JP2013189355A

JP2013189355A - 炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置

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Publication number: JP2013189355A
Application number: JP2012058194A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Inoue; 博揮井上; Makoto Sasaki; 信佐々木; Makoto Harada; 真原田; Shinsuke Fujiwara; 伸介藤原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-26
Also published as: US20130239881A1

Abstract

【課題】ルツボ内における炭化珪素単結晶の成長条件の変化を抑制することで、安定的に炭化珪素単結晶を成長させることができる炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】昇華法による直径が１００ｍｍより大きくかつ最大高さが２０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶の製造方法であって、以下の工程を有する。炭化珪素から成る種基板３と炭化珪素原料７とが準備される。炭化珪素原料７を昇華させることによって、種基板３の成長面８上に炭化珪素単結晶が成長される。炭化珪素単結晶を成長させる工程において、種基板３の側壁５に対向する位置に設けられた第１のカーボン部材１が０．１ｍｍ／時間以下の速度でエッチングされる。
【選択図】図１

Description

この発明は、炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置に関し、より特定的には種基板の成長面上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置に関する。

近年、半導体装置の製造用に炭化珪素基板が用いられ始めている。炭化珪素は珪素に比べて大きなバンドギャップを有する。そのため、炭化珪素基板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劣化が小さいといった利点を有する。

上記のような炭化珪素基板を製造する方法として、たとえば特開平５−５８７７４号公報（特許文献１）には、昇華法によって炭化珪素単結晶基板を製造する方法が記載されている。当該方法によれば、炭素から成るルツボ内に配置された炭化珪素原料を高温で昇華させて、炭化珪素原料とは反対側に配置された種基板上に昇華ガスを再結晶させることにより炭化珪素単結晶が成長される。

特開平５−５８７７４号公報

しかしながら、特開平５−５８７７４号公報に記載の方法で炭化珪素単結晶を成長させると、ルツボの側面部がエッチングされてしまう。ルツボの側面部がエッチングされると、ルツボ内における炭化珪素単結晶の成長条件が変化してしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ルツボ内における炭化珪素単結晶の成長条件の変化を抑制することで、安定的に炭化珪素単結晶を成長させることができる炭化珪素単結晶の製造方法および製造装置を提供することである。

ルツボの側面部がエッチングされる理由の一つとして以下のことが考えられる。炭化珪素原料が昇華すると、ルツボ内の種基板の周囲に炭化珪素ガス、珪素ガスおよび炭素ガスが発生する。炭化珪素ガスが種基板上で再結晶化を始めると、種基板の周囲では相対的に珪素ガスが多くなり炭素ガスが少なくなる。すると、種基板の周囲における雰囲気ガスの平衡状態を保つために、種基板の周囲に存在する炭素から成るルツボの側面部がエッチングされる。

発明者らは鋭意研究の結果、ルツボの側面部のエッチングは、種基板上に成長する炭化珪素単結晶が大口径化する程、顕著になることを見出した。

そこで、本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、昇華法による直径が１００ｍｍより大きくかつ最大高さが２０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶の製造方法であって、以下の工程を有する。炭化珪素から成る種基板と炭化珪素原料が準備される。炭化珪素原料を昇華させることによって種基板の成長面上に炭化珪素単結晶が成長される。炭化珪素単結晶を成長させる工程において、種基板の側壁に対向する位置に設けられた第１のカーボン部材は０．１ｍｍ／時間以下の速度でエッチングされる。

本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、種基板の側壁に対向する位置に設けられた第１のカーボン部材は０．１ｍｍ／時間以下の速度でエッチングされる。カーボン部材がエッチングされる速度が小さいので、ルツボ内の炭化珪素単結晶の成長条件の変化が小さい。それゆえ、安定的に炭化珪素単結晶を成長させることができる。

上記の炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶を成長させる工程において、第１のカーボン部材は０．０５ｍｍ／時間以下の速度でエッチングされる。これにより、より安定的に炭化珪素単結晶を成長させることができる。

上記の炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶の最大高さが５０ｍｍ以上である。これにより、最大高さが５０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶を得ることができる。

上記の炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶を成長させる工程の前に、種基板と炭化珪素原料との間に第２のカーボン部材を配置する工程をさらに有している。炭化珪素単結晶を成長させる工程において、第１のカーボン部材のエッチング速度は第２のカーボン部材のエッチング速度よりも遅い。

上記の炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、第１のカーボン部材のエッチング速度は、第２のカーボン部材のエッチング速度よりも遅いので、第１のカーボン部材であるルツボの側面部のエッチングを抑制することができる。

上記の炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、種基板の成長面から第２のカーボン部材までの距離は、種基板の成長面の中心から第１のカーボン部材までの距離よりも短い。これにより、第２のカーボン部材が第１のカーボン部材よりも優先的にエッチングされるので、第１のカーボン部材であるルツボの側面部のエッチングを抑制することができる。

上記の炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、第２のカーボン部材には、炭化珪素原料から昇華した炭化珪素ガスが炭化珪素原料側から種基板側へ流通するための流通路が形成されている。流通路は、種基板の成長面に対向する位置に設けられている。これにより、昇華した炭化珪素ガスが流通路を通って種基板側へ移動することができる。

本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造装置は、炭化珪素単結晶が成長するための成長面を有する種基板を用いて炭化珪素単結晶を製造するための炭化珪素単結晶の製造装置であって、ルツボと、第２のカーボン部材とを有している。ルツボは、種基板の側壁に対向する位置に配置された第１のカーボン部材から成る側面部を有し、炭化珪素原料を収容するためのものである。第２のカーボン部材は、種基板と炭化珪素原料との間に配置されている。第２のカーボン部材は、炭化珪素原料から昇華した炭化珪素ガスが炭化珪素原料側から種基板側へ流通するための流通路を形成している。流通路は、種基板の成長面に対向する位置に設けられている。種基板の成長面から第２のカーボン部材までの距離は、種基板の成長面の中心から種基板の側壁に対向する位置に配置された第１のカーボン部材までの距離よりも短い。

本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造装置によれば、種基板の成長面から第２のカーボン部材までの距離は、種基板の成長面の中心から種基板の側壁に対向する位置に配置された第１のカーボン部材までの距離よりも短い。これにより、第２のカーボン部材が第１のカーボン部材よりも優先的にエッチングされるので、第１のカーボン部材であるルツボの側面部のエッチングを抑制することができる。

本発明によれば、ルツボ内における炭化珪素単結晶の成長条件の変化を抑制することで、安定的に炭化珪素単結晶を成長させることができる。

本発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体の製造装置の構成を概略的に示す断面模式図である。本発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体の製造装置の第２のカーボン部材の構成を概略的に示す平面模式図である。本発明の実施の形態２に係る炭化珪素半導体の製造装置の構成を概略的に示す断面模式図である。本発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体の製造方法を概略的に示すフロー図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。また角度の記載には、全方位角を３６０度とする系を用いている。

（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態の炭化珪素単結晶の製造装置１０は、昇華法により炭化珪素単結晶を成長させるための製造装置１０であって、ルツボ１４と、種基板保持部４と、種基板３と、第２のカーボン部材２とを主に有している。ルツボ１４には炭化珪素原料７が収容されている。ルツボ１４は、炭素部材から成る。炭素部材とはたとえばグラファイトである。ルツボ１４は、第１のカーボン部材１から成る側面部と底部１３とを有している。

ルツボ１４の炭化珪素原料７が収容されている側と反対側には種基板保持部４が設けられている。種基板３は種基板保持部４によって保持されている。種基板３は、炭化珪素単結晶が成長するための成長面８と、成長面８の周囲を覆う側壁５とを有している。種基板３の側壁５に対向する位置には、ルツボ１４の側面部を成す第１のカーボン部材１が配置されている。

第２のカーボン部材２は、炭素部材から形成されており、種基板３と炭化珪素原料７との間に配置されている。炭素部材とはたとえばグラファイトである。第２のカーボン部材２は、たとえば網状である。
また、第２のカーボン部材２は、炭化珪素原料７から昇華した炭化珪素ガスが炭化珪素原料７側から種基板３側へ流通するための流通路６を形成している。流通路６は、種基板３の成長面８に対向する位置に設けられている。種基板３の成長面８から第２のカーボン部材２までの距離Ｌ２は、種基板３の成長面８の中心１１から種基板３の側壁５に対向する位置に配置された第１のカーボン部材１までの距離Ｌ１よりも短い。本実施の形態において、種基板３の成長面８から第２のカーボン部材２までの距離Ｌ２は５０ｍｍである。

図２を参照して、第２のカーボン部材２の構成について説明する。図２は、図１における第２のカーボン部材２を種基板３から炭化珪素原料７の方向に観察した平面図である。

図２に示すように、第２のカーボン部材２には、昇華した炭化珪素ガスが炭化珪素原料７側から種基板３側へ流通するための流通路６が形成されている。流通路６はたとえば円形であって、図中、上下方向、左右方向、斜め方向に一定の間隔をあけて複数個形成されている。本実施の形態においては、流通路６の直径ｂは１１ｍｍであり、ピッチａは１５ｍｍである。また、第２のカーボン部材２の直径Ｄは１７０ｍｍであり、第２のカーボン部材２に形成されている流通路６の個数は９１個である。

なお、流通路６は、種基板３の成長面８に対向する位置に設けられていればよく、流通路６の形状、大きさ、個数、配置などは特に限定されない。たとえば流通路６の形状は、四角形や六角形などの多角形であってもよく、また楕円のような形状であってもよい。また、流通路６の個数は、複数であってもよく、一つであってもよい。さらに、流通路６の配置は、周期性や対称性を有していてもよく、ランダムであってもよい。流通路６の配置は、たとえば３回対称や６回対称であってもよい。

次に、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。
図４を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、昇華法による直径が１００ｍｍより大きく、かつ最大高さが２０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶の製造方法であって、主に、種基板準備工程（Ｓ１０）と、炭化珪素単結晶成長工程（Ｓ２０）とを有している。

まず、種基板準備工程（Ｓ１０）によって、炭化珪素から成る種基板３が準備される。種基板３は、炭化珪素単結晶から成る。種基板３の成長面８はたとえば｛０００１｝面である。成長面８は、｛０００１｝面から、たとえば８°以内程度のオフ角だけ傾斜した面であってもよい。また、当該工程によって炭化珪素原料７が準備される。

次に、炭化珪素単結晶成長工程（Ｓ２０）によって、種基板３の成長面８上に炭化珪素単結晶が成長される。炭化珪素単結晶の成長は昇華法により行われる。ルツボ１４に収容された炭化珪素原料７を昇華させることにより、種基板３の成長面８上で昇華ガスが再結晶化することにより、炭化珪素単結晶が成長面８上に成長する。なお、本実施の形態の炭化珪素単結晶を成長させる工程において、種基板３の側壁５に対向する位置に設けられた第１のカーボン部材１は、０．１ｍｍ／時間以下の速度でエッチングされる。第１のカーボン部材１とは、たとえばルツボ１４の側面部のことである。好ましくは、炭化珪素単結晶を成長させる工程において、第１のカーボン部材１が０．０５ｍｍ／時間以下の速度でエッチングされる。また、本実施の形態の炭化珪素単結晶を成長させる工程において、種基板３の成長面８上に成長する炭化珪素単結晶の最大高さＨは２０ｍｍ以上である。好ましくは、炭化珪素単結晶の最大高さＨは５０ｍｍ以上である。

本実施の形態の製造方法は、炭化珪素単結晶を成長させる工程の前に、種基板３と炭化珪素原料７との間に第２のカーボン部材２が配置される。炭化珪素単結晶を成長させる工程において、第１のカーボン部材１のエッチング速度は第２のカーボン部材２のエッチング速度よりも遅い。好ましくは、種基板３の成長面８から第２のカーボン部材２までの距離は、種基板３の成長面８の中心１１から第１のカーボン部材１までの距離よりも短い。また、好ましくは、第２のカーボン部材２には、昇華した炭化珪素ガスが炭化珪素原料７側から種基板３側へ流通するための流通路６が形成されている。流通路６は、種基板３の成長面８に対向する位置に設けられている。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、種基板３の側壁５に対向する位置に設けられた第１のカーボン部材１が０．１ｍｍ／時間以下の速度でエッチングされる。ルツボ１４の側面部を成す第１のカーボン部材１がエッチングされる速度が小さいので、ルツボ１４内の炭化珪素単結晶の成長条件の変化が小さい。それゆえ、安定的に炭化珪素単結晶を成長させることができる。

また、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、第１のカーボン部材１のエッチング速度は、第２のカーボン部材２のエッチング速度よりも遅いので、ルツボ１４の側面部を成す第１のカーボン部材１のエッチングを抑制することができる。

さらに、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法および製造装置によれば、種基板３の成長面８から第２のカーボン部材２までの距離は、種基板３の成長面８の中心１１から第１のカーボン部材１までの距離よりも短い。これにより、第２のカーボン部材２が第１のカーボン部材１よりも優先的にエッチングされるので、第１のカーボン部材１であるルツボ１４の側面部のエッチングを抑制することができる。また、種基板３の側壁５だけではなく、種基板３の成長面８上でも炭素のエッチングが行われるために、成長面８内において炭化珪素単結晶の成長速度が均一になる。

さらに、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法および製造装置によれば、第２のカーボン部材２には、昇華した炭化珪素ガスが炭化珪素原料７側から種基板３側へ流通するための流通路６が形成されており、流通路６は、種基板３の成長面８に対向する位置に設けられている。これにより、昇華した炭化珪素ガスが流通路６を通って種基板３側へ移動することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る炭化珪素単結晶の製造装置について、図３を参照して説明する。なお、実施の形態２に係る炭化珪素単結晶の製造装置は、第２の炭素部材の形状および配置において実施の形態１に係る炭化珪素単結晶の製造装置と異なっており、他の構成については実施の形態１に係る製造装置とほぼ同様である。

本実施の形態２に係る第２のカーボン部材２は、炭素部材から成り、ルツボ１４の底部１３から種基板３の成長面８に向かって延在している。炭素部材とは、たとえばグラファイトである。第２のカーボン部材２の最高部の表面から種基板３の成長面８までの距離Ｌ２は、種基板３の中心１１からルツボ１４の一部である第１のカーボン部材１までの距離Ｌ１よりも短い。

本実施の形態において、第２のカーボン部材２は棒状である。第２のカーボン部材２の一方は炭化珪素原料７に埋まっており、他方は炭化珪素原料７に埋まっていない。

第２のカーボン部材２の形状、大きさ、個数、配置などは特に限定されない。たとえば第２のカーボン部材２の断面形状は、四角形や六角形などの多角形であってもよく、また円や楕円のような形状であってもよい。また、第２のカーボン部材２の個数は、複数であってもよく、一つであってもよい。さらに、第２のカーボン部材２の配置は、周期性や対称性を有していてもよく、ランダムであってもよい。カーボン部材２の配置は、たとえば３回対称や６回対称であってもよい。

本実施の形態において、複数の第２のカーボン部材２によって、昇華した炭化珪素ガスが炭化珪素原料７側から種基板３側へ流通するための流通路６が形成されている。また、流通路６は、種基板３の成長面８に対向する位置に設けられている。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の第２のカーボン部材２は、ルツボ１４の底部１３から炭化珪素原料７の間を通って種基板３の成長面８に向かって延在している。それゆえ、第２のカーボン部材２によって、炭化珪素原料７を効率的に加熱することができる。

今回開示された実施の形態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。

１第１のカーボン部材、２第２のカーボン部材、３種基板、４種基板保持部、５側壁、６流通路、７炭化珪素原料、８成長面、１０炭化珪素単結晶の製造装置、１１中心、１３底部、１４ルツボ。

Claims

昇華法による、直径が１００ｍｍより大きくかつ最大高さが２０ｍｍ以上の炭化珪素単結晶の製造方法であって、
炭化珪素から成る種基板と、炭化珪素原料とを準備する工程と、
前記炭化珪素原料を昇華させることによって、前記種基板の成長面上に前記炭化珪素単結晶を成長させる工程とを備え、
前記炭化珪素単結晶を成長させる工程において、前記種基板の側壁に対向する位置に設けられた第１のカーボン部材は０．１ｍｍ／時間以下の速度でエッチングされる、炭化珪素単結晶の製造方法。
前記炭化珪素単結晶を成長させる工程において、前記第１のカーボン部材は０．０５ｍｍ／時間以下の速度でエッチングされる、請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
前記炭化珪素単結晶の最大高さが５０ｍｍ以上である、請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
前記炭化珪素単結晶を成長させる工程の前に、前記種基板と前記炭化珪素原料との間に第２のカーボン部材を配置する工程をさらに備え、
前記炭化珪素単結晶を成長させる工程において、前記第１のカーボン部材のエッチング速度は前記第２のカーボン部材のエッチング速度よりも遅い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
前記種基板の前記成長面から前記第２のカーボン部材までの距離は、前記種基板の前記成長面の中心から前記第１のカーボン部材までの距離よりも短い、請求項４に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
前記第２のカーボン部材には、前記炭化珪素原料から昇華した炭化珪素ガスが前記炭化珪素原料側から前記種基板側へ流通するための流通路が形成されており、
前記流通路は、前記種基板の前記成長面に対向する位置に設けられている、請求項４または５に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
炭化珪素単結晶が成長するための成長面を有する種基板を用いて前記炭化珪素単結晶を製造するための炭化珪素単結晶の製造装置であって、
前記種基板の側壁に対向する位置に配置された第１のカーボン部材から成る側面部を有し、炭化珪素原料を収容するためのルツボと、
前記種基板と前記炭化珪素原料との間に配置された第２のカーボン部材とを備え、
前記第２のカーボン部材は、前記炭化珪素原料から昇華した炭化珪素ガスが前記炭化珪素原料側から前記種基板側へ流通するための流通路を形成しており、
前記流通路は、前記種基板の前記成長面に対向する位置に設けられており、
前記種基板の前記成長面から前記第２のカーボン部材までの距離は、前記種基板の前記成長面の中心から前記種基板の前記側壁に対向する位置に配置された前記第１のカーボン部材までの距離よりも短い、炭化珪素単結晶の製造装置。