JP4553489B2 - 炭化珪素のバルク単結晶の生成 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、半導体材料の成長に関する。より具体的には、本発明は、ダイヤモンドの代用品もしくは他の所望の用途として、エレクトロニクス産業界で使用される炭化珪素の低欠陥密度、低不純度バルク単結晶の生成に関する。
【0002】
発明の背景
炭化珪素(SiC)は、自然には稀にしか発見されない。しかし、それは、80年以上にも渡って研磨製品用に結晶形で製造されてきた。自然および研磨製品に見られる炭化珪素結晶は、一般に黒く、半透明でないが、それはそれらの結晶が相当なレベルの不純度原子を含むからである。
【0003】
1950年代に、レリープロセスが、ゼネラルエレクトリック社で開発され、それにより炭化珪素を昇華し、ランダムに堆積させて、初期の炭化珪素半導体装置発展に使用された小さく薄い炭化珪素結晶を生成した。
【0004】
炭化珪素の理論的に極めて有利なエレクトロニック特性ゆえに、有意の発展活動が、1960年代および1970年代に、半導体装置の製造に使用する低不純度炭化珪素の大きな(バルク)結晶を成長させる目的で、着手された。これらの試みは、最終的に、比較的低不純度の半透明炭化珪素結晶の市販をもたらした。これらの炭化珪素結晶が成形され、半導体装置に有用な非常に薄い緑、琥珀色もしくは青(175μm〜400μm)のスライスとして市場に出ている。
【0005】
近年、米国特許第5,723,391号に討議されるように、比較的低不純度の半透明単結晶炭化珪素を、所望の色を有して成長させ、その後切り子面を刻み、合成半貴石(gemstone)に磨き上げることにより仕上げることができることが発見された。これらの半貴石は、異常な硬度、靭性、化学および熱安定性、ならびに比類なき輝度を生む高屈折率および分散性を有する。半貴石を生む単結晶を、米国特許第Re.34,061号に記載の型の技術による昇華により成長させてきた。
【0006】
炭化珪素結晶は、広範囲の色(緑、青、赤、紫、黄、琥珀色および黒を含む)および各色内の色合いで、ドーパントの適宜の選択により、ネットドーピング密度(濃度)を変化させて成長させることができる。その広いバンドギャップゆえに、六角もしくは斜方六面形状の未ドープ(「固有」)炭化水素結は、先天的に無色である。かくて、炭化珪素結晶は、比較的無色のダイヤモンドのそれを含めて種々雑多の外見の半貴石へと、切り子面が刻まれ、磨かれるポテンシャルを提供する。
【0007】
エレクトロニクス用途、合成半貴石用途および他のための炭化珪素の価値認識が出現しているゆえに、炭化珪素の低欠陥密度、低不純度バルク単結晶を生成する改善されたプロセスに対する要求が、発展している。
発明の要約
本発明は、炭化珪素の低欠陥密度、低不純度バルク単結晶を確実に生成することを可能とする。
【0008】
本発明は、1つの基本的側面において、バルク単結晶性炭化珪素を成長させるために必要なSiおよびCを含む蒸気種を、種結晶に堆積させる方法である。Si蒸気種は、珪素を気化させて珪素源蒸気を生成することにより与えられる。炭素蒸気種は、炭素源ガスを系に噴射すること、もしくは珪素源蒸気を多孔質炭素含有固体、例えば、多孔質黒鉛もしくは黒鉛粒子床、を通して流すことにより与えられる。炭素源ガスは、N2キャリヤーと混合したCNの形を取り得る。
【0009】
本発明の特徴のいくつかを述べたが、他の特徴は、下記の図面とともに見ると、記載が進むにつれて明らかとなろう。
発明の詳細な説明
以下、本発明を実践する好ましい方法の側面が示される下記の図面を参照して、本発明をさらに十分に記載するが、当業者が本発明の有利な結果を達成しながら本明細書に記載される本発明を改変できることは、以下の記載の最初で理解すべきである。したがって、以下の記載は、当業者に向けられた広義の教示開示であり、本発明の限定ではないことを、理解すべきである。
【0010】
図面、具体的には図1および2を参照すると、本発明によるSiCのバルク単結晶を成長させる総合系10の主要部品の模式図が示されている。成長系10は、20で一般に示される中央副集成部品を含む。この中央副集成部品は、るつぼ90の形の結晶成長閉鎖容器、加熱装置51、熱シンク67、種ホルダー70、エフュージョン系100および関連構造を含み、それらはすべて種結晶を維持し、結晶成長作動中成長結晶界面で環境を制御する役目を果たす。系10には、SiおよびCの蒸気種をるつぼ90に与えるための副集成部品150も含まれる。副集成部品150には、気化されてSi源蒸気を与えるSiを保持する下方るつぼ160、およびC源蒸気を与える源ガスを噴射するガスインゼクター170が含まれる。SiおよびC源蒸気は、導管175によりるつぼ90の底部に導入される。副集成部品20および150のさらなる詳細は、本明細書で後述される。
【0011】
炉チャンバー30は、副集成部品20および150を密閉する。チャンバー30は、316ステンレススチールもしくは他の適宜の材料から形成され、当業界で周知の原理により水冷される(詳細は示されていない)。10トル以下のチャンバー30内の系統圧力は、真空ポンプ装置38と一続きに配置される絞り弁34(例えば、米国マサチューセッツ州アンドーバーのMKS Instruments,Inc.製直径3インチの絞り弁)により制御される。当業界で既知の技術により、真空ポンプ装置38は、系統圧力を10-3トルに減少するためのメカニカルポンプ40、および系を10-5トルにポンプで下げるためのターボ分子ポンプ42からなる。10トル以上の圧力制御は、やはり真空ポンプ装置38と一続きである磁気制御弁48を通して維持される。系統圧力は、MKS Instruments,Inc.のモデルNo.390などの高精度温度制御絶対キャパシタンスマノメーター50で、10-3トルから1,000トルまで測定される。
【0012】
系10への熱は、水平薄板加熱体52および円筒形加熱体53を含む抵抗加熱装置51により供給され、その両方とも黒鉛もしくはタングステンから形成できる。絶縁材55は、系の低部品を保護する役目を果たす。温度制御は、加熱体52の裏に置かれる光学高温計54(図1)により、容易にされる。高温計54は、電力供給器60の出力を制御することにより、設定値での温度を維持するディジタル温度制御器56に一定の入力信号を与える。当業界で既知の原理により、加熱体により生じた熱を、チャンバー30のステンレススチールの壁から、好ましくは黒鉛から形成された、熱シールド62により遮断する。
【0013】
水平板加熱体により取られた正確な形にもかかわらず、そのような配置は、系が大きな直径の成長結晶界面を横切って非常に均一な熱分布を維持することを可能とし、大きな直径のバルク単結晶の成長および高さ(H)対直径(D)の非常に低い比率を有するるつぼの使用を可能とする。
【0014】
種結晶72から熱を整合し、維持し、伝達するメカニズムには、種72を受け取るために底部にリップ構造70を有するチューブ68を含んでなる熱シンク67が含まれる。熱シンク67には、チューブ68に突き通され、種にしっかりとプレスするように種に固く締められる熱シンクロッド76も含まれる。チューブ68およびロッド76は、好ましくは非常に高い熱伝導性を有する高密度黒鉛から形成される。
【0015】
図3を参照すると、種冷却系のさらなる詳細が示される。これに関し、ロッド76は、水冷ステンレススチールロッド79に接続されている。ステンレススチールロッド79およびロッド76を通る水の流量は、調整されて光学高温計80により読み取られるような所望の種温度を維持する。好ましくは、この系は、光学高温計80からの信号を、熱シンクへの水の流量を制御する弁84に電子工学的に結合された電子制御器82に入力することにより、自動化される。制御器82は、ROMもしくは他の適宜のメモリーロケーションにルックアップテーブルを含むコンピュータ85からその命令を受ける。ルックアップテーブルは、成長結晶界面が源に近づくにつれて、結晶界面で定温度を維持するために、光学高温計80の読み取る地点での温度が結晶成長サイクルで減少しなければならない程度を示す経験的に誘導されたデータから造られる。かくて、熱シンクの熱伝達速度は、成長結晶界面で定温度を維持するために必要な結晶成長サイクル中に増加する。
【0016】
図1を参照すると、系10は、加熱体の熱不連続性の効果を減衰させ、成長結晶界面を横切って均一な熱分布を与えるために、結晶成長サイクルの間種結晶を垂直軸の周りを回転させるためのメカニズム95(模式的に示される)を与える。これに関し、図1および2の中央副集成部品20の構造は、熱シンク67にしっかりと留めたるつぼ90を、るつぼ底部が平らな加熱体52の上の選ばれた距離であるように、1つの実施態様ではおよそ2mm上であるが、チャンバー30内で懸架させる。このために、熱シンクは、98でチャンバー30の上部により支持され、メカニズム95、好ましくはパルスモーターにより回転できる。かくて、るつぼ90の底部は、加熱体からるつぼへの熱伝達における熱不連続性が衰退するように、加熱体52の上で回転する。
【0017】
好ましくは、副集成部品20には、結晶が成長するにつれてそれを上げ、それにより成長サイクルの間じゅう同じ相対位置に成長結晶界面を維持する引張メカニズムも含まれる。このために、るつぼ90は、成長チャンバー内に外スリーブにより固定して維持され、一方熱シンクおよび種は、チャンバーの上部から垂れ下がる。かくて、熱シンクおよび種は、結晶が成長する速度に相当する速度で上方(矢印P)に引っ張り上げられるように、るつぼから離れている。種の引張は、パルスモーターに結合された密閉ループ制御器により成就できる。代替として、成長速度は、計算もしくは観察された速度に合わせてプログラムされた引張メカニズムとともに、観察された変遷的成長情報から計算もしくは見積もりできる。結晶が引っ張られると、結晶成長界面での温度を制御する系は、コンピュータを利用することなく図3に示される制御器の形状を取ることができる。光学温度計80が成長サイクルの間じゅう結晶成長界面に関して同じ位置に向けられるので、感知される温度は、コンピュータおよび結晶成長による界面の移動を修正するためのルックアップテーブルの使用を必要とすることなく、いつも結晶界面での温度を直接反映する。
【0018】
図1および2に示される系において、液体Siを特定の温度に加熱することにより生成されるSi源蒸気は、成長るつぼ90内のC源蒸気と結合して源蒸気の所望の流量および化学量論を生む。種結晶72により与えられる成長結晶界面近くの成長るつぼ内部の領域は、反応して成長結晶界面で単結晶性SiCを形成するSiおよびCと飽和となる。上述したように、液体Siは、必要に応じて、冷るつぼの場合のように、BN絶縁体リングもしくは物理的ギャップ、あるいは他の適宜の手段により電気的に絶縁できる下方るつぼ内に含まれる。るつぼ160は、冷るつぼ、例えば、その内容物が図2に示されるような水冷誘導加熱コイル162により加熱される水冷銅るつぼでもよい。代替として、るつぼ160は、高密度黒鉛、熱分解黒鉛、炭化珪素被覆黒鉛、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムもしくは窒化硼素から形成されていてもよい。これらのるつぼは、適宜に抵抗加熱もしくは誘導加熱により加熱できる。C含有源ガスは、ガスインゼクター170を通って導入される。1つの実施態様において、C含有源ガスは、N2などの適宜のキャリヤーガスに輸送されるCNである。C含有源ガスの流量は、CNの場合には、所望の流量のN2におけるCNが生成されるように高温(例、>850℃)でパラシアノゲンを横切ってN2の流量を制御する熱質量制御器165を利用するなど、適宜の装置により達成される。CNは、テトラシアノエチレンもしくはヘキサシアノブタジエンなどの他のCN含有化合物を気化させることにより得られる。さらに、CN2およびCxN(ここでは、xは2〜13である)などの他のCN含有化合物を、CNガスの固体源として使用できる。液体Siは、るつぼ内に維持される条件下で適切な蒸気流速、特にるつぼ圧力を造るのに十分な温度に維持される。好ましくは、導管175には、Si源蒸気の成長るつぼ90への導入を容易にするために、液体Siの上に水平じゃま板190が含まれる。より具体的には、中央開口部192を含む水平じゃま板190は、Si源蒸気が流れて圧力勾配および結果としてるつぼ90へと移動するSi蒸気に速度増加を造る流れ路を横切って延びる。この配置は、CNもしくは他のガスの液体Siへのバック拡散を減少する役目を果たし、一方Si源蒸気を成長結晶界面の方に推進する役目も果たす。
【0019】
るつぼ150に維持される圧力は、主にるつぼ温度でのSiの蒸気圧の機能である。この蒸気圧は、るつぼ90へのSi蒸気流れを助長するためにるつぼ90内に維持される圧力よりも大きくあるべきである。さらに、インゼクター170により導入されたC含有ガスは、C含有ガスがるつぼ90の底部に流れるのを助長するに十分な速度を有するべきである。これに関し、円筒形ヒーター180は、導管175がるつぼ150の温度よりも高いが、るつぼ90の底部の温度よりも低い温度で維持されるように、使用できる。かくて、SiおよびC蒸気がるつぼ90に入ると、反応および結晶成長に適する蒸気種の形成を助長する非常に高い温度に直ちに曝露される。
【0020】
図2は、蒸気中の不純原子/分子および非化学両論的蒸気成分を成長結晶界面から一掃し、一方過剰キャリヤーガス(例、N2)をるつぼから換気するために使用されるエフュージョン系を示す。エフュージョン系には、噴射CN+N2ガスを用いる上述の系の場合に、エフュージョンガスをFeゲッターリング炉210に運ぶエフュージョン出口開口部200が含まれる。高SiおよびC源蒸気流れをるつぼ90へ与える系の能力ゆえに、るつぼ90内に所望の飽和レベルを維持しながら、比較的高いエフュージョン速度を用いることができる。使用可能な種々のエフュージョン系のさらなる詳細は、その内容がすべて本明細書に取り込まれる本出願人の米国特許第5,858,086号に記載されている。
【0021】
図4は、図2に類似するが、それを通って、もしくは上をSi源蒸気が流れるるつぼ90内のC含有固体源410によりC蒸気種が与えられる系400を示す。この実施態様によれば、C含有源ガスを、系に導入する必要はない。固体源410は、好ましくは多孔質黒鉛、もしくは比較的大きな粒度、例えば、直径およそ3mm〜5mmの黒鉛粒子の床など、ガス透過性媒体である。系400の操作は、種々の使用のために、特にその内容がすべて本明細書に取り込まれる米国特許第5,723,391号の原理によりSiC半貴石に仕上げることができる合成材料として、成長させることができるSiCの純バルク単結晶の生成に特によく適する。より具体的には、超純Si溶融材料および超純黒鉛粒子の入手可能性が、固有形で、模造ダイヤモンドとして役目を果たすのに必要な程度まで無色である非常に純なSiC結晶、例えば、6HSiC結晶を生成することを可能とする。無色材料が必要でないところでは、C含有固体源410は、CN2およびCxN(ここではxは2〜13である)の粒子床の形を取ることができる。
【0022】
実施例I
バルク単結晶性SiCを、Si源蒸気を与えるために純Si液体を、およびC源蒸気を与えるためにCN+N2ガスを用いて、図1〜3の系10で成長させる。
【0023】
直径1.50インチ、厚さ1.0mmの単結晶性6HSiC種を、高密度黒鉛熱シンクチューブ68の底部に置き、熱シンクロッドを通して加えられた圧力により所定の場所にしっかりと留める。
【0024】
エフュージョン系成分を、るつぼに適切に配置し、高密度黒鉛外スリーブを所定の場所にねじで留める。ついで、装置全体を、結晶成長炉チャンバー30に積み込む。チャンバーを密閉した後、系を、20分間の直線勾配でメカニカル真空ポンプにより10-3トルにポンプで下げる。ターボ分子ポンプを、30分でチャンバー圧力を10-5トルに減少するために使用する。成長チャンバーを、高純度N2で760トルの圧力に裏込めする。ついで、るつぼ90を、300℃の温度に加熱する。次に、成長チャンバーを、10-3トルの圧力にポンプで下げる。ついで、系を、高純度N2で1,000トルの圧力に裏込めする。
【0025】
圧力を、磁気制御弁を通してガスを絞ることにより1,000トルで一定に維持し、一方るつぼ90の底部温度は、光学高温計で測定すると、2時間15分間かけて直線勾配で300℃から2,300℃に上げられる。
【0026】
次に、系統圧力を、30分間かけて直線勾配で0.3トルに減少する。種の温度は、光学高温計で測定すると、熱シンクへの水の流量を調整することにより2,105℃で維持される。
【0027】
下方るつぼ160を1,650℃に加熱し、1トル程度のSi蒸気圧を生む。Si蒸気は、導管175を通ってるつぼ90に流れ、そこで圧力はおよそ0.4トルで維持される。
【0028】
次に、95%N2/5%CNガスを、130標準cm3/分の全速度でガスインゼクター170および124にMSK Instrumentsの質量流量制御器により流す。
【0029】
最後に、垂直上げ/下げメカニズムを設定して、2.1mm/時間の速度で種を引き上げる。
ついで、系を、Feゲッターリング炉210に向けられたエフュージョンで24時間この形状に維持する。次に、るつぼ90の底部温度を、1時間30分間かけて直線勾配で2,300℃から1,200℃に下げる。ついで、加熱体への電力が1時間で直線勾配で0に減少すると、系を、1時間かけて直線勾配で760トルの圧力に窒素で裏込めする。2時間後、るつぼを、結晶成長チャンバーから取り出す。結果として得られる窒素ドープSiC単結晶は、直径2インチ、高さ46〜50mmで、n型である。
【0030】
実施例II
バルク単結晶性SiCを、Si源蒸気を与えるために純Si液体を、およびC源蒸気を与えるために純黒鉛粒子床410を用いて、図4の系400で成長させる。
【0031】
直径1.50インチ、厚さ1.0mmの単結晶性6HSiC種を、高密度黒鉛熱シンクチューブ68の底部に置き、熱シンクロッドを通して加えられた圧力により所定の場所にしっかりと留める。
【0032】
エフュージョン系成分を、るつぼに適切に配置し、高密度黒鉛外スリーブを所定の場所にねじで留める。ついで、装置全体を、結晶成長炉チャンバー30に積み込む。チャンバーを密閉した後、系を、20分間の直線勾配でメカニカル真空ポンプにより10-3トルにポンプで下げる。ターボ分子ポンプを、30分でチャンバー圧力を10-5トルに減少するために使用する。成長チャンバーを、高純度アルゴンで760トルの圧力に裏込めする。ついで、るつぼ90を、300℃の温度に加熱する。次に、成長チャンバーを、10-3トルの圧力にポンプで下げる。ついで、系を、高純度アルゴンで1,000トルの圧力に裏込めする。
【0033】
圧力を、磁気制御弁を通してガスを絞ることにより1,000トルで一定に維持し、一方るつぼ90の底部温度は、光学高温計で測定すると、2時間15分間かけて直線勾配で300℃から2,300℃に上げられる。
【0034】
次に、系統圧力を、30分間かけて直線勾配で0.3トルに減少する。種の温度は、光学高温計で測定すると、熱シンクへの水の流量を調整することにより2,105℃で維持される。
【0035】
下方るつぼ160を1,650℃に加熱し、1トル程度のSi蒸気圧を生む。Si蒸気は、導管175を通ってるつぼ90に流れ、そこで圧力はおよそ0.4トルで維持される。Si蒸気は、黒鉛粒子床を通って流れ、必要な蒸気種を生む。
【0036】
最後に、垂直上げ/下げメカニズムを設定して、1.2mm/時間の速度で種を引き上げる。
ついで、系を、Feゲッターリング炉210に向けられたエフュージョンで24時間この形状に維持する。次に、るつぼ90の底部温度を、1時間30分間かけて直線勾配で2,300℃から1,200℃に下げる。ついで、加熱体への電力が1時間で直線勾配で0に減少すると、系を、1時間かけて直線勾配で760トルの圧力にアルゴンで裏込めする。2時間後、るつぼを、結晶成長チャンバーから取り出す。結果として得られるSiC単結晶は、直径2インチ、高さ28〜32mmで、半貴石用途に使用するダイヤモンド代用品材料として役目を果たすのに必要な程度まで無色である。
【0037】
本発明により成長結晶界面でバルク単結晶性SiCを成長させるために使用される技術の記載において、「堆積させる」、「蒸気種を堆積させる」などの語が、ときどき用いられる。
【0038】
Si源蒸気が生成するSiを液体として記載してきたが、ある圧力および温度条件下ではSiを固体形から気化させることができることが、理解されよう。
ある温度および圧力条件下では、C2N2はCNよりも安定であり得ることが、理解されよう。かくて、本明細書で「CN含有ガス」、「CN含有源ガス」などの語が用いられるときは、C2N2を含有するガスも称する。
【0039】
本発明をいくつかの図示した実施態様に関連して記載したが、本発明の真の精神および範囲から逸脱しない限り、改変がなされ得ることは、理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明により炭化珪素のバルク単結晶を成長させる1つの総合系の略図である。
【図2】 気化されたSiを含むるつぼ、炭素含有ガスの源、種結晶を含む結晶成長閉鎖容器、および図1の結晶成長系の関連部品の側面図である。
【図3】 結晶界面用密閉ループ温度制御系の略図とともに示される図2の中央副集成部品の熱シンクの簡易化描写である。
【図4】 図2に類似するが、炭素蒸気種が多孔質黒鉛もしくは黒鉛粒子床などのSi源蒸気が通って流れる固体源により与えられる系を示す図である。
Claims (12)
- 下記工程を含んでなる、バルク単結晶性SiCを生成する方法:
Siを気化させてSi源蒸気を生成し;
Si源蒸気を、結晶成長界面を含む結晶成長閉鎖容器に導入し;
CN含有ガスを結晶成長閉鎖容器に導入して炭素蒸気種を与え;そして
SiおよびCの蒸気種を、バルク単結晶性SiCの成長を指令する条件下で結晶成長界面に堆積させる。 - 前記Siを、1,100〜2,200℃の範囲の温度で気化させる工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記結晶成長界面が、SiC種結晶を含んでなる、請求項1に記載の方法。
- 前記CN含有ガスにN2キャリヤーガスを与える工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記CN含有ガスを、CN含有化合物を気化させることにより与える工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記CN含有化合物が、パラシアノゲン、テトラシアノエチレン、ヘキサシアノブチエン、CN2およびCxN(ここでは、xは2〜13である)からなる群より選ばれる、請求項5に記載の方法。
- 結晶成長界面のエフュージョンを与え、エフュージョンガスをゲッターリング炉に輸送する工程を含む、請求項1に記載の方法。
- 下記工程を含んでなる、n型バルク単結晶性SiCを生成する方法:
Siを気化させてSi源蒸気を生成し;
Si源蒸気を、結晶成長界面を含む結晶成長閉鎖容器に導入し;
CNを含む源ガスを、結晶成長閉鎖容器に導入してC蒸気種およびNドーパント原子を与え;そして
SiおよびCの蒸気種を、バルク単結晶性SiCの成長を指令する条件下で結晶成長界面に堆積させ、一方N原子をドーパント原子として結晶に取り込む。 - 前記CN源ガスを、N2キャリヤーとともに導入する工程を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記CNを含む源ガスを、CN含有化合物を気化させることにより与える工程を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記CNを含む源ガスが、パラシアノゲン、テトラシアノエチレン、ヘキサシアノブチエン、CN2およびCxN(ここでは、xは2〜13である)からなる群より選ばれる、請求項9に記載の方法。
- 下記工程を含んでなる、バルク単結晶性SiCを生成する方法:
Siを気化させてSi源蒸気を生成し;
Si源蒸気を、結晶成長界面を含む結晶成長閉鎖容器に導入し;
CN 2 およびC x N(ここでは、xは2〜13である)からなる群より選ばれる粒子の床を含む炭素含有固体材料の上もしくはそれを通してSi源蒸気を流すことによって、炭素蒸気種を結晶成長閉鎖容器に与え;そして
SiおよびCの蒸気種を、バルク単結晶性SiCの成長を指令する条件下で結晶成長界面に堆積させる。
Applications Claiming Priority (3)
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