JP2011251885A - 炭化ケイ素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 単結晶全体で均一な不純物の含有濃度を有する炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】 炭化ケイ素を含有する炭化ケイ素含有原料に所定の不純物２５を添加して昇華用原料１３を作製し、昇華用原料１３を坩堝７内に収容したのち、昇華用原料１３を加熱して発生させた昇華ガスによって炭化ケイ素からなる種結晶２３上に、不純物２５を含む単結晶を成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法である。炭化ケイ素含有原料に対する不純物２５の添加量を変えて不純物の含有濃度が異なる複数の昇華用原料１３ａ，１３ｂを作製するステップと、複数の昇華用原料のうち含有濃度が低い昇華用原料１３ｂを加熱温度が高い坩堝７内の高温部Ｈに配置し、含有濃度が高い昇華用原料１３ａを加熱温度が低い坩堝７内の低温部Ｌに配置するステップとを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化ケイ素単結晶の製造方法に関する。

炭化ケイ素単結晶を製造する方法として昇華法が知られている。この昇華法において、炭化ケイ素単結晶に所定値の抵抗値を付与する場合など単結晶の物性を変える場合は、昇華用原料にドーパントと呼ばれる不純物を添加して昇華ガス中に不純物を添加することにより、成長する単結晶中に不純物を含ませるドーピングが行われている（例えば、特許文献１参照）。ここで、一般には、不純物は昇華用原料中に均一に添加する。

特開２００６−２９０６３５号公報

しかしながら、昇華用原料に添加された不純物は、加熱によって徐々に濃度が低くなるため、単結晶の成長初期には不純物の濃度が高いが、成長後期には不純物の濃度が低くなるという特性がある。従って、成長した単結晶における種結晶近傍の部位は、不純物の濃度が高く、成長後期に形成された部位（種結晶から離れた部位）では不純物濃度が低くなり、単結晶全体で不純物の濃度を均一にすることは困難であった。

そこで、本発明の目的は、単結晶全体で均一な不純物の濃度を有する炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供することにある。

前述した課題を解決するため、本発明は次のような特徴を有している。本発明の第１の特徴は、所定の不純物（不純物２５）を含む昇華用原料（昇華用原料１３）を作製し、該昇華用原料を坩堝（坩堝７）内に収容したのち、前記昇華用原料を加熱して発生させた昇華ガスによって炭化ケイ素からなる種結晶（種結晶２３）上に、前記不純物を含む単結晶を成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、前記不純物の含有濃度が異なる複数の昇華用原料を作製するステップと、前記複数の昇華用原料のうち不純物の含有濃度が低い昇華用原料（含有濃度が低い昇華用原料１３ｂ）を加熱温度が高い坩堝内の高温部（高温部Ｈ）に配置し、前記不純物の含有濃度が高い昇華用原料（含有濃度が高い昇華用原料１３ａ）を加熱温度が低い坩堝内の低温部（低温部Ｌ）に配置するステップと、を含むことを要旨とする。

従って、成長した単結晶中における不純物の含有濃度も、全部位においてほぼ一定に保持される。すなわち、不純物は加熱によって徐々に濃度が低下するが、単結晶の成長初期は、高温部に配置された不純物の含有濃度が低い昇華用原料から主に昇華ガスが発生するため、昇華ガス中の不純物の含有濃度の上昇が抑えられる。一方、単結晶の成長後期では、高温部の昇華用原料が消失するか又はほとんどなくなるため、低温部に配置された不純物の含有濃度が高い昇華用原料から主に昇華ガスが発生する。しかし、成長後期は、成長初期から一定の時間が経過しているため、昇華用原料中の不純物の含有濃度が低くなっており、昇華ガス中の含有濃度の上昇が抑えられる。従って、成長初期から中間期を経て成長後期に至るまで、昇華ガス中の不純物の含有濃度および成長した単結晶中における不純物の含有濃度は、ほぼ一定に保たれる。

本発明の第２の特徴は、前記坩堝の内側面は円筒状に形成され、この坩堝内に前記昇華用原料を収容し、前記坩堝の外側から前記昇華用原料を加熱する炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、前記複数の昇華用原料のうち不純物の含有濃度が低い昇華用原料を前記坩堝内の内周面側に円筒状に配置し、不純物の含有濃度が高い昇華用原料を前記坩堝内の中央部に円柱状に配置することを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、前記不純物の含有濃度が高い昇華用原料と前記不純物の含有濃度が低い昇華用原料とを仕切り部材（仕切り部材２７）を介して分離することを要旨とする。

本発明に係る炭化ケイ素単結晶の製造方法によれば、不純物の含有濃度が単結晶全体で均一な炭化ケイ素単結晶を得ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造装置を示す断面図である。 図２は、図１の昇華用原料を示す斜視図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線による断面図である。 図４は、炭化ケイ素単結晶の製造装置における高温部と低温部を示す断面図である。 図５は、本発明の変更例に係る製造装置を用いた昇華用原料の配置状態を示す斜視図である。 図６は、図５のＢ−Ｂ線による断面図である。 図７は、図６のＣ−Ｃ線による断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造方法の詳細を図面に基づいて説明する。具体的には、（１）炭化ケイ素単結晶の製造装置の全体構成、（２）本実施形態に係る昇華用原料、（３）変更例、（４）実施例、（５）作用効果、（６）その他の実施形態について説明する。図面は模式的なものであり、各材料層の厚みやその比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

（１）炭化ケイ素単結晶の製造装置１の全体構成
本実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造装置１の全体構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造装置を示す断面図である。
炭化ケイ素単結晶の製造装置１は、蓋体３および坩堝本体５を有する坩堝７と、坩堝７を覆う断熱材９と、断熱材９の外側に巻回された誘導加熱コイル１１とを備える。

坩堝本体５は、上端部が開口されて、開口が蓋体３によって塞がれている。おり、坩堝本体５の材質は、黒鉛である。底部１５には、炭化ケイ素の粉体と後述する不純物とを混合させた昇華用原料１３が収容されている。また、坩堝本体５の内側面１７は、円筒状に形成されている。

蓋体３は、坩堝本体５の上端部の開口を封鎖するように、坩堝本体５の上端部に螺合されている。蓋体３の材質は、黒鉛である。蓋体３の下面の中央部には、下方に突出する円盤状の種結晶取付部２１が一体形成されている。なお、蓋体３の材質は、黒鉛であり、種結晶取付部２１の下面に種結晶２３が取り付けられている。

誘導加熱コイル１１は、断熱材９および断熱材９に覆われた坩堝７の全体の外周側に螺旋状に巻回されている。この誘導加熱コイル１１に電流を流すと、誘導電流が坩堝７の側壁を流れるため、この側壁を介して内部の昇華用原料１３および種結晶２３が加熱される。

（２）本実施形態に係る昇華用原料１３
次に、本実施形態に係る昇華用原料１３を図２，３を用いて説明する。図２は、図１の昇華用原料を示す斜視図、図３は、図２のＡ−Ａ線による断面図である。

図２，３に示すように、本実施形態に係る昇華用原料１３は、円柱状に形成されており、中央部には円柱状の昇華用原料１３ａが配置され、内周面側には円筒状の昇華用原料１３ｂが配置されている。これらの昇華用原料１３ａ，１３ｂは、炭化ケイ素を含む粉体と不純物とを混合させた混合粉体であり、中央部の昇華用原料１３ａの方が内周面側の昇華用原料１３ｂよりも不純物の含有率が高い。なお、図１〜３において、昇華用原料１３ａ，１３ｂのドットは、不純物２５を示す。従って、点が密の部位は、不純物２５の濃度が高く、点が疎の部位は、不純物２５の濃度が低いことを示す意味する。

不純物２５として、例えば、タングステンやバナジウムなどの遷移金属を好適に適用できる。特に、融点又は沸点の高い元素を用いることが好ましい。なお、窒素などの遷移金属以外の元素も不純物として適用可能である。また、昇華用原料１３ａにおける不純物２５の含有濃度は、例えば、０．０５体積％（ｖｏｌ％）であり、昇華用原料１３ｂにおける不純物２５の含有濃度は、例えば、０．０２体積％（ｖｏｌ％）である。

次に、本実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造方法を簡単に説明する。まず、炭化ケイ素を含有する炭化ケイ素含有原料に所定の不純物２５を添加する。ここで、炭化ケイ素含有原料に対する不純物２５の添加量を変えることによって、不純物の含有濃度が異なる複数の昇華用原料を作製することができる。本実施形態では、２種類の昇華用原料とする。

そして、図１〜３に示すように、２種類の昇華用原料のうち不純物の含有濃度が低い昇華用原料１３ｂを坩堝７内の内周面側に配置し、不純物の含有濃度が高い昇華用原料１３ａを坩堝７の中央部に配置する。即ち、不純物の含有濃度が低い昇華用原料１３ｂは、内周面側の円筒状に配置し、不純物の含有濃度が高い昇華用原料１３ａは、中央部に配置することにより、昇華用原料全体としては円柱状に形成される。

ここで、図４に示すように、坩堝７の内側面１７は円筒状に形成されており、坩堝７の外側に誘導加熱コイル１１が螺旋状に配置されているため、坩堝７内における高温部Ｈは細かいピッチのハッチングを付けた内周面側の円筒部の部位であり、低温部Ｌは、粗いピッチのハッチングを付けた中央部の円柱部の部位である。そして、坩堝７内の高温部Ｈには、不純物の含有濃度が低い昇華用原料１３ｂが配置され、低温部Ｌには、不純物の含有濃度が高い昇華用原料１３ａが配置される。

この後、誘導加熱コイル１１に電流を流して坩堝７内の昇華用原料１３および種結晶２３を加熱すると昇華ガスが発生する。坩堝７内には、上述のように高温部Ｈと低温部Ｌとが形成されるため、高温部Ｈに配置された昇華用原料１３ｂから昇華ガスが多く発生し、低温部Ｌに配置された昇華用原料１３ａからは、昇華用原料１３ｂから発生する昇華ガスよりも少量のガスが発生する。高温部Ｈの昇華用原料１３ｂが消失した後は、低温部Ｌの昇華用原料１３ａのみから昇華ガスが発生する。

上述のように、不純物２５の濃度は、加熱によって徐々に低下するが、単結晶の成長初期には、高温部Ｈに配置された不純物の含有濃度が低い昇華用原料１３ｂから主に昇華ガスが発生する。このため、昇華ガス中の不純物の含有濃度上昇が抑えられる。一方、単結晶の成長後期には、高温部Ｈの昇華用原料１３ｂが消失するため、低温部Ｌに配置された不純物の含有濃度が高い昇華用原料１３ａから昇華ガスが発生する。

しかし、成長後期では、成長初期から一定の時間が経過しているため、昇華用原料中の不純物の含有濃度が低くなっており、昇華ガス中の不純物の含有濃度の上昇が抑えられる。従って、成長初期から中間期を経て成長後期に至るまで、昇華ガス中の不純物の含有濃度は、ほぼ一定に保たれる。昇華ガスは、種結晶２３の上に堆積して単結晶が成長するため、成長した単結晶中における不純物の含有濃度も、全部位においてほぼ一定に保持される。

（３）変更例
次に、変更例に係る製造装置を用いた昇華用原料１１３の配置状態について図５〜７を用いて説明する。図５は、本発明の変更例に係る製造装置を用いた昇華用原料１１３の配置状態を示す斜視図、図６は、図５のＢ−Ｂ線による断面図、及び図７は、図６のＣ−Ｃ線による断面図である。

変更例に係る製造装置では、不純物の含有濃度が高い昇華用原料１１３ａと不純物の含有濃度が低い昇華用原料１１３ｂとを分離する仕切り部材２７が坩堝７内に設けられている。仕切り部材２７は、黒鉛からなると共に円筒状に形成されており、坩堝本体５の底部１５に固定されている。そして、図２〜図３に示したような昇華用原料１１３について、不純物の含有濃度が低い昇華用原料１１３ｂを仕切り部材２７の外方に配置し、不純物の含有濃度が高い昇華用原料１１３ａを仕切り部材２７の内方に配置する。

（４）実施例
（４−１）実施例
次いで、実施例を通して本発明を更に具体的に説明する。まず、タンタルの含有濃度の異なる原料粉を２種類作製した。具体的には、炭化ケイ素からなる原料粉にタンタルの粉末を添加してタンタル濃度が０．０５％の原料粉Ａと、炭化ケイ素からなる原料粉にタンタルの粉末を添加してタンタル濃度が０．０２％の原料粉Ｂとを作製した。タンタル濃度において、原料粉Ａ＞原料粉Ｂとした。それぞれの原料粉Ａ，Ｂにおいては、タンタル粉末が炭化ケイ素粉末に対して均一に混合された。

図５〜図７に示したように、原料粉Ａを仕切り部材の内周側に封入し、原料粉Ｂを仕切り部材の内周面側に封入した。この仕切り部材は、厚さ１ｍｍの黒鉛から形成されており、それぞれの封入量は、体積比で１：１とした。

この後、昇華用原料および種結晶を加熱して昇華ガスを発生させ、種結晶上に単結晶を成長させて得られた単結晶をスライスした。その結果、成長開始直後のウエハ中における不純物の含有濃度は、８×１０^１５／ｃｍ^３であり、成長末期におけるウエハの不純物の含有濃度は、１×１０^１５／ｃｍ^３であった。

（４−２）比較例
次に、比較例に係る結晶成長を行った。原料粉Ｂのみを坩堝内に充填し、実施例と同一条件（加熱温度や時間等）で結晶成長を行った。成長結晶の大きさは、実施例とほぼ同一であり、成長結晶を切り出したウエハ中の不純物の含有濃度を調べたところ、成長開始直後のウエハ中における不純物の含有濃度は、１×１０^１６／ｃｍ^３であり、成長末期におけるウエハの不純物の含有濃度は、３×１０^１４／ｃｍ^３であった。

これらの結果より、実施例の方が比較例よりも不純物の含有濃度の変化（差異）が小さくなることが判明した。

（５）作用・効果
本実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造方法によれば、所定の不純物２５を含有する昇華用原料１３を作製し、昇華用原料１３を坩堝７内に収容したのち、昇華用原料１３を加熱して発生させた昇華ガスによって炭化ケイ素からなる種結晶２３上に、不純物２５を含む単結晶を成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、不純物の含有濃度が異なる複数の昇華用原料１３ａ，１３ｂを作製するステップと、複数の昇華用原料のうち不純物の含有濃度が低い昇華用原料１３ｂを加熱温度が高い坩堝７内の高温部Ｈに配置し、不純物の含有濃度が高い昇華用原料１３ａを加熱温度が低い坩堝７内の低温部Ｌに配置するステップとを含む。

従って、成長した単結晶中における不純物の含有濃度も、全部位においてほぼ一定に保持される。すなわち、不純物２５は加熱によって徐々に濃度が低下するが、単結晶の成長初期は高温部Ｈに配置された不純物の含有濃度が低い昇華用原料１３ｂから主に昇華ガスが発生するため、昇華ガス中の不純物の含有濃度の上昇が抑えられる。一方、単結晶の成長後期には、高温部Ｈの昇華用原料１３ｂが消失するため、低温部Ｌに配置された不純物の含有濃度が高い昇華用原料１３ａから昇華ガスが発生する。

成長後期は、成長初期から一定の時間が経過しているため、昇華用原料中の不純物の含有濃度が低くなっており、昇華ガス中の不純物の含有濃度が抑えられる。従って、成長初期から中間期を経て成長後期に至るまで、昇華ガス中の不純物の含有濃度及び成長した単結晶中における不純物の含有濃度がほぼ一定に保たれる。

本実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造方法は、坩堝７の内側面１７は円筒状に形成され、この坩堝７内に昇華用原料１３を収容し、坩堝７の内周面側から昇華用原料１３を加熱する炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、複数の昇華用原料のうち不純物の含有濃度が低い昇華用原料１３ｂを坩堝７内の内周面側に円筒状に配置し、不純物の含有濃度が高い昇華用原料１３ａを坩堝７内の中央部に円柱状に配置する方法である。

このように、不純物の含有濃度が低い昇華用原料１３ｂと不純物の含有濃度が高い昇華用原料１３ａとが坩堝７の中心を基準として同心円状に配置されている。また、坩堝７の内周面側から加熱するため、坩堝７の内部では、内周面側が高温部Ｈで内周側が低温部Ｌに構成されている。従って、不純物の含有濃度が低い昇華用原料１３ｂを坩堝７内の高温部Ｈに確実に配置し、不純物の含有濃度が高い昇華用原料１３ａを確実に低温部Ｌに配置することができる。

本実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造方法は、不純物の含有濃度が高い昇華用原料１１３ａと不純物の含有濃度が低い昇華用原料１１３ｂとを仕切り部材２７を介して分離する方法である。このように、仕切り部材２７を用いるため、昇華用原料１１３ａ，１１３ｂが粉体の状態でも両者を確実に分離して配置することができる。

すなわち、仕切り部材２７がない場合、昇華用原料１１３ａ，１１３ｂを粉体にするとそれぞれの形状を円柱状、円筒状に形成することができない。従って、昇華用原料１１３ａ，１１３ｂを加圧成形して仮焼等することにより所定の硬度を保持する必要がある。この点、仕切り部材２７がある場合は、加圧成形や仮焼等の必要がない。

（６）その他の実施形態
前述した実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

本実施形態においては、不純物の含有濃度が高い昇華用原料と含有濃度が低い昇華用原料の２種類に分けたが、これに限定されず、異なった３種類以上の含有濃度の昇華用原料に分けても良い。また、不純物の含有濃度を変える場合は、原料粉に不純物を直接添加し、この添加量を変えても良いが、不純物からなる粉末または不純物を含む化合物の粉末を原料粉に混合させ、この混合量を適宜変えても良い。さらに、実施形態では、高温部Ｈは坩堝内の内周面側で、低温部Ｌは坩堝内の中央部としたが、これに限定されず、加熱手段の配置等をかえることによって高温部と低温部の位置を変更することができる。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…炭化ケイ素単結晶の製造装置、 ３…蓋体、 ５…坩堝本体、 ７…坩堝、 ９…断熱材、 １１…誘導加熱コイル、 １３…昇華用原料、 １３ａ，１３ｂ…昇華用原料、 １５…底部、 １７…内側面、 ２１…種結晶取付部、 ２３…種結晶、 ２５…不純物、 ２７…部材、 １１３…昇華用原料、 １１３ａ，１１３ｂ…昇華用原料、 Ａ，Ｂ…原料粉、 Ｈ…高温部、 Ｌ…低温部

Claims (3)

1. 所定の不純物を含む昇華用原料を作製し、前記昇華用原料を坩堝内に収容し、前記昇華用原料を加熱して発生させた昇華ガスによって、炭化ケイ素からなる種結晶上に前記不純物を含む単結晶を成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、
   前記不純物の含有濃度が異なる複数の昇華用原料を作製するステップと、
   前記複数の昇華用原料のうち不純物の含有濃度が低い昇華用原料を加熱温度が高い坩堝内の高温部に配置し、前記不純物の含有濃度が高い昇華用原料を加熱温度が低い坩堝内の低温部に配置するステップと、
   を含む炭化ケイ素単結晶の製造方法。
2. 前記坩堝の内側面が円筒状に形成されており前記昇華用原料を前記坩堝内に収容し、前記坩堝の内周面側から前記昇華用原料を加熱する炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、
   前記複数の昇華用原料のうち不純物の含有濃度が低い昇華用原料を前記坩堝内の内周面側に円筒状に配置し、不純物の含有濃度が高い昇華用原料を前記坩堝内の中央部に円柱状に配置する請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法。
3. 前記不純物の含有濃度が高い昇華用原料と前記不純物の含有濃度が低い昇華用原料とを仕切り部材を介して分離する請求項１または２に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法。

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