JP4224195B2 - Seed crystal for growing silicon carbide single crystal and method for producing silicon carbide single crystal - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素単結晶育成用種結晶、炭化珪素単結晶インゴット、および炭化珪素単結晶ウエハ、並びに炭化珪素単結晶の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度も優れ、放射線に強い等の物理的、化学的性質から、耐環境性半導体材料として注目されている。また近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波高耐圧電子デバイス等の基板ウエハとして、SiC単結晶ウエハの需要が高まっている。しかしながら、大面積を有する高品質のSiC単結晶を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は、未だ確立されていない。それゆえ、SiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にもかかわらず、その実用化が阻まれていた。
【0003】
従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法(レーリー法)でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、SiCが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。
【0004】
化学気相成長法(CVD法)を用いて、珪素(Si)等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、立方晶の炭化珪素単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約20%もあること等により、多くの欠陥(〜107cm-2)を含むSiC単結晶しか成長させることができず、高品質のSiC単結晶を得ることは容易でない。
【0005】
これらの問題点を解決するために、SiC単結晶{0001}ウエハを種結晶として用いて、昇華再結晶を行う改良型のレーリー法が提案されている(Yu.M.Tairov and V.F.Tsvetkov,Journal ofCrystal Growth,vol.52(1981)pp.146−150)。この方法では、種結晶を用いているため結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスで雰囲気圧力を100Paから15kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロ−ルできる。
【0006】
改良レーリー法の原理を図1を用いて説明する。SiC単結晶からなる種結晶101および原料となるSiC結晶粉末102は、坩堝(通常黒鉛)103の中に収納され、アルゴン等の不活性ガス104の雰囲気中(133Pa〜13.3kPa)、2000〜2400℃に加熱される。この際、原料のSiC結晶粉末102に比べ、種結晶101がやや低温になるように温度勾配が設定される。原料は、昇華後、濃度勾配(温度勾配により形成される)により、種結晶101方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶に到着した原料ガスが種結晶上で再結晶化することにより実現される。この際、不活性ガス104からなる雰囲気中に不純物ガスを添加する、または、SiC結晶粉末102中に不純物元素あるいはその化合物を混合することにより、成長結晶105の抵抗率を制御することができる。SiC単結晶中の置換型不純物として代表的なものに、n型の窒素、p型のホウ素やアルミニウムがある。改良レーリー法を用いれば、SiC単結晶の結晶多形(6H型、4H型、15R型、等)及び形状、キャリア型及び濃度を制御しながら、SiC単結晶を成長させることができる。
【0007】
現在、上記の改良レーリー法で作製したSiC単結晶から、口径2インチ(約50mm)から3インチ(約75mm)のSiC単結晶ウエハが切り出され、エピタキシャル薄膜成長やデバイス作製に供されている。しかしながら、これらのSiC単結晶ウエハには、成長方向に貫通する直径数μmのピンホ−ル欠陥(マイクロパイプ欠陥)が50〜200個/cm2程度含まれる問題があった。
【0008】
上記したように、従来の技術で作られたSiC単結晶には、マイクロパイプ欠陥が50〜200個/cm2程度含まれていた。Takahashi et al.,Journal of Crystal Growth,vol.167(1996)pp.596−606に記載されているように、マイクロパイプ欠陥の多くは、種結晶に存在していたものが成長結晶に引き継がれたものである。また、成長結晶に新たに導入されるマイクロパイプ欠陥は、Koga et al.,Technical Digest of InternationalConference of Silicon Carbide and Related Materials 1995,pp.166−167に記載されているように、そのほとんどが成長初期に発生している。さらに、P.G.Neudeck et al.,IEEE Electron Device Letters,vol.15(1994)pp.63−65に記載されているように、これらの欠陥は、素子を作製した際に漏れ電流等を引き起こし、その低減はSiC単結晶のデバイス応用における最重要課題とされている。
【0009】
このマイクロパイプ欠陥を抑制するものとして、{0001}面に垂直な面を種結晶として用いて、<0001>c軸方向と垂直方向にSiC単結晶を成長させる技術が特許第2804860号公報に開示されている。この方法では、成長されたインゴットからデバイス作製に有用な{0001}面ウエハを取り出そうとした場合、インゴットを成長方向に切断する必要がある。しかしながら、古賀他、真空vol.30(1987)pp.886−892に示されているように、通常、インゴットの成長方向への大型化は容易ではなく、成長インゴットは径方向に比べ成長方向に短い形状となっている。このため、インゴットを成長方向に切断すると大口径化の観点では極めて不利になる。さらに、Takahashi et al.,Journal of Crystal Growth,vol.181(1997)pp.229−240に記載されているように、c軸と垂直方向にSiC単結晶を成長させた場合には、成長中に発生した多量の(0001)面積層欠陥が、SiC単結晶中に存在する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
このように、特許第2804860号公報に開示されている方法を用いた場合には、マイクロパイプ欠陥は発生しないものの、デバイス作製に有用な大型の{0001}ウエハの作製が困難になり、さらに積層欠陥が多量に発生してしまう。
【0011】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、欠陥の少ない良質の大口径ウエハを再現性良く供給するためのSiC単結晶育成用種結晶おびSiC単結晶の製造方法を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、従来技術の上記問題点を解決するために鋭意研究開発を行った結果、種結晶の表面形状を工夫することにより、欠陥の少ない良質の大口径単結晶が得られることを見出し、本発明を完成させたものである。
【0013】
即ち、本願発明は、以下の構成を要旨とするものである。
【0014】
(1) SiC単結晶からなる種結晶であって、該種結晶の単結晶成長面に、幅が2〜10mmである溝を有してなるSiC単結晶育成用種結晶である。
【0016】
) 前記溝の幅/深さで表わされる溝のアスペクト比が、0.1〜1.5である(1)に記載のSiC単結晶育成用種結晶である。
【0017】
) 前記種結晶の単結晶成長面における、溝の表面占有比が、0.2〜10である(1)又は(2)に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶である。
【0020】
) (1)〜()の何れか1項に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶を用いて、昇華再結晶法により前記種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる工程を包含する炭化珪素単結晶の製造方法である。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明のSiC単結晶育成用種結晶は、単結晶成長表面上に溝を有した構造をとることにより、単結晶成長中のマイクロパイプ欠陥や積層欠陥の発生を防止でき、大口径のSiC単結晶インゴットを作製した場合であっても欠陥の少ない良質の単結晶を得ることができる。
【0022】
本発明のSiC単結晶育成用種結晶による欠陥発生防止機構を、図2を用いて説明する。図2(a)は、本発明の種結晶の配置状況を示す。種結晶の溝を有する面を結晶成長方向に配置しなければならない。そして、昇華再結晶法により、この種結晶上にSiC単結晶を成長させると、図2(b)に示すように、種結晶の溝を有する面上に結晶成長が開始する。この時、結晶成長は、種結晶のc軸に平行方向と垂直方向との何れの方向にも進行する。ところで、c軸に平行方向の成長速度とc軸に垂直方向の成長速度とを比較すると、c軸に垂直方向の成長速度の方が大きい(Takahashi et al.,Journal of Crystal Growth,vol.181(1997)pp.229−240)ため、溝部側壁からの結晶成長が優先され、溝底部からの成長を遮断することになる。その結果、結晶成長により溝部が埋められた時点では、溝部以外の面でc軸に平行方向に成長した結晶部分と、溝部においてc軸に垂直方向に成長した結晶部分が混在することになる(図2(c))。つまり、溝底部に存在したマイクロパイプ欠陥は、溝部側壁からの結晶成長により完全に遮断され、マイクロパイプ欠陥が成長結晶に引き継がれなくなる。一方、c軸に垂直方向(溝部側壁)の結晶成長では、(0001)面の積層欠陥が存在する(Takahashi et al.,Journal of Crystal Growth,vol.181(1997)pp.229−240)ものの、この面欠陥は、c軸に平行方向の結晶成長では引き継がれないものである。したがって、その後のc軸に平行方向の結晶成長においては、種結晶の溝部上には、マイクロパイプ欠陥も積層欠陥も存在しないSiC単結晶が得られることになる(図2(d))。なお、溝部以外の部分に存在するマイクロパイプ欠陥は、SiC単結晶の成長と共に従来と同様に単結晶中に存在することになるが、種結晶における溝部と溝部以外との面積比に応じて、マイクロパイプ欠陥の存在割合は著しく減少するため、結晶欠陥を大幅に減少させたSiC単結晶インゴットを得ることができる。また、マイクロパイプ欠陥が少ない種結晶であれば、該欠陥が存在する部位にのみ溝部を形成した種結晶とすれば、完全にマイクロパイプ欠陥を消滅させたSiC単結晶インゴットを作製することも可能である。
【0023】
種結晶に形成する溝の形状としては、縞状、格子状やメッシュ状等が、溝加工の容易性の観点から好ましいが、上記のような結晶成長の形態が実現できる形状であれば、特にその形状を制限するものではない。
【0024】
形成する溝の幅は、2〜10mmである。2mm未満の場合は、溝部壁面全体におけるc軸に垂直方向への結晶成長が起こり難くなる。10mm超の場合には、溝部側壁からc軸に垂直方向に成長した結晶の会合部(溝の中心部にできる)にマイクロパイプ欠陥や転位欠陥が発生し易くなる。
【0025】
また、溝の幅/深さで表わされる溝のアスペクト比は、0.1〜1.5であることが好ましい。アスペクト比が0.1未満であると、溝部壁面での均一な結晶成長が起こり難くなることがある。つまり、溝の開口部付近でのみ結晶成長が起こり易くなり、溝の底部で結晶成長が起こり難いために、溝の開口部で閉塞して、溝の底部が空洞として残存し、そこからボイド欠陥等が発生し易くなる。一方、アスペクト比が1.5超であると、溝底部からのc軸に平行方向の結晶成長が無視できなくなり、溝内部をc軸に平行方向に成長した結晶に占有され、上述したマイクロパイプ欠陥の低減効果が得られない恐れが大きくなる。
【0026】
さらに、種結晶の結晶成長面における溝の面積と溝以外の部分の面積との比で表わされる溝の表面占有比(溝の面積/溝以外の部分の面積)が、0.2〜10であることが好ましい。溝の表面占有比が0.2未満では、上述したマイクロパイプ欠陥の低減効果を有する面積が小さくなり、充分なマイクロパイプ欠陥低減効果を得られない恐れがある。また、溝の表面占有比が10超では、溝以外の部分が小さくなりすぎて、結晶成長が困難になる恐れや、溝部での結晶強度を確保するために、種結晶を厚くしなければならず、製造コストの上昇を招く恐れがある。
【0027】
次に、上述した種結晶を用いた昇華再結晶法を用いたSiC単結晶の製造方法について述べる。図3は、本発明の種結晶を用いた改良レーリー法によるSiC単結晶成長装置の構成の一例である。結晶成長面に溝を有したSiC単結晶からなる種結晶1は、黒鉛製坩堝3の蓋4内面に取り付けられる。この際、溝を有した結晶成長面は、結晶成長方向(図では下方)に配置しなければならない。黒鉛製坩堝3には、原料であるSiC粉末2が充填されている。この黒鉛製坩堝3を高周波コイル8により2300〜2400℃に誘導加熱すると、原料粉末2から昇華ガスが発生する。発生した昇華ガスは、不活性ガス(例えばArガス)により雰囲気制御された坩堝内空間を拡散して種結晶方向に移動し、種結晶1上で再結晶化する。このプロセスを数時間から数十時間継続することにより、SiC単結晶が製造される。通常、大口径で良質なSiC単結晶を得るには、ほぼそれと等しい口径の良質な種結晶が必要であるが、そのような種結晶を入手するのは極めて困難である。しかしながら、本発明の種結晶を用いれば、大口径でありさえすればマイクロパイプ欠陥等の欠陥を多量に含む種結晶であっても、所望の口径全域に渡って良質なSiC単結晶インゴットを簡便に作製することができる。
【0028】
本発明の製造方法によって製造されたSiC単結晶インゴットは、50mm以上の大口径を有することが可能であり、さらに、該インゴットを加工、研磨してなるSiC単結晶ウエハであれば、ウエハ径が50mm以上であって、さらにマイクロパイプ欠陥を30個/cm2以下にまで低減することができる。このようなSiC単結晶ウエハであれば、例えば、青色発光素子を制作する場合、その製造歩留を90%以上にすることができる。
【0029】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を述べる。図3に示すSiC単結晶成長装置を用いた。まず、この単結晶成長装置について、簡単に説明する。上述したように、結晶成長は、表面に溝を有するSiC単結晶1を種結晶として用い、該SiC単結晶1上に原料であるSiC粉末2を昇華再結晶化させることにより行われた。種結晶のSiC単結晶1は、黒鉛製坩堝3の蓋4の内面に取り付けられた。原料のSiC粉末2は、黒鉛製坩堝3の内部に充填した。このような黒鉛製坩堝3は、二重石英管5の内部に、黒鉛の支持棒6により設置された。黒鉛製坩堝3の周囲には、熱シ−ルドのための黒鉛製フェルト7が設置された。二重石英管5は、真空排気装置11により高真空排気(10-3Pa以下)することができ、かつ内部雰囲気をArガスにより圧力制御することができるものを用いた。また、二重石英管5の外周には、ワ−クコイル(高周波コイル)8が設置されており、高周波電流を流すことにより黒鉛製坩堝3を加熱し、原料及び種結晶を所望の温度に加熱することができる。坩堝温度の計測は、坩堝上部及び下部を覆うフェルトの中央部に直径2〜4mmの光路を設け坩堝上部及び下部からの光を取りだし、二色温度計を用いて行った。坩堝下部の温度を原料温度、坩堝上部の温度を種温度とした。
【0030】
次に、この結晶成長装置を用いて製造する実施例を説明する。
【0031】
まず、種結晶として、口径50mmの(0001)面を有した六方晶系のSiC単結晶ウエハを用意した。この種結晶のマイクロパイプ欠陥密度は50個/cm2であった。次に、種結晶の表面に機械加工により、スリット状の溝を、幅3.0mm、アスペクト比1、表面占有比1.5で作り込んだ。この機械加工により種結晶表面に形成された加工損傷層は、薬液によるエッチングにより除去した。また、比較例として、機械加工しない種結晶(マイクロパイプ欠陥密度は50個/cm2)も用意した。このようにして作製したそれぞれのSiC単結晶種結晶を黒鉛製坩堝3の蓋4の内面に取り付けた。黒鉛製坩堝3の内部には、SiC粉末2を充填した。次いで、原料を充填した黒鉛製坩堝3を、種結晶を取り付けた蓋4で閉じ、黒鉛製フェルト7で被覆した後、黒鉛製支持棒6の上に乗せ、二重石英管5の内部に設置した。そして、石英管の内部を真空排気した後、ワ−クコイル(高周波コイル)8に電流を流し原料温度を2000℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとしてArガスを流入させ、石英管内圧力を約80kPaに保ちながら、原料温度を目標温度である2400℃まで上昇させた。成長圧力である1.3kPaには約30分かけて減圧し、その後約20時間成長を続けた。この際の坩堝内の温度勾配は15℃/cmで、成長速度は約0.7mm/hであった。いずれの種結晶から得られた結晶も、口径は51.5mmで、高さは14mm程度であった。
【0032】
こうして得られたSiC単結晶をX線回折及びラマン散乱により分析したところ、いずれも六方晶系のSiC単結晶が成長したことを確認できた。また、マイクロパイプ欠陥を評価する目的で、それぞれの成長した単結晶インゴットの成長後半部分を切断、研磨することにより{0001}面ウェハを取り出した。その後、約530℃の溶融KOHでウェハ表面をエッチングし、顕微鏡によりマイクロパイプ欠陥に対応する大型の六角形エッチピットの数を調べたところ、本発明の溝付SiC単結晶種結晶から得られたウエハでは、マイクロパイプ欠陥密度は25個/cm2で、元の種結晶の欠陥密度から大幅に減少したのに対し、溝のない種結晶から得られたウエハでは50個/cm2で、元の種結晶の欠陥密度と同じであった。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の種結晶を用いれば、改良型レーリー法によるSiC単結晶育成において、マイクロパイプ欠陥等の結晶欠陥が少ない良質のSiC単結晶を再現性及び均質性良く成長させることができる。このようにして育成されたSiCインゴットから得られるSiC単結晶ウエハを使用すれば、光学的特性の優れた青色発光素子、電気的特性の優れた高耐圧・耐環境性電子デバイスを高い歩留りで製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 改良レーリー法の原理を説明する図である。
【図2】 本発明の種結晶を用いた結晶成長過程を説明する図である。
【図3】 本発明の実施例に用いた単結晶成長装置の構成概略図である。
【符号の説明】
1 種結晶(SiC単結晶)
2 SiC粉末
3 黒鉛製坩堝
4 黒鉛製坩堝蓋
5 二重石英管
6 支持棒
7 黒鉛製フェルト
8 高周波コイル
9 Arガス配管
10 Arガス用マスフロ−コントロ−ラ
11 真空排気装置
101 種結晶
102 SiC結晶粉末
103 坩堝
104 不活性ガス
105 成長結晶
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a seed crystal for growing a silicon carbide single crystal, a silicon carbide single crystal ingot, a silicon carbide single crystal wafer, and a method for producing a silicon carbide single crystal.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (SiC) is also attracting attention as an environmentally resistant semiconductor material because of its excellent heat resistance and mechanical strength and physical and chemical properties such as resistance to radiation. In recent years, the demand for SiC single crystal wafers has increased as a substrate wafer for short wavelength optical devices from blue to ultraviolet, high frequency high voltage electronic devices, and the like. However, a crystal growth technique that can stably supply a high-quality SiC single crystal having a large area on an industrial scale has not yet been established. Therefore, practical use of SiC has been hindered despite the semiconductor material having many advantages and possibilities as described above.
[0003]
Conventionally, on a laboratory scale scale, for example, a SiC single crystal was grown by a sublimation recrystallization method (Rayleigh method) to obtain a SiC single crystal of a size capable of producing a semiconductor element. However, with this method, the area of the obtained single crystal is small, and it is difficult to control its size and shape with high accuracy. Moreover, it is not easy to control the crystal polymorphism and impurity carrier concentration of SiC.
[0004]
A cubic silicon carbide single crystal is also grown by heteroepitaxial growth on a heterogeneous substrate such as silicon (Si) using a chemical vapor deposition method (CVD method). In this method, a large-area single crystal can be obtained, but only a SiC single crystal containing many defects (−10 7 cm −2 ) can be grown due to a lattice mismatch with the substrate of about 20%. It is not easy to obtain a high-quality SiC single crystal.
[0005]
In order to solve these problems, an improved Rayleigh method in which sublimation recrystallization is performed using a SiC single crystal {0001} wafer as a seed crystal has been proposed (Yu. M. Tailov and VF. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol. 52 (1981) pp. 146-150). In this method, since the seed crystal is used, the nucleation process of the crystal can be controlled, and by controlling the atmospheric pressure from about 100 Pa to about 15 kPa with an inert gas, the growth rate of the crystal can be controlled with good reproducibility. You can
[0006]
The principle of the improved Rayleigh method will be described with reference to FIG. A seed crystal 101 made of a SiC single crystal and a SiC crystal powder 102 as a raw material are stored in a crucible (usually graphite) 103 and in an atmosphere of an inert gas 104 such as argon (133 Pa to 13.3 kPa), 2000 to 2000 Heat to 2400 ° C. At this time, the temperature gradient is set so that the seed crystal 101 is slightly lower in temperature than the raw SiC crystal powder 102. After sublimation, the raw material is diffused and transported in the direction of the seed crystal 101 by a concentration gradient (formed by a temperature gradient). Single crystal growth is realized by recrystallization of the source gas that has arrived at the seed crystal on the seed crystal. At this time, the resistivity of the growth crystal 105 can be controlled by adding an impurity gas to the atmosphere of the inert gas 104 or mixing an impurity element or a compound thereof in the SiC crystal powder 102. Typical examples of substitutional impurities in the SiC single crystal include n-type nitrogen, p-type boron, and aluminum. By using the modified Rayleigh method, it is possible to grow a SiC single crystal while controlling the crystal polymorphism (6H type, 4H type, 15R type, etc.) and the shape, carrier type and concentration of the SiC single crystal.
[0007]
Currently, SiC single crystal wafers having a diameter of 2 inches (about 50 mm) to 3 inches (about 75 mm) are cut out from the SiC single crystal produced by the above-described improved Rayleigh method, and are used for epitaxial thin film growth and device production. However, these SiC single crystal wafer, pinholes having a diameter of several μm to penetrate the growth direction - Le defects (micropipe defects) there has been a problem that contains the extent of 50 to 200 pieces / cm 2.
[0008]
As described above, the SiC single crystal produced by the conventional technique contained about 50 to 200 micropipe defects / cm 2 . Takahashi et al. , Journal of Crystal Growth, vol. 167 (1996) pp. As described in Japanese Patent No. 596-606, many of the micropipe defects are those that were present in the seed crystal and succeeded to the grown crystal. In addition, micropipe defects newly introduced into the grown crystal are described in Koga et al. , Technical Digest of International Conference of Silicon Carbide and Related Materials 1995, pp. As described in 166-167, most of them occur at the early stage of growth. Furthermore, P.I. G. Neudec et al. , IEEE Electron Device Letters, vol. 15 (1994) p. As described in 63-65, these defects cause a leakage current or the like when an element is manufactured, and the reduction thereof is regarded as the most important issue in SiC single crystal device application.
[0009]
Japanese Patent No. 2804860 discloses a technique for growing a SiC single crystal in a direction perpendicular to the <0001> c-axis direction by using a plane perpendicular to the {0001} plane as a seed crystal to suppress the micropipe defect. Has been. In this method, when a {0001} plane wafer useful for device fabrication is taken out from the grown ingot, it is necessary to cut the ingot in the growth direction. However, Koga et al., Vacuum vol. 30 (1987) pp. 30. As shown in 886-892, it is usually not easy to increase the size of the ingot in the growth direction, and the growth ingot has a shorter shape in the growth direction than in the radial direction. For this reason, cutting the ingot in the growth direction is extremely disadvantageous from the viewpoint of increasing the diameter. Furthermore, Takahashi et al. , Journal of Crystal Growth, vol. 181 (1997) pp. As described in 229-240, when a SiC single crystal is grown in a direction perpendicular to the c-axis, a large number of (0001) area layer defects generated during the growth exist in the SiC single crystal. .
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when the method disclosed in Japanese Patent No. 2804860 is used, although micropipe defects do not occur, it becomes difficult to produce a large {0001} wafer useful for device fabrication. A lot of defects occur.
[0011]
The present invention has been made in view of the above circumstances, a method of manufacturing a SiC single crystal for growing seed crystals Contact good beauty S iC single crystal for good reproducibility supply a large diameter wafer of high quality with few defects It is to provide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of earnest research and development to solve the above problems of the prior art, the present inventors have found that a high-quality large-diameter single crystal with few defects can be obtained by devising the surface shape of the seed crystal. The title and the present invention have been completed.
[0013]
That is, the gist of the present invention is as follows.
[0014]
(1) A seed crystal composed of a SiC single crystal, which is a seed crystal for growing a SiC single crystal, having a groove having a width of 2 to 10 mm on a single crystal growth surface of the seed crystal.
[0016]
( 2 ) The SiC single crystal growing seed crystal according to (1 ), wherein an aspect ratio of the groove represented by the width / depth of the groove is 0.1 to 1.5.
[0017]
( 3 ) The seed crystal for growing a silicon carbide single crystal according to (1) or (2) , wherein a groove surface occupation ratio in the single crystal growth surface of the seed crystal is 0.2 to 10.
[0020]
( 4 ) A step of growing a silicon carbide single crystal on the seed crystal by a sublimation recrystallization method using the silicon carbide single crystal growth seed crystal according to any one of (1) to ( 3 ). This is a method for producing a silicon carbide single crystal.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The SiC single crystal growth seed crystal of the present invention has a structure having a groove on the single crystal growth surface, thereby preventing the occurrence of micropipe defects and stacking faults during the growth of the single crystal. Even when a crystal ingot is produced, a good quality single crystal with few defects can be obtained.
[0022]
The defect generation prevention mechanism by the seed crystal for SiC single crystal growth of the present invention will be described with reference to FIG. Fig.2 (a) shows the arrangement | positioning condition of the seed crystal of this invention. The face with the seed crystal groove must be arranged in the crystal growth direction. When a SiC single crystal is grown on this seed crystal by the sublimation recrystallization method, crystal growth starts on the surface having the seed crystal groove, as shown in FIG. At this time, crystal growth proceeds in both the direction parallel to and perpendicular to the c-axis of the seed crystal. By the way, when the growth rate parallel to the c-axis and the growth rate perpendicular to the c-axis are compared, the growth rate perpendicular to the c-axis is larger (Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, vol. 181). (1997) pp. 229-240), crystal growth from the groove side wall is given priority, and growth from the groove bottom is blocked. As a result, at the time when the groove portion is filled by crystal growth, a crystal portion grown in a direction parallel to the c-axis on a surface other than the groove portion and a crystal portion grown in the direction perpendicular to the c-axis in the groove portion are mixed ( FIG. 2 (c)). That is, the micropipe defect existing at the bottom of the groove is completely blocked by crystal growth from the side wall of the groove, and the micropipe defect is not inherited by the grown crystal. On the other hand, in the crystal growth in the direction perpendicular to the c-axis (side wall of the groove), stacking faults on the (0001) plane exist (Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, vol. 181 (1997) pp. 229-240). This plane defect is not inherited by crystal growth in the direction parallel to the c-axis. Therefore, in the subsequent crystal growth in the direction parallel to the c-axis, an SiC single crystal having no micropipe defects or stacking faults is obtained on the groove portion of the seed crystal (FIG. 2D). Note that micropipe defects existing in portions other than the groove portion exist in the single crystal as in the conventional case with the growth of the SiC single crystal, but depending on the area ratio between the groove portion and the groove portion in the seed crystal, Since the existence ratio of the micropipe defects is remarkably reduced, it is possible to obtain a SiC single crystal ingot with greatly reduced crystal defects. In addition, if the seed crystal has few micropipe defects, it is possible to produce a SiC single crystal ingot in which micropipe defects are completely eliminated by using a seed crystal in which a groove is formed only at a site where the defect exists. It is.
[0023]
As the shape of the groove formed in the seed crystal, a stripe shape, a lattice shape, a mesh shape, or the like is preferable from the viewpoint of easiness of groove processing. The shape is not limited.
[0024]
Width of the formed groove is 2 to 10 mm. When it is less than 2 mm, that a hardly occurs crystal growth in the direction perpendicular to the c-axis in the entire groove wall. In the case of more than 10 mm, micropipe defects and dislocation defects are likely to occur at the meeting portion of crystals grown in the direction perpendicular to the c-axis from the groove side wall (which can be formed at the center of the groove).
[0025]
Moreover, it is preferable that the aspect ratio of the groove | channel represented by the width / depth of a groove | channel is 0.1-1.5. If the aspect ratio is less than 0.1, uniform crystal growth on the groove wall surface may be difficult to occur. In other words, crystal growth is likely to occur only in the vicinity of the groove opening, and crystal growth is unlikely to occur at the bottom of the groove. Therefore, the groove is closed at the groove opening, and the bottom of the groove remains as a cavity, from which void defects are formed. Etc. are likely to occur. On the other hand, if the aspect ratio is more than 1.5, crystal growth in the direction parallel to the c-axis from the bottom of the groove cannot be ignored, and the inside of the groove is occupied by the crystal grown in the direction parallel to the c-axis. There is a greater risk that the effect of reducing defects cannot be obtained.
[0026]
Furthermore, the groove surface occupation ratio (groove area / area other than the groove) represented by the ratio of the groove area to the area other than the groove on the crystal growth surface of the seed crystal is 0.2 to 10 Preferably there is. When the groove surface occupancy ratio is less than 0.2, the area having the effect of reducing the micropipe defects described above becomes small, and there is a possibility that a sufficient effect of reducing the micropipe defects cannot be obtained. In addition, when the groove surface occupancy ratio exceeds 10, the portion other than the groove becomes too small, and crystal growth may be difficult, or the seed crystal must be thickened to ensure crystal strength in the groove. Therefore, there is a risk of increasing the manufacturing cost.
[0027]
Next, a method for producing an SiC single crystal using the above-described sublimation recrystallization method using the seed crystal will be described. FIG. 3 shows an example of the configuration of an SiC single crystal growth apparatus by the modified Rayleigh method using the seed crystal of the present invention. A seed crystal 1 made of a SiC single crystal having a groove on the crystal growth surface is attached to the inner surface of a lid 4 of a graphite crucible 3. At this time, the crystal growth surface having the groove must be arranged in the crystal growth direction (downward in the drawing). The graphite crucible 3 is filled with SiC powder 2 as a raw material. When the graphite crucible 3 is induction-heated to 2300 to 2400 ° C. by the high-frequency coil 8, sublimation gas is generated from the raw material powder 2. The generated sublimation gas diffuses in the crucible space whose atmosphere is controlled by an inert gas (for example, Ar gas), moves in the direction of the seed crystal, and is recrystallized on the seed crystal 1. By continuing this process for several hours to several tens of hours, a SiC single crystal is produced. Usually, in order to obtain a SiC single crystal having a large diameter and a good quality, a high-quality seed crystal having a diameter almost equal to that is required, but it is extremely difficult to obtain such a seed crystal. However, if the seed crystal of the present invention is used, a high-quality SiC single crystal ingot can be easily obtained over the entire desired diameter even if the seed crystal contains a large amount of defects such as micropipe defects as long as the diameter is large. Can be produced.
[0028]
The SiC single crystal ingot manufactured by the manufacturing method of the present invention can have a large diameter of 50 mm or more, and if the SiC single crystal wafer is obtained by processing and polishing the ingot, the wafer diameter is The number of micropipe defects can be further reduced to 30 pieces / cm 2 or less. With such a SiC single crystal wafer, for example, when producing a blue light emitting element, the production yield can be 90% or more.
[0029]
【Example】
Examples of the present invention will be described below. The SiC single crystal growth apparatus shown in FIG. 3 was used. First, this single crystal growth apparatus will be briefly described. As described above, crystal growth was performed by using SiC single crystal 1 having a groove on the surface as a seed crystal and subliming and recrystallizing SiC powder 2 as a raw material on SiC single crystal 1. The seed crystal SiC single crystal 1 was attached to the inner surface of the lid 4 of the graphite crucible 3. The raw material SiC powder 2 was filled in a graphite crucible 3. Such a graphite crucible 3 was installed inside a double quartz tube 5 by a support rod 6 made of graphite. Around the graphite crucible 3, a graphite felt 7 for heat shield was installed. As the double quartz tube 5, a tube that can be evacuated at high vacuum (10 −3 Pa or less) by the vacuum evacuation device 11 and that can control the pressure of the internal atmosphere with Ar gas. Further, a work coil (high frequency coil) 8 is installed on the outer periphery of the double quartz tube 5, and the graphite crucible 3 is heated by flowing a high frequency current to heat the raw material and the seed crystal to a desired temperature. can do. The temperature of the crucible was measured using a two-color thermometer by providing an optical path with a diameter of 2 to 4 mm at the center of the felt covering the upper and lower parts of the crucible and extracting light from the upper and lower parts of the crucible. The temperature at the bottom of the crucible was the raw material temperature, and the temperature at the top of the crucible was the seed temperature.
[0030]
Next, an example of manufacturing using this crystal growth apparatus will be described.
[0031]
First, a hexagonal SiC single crystal wafer having a (0001) face with a diameter of 50 mm was prepared as a seed crystal. The seed pipe had a micropipe defect density of 50 / cm 2 . Next, a slit-like groove having a width of 3.0 mm, an aspect ratio of 1, and a surface occupation ratio of 1.5 was formed on the surface of the seed crystal by machining. The processing damaged layer formed on the seed crystal surface by this machining was removed by etching with a chemical solution. As a comparative example, a seed crystal (micropipe defect density of 50 / cm 2 ) that was not machined was also prepared. Each SiC single crystal seed crystal thus produced was attached to the inner surface of the lid 4 of the graphite crucible 3. The graphite crucible 3 was filled with SiC powder 2. Next, the graphite crucible 3 filled with the raw material is closed with a lid 4 fitted with a seed crystal, covered with a graphite felt 7, placed on a graphite support rod 6, and installed inside the double quartz tube 5. did. Then, after evacuating the inside of the quartz tube, a current was passed through the work coil (high frequency coil) 8 to raise the raw material temperature to 2000 ° C. Thereafter, Ar gas was introduced as an atmospheric gas, and the raw material temperature was raised to the target temperature of 2400 ° C. while maintaining the pressure in the quartz tube at about 80 kPa. The growth pressure was reduced to 1.3 kPa over about 30 minutes, and then the growth was continued for about 20 hours. At this time, the temperature gradient in the crucible was 15 ° C./cm, and the growth rate was about 0.7 mm / h. The crystal obtained from any seed crystal also had a diameter of 51.5 mm and a height of about 14 mm.
[0032]
The SiC single crystal thus obtained was analyzed by X-ray diffraction and Raman scattering. As a result, it was confirmed that a hexagonal SiC single crystal grew. For the purpose of evaluating micropipe defects, {0001} plane wafers were taken out by cutting and polishing the latter half of each grown single crystal ingot. Thereafter, the wafer surface was etched with molten KOH at about 530 ° C., and the number of large hexagonal etch pits corresponding to micropipe defects was examined with a microscope, and was obtained from the grooved SiC single crystal seed crystal of the present invention. In the wafer, the micropipe defect density was 25 / cm 2, which was significantly reduced from the defect density of the original seed crystal, whereas in the wafer obtained from the seed crystal without grooves, the defect density was 50 / cm 2 . It was the same as the defect density of the seed crystal.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, when the seed crystal of the present invention is used, in the SiC single crystal growth by the improved Rayleigh method, a high-quality SiC single crystal with few crystal defects such as micropipe defects can be grown with good reproducibility and homogeneity. Can do. If SiC single crystal wafers obtained from SiC ingots grown in this way are used, blue light-emitting elements with excellent optical characteristics and high-voltage / environment-resistant electronic devices with excellent electrical characteristics can be manufactured with high yield. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of an improved Rayleigh method.
FIG. 2 is a diagram illustrating a crystal growth process using a seed crystal of the present invention.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a single crystal growth apparatus used in an example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Seed crystal (SiC single crystal)
2 SiC powder 3 Graphite crucible 4 Graphite crucible lid 5 Double quartz tube 6 Support rod 7 Graphite felt 8 High-frequency coil 9 Ar gas piping 10 Ar gas mass flow controller 11 Vacuum exhaust device 101 Seed crystal 102 SiC crystal Powder 103 crucible 104 inert gas 105 growth crystal

Claims (4)

炭化珪素単結晶からなる種結晶であって、該種結晶の単結晶成長面に、幅が2〜10mmである溝を有してなる炭化珪素単結晶育成用種結晶。A seed crystal for growing a silicon carbide single crystal, which is a seed crystal composed of a silicon carbide single crystal, and has a groove having a width of 2 to 10 mm on a single crystal growth surface of the seed crystal. 前記溝の幅/深さで表わされる溝のアスペクト比が、0.1〜1.5である請求項1に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶。2. The seed crystal for growing a silicon carbide single crystal according to claim 1, wherein an aspect ratio of the groove represented by the width / depth of the groove is 0.1 to 1.5. 前記種結晶の単結晶成長面における、溝の表面占有比が、0.2〜10である請求項1又は2に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶。In the single crystal growth surface of the seed crystal, the surface occupation ratio of the grooves, the silicon carbide single crystal growth for seed crystal according to claim 1 or 2 is 0.2 to 10. 請求項1〜の何れか1項に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶を用いて、昇華再結晶法により前記種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる工程を包含する炭化珪素単結晶の製造方法。A silicon carbide single crystal comprising a step of growing a silicon carbide single crystal on the seed crystal by a sublimation recrystallization method using the silicon carbide single crystal growing seed crystal according to any one of claims 1 to 3. Manufacturing method.
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