JP2021050112A

JP2021050112A - 炭化珪素単結晶ウェハ及び炭化珪素単結晶インゴットの製造方法

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Publication number: JP2021050112A
Application number: JP2019173463A
Authority: JP
Inventors: 功穂鎌田; Isao Kamata; 秀一土田; Shuichi Tsuchida; 紀博星乃; Norihiro Hoshino; 雄一郎徳田; yuichiro Tokuda; 武志岡本; Takeshi Okamoto
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Denso Corp
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Denso Corp
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: JP7393900B2; CN112626618A; CN116791195A; US20210108334A1; CN112626618B; US20230374699A1

Abstract

【課題】高品位の炭化珪素単結晶を得ることができる炭化珪素単結晶ウェハの製造方法及び炭化珪素単結晶ウェハを提供する。【解決手段】ガス成長法により製造された炭化珪素単結晶ウェハであって、ウェハに含まれる転位密度が３５００個／ｃｍ２以下であり、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記ＫＯＨエッチピット密度の差が平均値の５０％未満である。【選択図】なし

Description

本発明は、炭化珪素単結晶ウェハ及び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とも称する）は、Ｓｉと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているＳｉ単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。

現在、市販化されている炭化珪素単結晶を製造する方法の一つとして昇華法が用いられている。

現在市販されている炭化珪素単結晶ウェハは昇華法で製造されたものが多いが、昇華法は密閉容器中に原料と種結晶をセットして作製するため、１回の成長において作製可能な炭化珪素バルクの量が限られている。したがって、その作製法の構造上の理由で、長尺の結晶ができないため、バルクから作製するウェハの製造コストが高いという欠点がある。

炭化珪素単結晶を製造する他の方法としては、ＨＴＣＶＤ法等のガス成長法が知られている（例えば、特許文献１参照）。ガス成長法では、種結晶に原料ガスを供給し続ければ、理論的には、いくらでも長尺なＳｉＣ単結晶を製造することができる。ＳｉＣ単結晶を高速で長尺に成長させることができれば、その価格を低減することができる。

また、種結晶の表面（成長面）に温度勾配がある場合、例えば、周縁部が高温、中央部が低温であるような温度勾配がある場合、高温部では成長があまり進まず、低音部では成長が進行するので、種結晶の表面形状を等温線に合わせて凸曲面として成長を促進する手法が提案されている（特許文献２参照）。

炭化珪素単結晶基板は、以上のような方法で製造されているが、通常の圧力では液相を持たず、また、昇華温度が極めて高いこと等から、転位や積層欠陥等の結晶欠陥を含まないような高品質の結晶成長を行うことが困難である。このため、炭化珪素単結晶については、Ｓｉ単結晶成長で商用化されているような、転位を有さずかつ大きな口径を有する単結晶の製造技術が実現されていない。

このように炭化珪素単結晶ウェハに内在しているこれらの転位は、ウェハ上にエピタキシャル膜を成長させる際に、このエピタキシャル膜中に伝播するので、そのエピタキシャル膜を用いて形成した半導体素子の耐電圧や信頼性を低下させる。よって、転位の少ない、また、転位が存在するにしても偏在していない炭化珪素単結晶ウェハが要望されている。

特開２０１２−２４０８９４号公報特許第６２３５８７５号公報

基板ウェハ中の転位は素子中に伝播されることから、現状の製法にて作製された転位密度に面内で偏りがある炭化珪素ウェハを使用して素子を作製した場合、素子の歩留まりが領域によって悪化する不具合があることが現状の課題である。更に、素子を作製するプロセスにおいて、素子製品の歩留まりに面内領域的バラつきが生じた際、現状ウェハを使用していると、プロセス起因かウェハ起因か要因の切り分けができず、プロセス改善を長期化させ、投入する予算的、時間的に不利益をこうむることも現状の課題である。

本発明は、上記事情に鑑み、高品位の炭化珪素単結晶を得ることができる炭化珪素単結晶ウェハの製造方法及び炭化珪素単結晶ウェハ及び炭化珪素単結晶インゴット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の本発明の第１の態様は、炭化珪素単結晶ウェハであって、ウェハ中に含まれる転位密度が３５００個／ｃｍ^２以下であり、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記転位密度の差が平均値の５０％未満であることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハにある。
基板ウェハ中の転位は素子中に伝播されることから、現状の製法にて作製された転位密度に面内で偏りがある炭化珪素単結晶ウェハを使用して素子を作製した場合、素子の歩留まりが領域によって悪化する不具合があることが現状の課題である。しかしながら、本発明の炭化珪素単結晶ウェハ、すなわち、ウェハ中に含まれる転位密度が３５００個／ｃｍ^２以下であり、かつ転位密度分布が、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記転位密度の差が平均値の５０％未満である炭化珪素単結晶ウェハを用いれば、上記素子作製において面内の均一性が良いことから、どの領域においても歩留まりが向上し不良品の低減を図ることができ、上記課題を回避できる。
更に、素子を作製するプロセスにおいて、素子製品の歩留まりに面内領域的バラつきが生じた際、現状ウェハを使用していると、プロセス起因かウェハ起因か要因の切り分けができず、プロセス改善を長期化させることも現状の課題である。しかしながら、上述した本発明の炭化珪素単結晶ウェハを使用すれば、ウェハ起因の歩留まり劣化要因が無いことから、不具合があった際にプロセス要因に特化することが可能であり、プロセス改善が迅速に行え、投入する予算的、時間的に利点があり、上記課題を回避できる。

また、本発明の第２の態様は、ガス成長法により製造された炭化珪素単結晶ウェハであって、前記ウェハ中に含まれる刃状転位密度が３０００個／ｃｍ^２以下であり、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記刃状転位密度の差が平均値の５０％未満であることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハにある。

また、本発明の第３の態様は、ガス成長法により製造された炭化珪素単結晶ウェハであって、前記ウェハ中に含まれるらせん転位密度が５００個／ｃｍ^２以下であり、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記らせん転位密度の差が５０％未満であることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハにある。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載の炭化珪素単結晶ウェハにおいて、前記ウェハ中に含まれる転位は、同一種の転位同士の距離が、１５０μｍ以上の一定距離以上に近寄ることなく分散していることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハにある。

かかる第１〜第３の態様の炭化珪素単結晶ウェハは、転位が少なく、且つ存在する転位が均一に分布するもので、高品位の炭化珪素単結晶ウェハであり、その上にエピタキシャル膜を用いて形成した半導体素子の耐電圧や信頼性の低下を抑制することができる。

また、第１〜第４の態様の炭化珪素単結晶ウェハがガス成長法で製造された単結晶ウェハであることは、結晶中に含まれるＴａ、Ｔｉ、Ｎｂが１×１０^１４／ｃｍ^３以上であることで立証でき、例えば、昇華法により製造された炭化珪素単結晶ウェハには１×１０^１４／ｃｍ^３以上のＴａ、Ｔｉ、Ｎｂが存在することはない。

本発明の第５の態様は、炭化珪素からなる種結晶を載置した空間に水素ガス、モノシラン、および炭化水素ガスを含む原料ガスを供給すると共に、モノシラン分圧を４ｋＰａ以上とし、前記空間内を温度２４００℃〜２７００℃に加熱し、前記種結晶に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おいて、前記炭化珪素単結晶の成長結晶表面の径方向温度勾配が０．１℃／ｍｍ以下となり、かつ前記成長結晶表面の曲率半径が４．５ｍ以上となるように、前記空間内の温度制御と前記原料ガスの供給を制御することにより、成長した炭化珪素単結晶の成長長さが３ｍｍ以上であり、内部応力が１０ＭＰａ以下の炭化珪素単結晶インゴットを得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にある。

本発明の第６の態様は、第５の態様の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法で炭化珪素単結晶インゴットを得、これをカットして炭化珪素単結晶ウェハとすることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハの製造方法にある。

本発明によれば、転位が少なく、且つ存在する転位が均一に分布する高品位の炭化珪素単結晶ウェハ及び炭化珪素単結晶インゴットの製造方法が提供される。

本実施形態に係る炭化珪素単結晶を製造する製造装置の断面図である。本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造工程を示す製造装置の断面図である。ＳｉＣ単結晶の内部応力と、径方向の温度勾配との関係、及びＳｉＣ単結晶の内部応力と、成長結晶表面の形状のなす曲率半径との関係を示すグラフである。転位の相互作用を説明する図である。ウェハ中心部、ウェハ中間部、ウェハ端部の場所のイメージを示す図である。実施例１の炭化珪素単結晶を説明する図である。比較例の炭化珪素単結晶を説明する図である。実施例２の炭化珪素単結晶を説明する図である。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。

本発明の炭化珪素単結晶ウェハは、ガス成長法により製造された炭化珪素単結晶ウェハであって、前記ウェハ中に含まれる転位密度が３５００個／ｃｍ^２以下であり、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記転位密度の差が平均値の５０％未満である、又は、
ガス成長法により製造された炭化珪素単結晶ウェハであって、ウェハ中に含まれる刃状転位密度、すなわち、フォトルミネッセンス測定あるいはＸ線トポグラフィ測定等の手法により評価される刃状転位密度が３０００個／ｃｍ^２以下であり、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記刃状転位密度の差が平均値の５０％未満である、又は、
ガス成長法により製造された炭化珪素単結晶ウェハであって、ウェハ中に含まれるらせん転位密度、すなわち、フォトルミネッセンス測定あるいはＸ線トポグラフィ測定等の手法により評価されるらせん転位密度が５００個／ｃｍ^２以下であり、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記らせん転位密度の差が５０％未満である、ものである。

かかる本発明の炭化珪素単結晶ウェハは、ガス成長法で製造された炭化珪素単結晶ウェハであり、従来の炭化珪素単結晶ウェハと比較して、転位の存在密度が極めて少なく、且つ存在する転位が均一に分布するものである。

ウェハ中に含まれる転位密度は、ウェハに含まれるＫＯＨエッチピット密度、すなわち、ＫＯＨエッチング処理を施した後評価されるエッチピット密度、又は、ウェハに含まれる転位コントラスト密度、すなわち、フォトルミネッセンス測定あるいはＸ線トポグラフィ測定等の手法により評価される転位コントラスト密度により評価することができる。
ここで、ＫＯＨエッチピットは、ＫＯＨエッチング処理を施した後、光学顕微鏡観察で評価されるエッチピット密度であり、全転位密度に相当するものである。

また、転位コントラスト密度は、フォトルミネッセンス測定あるいはＸ線トポグラフィ測定等の手法により評価されるものであり、全転位密度に相当するものである。Ｘ線トポグラフィは、回折ｇ＝１１−２８あるいは同等の回折ｇ＝−１−１２８を用いて評価することができる。

一方、刃状転位密度は、刃状転位のみの密度であり、らせん転位密度は、らせん転位のみの密度であり、フォトルミネッセンス測定あるいはＸ線トポグラフィ測定等の手法により評価されるものである。

ガス成長法で製造されたものであるので、一回のガス成長で比較的安価に製造できる。ここで、現在市販されている昇華法による炭化珪素単結晶ウェハは、数千個／ｃｍ^２以上の転位が含まれているが、これと比較しても転位が少なく且つ均一に分布している。なお、昇華法において種結晶の方位を９０°回転させた結晶成長を繰り返して転位を排出するＲＡＦ法により製造された単結晶ウェハは、本発明と同程度に転位低減がなされている可能性もあるが、これは製造コストが極めて高いことが予想される。

ここで、ガス成長法とは、具体的には、炭化珪素からなる種結晶を載置した空間に、水素ガス、モノシラン、および炭化水素ガスなどの原料ガスを供給した炭化珪素単結晶を成長させるガス成長法をいう。

また、このようなガス成長法で上述したような転位密度の小さな炭化珪素単結晶を成長させるためには、特に成長結晶にかかる応力を極力少なくする工夫して成長させることが必要であり、好適な成長条件としては、モノシラン分圧を４ｋＰａ以上、温度２４００℃〜２７００℃に加熱し、さらに、成長結晶表面の径方向に亘る温度勾配を０．１℃／ｍｍ以下に制御し、かつ成長結晶表面の曲率半径を４．５ｍ以上の平坦性を保つなどの工夫を行い、成長した結晶中の応力を１０ＭＰａ以下に抑える精密制御を施すことが重要となる。

よって、本発明の炭化珪素単結晶ウェハは、例えば、炭化珪素からなる種結晶を載置した空間に水素ガス、モノシラン、および炭化水素ガスなどの原料ガスを供給すると共に、モノシラン分圧を４ｋＰａ以上、温度２４００℃〜２７００℃に加熱し、さらに、成長結晶表面の径方向温度勾配を０．１℃／ｍｍ以下に制御しつつ、かつ成長結晶表面の曲率半径を４．５ｍ以上の平坦性を保つことなどの工夫を行い、結晶中の応力を１０ＭＰａ以下に抑える精密制御を施すことによって、前記種結晶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により製造される。

このように製造された炭化珪素単結晶は、円柱状のインゴットとして形成され、例えば、種結晶から、成長方向に３ｍｍ以上成長させた場合、炭化珪素単結晶インゴットの成長側の表面の結晶転位密度は、例えば、種結晶中の結晶転位密度の１／１０、又はそれ以下に減少している。

本発明の炭化珪素単結晶ウェハは、このような炭化珪素単結晶インゴットからスライスし、研磨して製造されたものである。

本発明の炭化珪素単結晶ウェハは、ガス成長法において、種結晶の成長面における温度勾配を極めて高度に均一に制御し、且つ成長面ができるだけフラット面形状となるように成長を制御することで、炭化珪素単結晶の内部応力をできるだけ緩和した状態とすることにより、転位の発生が抑制され、また、応力が緩和した結晶成長により発生した転位同士の相互に働く引力などにしたがって、合体または対消滅が誘起されることを知見し、本発明の炭化珪素単結晶ウェハを実現させた。

本発明の高品位な炭化珪素単結晶ウェハは、その上にエピタキシャル膜を用いて形成した半導体素子の耐電圧や信頼性の低下を抑制することができるものである。

以下、本発明の高品位な炭化珪素単結晶ウェハの一製造例を説明する。

まず、炭化珪素単結晶ウェハの製造装置の一例について説明する。図１は、製造装置の断面図である。

製造装置Ｉは、高温ガス成長法によりＳｉＣ単結晶をバルク成長させるものである。製造装置Ｉは、原料ガスを供給する原料ガス供給手段１と、ＳｉＣからなる種結晶（以下、第１の種結晶５０ａ）を支持する台座１０と、台座１０を内部に収容する断熱容器２０と、断熱容器を収容する密閉容器３０と、断熱容器２０内を加熱するコイル４０（加熱手段）とを備えている。

原料ガス供給手段１は、炭化珪素の原料ガス供給装置２と、原料ガス供給装置２から供給される原料ガスの流路となる管路３からなる。管路３は、鉛直方向の上面に供給口４が設けられており、原料ガス供給装置２からの原料ガスを供給口４から後述する第１の種結晶５０ａに供給する。

なお、原料ガスは、ＳｉＣを第１の種結晶５０ａ上に析出させるものであれば特に限定はない。例えば、ＳｉＨ_４やＣ_３Ｈ_８ガス、さらにキャリアガスとしてＨ_２ガスからなる原料ガスを用いることができる。

台座１０は、ＳｉＣからなる第１の種結晶５０ａを支持するものである。台座１０は、第１の種結晶５０ａを支持する円柱状の支持部１１と、支持部１１の鉛直方向の上面に接続された軸部１２を備えている。支持部１１は、その下面に上述した管路３の供給口４に対向する平面表面となる支持面１３を有している。台座１０は、この支持面１３に第１の種結晶５０ａが接着される。支持部１１の材料は特に限定はないが、グラファイトや炭化珪素で形成してもよい。

台座１０は、移動機構１４により鉛直方向の上下に移動可能である。すなわち、移動機構１４が軸部１２を上下に移動させることで台座１０全体が上下動可能となっている。支持面１３に接着された第１の種結晶５０ａには、供給口４から原料ガスが供給されるようになっている。このため、第１の種結晶５０ａは、台座１０により上方に移動しながら原料ガスが供給されて結晶成長する。

なお、台座１０は、必ずしも上下移動可能とする必要はなく、密閉容器３０内に固定的に配置されていてもよい。

断熱容器２０は、内部に台座１０を収容する容器であり、断熱材から形成されている。断熱材としては特に限定はないが、例えば、アルミナ、ジルコニア、熱分解炭素、黒鉛（グラファイト）等を利用することができる。

断熱容器２０は、円筒状に形成されて、内部空間２１を有する。断熱容器２０は、管路３の供給口４の開口縁部に載置され、内部空間２１が供給口４を介して管路３と連通している。

断熱容器２０の内部空間２１には、台座１０が収容されている。台座１０の軸部１２は、密閉容器３０の上面に形成された蓋体３２の挿通孔３３に挿通されている。上述したように台座１０は上下移動が可能であるので、支持部１１は、内部空間２１内において上下移動が可能となっている。

密閉容器３０は、断熱容器２０を内部に収容する容器である。特に材料に限定はないが、例えば石英や金属等を用いることができる。また、密閉容器３０には、排出路３１が形成されており、供給口４から供給された原料ガスが排出路３１から排出されるようになっている。

さらに、密閉容器３０は、その上部の開口部３４が蓋体３２により塞がれている。蓋体３２は、密閉容器３０と同様の材料から形成することができる。ＳｉＣ単結晶の製造時には、密閉容器３０は蓋体３２により気密に塞がれる一方、成長したＳｉＣ単結晶の回収、新たな種結晶の設置及びメンテナンス等の作業時には、蓋体３２が開かれ、これらの作業が行われる。

加熱手段は、断熱容器２０内を加熱するものである。加熱手段により断熱容器２０内の温度が設定される。具体的には、加熱手段として、コイル４０を用いることができる。

コイル４０は、断熱容器２０に対して誘導加熱を行うものである。特に図示しないが、コイル４０は、交流電源に接続され、高周波の交流電流が供給される。コイル４０は、断熱容器２０内の温度を、例えば１５００℃以上の高温にする主たる熱源として用いられる。なお、特に図示しないが、金属からなる密閉容器３０を用いる場合、コイル４０は、密閉容器３０の内側であり、かつ断熱容器２０の外側に配置する。

また、特に図示しないが、台座１０の支持部１１には冷却機構が設けられており、第１の種結晶５０ａを放熱させることが可能となっている。

上述した構成のＳｉＣ単結晶の製造装置Ｉでは、コイル４０により断熱容器２０の内部が高温に設定される。一方、台座１０の冷却機構により第１の種結晶５０ａは相対的に低温に設定される。そして原料ガスを第１の種結晶５０ａに供給することで、第１の種結晶５０ａにＳｉＣ単結晶が結晶成長する。このとき、第１の種結晶５０ａは、台座１０により上方に引き上げられながら結晶成長する。

本実施形態では、断熱容器２０の材質及び形状並びに配置、密閉容器３０の材質及び形状、コイル４０の形状及び配置、冷却機構の配置などを工夫することで、台座１０の支持部１１の支持面１３に平行な種結晶５０ａの表面に沿った面における中心から端までの径方向に沿った温度勾配ができるだけ小さくなるように設定している。温度勾配が小さいほど成長結晶内の応力が小さくなるが、本発明の炭化珪素単結晶ウェハを実現するためには、少なくとも内部応力が１０ＭＰａ以下となるようにしなければならない。このような内部応力が緩和された結晶を成長するためには、後述する実験から、径方向の温度勾配が０．１５℃／ｍｍ以下、好ましくは０．１℃／ｍｍ以下となるようにする必要があることがわかっている。

また、温度勾配を均一化すると同時に原料ガス供給装置２からＳｉＣを含む原料ガスの密閉容器３０内への供給を工夫し、種結晶５０ａ上に成長するＳｉＣ単結晶５１の成長面をできるだけフラット面形状となるようにして、ＳｉＣ単結晶５１内の応力をできるだけ緩和するようにしている。

本発明の炭化珪素単結晶ウェハを実現するためには、少なくとも内部応力が１０ＭＰａ以下となるようにしなければならない。このような内部応力が緩和された結晶を成長するためには、後述する実験から、成長面の半径に相当する曲線の曲率半径が４０００ｍｍ以上、好ましくは、４５００ｍｍ以上、さらに好ましくは、５０００ｍｍ以上となるように結晶成長するのがよいことがわかっている。

次に、上述の製造装置Ｉによって行われる本実施形態のＳｉＣ単結晶の製造方法について、図２を用いて説明する。

まず、第１の種結晶５０ａにＳｉＣ単結晶５１を成長させる。具体的には、原料ガス供給装置２からＳｉＣを含む原料ガスを密閉容器３０内の第１の種結晶５０ａに供給する。第１の種結晶５０ａ表面から一定長まで結晶成長させると、その成長面５２の形状は、フラット面形状となり、成長面５２全体が結晶成長する。そして、その成長面５２の形状を保ったまま、長さＬに達するまでＳｉＣ単結晶５１が成長する。ここでいう長さＬは、製造装置Ｉで製造可能なＳｉＣ単結晶５１の最大長である。

また、本実施形態の成長工程では、移動機構１４により支持部１１を上方（原料ガスの供給口４とは反対方向）に引き上げながらＳｉＣ単結晶５１の結晶成長を行う。支持部１１の引き上げは、ＳｉＣ単結晶５１の成長速度と同一速度（実質的にほぼ同じ速度）で行われる。したがって、ＳｉＣ単結晶５１の表面（成長面５２）の供給口４に対する相対位置は常に一定となる。

例えば、移動機構１４を用い、第１の種結晶５０ａの表面を供給口４の近傍に位置させる（図１参照）。その後、ＳｉＣ単結晶５１は結晶成長するが、その成長速度に合わせて支持部１１が上方に引き上げられる。このため、ＳｉＣ単結晶５１の成長面５２は、図２に示すように当初の第１の種結晶５０ａの表面が位置していた供給口４の近傍と同じ位置である。つまり、成長面５２が供給口４から管路３内に突出することはない。

図３には、温度勾配と原料ガス供給を変化させながらＳｉＣ単結晶５１を成長させ、ＳｉＣ単結晶５１の内部応力と、径方向の温度勾配との関係、及びＳｉＣ単結晶５１の内部応力と、成長結晶表面の形状のなす曲率半径との関係を示す。

図３（ａ）に示すように、温度勾配と内部応力とはほぼ比例し、温度勾配が小さいほど内部応力が小さくなり、少なくとも内部応力が１０ＭＰａ以下となるようにするためには、径方向の温度勾配が０．１５℃／ｍｍ以下、好ましくは０．１℃／ｍｍ以下となるようにする必要があることがわかった。

また、図３（ｂ）に示すように、半径に相当する曲線の曲率半径が大きいほど、すなわち、フラット面形状に近づけば近づくほど、内部応力が小さくなり、少なくとも内部応力が１０ＭＰａ以下となるようにするためには、成長面の半径に相当する曲線の曲率半径が４０００ｍｍ以上、好ましくは、４５００ｍｍ以上、さらに好ましくは、５０００ｍｍ以上となるように結晶成長するのがよいことがわかった。

内部応力が著しく大きい場合は、成長結晶は応力に耐えかねて割れを生じることがある。例えば、内部応力が３０ＭＰａ以上になると、成長結晶に割れが生じることが、計算および実験より明らかになっている。
本発明の炭化珪素単結晶ウェハは、このような条件を組み合わせることで実現できる。

上述したように、内部応力が１０ＭＰａ以下のＳｉＣ単結晶５１が製造できると、転位の数が少なく、且つ転位の分布が均一なものとなることが以下のとおり確認された。

ここで、転位とは、ＴＳＤ（ＴｈｒｅａｄｉｎｇＳｃｒｅｗＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ；貫通らせん転位）と、ＴＥＤ（ＴｈｒｅａｄｉｎｇＥｄｇｅＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ；貫通刃状転位）と、ＴＭＤ（ＴｈｒｅａｄｉｎｇＭｉｘｅｄＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ；貫通混合転位）と、ＢＰＤ（ＢａｓａｌＰｌａｎｅＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ；基底面内転位）とがあり、ＴＳＤは２種類、ＴＥＤは６種類、ＴＭＤは１２種類、ＢＰＤは６種類ある。転位のズレの方向を簡易的に定義すると、ＴＳＤにはプラス方向とマイナス方向の２種類が存在する。結晶学的には、バーガースベクトルという考えを使用して＋ｃおよび−ｃなどと定義するが、ここでは簡易的にプラス方向とマイナス方向と定義する。プラス方向とマイナス方向のＴＳＤには引力が働き、同符号には斥力が働く。ＴＭＤにも同様にｃ軸方向にプラス方向とマイナス方向成分を持つものがあり、同様に、異符号には引力が、同符号には斥力が働く。

上述したとおり、応力が緩和されたＳｉＣ単結晶５１の転位を観察すると、貫通転位について以下のことが確認できた。

図４（ａ）に示すように、反符号のＴＳＤ同士の距離が近い位置に存在すると、相互作用を起こして消滅するが、反符号のＴＳＤ同士の距離がある程度離れていると相互作用を起こし難く、また、同符号のＴＳＤ同士が近傍に存在すると、反発し合って距離が離れることがわかった。これらの作用は、ＴＳＤ同士で説明したが、ＴＳＤとＴＭＤ間でも、ＴＭＤ同士でも同様の作用が働く。

また、他の転位についても同様であり、応力が緩和されたＳｉＣ単結晶５１の成長を行うと、近い距離にある転位同士は、転位の符号に従って相互作用が働き、反符号の場合は引力が働いて消滅し、同符号の場合には、斥力により分散していくので、一定成長時間後は、転位が成長直後より低減し、且つ分散した状態になっていることがわかった。

結晶成長が十分進行していない状態では、転位同士は、斥力あるいは引力によって移動して転位は分散していないが、結晶成長が十分進行した状態では、転位同士の消滅・合体、反発が繰り返され、転位間の距離が分散してくる。転位密度３５００個／ｃｍ^２（３５個／ｍｍ^２）程度となると、転位間の距離は１６７μｍ程度と見積もられることから、それぞれの転位の位置の揺らぎ等を考慮しても、転位間の距離は１５０μｍ程度と見積もられる。図４（ｂ）にウェハに分散する転位の概念図を示す。図４（ａ）に示したように、転位同士の消滅、合体および反発を繰り返し、ウェハ面内にプラスとマイナスを持った転位が一様に分散し、お互いの距離が１５０μｍ以上になっている様子を示している。また、転位の分布は、ウェハ中心部、端部、中間部で同様になっており、偏りがない。ただし、ＴＳＤとＴＥＤあるいはＢＰＤなどの異種転位間には、相互作用の働かないことから、転位間距離の分散具合は同一転位種間で定義する必要がある。さらに、小傾角粒界、ボイド、インクルージョン、マイクロパイプなどの大型の結晶欠陥が存在する領域においては、局部的な応力がかかっていることから、前述した転位間相互作用が十分働かない環境にあるため、転位の分散が達成されていない状態になる。しかし、そのような大型欠陥が存在する領域は、デバイスなどを作製した場合、大型欠陥の負の影響が大きいため、もともとウェハの有効な領域ではない。そのため、大型欠陥周辺の領域については、分散を定義する領域から除外しても問題ないと考えられる。

本発明の炭化珪素単結晶ウェハの転位の密度は、第１には、ＫＯＨエッチング処理を施した後評価される、エッチピット密度（≒全転位密度）により規定される。ウェハのエッチピット密度は、３５００個／ｃｍ^２以下、より好ましければ１７５０個／ｃｍ^２以下であり、且つウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記エッチピット密度の差が平均値の５０％未満である。

なお、ウェハ中心部、ウェハ中間部、ウェハ端部の場所のイメージは図５に示した。ウェハ１００に対して、ウェハ中心部１００Ａ、ウェハ中間部１００Ｂ及びウェハ端部１００Ｃとなる。

また、本発明の炭化珪素単結晶ウェハの転位の密度は、第２には、フォトルミネッセンス測定あるいはＸ線トポグラフィ測定等の手法により評価される、転位コントラスト密度（≒全転位密度）により規定される。ウェハの転位コントラスト密度は、３５００個／ｃｍ^２以下、より好ましければ１７５０個／ｃｍ^２以下であり、且つウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記エッチピット密度の差が平均値の５０％未満である。

また、本発明の炭化珪素単結晶ウェハの転位の密度は、第３には、ウェハ中に含まれる刃状転位密度によって規定される。刃状転位密度は、例えば、フォトルミネッセンス測定あるいはＸ線トポグラフィ測定等の手法により測定される。本発明のウェハでは、刃状転位密度は、３０００個／ｃｍ^２以下、より好ましければ１５００個／ｃｍ^２以下であり、且つ、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記刃状転位密度の差が平均値の５０％未満である。

また、本発明の炭化珪素単結晶ウェハの転位の密度は、第４には、ウェハ中に含まれるらせん転位密度によって規定される。らせん転位密度は、例えば、フォトルミネッセンス測定あるいはＸ線トポグラフィ測定等の手法により測定される。本発明のウェハでは、らせん転位密度は、５００個／ｃｍ^２以下、より好ましければ２５０個／ｃｍ^２以下であり、且つ、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記刃状転位密度の差が平均値の５０％未満である。

素子を作製するために、前記ウェハの上に、様々なプロセスを加えることになる。プロセスとしては、以下に列挙するように多岐にわたる。（１）化学気相成長装置によるエピタキシャル成長によって、ｎ型の不純物濃度を低く制御したドリフト層やｐ型の不純物を制御して混入させた層などを形成する工程。（２）不純物イオンを打ち込む工程。（３）打ち込んだイオンを活性化するため、２０００℃以上の高温で熱処理する工程。（４）酸化膜を形成し絶縁膜を形成する工程。必要な部分だけ残し不用な部分を取り去るレジスト塗布、エッチング工程。金属を蒸着する電極形成工程。これらの工程を順次処理して半導体素子は製造される。そして素子開発の過程では、製造した素子の特性に不具合が生じることがあり、不良品の発生確率は歩留まりと呼ばれ、製品のコストなどに影響する。

基板ウェハ中の転位は素子中に伝播されることから、現状の製法にて作製された転位密度に面内で偏りがある炭化珪素ウェハを使用して素子を作製した場合、素子の歩留まりが領域によって悪化する不具合があることが課題の一つである。本発明の炭化珪素単結晶ウェハ、すなわち、ウェハに含まれる転位密度が３５００個／ｃｍ^２以下であり、かつ転位密度分布が、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記転位密度の差が平均値の５０％未満であることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハを用いれば、上記素子作製において面内の均一性が良いことから、どの領域においても歩留まりが向上し不良品の低減を図ることができ、この課題を回避できる。

また、ウェハ面内において部分的に歩留まりが悪化した場合、その原因特定と改善を行ってプロセスを確定していく必要がある。その際、ウェハのある領域に不具合が生じているのであれば、プロセスのどの工程で不具合が発生したのか、試行錯誤の実験を繰り返し、その原因プロセスを特定して改善する必要がある。しかし、ウェハ中のある領域の不具合が、プロセス起因なのかウェハの転位分布起因なのか切り分けられないと、プロセスの改善に多大な労力がかかり、人的、時間的、物質的に膨大なエネルギーが投入されることになり、大きな課題となっている。

一方、本発明のウェハを使用すれば、歩留まりのウェハ起因の部分的な劣化要因が無いことから、不具合があった際にプロセス要因に特化することが可能であり、プロセス改善が迅速に行え、投入する予算的、時間的に利点があり、この課題を回避できる。

（実施例１）
図６（ａ）に示すような種結晶表面温度（温度勾配０．０６℃／ｍｍ程度）及び原料ガス流速でＳｉＣ単結晶５１を成長させたら、図６（ｂ）に示すように、曲率半径が４９３２ｍｍで僅かに上に凸（僅かに凸面）のＳｉＣ単結晶が得られた。単結晶の内部応力は、図３から１０Ｍｐａ以下と推定される。

このＳｉＣ単結晶についての中心部、端部、および中間部分（半径Ｒの１／２）の位置でのＴＳＤ密度を測定した。図６（ｃ）に結果を示す。

この結果、何れの位置に置いてもＴＳＤ密度は２０００個／ｃｍ^２以下で、ほぼ同数であり、種結晶の５０００個／ｃｍ^２〜６０００個／ｃｍ^２からに対して３０％程度に低減し、分布が均一化していることがわかった。

（比較例）
図７（ａ）に示すような種結晶表面温度（温度勾配０．０８℃／ｍｍ程度）及び原料ガス流速でＳｉＣ単結晶５１を成長させたら、図７（ｂ）に示すように、曲率半径が６０６ｍｍで下に凸（凹面）のＳｉＣ単結晶が得られた。単結晶の内部応力は、図３から３０Ｍｐａ程度と推定される。

このＳｉＣ単結晶についての中心部、端部、および中間部分（半径Ｒの１／２）の位置でのＴＳＤ密度を測定した。図７（ｃ）に結果を示す。

この結果、端部においては４０％程度に減少したものの、中心部および中間部分（半径Ｒの１／２）においてはＴＳＤ密度は種結晶より同等か若干増加しており、数の低減も分布の均一化も見られなかった。

（実施例２）
図８に実施例２を示す。図はガス法によって成長させた結晶中（２．５ｍｍ成長位置）と種結晶中の転位密度を調べた結果である。種結晶は通常の成長法である昇華法によって成長させた結晶であり、結晶面内に転位密度の分布が大きいことがわかる。それに対し、ガス法によって２．５ｍｍ成長させた結晶では、転位密度が大幅に減少し、さらに、結晶面内で場所によらず、ばらつきの少ない転位密度になっていることが分かる。この結果より、ガス法によって成長させた結晶では、転位の分布が一様化していることが実施例からも明らかになっている。

本発明は、炭化珪素単結晶を製造する産業分野で利用することができる。

Ｉ炭化珪素単結晶の製造装置
１原料ガス供給手段
１０台座
２０断熱容器
３０密閉容器
４０コイル（加熱手段）
５０ａ第１の種結晶
５０ｂ第２の種結晶
５１単結晶

Claims

炭化珪素単結晶ウェハであって、ウェハ中に含まれる転位密度が３５００個／ｃｍ^２以下であり、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記転位密度の差が平均値の５０％未満であることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハ。
ガス成長法により製造された炭化珪素単結晶ウェハであって、
前記ウェハ中に含まれる刃状転位密度が３０００個／ｃｍ^２以下であり、
前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記刃状転位密度の差が平均値の５０％未満であることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハ。
ガス成長法により製造された炭化珪素単結晶ウェハであって、前記ウェハ中に含まれるらせん転位密度が５００個／ｃｍ^２以下であり、前記ウェハの中心部、前記ウェハの端部、および前記ウェハの中間部分との比較において、前記らせん転位密度の差が５０％未満であることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハ。
請求項１〜３の何れか一項に記載の炭化珪素単結晶ウェハにおいて、前記ウェハ中に含まれる転位は、同一種の転位同士の距離が、１５０μｍ以上の一定距離以上に近寄ることなく分散していることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハ。
炭化珪素からなる種結晶を載置した空間に水素ガス、モノシラン、および炭化水素ガスを含む原料ガスを供給すると共に、モノシラン分圧を４ｋＰａ以上とし、前記空間内を温度２４００℃〜２７００℃に加熱し、前記種結晶に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おいて、
前記炭化珪素単結晶の成長結晶表面の径方向温度勾配が０．１℃／ｍｍ以下となり、かつ前記成長結晶表面の曲率半径が４．５ｍ以上となるように、前記空間内の温度制御と前記原料ガスの供給を制御することにより、成長した炭化珪素単結晶の成長長さが３ｍｍ以上であり、内部応力が１０ＭＰａ以下の炭化珪素単結晶インゴットを得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。
請求項５に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法で炭化珪素単結晶インゴットを得、これをカットして炭化珪素単結晶ウェハとすることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハの製造方法。