされた。

図２を参照して、種結晶１１が取り付けられることになる取付面を有するグラファイト製の台座４１が準備された。次にこの取付面がダイヤモンドスラリーを用いて研磨された。

次に、フェノール樹脂、フェノール、エチルアルコール、ホルムアルデヒド、水分、固形カーボン成分を含む接着剤３１が準備された。この接着剤３１を挟んで第１の炭化層２２ａと台座４１とが互いに接触させられた。接着剤３１の塗布量は約２５ｍｇ／ｃｍ²、厚さは約４０μｍとされた。この接触は、１００℃および０．１ＭＰａの条件で行われた。

次に接着剤３１がプリベークされた。具体的には、８０℃で４時間、１２０℃で４時間、２００℃で１時間の熱処理が順次行われた。

次に接着剤３１が加熱された。この加熱は、１１５０℃で、１時間に渡って、８０ｋＰａのヘリウムガス雰囲気中で行なわた。この加熱によって接着剤３１が炭化されることで、炭素からなる固定層３２（図３）が形成された。

図４を参照して、グラファイト製の坩堝４２内に、原料５１としてＳｉＣ粉体が収められた。次に坩堝４２の内部へ種結晶１１が面するように、かつ台座４１が坩堝４２の蓋として機能するように、台座４１が取り付けられた。

次に、昇華再結晶法によって、種結晶１１上にＳｉＣ単結晶５２が成長させられた。成長条件は、温度２４００℃、圧力１．７ｋＰａ、時間３００時間とされた。

次に、得られたＳｉＣ単結晶５２をスライスすることで、ＳｉＣ基板を得た。このＳｉＣ基板の表面を評価したところ、ボイド密度は０／ｃｍ²、マイクロパイプ密度は１／ｃｍ²であった。

（比較例）
第１の比較例（図５）の場合、昇華再結晶法を行うための昇温中、または単結晶の成長中に、３分の１の確率で種結晶１１が台座４１から落下した。この落下が生じなかった場合において得られたＳｉＣ基板の表面を評価したところ、ボイド密度は１０／ｃｍ²、マイクロパイプ密度は５０／ｃｍ²であった。

第２の比較例（図６）の場合、得られたＳｉＣ基板の表面を評価したところ、ボイド密度は１２０／ｃｍ²、マイクロパイプ密度は３００／ｃｍ²であった。

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。

１１種結晶、２２ａ，２２ｂ炭化層、２９炭素膜、３１接着剤、３２固定層、３３固定治具、４１台座、４２坩堝、５１原料、５２単結晶。

Claims

第１および第２の面を有し、かつ炭化珪素からなる種結晶を準備する工程と、
前記第１の面上に第１の炭化層が形成されるように、前記種結晶の表面を炭化する工程と、
接着剤を挟んで前記第１の炭化層と台座とを互いに接触させる工程と、
前記種結晶を前記台座に固定するために前記接着剤を硬化させる工程と、
前記台座に固定された前記種結晶の前記第２の面上に単結晶を成長させる工程とを備える、単結晶の製造方法。
前記炭化する工程は、前記第２の面上に第２の炭化層が形成されるように行われ、
前記成長させる工程の前に、前記第２の炭化層を除去する工程をさらに備える、請求項１に記載の単結晶の製造方法。
前記除去する工程は、前記第２の面上を研磨することによって行われる、請求項２に記載の単結晶の製造方法。
前記除去する工程は、前記第２の面の表面粗さを１０ｎｍ以下とするように行われる、請求項２または３に記載の単結晶の製造方法。
前記炭化する工程は、前記種結晶を加熱する工程を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶の製造方法。
前記加熱する工程は、１５００℃以上２５００℃以下の温度で行なわれる、請求項５に記載の単結晶の製造方法。
前記炭化する工程は、大気圧よりも低い圧力下で行われる、請求項１〜６のいずれかに記載の単結晶の製造方法。
前記炭化する工程の前に、前記第１の面を研磨する工程をさらに備える、請求項１〜７のいずれかに記載の単結晶の製造方法。
前記接触させる工程の前に、前記台座を研磨する工程をさらに備える、請求項１〜８のいずれかに記載の単結晶の製造方法。
前記接着剤は、加熱されることによって難黒鉛化炭素となる樹脂と、耐熱性微粒子と、溶媒とを含む、請求項１〜９のいずれかに記載の単結晶の製造方法。
前記接着剤は炭水化物を含む、請求項１０に記載の単結晶の製造方法。
前記台座の前記種結晶に面する面は炭素からなる面を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の単結晶の製造方法。