JP2024050122A - 単結晶の育成方法、半導体基板の製造方法、及び半導体基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸素雰囲気下で酸化ガリウム系半導体の単結晶を育成する方法であって、育成した単結晶を用いて製造するデバイスの特性への影響を抑えるために、単結晶中のボイドの状態を制御することのできる単結晶の育成方法、その育成方法により育成された単結晶を用いる半導体基板の製造方法、及びその製造方法により製造された半導体基板を提供する。
【解決手段】一実施の形態として、酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成方法であって、単結晶の原料が溶融した融液から、酸化性雰囲気下で単結晶を成長させる工程を含み、単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値により、単結晶中のボイドの密度と平均長さを制御する、単結晶の育成方法を提供する。
【選択図】図６
【解決手段】一実施の形態として、酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成方法であって、単結晶の原料が溶融した融液から、酸化性雰囲気下で単結晶を成長させる工程を含み、単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値により、単結晶中のボイドの密度と平均長さを制御する、単結晶の育成方法を提供する。
【選択図】図６
Description
本発明は、単結晶の育成方法、半導体基板の製造方法、及び半導体基板に関する。
従来、酸化ガリウム単結晶を垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）により育成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。一般的に、垂直ブリッジマン法や垂直温度勾配凝固（ＶＧＦ）法による酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成は、Ｐｔ系材料からなる坩堝の破損防止などのために、酸化性雰囲気下で実施される。
酸化ガリウム系半導体の融液成長においては、融液がＧａ２ＯガスとＯ２ガスに分解されやすく、それらが育成中の結晶に取り込まれると、ボイドが形成されてしまう。また、融液中と結晶中の酸素の固溶限界の差に起因して固液界面に吐き出される酸素がバブルを形成し、このバブルが成長する結晶に取り込まれてボイドとなる場合もある。育成した酸化ガリウム系半導体の結晶を用いてデバイスを製造する場合、ボイドはデバイス特性に影響を及ぼすおそれがある。
例えば、酸化ガリウム系半導体と同じ高融点酸化物であるサファイアの結晶を育成する場合、還元性ガスを用いることで結晶中のボイドの密度を低減できることが知られている。しかしながら、上述のようにＶＢ法などによる酸化ガリウム系半導体の結晶の育成は酸化性雰囲気下で実施する必要があり、還元性ガスを用いてボイドの密度を低減することはできない。
本発明の目的は、酸素雰囲気下で酸化ガリウム系半導体の単結晶を育成する方法であって、育成した単結晶を用いて製造するデバイスの特性への影響を抑えるために、単結晶中のボイドの状態を制御することのできる単結晶の育成方法、その育成方法により育成された単結晶を用いる半導体基板の製造方法、及びその製造方法により製造された半導体基板を提供することにある。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記の単結晶の育成方法、半導体基板の製造方法、及び半導体基板を提供する。
［１］酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成方法であって、前記単結晶の原料が溶融した融液から、酸化性雰囲気下で前記単結晶を成長させる工程を含み、前記単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値により、前記単結晶中のボイドの密度と平均長さを制御する、単結晶の育成方法。
［２］前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、上記［１］に記載の単結晶の育成方法。
［３］前記Ｓｉ濃度を４．０×１０１８ｃｍ－３未満、前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、上記［１］に記載の単結晶の育成方法。
［４］酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる半導体基板の製造方法であって、前記単結晶の原料が溶融した融液から、酸化性雰囲気下で前記単結晶を成長させる工程と、前記単結晶から前記半導体基板を切り出す工程と、を含み、前記単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値により、前記単結晶中のボイドの密度と平均長さを制御する、半導体基板の製造方法。
［５］前記ボイドが前記半導体基板の両主面の間を貫通することを抑えるために、前記半導体基板の厚さ及び面方位に応じて前記ボイドの平均長さを制御する、上記［４］に記載の半導体基板の製造方法。
［６］前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、上記［４］又は［５］に記載の半導体基板の製造方法。
［７］前記Ｓｉ濃度を４．０×１０１８ｃｍ－３未満、前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、上記［４］又は［５］に記載の半導体基板の製造方法。
［８］酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる半導体基板であって、Ｓｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値が－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内にあり、密度と平均長さがそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内にあるボイドを含む、半導体基板。
［９］両主面の間を前記ボイドが貫通していない、上記［８］に記載の半導体基板。
［１０］前記Ｓｉ濃度が２×１０１７ｃｍ－３より高く、前記Ｓｎ濃度が２×１０１６ｃｍ－３より高い、上記［８］又は［９］に記載の半導体基板。
［２］前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、上記［１］に記載の単結晶の育成方法。
［３］前記Ｓｉ濃度を４．０×１０１８ｃｍ－３未満、前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、上記［１］に記載の単結晶の育成方法。
［４］酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる半導体基板の製造方法であって、前記単結晶の原料が溶融した融液から、酸化性雰囲気下で前記単結晶を成長させる工程と、前記単結晶から前記半導体基板を切り出す工程と、を含み、前記単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値により、前記単結晶中のボイドの密度と平均長さを制御する、半導体基板の製造方法。
［５］前記ボイドが前記半導体基板の両主面の間を貫通することを抑えるために、前記半導体基板の厚さ及び面方位に応じて前記ボイドの平均長さを制御する、上記［４］に記載の半導体基板の製造方法。
［６］前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、上記［４］又は［５］に記載の半導体基板の製造方法。
［７］前記Ｓｉ濃度を４．０×１０１８ｃｍ－３未満、前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、上記［４］又は［５］に記載の半導体基板の製造方法。
［８］酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる半導体基板であって、Ｓｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値が－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内にあり、密度と平均長さがそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内にあるボイドを含む、半導体基板。
［９］両主面の間を前記ボイドが貫通していない、上記［８］に記載の半導体基板。
［１０］前記Ｓｉ濃度が２×１０１７ｃｍ－３より高く、前記Ｓｎ濃度が２×１０１６ｃｍ－３より高い、上記［８］又は［９］に記載の半導体基板。
本発明によれば、酸素雰囲気下で酸化ガリウム系半導体の単結晶を育成する方法であって、育成した単結晶を用いて製造するデバイスの特性への影響を抑えるために、単結晶中のボイドの状態を制御することのできる単結晶の育成方法、その育成方法により育成された単結晶を用いる半導体基板の製造方法、及びその製造方法により製造された半導体基板を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る単結晶の育成方法（以下、本育成方法と呼ぶ）は、酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成方法であって、単結晶の原料が溶融した融液から、酸化性雰囲気下で前記単結晶を成長させる工程を含み、単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値により、単結晶中のボイドの密度と平均長さを制御するものである。ここで、酸化ガリウム系半導体とは、β－Ｇａ２Ｏ３、又は、Ａｌ、Ｉｎなどの置換型不純物やＳｎ、Ｓｉなどのドーパントを含むβ－Ｇａ２Ｏ３を指すものとする。
本育成方法は、垂直ブリッジマン法（ＶＢ法）や垂直温度勾配凝固法（ＶＧＦ法）などの、酸素雰囲気下で酸化ガリウム系半導体の単結晶を育成する方法を用いる。
これらの方法では、還元性雰囲気下では融液がＧａリッチな（Ｇａの比率が高い）状態になるため、ＰｔＲｈ、ＰｔＩｒなどのＰｔ系材料からなる坩堝を用いる場合、坩堝とＧａが合金化して坩堝の融点が低下し、育成中に坩堝が破損して融液が漏れるおそれがある。
本育成方法においては、酸素雰囲気下で単結晶の育成を実施するため、サファイアの単結晶のように育成時に還元性ガスを用いてボイドの密度を低減することはできない。そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値により、単結晶中のボイドの密度と平均長さを制御できることを見出した。本育成方法では、この単結晶中のボイドの密度と長さを制御する技術を利用して、ボイドによる悪影響を抑える。
育成した単結晶から半導体基板を切り出す場合、特に避けるべきは、半導体基板の両主面の間（表面と裏面の間）をボイドが貫通することである。両主面の間を貫通したボイドが存在する部分上には良質なエピタキシャル膜を成膜することができず、ボイドにより局所的に形成されたエピタキシャル膜中の異常領域は、リーク電流の経路となる。一方で、単結晶中のボイドの密度が大きいほど、その単結晶を用いて製造されたデバイスの特性への影響が大きくなるため、単結晶中のボイドの密度は低い方が好ましい。
本育成方法においては、例えば、単結晶のＳｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、単結晶中のボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御することができる。なお、単結晶のＳｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内に収めるためには、例えば、単結晶の原料におけるＳｉとＳｎの仕込み濃度をそれぞれＧａに対して０～０．０３原子％、０～０．１原子％の範囲内で調整する。
ここで、単結晶中のボイドの密度が低くなるとボイドの長さが大きくなり、反対に、単結晶中のボイドの長さが小さくなると密度が高くなる傾向がある。このため、例えば、ボイドが単結晶から切り出す半導体基板の両主面の間を貫通し難いような長さを有する範囲内で、なるべく密度が低くなるように、単結晶中のボイドの密度と長さを制御することができる。
酸化ガリウム系半導体の単結晶中に生じるボイドは、酸化ガリウム系半導体結晶の［０１０］方向に延びる針状のボイドである。このため、［０１０］方向が厚さ方向となる（０１０）面を主面とする半導体基板を単結晶から切り出す場合に、最もボイドが両主面の間を貫通しやすくなる。この場合、例えば、ボイドの平均長さを半導体基板の厚さより小さくなるように制御することにより、ボイドが両主面の間を貫通することを抑制できる。
（０１０）面からの傾きが大きい面を主面とする半導体基板を単結晶から切り出す場合は、ボイドの延びる方向の半導体基板の厚さ方向からの傾きが大きくなるため、ボイドが両主面の間を貫通することを抑制するためのボイドの長さを大きく設定することができる。
このように、本育成方法においては、半導体基板に含まれるボイドが半導体基板の両主面の間を貫通することを抑えるために、単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値を調整して、半導体基板の厚さ及び面方位に応じて単結晶中のボイドの平均長さを制御することができる。
以下に、一例として、ＶＢ法による単結晶の育成方法について説明する。
（単結晶育成装置）
図１は、ＶＢ法において用いられる単結晶育成装置１の構成を概略的に示す垂直断面図である。単結晶育成装置１は、坩堝１０と、坩堝１０を下方から支持する上下方向に移動可能なサセプター１１と、坩堝１０、サセプター１１、及び坩堝支持軸１２を囲む管状の炉心管１４と、炉心管１４の外側に設置されたヒーター１３と、これらの単結晶育成装置１の構成部材を収容する、断熱材からなる筐体１５を備える。
図１は、ＶＢ法において用いられる単結晶育成装置１の構成を概略的に示す垂直断面図である。単結晶育成装置１は、坩堝１０と、坩堝１０を下方から支持する上下方向に移動可能なサセプター１１と、坩堝１０、サセプター１１、及び坩堝支持軸１２を囲む管状の炉心管１４と、炉心管１４の外側に設置されたヒーター１３と、これらの単結晶育成装置１の構成部材を収容する、断熱材からなる筐体１５を備える。
坩堝１０は、種子結晶２０を収容する種子結晶部１０１と、種子結晶部１０１の上側に位置する、収容した原料融液２１を結晶化させて酸化ガリウム系半導体の単結晶２２を成長させる成長結晶部１０２とを有する。
成長結晶部１０２は、典型的には、図１に示されるように、種子結晶部１０１の内径よりも大きい一定の内径を有する定径部と、定径部と種子結晶部１０１の間に位置し、種子結晶部１０１側から定径部側に向かって内径が増加する増径部とを備える。
坩堝１０は、育成する単結晶２２の形状や大きさに応じた形状や大きさを有する。例えば、定径部が直径２インチの円柱状である単結晶２２を育成する場合は、成長結晶部１０２が内径２インチの円柱状の定径部を有する坩堝１０を用いる。また、定径部が円柱状以外の形状、例えば四角柱状、六角柱状の単結晶２２を育成する場合は、成長結晶部１０２が四角柱状、六角柱状の定径部を有する坩堝１０を用いる。なお、坩堝１０の開口部を覆う蓋を用いてもよい。
坩堝１０は、原料融液２１である酸化ガリウム系半導体の融液の温度（酸化ガリウム系半導体の融点以上の温度）に耐えられる耐熱性を有し、かつ酸化ガリウム系半導体の融液と反応し難い材料、例えば、ＰｔＲｈ合金からなる。
サセプター１１は、坩堝１０の種子結晶部１０１の周囲を囲み、かつ坩堝１０を下方から支持する管状の部材である。サセプター１１は、酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成温度に耐えることができる耐熱性を有し、かつ、その育成温度下で坩堝１０と反応しない材料、例えば、ジルコニアやアルミナからなる。
サセプター１１の下側には坩堝支持軸１２が接続されており、坩堝支持軸１２を図示されない駆動機構により上下方向に移動させることにより、サセプター１１及びサセプター１１に支持された坩堝１０を上下方向に移動させることができる。また、坩堝支持軸１２は、上記駆動機構により、鉛直方向を軸とした回転が可能であってもよい。この場合、サセプター１１に支持された坩堝１０を炉心管１４の内側で回転させることができる。
坩堝支持軸１２は、典型的には、サセプター１１と同様に、管状の部材である。この場合、サセプター１１及び坩堝支持軸１２の内側に、坩堝１０の温度を測定するための熱電対を通すことができる。坩堝支持軸１２は、酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成温度に耐えることのできる耐熱性を有する材料、例えば、ジルコニアやアルミナからなる。
ヒーター１３は、坩堝１０の成長結晶部１０２内に収容された酸化ガリウム系半導体の原料を溶融させて原料融液２１を得るためのヒーターである。ヒーター１３は、筐体１５に設けられた孔から筐体１５内に挿入され、筐体１５の外部において、ヒーター１３に電流を供給するための図示されない外部機器に接続される。ヒーター１３は、典型的には、ＭｏＳｉ２からなる抵抗発熱体であるＭｏＳｉ２ヒーターである。ＭｏＳｉ２ヒーターは、酸化耐性や耐熱性に優れ、酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成に必要なおよそ１８００℃の高温の酸化性雰囲気下も使用することができる。
炉心管１４は、坩堝１０周辺の熱の流れの調整や、ヒーター１３からのＳｉ、Ｍｏなどの不純物の混入の抑制のために用いられる。炉心管１４は、典型的には円管状である。また、図１に示されるように、炉心管１４の上側の開口部に蓋１７が設置されていてもよい。蓋１７を用いることにより、坩堝１０周辺の熱が上方へ逃げることを抑制できる。炉心管１４と蓋１７は、酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成温度に耐えることのできる耐熱性を有する材料、例えば、ジルコニアやアルミナからなる。
（単結晶の育成工程）
まず、坩堝１０の種子結晶部１０１内に酸化ガリウム系半導体の種子結晶２０を収容し、成長結晶部１０２内に酸化ガリウム系半導体の単結晶の原料を収容する。ここで、例えば、単結晶の原料におけるＳｉとＳｎの仕込み濃度をそれぞれＧａに対して０～０．０３原子％、０～０．１原子％の範囲内で調整する。単結晶の原料としては、例えば、Ｓｉ原料としてのＳｉＯ２粉末又はＳｉＣ粉末やＳｎ原料としてのＳｎＯ２粉末をＧａ２Ｏ３粉末に混ぜて加熱した、ＳｉやＳｎが添加されたＧａ２Ｏ３の焼結体を用いることができる。また、Ｇａ２Ｏ３の焼結体、ＳｉＯ２又はＳｉＣの焼結体、及びＳｎＯ２の焼結体を単結晶の原料として用いてもよい。
まず、坩堝１０の種子結晶部１０１内に酸化ガリウム系半導体の種子結晶２０を収容し、成長結晶部１０２内に酸化ガリウム系半導体の単結晶の原料を収容する。ここで、例えば、単結晶の原料におけるＳｉとＳｎの仕込み濃度をそれぞれＧａに対して０～０．０３原子％、０～０．１原子％の範囲内で調整する。単結晶の原料としては、例えば、Ｓｉ原料としてのＳｉＯ２粉末又はＳｉＣ粉末やＳｎ原料としてのＳｎＯ２粉末をＧａ２Ｏ３粉末に混ぜて加熱した、ＳｉやＳｎが添加されたＧａ２Ｏ３の焼結体を用いることができる。また、Ｇａ２Ｏ３の焼結体、ＳｉＯ２又はＳｉＣの焼結体、及びＳｎＯ２の焼結体を単結晶の原料として用いてもよい。
次に、ヒーター１３により単結晶育成装置１の内部（筐体１５の内側）を加熱し、上側の温度が高く、下側の温度が低くなるような温度勾配を形成し、坩堝１０内の単結晶の原料を融解させて原料融液２１を得る。
典型的な方法では、まず、坩堝支持軸１２を上下移動させて、坩堝１０の高さを調節し、成長結晶部１０２内の上側の領域の温度が酸化ガリウムの融点以上になるようにする。これによって、成長結晶部１０２内の原料の上側の一部が融解する。次に、坩堝支持軸１２を所定の速さで上方に移動させて、坩堝１０を所定の速さで上昇させながら、原料を下側まで融解させ、最終的に原料の全体と種子結晶の一部を融解させる。
次に、坩堝支持軸１２を下方に移動させて、坩堝１０を所定の速さで下降させながら、原料融液２１を下側（種子結晶２０側）から結晶化させ、単結晶２２を育成する。上記の単結晶育成は、酸化性雰囲気下で行われる。原料融液２１の全体が結晶化した後、坩堝１０から単結晶２２を取り出す。
その後、得られた単結晶２２を、マルチワイヤーソーなどを用いて所望の方向に所望の間隔でスライスし、表面を研磨することにより、所望の面方位を主面とする所望の厚さの半導体基板が得られる。
（評価結果）
以下、ＶＢ法を用いた本育成方法により得られたβ－Ｇａ２Ｏ３単結晶から切り出された半導体基板（以下、単に半導体基板と呼ぶ）に対して行われた各種評価の結果を示す。
以下、ＶＢ法を用いた本育成方法により得られたβ－Ｇａ２Ｏ３単結晶から切り出された半導体基板（以下、単に半導体基板と呼ぶ）に対して行われた各種評価の結果を示す。
次の表１に、本評価のために製造した５種の半導体基板に含まれるＳｉ、Ｓｎの濃度と、半導体基板を切り出した単結晶の原料におけるＳｉとＳｎの仕込み濃度を示す。表１の「Ｓｉ仕込濃度」と「Ｓｎ仕込濃度」はそれぞれ単結晶の原料におけるＳｉの仕込み濃度とＳｎの仕込み濃度である。「Ｓｉ－Ｓｎ濃度」は、Ｓｉ濃度からＳｎ濃度を引いたものを意味する。また、「ＵＩＤ：Ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌ Ｄｏｐｅｄ」は、ドーパントが意図的に添加されていないことを意味する。
本評価では、表１に示されるように、意図的に添加されていないＳｉ、Ｓｎの濃度は、不可避的に半導体基板に混入するＳｉ、Ｓｎの濃度としてそれぞれ、２×１０１７ｃｍ－３と２×１０１6ｃｍ－３以下であった。
なお、表１によれば、Ｓｉ濃度が２×１０１８ｃｍ－３の試料とＳｉ濃度が３×１０１８ｃｍ－３の試料のＳｉ仕込み濃度が同じ０．０３ａｔ％であるが、これは、これら２つの試料が同じ単結晶の異なるＳｉ濃度を有する領域から切り出されたことによる。
図２は、本実施の形態に係る（０１０）面を主面とする半導体基板の断面の光学顕微鏡による観察画像である。図２に示される断面は、（１００）面であり、図２の画像の上下方向がβ－Ｇａ２Ｏ３単結晶の［０１０］方向である。図２によれば、［０１０］方向に延びる複数の針状のボイドが半導体基板に含まれていることがわかる。
図３は、本実施の形態に係る４種の半導体基板の断面の光学顕微鏡による観察画像である。左上の観察画像は、図２に示されるものと同じであり、ドーパントが意図的に添加されていない、（０１０）面を主面とする半導体基板の（１００）断面の観察画像である。右上の観察画像は、濃度３×１０１８ｃｍ－３のＳｉを含む（０１０）面を主面とする半導体基板の（１００）断面の観察画像である。左下の観察画像は、濃度３×１０１８ｃｍ－３のＳｎを含む（０１１）面を主面とする半導体基板の（１００）断面の観察画像である。右下の観察画像は、濃度８×１０１７ｃｍ－３のＳｉと濃度３×１０１８ｃｍ－３のＳｎを含む（０１１）面を主面とする半導体基板の（１００）断面の観察画像である。
図３から、半導体基板に含まれるドーパントの種類、すなわちＳｉ、Ｓｎ、又はＳｉとＳｎの両方、によって半導体基板中のボイドの密度とサイズが異なることがわかる。
図４は、ドーパントであるＳｉ、Ｓｎの濃度と半導体基板中のボイドの密度との関係を示すグラフである。図４の横軸「Ｓｉ－Ｓｎ濃度」は、Ｓｉ濃度からＳｎ濃度を引いたものを意味している。半導体基板中のボイドの密度は、（１００）断面の所定の領域内のボイドの個数を計測して算出した。所定の領域の面積は、下記の表２において「観察面積」として示す。
図４は、少なくともＳｉ－Ｓｎ濃度が－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内において、Ｓｎ濃度に対するＳｉ濃度が高くなるとボイドの密度が小さくなり、Ｓｉ濃度に対するＳｎ濃度が高くなるとボイドの密度が大きくなることを示している。
図５は、ドーパントであるＳｉ、Ｓｎの濃度と半導体基板中のボイドの平均長さとの関係を示すグラフである。図５の横軸「Ｓｉ－Ｓｎ濃度」は、Ｓｉ濃度からＳｎ濃度を引いたものを意味している。半導体基板中のボイドの平均長さは、（１００）断面の所定の領域内のボイドの長さを計測して平均値をとることにより得た。
図５は、少なくともＳｉ－Ｓｎ濃度が－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内において、Ｓｎ濃度に対するＳｉ濃度が高くなるとボイドの平均長さが大きくなり、Ｓｉ濃度に対するＳｎ濃度が高くなるとボイドの平均長さが小さくなることを示している。
次の表２に、評価した半導体基板の「Ｓｉ－Ｓｎ濃度」、それに対応するボイドの密度及び平均長さ、並びにボイドの密度及び平均長さの算出に用いた半導体基板の断面の観察面積と観察されたボイドの個数を示す。
図４、図５に示される結果は、Ｓｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値の大きさにより、単結晶及びそこから切り出される半導体基板に含まれるボイドの密度と平均長さを制御できることを示している。一方で、単結晶及び半導体基板のドナー濃度は、Ｓｉ濃度とＳｎ濃度の合計値に依存する。このため、ＳｉとＳｎの両方を意図的に添加することにより、所望のドナー濃度を得つつ、ボイドの密度と平均長さを制御することができる。なお、ＳｉとＳｎを意図的に添加した場合、ＳｉとＳｎのそれぞれの濃度は、意図せずに混入する濃度よりも高い濃度、例えば、Ｓｉ濃度は２×１０１７ｃｍ－３、Ｓｎ濃度は２×１０１６ｃｍ－３より高くなる。単結晶及び半導体基板のドナー濃度は、具体的には、Ｓｉ濃度とＳｎ濃度の合計値からドナーを補償するＦｅの濃度を引いた値になる。このＦｅは坩堝１０から単結晶中に混入するものであり、単結晶及び半導体基板中におよそ１×１０１７ｃｍ－３以下の濃度で存在する。
図６は、半導体基板中のボイドの密度と平均長さとの関係を示すグラフである。図６は、少なくともボイド密度が５６～５７０００ｃｍ－２、ボイド平均長さが１４～８５μｍの範囲内において、ボイドの密度が小さくなるとボイドの平均長さが大きくなり、反対に、ボイドの平均長さが小さくなるとボイドの密度が大きくなることを示している。
上記の評価結果によれば、少なくとも、Ｓｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値が－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内にあり、密度と平均長さがそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内にあるボイドを含む、半導体基板を製造できることがわかる。また、半導体基板の厚さ及び面方位に応じて単結晶中のボイドの平均長さを制御することにより、両主面の間をボイドが貫通していない半導体基板を得ることもできる。
なお、Ｓｉ濃度が４．０×１０１８ｃｍ－３以上になると、複数のボイドが密集したものと考えられる巨大なボイドが単結晶中に発生する傾向があることが確認されている。このため、Ｓｉ濃度が４．０×１０１８ｃｍ－３以上になると、上述のＳｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値とボイド密度の関係、及びＳｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値とボイドの平均長さの関係が成立しなくなる場合がある。一方で、Ｓｉ濃度が表１に示される範囲内（３．０×１０１８ｃｍ－３以下）であれば、巨大なボイドが単結晶中に発生することはなく、上述のＳｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値とボイド密度の関係、及びＳｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値とボイドの平均長さの関係は確実に成立する。したがって、Ｓｉ濃度は４．０×１０１８ｃｍ－３より小さいことが好ましく、３．０×１０１８ｃｍ－３以下であることがより好ましい。
なお、上記の評価は、いずれも酸化ガリウム系半導体の典型例であるβ－Ｇａ２Ｏ３の単結晶から切り出された半導体基板に対して実施されたものであるが、他の酸化ガリウム系半導体の単結晶から切り出された半導体基板を評価する場合でも、同様の結果が得られる。また、ＶＧＦ法などの、ＶＢ法以外の酸素雰囲気下で単結晶を育成する方法で育成した単結晶から切り出された半導体基板を評価する場合でも、同様の結果が得られる。
（実施の形態の効果）
上記本発明の実施の形態によれば、還元性ガスによりボイド密度を低減することができない、酸素雰囲気下で単結晶を育成する方法において、育成する酸化ガリウム系半導体の単結晶に含まれるボイドの密度と長さを制御し、その単結晶から切り出される半導体基板などを用いて製造されるデバイスの特性にボイドが及ぼす影響を抑えることができる。
上記本発明の実施の形態によれば、還元性ガスによりボイド密度を低減することができない、酸素雰囲気下で単結晶を育成する方法において、育成する酸化ガリウム系半導体の単結晶に含まれるボイドの密度と長さを制御し、その単結晶から切り出される半導体基板などを用いて製造されるデバイスの特性にボイドが及ぼす影響を抑えることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
１…単結晶育成装置、 １０…坩堝、 １０１…種子結晶部、 １０２…成長結晶部、 １１…サセプター、 １３…ヒーター、 ２０…種子結晶、 ２１…原料融液、 ２２…単結晶
Claims (10)
- 酸化ガリウム系半導体の単結晶の育成方法であって、
前記単結晶の原料が溶融した融液から、酸化性雰囲気下で前記単結晶を成長させる工程を含み、
前記単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値により、前記単結晶中のボイドの密度と平均長さを制御する、
単結晶の育成方法。 - 前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、
請求項１に記載の単結晶の育成方法。 - 前記Ｓｉ濃度を４．０×１０１８ｃｍ－３未満、前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、
請求項１に記載の単結晶の育成方法。 - 酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる半導体基板の製造方法であって、
前記単結晶の原料が溶融した融液から、酸化性雰囲気下で前記単結晶を成長させる工程と、
前記単結晶から前記半導体基板を切り出す工程と、
を含み、
前記単結晶のＳｉ濃度とＳｎ濃度の相対値により、前記単結晶中のボイドの密度と平均長さを制御する、
半導体基板の製造方法。 - 前記ボイドが前記半導体基板の両主面の間を貫通することを抑えるために、前記半導体基板の厚さ及び面方位に応じて前記ボイドの平均長さを制御する、
請求項４に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、
請求項４又は５に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記Ｓｉ濃度を４．０×１０１８ｃｍ－３未満、前記Ｓｉ濃度から前記Ｓｎ濃度を引いた値を－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内で調整することにより、前記ボイドの密度と平均長さをそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内で制御する、
請求項４又は５に記載の半導体基板の製造方法。 - 酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる半導体基板であって、
Ｓｉ濃度からＳｎ濃度を引いた値が－２．８×１０１８～３．０×１０１８ｃｍ－３の範囲内にあり、
密度と平均長さがそれぞれ５６～５７０００ｃｍ－２、１４～８５μｍの範囲内にあるボイドを含む、
半導体基板。 - 両主面の間を前記ボイドが貫通していない、
請求項８に記載の半導体基板。 - 前記Ｓｉ濃度が２×１０１７ｃｍ－３より高く、前記Ｓｎ濃度が２×１０１６ｃｍ－３より高い、
請求項８又は９に記載の半導体基板。
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