JP2017007937A - 炭化珪素単結晶基板および炭化珪素エピタキシャル基板 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃度の低い炭化珪素エピタキシャル層を形成した炭化珪素エピタキシャル基板の提供。
【解決手段】直径が１００ｍｍ以上であり、酸素濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり、転位密度が２×１０4ｃｍ-2以下であり、積層欠陥の面積比率が２．０％以下である炭化珪素単結晶基板１００を基板ホルダ１６０に保持し、チャンバ１２０内の露点を測定、監視しながら炭化珪素をエピタキシャル成長させた炭化珪素エピタキシャル基板。
【選択図】図３

Description

本開示は、結晶成長装置、炭化珪素単結晶の製造方法、炭化珪素単結晶基板および炭化珪素エピタキシャル基板に関する。

米国特許第７３１４５２０号明細書（特許文献１）には、直径が７６ｍｍ以上である炭化珪素単結晶基板の製造方法が開示されている。

米国特許第７３１４５２０号明細書

本開示の結晶成長装置は、ガス導入口、ガス排気口、溶接部、および、少なくとも該溶接部を含む部分を水冷できるように構成されている水冷部を含む、チャンバと、該ガス排気口に接続されている排気ポンプと、該ガス排気口と該排気ポンプとの間に配置されており、かつ該ガス排気口を通過したガスの露点を測定できるように構成されている露点計と、を備える。

本開示の炭化珪素単結晶の製造方法は、ガス導入口、ガス排気口、溶接部、および、少なくとも該溶接部を含む部分を水冷できるように構成されている水冷部を含む、チャンバと、該チャンバ内に配置された成長容器と、該成長容器内に配置された原料と、該成長容器内において該原料と対面して配置された種結晶と、を準備する工程と、該原料を昇華させることにより、該種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる工程と、を備える。成長させる工程において、ガス排気口を通過したガスの露点を−４０℃以下に維持する。

本開示の炭化珪素単結晶基板は、直径が１００ｍｍ以上であり、酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、転位密度が２×１０⁴ｃｍ^-2以下であり、積層欠陥の面積比率が２．０％以下である。

本開示の炭化珪素単結晶基板の一例を示す概略平面図である。 炭化珪素単結晶基板の転位密度および積層欠陥の面積比率と、酸素濃度との関係の一例を示すグラフである。 本開示の結晶成長装置の構成の一例を示す概略断面図である。 本開示のエピタキシャル成長装置の構成の一例を示す概略断面図である。 図４のＶ−Ｖ線における概略断面図である。 本開示の炭化珪素単結晶の製造方法の概略を示すフローチャートである。 成長結晶の酸素濃度と、成長雰囲気の露点との関係の一例を示すグラフである。 本開示の炭化珪素エピタキシャル基板の一例を示す概略断面図である。 図３の領域ＩＸ周辺の構成の一例を示す概略断面図である。 窓部の構成の一例を示す概略平面図である。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

本開示の結晶成長装置は、ガス導入口とガス排気口とを有するチャンバと、該ガス排気口に接続された排気ポンプと、該ガス排気口と該排気ポンプとの間に配置され、該ガス排気口を通過したガスの露点を測定する露点計と、を備える。

通常、結晶成長装置には真空計が付属されており、結晶成長中の真空度が管理されている。また結晶成長は高純度アルゴン（Ａｒ）ガス等のガスフロー下で行われる。そのため従来、成長中の雰囲気からの不純物の混入は注目されていなかった。しかし本発明者の研究によれば、成長中の単結晶に酸素が取り込まれ、転位および積層欠陥の原因となっている。すなわち酸素量が多いと、二次元核成長が発生しやすくなり、転位および積層欠陥の増殖につながる。このとき単結晶に取り込まれる酸素の一部は、成長中の雰囲気に含まれる極微量な水分に由来している。こうした水分は真空計では把握できない。そこで上記のように結晶成長装置に露点計を付属させ、チャンバ内の露点管理を行うことにより、単結晶に取り込まれる酸素の量を制御できる。単結晶に取り込まれる酸素を低減することにより、二次元核成長の発生を抑制できる。これにより、転位および積層欠陥が低減された単結晶を成長させることができる。

ここで本開示のチャンバは、溶接部、および、少なくとも該溶接部を含む部分を水冷できるように構成されている水冷部を含むものである。

〔１〕すなわち本開示の結晶成長装置は、ガス導入口、ガス排気口、溶接部、および、少なくとも該溶接部を含む部分を水冷できるように構成されている水冷部を含む、チャンバと、該ガス排気口に接続されている排気ポンプと、該ガス排気口と該排気ポンプとの間に配置されており、かつ該ガス排気口を通過したガスの露点を測定できるように構成されている露点計と、を備える。

炭化珪素の結晶成長は、非常に高い温度で行われる。そのため、チャンバを部分的あるいは全体的に水冷する必要が生じる。水冷されている部分に溶接部があると、該溶接部からチャンバ内に、水冷用の水が染み入る可能性がある。前述のように、炭化珪素の結晶成長は高温で行われるため、溶接部にはヒートサイクルが加わることになる。このヒートサイクルにより、溶接部に極微小なピンホールが発生する可能性がある。真空計では、極微小なピンホールの存在を検出することも困難である。上記のように露点計を備える、本開示の結晶成長装置であれば、極微小なピンホールの発生による水分値の上昇も検出することができる。

〔２〕チャンバは、光が透過できるように構成されている窓部をさらに含み、該窓部は、溶接部によって水冷部に接合されていてもよい。かかる構成によれば、たとえば、窓部を透過してきた光を放射温度計で受光することにより、チャンバ内の温度を測定できる。窓部を水冷部に接合している溶接部の劣化は、露点計により検出可能である。

〔３〕本開示の炭化珪素単結晶の製造方法は、ガス導入口、ガス排気口、溶接部、および、少なくとも該溶接部を含む部分を水冷できるように構成されている水冷部を含む、チャンバと、該チャンバ内に配置された成長容器と、該成長容器内に配置された原料と、該成長容器内において該原料と対面して配置された種結晶と、を準備する工程と、該原料を昇華させることにより、該種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる工程と、を備える。成長させる工程において、ガス排気口を通過したガスの露点を−４０℃以下に維持する。

上記の製造方法では、昇華法によって炭化珪素単結晶を成長させる。昇華法は、昇華再結晶法、改良レーリー法等とも呼ばれている。上記のように、ガス排気口を通過したガスの露点を−４０℃以下に維持することにより、成長容器内の雰囲気の露点を−４０℃以下に維持することができる。このように成長容器内の水分を厳密に管理することにより、単結晶に取り込まれる酸素を低減できる。単結晶に取り込まれる酸素を低減することにより、二次元核成長の発生を抑制できる。これにより炭化珪素単結晶において、転位および積層欠陥を低減できる。

露点上昇の原因となる水分は、チャンバ内に配置される部材が大気に暴露された際に付着した水分に由来すると考えられる。よって−４０℃以下の露点を実現するためには、たとえばチャンバ内に配置される部材を低露点環境で所定時間保管するか、あるいは成長前に部材を加熱乾燥する等して、予め部材に付着した水分を十分に低減しておくことが望まれる。またチャンバの溶接部にピンホールがないことが必要である。

〔４〕成長させる工程において、ガス排気口を通過したガスの露点を−５０℃以下に維持することが好ましい。

〔５〕成長させる工程において、ガス排気口を通過したガスの露点を−６０℃以下に維持することが好ましい。

〔６〕成長させる工程において、ガス排気口を通過したガスの露点を−８０℃以下に維持することが好ましい。

〔７〕本開示の炭化珪素単結晶基板は、直径が１００ｍｍ以上であり、酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、転位密度が２×１０⁴ｃｍ^-2以下であり、積層欠陥の面積比率が２．０％以下である。

結晶中の酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることは、その成長過程において二次元核成長が抑制されていたことを示している。酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である炭化珪素単結晶基板では、２×１０⁴ｃｍ^-2以下の転位密度と、２．０％以下の積層欠陥の面積比率とを実現できる。ここで１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の酸素濃度は、たとえば露点計を用いて、結晶成長中に厳密な水分管理を行うことによって実現できる。基板中の酸素濃度は、たとえばＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって測定できる。ＳＩＭＳの一次イオンにはセシウム（Ｃｓ）イオンを使用するとよい。

上記の炭化珪素単結晶基板では、転位密度が２×１０⁴ｃｍ^-2以下である。転位密度は次のようにして測定できる。先ず、たとえば水酸化カリウム（ＫＯＨ）融液等を用いて炭化珪素単結晶基板をエッチングする。このときＫＯＨ融液の温度は、たとえば５００〜５３０℃程度、エッチング時間は、たとえば５〜１０分程度とするとよい。次いで、炭化珪素単結晶基板の主表面を、光学顕微鏡等を用いて観察し、エッチピットを計数する。エッチピットの個数を炭化珪素単結晶基板の主表面の面積で除することにより、転位密度を算出できる。

上記の炭化珪素単結晶基板では、積層欠陥の面積比率が２．０％以下である。積層欠陥の面積比率は次のようにして測定できる。炭化珪素単結晶基板の主表面が（０００１）面でない場合には、まず主表面に（０００１）面が露出するように、主表面を研磨する。次いでＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）マッピングもしくはＰＬイメージングによって、主表面において積層欠陥を視覚化する。励起光源には、たとえばＹＡＧレーザの第４高調波（２６６ｎｍ）等を用いることができる。測定環境は室温でよい。積層欠陥が存在する領域では、積層欠陥が存在しない領域と比較してバンド端発光が弱くなる。この性質を利用して積層欠陥を視覚化できる。こうして積層欠陥を視覚化し、積層欠陥が発生している領域の面積を測定する。さらに積層欠陥が発生している領域の面積の総和を主表面の面積で除することにより、積層欠陥の面積比率を算出できる。

〔８〕炭化珪素単結晶基板の直径は１５０ｍｍ以上でもよい。
〔９〕炭化珪素単結晶基板の直径は２００ｍｍ以上でもよい。

〔１０〕本開示の炭化珪素エピタキシャル基板は、上記〔７〕〜〔９〕のいずれかに記載した炭化珪素単結晶基板と、該炭化珪素単結晶基板上にあり、酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であるエピタキシャル層と、を備える。

酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることは、エピタキシャル成長の際に二次元核成長が抑制されていたことを示している。よって上記のエピタキシャル層では、炭化珪素単結晶基板と同様に転位および積層欠陥が低減され得る。

上記によれば、転位および積層欠陥が低減された、炭化珪素単結晶基板および炭化珪素エピタキシャル基板が提供される。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す）について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。本明細書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。ここで結晶学上の指数が負であることは、通常、数字の上に”−”（バー）を付すことによって表現されるが、本明細書では数字の前に負の符号を付すことによって結晶学上の負の指数を表現している。

〔第１実施形態：炭化珪素単結晶基板〕
第１実施形態は炭化珪素単結晶基板である。図１は本実施形態に係る炭化珪素単結晶基板の一例を示す概略平面図である。炭化珪素単結晶基板１００は、直径が１００ｍｍ以上の基板である。炭化珪素単結晶基板１００の直径は１５０ｍｍ以上であってもよいし、２００ｍｍ以上であってもよい。直径が大きくなるほど、転位および積層欠陥が発生しやすくなることも考えられる。そのため直径が大きくなるほど、本実施形態による転位および積層欠陥の低減効果が顕著になることが期待される。直径の上限は特に制限されない。直径の上限は、たとえば２５０ｍｍでもよい。炭化珪素単結晶基板１００の厚さも特に制限されない。炭化珪素単結晶基板１００の厚さは、たとえば１００μｍ以上１０ｍｍ以下でもよい。

炭化珪素単結晶基板１００のポリタイプは、４Ｈ−ＳｉＣが望ましい。電子移動度、絶縁破壊電界強度等においてその他のポリタイプよりも優れているためである。炭化珪素単結晶基板１００は、炭化珪素単結晶のインゴットをスライスすることにより得られる。炭化珪素単結晶基板１００の主表面１０１は、（０００１）面または（０００−１）面であってもよいし、あるいは（０００１）面または（０００−１）面から所定の角度傾斜した面であってもよい。主表面１０１を（０００１）面または（０００−１）面から傾斜した面とする場合、＜１１−２０＞方向に傾斜させるとよい。（０００１）面または（０００−１）面からの傾斜角はオフ角とも呼ばれる。オフ角は、たとえば１°以上８°以下であってもよい。オフ角の上限は７°でもよいし、６°でもよいし、５°でもよい。オフ角の下限は２°でもよいし、３°でもよい。

本実施形態に係る炭化珪素単結晶基板１００では、酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である。酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下となるように炭化珪素単結晶を成長させることにより、二次元核成長の発生が抑制され、その結果、転位および積層欠陥が低減されると考えられる。図２は、本発明者が昇華法によって製造した炭化珪素単結晶基板１００において、転位密度および積層欠陥の面積比率と、酸素濃度との関係を調査した結果をプロットしたグラフである。図２中の各点の具体的な数値を表１に示す。

図２および後述する図７では「１０のべき乗」を「Ｅ＋００」で表記している。たとえば図２および図７において「Ｅ＋１７」は「１０¹⁷」を示している。図２中、横軸は酸素濃度を示し、右側の縦軸は転位密度を示し、左側の縦軸は積層欠陥の面積比率を示している。

図２に示されるように、酸素濃度が低くなるにつれて、転位密度および積層欠陥の面積比率は減少する。転位密度および積層欠陥の面積比率は、いずれも酸素濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3から１×１０¹⁷ｃｍ^-3まで減少すると急激に減少し、その後は低い値で安定している。図２から分かるように、酸素濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下に制御することにより、転位密度が２×１０⁴ｃｍ^-2以下でかつ積層欠陥の面積比率が２．０％以下の炭化珪素単結晶基板１００を実現できる。酸素濃度は低いほど好ましい。酸素濃度は、好ましくは１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であり、より好ましくは１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下である。酸素濃度を低くすることによって、転位密度を１×１０⁴ｃｍ^-2以下にすることもできる。また酸素濃度を低くすることによって、積層欠陥の面積比率を１％以下にすることもできる。

〔炭化珪素エピタキシャル基板〕
本実施形態によれば炭化珪素エピタキシャル基板も提供される。図８は、本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の構成の一例を示す概略断面図である。図８に示されるように、炭化珪素エピタキシャル基板１０００は、炭化珪素単結晶基板１００と、炭化珪素単結晶基板１００上にあるエピタキシャル層１００１と、を備える。前述のように炭化珪素単結晶基板１００は、直径が１００ｍｍ以上であり、酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、転位密度が２×１０⁴ｃｍ^-2以下であり、積層欠陥の面積比率が２．０％以下である。

エピタキシャル層１００１は、炭化珪素単結晶基板１００の主表面１０１上にエピタキシャル成長させた炭化珪素単結晶層である。エピタキシャル層１００１には、炭化珪素単結晶基板１００の性質が引き継がれている。しかしエピタキシャル成長においても、酸素量が多いと、転位および積層欠陥の増殖につながる二次元核成長が発生し得る。よって炭化珪素単結晶基板１００と同様に、転位および積層欠陥が低減されたエピタキシャル層１００１であるためには、エピタキシャル層１００１の酸素濃度も１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを要する。エピタキシャル層１００１の酸素濃度も炭化珪素単結晶基板１００と同様に、ＳＩＭＳによって測定できる。エピタキシャル層１００１の酸素濃度は低いほど好ましい。転位および積層欠陥を低減できるためである。エピタキシャル層１００１の酸素濃度は、好ましくは１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であり、より好ましくは１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下である。

エピタキシャル層１００１は、ドーパントとして、たとえば窒素を含有していてもよい。エピタキシャル層１００１の窒素濃度は、たとえば１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である。エピタキシャル層１００１の厚さは、たとえば１μｍ以上である。エピタキシャル層１００１の厚さは、１０μｍ以上であってもよいし、２０μｍ以上であってもよい。またエピタキシャル層１００１の厚さは、たとえば２００μｍ以下である。エピタキシャル層の厚さは、１５０μｍ以下であってもよいし、１００μｍ以下であってもよい。

〔第２実施形態：結晶成長装置〕
第２実施形態は結晶成長装置である。本実施形態に係る結晶成長装置には、昇華法により単結晶を成長させるための単結晶成長装置の他、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の気相成長法によって基板上にエピタキシャル層を成長させるためのエピタキシャル成長装置等も含まれる。

〔単結晶成長装置〕
図３は、本実施形態に係る単結晶成長装置の構成の一例を示す概略断面図である。図３中の矢印９１はガスの流路を示している。図３に示されるように結晶成長装置５０は、ガス導入口２１とガス排気口２２とを有するチャンバ２０を備える。チャンバ２０は、たとえばステンレス製等でよい。ガス排気口２２と排気ポンプ３０とは排気配管３２によって接続されている。排気配管３２には露点計４０が設置されている。露点計４０は、排気配管３２においてガス排気口２２と排気ポンプ３０との間に配置されている。露点計４０では、ガス排気口２２を通過したガスの露点が測定される。露点計４０で測定される露点は、チャンバ２０内の露点とみなすことができる。露点計４０の劣化を抑制するために、ガス排気口２２と露点計４０との間にフィルタ（図示せず）が配置されていてもよい。

露点計４０は、０℃〜−８０℃の範囲の露点を測定できるものであればよい。たとえばミッシェル社製の「ＥＡＸ−ＴＸ−１００」等を用いることができる。あるいは、これと同程度の精度、測定範囲を有する露点計を用いてもよい。

チャンバ２０内には、成長容器１０、抵抗ヒータ２および断熱材１５が配置されている。成長容器１０、抵抗ヒータ２および断熱材１５は、たとえば黒鉛製である。成長容器１０は、台座３と収容部４とから構成されている。台座３は、種結晶１１を保持できるように構成されている。種結晶１１は、たとえばポリタイプが４Ｈ−ＳｉＣである炭化珪素単結晶基板である。台座３は、収容部４の蓋としても機能する。収容部４は、たとえば有底筒状である。収容部４は原料１２を収容できる。原料１２は、たとえば炭化珪素多結晶の粉末である。成長容器１０内において原料１２と種結晶１１とは対面している。

結晶成長装置５０では、抵抗ヒータ２によって成長容器１０内に所定の温度勾配が形成される。成長容器１０の各部の温度は、放射温度計（図示せず）によって把握できる。成長容器１０の各温度測定部分からの放射光が透過できるように、抵抗ヒータ２および断熱材１５には、孔が設けられている。放射温度計は、チャンバ２０に設けられた窓部２３（ビューポート）を通じて、成長容器１０からの放射光を受光し、温度を測定する。後述する図９および図１０に示されるように、窓部２３は、たとえば石英製の窓材２０２を含む。断熱材１５に孔が設けられているため、窓部２３周辺にはヒートサイクルが加わることになる。そのため窓部２３周辺の溶接部３１０が劣化し、溶接部３１０から外気および水分がチャンバ２０内に侵入することも考えられる。露点計４０によれば、こうした異常も検出できる。

図９は、図３の領域ＩＸ周辺の構成の一例を示す概略断面図である。チャンバ２０は、溶接部３１０を含む。またチャンバ２０は、溶接部３１０を含む部分を水冷できるように構成されている水冷部３２０を含む。すなわち本開示のチャンバ２０は、ガス導入口２１、ガス排気口２２、溶接部３１０、および、少なくとも溶接部３１０を含む部分を水冷できるように構成されている水冷部３２０を含む。

水冷部３２０は、外壁３２１、内壁３２２および水流路３２３から構成されている。水流路３２３は、外壁３２１と内壁３２２との間に位置している。水流路３２３には、水を流通させることができる。図９には、窓部２３の周辺のみが示されているが、水冷部３２０は、図示されていないその他の部分にまで延びていてもよい。すなわちチャンバ２０は、部分的あるいは全体的に水冷できるように構成されている。

窓部２３は、筒部２０１と、窓材２０２と、フランジ２０３と、ネジ２０４と、Ｏリング２０５（ガスケット）とを含む。筒部２０１は、たとえばステンレス製等でよい。筒部２０１は、溶接部３１０によって水冷部３２０に接合されている。溶接部３１０は、外壁３２１と筒部２０１とが接する部分、および内壁３２２と筒部２０１とが接する部分のそれぞれに設けられている。窓部２３と水冷部３２０との境界に位置する溶接部３１０は、激しいヒートサイクルに曝されることになる。これにより、たとえば内壁３２２側の溶接部３１０に極微小なピンホールが発生すると、チャンバ２０内に水分が染み入り、結晶品質を低下させる。

窓材２０２およびフランジ２０３は、ネジ２０４を締め付けることにより、筒部２０１と一体化している。窓材２０２は、たとえば石英製の板等でよい。フランジ２０３は、たとえばステンレス製等でよい。窓材２０２と筒部２０１との間には、Ｏリング２０５が配置されている。ネジ２０４を締め付けることにより、Ｏリング２０５が窓材２０２および筒部２０１に圧縮され、窓部２３が密閉される。Ｏリング２０５は、たとえば銅等の金属製であってもよいし、所定の耐熱性を有するゴム製等であってもよい。

図１０は、窓部の構成の一例を示す概略平面図である。窓材２０２およびフランジ２０３の平面形状は、たとえば円形でよい。フランジ２０３の中央からは、窓材２０２が露出している。加熱された成長容器１０が発する光は、窓材２０２を透過してチャンバ２０の外部に放射される。すなわち本開示のチャンバ２０は、光が透過できるように構成されている窓部２３をさらに含み、窓部２３は、溶接部３１０によって水冷部３２０に接合されている。この光を、放射温度計で受光することにより、成長容器１０の各部の温度を測定することができる。

図３に示されるガス導入口２１からは、Ａｒガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、窒素（Ｎ₂）ガス等の不活性ガスが導入される。当然のことながら、導入されるガスの露点も−４０℃以下であることが望ましい。導入された不活性ガスは排気ポンプ３０によって外部に排気される。導入されるガスの流量と、排気ポンプ３０の排気能力によって、成長容器１０内の圧力を調整できる。

成長容器１０内の温度および圧力が所定の条件になると、原料１２が昇華し、種結晶１１上において再析出する。これにより種結晶１１上において炭化珪素単結晶１３が成長する。結晶成長装置５０では、露点計４０によってガス排気口２２を通過したガスの露点を測定、監視できる。これにより微量水分に由来する酸素の混入を抑制しながら、炭化珪素単結晶１３を成長させることができる。炭化珪素単結晶１３において酸素の取り込み量を抑制することにより、二次元核成長の発生を抑制できる。その結果、炭化珪素単結晶１３では転位および積層欠陥が低減される。

〔エピタキシャル成長装置〕
図４は、本実施形態に係るエピタキシャル成長装置の構成の一例を示す概略断面図である。図４および図５に示される結晶成長装置２００は、横型ホットウォールＣＶＤ装置である。図４に示されるように結晶成長装置２００は、発熱体１５２、断熱材１５３、石英管１５４および誘導加熱コイル１５５を備える。発熱体１５２、断熱材１５３および石英管１５４は、チャンバ１２０を構成している。

図４に示されるように、発熱体１５２は２つ設けられている。各発熱体１５２は、曲面部１５７および平坦部１５６を含む半円筒状の中空構造を有している。２つの平坦部１５６は、互いに対向するように配置されている。２つの平坦部１５６に取り囲まれた空間が反応室１５０となっている。一方の平坦部１５６には、凹部が設けられている。凹部には基板ホルダ１６０が設けられている。基板ホルダ１６０は、炭化珪素単結晶基板１００を保持できるように構成されている。また基板ホルダ１６０は、自転できるようになっている。前述したとおり、炭化珪素単結晶基板１００は、直径が１００ｍｍ以上であり、酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、転位密度が２×１０⁴ｃｍ^-2以下であり、積層欠陥の面積比率が２．０％以下である。

断熱材１５３は、発熱体１５２の外周部を取り囲むように配置されている。反応室１５０は、断熱材１５３によって外部から断熱されている。石英管１５４は、断熱材１５３の外周部を取り囲むように配置されている。誘導加熱コイル１５５は、石英管１５４の外周部に沿って巻回されている。誘導加熱コイル１５５に交流電流を供給することにより、発熱体１５２が誘導加熱される。これにより反応室１５０内の温度が制御できる。エピタキシャル層１００１を成長させる際、反応室１５０内の温度は、たとえば１５００〜１７００℃程度である。

図５は、図４のＶ−Ｖ線における概略断面図である。図５中の矢印９２はガスの流路を示している。チャンバ１２０は、ガス導入口１２１とガス排気口１２２とを有している。ガス排気口１２２と排気ポンプ１３０とは、排気配管１３２によって接続されている。露点計１４０は、排気配管１３２においてガス排気口１２２と排気ポンプ１３０との間に配置されている。露点計１４０では、ガス排気口１２２を通過したガスの露点が測定される。露点計１４０で測定される露点は、チャンバ１２０内の露点とみなすことができる。

チャンバ１２０内には、導入配管１３１から原料ガスおよびキャリアガスが導入される。これらのガスの露点も−４０℃以下であることが望ましい。原料ガスは、たとえばシラン（ＳｉＨ₄）ガス、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）ガス等を含む。原料ガスは、ドーパントガスとして、たとえばアンモニア（ＮＨ₃）ガス等を含んでいてもよい。キャリアガスは、たとえば水素（Ｈ₂）ガス等でもよい。原料ガスのうちアンモニアガスは、反応室１５０に供給される前に、予め熱分解させておくことが好ましい。エピタキシャル層１００１においてキャリア濃度の面内均一性が向上するからである。たとえば予備加熱機構１５８によってアンモニアガスを熱分解することができる。予備加熱機構１５８は、たとえば外部から加熱される細長い管、あるいは内部に電熱コイルが設けられた部屋等でよい。予備加熱機構１５８の内壁面の温度は、たとえば１３００〜１６００℃程度でよい。

反応室１５０内の圧力は、原料ガスおよびキャリアガスの流量と、排気ポンプ１３０の排気能力によって調整される。エピタキシャル層を成長させる際、反応室１５０内の圧力は、たとえば５〜２０ｋＰａ程度である。

結晶成長装置２００では、チャンバ１２０内の露点を測定、監視しながら、エピタキシャル層１００１を成長させることができる。よってエピタキシャル層１００１に取り込まれる酸素の量を制御できる。酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下となるようにエピタキシャル成長を行うことにより、二次元核成長の発生を抑制できる。これによりエピタキシャル層１００１においても転位および積層欠陥を低減できる。

以上のようにして、炭化珪素単結晶基板１００と、炭化珪素単結晶基板１００上にあり、かつ酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であるエピタキシャル層１００１と、を備える炭化珪素エピタキシャル基板１０００を製造できる。

〔第３実施形態：炭化珪素単結晶の製造方法〕
第３実施形態は、炭化珪素単結晶の製造方法である。図６は当該製造方法の概略を示すフローチャートである。図６に示されるように、当該製造方法は、準備工程（Ｓ１０）と結晶成長工程（Ｓ２０）とを備える。以下、各工程について説明する。

〔準備工程（Ｓ１０）〕
準備工程（Ｓ１０）では、たとえば、まず図３に示される結晶成長装置５０が準備される。すなわちガス導入口２１、ガス排気口２２、溶接部３１０、および、少なくとも溶接部３１０を含む部分を水冷できるように構成されている水冷部３２０を含む、チャンバ２０と、ガス排気口２２に接続された排気ポンプ３０と、ガス排気口２２と排気ポンプ３０との間に配置された露点計４０とが準備される。

また準備工程（Ｓ１０）では、成長容器１０が準備される。ここでは成長容器１０を、低露点環境に所定時間保管するか、あるいは加熱乾燥する等して、予め付着した水分を十分に低減しておくことが望ましい。ここで低露点環境とは、たとえば露点が−４０℃以下の環境である。所定時間は、たとえば１〜４８時間程度である。

次いで成長容器１０内に、種結晶１１および原料１２が配置される。種結晶１１および原料１２も低露点環境に所定時間保管する等して、予め水分を低減しておくことが望ましい。成長容器１０内において、種結晶１１は、原料１２に対面するように配置される。たとえば接着剤を用いて、種結晶１１を台座３に接着すればよい。この場合、接着後に、接着剤を加熱して水分を低減する等の態様が望まれる。種結晶１１の直径は、目的とする炭化珪素単結晶１３の直径に応じて選択される。種結晶１１の直径は、たとえば１００ｍｍ以上である。種結晶１１および原料１２が成長容器１０内に配置された後、成長容器１０はチャンバ２０内に配置される。

〔結晶成長工程（Ｓ２０）〕
結晶成長工程（Ｓ２０）では、成長容器１０内において原料１２を昇華させることにより、種結晶１１上に炭化珪素単結晶１３を成長させる。

成長容器１０は抵抗ヒータ２によって加熱される。このとき種結晶１１の周辺の温度は、たとえば２０００〜２３００℃程度に調整される。また原料１２の周辺の温度は、たとえば２３００〜２５００℃程度に調整される。

ガス導入口２１からＡｒガス等の不活性ガスが導入される。導入されたガスは、排気ポンプ３０によってガス排気口２２から排気される。導入されるガスの流量と、排気ポンプ３０の排気能力によって、チャンバ２０内の圧力が調整される。ガス排気口２２を通過したガスの露点は、露点計４０によって監視される。本実施形態では、原料１２の昇華が開始される圧力よりも高い圧力を維持した状態で、ガスをフローしながら、ガス排気口２２を通過したガスの露点が−４０℃以下になるまで待機する。ガス排気口２２を通過したガスの露点が−４０℃以下になった後、チャンバ２０内の圧力を、たとえば５ｋＰａ以下まで減圧する。これにより原料１２の昇華が開始される。昇華した原料は、種結晶１１上に再析出し、炭化珪素単結晶１３となって成長する。

本実施形態では、結晶成長中、ガス排気口２２を通過したガスの露点が常時−４０℃以下に維持される。図７は、本発明者が昇華法によって成長させた炭化珪素単結晶１３における酸素濃度と、ガス排気口２２を通過したガスの露点との関係を調査した結果をプロットしたグラフである。図７中の各点の具体的な数値を表２に示す。

図７中、横軸は結晶成長中のチャンバ２０内の露点、すなわちガス排気口２２を通過したガスの露点を示し、縦軸は成長後の炭化珪素単結晶１３の酸素濃度を示している。図７に示されるように、露点が低くなるにつれて、酸素濃度は低下する。特に露点が−４０℃以下になると、酸素濃度は急激に低下し、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下となっている。前述したように酸素濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とすることにより、転位および積層欠陥の増殖につながる二次元核成長の発生を抑制できる。図７および表２に示されるように露点が低いほど、酸素濃度を低減できる。したがって結晶成長工程（Ｓ２０）では、ガス排気口２２を通過したガスの露点を−５０℃以下に維持することが好ましく、−６０℃以下に維持することがより好ましく、−８０℃以下に維持することが特に好ましいといえる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施形態ではなく請求の範囲によって示され、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。

２ 抵抗ヒータ、３ 台座、４ 収容部、１０ 成長容器、１１ 種結晶、１２ 原料、１３ 単結晶、１５，１５３ 断熱材、２０，１２０ チャンバ、２１，１２１ ガス導入口、２２，１２２ ガス排気口、２３ 窓部（ビューポート）、３０，１３０ 排気ポンプ、３２，１３２ 排気配管、４０，１４０ 露点計、５０，２００ 結晶成長装置、９１，９２ 矢印、１００ 炭化珪素単結晶基板、１０１ 主表面、１３１ 導入配管、１５０ 反応室、１５２ 発熱体、１５４ 石英管、１５５ 誘導加熱コイル、１５６ 平坦部、１５７ 曲面部、１５８ 予備加熱機構、１６０ 基板ホルダ、２０１ 筒部、２０２ 窓材、２０３ フランジ、２０４ ネジ、２０５ Ｏリング（ガスケット）、３１０ 溶接部、３２０ 水冷部、３２１ 外壁、３２２ 内壁、３２３ 水流路、１０００ 炭化珪素エピタキシャル基板、１００１ エピタキシャル層。

Claims (4)

1. 直径が１００ｍｍ以上であり、
   酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、
   転位密度が２×１０⁴ｃｍ^-2以下であり、
   積層欠陥の面積比率が２．０％以下である、炭化珪素単結晶基板。
2. 前記直径は１５０ｍｍ以上である、請求項１に記載の炭化珪素単結晶基板。
3. 前記直径は２００ｍｍ以上である、請求項１に記載の炭化珪素単結晶基板。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶基板と、
   前記炭化珪素単結晶基板上にあり、酸素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であるエピタキシャル層と、を備える、炭化珪素エピタキシャル基板。

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