JP2014144880A - 単結晶の製造装置およびそれを用いた炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶のエピタキシャル成長工程における基板の温度を一様にすることが可能な単結晶の製造装置を提供する。
【解決手段】ＣＶＤ法により基板上に単結晶をエピタキシャル成長させる単結晶の製造装置において、基板１を載置するサセプタ２の上面（基板１の載置面）に基板用断熱材４を配設する。基板用断熱材４は、基板１とサセプタ２との接触部に介在し、サセプタ２から熱伝導による基板１の加熱を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば炭化珪素などの単結晶の製造装置に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）半導体は、熱的・化学的に優れた特性を有し、禁制帯幅が珪素（Ｓｉ）半導体に比べて大きく、電気的にも優れた特性を有する半導体材料として知られている。特に、４Ｈ型の炭化珪素（４Ｈ−ＳｉＣ）は、電子移動度や飽和電子速度が大きいことから、電力用半導体装置（パワーデバイス）向けの半導体材料として、実用化されつつある。

半導体としての炭化珪素単結晶を製造する方法としては、改良レイリー法（昇華法）が広く用いられており、現在、直径１００ｍｍ程度までの基板が市販されている。半導体デバイスは、基板上に形成されたエピタキシャル膜を用いて作製されるが、エピタキシャル膜の欠陥密度はデバイスの性能、信頼性、歩留まりに大きく影響する。このため、エピタキシャル膜中の欠陥密度を低減することが必要不可欠となっている。

エピタキシャル膜中の欠陥は、基板から引き継ぐ欠陥と、エピタキシャル膜中で新たに形成される欠陥とに分類される。基板から引き継ぐ欠陥としては、貫通らせん転位、貫通刃状転位、基底面転位などがあり、これらは基板の欠陥密度を低減させることで低減できる。また、エピタキシャル膜と基板との界面において、転位の分解や転位の向きを変えることによっても、それらの欠陥の密度を低減できる。

また、エピタキシャル膜中で新たに発生する欠陥としては、キャロット欠陥、三角欠陥、ミスフィット転位などがある。特に、ミスフィット転位は、エピタキシャル膜中を伝播する基底面転位の一種であり、ＰＮ接合の順方向特性を劣化させ、デバイス特性を大きく劣化させることが知られている。ミスフィット転位の発生原因としては様々な報告がなされているが、一般的には、基板とエピタキシャル膜との格子定数差にあると理解されている。

下記の非特許文献１によると、窒素は炭化珪素の中で炭素位置を置換することによりドープされ、窒素の原子半径の方が炭素の原子半径よりも小さいため、窒素のドープ濃度が高いほど炭化珪素基板の格子定数は小さくなる。パワーデバイスに用いられる炭化珪素基板は、デバイスの抵抗を下げるために低抵抗であることが望ましく、通常、窒素が１０^１９／ｃｍ^３程度ドープされたＮ型基板が用いられる。一方、エピタキシャル膜の窒素ドープ濃度は、デバイスの構造や設計にもよるが、一般的に基板の窒素ドープ濃度より低く、１０^１５〜１０^１６／ｃｍ^３程度である。このため、基板よりもエピタキシャル膜の方が格子定数は大きくなる。ミスフィット転位は、この格子定数差に起因する歪みを緩和するために発生する。

また、基板とエピタキシャル膜との格子定数差だけでなく、エピタキシャル膜内にも格子定数差があるとその部分で歪みが生じるため、それを緩和するためにミスフィット転位が発生する。

H. Jacobson等、「Doping-induced strain in N-doped 4H-SiC crystals」、Applied Physics Letters 82（2003）、p. 3689-3691

半導体デバイスの電気的特性や信頼性の向上、あるいは製造における歩留まりの向上を図るためには、ミスフィット転位の発生を防止することが重要である。

ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いた炭化珪素単結晶のエピタキシャル成長は、基板をサセプタ上に配置し、誘導加熱によってサセプタを加熱した状態で実施されるが、このとき基板の温度が一様でなければ、基板に供給される炭素源とシリコン源の量や両者の比（Ｃ／Ｓｉ比）が不均一になり、エピタキシャル膜の成長速度やエピタキシャル膜の窒素ドープ濃度にムラが生じる。窒素ドープ濃度にムラがあると、エピタキシャル膜中で格子定数の異なる部分ができ、それに起因してミスフィット転位が発生する。逆に言えば、基板上にエピタキシャル膜を成長させる工程で、基板の温度を一様にすることで、ミスフィット転位の発生を低減させることができる。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、単結晶のエピタキシャル成長工程における基板の温度を一様にすることが可能な単結晶の製造装置およびそれを用いた炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る単結晶の製造装置は、ＣＶＤ法により基板上に単結晶をエピタキシャル成長させる単結晶の製造装置であって、前記基板が載置されるサセプタと、前記サセプタにおける前記基板の載置面に配設された断熱材とを備えるものである。

本発明によれば、単結晶のエピタキシャル成長時において、断熱材がサセプタからの熱伝導による基板の加熱を抑制し、熱輻射による加熱の割合をより高めることで、基板の温度を一様にできる。それにより、ミスフィット転位の少ない高品質な単結晶を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る単結晶製造装置の主要部の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る単結晶製造装置の主要部の構成を示す断面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る単結晶製造装置の主要部の構成を示す断面図である。図１のように、単結晶製造装置は、基板１を載置するグラファイト製のサセプタ２と、サセプタ２の上面を覆うサセプタ対向板５を備えている。サセプタ２の周囲には、サセプタ２から周囲への熱輻射を抑えて、基板１を効率良く加熱させるために、サセプタ用断熱材３が配設される。これら基板１、サセプタ２、サセプタ用断熱材３およびサセプタ対向板５は、石英管の中に置かれ、誘導加熱装置を用いてサセプタ２に誘導電流を流すことによりサセプタ２が発熱し、基板１が加熱される。

サセプタ２の中央部には、基板１を所定の位置に配置するために、基板１の直径に合わせた円形の凹部２ａ（基板用凹部）が設けられている。さらに、凹部２ａの中央部には、当該凹部２ａと同心円状に凹部２ｂ（断熱材用凹部）が形成されており、この凹部２ｂ内には基板用断熱材４が配設されている。つまり基板用断熱材４は、基板用凹部２ａと同心の円盤状に配設されている。

本発明者は、エピタキシャル成長に用いる４Ｈ−ＳｉＣ基板の形状を、エピタキシャル成長の前に検査したところ、統計的に４Ｈ−ＳｉＣ基板は、シリコン面が凹型、カーボン面が凸型の形状となることが多いことを確認した。

本実施の形態では、半導体デバイスを基板１のシリコン面に作製する。この場合、基板１のシリコン面にエピタキシャル膜を成長させる。よって、基板１はシリコン面を上にしてサセプタ２に載置されるので、図１に示すように、基板１の表面（上面）が凹型、裏面（下面）が凸型になる。そのため、基板１の裏面側では、基板１の中央部がサセプタ２に接触することになる。

基板１は、主に基板１を覆うサセプタ対向板５からの熱輻射によって加熱されるが、サセプタ２から基板１への熱伝導によっても加熱される。例えば、サセプタ２の上面（基板１の載置面）が平坦な場合、基板１は、裏面の中央部がサセプタ２と接触することになるので、基板１の中央部が高温になりやすい。つまり、基板１に温度ムラが生じるため、ミスフィット転位が形成されやすくなる。

そこで、本実施の形態では、サセプタ２の上面における基板１との接触部、すなわち基板用凹部２ａの中央部に、基板用断熱材４が配設された断熱材用凹部２ｂを設けている。サセプタ２の基板１との接触部に基板用断熱材４が介在することで、サセプタ２から基板１への熱伝導が大幅に抑制される。その結果、熱輻射による加熱の割合がより高くなるので、基板の温度ムラを抑制できる。それにより、ミスフィット転位の少ない高品質なエピタキシャル膜（炭化珪素単結晶）を、基板１上に成長させることができる。

基板用断熱材４の望ましい直径や厚さについては後述するが、エピタキシャル成長時に基板１の中央部と端部の温度差が３０℃未満になるように調整するとよい。

また、基板１は、サセプタ２の中央部に設けられた基板用凹部２ａ内に配置されるが、基板１の上端がサセプタ２の上面よりも必要以上に高くなると、エピタキシャル成長時の原料ガスの流れが乱れる原因となる。そうなると、原料ガス中のＣ／Ｓｉ比が不均一になり、形成されるエピタキシャル膜の膜厚やドーピング密度が不均一になる。よって、基板１の上端は、サセプタ２の上面から一定以上出っ張らないようにする必要がある。

しかし、基板１の厚みや反りにはバラツキがあるので、サセプタ２の形状を固定して、基板１のサセプタ２からの出っ張り高さ（突出量）を一定にすることは現実的に困難である。このため、基板１のサセプタ２からの突出量は、５０μｍ未満とするとよい。基板１のサセプタ２からの突出量が５０μｍ以上になると、原料ガスの流れの不均一性が大きくなり、エピタキシャル成長に悪影響を及ぼす。エピタキシャル成長前に基板１の反りを測定し、それぞれの反りに応じた基板用凹部２ａの深さを有するサセプタ２を用いれば、基板１の突出量を５０μｍ未満とすることは可能である。

また、基板１のサセプタ２からの突出量を調整するために、基板用断熱材４の厚みを調整してもよい。基板用断熱材４は、複数枚の断熱材を重ねて構成してもよいが、その場合、基板用断熱材４の厚みのバラツキが大きくなるため、基板１の突出量が５０μｍ未満となるように、サセプタ２の形状（基板用凹部２ａおよび断熱材用凹部２ｂの寸法）や基板１の反りの程度をより詳細に決定する必要がある。

本実施の形態では、基板１として、直径１００ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いるが、この場合、基板１を配置する基板用凹部２ａの直径は１００．２ｍｍ以上、１０１．０ｍｍ未満とすることが望ましい。基板用凹部２ａが大きすぎると、基板用凹部２ａの端部と基板１との間の隙間が大きくなり、原料ガスの流れを乱す原因となる。逆に、基板用凹部２が小さすぎると、基板用凹部２ａ内に基板１が収まらなかったり、エピタキシャル成長後に基板１を基板用凹部２ａから取り出せなくなったりする恐れがある。基板１の直径には誤差があるため、基板用凹部２ａの直径は、誤差を含めた基板１の最大径よりも０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度大きくするとよい。

基板用断熱材４の厚みおよび直径は、サセプタ２の形状や基板１の直径、基板１の反りの度合いよって適宜調整する必要がある。本実施の形態では、基板１の直径を１００ｍｍとし、基板用断熱材４は、厚み２ｍｍ、直径３０ｍｍとした。基板用断熱材４の平面形状は円形でも多角形でも良い。基板用断熱材４において十分な断熱効果を得るためは、基板用断熱材４の直径は基板１の直径の２割以上にする必要がある。また、温度ムラをより少なくするために、基板用断熱材４の直径を基板１の直径と同程度にしてもよい。

実施の形態１では、基板用断熱材４として、グラファイト製のサセプタ２よりも熱伝導率が小さいものを用いる。また、ＳｉＣのエピタキシャル成長中は、一般的に水素を大量に流し、ほぼ水素雰囲気で結晶成長が行われるため、水素と反応性が低い材質である必要がある。さらに、ＳｉＣのエピタキシャル成長時の温度は、１５００℃〜１８００℃で行われるので、この温度で耐えうる材質である必要がある。よって基板用断熱材４は融点が１８００℃以上であることが好ましい。

断熱材としては、一般的にはレーヨンなどを黒鉛化したフェルト状の断熱材や、これに樹脂を含浸させて成形した成形断熱材が用いられる。しかし、これらの断熱材は水素との反応性が高いため、本発明の基板用断熱材４としては適さない。水素と反応することにより生じるカーボンの析出物が基板上に到達し、欠陥を生じさせる原因となるためである。

実施の形態１では、基板用断熱材４として、グラファイトシート（東洋炭素製ＰＥＲＭＡ−ＦＯＩＬ（登録商標） ＰＦ−５０ＵＨＰ 密度２ｇ／ｃｍ^３）を用いた。このグラファイトシートは、窒素ガス中、差圧０．１ＭＰａで測定したガス透過率が１．３×１０^−１０ｍ^２／ｓと非常に小さいことから、水素との反応性が非常に小さく、また、厚み方向の熱伝導率が約２Ｗ／ｍ・Ｋとグラファイトに比べ２桁小さいことから、基板用断熱材４として用いることが可能である。さらに、グラファイト製であるため、２０００℃以上の高温にも耐えうる。

基板用断熱材４の材料は、上記のＰＥＲＭＡ−ＦＯＩＬ（登録商標）に限られるものでなく、同様の性質を有する材料、例えばＣＶＤ法で作製した熱分解炭素や熱分解炭素でコーティングしたグラファイトで代用可能である。また、炭素系材料に限らず、ＴａＣやＮｂＣ、ＨｆＣなど、融点が２０００℃以上と非常に高く、グラファイトより熱伝導率が小さく、且つ水素との反応性が低い材質であれば、基板用断熱材４の材料として用いることができる。基板用断熱材４に金属や金属化合物を用いる場合は、一般に熱膨張係数がサセプタ２の材質であるグラファイトよりも大きいため、そのことに留意して基板用断熱材４の寸法を決定する必要がある。

基板用断熱材４における単結晶の原料ガスの透過率は、窒素ガスによる差圧法（差圧０．１ＭＰａ）による測定において、１．０×１０^−９ｍ^２／ｓ未満であることが好ましい。これより大きいと、原料ガスが基板用断熱材４中に入り込んで反応し、基板用断熱材４が劣化したり、エピタキシャル膜へのカーボンインクルージョン形成の原因と成り得るため、好ましくない。

基板用断熱材４の熱伝導率は、サセプタ２と基板１間を十分に断熱するために、グラファイトよりも十分に小さい必要がある。グラファイトの熱伝導率は、エピタキシャル成長時の温度において、一般的に約１００Ｗ／ｍ・Ｋであるため、基板用断熱材４の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが望ましい。また、グラファイトシートを用いる場合、積層方向とその垂直方向で熱伝導率が大きく変わるため、配置の仕方に留意する必要がある。本発明ではサセプタ２から基板１への方向における熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが望ましい。

＜実施の形態２＞
図２は、本発明の実施の形態２に係る単結晶製造装置の主要部の構成を示す断面図である。実施の形態１（図１）とはサセプタ２に設けられる断熱材用凹部２ｂおよび基板用断熱材４の形状が異なっているが、基板用凹部２ａの直径寸法は同一である。

本実施の形態では、基板用断熱材４の厚み（断熱材用凹部２ｂの深さ）を中央部で大きくし、外周部へ向けて小さくしている。これにより、基板１の中央部においてサセプタ２からの熱伝導をより効果的に抑制できる。

また、基板１の裏面へのサセプタ２からの熱輻射による加熱も抑制される。このため、基板１への加熱は、サセプタ対向板５から基板１の表面への熱輻射が、より支配的になる。基板１の表面は凹型であるため、裏面からの熱輻射（サセプタ２からの熱輻射）による加熱では温度ムラが生じやすい。よって、表面からの熱輻射（サセプタ対向板５からの熱輻射）による加熱の割合をより高めることにより、基板１の温度分布をより均一にできる。

断熱材用凹部２ｂは、中央部が厚い基板用断熱材４を配設するために、中央部が深く形成される。図２の例では、断熱材用凹部２ｂの中央部にさらに同心円形の凹部を２重に設けている。

本実施の形態では、基板用断熱材４の熱輻射率がグラファイトの熱輻射率がより小さいことが重要である。また、本実施の形態の基板用断熱材４においても、実施の形態１で説明したような高温での特性が必要とされるので、基板用断熱材４としてはやはりグラファイトシート（東洋炭素製ＰＥＲＭＡ−ＦＯＩＬ（登録商標） ＰＦ−５０ＵＨＰ 密度２ｇ／ｃｍ^３）を用いた。

上記グラファイトシートの熱輻射率は、エピタキシャル成長時の温度で０．４５程度であり、グラファイトの熱輻射率（０．７２程度）よりも小さい。実施の形態１と同様に、基板用断熱材４の材質はＰＥＲＭＡ−ＦＯＩＬ（登録商標）に限られず、それと同様の性質をもつ材料で代替可能である。

基板用断熱材４の熱輻射率は、エピタキシャル成長時の温度において０．６未満が好ましい。基板用断熱材４の熱輻射率が０．６より大きい場合は、基板１の裏面からの熱輻射による加熱が十分に抑えられず、基板１に温度ムラが生じるためである。

本実施の形態では、基板１の直径は１００ｍｍとした。そして、基板用断熱材４の厚みは、中心から３０ｍｍまでの範囲で５ｍｍ、中央部から３０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲で３ｍｍ、中央部から６０ｍｍ〜９０ｍｍの範囲で１ｍｍとした。

基板用断熱材４の厚みおよび直径は、サセプタ２の形状や基板１の直径に応じて適宜調整する必要があり、円形でも多角形でもよい。また、基板用断熱材４は、複数枚の断熱材を重ね合わせて構成してもよい。本実施の形態では、厚さ１ｍｍのグラファイトシートを複数枚重ね合わせて基板用断熱材４を構成した。複数枚の断熱材を重ね合わせて基板用断熱材４を構成する場合は、基板用断熱材４の厚みバラツキが大きくなりやすいため、基板１がサセプタ２の上面から過度に突出しないように、サセプタ２の形状（基板用凹部２ａおよび断熱材用凹部２ｂの寸法）や基板１の反りの程度をより詳細に決定する必要がある。本実施の形態においても、基板１のサセプタ２からの突出量は実施の形態１と同様に５０μｍ未満とすることが重要である。

ミスフィット転位は、基板１の直径が大きくなるほど、また成長させるエピタキシャル膜の厚さが大きくなるほど、さらに、エピタキシャル膜と基板１とのドーピング密度差が大きくなるほど、発生しやすくなる。本発明ではそれらの値は任意でよいが、以下のような場合に特に有効である。

まず、本発明は、基板１の直径が１００ｍｍ以上の場合に特に効果的である。基板１の直径が１００ｍｍ未満の場合はエピタキシャル成長中の温度ムラはミスフィット転位を発生させるほど大きくなることは少ないためである。また、成長させるエピタキシャル膜厚が２０μｍ以上の場合に特に効果的である。エピタキシャル膜の２０μｍ未満の場合は、ミスフィット転位が発生するまでの応力が発生することは少ないためである。さらに、成長させるエピタキシャル膜への窒素のドーピング濃度が１×１０^１６／ｃｍ^３以下の場合には、基板１とエピタキシャル膜とのドーピング濃度差が大きくなり、ミスフィット転位が発生しやすくなるため、本発明が非常に効果的となる。

本発明の適用は、基板１のシリコン面上にエピタキシャル膜を成長させる場合に限られず、カーボン面上やその他の面へのエピタキシャル成長に対しても可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 基板、２ サセプタ、３ サセプタ用断熱材、４ 基板用断熱材、５ サセプタ対向板、２ａ 基板用凹部、２ｂ 断熱材用凹部。

Claims (22)

1. ＣＶＤ法により基板上に単結晶をエピタキシャル成長させる単結晶の製造装置であって、
   前記基板が載置されるサセプタと、
   前記サセプタにおける前記基板の載置面に配設された断熱材と
   を備えることを特徴とする単結晶の製造装置。
2. 前記断熱材は、前記サセプタに前記基板を載置したときに前記基板と接触する位置に配設されている
   請求項１記載の単結晶の製造装置。
3. 前記断熱材は、前記サセプタの前記基板が載置される部分の中央部を含む領域に配設されている
   請求項１または請求項２記載の単結晶の製造装置。
4. 前記断熱材の厚さは、前記基板との接触部で最も厚くなっている
   請求項１から請求項３のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
5. 前記断熱材の厚さは、前記基板との接触部から離れるほど薄くなっている
   請求項４記載の単結晶の製造装置。
6. 前記断熱材の最も厚い部分は、前記サセプタの前記基板が載置される部分の中央部に位置している
   請求項４または請求項５記載の単結晶の製造装置。
7. 前記サセプタにおける前記基板の載置面は、前記基板が載置される円形の凹部を有しており、
   前記断熱材は、前記凹部内に、当該凹部と同心の円盤状に配設されている
   請求項１から請求項６のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
8. 前記断熱材の前記サセプタから前記基板への方向における熱伝導率が、単結晶のエピタキシャル成長時の温度において２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である
   請求項１から請求項７のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
9. 前記断熱材における前記単結晶の原料ガスの透過率が、窒素ガスによる差圧法（差圧０．１ＭＰａ）による測定で１．０×１０^−９ｍ^２／ｓ未満である
   請求項１から請求項８のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
10. 前記断熱材の直径は、前記基板の直径の２割より大きい
    請求項１から請求項９のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
11. 前記断熱材の直径は、前記基板の直径以下である
    請求項１から請求項１０のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
12. 前記断熱材の熱輻射率は、単結晶のエピタキシャル成長時の温度において０．６未満である
    請求項１から請求項１１のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
13. 前記断熱材はグラファイトシートである
    請求項１から請求項１２のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
14. 前記断熱材は熱分解炭素あるいは熱分解炭素膜でコーティングしたグラファイトである
    請求項１から請求項１２のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
15. 前記断熱材は、融点が１８００℃以上の金属あるいは金属化合物で形成されている
    請求項１から請求項１２のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
16. 前記サセプタにおける前記基板の載置面は、前記基板が載置される円形の凹部を有しており、
    前記凹部の直径は基板の誤差を含めた最大径から０．２〜１．０ｍｍ大きい
    請求項１から請求項１５のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
17. 前記サセプタにおける前記基板の載置面は、前記基板が載置される円形の凹部を有しており、
    前記凹部に前記基板を配置したとき、前記サセプタからの前記基板の突出量が５０μｍ未満となる
    請求項１から請求項１６のいずれか一項記載の単結晶の製造装置。
18. 請求項１から請求項１７のいずれか一項記載の単結晶の製造装置を用いる炭化珪素単結晶の製造方法。
19. 前記基板は、シリコン面が凹型になるように反った４Ｈ−ＳｉＣ基板である
    請求項１８記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
20. 前記基板の直径は１００ｍｍ以上である
    請求項１８または請求項１９記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
21. 前記基板上に成長させるエピタキシャル膜の厚さが２０μｍ以上である
    請求項１８から請求項２０のいずれか一項記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
22. 前記基板上に成長させるエピタキシャル膜の窒素のドーピング濃度が１×１０^１６／ｃｍ^３以下である
    請求項１８から請求項２１のいずれか一項記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

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