JP2019156698A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 オフアングルの無い成長、つまりＣ軸＜０００１＞から傾きの無い基底面上の成長方向においても、異ポリタイプが発生しにくく、かつ直胴率の高い炭化珪素単結晶を製造することができる炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする【解決手段】 成長容器内で炭化珪素原材料を昇華させて種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、前記種結晶基板として、前記成長容器への設置面がオフアングル１°以下の｛０００１｝面であり、結晶成長面が凸形状の成長インゴット端面である基板を用い、前記種結晶基板の直径を前記成長容器の内径の８０％以上とすることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。【選択図】 図１

Description

本発明は、昇華法によって炭化珪素の結晶成長を行う炭化珪素の製造方法に関する。

近年、電気自動車や電気冷暖房器具にインバーター回路が多用されるにいたり、電力ロスが少なく、半導体Ｓｉ結晶を用いた素子より耐圧を高くとれるという特性から、炭化珪素（以後、ＳｉＣと言う場合もある）の半導体結晶が求められている。

ＳｉＣなどの融点が高い結晶、液相成長がしにくい結晶の代表的かつ現実的な成長方法として昇華法がある。容器内で２０００℃前後ないしそれ以上の高温で固体原材料を昇華させて、対向する種結晶上に結晶成長させる方法である（特許文献１）。しかしながら、ＳｉＣの結晶成長は、昇華させるために高温が必要で、成長装置は高温での温度制御が必要とされる。また、昇華した物質の圧力を安定させるために、容器内の圧力の安定した制御が必要とされる。またＳｉＣの結晶成長は、昇華速度によるもので、Ｓｉのチョクラルスキー法やＧａＡｓなどのＬＰＥ製法などと比較して、相対的にかなり成長速度が遅い。したがって、長い時間をかけて成長する。幸いに、昨今の制御機器の発達、コンピュータ、パソコン等の発達で、圧力、温度の調節を長期間安定して行うことが可能である。

ＳｉＣの昇華法成長方法は具体的には、図９に示すように炭化珪素単結晶成長装置１０１を用いて行うものであり、成長容器１０４内に炭化珪素固体原材料１０３を入れ、ヒーター（高周波加熱コイル）１０８で加熱し、成長容器１０４内に配置された板状の種基板（ジャスト面種ウェーハ）１０２に成長結晶１０２ａを結晶成長させるものである。

成長容器１０４は、真空の石英管内か真空のチャンバー内に配置されて、一度活性の低いガスで満たされており、その雰囲気は、ＳｉＣの昇華速度を上げるために、大気圧より低い。
成長容器１０４の外側には、断熱材（断熱容器）１０５が配置されている。断熱材１０５の一部には、パイロメーター（温度測定センサー）１０７で温度測定するための穴（上部温度測定孔）１０６が少なくともひとつある。成長容器１０４は、主にカーボン材料からなり、通気性があり、容器内外の圧力は等しくなる。成長容器１０４の下部に炭化珪素原材料１０３が配置されている。これは固体であり、高温下、減圧下で昇華する。昇華した材料は、対向する種結晶基板（種ウェーハ）１０２上に単結晶（成長結晶）１０２ａとして成長する。

ここで上述した製造装置を用いた従来の炭化珪素単結晶の製造方法について図１０を用いて説明する。まず、図１０（ａ）に示すように炭化珪素原材料１０３と、一定の厚さを持つジャスト面種基板（ジャスト面種ウェーハ）１０２を成長容器１０４内に配置する。次に図１０（ｂ）に示すように成長容器１０４を断熱容器１０５内に配置する。次に図１０（ｃ）に示すように断熱容器１０５ごと外部容器１０９内に配置する。次に図１０（ｄ）に示すように外部容器１０９内を真空引きし、所定の圧力（例えば１〜２０Ｔｏｒｒ（１．３〜２６ｈＰａ））に保ち、２０００〜２３００℃に昇温する。次に図１０（ｅ）に示すように昇華法により種結晶基板（種ウェーハ）１０２上に炭化珪素単結晶（成長結晶）１０２ａを成長させる。最後に図１０（ｆ）に示すように圧力を上げて昇華を止め、成長を停止させ温度を徐々に下げて冷却を行う。

また、ＳｉＣ単結晶には、立方晶、六方晶などがあり、更に六方晶の中でも、４Ｈ、６Ｈなどが、代表的なポリタイプとして知られている。
多くの場合は、４Ｈ種上には４Ｈが成長するというように同じタイプの単結晶が成長する（特許文献２）。

特開２０００−１９１３９９号公報 特開２００５−２３９４６５号公報 特開２０１０−１２６３８０号公報

しかしながら、オフアングルをもたない｛０００１｝面（オフアングル１°以下の所謂ジャスト面）の結晶方位の種基板を用いた場合、結晶成長を開始する際に乱れ（晶子、異ポリタイプ化）易いという問題がある（図１１参照）。図１１は成長初期の状態の炭化珪素単結晶成長装置１０１’を示している。

また、オフアングルを持たないジャスト面の種基板、例えば六方晶の基底面（Ｂａｓａｌ Ｐｌａｎｅ）に平行な面を表面に持つ種基板にＳｉＣの六方晶の結晶を成長させる際に、成長初期の二次元核のランダムな発生からもともとの種のポリタイプ、例えば４Ｈ構造のみでなく６Ｈ構造が発生することが良くある（図５，６参照）。なお、図５は（０１１１）面の４Ｈ構造のジャスト面種基板１１上に４Ｈ構造１２、６Ｈ構造１３が成長する状態を示している。

この例のように４Ｈ構造へ６Ｈ構造の異ポリタイプが混入した場合、全く半導体としての価値はなくなる。それは耐圧等の特性が大きく違うためである。また、スライス時に割れの原因ともなる。

オフアングルを持つ基板を用いた時には、ステップ成長のメカニズムで成長するため比較的乱れにくい。図７はオフアングルがある場合のステップ成長を示している。図７は、オフアングルを有する種基板１４上にＳｉＣ源１５が入る状態を示している。
結晶成長の教科書にも良くあるように、原料である炭素源と珪素源がキンクに入ることで、基板の持つ４Ｈ構造を踏襲しやすく、乱れにくい。

六方晶にはＡ，Ｂ，Ｃの３つのサイトがある。これは下記一般式（１）のＳｉとＣ側のボンドのねじれにより六方晶の基底面上に３つの原子の入る位置や軸が発生することによるもので、図８に示すように４Ｈ構造ではＡＢＣＢの順に積層されていて、６Ｈ構造ではＡＢＣＡＣＢの順に積層される。

したがって、オフアングルをつけた種（種結晶基板）の場合は平坦であってもポリタイプが崩れることなく成長を開始できる。つまり平坦な種（種結晶基板）であっても、その平坦な成長表面にステップが存在するため、ラテラル成長またはステップ成長と呼ばれるメカニズムでポリタイプが崩れることがない成長は比較的容易である。

これに対し、ジャスト面つまり、基底面上に成長させる場合は、２次元核のランダムな発生と、ＳｉＣ特有のらせん成長が面内の多くの箇所で起こり、ポリタイプもその層構造の露出が無いことから、ポリタイプの積層順が守られず、異ポリタイプの種結晶の核というべき小さい領域が発生し、拡張伝播していく。

しかしながら、オフアングルをつけた種（種結晶基板）を用いた場合には、成長インゴットが点対象とはならず、直胴率（直胴長さ／全長）が悪化する（すなわち、直胴長さが短くなる）ことでウェーハ歩留まりが低下するという問題がある。

また、特許文献３には、成長後の端面側を所定の厚さで切り出したものを炭化珪素単結晶端面種として使用することが開示されている。
しかしながら、上記のようなものを種結晶基板として用いた場合でも、種結晶基板の直径が収納容器の内径に対して小さい場合には、異なるポリタイプの発生を抑制する効果が小さくなることが、本発明者らの検討により判明した。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、オフアングルの無い成長、つまりＣ軸＜０００１＞から傾きのほとんど無い基底面上の成長方向においても、異ポリタイプが発生しにくく、かつ直胴率の高い炭化珪素単結晶を製造することができる炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、成長容器内で炭化珪素原材料を昇華させて種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、前記種結晶基板として、前記成長容器への設置面がオフアングル１°以下の｛０００１｝面であり、結晶成長面が凸形状の成長インゴット端面である基板を用い、前記種結晶基板の直径を前記成長容器の内径の８０％以上とすることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。

このような成長インゴット端面を種（種結晶基板）として用い、種結晶基板の直径を成長容器の内径の８０％以上とすることで異ポリタイプが発生しにくく、かつ直胴率の高い炭化珪素単結晶を製造することができる。

以上のように、本発明によれば、成長インゴット端面を種結晶基板として用い、種結晶基板の直径を成長容器の内径の８０％以上とすることで異ポリタイプが発生しにくく、かつ直胴率の高い炭化珪素単結晶を製造することができる。

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができる炭化珪素単結晶成長装置の一例を示す概略断面図（炭化珪素単結晶の成長前）である。 本発明の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができる炭化珪素単結晶成長装置を示す概略断面図（炭化珪素単結晶成長中）である。 本発明の炭化珪素単結晶の製造方法を示すフローチャートである。 実施例１の炭化珪素単結晶において異ポリタイプが発生しない状態を示す上面図である。 ジャスト面種上に異ポリタイプが発生する状態を示す概略断面図である。 ジャスト面種上に異ポリタイプが発生する状態を示す上面図である。 オフアングルを持つ基板を種結晶基板として用いた場合の単結晶成長初期状態を示す概略断面図である。 オフアングルを持つ基板を種結晶基板として用いた場合の４Ｈ構造の単結晶が成長する状態を示す概略断面図である。 従来の炭化珪素単結晶成長装置を示す概略断面図である。 従来の炭化珪素単結晶の製造方法を示すフローチャートである。 従来の炭化珪素単結晶成長装置を示す概略断面図（炭化珪素単結晶の成長初期）である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

以下に、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法について、図１〜３を参照しながら説明する。
図１は、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができる炭化珪素単結晶成長装置の一例を示す概略断面図である。

図１に示す本発明の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができる炭化珪素単結晶成長装置１は、種基板（種結晶基板、種ウェーハ）２及び炭化珪素原材料３を収容する成長容器４と、該成長容器４を囲う断熱材（断熱容器）５と、該断熱材５に設けた上部温度測定孔６を通して、成長容器４内の温度を測定する温度測定センサー７と、炭化珪素原材料３を加熱するヒーター（高周波加熱コイル）８とを備えている。

成長容器４は、種基板２を配置する成長室と、炭化珪素原材料３を配置する昇華室とからなり、例えば耐熱性のあるグラファイトで形成される。また、結晶成長の際には、ＳＵＳや石英からなる外部容器９内に成長容器４をセットして、真空排気しながらＡｒ等の不活性ガスを供給することにより、不活性ガス雰囲気の減圧下で結晶成長を行う。

ヒーター８は、ＲＨ（抵抗加熱）又はＲＦ（高周波）加熱を行うものを用いることができる。また、温度測定センサー７としては、パイロメーターを用いることで、成長容器４の外部から、断熱材５の温度測定用の穴（上部温度測定孔）６を通して、非接触で温度測定を精度良く行うことができる。本発明では成長容器４に配置する種基板２を、成長容器４への設置面がオフアングル１°以下の｛０００１｝面であり、単結晶成長面が凸形状の成長インゴット端面（頭頂部結晶）である基板を用いる。種（種結晶基板）２の直径は成長容器４の８０％以上とし、９０％以上とするのがより好ましい。また、厚さは最も厚い箇所で５ｍｍ以上好ましくは１ｃｍ以上とすることができる。

次に図３を用いて本発明の炭化珪素単結晶の製造方法を説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、得ようとする結晶と同サイズの直径をもち、オフアングルを持たないジャスト面で成長容器４上部に固定する頭頂部結晶を成長容器４内にセットし、成長容器４の下部には炭化珪素原材料３をセットする。

次に図３（ｂ）に示すように、成長容器４を断熱容器５内に配置する。

次に図３（ｃ）に示すように、断熱容器５ごと外部容器９内に配置する。

次に図３（ｄ）に示すように、外部容器９内を真空引きし、所定の圧力（例えば１〜２０Ｔｏｒｒ（１．３〜２６ｈＰａ））に保ち、２０００〜２３００℃に昇温する。

次に図３（ｅ）に示すように、昇華法により種結晶（種結晶基板）２上に炭化珪素単結晶（成長結晶）２ａを成長させる（図２の炭化珪素単結晶成長装置１’を参照）。

最後に図３（ｆ）に示すように、圧力を上げて昇華を止め、成長を停止させ、温度を徐々に下げて冷却を行う。

上記のようにして製造したＳｉＣ単結晶は、単結晶成長面が成長インゴット端面である種結晶基板として用い、種結晶基板の直径を成長容器の内径の８０％以上とすることで異ポリタイプが発生しにくく、かつ直胴率の高い炭化珪素単結晶を製造することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
以下の成長条件で図３に示すフローに従い、直径１００ｍｍのＳｉＣ単結晶を成長させた。
＜条件＞
成長容器内径・・・１０５ｍｍ
種結晶基板・・・主面が{０００１}面で直径１００ｍｍ（種結晶基板の直径／成長容器の内径は、９５％）最大厚さが８ｍｍの凸形状の成長インゴット端面からなるＳｉＣ単結晶基板
成長温度・・・２２００℃
圧力・・・１０Ｔｏｒｒ（１３ｈＰａ）
雰囲気・・・アルゴンガス、窒素ガス

ＳｉＣ単結晶成長後、直胴率（直胴部／全長）を調べたところ９０％であった。また、マルチワイヤーソーにてウェーハを切り出し研削、鏡面研磨およびＣＭＰ研磨後に、ウェーハの表面を観察したが、図４に示すように異ポリタイプは発生していないことが判った。また、全部で５バッチの製造を行った。その結果を表１、２に示す。表１、２に示すように５バッチとも異ポリタイプの発生は無かった（すなわち、異ポリタイプ発生率は、０％）。

（実施例２）
直径が８４ｍｍの種結晶基板（種結晶基板の直径／成長容器の内径は、８０％）を用いた以外は実施例１と同じ条件でＳｉＣ単結晶を成長させた。

ＳｉＣ単結晶成長後、直胴率（直胴部／全長）を調べたところ８５％であった。ＳｉＣ単結晶成長後、マルチワイヤーソーにてウェーハを切り出し研削、鏡面研磨およびＣＭＰ研磨後に、ウェーハの表面を観察したが、異ポリタイプは発生していないことが判った。また、全部で５バッチの製造を行った。その結果を表２に示す。表２に示すように５バッチとも異ポリタイプの発生は無かった（すなわち、異ポリタイプ発生率は、０％）。

（比較例１）
主面が{０００１}面で厚さが１ｍｍ（一定）の種（種結晶基板）を用いた以外は実施例１と同じ条件でＳｉＣ単結晶を成長させた。

全部で１０バッチの製造を行った。その結果を表１に示す。表１に示すように１０バッチとも異ポリタイプが発生して乱れた。

（比較例２）
主面が｛０００１｝面から＜１１−２０＞方向に４°傾いた厚さが１ｍｍ（一定）の種（種結晶基板）を用いた以外は実施例１と同じ条件でＳｉＣ単結晶を成長させた。

ＳｉＣ単結晶成長後、直胴率（直胴部／全長）を調べたところ４０％であった。全部で５バッチの製造を行った。その結果を表１に示す。表１に示すように５バッチとも異ポリタイプの発生は無かった。

（比較例３）
直径が７９ｍｍの種結晶基板（種結晶基板の直径／成長容器の内径は、７５％）を用いた以外は実施例１と同じ条件でＳｉＣ単結晶を成長させた。

ＳｉＣ単結晶成長後、マルチワイヤーソーにてウェーハを切り出し研削、鏡面研磨およびＣＭＰ研磨後に、ウェーハの表面を観察した。また、全部で１０バッチの製造を行った。その結果を表２に示す。表２に示すように１０バッチ中２バッチで異ポリタイプの発生が見られた（すなわち、異ポリタイプ発生率は、２０％）。

（比較例４）
直径が５２ｍｍの種結晶基板（種結晶基板の直径／成長容器の内径は、５０％）を用いた以外は実施例１と同じ条件でＳｉＣ単結晶を成長させた。

ＳｉＣ単結晶成長後、マルチワイヤーソーにてウェーハを切り出し研削、鏡面研磨およびＣＭＰ研磨後に、ウェーハの表面を観察した。また、全部で１０バッチの製造を行った。その結果を表２に示す。表２に示すように１０バッチ中３バッチで異ポリタイプの発生が見られた（すなわち、異ポリタイプ発生率は、３０％）。

（比較例５）
直径が２１ｍｍの種結晶基板（種結晶基板の直径／成長容器の内径は、２０％）を用いた以外は実施例１と同じ条件でＳｉＣ単結晶を成長させた。

ＳｉＣ単結晶成長後、マルチワイヤーソーにてウェーハを切り出し研削、鏡面研磨およびＣＭＰ研磨後に、ウェーハの表面を観察した。また、全部で１０バッチの製造を行った。その結果を表２に示す。表２に示すように１０バッチ中５バッチで異ポリタイプの発生が見られた（すなわち、異ポリタイプ発生率は、５０％）。

表２より、種結晶基板の直径を成長容器の内径の８０％以上とすれば、異ポリタイプの発生が十分抑えられることがわかる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１、１’、１０１、１０１’…炭化珪素単結晶成長装置、
２、１０２…種基板（種結晶基板、種ウェーハ）、
２ａ、１０２ａ…炭化珪素単結晶（成長結晶）、
３、１０３…炭化珪素原材料（固体炭化珪素原材料）、 ４、１０４…成長容器、
５、１０５…断熱容器、 ６、１０６…上部温度測定孔、
７、１０７…温度測定センサー、 ８、１０８…ヒーター（高周波加熱コイル）、
９、１０９…外部容器、 １１…（０１１１）面の４Ｈ構造のジャスト面種基板、
１２…４Ｈ構造、 １３…６Ｈ構造、 １４…オフアングルを有する種基板、
１５…ＳｉＣ源。

Claims (1)

1. 成長容器内で炭化珪素原材料を昇華させて種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、
   前記種結晶基板として、前記成長容器への設置面がオフアングル１°以下の｛０００１｝面であり、結晶成長面が凸形状の成長インゴット端面である基板を用い、
   前記種結晶基板の直径を前記成長容器の内径の８０％以上とすることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。