JP2014205593A - Silicon carbide single crystal and manufacturing method of the same - Google Patents

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太郎 西口
佐々木 信
Makoto Sasaki
信 佐々木
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勉 堀
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直樹 大井
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俊策 上田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon carbide single crystal which can suppress extension of a stacking fault and a manufacturing method of the silicon carbide single crystal.SOLUTION: A method of manufacturing a silicon carbide single crystal 2 includes a following step. A seed crystal 1 is prepared, which has a principal surface 1a and consists of silicon carbide. A silicon carbide single crystal 2 is grown on the principal surface 1a of the seed crystal 1 in an atmosphere gas including nitrogen. In a process for growing the silicon carbide single crystal 2, a silicon carbide single crystal region 2b is formed, of which nitrogen concentration is 2×10cmor less. The nitrogen concentration of the silicon carbide single crystal region 2b is lower than that of the seed crystal 1.

Description

この発明は、炭化珪素単結晶およびその製造方法に関し、より特定的には、積層欠陥の伸展を抑制可能な炭化珪素単結晶およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a silicon carbide single crystal and a method for manufacturing the same, and more specifically to a silicon carbide single crystal capable of suppressing the growth of stacking faults and a method for manufacturing the same.

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。   In recent years, silicon carbide substrates have begun to be used for manufacturing semiconductor devices. Silicon carbide has a larger band gap than silicon. Therefore, a semiconductor device using a silicon carbide substrate has advantages such as high breakdown voltage, low on-resistance, and small deterioration in characteristics under a high temperature environment.

たとえば、D. Nakamura et al., "Ultrahigh-quality silicon carbide single crystals", Nature, 430, 1009-1012, 26 August 2004(非特許文献1)には、a面成長(いわゆるRAF(Repeated a-face)法)によって、高品質の炭化珪素単結晶を製造する方法が記載されている。種結晶に積層欠陥が存在すると、種結晶上に成長する成長結晶は種結晶の結晶構造を引き継ぐステップフロー成長で成長するため、成長結晶に積層欠陥が伸展する。当該RAF法では、積層欠陥を成長結晶の側面に抜けさせることにより、成長結晶の積層欠陥を低減している。   For example, in D. Nakamura et al., “Ultra high-quality silicon carbide single crystals”, Nature, 430, 1009-1012, 26 August 2004 (Non-Patent Document 1), a-plane growth (so-called RAF (Repeated a-face ) Method) describes a method for producing high quality silicon carbide single crystals. When a stacking fault exists in the seed crystal, the growth crystal that grows on the seed crystal grows by step flow growth that inherits the crystal structure of the seed crystal, so that the stacking fault extends in the grown crystal. In the RAF method, stacking faults in the grown crystal are reduced by causing stacking faults to escape to the side surfaces of the grown crystal.

D. Nakamura et al., "Ultrahigh-quality silicon carbide single crystals", Nature, 430, 1009-1012, 26 August 2004D. Nakamura et al., "Ultrahigh-quality silicon carbide single crystals", Nature, 430, 1009-1012, 26 August 2004

しかしながら、当該RAF法においても、炭化珪素単結晶における積層欠陥の低減が十分ではなかった。   However, even in the RAF method, reduction of stacking faults in the silicon carbide single crystal has not been sufficient.

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、積層欠陥の伸展を抑制可能な炭化珪素単結晶およびその製造方法を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a silicon carbide single crystal capable of suppressing the growth of stacking faults and a method for producing the same.

本発明者らは、種結晶上に成長する炭化珪素単結晶の積層欠陥を低減する方法について鋭意研究の結果、以下の知見を得て本発明を見出した。たとえば昇華法により種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる場合、窒素ガスを含有する雰囲気下において炭化珪素単結晶を成長させる。窒素原子は炭化珪素単結晶の炭素原子と置換するため、種結晶上に成長する炭化珪素単結晶の格子は歪む。種結晶上に成長する炭化珪素単結晶に含まれる窒素濃度を低減することにより、炭化珪素単結晶の格子定数は窒素元素を含まない純粋な炭化珪素単結晶の格子定数に近づく。それゆえ、種結晶上に成長する炭化珪素単結晶に含まれる窒素濃度を低減することにより、炭化珪素単結晶に発生する積層欠陥の安定性を低下させることができる。発明者らは鋭意研究の結果、種結晶上に成長する炭化珪素単結晶の窒素濃度を2×1019cm-3以下とすることにより、積層欠陥が種結晶から種結晶上に成長する炭化珪素単結晶に伸展することを抑制可能であることを見出した。 As a result of intensive studies on a method for reducing stacking faults of a silicon carbide single crystal grown on a seed crystal, the present inventors have obtained the following knowledge and found the present invention. For example, when a silicon carbide single crystal is grown on a seed crystal by a sublimation method, the silicon carbide single crystal is grown in an atmosphere containing nitrogen gas. Since the nitrogen atom substitutes for the carbon atom of the silicon carbide single crystal, the lattice of the silicon carbide single crystal grown on the seed crystal is distorted. By reducing the nitrogen concentration contained in the silicon carbide single crystal grown on the seed crystal, the lattice constant of the silicon carbide single crystal approaches the lattice constant of a pure silicon carbide single crystal containing no nitrogen element. Therefore, by reducing the nitrogen concentration contained in the silicon carbide single crystal grown on the seed crystal, the stability of stacking faults generated in the silicon carbide single crystal can be reduced. As a result of diligent research, the inventors have determined that the silicon carbide single crystal grown on the seed crystal has a nitrogen concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less, so that the stacking fault grows from the seed crystal onto the seed crystal. It was found that extension to a single crystal can be suppressed.

本発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法は以下の工程を有している。主面を有しかつ炭化珪素からなる種結晶が準備される。窒素を含む雰囲気ガス中において、種結晶の主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は、窒素濃度が2×1019cm-3以下である炭化珪素単結晶領域が形成される。炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、種結晶の窒素濃度よりも低い。 The method for producing a silicon carbide single crystal according to the present invention includes the following steps. A seed crystal having a main surface and made of silicon carbide is prepared. A silicon carbide single crystal is grown on the main surface of the seed crystal in an atmosphere gas containing nitrogen. In the step of growing the silicon carbide single crystal, a silicon carbide single crystal region having a nitrogen concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less is formed. The nitrogen concentration in the silicon carbide single crystal region is lower than the nitrogen concentration in the seed crystal.

本発明に係る炭化珪素単結晶は、第1の炭化珪素単結晶領域と、第2の炭化珪素単結晶領域とを有している。第1の炭化珪素単結晶領域は、第1の窒素濃度を有し、かつ1つ以上の積層欠陥を有する。第2の炭化珪素単結晶領域は、第1の炭化珪素単結晶領域と接し、かつ窒素濃度が2×1019cm-3以下である。第1の炭化珪素単結晶領域と第2の炭化珪素単結晶領域との境界領域において積層欠陥の終端部が1つ以上存在している。 The silicon carbide single crystal according to the present invention has a first silicon carbide single crystal region and a second silicon carbide single crystal region. The first silicon carbide single crystal region has a first nitrogen concentration and has one or more stacking faults. The second silicon carbide single crystal region is in contact with the first silicon carbide single crystal region and has a nitrogen concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less. One or more terminations of stacking faults exist in the boundary region between the first silicon carbide single crystal region and the second silicon carbide single crystal region.

本発明に係る炭化珪素単結晶および炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶領域に含まれる窒素濃度は2×1019cm-3以下である。これにより、炭化珪素単結晶の格子歪みを低減し、積層欠陥の安定性を低下させることにより、積層欠陥が種結晶から種結晶上に成長する炭化珪素単結晶に伸展することを抑制することができる。結果として、積層欠陥の伸展を抑制可能な炭化珪素単結晶およびその製造方法を提供することができる。 According to the silicon carbide single crystal and the method for producing a silicon carbide single crystal according to the present invention, the concentration of nitrogen contained in the silicon carbide single crystal region is 2 × 10 19 cm −3 or less. As a result, the lattice distortion of the silicon carbide single crystal is reduced and the stability of the stacking fault is reduced, thereby suppressing the stacking fault from extending from the seed crystal to the silicon carbide single crystal growing on the seed crystal. it can. As a result, it is possible to provide a silicon carbide single crystal capable of suppressing extension of stacking faults and a method for manufacturing the same.

本発明によれば、積層欠陥の伸展を抑制可能な炭化珪素単結晶およびその製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the silicon carbide single crystal which can suppress extension of a stacking fault, and its manufacturing method can be provided.

本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置を概略的に示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows schematically the manufacturing apparatus of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法を概念的に説明するフロー図である。It is a flowchart which illustrates notionally the manufacturing method of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第1の工程を概略的に説明するための断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating schematically the 1st process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第2の工程の第1の例を概略的に説明するための断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating schematically the 1st example of the 2nd process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第2の工程の第2の例を概略的に説明するための断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating schematically the 2nd example of the 2nd process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第3の工程を概略的に説明するための断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating schematically the 3rd process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の窒素ガス流量と時間との関係の第1の例を示す図である。It is a figure which shows the 1st example of the relationship between nitrogen gas flow volume and time of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の窒素ガス流量と時間との関係の第2の例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example of the relationship between nitrogen gas flow volume and time of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の窒素ガス流量と時間との関係の第3の例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd example of the relationship between nitrogen gas flow volume and time of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法を概略的に説明するためのフォトルミネッセンスイメージング像である。It is a photoluminescence imaging image for demonstrating schematically the manufacturing method of the silicon carbide single crystal which concerns on one embodiment of this invention.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In the crystallographic description in this specification, the individual orientation is indicated by [], the collective orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the collective plane is indicated by {}. As for the negative index, “−” (bar) is attached on the number in crystallography, but in this specification, a negative sign is attached before the number. The angle is described using a system in which the omnidirectional angle is 360 degrees.

図1を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶を製造するための装置の構成について説明する。   With reference to FIG. 1, the structure of the apparatus for manufacturing the silicon carbide single crystal which concerns on this Embodiment is demonstrated.

図1を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置100は、坩堝10と、加熱部(図示せず)と、反応容器7とを主に有している。坩堝10は、たとえばグラファイトからなり、種結晶保持部4と原料収容部5とを有している。種結晶保持部4は単結晶炭化珪素からなる種結晶1を保持するためのものである。原料収容部5は多結晶炭化珪素からなる炭化珪素原料6を配置するためのものである。   Referring to FIG. 1, silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 100 according to the present embodiment mainly includes a crucible 10, a heating unit (not shown), and a reaction vessel 7. The crucible 10 is made of graphite, for example, and includes a seed crystal holding unit 4 and a raw material storage unit 5. The seed crystal holding unit 4 is for holding the seed crystal 1 made of single crystal silicon carbide. Raw material container 5 is for placing silicon carbide raw material 6 made of polycrystalline silicon carbide.

坩堝10は、反応容器7の内部に収容されている。坩堝10の外径はたとえば160mm程度であり、内径はたとえば120mm程度であり、高さはたとえば200mm程度である。坩堝10の加熱部は、たとえば誘導加熱式ヒータや抵抗加熱式ヒータなどであり、坩堝10の外周を囲うように配置されていている。加熱部は坩堝10を炭化珪素の昇華温度まで昇温可能に構成されている。   The crucible 10 is housed inside the reaction vessel 7. The outer diameter of the crucible 10 is, for example, about 160 mm, the inner diameter is, for example, about 120 mm, and the height is, for example, about 200 mm. The heating part of the crucible 10 is, for example, an induction heating type heater or a resistance heating type heater, and is arranged so as to surround the outer periphery of the crucible 10. The heating unit is configured to be able to raise the temperature of the crucible 10 to the sublimation temperature of silicon carbide.

反応容器7の両端部には、反応容器7の内部へ雰囲気ガスを流すためのガス導入口7aと、反応容器7の外部へ雰囲気ガスを排出するためのガス排出口7bとが形成されている。炭化珪素単結晶の製造装置100は、窒素ガスをガス導入口7aを通して反応容器7に導入するための窒素ガス供給部と、反応容器7内の窒素ガスの流量を制御するための窒素ガス流量制御部とを有していてもよい。炭化珪素単結晶の製造装置100は、ヘリウムガスをガス導入口7aを通して反応容器7に導入するためのヘリウムガス供給部と、反応容器7内のヘリウムガスの流量を制御するためのヘリウムガス流量制御部とを有していてもよい。炭化珪素単結晶の製造装置100は、アルゴンガスをガス導入口7aを通して反応容器7に導入するためのアルゴンガス供給部と、反応容器7内のアルゴンガスの流量を制御するためのアルゴンガス流量制御部とを有していてもよい。   At both ends of the reaction vessel 7, a gas introduction port 7 a for flowing an atmospheric gas into the reaction vessel 7 and a gas discharge port 7 b for discharging the atmospheric gas to the outside of the reaction vessel 7 are formed. . The silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 100 includes a nitrogen gas supply unit for introducing nitrogen gas into the reaction vessel 7 through the gas inlet 7a, and a nitrogen gas flow rate control for controlling the flow rate of nitrogen gas in the reaction vessel 7. May have a part. The silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 100 includes a helium gas supply unit for introducing helium gas into the reaction vessel 7 through the gas inlet 7a, and a helium gas flow rate control for controlling the flow rate of the helium gas in the reaction vessel 7. May have a part. The silicon carbide single crystal manufacturing apparatus 100 includes an argon gas supply unit for introducing argon gas into the reaction vessel 7 through the gas inlet 7a, and an argon gas flow rate control for controlling the flow rate of the argon gas in the reaction vessel 7. May have a part.

図1〜図9を参照して、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。   A method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、炭化珪素種結晶準備工程(S10:図2)が実施される。具体的には、図1および図3を参照して、たとえばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素からなる種結晶1が種結晶保持部4に固定される。種結晶1は主面1aを有し、当該主面1aが炭化珪素原料6に対向するように配置される。以上のように、主面1aを有し炭化珪素からなる種結晶1が準備される。なお、炭化珪素原料6は、原料収容部5に収容されており、たとえば炭化珪素パウダーである。   First, a silicon carbide seed crystal preparation step (S10: FIG. 2) is performed. Specifically, referring to FIGS. 1 and 3, seed crystal 1 made of, for example, polytype 4H hexagonal silicon carbide is fixed to seed crystal holding portion 4. Seed crystal 1 has a main surface 1 a and is arranged such that main surface 1 a faces silicon carbide raw material 6. As described above, seed crystal 1 having main surface 1a and made of silicon carbide is prepared. Silicon carbide raw material 6 is housed in raw material housing portion 5 and is, for example, silicon carbide powder.

図3を参照して、種結晶1は積層欠陥3を有しており、積層欠陥3は種結晶1の主面1aに露出している。積層欠陥3の伸長方向はたとえば(0001)面と平行な方向である。種結晶1に含まれる窒素の濃度はたとえば1×1018cm-3以上3×1019cm-3以下であり、好ましくは5×1018cm-3以上1×1019cm-3以下である。種結晶1の直径は、たとえば100mmであり、好ましくは100mm以上である。種結晶1の主面1aはたとえば{0001}面に対して10°以下程度の角度オフした面である。好ましくは、当該主面1aは、(0001)面に対して4°以下程度の角度だけオフした面であり、より好ましくは2°以下程度の角度だけオフした面である。 Referring to FIG. 3, seed crystal 1 has stacking fault 3, and stacking fault 3 is exposed on main surface 1 a of seed crystal 1. The extension direction of the stacking fault 3 is, for example, a direction parallel to the (0001) plane. The concentration of nitrogen contained in seed crystal 1 is, for example, 1 × 10 18 cm −3 or more and 3 × 10 19 cm −3 or less, preferably 5 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less. . The diameter of seed crystal 1 is, for example, 100 mm, and preferably 100 mm or more. The main surface 1a of the seed crystal 1 is a surface that is turned off by an angle of about 10 ° or less with respect to the {0001} plane, for example. Preferably, the main surface 1a is a surface turned off by an angle of about 4 ° or less with respect to the (0001) surface, and more preferably a surface turned off by an angle of about 2 ° or less.

次に、炭化珪素単結晶成長工程(S20:図2)が実施される。炭化珪素単結晶成長工程は、坩堝昇温工程と反応容器減圧工程とを有していてもよい。具体的には、図1を参照して、種結晶1および炭化珪素原料6が配置された坩堝10が、たとえばヘリウムガスおよび窒素ガスを含む雰囲気ガス中において、炭化珪素結晶が昇華する温度(たとえば2100〜2300℃)まで加熱される。次に、坩堝10を収容している反応容器7内の圧力を低減することにより、坩堝10内の炭化珪素原料6が昇華して種結晶1の主面1a上に再結晶することにより、種結晶1の主面1a上に炭化珪素単結晶2が成長し始める。炭化珪素単結晶2が実質的に成長する成長温度はたとえば2200℃程度であり、成長圧力はたとえば20Torr(約2.7kPa)程度である。   Next, a silicon carbide single crystal growth step (S20: FIG. 2) is performed. The silicon carbide single crystal growth step may include a crucible temperature rising step and a reaction vessel decompression step. Specifically, referring to FIG. 1, crucible 10 in which seed crystal 1 and silicon carbide raw material 6 are arranged has a temperature (for example, a temperature at which silicon carbide crystal sublimates in an atmospheric gas containing helium gas and nitrogen gas, for example. 2100-2300 ° C). Next, by reducing the pressure in the reaction vessel 7 containing the crucible 10, the silicon carbide raw material 6 in the crucible 10 is sublimated and recrystallized on the main surface 1 a of the seed crystal 1. Silicon carbide single crystal 2 starts to grow on main surface 1a of crystal 1. The growth temperature at which silicon carbide single crystal 2 substantially grows is about 2200 ° C., for example, and the growth pressure is about 20 Torr (about 2.7 kPa), for example.

図4を参照して、炭化珪素単結晶成長工程では、窒素濃度が2×1019cm-3以下である炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶2が形成される。具体的には、炭化珪素単結晶2の窒素濃度が2×1019cm-3以下となるように、雰囲気ガスに含まれる窒素濃度が制御される。より具体的には、坩堝10の温度を2200℃程度に維持しながら、反応容器7内における窒素ガス濃度が制御される。たとえば、成長温度が2200℃であり、成長圧力が20Torrの条件において、ヘリウムガスの流量が1.50slmであり、窒素ガスの流量が0.500slmとなるように、反応容器7内における窒素濃度が制御される。これにより、種結晶1に含まれる複数の積層欠陥3のうち、一部の積層欠陥3aは炭化珪素単結晶2に伸展せず、他の積層欠陥3bは炭化珪素単結晶2に伸展する。言い換えれば、種結晶1が含む複数の積層欠陥3のうち、一部の積層欠陥3aの終端部8は種結晶1および炭化珪素単結晶2の境界領域9(つまり種結晶1の主面1a)の近傍に存在する。 Referring to FIG. 4, in the silicon carbide single crystal growth step, silicon carbide single crystal 2 is formed as a silicon carbide single crystal region having a nitrogen concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less. Specifically, the nitrogen concentration contained in the atmospheric gas is controlled so that the nitrogen concentration of silicon carbide single crystal 2 is 2 × 10 19 cm −3 or less. More specifically, the nitrogen gas concentration in the reaction vessel 7 is controlled while maintaining the temperature of the crucible 10 at about 2200 ° C. For example, when the growth temperature is 2200 ° C. and the growth pressure is 20 Torr, the nitrogen concentration in the reaction vessel 7 is set so that the flow rate of helium gas is 1.50 slm and the flow rate of nitrogen gas is 0.500 slm. Be controlled. Thereby, among the plurality of stacking faults 3 included in seed crystal 1, some stacking defects 3 a do not extend to silicon carbide single crystal 2, and other stacking faults 3 b extend to silicon carbide single crystal 2. In other words, among the plurality of stacking faults 3 included in the seed crystal 1, the terminal portion 8 of some stacking faults 3a is the boundary region 9 between the seed crystal 1 and the silicon carbide single crystal 2 (that is, the main surface 1a of the seed crystal 1). In the vicinity of.

好ましくは、炭化珪素単結晶成長工程では、窒素濃度が1×1019cm-3以下である炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶2が形成される。具体的には、炭化珪素単結晶2の窒素濃度が1×1019cm-3以下となるように、雰囲気ガスに含まれる窒素濃度が制御される。また好ましくは、炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶2の窒素濃度が1×1018cm-3以上1×1019cm-3以下である。炭化珪素単結晶2の窒素濃度が1×1018cm-3以上とすることで、炭化珪素単結晶2のポリタイプ4Hを安定化させることができる。炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶の窒素濃度は9×1018cm-3以下であってもよい。 Preferably, in the silicon carbide single crystal growth step, silicon carbide single crystal 2 as a silicon carbide single crystal region having a nitrogen concentration of 1 × 10 19 cm −3 or less is formed. Specifically, the concentration of nitrogen contained in the atmospheric gas is controlled so that the nitrogen concentration of silicon carbide single crystal 2 is 1 × 10 19 cm −3 or less. Preferably, the silicon carbide single crystal 2 as the silicon carbide single crystal region has a nitrogen concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less. By setting the nitrogen concentration of silicon carbide single crystal 2 to 1 × 10 18 cm −3 or more, polytype 4H of silicon carbide single crystal 2 can be stabilized. The nitrogen concentration of the silicon carbide single crystal as the silicon carbide single crystal region may be 9 × 10 18 cm −3 or less.

炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶2の窒素濃度は、種結晶1の窒素濃度よりも低い。好ましくは、炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶2の窒素濃度は、種結晶1の窒素濃度の3分の2以下であり、より好ましくは種結晶1の窒素濃度の3分の1以下である。具体的には、成長温度が2100〜2300℃であり、成長圧力が20Torrの条件において、ヘリウムガスの流量が1.50slmであり、窒素ガスの流量が0.015slm以上0.500slm以下となるように、反応容器7内における窒素濃度が制御される。なお、種結晶1の主面1a上に成長する炭化珪素単結晶2の窒素濃度は、雰囲気ガス中の窒素濃度の平方根にほぼ比例する。   The nitrogen concentration of silicon carbide single crystal 2 as the silicon carbide single crystal region is lower than the nitrogen concentration of seed crystal 1. Preferably, the nitrogen concentration of silicon carbide single crystal 2 as the silicon carbide single crystal region is not more than two-thirds of the nitrogen concentration of seed crystal 1, more preferably not more than one-third of the nitrogen concentration of seed crystal 1. It is. Specifically, when the growth temperature is 2100 to 2300 ° C., the growth pressure is 20 Torr, the flow rate of helium gas is 1.50 slm, and the flow rate of nitrogen gas is 0.015 slm or more and 0.500 slm or less. In addition, the nitrogen concentration in the reaction vessel 7 is controlled. Note that the nitrogen concentration of silicon carbide single crystal 2 grown on main surface 1a of seed crystal 1 is substantially proportional to the square root of the nitrogen concentration in the atmospheric gas.

図7〜図9を参照して、炭化珪素単結晶を成長させる工程において、反応容器7内の雰囲気ガスが含む窒素ガス流量(言い換えれば窒素ガス濃度)の時間変化について説明する。図7に示すように、たとえば炭化珪素単結晶の成長が開始した時点T0における窒素ガス流量A1が0.500slmであって、炭化珪素単結晶の成長途中の時点T1および成長終了の時点T2における窒素ガス流量A1はほぼ一定の流量であってもよい。また図9に示すように、たとえば炭化珪素単結晶の成長が開始した時点T0における窒素ガス流量A3が0.500slmよりも少なく、炭化珪素単結晶の成長途中の時点T1において窒素ガス流量A1を0.500slmに増加させてもよい。さらに図8に示すように、炭化珪素単結晶の成長開始の時点T0における窒素ガス流量A2が0.500slmより大きく、炭化珪素単結晶の成長途中の時点T1において窒素ガス流量A1を0.500slmに減少させてもよい。   With reference to FIG. 7 to FIG. 9, the time change of the nitrogen gas flow rate (in other words, the nitrogen gas concentration) contained in the atmospheric gas in the reaction vessel 7 in the process of growing the silicon carbide single crystal will be described. As shown in FIG. 7, for example, the nitrogen gas flow rate A1 at the time T0 when the growth of the silicon carbide single crystal starts is 0.500 slm, and the nitrogen at the time T1 during the growth of the silicon carbide single crystal and the time T2 when the growth ends. The gas flow rate A1 may be a substantially constant flow rate. As shown in FIG. 9, for example, the nitrogen gas flow rate A3 at the time T0 when the growth of the silicon carbide single crystal starts is less than 0.500 slm, and the nitrogen gas flow rate A1 is set to 0 at the time T1 during the growth of the silicon carbide single crystal. It may be increased to 500 slm. Further, as shown in FIG. 8, the nitrogen gas flow rate A2 at the time T0 when the growth of the silicon carbide single crystal is started is larger than 0.500 slm, and the nitrogen gas flow rate A1 is set to 0.500 slm at the time T1 during the growth of the silicon carbide single crystal. It may be decreased.

図3および図8を参照して、炭化珪素単結晶の成長開始の時点T0において、雰囲気ガスに含まれる窒素ガス流量は流量A2であり、流量A2の状態で種結晶1の主面1aに炭化珪素単結晶の成長が開始する。図5および図8を参照して、炭化珪素単結晶の成長開始の時点T0から成長途中の時点T1まで、雰囲気ガスに含まれる窒素ガス流量A2はたとえば1.000slmである。成長開始の時点T0から成長途中の時点T1までにおいて、炭化珪素単結晶2の第1の炭化珪素単結晶領域2aが種結晶1の主面1a上に成長する。雰囲気ガスに含まれる窒素ガス流量が多い場合(つまり雰囲気ガスに含まれる窒素濃度が高い場合)、種結晶1の主面1aに存在していた積層欠陥は、主面1a上に堆積する第1の炭化珪素単結晶領域2aに引き継がれて伸展する。   Referring to FIGS. 3 and 8, at the time T0 when the growth of the silicon carbide single crystal starts, the flow rate of nitrogen gas contained in the atmospheric gas is flow rate A2, and carbonization is performed on main surface 1a of seed crystal 1 in the state of flow rate A2. The growth of the silicon single crystal begins. Referring to FIGS. 5 and 8, the flow rate A2 of nitrogen gas contained in the atmospheric gas is, for example, 1.000 slm from the time T0 when the silicon carbide single crystal starts to the time T1 during the growth. The first silicon carbide single crystal region 2a of the silicon carbide single crystal 2 grows on the main surface 1a of the seed crystal 1 from the growth start time T0 to the growth time T1. When the flow rate of nitrogen gas contained in the atmospheric gas is large (that is, when the concentration of nitrogen contained in the atmospheric gas is high), the stacking faults present on the main surface 1a of the seed crystal 1 are deposited on the main surface 1a. The silicon carbide single crystal region 2a is inherited and extended.

図6および図8を参照して、炭化珪素単結晶の成長途中の時点T1において、雰囲気ガスの窒素濃度が低減される。具体的には、雰囲気ガスに含まれるヘリウムガスの流量をたとえば1.50slm程度に保ちながら、雰囲気ガスに含まれる窒素ガスの流量をたとえば1.000slmから0.500slmにまで低減する。これにより、第1の炭化珪素単結晶領域2aに伸展していた積層欠陥3のうちの一部の積層欠陥3aの伸展が停止する。引き続き、雰囲気ガスに含まれる窒素ガスの流量をたとえば0.500slmの状態を保ったままで、炭化珪素単結晶の成長が継続される。これにより、第1の炭化珪素単結晶領域2aに接する第2の炭化珪素単結晶領域2bが形成される。   Referring to FIGS. 6 and 8, the nitrogen concentration of the atmospheric gas is reduced at time T1 during the growth of the silicon carbide single crystal. Specifically, the flow rate of nitrogen gas contained in the atmospheric gas is reduced from 1.000 slm to 0.500 slm, for example, while the flow rate of helium gas contained in the atmospheric gas is maintained at, for example, about 1.50 slm. Thereby, the extension of some stacking faults 3a out of stacking faults 3 extending to first silicon carbide single crystal region 2a is stopped. Subsequently, the growth of the silicon carbide single crystal is continued while maintaining the flow rate of the nitrogen gas contained in the atmospheric gas at, for example, 0.500 slm. Thereby, second silicon carbide single crystal region 2b in contact with first silicon carbide single crystal region 2a is formed.

図6に示すように、窒素ガス流量が0.500slmの状態で成長した炭化珪素単結晶領域(第2の炭化珪素単結晶領域2b)に含まれる積層欠陥の数は、窒素ガス流量が1.000slmの状態で成長した炭化珪素単結晶領域(第1の炭化珪素単結晶領域2a)に含まれる積層欠陥の数よりも少ない。また、第1の炭化珪素単結晶領域2aと第2の炭化珪素単結晶領域2bとの境界領域9に積層欠陥3の終端部8が1つ以上存在している。   As shown in FIG. 6, the number of stacking faults contained in the silicon carbide single crystal region (second silicon carbide single crystal region 2b) grown in a state where the nitrogen gas flow rate is 0.500 slm is as follows. The number is less than the number of stacking faults included in the silicon carbide single crystal region (first silicon carbide single crystal region 2a) grown in a state of 000 slm. One or more terminal portions 8 of stacking fault 3 exist in boundary region 9 between first silicon carbide single crystal region 2a and second silicon carbide single crystal region 2b.

次に、種結晶1の主面1a上に成長した炭化珪素単結晶2が坩堝10から取り出される。その後、炭化珪素単結晶2をたとえばワイヤーソーによってスライスすることにより、複数の炭化珪素基板が得られる。   Next, silicon carbide single crystal 2 grown on main surface 1 a of seed crystal 1 is taken out from crucible 10. Then, a plurality of silicon carbide substrates are obtained by slicing silicon carbide single crystal 2 with, for example, a wire saw.

次に、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の構成について説明する。
図6を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶2は、第1の炭化珪素単結晶領域2aと、第2の炭化珪素単結晶領域2bとを有している。第1の炭化珪素単結晶領域2aの窒素濃度(第1の窒素濃度)は、たとえば3×1019cm-3である。第1の炭化珪素単結晶領域2aは1以上の積層欠陥3を有する。積層欠陥3はたとえば第1の炭化珪素単結晶領域2aを構成する六方晶炭化珪素の(0001)面と平行な方向に伸展している。
Next, the structure of the silicon carbide single crystal according to the present embodiment will be described.
Referring to FIG. 6, silicon carbide single crystal 2 according to the present embodiment has a first silicon carbide single crystal region 2a and a second silicon carbide single crystal region 2b. The nitrogen concentration (first nitrogen concentration) of first silicon carbide single crystal region 2a is, for example, 3 × 10 19 cm −3 . First silicon carbide single crystal region 2 a has one or more stacking faults 3. Stacking fault 3 extends, for example, in a direction parallel to the (0001) plane of hexagonal silicon carbide constituting first silicon carbide single crystal region 2a.

第2の炭化珪素単結晶領域2bは、第1の炭化珪素単結晶領域2aと接して設けられている。第2の炭化珪素単結晶領域2bの窒素濃度は2×1019cm-3以下であり、好ましくは1×1019cm-3以下である。好ましくは、第2の炭化珪素単結晶領域2bの窒素濃度は、第1の炭化珪素単結晶領域2aの窒素濃度よりも低い。より好ましくは、第2の炭化珪素単結晶領域2bの窒素濃度は、第1の炭化珪素単結晶領域2aの窒素濃度の3分の2以下である。好ましくは、<0001>軸方向に沿って炭化珪素単結晶2の窒素濃度分布を測定した場合、第1の炭化珪素単結晶領域2aにおける窒素濃度の最大値は、第2の炭化珪素単結晶領域2bにおける窒素濃度の最小値の1.5倍以上である。 Second silicon carbide single crystal region 2b is provided in contact with first silicon carbide single crystal region 2a. Nitrogen concentration in second silicon carbide single crystal region 2b is 2 × 10 19 cm −3 or less, preferably 1 × 10 19 cm −3 or less. Preferably, the nitrogen concentration in second silicon carbide single crystal region 2b is lower than the nitrogen concentration in first silicon carbide single crystal region 2a. More preferably, the nitrogen concentration in second silicon carbide single crystal region 2b is not more than two-thirds of the nitrogen concentration in first silicon carbide single crystal region 2a. Preferably, when the nitrogen concentration distribution of silicon carbide single crystal 2 is measured along the <0001> axis direction, the maximum value of the nitrogen concentration in first silicon carbide single crystal region 2a is the second silicon carbide single crystal region. It is 1.5 times or more the minimum value of the nitrogen concentration in 2b.

炭化珪素単結晶2の直径W1は、100mm以上であり、好ましくは150mm以上である。好ましくは、炭化珪素単結晶2はポリタイプ4Hの炭化珪素である。なお、第1の炭化珪素単結晶領域2aおよび第2の炭化珪素単結晶領域2bの各々の窒素濃度は、たとえばSIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)により測定可能である。   Silicon carbide single crystal 2 has a diameter W1 of 100 mm or more, preferably 150 mm or more. Preferably, silicon carbide single crystal 2 is polytype 4H silicon carbide. The nitrogen concentration in each of first silicon carbide single crystal region 2a and second silicon carbide single crystal region 2b can be measured by, for example, SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy).

本実施の形態に係る炭化珪素単結晶2は、第1の炭化珪素単結晶領域2aと第2の炭化珪素単結晶領域2bとの境界領域9において積層欠陥3の終端部8が1つ以上存在している。境界領域9において積層欠陥3の終端部8が複数存在していてもよい。境界領域9は炭化珪素単結晶2に含まれる窒素濃度が急激に変化する領域であり、境界領域9において第1の炭化珪素単結晶領域2aに含まれていた積層欠陥3の一部の伸展が停止する。第2の炭化珪素単結晶領域2bに含まれる積層欠陥3の数は、第1の炭化珪素単結晶領域2aに含まれる積層欠陥3の数よりも少ない。好ましくは、第2の炭化珪素単結晶領域2bに含まれる積層欠陥3の数は、第1の炭化珪素単結晶領域2aに含まれる積層欠陥3の数の50%以下であり、より好ましくは10%以下である。   In silicon carbide single crystal 2 according to the present embodiment, one or more termination portions 8 of stacking fault 3 exist in boundary region 9 between first silicon carbide single crystal region 2a and second silicon carbide single crystal region 2b. doing. A plurality of termination portions 8 of the stacking fault 3 may exist in the boundary region 9. The boundary region 9 is a region where the concentration of nitrogen contained in the silicon carbide single crystal 2 changes abruptly. In the boundary region 9, a part of the stacking fault 3 included in the first silicon carbide single crystal region 2 a is extended. Stop. The number of stacking faults 3 included in second silicon carbide single crystal region 2b is smaller than the number of stacking faults 3 included in first silicon carbide single crystal region 2a. Preferably, the number of stacking faults 3 included in second silicon carbide single crystal region 2b is 50% or less of the number of stacking faults 3 included in first silicon carbide single crystal region 2a, more preferably 10%. % Or less.

なお、図4に示すように、本実施の形態の炭化珪素単結晶2の第1の炭化珪素単結晶領域2aが種結晶1であり、第2の炭化珪素単結晶領域2bが炭化珪素単結晶領域2bであってもよい。この場合、第1の炭化珪素単結晶領域2aと第2の炭化珪素単結晶領域2bとの境界領域9は、種結晶1の主面1aとなり、当該主面1aの近傍に積層欠陥の終端部8が1つ以上存在している。   As shown in FIG. 4, first silicon carbide single crystal region 2a of silicon carbide single crystal 2 of the present embodiment is seed crystal 1, and second silicon carbide single crystal region 2b is a silicon carbide single crystal. It may be region 2b. In this case, boundary region 9 between first silicon carbide single crystal region 2a and second silicon carbide single crystal region 2b becomes main surface 1a of seed crystal 1, and an end portion of a stacking fault is formed in the vicinity of main surface 1a. One or more 8 exists.

次に、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法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方法は以下の工程を有している。主面1aを有しかつ炭化珪素からなる種結晶1が準備される。窒素を含む雰囲気ガス中において、種結晶1の主面1a上に炭化珪素単結晶2が成長される。炭化珪素単結晶2を成長させる工程は、窒素濃度が2×1019cm-3以下である炭化珪素単結晶領域2bが形成される。これにより、炭化珪素単結晶2の格子歪みを低減し、積層欠陥3の安定性を低下させることにより、積層欠陥3が種結晶1から種結晶1上に成長する炭化珪素単結晶領域2bに伸展することを抑制することができる。結果として、積層欠陥3の伸展が抑制された炭化珪素単結晶2を製造することができる。
Next, the effect of the method for manufacturing the silicon carbide substrate according to the present embodiment will be described.
The method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to the present embodiment includes the following steps. A seed crystal 1 having a main surface 1a and made of silicon carbide is prepared. Silicon carbide single crystal 2 is grown on main surface 1a of seed crystal 1 in an atmospheric gas containing nitrogen. In the step of growing silicon carbide single crystal 2, silicon carbide single crystal region 2b having a nitrogen concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less is formed. Thereby, the lattice distortion of silicon carbide single crystal 2 is reduced and the stability of stacking fault 3 is reduced, so that stacking fault 3 extends from seed crystal 1 to seeded silicon carbide single crystal region 2b. Can be suppressed. As a result, silicon carbide single crystal 2 in which extension of stacking fault 3 is suppressed can be manufactured.

また本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶領域2bの窒素濃度は、種結晶1の窒素濃度よりも低い。これにより、炭化珪素単結晶領域2bの積層欠陥3の安定性が種結晶1の積層欠陥3の安定性よりも低下するので、積層欠陥3が種結晶1から種結晶1上に成長する炭化珪素単結晶領域2bに伸展することを抑制することができる。   According to the method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to the present embodiment, the nitrogen concentration in silicon carbide single crystal region 2 b is lower than the nitrogen concentration in seed crystal 1. Thereby, the stability of stacking fault 3 in silicon carbide single crystal region 2b is lower than the stability of stacking fault 3 in seed crystal 1, so that silicon carbide in which stacking fault 3 grows from seed crystal 1 onto seed crystal 1 is achieved. Extension to the single crystal region 2b can be suppressed.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、種結晶の窒素濃度の3分の2以下である。これにより、積層欠陥3が種結晶1から種結晶1上に成長する炭化珪素単結晶領域2bに伸展することを効果的に抑制することができる。   Furthermore, in the method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the nitrogen concentration in the silicon carbide single crystal region is not more than two-thirds of the nitrogen concentration in the seed crystal. Thereby, extension of stacking fault 3 from seed crystal 1 to silicon carbide single crystal region 2b growing on seed crystal 1 can be effectively suppressed.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、1×1019cm-3以下である。これにより、積層欠陥3が種結晶1から種結晶1上に成長する炭化珪素単結晶領域2bに伸展することを効果的に抑制することができる。 Furthermore, in the method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the nitrogen concentration in the silicon carbide single crystal region is 1 × 10 19 cm −3 or less. Thereby, extension of stacking fault 3 from seed crystal 1 to silicon carbide single crystal region 2b growing on seed crystal 1 can be effectively suppressed.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶の直径は、100mm以上である。これにより、直径が100mm以上の炭化珪素単結晶を製造することができる。   Furthermore, in the method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the diameter of the silicon carbide single crystal is 100 mm or more. Thereby, a silicon carbide single crystal having a diameter of 100 mm or more can be manufactured.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、種結晶の主面は、(0001)面に対して10°以下の角度オフした面である。これにより、成長結晶において積層欠陥が新たに発生することを抑制することができる。   Furthermore, in the method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the main surface of the seed crystal is a surface off by an angle of 10 ° or less with respect to the (0001) plane. Thereby, it can suppress that a stacking fault newly arises in a growth crystal.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶は、ポリタイプ4Hの炭化珪素である。これにより、ポリタイプ4Hの炭化珪素単結晶基板を製造することができる。   Furthermore, in the method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the silicon carbide single crystal is polytype 4H silicon carbide. Thereby, a polytype 4H silicon carbide single crystal substrate can be manufactured.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶の内部において積層欠陥の終端部8が存在する。これにより、積層欠陥の伸展が停止した炭化珪素単結晶を製造することができる。   Further, in the method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, termination portion 8 of a stacking fault exists in the silicon carbide single crystal. Thereby, a silicon carbide single crystal in which extension of stacking faults has stopped can be manufactured.

本実施の形態に係る炭化珪素単結晶は、第1の炭化珪素単結晶領域2aと、第2の炭化珪素単結晶領域2bとを有している。第1の炭化珪素単結晶領域2aは、第1の窒素濃度を有し、かつ1つ以上の積層欠陥を有する。第2の炭化珪素単結晶領域2bは、第1の炭化珪素単結晶領域と接し、かつ窒素濃度が2×1019cm-3以下である。第1の炭化珪素単結晶領域と第2の炭化珪素単結晶領域との境界領域9において積層欠陥の終端部8が1つ以上存在している。これにより、積層欠陥3の伸展が抑制された炭化珪素単結晶2を得ることができる。 The silicon carbide single crystal according to the present embodiment has first silicon carbide single crystal region 2a and second silicon carbide single crystal region 2b. First silicon carbide single crystal region 2a has a first nitrogen concentration and one or more stacking faults. Second silicon carbide single crystal region 2b is in contact with the first silicon carbide single crystal region and has a nitrogen concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less. One or more terminations 8 of stacking faults exist in the boundary region 9 between the first silicon carbide single crystal region and the second silicon carbide single crystal region. Thereby, silicon carbide single crystal 2 in which extension of stacking fault 3 is suppressed can be obtained.

また本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、第2の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、第1の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度よりも低い。これにより、第2の炭化珪素単結晶領域2bの積層欠陥3の安定性が第1の炭化珪素単結晶領域2aの積層欠陥3の安定性よりも低下するので、積層欠陥3が第1の炭化珪素単結晶領域2aから炭化珪素単結晶領域2bに伸展することを抑制することができる。   In the silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the nitrogen concentration in the second silicon carbide single crystal region is lower than the nitrogen concentration in the first silicon carbide single crystal region. As a result, the stability of stacking fault 3 in second silicon carbide single crystal region 2b is lower than the stability of stacking fault 3 in first silicon carbide single crystal region 2a. Extension from silicon single crystal region 2a to silicon carbide single crystal region 2b can be suppressed.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、第2の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、第1の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度の3分の2以下である。これにより、積層欠陥3が第1の炭化珪素単結晶領域2aから炭化珪素単結晶領域2bに伸展することを効果的に抑制することができる。   Furthermore, in the silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the nitrogen concentration in second silicon carbide single crystal region is not more than two-thirds of the nitrogen concentration in first silicon carbide single crystal region. Thereby, extension of stacking fault 3 from first silicon carbide single crystal region 2a to silicon carbide single crystal region 2b can be effectively suppressed.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、第2の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、1×1019cm-3以下である。これにより、積層欠陥3が第1の炭化珪素単結晶領域2aから第2の炭化珪素単結晶領域2bに伸展することを効果的に抑制することができる。 Furthermore, in the silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the nitrogen concentration in the second silicon carbide single crystal region is 1 × 10 19 cm −3 or less. Thereby, extension of stacking fault 3 from first silicon carbide single crystal region 2a to second silicon carbide single crystal region 2b can be effectively suppressed.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、炭化珪素単結晶の直径は、100mm以上である。これにより、直径が100mm以上の炭化珪素単結晶基板を製造することができる。   Furthermore, in the silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the diameter of silicon carbide single crystal is 100 mm or more. Thereby, a silicon carbide single crystal substrate having a diameter of 100 mm or more can be manufactured.

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、炭化珪素単結晶は、ポリタイプ4Hの炭化珪素である。これにより、ポリタイプ4Hの炭化珪素単結晶基板を得ることができる。   Furthermore, in the silicon carbide single crystal according to the present embodiment, preferably, the silicon carbide single crystal is polytype 4H silicon carbide. Thereby, a polytype 4H silicon carbide single crystal substrate can be obtained.

本実施例では、以下に説明する6種類の雰囲気ガス中において炭化珪素からなる種結晶1の主面1a上に炭化珪素単結晶領域2bを成長させ、種結晶1から炭化珪素単結晶領域2bに伸展しなかった積層欠陥の割合(積層欠陥の伸展が停止した割合)を調査した。まず、炭化珪素原料6および種結晶1が配置された坩堝10を準備した。坩堝10はグラファイト製とした。坩堝10の外径を160mmとし、内径を120mmとし、高さを200mmとした。種結晶1はポリタイプ4Hの炭化珪素からなり、種結晶1の径を100mmとした。坩堝10を2300℃に加熱して種結晶1の主面1aに炭化珪素単結晶を成長させた。種結晶1の窒素濃度を3×1019cm-3とした。種結晶1の主面1aを(0001)面から2°オフした面、4°オフした面、10°オフした面および15°オフした面とした。 In the present embodiment, a silicon carbide single crystal region 2b is grown on main surface 1a of seed crystal 1 made of silicon carbide in six types of atmospheric gases described below, and from seed crystal 1 to silicon carbide single crystal region 2b. The proportion of stacking faults that did not extend (the rate at which stacking fault extension stopped) was investigated. First, the crucible 10 in which the silicon carbide raw material 6 and the seed crystal 1 were arrange | positioned was prepared. The crucible 10 was made of graphite. The outer diameter of the crucible 10 was 160 mm, the inner diameter was 120 mm, and the height was 200 mm. The seed crystal 1 was made of polytype 4H silicon carbide, and the diameter of the seed crystal 1 was 100 mm. The crucible 10 was heated to 2300 ° C. to grow a silicon carbide single crystal on the main surface 1 a of the seed crystal 1. The nitrogen concentration of the seed crystal 1 was 3 × 10 19 cm −3 . The main surface 1a of the seed crystal 1 was a surface off by 2 ° from the (0001) surface, a surface off by 4 °, a surface off by 10 °, and a surface off by 15 °.

炭化珪素単結晶領域を形成する工程における雰囲気ガスの圧力を20Torrとし、雰囲気ガスが含むヘリウムガスの流量および窒素のガス流量を以下のようにした。比較例1のヘリウムガス流量を1.50slmとし、窒素ガス流量を1.000slmとした。本発明例1のヘリウムガス流量を1.50slmとし、窒素ガス流量を0.500slmとした。本発明例2のヘリウムガス流量を1.50slmとし、窒素ガス流量を0.075slmとした。本発明例3のヘリウムガス流量を1.50slmとし、窒素ガス流量を0.045slmとした。本発明例4のヘリウムガス流量を1.50slmとし、窒素ガス流量を0.030slmとした。本発明例5のヘリウムガス流量を1.50slmとし、窒素ガス流量を0.015slmとした。比較例1および本発明例1〜5の条件で成長した炭化珪素単結晶領域2b(成長結晶)の窒素濃度は、それぞれ3×1019cm-3、2×1019cm-3、1×1019cm-3、9×1018cm-3、7×1018cm-3、5×1018cm-3となった。成長結晶に含まれている窒素濃度はSIMSにより測定した。なお、SIMSでは表面から10μm程度までの領域の窒素濃度が測定可能である。 The pressure of the atmospheric gas in the step of forming the silicon carbide single crystal region was 20 Torr, and the flow rate of helium gas and nitrogen gas included in the atmospheric gas were as follows. The helium gas flow rate of Comparative Example 1 was 1.50 slm, and the nitrogen gas flow rate was 1.000 slm. In Example 1 of the present invention, the helium gas flow rate was 1.50 slm, and the nitrogen gas flow rate was 0.500 slm. In Example 2 of the present invention, the helium gas flow rate was 1.50 slm, and the nitrogen gas flow rate was 0.075 slm. In Example 3 of the present invention, the helium gas flow rate was 1.50 slm, and the nitrogen gas flow rate was 0.045 slm. In Example 4 of the present invention, the helium gas flow rate was 1.50 slm, and the nitrogen gas flow rate was 0.030 slm. In Example 5 of the present invention, the helium gas flow rate was 1.50 slm, and the nitrogen gas flow rate was 0.015 slm. The nitrogen concentration of the silicon carbide single crystal region 2b (growth crystal) grown under the conditions of Comparative Example 1 and Invention Examples 1 to 5 is 3 × 10 19 cm −3 , 2 × 10 19 cm −3 , and 1 × 10 respectively. 19 cm -3, 9 × 10 18 cm -3, 7 × 10 18 cm -3, became 5 × 10 18 cm -3. The nitrogen concentration contained in the grown crystal was measured by SIMS. In SIMS, the nitrogen concentration in a region from the surface to about 10 μm can be measured.

上記条件で成長させた炭化珪素単結晶領域2bを種結晶1とともに坩堝10から取り出し、当該炭化珪素単結晶領域2bおよび種結晶1を、種結晶1の主面1aと垂直な断面で観察した。観察にはフォトルミネッセンスイメージング像を用いた。断面観察の例を図10を用いて説明する。断面観察には、本発明例5の条件で成長した成長結晶を有する炭化珪素単結晶を用いた。図10に示すように、種結晶1に存在している複数の積層欠陥群が、種結晶1と成長結晶との境界面で伸展を停止している。種結晶1に存在している積層欠陥の数に対する成長結晶に伸展している積層欠陥の数の比を積層欠陥の伸展が停止した割合として計算した。なお、成長結晶の成長方向は種結晶1の主面1aとほぼ垂直であり、当該主面1aは(0001)面に対してオフした面である。   Silicon carbide single crystal region 2b grown under the above conditions was taken out of crucible 10 together with seed crystal 1, and silicon carbide single crystal region 2b and seed crystal 1 were observed in a cross section perpendicular to main surface 1a of seed crystal 1. A photoluminescence imaging image was used for observation. An example of cross-sectional observation will be described with reference to FIG. For cross-sectional observation, a silicon carbide single crystal having a grown crystal grown under the conditions of Example 5 of the present invention was used. As shown in FIG. 10, a plurality of stacking fault groups existing in the seed crystal 1 stop extending at the boundary surface between the seed crystal 1 and the grown crystal. The ratio of the number of stacking faults extending in the grown crystal to the number of stacking faults present in the seed crystal 1 was calculated as the rate at which the stacking faults stopped extending. The growth direction of the growth crystal is substantially perpendicular to the main surface 1a of the seed crystal 1, and the main surface 1a is a surface that is off the (0001) plane.

表1を参照して、積層欠陥の伸展が停止した割合の結果について説明する。なお、オフ角の違いによって積層欠陥の伸展が停止した割合にほとんど変化なかった。まず、種結晶1の窒素濃度と成長結晶の窒素濃度が同じであり、成長結晶の窒素濃度が3×1019cm-3である場合(比較例1の場合)、種結晶1の積層欠陥の伸展が種結晶1と成長結晶の境界面において停止した割合は0%であった。つまり、種結晶1の積層欠陥の全てが成長結晶に伸展した。一方、成長結晶の窒素濃度が2×1019cm-3以下である場合(本発明例1〜5の場合)、積層欠陥の伸展が停止した割合が0%より大きくなった。つまり、成長結晶の窒素濃度が2×1019cm-3以下である場合、種結晶1に存在していた積層欠陥の少なくとも1つは境界面において伸展を停止した。また成長結晶の窒素濃度が種結晶の窒素濃度よりも低い場合、種結晶1に存在していた積層欠陥の少なくとも1つは境界面において伸展を停止した。 With reference to Table 1, the result of the ratio at which the extension of stacking faults has stopped will be described. Note that there was almost no change in the rate at which the extension of stacking faults stopped due to the difference in off-angle. First, when the nitrogen concentration of the seed crystal 1 is the same as the nitrogen concentration of the growth crystal and the nitrogen concentration of the growth crystal is 3 × 10 19 cm −3 (in the case of Comparative Example 1), The rate at which the extension stopped at the interface between the seed crystal 1 and the grown crystal was 0%. That is, all the stacking faults of the seed crystal 1 were extended to the grown crystal. On the other hand, when the nitrogen concentration of the grown crystal was 2 × 10 19 cm −3 or less (in the case of Invention Examples 1 to 5), the rate at which the extension of stacking faults stopped was greater than 0%. In other words, when the nitrogen concentration of the grown crystal was 2 × 10 19 cm −3 or less, at least one of the stacking faults present in the seed crystal 1 stopped extending at the boundary surface. When the nitrogen concentration of the grown crystal was lower than the nitrogen concentration of the seed crystal, at least one of the stacking faults present in the seed crystal 1 stopped extending at the boundary surface.

成長結晶の窒素濃度が1×1019cm-3以下9×1018cm-3以上場合(本発明例2および3の場合)、積層欠陥の伸展が停止した割合は50%以上であった。また成長結晶の窒素濃度が7×1018cm-3以下5×1018cm-3以上場合(本発明例4および5の場合)、積層欠陥の伸展が停止した割合は90%以上であった。 When the nitrogen concentration of the grown crystal was 1 × 10 19 cm −3 or less and 9 × 10 18 cm −3 or more (in the case of Invention Examples 2 and 3), the rate at which the stacking fault extension stopped was 50% or more. Further, when the nitrogen concentration of the grown crystal was 7 × 10 18 cm −3 or less and 5 × 10 18 cm −3 or more (in the case of Invention Examples 4 and 5), the rate of stoppage of stacking faults was 90% or more .

種結晶1の主面1aが(0001)面から10°以下オフした面(具体的には、2°オフと4°オフと10°オフした面)である場合、成長結晶において積層欠陥が新たに発生することを抑制することができた。一方、種結晶1の主面1aが(0001)面から15°オフした面である場合、成長結晶において積層欠陥が1×104cm-1以上の密度で新たに発生した。 When the main surface 1a of the seed crystal 1 is a surface that is off by 10 ° or less from the (0001) surface (specifically, a surface that is 2 ° off, 4 ° off, and 10 ° off), a stacking fault is newly generated in the grown crystal. Can be suppressed. On the other hand, when the main surface 1a of the seed crystal 1 is a surface that is 15 ° off from the (0001) plane, stacking faults are newly generated at a density of 1 × 10 4 cm −1 or more in the grown crystal.

以上の結果より、窒素濃度が2×1019cm-3以下である炭化珪素単結晶領域(成長結晶)を形成すると、種結晶1に存在していた積層欠陥が炭化珪素単結晶領域に伸長することを抑制することができることが確認された。また成長結晶の窒素濃度が種結晶の窒素濃度よりも低い場合、種結晶1に存在していた積層欠陥が炭化珪素単結晶領域に伸長することを抑制することができることが確認された。さらに窒素濃度が1×1019cm-3以下である炭化珪素単結晶領域(成長結晶)を形成すると、種結晶1に存在していた積層欠陥が炭化珪素単結晶領域に伸長することを効果的に抑制することができることが確認された。 From the above results, when a silicon carbide single crystal region (growth crystal) having a nitrogen concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less is formed, stacking faults existing in seed crystal 1 are extended to the silicon carbide single crystal region. It was confirmed that this can be suppressed. Further, it was confirmed that when the nitrogen concentration of the grown crystal is lower than the nitrogen concentration of the seed crystal, it is possible to suppress the stacking faults existing in the seed crystal 1 from extending into the silicon carbide single crystal region. Further, when a silicon carbide single crystal region (growth crystal) having a nitrogen concentration of 1 × 10 19 cm −3 or less is formed, it is effective that the stacking faults existing in the seed crystal 1 extend into the silicon carbide single crystal region. It was confirmed that it can be suppressed.

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。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1 種結晶、1a 主面、2 炭化珪素単結晶、2a 第1の炭化珪素単結晶領域、2b 第2の炭化珪素単結晶領域(炭化珪素単結晶領域)、3,3a,3b 積層欠陥、4 種結晶保持部、5 原料収容部、6 炭化珪素原料、7 反応容器、7a ガス導入口、7b ガス排出口、8 終端部、9 境界領域、10 坩堝、100 製造装置、A1,A2,A3 窒素ガス流量、W1 直径。   1 seed crystal, 1a main surface, 2 silicon carbide single crystal, 2a first silicon carbide single crystal region, 2b second silicon carbide single crystal region (silicon carbide single crystal region), 3, 3a, 3b stacking fault, 4 Seed crystal holding part, 5 raw material accommodating part, 6 silicon carbide raw material, 7 reaction vessel, 7a gas inlet, 7b gas outlet, 8 terminal part, 9 boundary region, 10 crucible, 100 production equipment, A1, A2, A3 nitrogen Gas flow, W1 diameter.

Claims (13)

主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、
窒素を含む雰囲気ガス中において、前記種結晶の前記主面上に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は、窒素濃度が2×1019cm-3以下である炭化珪素単結晶領域を形成する工程を含み、
前記炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、前記種結晶の窒素濃度よりも低い、炭化珪素単結晶の製造方法。
Preparing a seed crystal having a main surface and made of silicon carbide;
A step of growing a silicon carbide single crystal on the main surface of the seed crystal in an atmosphere gas containing nitrogen,
The step of growing the silicon carbide single crystal includes a step of forming a silicon carbide single crystal region having a nitrogen concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less,
The method for producing a silicon carbide single crystal, wherein a nitrogen concentration in the silicon carbide single crystal region is lower than a nitrogen concentration in the seed crystal.
前記炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、前記種結晶の窒素濃度の3分の2以下である、請求項1に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。   2. The method for producing a silicon carbide single crystal according to claim 1, wherein a nitrogen concentration of the silicon carbide single crystal region is not more than two-thirds of a nitrogen concentration of the seed crystal. 前記炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、1×1019cm-3以下である、請求項1または2に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。 3. The method for producing a silicon carbide single crystal according to claim 1, wherein a nitrogen concentration in the silicon carbide single crystal region is 1 × 10 19 cm −3 or less. 前記炭化珪素単結晶の直径は、100mm以上である、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。   The diameter of the said silicon carbide single crystal is a manufacturing method of the silicon carbide single crystal of any one of Claims 1-3 which is 100 mm or more. 前記種結晶の前記主面は、(0001)面に対して10°以下の角度オフした面である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。   5. The method for producing a silicon carbide single crystal according to claim 1, wherein the main surface of the seed crystal is a surface that is turned off by an angle of 10 ° or less with respect to the (0001) plane. 前記炭化珪素単結晶は、ポリタイプ4Hの炭化珪素である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。   The method for producing a silicon carbide single crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the silicon carbide single crystal is polytype 4H silicon carbide. 前記炭化珪素単結晶の内部において積層欠陥の終端部が存在する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide single crystal according to any one of claims 1 to 6, wherein a termination portion of a stacking fault exists inside the silicon carbide single crystal. 第1の窒素濃度を有し、かつ1つ以上の積層欠陥を有する第1の炭化珪素単結晶領域と、
前記第1の炭化珪素単結晶領域と接し、かつ窒素濃度が2×1019cm-3以下である第2の炭化珪素単結晶領域とを備え、
前記第1の炭化珪素単結晶領域と前記第2の炭化珪素単結晶領域との境界領域において前記積層欠陥の終端部が1つ以上存在している、炭化珪素単結晶。
A first silicon carbide single crystal region having a first nitrogen concentration and having one or more stacking faults;
A second silicon carbide single crystal region in contact with the first silicon carbide single crystal region and having a nitrogen concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less,
A silicon carbide single crystal in which one or more terminal portions of the stacking fault exist in a boundary region between the first silicon carbide single crystal region and the second silicon carbide single crystal region.
前記第2の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、前記第1の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度よりも低い、請求項8に記載の炭化珪素単結晶。   The silicon carbide single crystal according to claim 8, wherein a nitrogen concentration in the second silicon carbide single crystal region is lower than a nitrogen concentration in the first silicon carbide single crystal region. 前記第2の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、前記第1の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度の3分の2以下である、請求項9に記載の炭化珪素単結晶。   10. The silicon carbide single crystal according to claim 9, wherein a nitrogen concentration in said second silicon carbide single crystal region is not more than two-thirds of a nitrogen concentration in said first silicon carbide single crystal region. 前記第2の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、1×1019cm-3以下である、請求項8〜10のいずれか1項に記載の炭化珪素単結晶。 11. The silicon carbide single crystal according to claim 8, wherein a nitrogen concentration of the second silicon carbide single crystal region is 1 × 10 19 cm −3 or less. 前記炭化珪素単結晶の直径は、100mm以上である、請求項8〜11のいずれか1項に記載の炭化珪素単結晶。   The diameter of the said silicon carbide single crystal is a silicon carbide single crystal of any one of Claims 8-11 which is 100 mm or more. 前記炭化珪素単結晶は、ポリタイプ4Hの炭化珪素である、請求項8〜12のいずれか1項に記載の炭化珪素単結晶。   The silicon carbide single crystal according to any one of claims 8 to 12, wherein the silicon carbide single crystal is polytype 4H silicon carbide.
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