JP2021098614A - 均一な炭化ケイ素結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な炭化ケイ素結晶の製造装置を提供する。【解決手段】均一な炭化ケイ素結晶の製造装置９は、円筒５、ドープインゴット７及び平板６を含み、ドープ剤の提供を安定化させ、かつ制御することができる。この部材は成長チャンバー内の反応に関与しないが、成長過程においてその効果を維持し、最終的に半絶縁性で電気特性が均一な的炭化ケイ素単結晶が得られる。【選択図】図１

Description

本発明は均一な炭化ケイ素結晶を製造する装置に関し、特に黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ）るつぼに用いて炭化ケイ素結晶を製造する装置に関する。

科学技術の発展に伴い、高いパワー密度、素子の微小化及び高周波化が欠かせない条件になっている一方、シリコンの発展が限界に達しており、素子性能の成長が材料そのものに制限されている。従って、このボトルネックを突破するために、従来の産業用材料に取って代わる新しい材料の開発に積極的に取り組む必要がある。炭化ケイ素はその優れた特性により従来のケイ素材料では無理だった規格を満たすことが可能であり、例えば、バンドギャップ値が従来のシリコン基板より三倍高いほか、破壊電界が十倍高く、飽和電子遷移率が二倍高い。４Ｈ及び６Ｈの炭化ケイ素単結晶は、半導体装置中の結晶格子配置の基板として使用され、また超高速光導電スイッチと高周波関連装置に応用されるが、装置に導通ブレークダウンが発生しないよう、炭化ケイ素基板が半絶縁性（高抵抗値）であることが求められ、一般的に言う「半絶縁性」とは炭化ケイ素単結晶の抵抗値が１０^５Ω・ｃｍより大きいことを意味する。

現在、半絶縁性炭化ケイ素結晶を製造する一般的な方法として主に２種類があり、それぞれ点欠陥の生成とドープ剤の寄与である。従来技術の米国特許ＵＳ８１４７９９１Ｂ２において、深い準位補償元素（ドープ）を使用せず、半絶縁性に達していない炭化ケイ素結晶を２０００〜２４００℃の高温に設置し、かつ一分間３０〜１５０℃の速度で１２００℃まで冷却し、炭化ケイ素結晶中に存在する点欠陥（Ｖｃ）を維持して、炭化ケイ素結晶の高抵抗値化を実現する。しかし、高温から速く温度を下げることには常にリスクが伴い、破損または結晶内の応力過大になる可能性があり、歩留まり及び品質の低下につながる。

従来文献の米国特許ＵＳ５６１１９５５において、バナジウムまたはバナジウムを含む化合物をドープ剤とし、成長チャンバー中に入れて半絶縁性炭化ケイ素の単結晶を得るものである。しかし、バナジウムと炭化ケイ素材料源が直接接触するため、高温において、バナジウムと炭化ケイ素材料源が複雑な化学反応を起こし、多様な中間化合物（例えば、炭化バナジウム、ケイ素化合物及び炭化ケイ素化合物（ｃａｒｂｏn−ｓｉｌｉｃｉｄｅ）等）は生成され、バナジウムドープが不均一になる。

従来文献の米国特許ＵＳ９３２２１１０において、気体ドープ剤で実験を行っており、気体ドープ剤として主に塩化バナジウム（ＶＣｌ_ｘ）が使用され、キャリアガス（Ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）を利用して塩化バナジウム液体プールを通過させ、気体を形成する塩化バナジウム蒸気を導入し、そして成長中の炭化ケイ素結晶中にドープする。気体ドープ剤はドープ剤の量を安定して制御できるが、副産物の塩素気体（Ｃｌ_２）と塩酸（ＨＣｌ）が発生し、環境汚染、人体の健康、機械メンテナンスに悪影響を及ぼす。

炭化ケイ素の結晶成長には物理的輸送法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｒａｎｓｐｏｒｔ、ＰＶＴ）が利用され、その成長温度範囲が２０００〜２４００℃であり、圧力が０．１〜５０ ｔｏｒｒであり、成長速度が一般的に１００〜２５０μｍ／ｈｒであり、生産材料のコストが高く、かつ成長時間が長いため、歩留まりの向上がとても重要であり、所定の成長期間において、均一な電気特性を有する半絶縁性炭化ケイ素結晶を安定して生産する必要ある。

本発明は均一な炭化ケイ素結晶を製造する装置、特に黒鉛るつぼに用いて炭化ケイ素結晶を製造する装置を提供する。

前記の従来技術の問題点に鑑み、本発明は、ドープ剤の提供を安定化させ、かつ制御する効果を有する均一な炭化ケイ素結晶の製造装置を提供し、この部材が成長チャンバー内の反応に関与しないが、成長過程においてその効果を維持し、最終的に半絶縁性で電気特性が均一な炭化ケイ素単結晶が得られる。

前記目的を達成するために、本発明の一形態は均一な炭化ケイ素結晶の製造装置を提供するものであり、前記均一な炭化ケイ素結晶の製造装置は、前記円筒之表層が耐高温耐腐食材料であり、かつ底部に第１群の複数孔を有する円筒と、ドープ剤及び可塑剤（ｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ）が混圧されてなるインゴットであって、前記円筒の内側に設置され、かつ前記第１群の複数孔と接触する一ドープインゴットと，表層が耐高温耐腐食材料であり、前記ドープインゴットの上方に設置され、かつ第２群の複数孔を有する平板とを含み、前記第２群の複数孔と前記ドープインゴットが接触し、かつ前記第２群の複数孔の分布位置が前記第１群の複数孔と同じである。

本発明の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置において、前記第１群の複数孔及び前記第２群の複数孔の孔直径が１〜１０ｍｍであってもよい。

本発明の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置において、前記平板の厚さが１〜１０ｍｍであってもよい。

本発明の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置において、前記ドープ剤がバナジウム化合物であり、前記可塑剤が膨張黒鉛粉であってもよい。

本発明の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置において、前記円筒の高さが２０〜２００ｍｍであってもよい。

本発明の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置において、前記耐高温耐腐食材料が炭化タンタル（ＴａＣ）または炭化ニオブ（ＮｂＣ）であってもよい。

本発明の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置において、前記バナジウム化合物が炭化バナジウムまたは五酸化二バナジウムであってもよい。

本発明提の別の形態は黒鉛るつぼを鄭居し、前記黒鉛るつぼは、るつぼ本体、種結晶、本発明が提供する均一な炭化ケイ素結晶の製造装置、及び炭化ケイ素材料源を含んでもよい。前記るつぼ本体は，黒鉛材料のボイラーであって、内壁が第１端と第２端の二つの端を有する。前記種結晶は前記第１端に設置される。本発明が提供する均一な炭化ケイ素結晶の製造装置は、前記るつぼ本体の内壁に設置され、かつ円筒、ドープインゴット及び平板を含み、前記円筒の表層が耐高温耐腐食材料であり、前記円筒の底部が第１群の複数孔を有し、ドープインゴットはバナジウム化合物と膨張黒鉛粉が混圧されてなるインゴットであり、前記ドープインゴットが前記円筒の内側に設置され、かつ前記第１群の複数孔に接触し、前記平板の表層が耐高温耐腐食材料であり、前記平板が前記ドープインゴットの上方に設置され、前記平板が第２群の複数孔を有し、前記第２群の複数孔と前記ドープインゴットが接触し、かつ前記第２群の複数孔の分布位置が前記第１群の複数孔と同じであってもよい。前記炭化ケイ素材料源が前記第２端に設置される。

本発明が提出する黒鉛るつぼにおいて、前記耐高温耐腐食材料が炭化タンタル（ＴａＣ）または炭化ニオブ（ＮｂＣ）であってもよい。

本発明が提出する黒鉛るつぼにおいて、前記バナジウム化合物が炭化バナジウムまたは五酸化二バナジウムであってもよい。

以上の概説と以下の詳細説明及び図面は、すべて本発明の所期の目的を達成ための形態、手段及び効果をより詳しく説明するものである。本発明のその他の目的及び利点について、以下の説明及び図面において説明する。

本発明の黒鉛るつぼの概略図。 本発明の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置の概略図。 本発明の円筒の概略図。 本発明の平板の概略図。 ４インチ炭化ケイ素ウェハー（ｗａｆｅｒ）の電気特性の測定分析図。

当業者が本明細書の記載内容から本発明の利点及び効果を簡単に理解できるよう、以下は特定の具体的な実例を用いて本発明の実施形態を説明する。

炭化ケイ素の結晶成長には物理的輸送法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ、ＰＶＴ）が用いられ、その成長温度範囲が２０００〜２４００℃であり、圧力が０．１〜５０ｔｏｒｒであり、成長速度が一般的に１００〜２５０μｍ／ｈｒであり、生産材料のコストが高くかつ成長時間が長い。そのため、歩留まりの向上が非常に重要であり、所定の成長期間において、均一な電気特性を有する半絶縁性炭化ケイ素結晶を安定して生産する必要がある。本発明は黒鉛るつぼの内部部材を利用するものであり、この部材がドープ剤の提供を安定化させ、かつ制御する効果を有し、この部材が成長チャンバー内の反応に関与しないが、成長過程においてその効果を維持し、最終的に半絶縁性で電気特性が均一な炭化ケイ素の単結晶が得られる。

炭化タンタルは高い耐摩耗性、高い化学腐食耐性及び耐高温性など優れた物理特性を有するため、本発明では炭化タンタルを前記部材（即ち、均一な炭化ケイ素結晶の製造装置）の材料に使用するが、本発明はこれに限定されない。より好ましくは、前記均一な炭化ケイ素結晶の製造装置の材料は、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、またはその他の真空や不活性ガスにおいて２０００℃以上に耐えられ、かつ侵食耐性を有する材料であってもよい。より優れた電気特性の均一性を得るために、ドープ剤が反応に参加するルートを均一かつ定量化する必要があり、言い換えれば、ドープ剤が提供する断面積と成長チャンバーの拡散率の制御が非常に重要である。本発明は、ドープ剤としてバナジウム化合物と膨張黒鉛粉が混圧されてなるインゴットを使用し、前記バナジウム化合物が炭化バナジウム、五酸化二バナジウムまたはその他のバナジウムを含む化合物の物質であり、前記膨張黒鉛粉をその他の反応に関与せず、電気特性に影響のない物質に替えても良い。

図１ないし図４は，本発明の黒鉛るつぼ及び均一な炭化ケイ素結晶の製造装置の概略図である。従来技術に存在する課題を解決するために、本発明は黒鉛るつぼに装置を加えることを提案した。本発明における炭化ケイ素結晶の成長は物理的輸送法を利用し、まず、炭化ケイ素単結晶である種結晶（４）を用意し、前記種結晶（４）をるつぼ本体（３）の上方に設置し、前記るつぼ本体（３）の内壁が第１端（３１）及び第２端（３２）を含み、つまり、前記種結晶（４）を前記第１端（３１）に設置し、るつぼの下方に炭化ケイ素材料源（８）を充填し、つまり、前記炭化ケイ素材料源（８）を前記第２端（３２）に設置した。断熱材（２）または加熱源（１）を利用して適切な温度勾配を実現すると、前記種結晶（４）が成長し始める。なお、種結晶と炭化ケイ素材料源との間を成長チャンバーと言い、この領域における反応が非常に複雑で過酷であるが、炭化ケイ素材料源が種結晶まで昇華し結晶になるために必ず通る道であるため、ドープ剤をここに設置するのが最適である。

本発明の一形態は、均一な半絶縁性炭化ケイ素結晶を成長させる装置（９）を提供する。図２が示すように、この装置は円筒（５）とその中に配置される平板（６）を含み、前記円筒（５）と前記平板（６）の間にドープインゴット（７）が設置される。前記円筒（５）と前記平板（６）が炭化タンタルによって保護され、即ち、前記円筒（５）と前記平板（６）の表層が炭化タンタルであり、より好ましくは、めっき方法によって前記円筒（５）と前記平板（６）の材料表面を炭化タンタルまたは炭化ニオブに改質してもよいが、前記円筒（５）と前記平板（６）の全体が炭化タンタルまたは炭化ニオブ材質に限定されるものではない。また、図３、図４が示すように、対応する第１群の孔（１１）及び第二群の孔（１０）を有し、前記ドープ剤の添加割合が前記炭化ケイ素材料源（８）の重量の０．０１〜１ｗｔ％である。ドープ剤が少なすぎると、炭化ケイ素単結晶の電気特性が高抵抗値を実現できず、大き過ぎると、バナジウムが析出し、単結晶の品質低下の問題を引き起こす。前記ドープインゴット（７）は、ドープ剤と可塑剤を含み、ドープ剤と可塑剤を混圧したインゴットであり、なお、前記ドープ剤がバナジウム化合物であって、可塑剤が膨張黒鉛粉であってもよい。可塑剤によってドープ剤がインゴット状に固定され、前記円筒（５）と前記平板（６）の間に設置し易くなり、前記炭化ケイ素材料源（８）の表面に落下しない。

本発明の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置において、前記第１群の複数孔及び前記第２群の複数孔の孔直径が１〜１０ｍｍであってもよい。ドープ流量を均一に制御すること及び装置加工の難度の問題を考えて、孔が円形であることが最適であり、かつ孔を適切な大きさにする必要がある。孔が小さ過ぎると、ドープ剤が順調に拡散できない一方、大きすぎると、拡散速度が速くなりすぎて、結晶成長の前半でドープ剤を使い切り、結晶の後半において高抵抗値が得られなくなる。前記第１群の複数孔及び前記第２群の複数孔が均一な分布であっても、または温度場に合わせた部分分布であってもよい。

本発明の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置において、前記平板の厚さが１〜１０ｍｍであってもよい。前記平板の厚さが薄過ぎると、加工が難しくなり、かつ破損し易くなり、厚すぎると、ドープ剤が拡散する際に、孔内の距離が大きくなり、孔詰まりの問題を引き起こす。前記円筒の高さが２０〜２００ｍｍであってもよい。前記円筒の高さを２０〜２００ｍｍに設定することは、主に黒鉛るつぼの寸法による制限であり、黒鉛るつぼの高さの約半分以下とし、一般的な黒鉛るつぼの高さが約３００ｍｍである。円筒の高さをさほど大きくできない理由は、降圧の要素にあり、炭化ケイ素の成長時に低圧状態が必須であり、黒鉛は孔を有するため、るつぼ内の圧力を成長圧力まで下げることができる。円筒が長すぎる場合、炭化タンタルが優れた緻密性を有するため、るつぼ内部の気体を排出することができず、炭化ケイ素の結晶成長を行うことができない。

本発明の一実施例において、タンタル金属を用いて、機械加工によって、高さ５０ｍｍ、内径１００ｍｍ、厚さ２ｍｍの円筒を形成し、かつ、その平面部分に直径１ｍｍの孔を加工し、孔数を１２６個とし、平面上に均一に分布させた。円筒の内径に対し、厚さ２ｍｍ、外径１００ｍｍの平板を加工し、かつ、平板と円筒の平面部分の孔の数及び大きさを同じにした。円筒と平板を黒鉛るつぼの中に入れて、まず、表面のＴａ_２Ｏ_５をＴａＣに変換させ、その中に６ｇの炭化バナジウム（ＶＣ、３Ｎ）と１０ｇの膨張黒鉛粉を入れて混ぜ合わせ、均一にプレスして得られたインゴット（直径が約１００ｍｍ）をドープインゴットとする。なお、ＶＣは炭化バナジウムの化学式であり、３Ｎは純度９９．９％を意味し、均一な半絶縁性炭化ケイ素結晶を成長させるための装置が完成された。炭化ケイ素結晶を成長させる黒鉛るつぼの中に前記装置を設置し、成長温度２２００℃、圧力５ｔｏｒｒ、温度勾配４５℃、成長時間５０時間にして炭化ケイ素結晶の成長工程を行うことで、厚さ７．５ｍｍ、直径４インチの４Ｈ炭化ケイ素単結晶が得られる。

図５は４インチ炭化ケイ素ウェハーの電気特性を測定した分析図である。前記実施例で成長させて得られた炭化ケイ素結晶を，ワイヤカット機を用いてウェハーに切断し、厚さ約７００μｍの４インチの４Ｈ炭化ケイ素ウェハーを得た。ＣＯＲＥＭＡを用いて抵抗を測定するが、試料表面の損傷程度が測定データを直接影響するため、まず、１５μｍ、９μｍ、６μｍ、３μｍと１μｍのダイヤモンド研磨液を順に用いて，銅盤状に炭化ケイ素ウェハーを研磨し、最終的に１μｍのダイヤモンド研磨液を用いて磨きクロス上に艶出しを行うことで、鏡面を有する炭化ケイ素ウェハーが得られる。ＣＯＲＥＭＡを用いて抵抗を測定すると、図５が示すように、ウェハー全体の抵抗率が１０^１０Ω・ｃｍ以上であり、かつ最大値（４．４×１０^１１Ω・ｃｍ）と最小値（４．５×１０^１０Ω・ｃｍ）の差が一桁を超えることなく、非常に優れた抵抗率及び均一性を有する。

本発明は均一な半絶縁性炭化ケイ素結晶を成長させる装置であり、炭化ケイ素単結晶においてドープ元素の濃度を均一に制御することができ、炭化ケイ素種結晶と炭化ケイ素材料源との間に装置を設置するが、成長チャンバー中の清潔度を維持するために、この装置を必ず炭化タンタルで保護し、装置の断面積を種結晶の成長寸法に対応させて、反応時にドープ剤を安定的で均一に提供し、電気特性が均一な炭化ケイ素単結晶が得られる。装置の平行面の効果の他に、縦面にもドープ濃度を制御する作用があり、黒鉛は多孔材料であるため、高密度な黒鉛でも８％〜１２％の空隙率（Ｏｐｅｎ Ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を有し、ドープ剤を炭化ケイ素結晶成長に提供し始めた時、黒鉛の孔によって成長チャンバーから拡散し、ドープ剤の定量が困難になり、ドープ不均一などの問題が起こる。炭化タンタルは黒鉛に比較して、高密度と低空隙率などの物理特徴を有し、ドープ剤が成長チャンバーから拡散することを有効に防止、ドープ剤の定量化の效果が得られる。

以上の実施例は本発明の特徴と効果を例示的に説明するものであり、本発明の実質的な技術内容の範囲を制限するものではない。当業者は本発明の精神と範囲を離脱しないことを前提に、上記実施例に対し修正と変更を行うことが可能であり、本発明の権利保護の範囲は以下の請求の範囲が示す通りである。

１ 加熱源
２ 断熱材
３ るつぼ本体
３１ 第１端
３２ 第２端
４ 種結晶
５ 円筒
６ 平板
７ ドープインゴット
８ 炭化ケイ素材料源
９ 均一な炭化ケイ素結晶の製造装置
１０ 第２群の複数孔
１１ 第１群の複数孔

Claims (10)

1. 均一な炭化ケイ素結晶の製造装置であって、
   表層が耐高温耐腐食材料であり、底部に第１群の複数孔を有する円筒と、
   ドープ剤と可塑剤が混圧されたインゴットであって、前記円筒の内側に設置され、かつ前記第１群の複数孔に接触するドープインゴットと、
   表層が耐高温耐腐食材料であり、前記ドープインゴットの上方に設置され、第２群の複数孔を有する平板とを含み、
   前記第２群の複数孔が前記ドープインゴットに接触し、かつ前記第２群の複数孔の分布位置が前記第１群の複数孔と同じである、均一な炭化ケイ素結晶の製造装置。
2. 前記第１群の複数孔及び前記第２群の複数孔の孔直径が１〜１０ｍｍである、請求項１に記載の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置。
3. 前記平板の厚さが１〜１０ｍｍである、請求項１に記載の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置。
4. 前記ドープ剤がバナジウム化合物であり、前記可塑剤が膨張黒鉛粉である、請求項１に記載の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置。
5. 前記円筒の高さが２０〜２００ｍｍである、請求項１に記載の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置。
6. 前記耐高温耐腐食材料が炭化タンタル（ＴａＣ）または炭化ニオブ（ＮｂＣ）である、請求項１に記載の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置。
7. 前記バナジウム化合物が炭化バナジウムまたは五酸化二バナジウムである、請求項４に記載の均一な炭化ケイ素結晶の製造装置。
8. 黒鉛るつぼであって、
   黒鉛材料のボイラーであり、かつ内壁が第１端と第２端の二つの端を有するるつぼ本体と、
   前記第１端に設置された種結晶と、
   前記るつぼ本体の内壁に設置された均一な炭化ケイ素結晶の製造装置と
   前記第２端に設置された炭化ケイ素材料源とを含み、
   前記均一な炭化ケイ素結晶の製造装置が円筒、ドープインゴット及び平板を含み、
   前記円筒の表層が耐高温耐腐食材料であり、かつ前記円筒の底部が第１群の複数孔を有し、
   前記ドープインゴットはバナジウム化合物と膨張黒鉛粉が混圧されたインゴットであって、前記円筒内に設置され、かつ前記第１群の複数孔に接触し、
   前記平板の表層が耐高温耐腐食材料であり、前記平板が前記ドープインゴットの上方に設置され、
   前記平板が第２群の複数孔を有し、前記第２群の複数孔と前記ドープインゴットが接触し、かつ前記第２群の複数孔の分布位置が前記第１群の複数孔と同じである、黒鉛るつぼ。
9. 前記耐高温耐腐食材料が炭化タンタル（ＴａＣ）または炭化ニオブ（ＮｂＣ）である、請求項８に記載の黒鉛るつぼ。
10. 前記バナジウム化合物が炭化バナジウムまたは五酸化二バナジウムである、請求項８に記載の黒鉛るつぼ。

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