JP2017171532A - 炭化珪素単結晶成長用種結晶の製造方法及び炭化珪素単結晶インゴットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】昇華再結晶法によりＳｉＣ単結晶を成長させる際に、種結晶と成長ＳｉＣ単結晶との界面近傍で発生する貫通らせん転位を抑制して転位密度を低減し、成長初期段階から貫通らせん転位密度の小さいＳｉＣ単結晶インゴットが得られるＳｉＣ単結晶成長用種結晶の製造方法の提供。【解決手段】昇華再結晶法により種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる際に用いる種結晶の製造方法であって、炭化珪素単結晶インゴットを切断し、切断面を機械研磨した後に、該機械研磨面の表面から少なくとも深さ２μｍまでを化学機械研磨により除去するＳｉＣ単結晶成長用種結晶の製造方法、及び、前記種結晶を用いたＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。【選択図】図３

Description

この発明は、昇華再結晶法により種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる際に用いる種結晶の製造方法、及び、得られた種結晶の成長面に昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶インゴットの製造方法に関する。

炭化珪素（以下、ＳｉＣという）は、２．２〜３．３ｅＶの広い禁制帯幅を有するワイドバンドギャップ半導体であり、その優れた物理的、化学的特性から、耐環境性半導体材料として研究開発が行われている。特に近年では、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波電子デバイス、高耐圧・高出力電子デバイス等の材料として注目されており、ＳｉＣによるデバイス（半導体素子）作製の研究開発が盛んになっている。

ＳｉＣデバイスの実用化を進めるにあたっては、大口径のＳｉＣ単結晶を製造することが不可欠であり、その多くは、種結晶を用いた昇華再結晶法（改良型レーリー法と呼ばれる）によってバルクのＳｉＣ単結晶を成長させる方法が採用されている（非特許文献１参照）。すなわち、坩堝内にＳｉＣの昇華原料を収容し、坩堝の蓋体にはＳｉＣ単結晶からなる種結晶を取り付けて、原料を昇華させることで、再結晶により種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる。そして、略円柱状をしたＳｉＣのバルク単結晶（以下、ＳｉＣ単結晶インゴットと言う）を得た後、一般には、３００〜６００μｍ程度の厚さに切り出すことでＳｉＣ単結晶基板が製造され、電力エレクトロニクス分野等でのＳｉＣデバイスの作製に供されている。

ところで、ＳｉＣ単結晶中には、マイクロパイプと呼ばれる成長方向に貫通した中空ホール状欠陥のほか、転位欠陥、積層欠陥等の結晶欠陥が存在する。これらの結晶欠陥はデバイス性能を低下させるため、その低減がＳｉＣデバイスの応用上で重要な課題となっている。このうち、転位欠陥には、貫通刃状貫通転位、基底面転位、及び貫通らせん転位が含まれる。例えば、市販されているＳｉＣ単結晶基板では、貫通らせん転位が８×１０²〜３×１０³（個/cm²）、貫通刃状転位が５×１０³〜２×１０⁴（個/cm²）、基底面転位が２×１０³〜２×１０⁴（個/cm²）程度存在するとの報告がある（非特許文献２参照）。

近年、ＳｉＣの結晶欠陥とデバイス性能に関する研究・調査が進み、貫通らせん転位欠陥がデバイスのリーク電流の原因となることや、ゲート酸化膜寿命を低下させることなどが報告されており（非特許文献３及び４参照）、高性能なＳｉＣデバイスを作製するには、貫通らせん転位密度を低減させたＳｉＣ単結晶インゴットが求められる。

Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol. 52（1981）pp.146〜150 大谷昇、ＳｉＣ及び関連ワイドギャップ半導体研究会第１７回講演会予稿集、２００８、ｐ８ Q. Wahab et al. Appl. Phys. Lett 76（2000） 2725 デンソーテクニカルレビューＶｏｌ. １６ （２０１１） ９０

種結晶を用いた昇華再結晶法によるＳｉＣ単結晶インゴットの製造では、種結晶と成長させるＳｉＣ単結晶との界面において、成長ＳｉＣ単結晶側の貫通らせん転位の転位密度が増大する傾向にある。

そこで、本発明の目的は、種結晶と成長ＳｉＣ単結晶との界面近傍で発生する貫通らせん転位を抑制することで転位密度を低減して、成長初期段階から貫通らせん転位密度の小さいＳｉＣ単結晶インゴットが製造できる種結晶の製造方法を提供することにある。

本発明者等は、昇華再結晶法を用いたＳｉＣ単結晶の成長において、種結晶と成長させたＳｉＣ単結晶との界面におけるらせん貫通転位増大の影響を抑えるための手段について鋭意検討した。その結果、炭化珪素単結晶インゴットを切断し、切断面を機械研磨して、更に化学機械研磨（ＣＭＰ、Chemical Mechanical Polishing）によりその表面を一定量除去した種結晶を用いた場合に、昇華再結晶法により該種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させることで、貫通らせん転位の発生を抑制できることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）昇華再結晶法により種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる際に用いる種結晶の製造方法であって、炭化珪素単結晶インゴットを切断し、切断面を機械研磨した後に、該機械研磨面の表面から少なくとも深さ２μｍまでを化学機械研磨により除去することを特徴とする炭化珪素単結晶成長用種結晶の製造方法。
（２）（１）記載の方法で製造した種結晶の成長面に、昇華再結晶法により、炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。

本発明によって得られたＳｉＣ単結晶成長用の種結晶によれば、昇華再結晶法によりＳｉＣ単結晶を成長させる際に、種結晶と成長ＳｉＣ単結晶との界面近傍における貫通らせん転位の増大を抑制して、デバイスに悪影響を及ぼす貫通らせん転位の密度を低減することができる。また、この種結晶を用いることで、成長初期段階から転位密度の小さいＳｉＣ単結晶を成長させることができる。そのため、得られたＳｉＣ単結晶インゴットでは、成長初期の領域からもＳｉＣ基板を切り出せるようになることから、ＳｉＣ基板製造の歩留まりを向上させることができるなど、工業的に極めて有用である。

図１は、ＳｉＣ単結晶インゴットを製造するための単結晶製造装置を示す断面模式図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、実施例及び比較例で得られたＳｉＣ単結晶インゴットの種結晶界面近傍での貫通転位密度を評価する際に用いた評価用ＳｉＣ単結晶基板を切り出す様子を示す模式説明図である。 図３は、実施例及び比較例で得られたＳｉＣ単結晶インゴットの成長高さに対する貫通転位密度の変化の様子を示すグラフである。

以下、本発明についてより詳細に説明する。
上述したように、本発明の目的は、昇華再結晶法によりＳｉＣ単結晶を成長させる際に、種結晶と成長ＳｉＣ単結晶との界面近傍で発生する貫通らせん転位を抑制し、ＳｉＣ単結晶中の転位密度を低減して、成長初期段階から貫通らせん転位密度の小さいＳｉＣ単結晶インゴットが得られるようにすることである。

一般に、ＳｉＣ単結晶成長用の種結晶は、予め得られたＳｉＣ単結晶インゴットを切断し、切断面を機械研磨して種結晶を製造している。そのため、種結晶の表面にはこのような加工工程によるダメージ層が形成されていると考えられる。表面にダメージ層を持つ種結晶を高温に加熱すると、前記ダメージ層の歪みの大きな部分から選択的に昇華が起こり、表面に潜傷と呼ばれる凹凸が形成される。この凹凸の部分で結晶成長が開始すると、周囲の成長ステップとの不整合により貫通らせん転位が発生しやすくなる。

ここで、化学機械研磨は新たに種結晶にダメージ層を生じさせず、機械研磨により生成したダメージ層を除去することが可能である。よって、本発明者らは、昇華再結晶法によりＳｉＣ単結晶を成長させる前に、種結晶の成長面側を更に化学機械研磨することで、潜傷を発生させる要因となるダメージ層を事前に除去するという発想のもと、本発明に至った。

ところで、例えば特開2014-210687号公報（段落0043）や特開2014-024703号公報（段落0052）等で記載されているように、種結晶を製造する際に化学機械研磨を施す場合もある。しかしながら、これらは表面ダメージ層を除去する目的で化学機械研磨を行っているが、表面ダメージ層の深さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）等の表面粗さ観察装置で確認していることなどから、化学機械研磨により取り除く厚みは０．５μｍ程度であり、その場合には潜傷を発生させる要因となるようなより深いダメージ層を完全に除去するまでには至らない。

そこで、化学機械研磨により種結晶の成長面側をどの深さまで除去すべきかについて数々の実験を試みて検討した結果、機械研磨面後の表面から少なくとも深さ２μｍまで除去しないと、本発明の効果である貫通らせん転位密度の低減が起こらないことが分かった。このことから、潜傷を発生させる要因となるようなダメージ層は種結晶の表面から深さ２μｍ未満程度まで存在していると考えられる。なお、化学機械研磨により除去する深さに上限はないが、化学機械研磨は時間が掛るため、２μｍを超えて種結晶の成長面側を必要以上に除去することは工業生産効率化の視点から好ましくない。また、化学機械研磨により除去した量は研磨前後で厚みを比較することで把握することができる。

本発明における化学機械研磨については、公知の手法を採用することができ、例えば、コロイダルシリカ等の極微細懸濁粒子を含むスラリーを使用し、研磨パッドを用いて加工すればよい。また、ＳｉＣ単結晶を成長させる成長面と反対側の種結晶の裏面については、前記ダメージ層が残っていても結晶成長時の貫通らせん転位密度の生成には影響しないため、化学機械研磨は必須ではないが、例えば黒鉛製の坩堝を形成する黒鉛上蓋内面に種結晶を装着する際に密着性を高めることなどの目的から、種結晶の裏面を更に化学機械研磨して平滑性を高めてもよい。

また、種結晶を製造する際のＳｉＣ単結晶インゴットの切断についても、ワイヤーソー等を用いるなどして公知の手法と同様にすることができ、切断面の機械研磨についてもダイヤモンド粒子等を含んだ研磨液を用いるなどして公知の手法と同様にすることができる。なお、本発明における種結晶の製造方法は、得られる種結晶の口径に制限されるものではない。

以下、実施例等に基づき本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例に係るＳｉＣ単結晶インゴットを製造するための装置であって、改良レーリー法（昇華再結晶法）による単結晶成長（製造）装置の一例を示す。結晶成長は、黒鉛製の坩堝を形成する黒鉛坩堝本体４に装填されたＳｉＣの昇華原料１を誘導加熱により昇華させ、同じく黒鉛製の坩堝を形成する黒鉛上蓋３に配置されたＳｉＣ単結晶基板からなる種結晶２上に再結晶させることにより行われる。

この実施例１では、予め昇華再結晶法により得られたＳｉＣ単結晶インゴットをワイヤーソーにより切断して、厚さ１．１ｍｍ程度の円盤状厚板に加工した。次に、ダイヤモンド粒子を含んだ研磨液を用いて、上記切断面を機械研磨した。この機械研磨では、ワイヤーソーによる切断面の片側表面が深さ５０μｍ程度研磨されるように加工した。次いで、得られた円盤状薄板の結晶成長面にあたる一方の表面を更に化学機械研磨して、表面から深さ２μｍまで除去した。その際、コロイダルシリカ等の極微細懸濁粒子を含むスラリーと研磨パッドを使用して加工した。このようにして、厚さ１．０ｍｍ、口径５１ｍｍであって、４°のオフ角を有する（０００−１）面を結晶成長面として備えた種結晶２を製造した。

上記のようにして得られた種結晶２を用いて、先の図１に示した単結晶成長装置によりＳｉＣ単結晶の成長を行い、ＳｉＣ単結晶インゴットを製造した。ここで、単結晶成長装置において、黒鉛製の坩堝を形成する黒鉛坩堝本体４及び黒鉛上蓋３は、熱シールドのために黒鉛製フェルト５で被膜されており、二重石英管６内部の黒鉛支持棒７の上に設置される。二重石英管６の内部を真空排気装置８によって真空排気した後、高純度Ａｒガス及び窒素ガスを配管９を介してマスフローコントローラ１０でＡｒ：窒素＝１５：１になるように制御しながら流入させ、石英管内圧力（成長雰囲気圧力）を真空排気装置８で調整して８０ｋＰａにした。この圧力下において、ワークコイル１１に電流を流して温度を上げ、黒鉛上蓋３に取り付けられた種結晶２の温度が２２００℃になるまで上昇させた。その後、３０分かけて成長雰囲気圧力を１．３ｋＰａに減圧して、黒鉛坩堝本体４に装填されたＳｉＣの昇華原料１を昇華させながら、種結晶２の（０００−１）面を結晶成長面とする３０時間の結晶成長を行った。

上記のプロセスにより、高さ８ｍｍ、口径５１ｍｍのＳｉＣ単結晶インゴットが得られた。得られたＳｉＣ単結晶インゴットについて、先ず、該インゴットから、種結晶の結晶成長面からの高さで表される成長高さ２ｍｍの位置において、種結晶表面に平行に（すなわち４°のオフ角を有するように）評価用基板Ａを切り出した。得られた評価用基板Ａについて、５２０℃の溶融ＫＯＨに基板の全面が浸るように５分間浸して溶融ＫＯＨエッチングを行い、エッチングされた評価用基板Ａの表面を光学顕微鏡（倍率：80倍）で観察して転位密度を計測した。ここでは、J. Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, 135, (1994), 61-70に記載されている方法に従い、貝殻型ピットを基底面転位、小型の６角形ピットを貫通刃状転位、中型・大型の６角形ピットを貫通らせん転位として、エッチピット形状による転位欠陥を分類し、貫通らせん単位の転位密度を算出した。その結果、評価用基板Ａの外周から直径比で内側方向に５％に相当する部分を占めるリング状領域（外周から幅2.55mmの領域）を除いた残りの中心円領域でほぼ一様に転位密度が分散していることを確認した。なお、同様にして、この実施例１で得られた種結晶についても確認したところ、面内に転位密度は一様に分布していた。

次に、図２（ａ）に示したように、上記で得られたＳｉＣ単結晶インゴットを、種結晶２のｃ軸のオフ方向と反対方向へ４°傾いた方向が結晶のｃ軸となるように切り出し（図中の斜め太実線が切り出し面を示す）、（０００１）面に種結晶と反対方向にオフ角を持つ評価用基板Ｂを得た。その際、評価用基板Ｂが種結晶の直径方向中心を通るようにして切り出し、評価用基板Ｂの表面には、種結晶からなる結晶領域と成長した成長ＳｉＣ単結晶からなる結晶領域とが含まれるようにして、図２（ｂ）に示したように、評価用基板Ｂの表面上のａ辺と種結晶の直径方向上のｂ辺とのなす角が８°であり、高さｈの直角三角形が形成される位置関係となるようにした。本切り出し方法を用いることにより、成長に従う転位密度の変化を結晶成長方向に対して連続的に観察することが可能となる。また、種結晶２と成長ＳｉＣ単結晶１６との界面１７も直接観察可能である。更に、成長方向の変化が実質的に１／ｓｉｎ８°（約７倍）に拡大されるため、より詳細な高精度の転位密度計測を行なうことができる。

得られた評価用基板Ｂについて、先の評価用基板Ａと同様に、５２０℃の溶融ＫＯＨに基板の全面が浸るように５分間浸して溶融ＫＯＨエッチングを行い、エッチングされた評価用基板Ｂの表面を、成長ＳｉＣ単結晶の高さ変化に沿うように、図２（ｂ）に示したａ辺（＝ｈ／sin8°）上の測定点を主に２ｍｍ（成長方向の高さｈの変化がおよそ０．３ｍｍに相当）ごとに光学顕微鏡（倍率：80倍）で観察して転位密度を計測した。結果を表１に示す。なお、表１中の成長高さ（mm）は、種結晶２の結晶成長面からの高さを表す。

（比較例１）
比較例１では、種結晶の結晶成長面に化学機械研磨を行わなかった以外は実施例１と同様にして種結晶を製造した。すなわち、昇華再結晶法により予め得られたＳｉＣ単結晶インゴットを実施例１と同様に切断して厚さ１．１ｍｍ程度の円盤状厚板に加工し、次いで、実施例１と同様に機械研磨して口径５１ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの円盤状薄板に加工して比較例１に係る種結晶２とした。この種結晶２は、実施例１と同様に４°のオフ角を有する（０００−１）面を結晶成長面として備えている。そして、この比較例１に係る種結晶２を用いて、実施例１と同様の条件でＳｉＣ単結晶インゴットを製造した。

得られたＳｉＣ単結晶インゴットについて、実施例１と同様に（０００１）面に種結晶と反対方向にオフ角を持つように切り出して、評価用基板Ｂを得て、実施例１と同様にＫＯＨエッチングを行ない、光学顕微鏡で転位密度を計測した。結果を表１に示す。

ここで、表１に示した結果について、実施例１及び比較例１における各測定点での成長高さと貫通らせん転位密度との関係をグラフにしたものが図３である。図３のグラフから分かるように、従来法によって製造された比較例１のＳｉＣ単結晶インゴットは、成長高さ０．６ｍｍで貫通らせん転位密度が約９０００個／ｃｍ²であるのに対し、本発明の製造方法を用いて製造された実施例１のＳｉＣ単結晶インゴットでは、約２０００個／ｃｍ²と低い値となっている。さらに成長高さ１．９ｍｍでは比較例１が貫通らせん転位密度が約１０００個／ｃｍ²であるのに対し、本発明の製造方法を用いて製造された実施例１のＳｉＣ単結晶インゴットでは、約２００個／ｃｍ²まで減少している。特に、種結晶との界面近傍の成長初期は、従来では貫通転位密度が高く、ＳｉＣ単結晶基板の切り出しには不向きとされていたのに対して、本発明によれば、成長高さ約２ｍｍから種結晶以上の品質のＳｉＣ単結晶基板を切り出すことも可能となることが分かる。

１：昇華原料、２：種結晶、３：黒鉛上蓋、４：黒鉛坩堝本体、５：黒鉛製フェルト、６：二重石英管、７：黒鉛支持棒、８：真空排気装置、９：配管、１０：マスフローコントローラ、１１：ワークコイル。

Claims (2)

1. 昇華再結晶法により種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる際に用いる種結晶の製造方法であって、炭化珪素単結晶インゴットを切断し、切断面を機械研磨した後に、該機械研磨面の表面から少なくとも深さ２μｍまでを化学機械研磨により除去することを特徴とする炭化珪素単結晶成長用種結晶の製造方法。
2. 請求項１記載の方法で製造した種結晶の成長面に、昇華再結晶法により、炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。

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