JP2014218397A - Manufacturing method of silicon carbide single crystal - Google Patents

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俊策 上田
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智博 川瀬
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Makoto Sasaki
信 佐々木
堀勉
Tsutomu Hori
勉 堀
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a silicon carbide single crystal having low penetration dislocation density by a sublimation recrystallization method.SOLUTION: After a first ingot 21 made of silicon carbide is formed by liquid phase growth on a first seed crystal 11, a second seed crystal is formed from the first ingot 21 and a second ingot of silicon carbide is grown on the second seed crystal by a sublimation recrystallization method. The first ingot 21 of which the penetration dislocation density is reduced by using the liquid phase growth forms the second seed crystal. Because the thus formed second seed crystal is used for the second ingot, the second ingot having low penetration dislocation density is obtained by the sublimation recrystallization method.

Description

本発明は炭化珪素単結晶の製造方法に関し、特に、昇華再結晶法を用いた炭化珪素単結晶の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide single crystal, and more particularly to a method for manufacturing a silicon carbide single crystal using a sublimation recrystallization method.

半導体材料として、近年、炭化珪素(SiC)の利用が活発に検討されている。SiCが有する大きなバンドギャップは、半導体装置の性能を高めることに貢献し得る。SiC単結晶の量産方法には、結晶の品質だけでなく、十分な成長速度も求められる。この点に鑑み、現在最も一般的な方法は昇華再結晶法である。この方法は、たとえば米国特許第7314520号明細書(特許文献1)に開示されている。   In recent years, the use of silicon carbide (SiC) as a semiconductor material has been actively studied. The large band gap of SiC can contribute to improving the performance of the semiconductor device. A mass production method of SiC single crystal requires not only the quality of the crystal but also a sufficient growth rate. In view of this point, the most common method at present is the sublimation recrystallization method. This method is disclosed, for example, in US Pat. No. 7,314,520 (Patent Document 1).

米国特許第7314520号明細書US Pat. No. 7,314,520

昇華再結晶法を用いる場合、得られる単結晶の貫通転位密度は、種結晶の貫通転位密度とおおよそ同様となる。このため、たとえ結晶成長のプロセス条件を調整しても、得られる単結晶の貫通転位密度を大幅に小さくすることは困難であった。   When the sublimation recrystallization method is used, the threading dislocation density of the obtained single crystal is approximately the same as the threading dislocation density of the seed crystal. For this reason, even if the crystal growth process conditions are adjusted, it is difficult to significantly reduce the threading dislocation density of the single crystal obtained.

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、貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶の製造方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for producing a silicon carbide single crystal having a low threading dislocation density.

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法は、次の工程を有する。第1の種結晶上における液相成長によって、炭化珪素から作られた第1のインゴットが形成される。第1のインゴットから第2の種結晶が形成される。昇華再結晶法により、第2の種結晶上に第2のインゴットが成長させられる。   The method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention includes the following steps. A first ingot made of silicon carbide is formed by liquid phase growth on the first seed crystal. A second seed crystal is formed from the first ingot. A second ingot is grown on the second seed crystal by the sublimation recrystallization method.

この製造方法によれば、昇華再結晶法を用いつつ、より小さい貫通転位密度が得られる。   According to this manufacturing method, a smaller threading dislocation density can be obtained while using the sublimation recrystallization method.

本発明の実施の形態1における炭化珪素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。It is sectional drawing which shows schematically the 1st process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における炭化珪素単結晶の製造方法の第2工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 2nd process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における炭化珪素単結晶の製造方法の第3工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 3rd process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における炭化珪素単結晶の製造方法の第4工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 4th process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における炭化珪素単結晶の製造方法の第5工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 5th process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における炭化珪素単結晶の製造方法の第6工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 6th process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2における炭化珪素単結晶の製造方法の第7工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 7th process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における炭化珪素単結晶の製造方法の第8工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 8th process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における炭化珪素単結晶の製造方法の第9工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the 9th process of the manufacturing method of the silicon carbide single crystal in Embodiment 2 of this invention.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
はじめに概要について、以下の(i)〜(ix)において説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, an outline will be described in the following (i) to (ix).

(i) 本発明の炭化珪素単結晶の製造方法は、次の工程を有する。第1の種結晶上における液相成長によって、炭化珪素から作られた第1のインゴットが形成される。第1のインゴットから第2の種結晶が形成される。昇華再結晶法により、第2の種結晶上に第2のインゴットが成長させられる。   (i) The method for producing a silicon carbide single crystal of the present invention includes the following steps. A first ingot made of silicon carbide is formed by liquid phase growth on the first seed crystal. A second seed crystal is formed from the first ingot. A second ingot is grown on the second seed crystal by the sublimation recrystallization method.

この製造方法によれば、液相成長を用いることで貫通転位密度が低減された第1のインゴットから作られた第2の種結晶上において、昇華再結晶法により第2のインゴットが成長させられる。これにより、昇華再結晶法によって得られる第2のインゴットの貫通転位密度を小さくすることができる。   According to this manufacturing method, the second ingot is grown by the sublimation recrystallization method on the second seed crystal made from the first ingot whose threading dislocation density is reduced by using liquid phase growth. . Thereby, the threading dislocation density of the second ingot obtained by the sublimation recrystallization method can be reduced.

(ii) 上記(i)において、第1のインゴットは、ドーパントを除く不純物を第1の濃度で有してもよく、第2のインゴットは、ドーパントを除く不純物を第2の濃度で有してもよい。第1の濃度は第2の濃度よりも大きくてもよい。   (ii) In the above (i), the first ingot may have an impurity excluding the dopant at a first concentration, and the second ingot has an impurity excluding the dopant at a second concentration. Also good. The first concentration may be greater than the second concentration.

第1の濃度が第2の濃度よりも大きい場合、第1のインゴットの液相成長の促進のために融液中に添加される添加物として、ドーパントを除く不純物をより多く用いることができる。これにより、液相成長をより促進することができる。これにより、成長速度が遅いという液相成長の問題を緩和することができる。また第1の濃度が第2の濃度よりも大きいということは、第2の濃度が第1の濃度よりも小さいということを意味する。これにより、第2のインゴット中のドーパントを除く不純物の濃度が小さくされる。半導体物性上は、通常、ドーパントを除く不純物の濃度は小さい方が好ましい。よって第2のインゴットは、より好ましい半導体物性を有し得る。   When the first concentration is higher than the second concentration, more impurities other than the dopant can be used as an additive added to the melt for promoting the liquid phase growth of the first ingot. Thereby, liquid phase growth can be promoted more. This can alleviate the problem of liquid phase growth where the growth rate is slow. Further, the fact that the first density is higher than the second density means that the second density is lower than the first density. Thereby, the density | concentration of the impurity except the dopant in a 2nd ingot is made small. In terms of semiconductor physical properties, it is usually preferable that the concentration of impurities excluding dopants is small. Therefore, the second ingot can have more preferable semiconductor physical properties.

(iii) 上記(ii)において、第2のインゴットは、ドーパントとして窒素およびアルミニウムの少なくともいずれかを含んでもよい。   (iii) In the above (ii), the second ingot may contain at least one of nitrogen and aluminum as a dopant.

この場合、窒素またはアルミニウムによって、第2のインゴットの伝導度を高めることができる。   In this case, the conductivity of the second ingot can be increased by nitrogen or aluminum.

(iv) 上記(ii)または(iii)において、第2の濃度は4×1014cm-3よりも小さくてもよい。 (iv) In the above (ii) or (iii), the second concentration may be smaller than 4 × 10 14 cm −3 .

この場合、第2のインゴットの、ドーパントを除く不純物の濃度は、半導体中の不純物濃度の定量的測定において一般に用いられる方法であるグロー放電質量分析法による通常の検出限界よりも小さい。言い換えれば、第2の濃度は実質的にゼロである。これにより第2のインゴットの、ドーパントを除く不純物の濃度が実質的にゼロとされる。   In this case, the concentration of impurities excluding the dopant in the second ingot is smaller than the normal detection limit by glow discharge mass spectrometry, which is a method generally used in quantitative measurement of the impurity concentration in the semiconductor. In other words, the second concentration is substantially zero. As a result, the concentration of impurities excluding the dopant in the second ingot is substantially zero.

(v) 上記(ii)〜(iv)において、第1の濃度は4×1014cm-3よりも大きくてもよい。 (v) In the above (ii) to (iv), the first concentration may be higher than 4 × 10 14 cm −3 .

この場合、第1のインゴットの、ドーパントを除く不純物の濃度は、半導体中の不純物濃度の定量的測定において一般に用いられる方法であるグロー放電質量分析法による通常の検出限界よりも大きい。言い換えれば、第1のインゴットは、ドーパントを除く不純物を実質的に含んでいる。このような含有が許容されることで、液相成長に用いられる融液中に、添加物としての、ドーパントを除く不純物をより多く用いることができる。   In this case, the concentration of the impurities excluding the dopant in the first ingot is larger than the normal detection limit by glow discharge mass spectrometry, which is a method generally used in quantitative measurement of the impurity concentration in the semiconductor. In other words, the first ingot substantially contains impurities excluding the dopant. By allowing such inclusion, a larger amount of impurities excluding the dopant as an additive can be used in the melt used for liquid phase growth.

(vi) 上記(i)〜(v)において、第1のインゴットは、ドーパントを除く不純物として遷移元素を含んでもよい。   (vi) In the above (i) to (v), the first ingot may contain a transition element as an impurity excluding the dopant.

これにより、液相成長を促進することができる。よって第1のインゴットを効率的に形成することができる。   Thereby, liquid phase growth can be promoted. Therefore, the first ingot can be formed efficiently.

(vii) 上記(i)〜(vi)において、第1のインゴットは、ドーパントを除く不純物としてクロムを含んでもよい。   (vii) In the above (i) to (vi), the first ingot may contain chromium as an impurity excluding the dopant.

これにより、液相成長をより促進することができる。よって第1のインゴットをより効率的に形成することができる。   Thereby, liquid phase growth can be promoted more. Therefore, the first ingot can be formed more efficiently.

(viii) 上記(i)〜(vii)において、第2のインゴットのドーパントの濃度は、第1のインゴットのドーパントの濃度よりも大きくてもよい。   (viii) In the above (i) to (vii), the dopant concentration of the second ingot may be higher than the dopant concentration of the first ingot.

これにより、第2のインゴットはn型またはp型の導電型を十分に有し得る。
(ix) 上記(i)〜(viii)の炭化珪素単結晶の製造方法は、さらに次の工程を有してもよい。第2のインゴットから第3の種結晶が形成される。昇華再結晶法により、第3の種結晶上に第3のインゴットが成長させられる。
Accordingly, the second ingot can sufficiently have an n-type or p-type conductivity type.
(ix) The method for producing a silicon carbide single crystal of (i) to (viii) may further include the following steps. A third seed crystal is formed from the second ingot. A third ingot is grown on the third seed crystal by the sublimation recrystallization method.

第3の種結晶は、第2の種結晶の貫通転位密度と同程度に低い貫通転位密度を有する。よって第3の種結晶上に成長させられる第3のインゴットも、低い貫通転位密度を有する。また第3のインゴットの成長のための第3の種結晶は、昇華再結晶法により効率的に形成され得る。以上から、貫通転位密度の低い第3のインゴットを効率的に製造することができる。   The third seed crystal has a threading dislocation density that is as low as the threading dislocation density of the second seed crystal. Therefore, the third ingot grown on the third seed crystal also has a low threading dislocation density. The third seed crystal for growing the third ingot can be efficiently formed by the sublimation recrystallization method. From the above, it is possible to efficiently manufacture the third ingot having a low threading dislocation density.

次に詳細について、以下の実施の形態1および2において説明する。
(実施の形態1)
本実施の形態における炭化珪素単結晶(第2のインゴット)の製造方法について、以下に説明する。
Next, details will be described in Embodiments 1 and 2 below.
(Embodiment 1)
A method for manufacturing a silicon carbide single crystal (second ingot) in the present embodiment will be described below.

図1を参照して、SiCから作られた種結晶11(第1の種結晶)が準備される。種結晶11の結晶構造は六方晶系であることが好ましい。この場合、種結晶11の面方位(図中、下面の方位)は{0001}に対して15°より小さいオフ角を有することが好ましく、10°より小さいオフ角を有することがより好ましい。また結晶構造のポリタイプは4Hまたは6Hであることが好ましい。種結晶11は支持部42によって支持されてもよい。支持部42はグラファイトから作られていてもよい。   Referring to FIG. 1, seed crystal 11 (first seed crystal) made of SiC is prepared. The crystal structure of the seed crystal 11 is preferably a hexagonal system. In this case, the plane orientation of the seed crystal 11 (the orientation of the lower surface in the figure) preferably has an off angle smaller than 15 ° with respect to {0001}, and more preferably has an off angle smaller than 10 °. The crystal structure polytype is preferably 4H or 6H. The seed crystal 11 may be supported by the support portion 42. The support part 42 may be made of graphite.

また坩堝41が準備される。坩堝41はC原子を含むことが好ましく、炭素から作られていることがさらに好ましく、たとえばグラファイトから作られている。坩堝41内に、Si原子を含む材料が収められる。この材料は固体Siを含むことが好ましい。固体Siは、たとえばSi粒である。ヒータ40による加熱によって材料が溶かされることで、坩堝41内に融液31が得られる。ヒータ40としては、たとえば、グラファイトヒータのような抵抗加熱方式のもの、または誘導加熱方式のものを用いることができる。融液31の温度は2500℃以下が好ましく、2300℃以下がより好ましい。融液31は不活性ガス中に配置されることが好ましい。   A crucible 41 is also prepared. The crucible 41 preferably contains C atoms, more preferably made from carbon, for example made from graphite. A material containing Si atoms is accommodated in the crucible 41. This material preferably contains solid Si. Solid Si is, for example, Si grains. The melt 31 is obtained in the crucible 41 by melting the material by heating with the heater 40. As the heater 40, for example, a resistance heating type such as a graphite heater or an induction heating type can be used. The temperature of the melt 31 is preferably 2500 ° C. or less, and more preferably 2300 ° C. or less. The melt 31 is preferably disposed in an inert gas.

融液31は、C原子が溶かされた液体Siを主成分として有する。融液31中のC原子は、坩堝41から融液31中へC原子が溶け出すことによって供給されてもよい。融液31はさらに、後述する液相成長を促進させるための添加物を含むことが好ましい。添加物は、SiC半導体に対してドナーまたはアクセプタとして機能しないもの、すなわち非導電型不純物であってもよい。すなわち添加物は、ドーパントを除く不純物であってよい。ここでドーパントとは、SiC半導体に対してドナーまたはアクセプタとして機能し得る不純物である。たとえば、窒素およびアルミニウムの各々はドーパントの一種である。この、ドーパントを除く不純物としては、遷移元素が好ましく、3d遷移元素がより好ましい。3d遷移元素としては、Cr、TiまたはFeが好ましく、Crが特に好ましい。   The melt 31 has liquid Si in which C atoms are dissolved as a main component. The C atoms in the melt 31 may be supplied by dissolving the C atoms from the crucible 41 into the melt 31. It is preferable that the melt 31 further contains an additive for promoting liquid phase growth described later. The additive may be a non-conducting impurity that does not function as a donor or acceptor for the SiC semiconductor. That is, the additive may be an impurity excluding the dopant. Here, the dopant is an impurity that can function as a donor or acceptor for the SiC semiconductor. For example, each of nitrogen and aluminum is a kind of dopant. As this impurity excluding the dopant, a transition element is preferable, and a 3d transition element is more preferable. As the 3d transition element, Cr, Ti or Fe is preferable, and Cr is particularly preferable.

種結晶11が融液31に浸される。種結晶11の温度が融液31の液相線の温度よりも低くされることで、種結晶11上においてSiCの液相成長が生じる。この結果、図2に示すように、SiCから作られたインゴット21(第1のインゴット)が形成される。インゴット21が有する、上述したドーパントを除く不純物の濃度(第1の濃度)は、4×1014cm-3よりも大きくてもよい。成長終了後、種結晶11およびインゴット21が坩堝41から取り出される。 The seed crystal 11 is immersed in the melt 31. By causing the temperature of the seed crystal 11 to be lower than the temperature of the liquidus line of the melt 31, SiC liquid phase growth occurs on the seed crystal 11. As a result, as shown in FIG. 2, an ingot 21 (first ingot) made of SiC is formed. The concentration (first concentration) of the impurity excluding the above-described dopant in the ingot 21 may be higher than 4 × 10 14 cm −3 . After the growth is completed, the seed crystal 11 and the ingot 21 are taken out from the crucible 41.

図3を参照して、液相成長においては、種基板11の貫通転位を起点とする貫通転位DSの進展が、成長途中で途切れやすい。このため、インゴット21の貫通転位密度は、成長が進むにつれて、種結晶11の貫通転位密度よりも小さくなりやすい。すなわち、インゴット21のうち、より後に成長した部分(図3における、より下側の部分)の貫通転位密度は、特に小さくなりやすい。   Referring to FIG. 3, in the liquid phase growth, the progress of threading dislocation DS starting from threading dislocation of seed substrate 11 is likely to be interrupted during the growth. For this reason, the threading dislocation density of the ingot 21 tends to be smaller than the threading dislocation density of the seed crystal 11 as the growth proceeds. That is, the threading dislocation density of the later grown portion of the ingot 21 (the lower portion in FIG. 3) tends to be particularly small.

図4を参照して、インゴット21から種結晶12(第2の種結晶)が形成される。破線Lで示すスライスによって、インゴット21から1つの種結晶12または複数の種結晶12が切り出され得る。種結晶12は1対の主面(図4における上面および下面)を有する。この2つの主面のうち、インゴット21の成長がより進んだ段階で形成された面(図4における下面)を、種結晶12の成長面(図6における種結晶12の下面、すなわち種結晶12を用いたインゴット22の成長が行われることになる面)として用いることが好ましい。それにより、成長面の貫通転位密度をより小さくすることができる(図3参照)。成長面の転位密度を十分に小さくするためには、成長面は種結晶11から距離D以上離れていることが好ましい。   Referring to FIG. 4, seed crystal 12 (second seed crystal) is formed from ingot 21. One seed crystal 12 or a plurality of seed crystals 12 can be cut out from the ingot 21 by the slice indicated by the broken line L. Seed crystal 12 has a pair of main surfaces (an upper surface and a lower surface in FIG. 4). Of these two main surfaces, the surface (the lower surface in FIG. 4) formed at a stage where the growth of the ingot 21 has progressed is the growth surface of the seed crystal 12 (the lower surface of the seed crystal 12 in FIG. 6, ie, the seed crystal 12). It is preferable to use it as the surface on which the ingot 22 is grown. Thereby, the threading dislocation density on the growth surface can be further reduced (see FIG. 3). In order to sufficiently reduce the dislocation density on the growth surface, the growth surface is preferably separated from the seed crystal 11 by a distance D or more.

なお上述したスライスを行なわずに、種結晶11およびインゴット21の全体を種結晶12として用いてもよい。この場合、成長面としては、種結晶11の側ではなくインゴット21の側(図4に示す構造の下側)が用いられる。   Note that the seed crystal 11 and the entire ingot 21 may be used as the seed crystal 12 without performing the above-described slicing. In this case, not the seed crystal 11 side but the ingot 21 side (the lower side of the structure shown in FIG. 4) is used as the growth surface.

図5を参照して、容器部51および蓋部52を有する反応室50が準備される。反応室50は、グラファイトから作られていることが好ましい。種結晶12の成長面が露出されるように、蓋部52上に種結晶12が接着される。また容器部51内に、昇華再結晶法によるSiCの成長を行なうための固体原料32が収められる。固体原料32は、SiCを含むことが好ましく、たとえばSiC粉末から作られている。次に、種結晶12の成長面(図中、下面)が固体原料32と対向するように、蓋部52が容器部51に取り付けられる。   Referring to FIG. 5, a reaction chamber 50 having a container portion 51 and a lid portion 52 is prepared. The reaction chamber 50 is preferably made of graphite. The seed crystal 12 is bonded onto the lid 52 so that the growth surface of the seed crystal 12 is exposed. In addition, a solid raw material 32 for growing SiC by sublimation recrystallization is stored in the container 51. The solid material 32 preferably contains SiC, and is made of, for example, SiC powder. Next, the lid portion 52 is attached to the container portion 51 so that the growth surface (the lower surface in the drawing) of the seed crystal 12 faces the solid raw material 32.

図6を参照して、昇華再結晶法によって、種結晶12の成長面(図中、下面)上にインゴット22(第2のインゴット)が成長させられる。言い換えれば、固体原料32の昇華と、それに続く種結晶12上での再結晶化とによって、インゴット22が成長させられる。固体原料32を昇華させるための温度は、たとえば、2100℃以上2500℃以下である。またインゴット22の成長中の反応室50内の圧力は、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。インゴット22の成長中、反応室50内の雰囲気中に、ドーパントとなる原子が添加されてもよい。これにより、得られるインゴット22のドーパントの濃度を大きくすることができる。これにより、インゴット22のドーパントの濃度は、インゴット21のドーパントの濃度よりも容易に大きくし得る。たとえば、雰囲気中に窒素が含められることで、インゴット22中にドーパントとしての窒素を含めることができる。   Referring to FIG. 6, ingot 22 (second ingot) is grown on the growth surface (lower surface in the figure) of seed crystal 12 by the sublimation recrystallization method. In other words, the ingot 22 is grown by sublimation of the solid raw material 32 and subsequent recrystallization on the seed crystal 12. The temperature for sublimating the solid raw material 32 is, for example, 2100 ° C. or higher and 2500 ° C. or lower. The pressure in the reaction chamber 50 during the growth of the ingot 22 is preferably 1.3 kPa or more and atmospheric pressure or less, and more preferably 13 kPa or less in order to increase the growth rate. During the growth of the ingot 22, atoms serving as dopants may be added to the atmosphere in the reaction chamber 50. Thereby, the density | concentration of the dopant of the ingot 22 obtained can be enlarged. Thereby, the concentration of the dopant of the ingot 22 can be easily made larger than the concentration of the dopant of the ingot 21. For example, nitrogen as a dopant can be included in the ingot 22 by including nitrogen in the atmosphere.

以上により、本実施の形態における炭化珪素単結晶としてのインゴット22が得られる。インゴット22は、上述したドーパントを除く不純物を第2の濃度で有する。第2の濃度は4×1014cm-3よりも小さいことが好ましい。インゴット22の形成には昇華再結晶法が用いられるので、液相成長の場合のように望まれるような、成長を促進するための添加物を特に必要としない。よって第2の濃度は特段の不都合なく小さくし得る。インゴット22からは、たとえば、複数のSiCウエハが切り出され得る。SiCウエハは、低い貫通転位密度と、低いドーパントを除く不純物の濃度とを有するので、半導体装置の製造に適している。 Thus, ingot 22 as a silicon carbide single crystal in the present embodiment is obtained. The ingot 22 has an impurity excluding the above-described dopant at a second concentration. The second concentration is preferably less than 4 × 10 14 cm −3 . Since the sublimation recrystallization method is used for the formation of the ingot 22, an additive for promoting the growth as desired as in the case of the liquid phase growth is not particularly required. Therefore, the second concentration can be reduced without any particular inconvenience. For example, a plurality of SiC wafers can be cut out from the ingot 22. The SiC wafer has a low threading dislocation density and an impurity concentration excluding a low dopant, and is suitable for manufacturing a semiconductor device.

本実施の形態によれば、液相成長を用いることで貫通転位密度が低減されたインゴット21(図3)から作られた種結晶12(図4)上において、昇華再結晶法によりインゴット22(図6)が成長させられる。これにより、昇華再結晶法によって得られるインゴット22の貫通転位密度を小さくすることができる。特に貫通螺旋転位密度を小さくすることができる。   According to the present embodiment, on the seed crystal 12 (FIG. 4) made from the ingot 21 (FIG. 3) whose threading dislocation density is reduced by using liquid phase growth, the ingot 22 ( FIG. 6) is grown. Thereby, the threading dislocation density of the ingot 22 obtained by the sublimation recrystallization method can be reduced. In particular, the threading screw dislocation density can be reduced.

インゴット22は、ドーパントとして窒素およびアルミニウムの少なくともいずれかを含んでもよい。この場合、窒素またはアルミニウムによって、インゴット22の伝導度を高めることができる。なおインゴット22中への窒素の添加は、昇華再結晶法におけるプロセスガスに窒素原子を含めることで容易になし得る。   The ingot 22 may contain at least one of nitrogen and aluminum as a dopant. In this case, the conductivity of the ingot 22 can be increased by nitrogen or aluminum. The addition of nitrogen into the ingot 22 can be easily performed by including nitrogen atoms in the process gas in the sublimation recrystallization method.

種結晶12の成長面(図5の下面)において、貫通転位密度は3000cm-2以下であることが好ましい。また貫通螺旋転位密度は100cm-2以下であることが好ましい。なお貫通螺旋転位密度は、100cm-2以下であれば、10cm-2以上であっても差し支えがないことが多い。 In the growth surface of the seed crystal 12 (the lower surface in FIG. 5), the threading dislocation density is preferably 3000 cm −2 or less. The threading screw dislocation density is preferably 100 cm -2 or less. If the threading screw dislocation density is 100 cm −2 or less, there is often no problem even if it is 10 cm −2 or more.

インゴット21のドーパントを除く不純物の濃度は、インゴット22のドーパントを除く不純物の濃度よりも大きくてもよい。なぜならば、インゴット21は、インゴット22の形成に用いられる種結晶12の材料であって、半導体装置の材料とされることは想定されていないからである。よってインゴット21のドーパントを除く不純物の濃度(第1の濃度)は、第2の濃度よりも大きくてもよい。これにより、インゴット21の液相成長を促進させるために融液31(図2)中に添加される添加物として、ドーパントを除く不純物をより多く用いることができる。これにより、成長速度が遅いという液相成長の問題を緩和することができる。一方、インゴット22のドーパントを除く不純物の濃度が小さいことは、インゴット22を材料として製造された半導体装置の特性を高めることに寄与し得る。   The concentration of the impurities excluding the dopant of the ingot 21 may be higher than the concentration of the impurities excluding the dopant of the ingot 22. This is because the ingot 21 is a material of the seed crystal 12 used for forming the ingot 22 and is not assumed to be a material of the semiconductor device. Therefore, the concentration of impurities (first concentration) excluding the dopant of the ingot 21 may be higher than the second concentration. Thereby, in order to promote the liquid phase growth of the ingot 21, more impurities except the dopant can be used as an additive added to the melt 31 (FIG. 2). This can alleviate the problem of liquid phase growth where the growth rate is slow. On the other hand, the low concentration of impurities excluding the dopant of the ingot 22 can contribute to enhancing the characteristics of a semiconductor device manufactured using the ingot 22 as a material.

インゴット22(図6)のドーパントを除く不純物の濃度(第2の濃度)は、4×1014cm-3よりも小さいことが好ましい。この場合、第2の濃度は、半導体中の不純物濃度の定量的測定において一般に用いられる方法であるグロー放電質量分析法による通常の検出限界よりも小さい。言い換えれば、インゴット22はドーパントを除く不純物を実質的に有しない。 The concentration of impurities (second concentration) excluding the dopant of the ingot 22 (FIG. 6) is preferably smaller than 4 × 10 14 cm −3 . In this case, the second concentration is smaller than a normal detection limit by glow discharge mass spectrometry, which is a method generally used in quantitative measurement of impurity concentration in a semiconductor. In other words, the ingot 22 has substantially no impurities other than the dopant.

インゴット21(図2)のドーパントを除く不純物の濃度(第1の濃度)は、4×1014cm-3よりも大きいことが好ましい。この場合、第1の濃度は、半導体中の不純物濃度の定量的測定において一般に用いられる方法であるグロー放電質量分析法による通常の検出限界よりも大きい。言い換えれば、インゴット21は、ドーパントを除く不純物を実質的に含有する。このような含有が許容されることで、液相成長に用いられる融液31(図2)中に、成長促進のための添加物としてのドーパントを除く不純物をより多く用いることができる。 The concentration of impurities (first concentration) excluding the dopant of the ingot 21 (FIG. 2) is preferably greater than 4 × 10 14 cm −3 . In this case, the first concentration is larger than a normal detection limit by glow discharge mass spectrometry, which is a method generally used in quantitative measurement of impurity concentration in a semiconductor. In other words, the ingot 21 substantially contains impurities excluding the dopant. By allowing such inclusion, a larger amount of impurities excluding the dopant as an additive for promoting growth can be used in the melt 31 (FIG. 2) used for liquid phase growth.

ドーパントを除く不純物は遷移元素を含んでもよい。これにより液相成長をより促進することができる。よってインゴット21(図2)をより効率的に形成することができる。ドーパントを除く不純物がクロムを含む場合、液相成長をより促進することができる。   The impurities excluding the dopant may contain a transition element. Thereby, liquid phase growth can be promoted more. Therefore, the ingot 21 (FIG. 2) can be formed more efficiently. When the impurities excluding the dopant include chromium, liquid phase growth can be further promoted.

インゴット22(図6)のドーパントの濃度は、インゴット21(図2)のドーパントの濃度よりも大きくてもよい。これにより、インゴット22はn型またはp型の導電型を十分に有し得る。ドーパントは窒素を含んでもよい。これにより、インゴット22は、ドナーとしての窒素を有し得る。   The dopant concentration of the ingot 22 (FIG. 6) may be greater than the dopant concentration of the ingot 21 (FIG. 2). Thereby, the ingot 22 may have a sufficient conductivity type of n-type or p-type. The dopant may include nitrogen. Thereby, the ingot 22 may have nitrogen as a donor.

(実施の形態2)
本実施の形態の炭化珪素単結晶(第3のインゴット)の製造方法においては、まず実施の形態1と同様の工程によりインゴット22(図6)が形成される。次に、図7に示すように、インゴット22から種結晶13(第3の種結晶)が形成される。具体的には、インゴット22が破線Lに示すようにスライスされることで、種結晶13が切り出される。次に、図8および図9に示すように、昇華再結晶法により種結晶13上にインゴット23(第3のインゴット)が成長させられる。図8および図9のそれぞれの工程は、図5および図6(実施の形態1)の工程とほぼ同様である。
(Embodiment 2)
In the method for manufacturing a silicon carbide single crystal (third ingot) of the present embodiment, first, ingot 22 (FIG. 6) is formed by the same process as in the first embodiment. Next, as shown in FIG. 7, seed crystal 13 (third seed crystal) is formed from ingot 22. Specifically, the seed crystal 13 is cut out by slicing the ingot 22 as indicated by a broken line L. Next, as shown in FIGS. 8 and 9, an ingot 23 (third ingot) is grown on the seed crystal 13 by a sublimation recrystallization method. 8 and FIG. 9 are substantially the same as the steps in FIG. 5 and FIG. 6 (Embodiment 1).

本実施の形態によれば、種結晶13は、種結晶12の貫通転位密度と同程度に低い貫通転位密度を有する。よって種結晶13上に成長させられるインゴット23も、低い貫通転位密度を有する。またインゴット23の成長のための種結晶13は、昇華再結晶法により効率的に形成され得る。以上から、貫通転位密度の低いインゴット23を効率的に製造することができる。   According to the present embodiment, the seed crystal 13 has a threading dislocation density that is as low as the threading dislocation density of the seed crystal 12. Therefore, the ingot 23 grown on the seed crystal 13 also has a low threading dislocation density. The seed crystal 13 for growing the ingot 23 can be efficiently formed by a sublimation recrystallization method. From the above, the ingot 23 having a low threading dislocation density can be efficiently produced.

(実施例)
一般的な昇華再結晶法を用いて種結晶11(図1)を準備した。種結晶11は貫通転位密度は8000cm-2および貫通螺旋転位密度1500cm-2を有していた。カーボンから作られた坩堝41中でSiおよびCrを1600℃以上に加熱することにより融液31(図1)を得た。融液31に種結晶11を接触させることで種結晶11上にインゴット21(図2)を500μm成長させた。インゴット21中のCr濃度はグロー放電質量分析法によれば8×1016cm-3であった。このインゴット21を種結晶12として用いた。種結晶12の成長面は、貫通転位密度2400cm-2および貫通螺旋転位密度80cm-2を有していた。
(Example)
A seed crystal 11 (FIG. 1) was prepared using a general sublimation recrystallization method. The seed crystal 11 had a threading dislocation density of 8000 cm −2 and a threading screw dislocation density of 1500 cm −2 . A melt 31 (FIG. 1) was obtained by heating Si and Cr to 1600 ° C. or higher in a crucible 41 made of carbon. By bringing the seed crystal 11 into contact with the melt 31, an ingot 21 (FIG. 2) was grown on the seed crystal 11 by 500 μm. The Cr concentration in the ingot 21 was 8 × 10 16 cm −3 according to glow discharge mass spectrometry. This ingot 21 was used as the seed crystal 12. The growth surface of the seed crystal 12 had a threading dislocation density of 2400 cm −2 and a threading screw dislocation density of 80 cm −2 .

種結晶12を用いた2000℃以上での昇華再結晶法によりインゴット22を成長させた(図6)。インゴット22中のCr濃度は、グロー放電質量分析法によれば、検出限界(4×1014cm-3)未満であった。インゴット22(炭化珪素単結晶)は、種結晶12と反対に位置する面(図6の下面)において、貫通転位密度3200cm-2および貫通螺旋転位密度90cm-2有していた。 Ingot 22 was grown by sublimation recrystallization at 2000 ° C. or higher using seed crystal 12 (FIG. 6). The Cr concentration in the ingot 22 was less than the detection limit (4 × 10 14 cm −3 ) according to glow discharge mass spectrometry. Ingot 22 (silicon carbide single crystal) is, in the surface (lower surface in FIG. 6) which is located opposite to the seed crystal 12 had threading dislocation density 3200 cm -2 and the through screw dislocation density 90cm -2.

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.

11〜13 種結晶(第1〜第3の種結晶)
21〜23 インゴット(第1〜第3のインゴット)
31 融液
32 固体原料
40 ヒータ
41 坩堝
42 支持部
50 反応室
51 容器部
52 蓋部
D 距離
DS 貫通転位
11-13 seed crystals (first to third seed crystals)
21-23 ingots (first to third ingots)
31 Melt 32 Solid material 40 Heater 41 Crucible 42 Support part 50 Reaction chamber 51 Container part 52 Lid part D Distance DS Threading dislocation

Claims (9)

第1の種結晶上における液相成長によって、炭化珪素から作られた第1のインゴットを形成する工程と、
前記第1のインゴットから第2の種結晶を形成する工程と、
昇華再結晶法により、前記第2の種結晶上に第2のインゴットを成長させる工程とを備える、炭化珪素単結晶の製造方法。
Forming a first ingot made of silicon carbide by liquid phase growth on a first seed crystal;
Forming a second seed crystal from the first ingot;
And a step of growing a second ingot on the second seed crystal by a sublimation recrystallization method.
前記第1のインゴットは、ドーパントを除く不純物を第1の濃度で有し、前記第2のインゴットは、ドーパントを除く不純物を第2の濃度で有し、前記第1の濃度は前記第2の濃度よりも大きい、請求項1に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。   The first ingot has an impurity excluding the dopant at a first concentration, the second ingot has an impurity excluding the dopant at a second concentration, and the first concentration is the second concentration. The method for producing a silicon carbide single crystal according to claim 1, wherein the method is larger than the concentration. 前記第2のインゴットは、ドーパントとして窒素およびアルミニウムの少なくともいずれかを含む、請求項2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 claim 2, wherein the second ingot contains at least one of nitrogen and aluminum as a dopant. 前記第2の濃度は4×1014cm-3よりも小さい、請求項2または3に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。 4. The method for producing a silicon carbide single crystal according to claim 2, wherein the second concentration is lower than 4 × 10 14 cm −3 . 前記第1の濃度は4×1014cm-3よりも大きい、請求項2〜4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 2, wherein the first concentration is higher than 4 × 10 14 cm −3 . 前記第1のインゴットは、ドーパントを除く前記不純物として遷移元素を含む、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 claim 1, wherein the first ingot includes a transition element as the impurity excluding the dopant. 前記第1のインゴットは、ドーパントを除く前記不純物としてクロムを含む、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 producing a silicon carbide single crystal according to claim 1, wherein the first ingot includes chromium as the impurity excluding a dopant. 前記第2のインゴットのドーパントの濃度は、前記第1のインゴットのドーパントの濃度よりも大きい、請求項1〜7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 claim 1, wherein a concentration of the dopant of the second ingot is higher than a concentration of the dopant of the first ingot. 前記第2のインゴットから第3の種結晶を形成する工程と、
昇華再結晶法により、前記第3の種結晶上に第3のインゴットを成長させる工程とを備える、請求項1〜8のいずれか1項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
Forming a third seed crystal from the second ingot;
A method for producing a silicon carbide single crystal according to claim 1, further comprising a step of growing a third ingot on the third seed crystal by a sublimation recrystallization method.
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