JP4073652B2 - 炭化珪素単結晶およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐圧大電力用半導体素子等の材料として使用されるSiC単結晶を、種結晶上に成長させる炭化珪素単結晶の製造方法に関し、特に高品質のSiC単結晶を成長させるための種結晶の改良に関わる。
【0002】
【従来の技術】
SiCは、熱伝導度が高く、一般的に熱的或いは化学的に安定であり、かつエネルギーバンドギャップが広い特徴を持つ材料であるため、高温下でも使用可能な耐環境素子材料、耐放射線素子材料、電力制御用パワー素子材料、短波長発光素子材料等に利用できる。
【0003】
従来よりSiC単結晶を製造する方法として、SiC粉を原料とした高温を要する昇華法が用いられていた(特表平3−501118号公報)。昇華法では、SiC原料粉末とSiC単結晶からなる種結晶とを対向させて黒鉛製るつぼ内に配置し、不活性ガス雰囲気中で1800〜2400℃に加熱する。加熱によりSiC原料粉末が分解、昇華して発生した昇華化学種(ガス)は、成長温度域に保持された種結晶表面に到達し、種結晶表面上にSiC単結晶がエピタキシャル成長する。
【0004】
ここで、SiC単結晶の口径を拡大する場合には、昇華法で成長した単結晶を再度種結晶として利用する操作を繰り返し、徐々に口径を大きくしていく必要がある。この成長を繰り返すことにより現在では、直径が3インチ程度までのウエーハが工業的に製造されている。
【0005】
しかしながら、従来の昇華法で成長したSiC単結晶では,種結晶の表面状態や成長条件により、マイクロパイプや螺旋転位等といった結晶欠陥が種数多く発生していた。また、これら欠陥を含んだ結晶を再度種結晶として使用した場合、新たに成長する結晶にも、種結晶の欠陥がそのまま引き継がれていく。このため、現状のSiC単結晶基板には数多くの欠陥が存在しており、SiC単結晶基板を用いた電気的素子の性能を低下させていた。
【0006】
一般にシリコン(Si)単結晶を引き上げ法により製造する場合は、ネッキングと言う種結晶を一度細くし欠陥を減少させてから口径を拡大する方法で、種結晶に内在する欠陥を排除し大口径基板を得る方法が採られている。SiC単結晶の場合も、特開平5−319998号公報において、口径を一度細く絞ってから結晶を成長させ、結晶内の欠陥を減らす提案がなされている。しかし、SiC単結晶の場合、Si単結晶ほど成長に伴い径方向に拡大しないため、一度結晶の口径を細く絞るこの方法では大口径基板が得られ難い。また、絞り込んだ後の結晶の口径拡大部分には新たな欠陥が発生しやすい傾向にある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、欠陥を有する大口径SiC単結晶を種結晶として用いて、該種結晶表面にSiC単結晶の成長を行うSiC単結晶の製造方法において、種結晶の欠陥を成長させるSiC単結晶に引き継がせることなく結晶成長を行い、高品質で大口径のSiC単結晶を得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
(1)炭化珪素単結晶からなる種結晶の表面に原料を供給し、該表面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において、表面を蒸着物で被覆した種結晶を使用することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
(2)前記蒸着物が金属、酸化物、炭化物、窒化物のうちの少なくとも1種からなることを特徴とする上記(1)に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
(3)前記蒸着物の厚さが、1Å以上500Å以下であることを特徴とする上記(1)または(2)に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
である。
【0009】
また本発明は、
(4)表面を蒸着物で被覆した炭化珪素単結晶からなる種結晶を使用し、該表面に原料を供給して成長させた炭化珪素単結晶。
(5)前記蒸着物が金属、酸化物、炭化物、窒化物のうちの少なくとも1種からなることを特徴とする上記(4)に記載の炭化珪素単結晶。
(6)前記蒸着物の厚さが、1Å以上500Å以下であることを特徴とする上記(4)または(5)に記載の炭化珪素単結晶。
である。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の実施においては、SiC単結晶の成長を行うにあたり、まずSiC単結晶からなる種結晶の表面を清浄化する。例えば、まず硫酸と過酸化水素の混合溶液で110℃で10分洗浄し、超純水による流水洗浄を5分行い、次にアンモニアと過酸化水素の混合溶液にて10分洗浄し、超純水による流水洗浄を5分行い、次に塩酸と過酸化水素の混合溶液にて10分洗浄し、超純水による流水洗浄を5分行い、さらにHF溶液にて洗浄する。さらにその後、1200℃で種結晶の表面を酸化し、再度HF溶液にて洗浄を行なう。
【0011】
このように種結晶の表面を洗浄することにより、表面は金属不純物や有機不純物、パーティクル等の汚染がない状態となり、また研磨等で発生した結晶欠陥が除去できるという効果がある。
【0012】
次に上記のようにして洗浄した種結晶の表面を、蒸着物で被覆する。種結晶の表面を蒸着物で被覆する方法は、電子ビーム(EB)蒸着法や化学気相蒸着(CVD)法などを用いることが出来る。
【0013】
ここで、蒸着物は、金属、酸化物、炭化物、窒化物のうちの少なくとも1種を材料とするのが好ましい。
【0014】
蒸着物の材料としては、金属としては、W、Pt等を用いることが出来る。また、酸化物としては、酸化アルミニウム等を用いることが出来る。また、炭化物としては、炭化タングステン等を用いることが出来る。また、窒化物としては、窒化珪素等を用いることが出来る。
【0015】
蒸着物は、上記の金属、酸化物、炭化物、窒化物のうちの1種としても良い。また、上記の金属、酸化物、炭化物、窒化物のうちの2種以上としても良い。蒸着物を上記の金属、酸化物、炭化物、窒化物のうちの2種以上とする場合、互いに反応しない材料を選定するのが好ましい。
【0016】
また、上記の蒸着物の厚さは、1Å以上500Å以下とするのが好ましい。蒸着物の厚さが500Åより厚いと、成長するSiC結晶が多結晶化するという問題が発生する場合がある。また、蒸着物の厚さが1Åより薄いと、種結晶表面の結晶欠陥と相互作用する確率が減少し、欠陥の引き継ぎを抑制するという本発明の効果が発揮されないことがある。
【0017】
本発明の炭化珪素単結晶の成長は、上記の表面を蒸着物で被覆した炭化珪素単結晶からなる種結晶を使用し、次のような昇華法により行うことができる。
【0018】
上記の種結晶およびSiC原料粉末を対向するように設置した黒鉛るつぼを、結晶成長装置の真空容器内に置き、真空容器内を高純度Arガスにより十分置換する。その後、Arガス雰囲気中で圧力を933hPaに設定して、種結晶の温度を2200℃以上に加熱する。所定の温度に達した後、成長速度が20〜300μm/hになるように、真空容器内の圧力を徐々に67〜800hPaまで減圧して保持し、種結晶表面上に炭化珪素単結晶を成長させる。
【0019】
なお、昇華法で炭化珪素単結晶の成長を行う場合、成長中の種結晶の温度やSiC原料粉末の温度、或いは真空容器内の圧力などの条件は、実験により好適に設定することが出来る。
【0020】
また、表面を蒸着物で被覆した種結晶を使用した炭化珪素単結晶の成長は、シラン、プロパンガス等を用いた結晶成長方法やSi融液を用いた結晶成長方法で行うことも可能である。
【0021】
【作用】
種結晶表面に存在するマイクロパイプ等の結晶欠陥の近傍に蒸着物が付着した場合、蒸着物が結晶欠陥と相互作用し、結晶欠陥の進行を阻害するため、該表面上に成長する炭化珪素単結晶にマイクロパイプ等の結晶欠陥が引き継がれなくなると考えられる。
【0022】
【実施例】
(実施例1)
以下、昇華法を用いて炭化珪素単結晶を製造した場合を例に本発明を説明する。本実施例1に用いた結晶成長装置を図1に示す。図1で、1は真空容器、2は断熱材、3は高周波コイル、4は成長した炭化珪素単結晶、5はSiC原料粉末、6は黒鉛るつぼ、7はガス導入口、8はガス排出口、9は放射温度計である。
【0023】
本実施例1では、昇華法で作成された表面の面積が約3cm2の6H−SiC単結晶を、種結晶とした。種結晶は、結晶成長する表面としてSi面を有し、口径が20mmで厚さが0.5mmであった。
【0024】
上記の種結晶の表面を、硫酸と過酸化水素の混合溶液で110℃で10分洗浄し、続いて超純水により流水洗浄を5分行い、次にアンモニアと過酸化水素の混合溶液で10分洗浄し、続いて超純水により流水洗浄を5分行い、次に塩酸と過酸化水素の混合溶液で10分洗浄し、続いて超純水により流水洗浄を5分行い、さらにHF溶液により洗浄した。その後、1200℃で種結晶の表面を酸化し、再度HF溶液により洗浄を行なった。
【0025】
このように洗浄した種結晶の表面に、EB蒸着法によりWを厚さが10Åになるように付着させて、種結晶の表面を蒸着物で被覆した。
【0026】
黒鉛からなる内径50mm、深さ95mmのるつぼ6にSiC原料粉末5(昭和電工製#240)を高さ60mmになるように充填した。また、黒鉛製のるつぼ蓋の下面に前記の種結晶を貼り付け保持した。その後、このるつぼ蓋をるつぼ開口部に設置した。そして、この黒鉛るつぼ6を断熱材で包み高周波加熱の結晶成長装置内の真空容器1にセットした。
【0027】
ガス排出口8より真空容器1を6.7×10-5hPaに減圧し、その後ガス導入口7よりアルゴンガスを常圧まで充填した後、再度真空容器1を6.7×10-5hPaまで減圧し、容器内の空気を追い出した。そしてガス導入口7よりアルゴンガスを、容器内の圧力が930hPaになるまで充填し、黒鉛るつぼ6が2200℃になるまで昇温した。なお、黒鉛るつぼ6の温度は、るつぼの上に配置した放射温度計9により測定した。
【0028】
その後、ガス排出口8よりガスを排出し、真空容器内の圧力を133hPaに減圧した状態で、炭化珪素単結晶の成長を行った。結晶成長時間は72時間とした。その結果、種結晶の表面に炭化珪素単結晶4が成長した。
【0029】
この炭化珪素単結晶を成長方向に対して垂直に切断し、鏡面研磨し、透過偏光顕微鏡で観察した。その結果、種結晶のマイクロパイプは、種結晶表面の蒸着物の付着位置で停止し、成長した炭化珪素単結晶には引き継がれていなかった。その様子を図2に示す。
【0030】
また、500℃の溶融KOHに炭化珪素単結晶を10分間浸し、表面のエッチピットを観察したところ、種結晶内にあるマイクロパイプの数に比べ成長した単結晶中のマイクロパイプの数は減少していた。
【0031】
(実施例2)
本実施例2では、種結晶表面を被覆する蒸着物をPtに変更し、その他の条件は実施例1と同様にして、炭化珪素単結晶の成長を実施した。その結果、蒸着物をPtにしても、Wの場合と同様、炭化珪素単結晶中のマイクロパイプの数を減らす効果が得られた。
【0032】
(実施例3)
本実施例3では、種結晶表面を被覆する蒸着物をWとし、その厚さを100Åにして、その他の条件は実施例1と同様にして、炭化珪素単結晶の成長を実施した。その結果、本実施例3の場合でも、実施例1と同様に種結晶のマイクロパイプが蒸着物の付着位置で停止し、成長した炭化珪素単結晶には引き継がれないのが確認された。
【0033】
(実施例4)
本実施4では、種結晶表面に蒸着物としてPtを10Å蒸着した後、さらにWを10Å蒸着し、その他の条件は実施例1と同様にして、炭化珪素単結晶の成長を実施した。本実施例4の場合でも、実施例1と同様に種結晶のマイクロパイプが蒸着物の付着位置で停止し、成長した炭化珪素単結晶には引き継がれないのが確認された。
【0034】
【発明の効果】
本発明により、種結晶内に存在するマイクロパイプと呼ばれる中空状の結晶欠陥を、成長する炭化珪素単結晶に引き継がせること無く良質かつ大口径の炭化珪素単結晶を得ることができる。その結果、従来成長した炭化珪素単結晶中に数十〜数百個/cm2あったマイクロパイプは、0〜数個/cm2まで大幅に低減される。
【0035】
その結果、良質な炭化珪素単結晶が得られ、本発明で得られた炭化珪素単結晶を用いて作製したダイオード或いはトランジスタのような電気的素子は、信頼性等の特性が優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1で使用した結晶成長装置
【図2】本発明の実施例1に係わる、種結晶のマイクロパイプがW蒸着物の付着位置で停止した様子を示す断面顕微鏡写真
【符号の説明】
1 真空容器
2 断熱材
3 高周波コイル
4 炭化珪素結晶
5 SiC原料粉末
6 黒鉛るつぼ
7 ガス導入口
8 ガス排出口
9 放射温度計
Claims (3)
- 炭化珪素単結晶からなる種結晶の表面に原料を供給し、該表面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において、炭化珪素単結晶を成長させる表面をW、または、Ptの蒸着物で被覆した種結晶を使用し、前記蒸着物の厚さを、1Å以上500Å以下とすることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
- 蒸着物の被覆を、電子ビーム蒸着法または化学蒸着法で行うことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
- 種結晶への被覆前に種結晶の表面を、硫酸と過酸化水素の混合液、および塩酸と過酸化水素の混合液で洗浄することを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
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