JP3717562B2

JP3717562B2 - 単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP3717562B2
Application number: JP26772295A
Authority: JP
Inventors: 尚宏杉山; 篤人岡本; 俊彦谷; 泰男木藤
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2015-09-21
Also published as: JPH0987086A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳｉＣ等の単結晶を、種結晶上に成長させて製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣ単結晶は半導体デバイスの基板用として有用であり、一般に、黒鉛るつぼ内に配したＳｉＣの原料粉末を加熱昇華させる方法（昇華法）により生成した昇華ガス、あるいは上記昇華法以外の方法により調製した単結晶となる原料のガスを種結晶に供給し、該結晶上に単結晶を成長させる方法により製造されている。
【０００３】
この方法によってＳｉＣバルク単結晶を成長させる場合、（０００１）面から６０°〜１２０°傾いた面、代表的には図５のように（０００１）面から９０°傾いた面を単結晶成長面１１となしたＳｉＣ単結晶を種結晶１として用いることにより、品質の良好な単結晶が得られることが知られている（特開平５−２６２５９９号公報）。このようにすると、図５において種結晶１のｃ軸方向における幅より外側に成長する部分（図に斜線で示すＡ部、Ｂ部）では、種結晶１中に存在する欠陥、例えば積層欠陥を引き継がずに成長するので、このＡ部およびＢ部において、欠陥の少ない結晶を得ることができる。また、単結晶２の成長方向がｃ軸に垂直であるため、マイクロパイプ欠陥を発生させるスパイラル成長が起こりにくい利点を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５においてＳｉＣのｃ面（ｃ軸に垂直な面）は、Ｓｉで終端している面（Ｓｉ面）と、Ｃで終端している面（Ｃ面）とがある。これら２つの面は異なる性質を有しているため、それぞれの面に成長する結晶は多形や不純物の取り込み方が異なる。つまり、上記Ａ部とＢ部は同一特性の結晶とはならず、有効な結晶は一方に限られるため、所望の結晶を大きな体積で得ることができない不具合があった。
【０００５】
しかして、本発明の目的は、高品質な単結晶を効率よく製造することのできる方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、製造しようとする単結晶の原料のガスを種結晶に供給し、上記種結晶上に単結晶を成長させる方法において、図１のように、上記種結晶１として、結晶のｃ軸と単結晶成長面１１となる露出端面の法線ベクトル３とのなす角度θが２０°≦θ≦５５°の範囲にある結晶を用いることを特徴とする（請求項１）。２０°＞θでは、スパイラル成長が起きやすいｃ面成長に近い成長様式となり、このため、スパイラル成長に起因するマイクロパイプが発生しやすい。５５°＜θでは、高品質の結晶が得られる斜線部の体積が小さくなり、効率的ではない。
【０００７】
好ましくは、結晶のｃ軸と、単結晶成長面１１となる露出端面の法線ベクトル３とのなす角度θを４０°≦θ≦５０°の範囲とするのがよく（請求項２）、マイクロパイプの発生が抑制され、高品質で、かつ大きな体積の結晶が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づきＳｉＣ単結晶を成長させる場合について詳細に説明する。なお、本発明方法により製造される単結晶はＳｉＣに限らず、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ等、気相成長によってバルク単結晶が得られるもののいずれにも適用することができる。また、種結晶に供給する原料のガスは、以下で示す単結晶となる原料を加熱昇華させる方法（昇華法）により生成した昇華ガスに限らず、昇華法以外の方法で調製した単結晶となる原料のガスでもよい。
【０００９】
図１には種結晶１とその上に成長する単結晶２の概略図を示す。上記種結晶１はウェハ状で、その上端面を、その上に単結晶２が成長する単結晶成長面１１となしている。また、該成長面１１の法線ベクトル３（上記成長面１１に垂直な方向のベクトル）と、種結晶１を構成する結晶のｃ軸とのなす角度θが２０°≦θ≦５５°の範囲となるようにしてある。ここで、図２に示すように、ＳｉＣ単結晶Ｓは主として６方晶形であり、６角柱の正６角形の端面Ｓ１を（０００１）面とした時、該端面Ｓ１に垂直な方向がｃ軸となる。よって、上記角度θが上記範囲となるように、ＳｉＣ単結晶Ｓより種結晶１を切り出し、所定形状に加工すればよい。
【００１０】
図３（ａ）は、このような種結晶１を用いてＳｉＣ単結晶を製造する際に使用する装置の概略図である。図において、黒鉛製のるつぼ４は、上端開口の容器体４１と蓋体４２とからなり、上記容器体４１の底部には、ＳｉＣの原料粉末５となるＳｉＣ粉末が収容されている。原料粉末５と対向する上記蓋体４２の下面には、種結晶１が貼付けてあり、種結晶１は、成長面１１（図では下端面）の法線ベクトル３と結晶のｃ軸とのなす角度θが上述した範囲となるようにしてある。
【００１１】
上記装置を用いて単結晶を成長させる場合には、図略の加熱装置で上記るつぼ４を、上記原料粉末５が２２００〜２５００℃となるように加熱し、ＳｉＣの昇華ガスＧを発生させる（図３（ｂ））。すると、ＳｉＣは、Ｓｉ、ＳｉＣ₂、Ｓｉ₂Ｃ等のガス種となって種結晶１側へ拡散する。この時、上記種結晶１を原料粉末５より低い温度（２１００〜２４００℃）に設定すると、これらのガスは過飽和となり、種結晶１上にＳｉＣとして堆積する。このようにして、順次、ＳｉＣが堆積し、単結晶２の成長が進行する。
【００１２】
ここで、堆積速度が大きすぎると、得られる単結晶２の結晶性が悪くなるため、堆積速度は、通常、０．５〜２．０ｍｍ／時間とするのがよい。また、雰囲気は、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気とし、圧力は０．１〜数Ｔｏｒｒ程度とするのがよい。
【００１３】
また、るつぼ４は、種結晶１が周囲よりも局所的に低温に保持されるような構造とすると堆積効率がよい。具体的には、上記種結晶１と上記原料粉末５の間に熱遮蔽部材を設け、上記種結晶１の周囲を取り囲んで上記原料粉末５の輻射熱から上記種結晶１を遮蔽するようにするとよい。この時、熱遮蔽部材には通孔を設けて原料の昇華ガスＧが上記種結晶１に到達できるようにし、また熱遮蔽部材内部に単結晶が十分成長できる空間を形成する。
【００１４】
これにより種結晶１の温度上昇が防止され、原料粉末５の熱を受ける熱遮蔽部材との温度差が大きくなって、単結晶を効率よく成長させることができる。また、種結晶１を冷却する手段を設ければ、種結晶１の温度上昇が抑制され、熱遮蔽部材との温度差がより大きくなるので、単結晶の成長効率がさらに向上する。
【００１５】
なお、るつぼ４は、図４のように、単結晶の成長方向がｃ軸と一致するように、種結晶１を支持する蓋体４２の下面を傾斜させた構造としてもよい。この時も、成長面１１の法線ベクトル３とｃ軸のなす角度θが上記範囲となるようにすることはもちろんである。このようにすることで、種結晶の欠陥を引き継がない領域を大きくでき、また基板としてｃ軸と垂直に切り出す際に効率的である。
【００１６】
【実施例】
次に、上記図３の装置を用い、上記種結晶１の成長面１１の法線ベクトル３と種結晶１のｃ軸とのなす角度θを種々に変化させてＳｉＣ単結晶２の成長実験を行った。
【００１７】
（比較例１）θ＝０°の場合（Ｓｉ面）
るつぼ４の容器体４１の底部に、原料粉末５として成長に十分な量のＳｉＣ粉末を入れ、蓋体４２下面に、種結晶１を貼り付けた。この時、上記種結晶１の成長面１１の法線ベクトル３と種結晶１のｃ軸とのなす角度θが、θ＝０°となるようにした。
【００１８】
このるつぼ４内を、図略の真空排気系にて排気してアルゴンガス雰囲気に置換した。その後、図略の加熱装置内にて原料粉末５を２３００℃、種結晶１を２２３０℃に加熱し、温度が安定した後、雰囲気圧を５００Ｔｏｒｒから１Ｔｏｒｒに減圧した。雰囲気圧を１Ｔｏｒｒに保持し、上記原料粉末５を昇華させて、種結晶１上に単結晶２の成長を開始した。所定時間経過後、加熱を停止し、アルゴンガスを導入することによって雰囲気圧を上げ、単結晶成長を終了した。
【００１９】
上記の成長条件で成長を行った時、単結晶２の成長速度：約０．５ｍｍ／時間でＳｉＣインゴットが得られた。このインゴットからＳｉ面に切り出したウェハについて、溶融ＫＯＨで５００℃、１０分間のエッチングを行った結果、マイクロパイプに相当するエッチピットが１０²〜１０³／ｃｍ²存在した。
【００２０】
（実施例１）θ＝４５°の場合（Ｓｉ面に近い方）
次に、種結晶１の成長面１１の法線ベクトル３と種結晶のｃ軸とのなす角度θを４５°とし（図１参照）、他の条件は上記比較例１と同様にしてＳｉＣ単結晶２の成長実験を行った。これにより、図１のようにＢ部の体積の大きいＳｉＣインゴットが、約０．５ｍｍ／時間の成長速度で得られた。なお、種結晶１として６Ｈ結晶を用いた場合、得られるインゴットは全て６Ｈ結晶であった。
【００２１】
このインゴットから、ｃ軸に対し４°オフした面のウェハを作製し、溶融ＫＯＨで５００℃、１０分間のエッチングを行った。その結果、マイクロパイプに相当するエッチピットは見られなかった。また、すべり転位に相当するエッチピット（積層欠陥）は、図１のＣ部では１０⁴／ｃｍ²程度であったが、Ｂ部では１０³／ｃｍ²と高品質であり、欠陥が少なく体積の大きい単結晶を得ることができた。
【００２２】
（比較例２）θ＝９０°の場合
次に、種結晶１の成長面１１の法線ベクトル３と種結晶のｃ軸とのなす角度θを９０°とし（図５参照）、他の条件は上記比較例１と同様にしてＳｉＣ単結晶２の成長実験を行ったところ、約０．５ｍｍ／時間の成長速度でＳｉＣインゴットが得られた。得られた結晶は、図５のＢ部では６Ｈ結晶が成長したが、Ａ部では４Ｈ結晶が成長した。
【００２３】
このインゴットから、ｃ軸に対し４°オフした面のウェハを作製し、溶融ＫＯＨで５００℃、１０分間のエッチングを行った結果、マイクロパイプに相当するエッチピットは観察されなかった。また、すべり転位に相当するエッチピット（積層欠陥）も、θ＝４５°とした上記実施例１と同程度であったが、高い品質を示した結晶の体積が小さく、図のＢ部の体積は、実施例１のＢ部の体積の１／５程度であった。
【００２４】
以上の結果より、角度θが本発明で規定する範囲より小さいと品質が不十分であり、角度θが大きいと品質は良好であるが、有効体積が小さくなる。これに対し、角度θを本発明範囲とすることで、高品質かつ有効体積の大きい結晶が得られることがわかる。
【００２５】
なお、上記実施例では種結晶として６Ｈ結晶を用い、Ｓｉ面に近い面を成長面として用いたが、成長条件を変えることで、Ｃ面に近い側で６Ｈ結晶を成長させることもできる。また、今回、結晶多形として６Ｈ結晶の成長について説明したが、これに限らず、他の多形、例えば４Ｈ結晶の成長に適用してももちろんよい。
【００２６】
また、上記種結晶１としては、アチソン法による単結晶、またはそれから成長させた昇華法単結晶のいずれを用いてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の単結晶の製造方法によれば、マイクロパイプ欠陥や積層欠陥等の欠陥が少ない、良好な品質を有する単結晶を大きな体積で得ることができる。よって、このような単結晶より得られる結晶基板は、欠陥の少ない高品質なものであり、高性能な半導体デバイスを実現することが可能となる。また、大口径ウェハの作製が可能であるので、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法により種結晶上に成長する単結晶の全体斜視図である。
【図２】ＳｉＣ結晶の構造を示す全体斜視図である。
【図３】本発明方法に用いられる単結晶成長装置の全体断面図である。
【図４】単結晶成長装置の他の例を示す全体斜視図である。
【図５】従来の方法により成長する単結晶の全体斜視図である。
【符号の説明】
１種結晶
１１成長面
２単結晶
３法線ベクトル
４るつぼ
４１容器体
４２蓋体
５原料粉末（原料）
Ｇ昇華ガス

Claims

製造しようとする単結晶の原料のガスを種結晶に供給し、種結晶上に単結晶を成長させる単結晶の製造方法において、上記種結晶として、結晶のｃ軸と単結晶成長面となる露出端面の法線ベクトルとのなす角度θが、２０°≦θ≦５５°の範囲にある結晶を用いることを特徴とする単結晶の製造方法。
上記角度θが４０°≦θ≦５０°の範囲にある請求項１記載の単結晶の製造方法。