JP4603386B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素単結晶の製造方法に関し、特に、電子デバイスの基板ウェハとなる良質で大型の単結晶インゴットが得られる炭化珪素単結晶の製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、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ェハとしてＳｉＣ単結晶ウェ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。

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。また、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ＳｉＣ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％あることにより、積層欠陥等の結晶欠陥が入り易く、高品質のＳｉＣ単結晶を得ることは難しい。

これらの問題点を解決するために、ＳｉＣ単結晶ウェ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（非特許文献１）、多くの研究機関で実施されている。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、不活性ガスにより雰囲気圧力を１００Ｐａ〜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ールできる。

図１を用いて、改良レーリー法の原理を説明する。種結晶１０１となるＳｉＣ単結晶と、原料１０２となるＳｉＣ結晶粉末は、坩堝１０３（通常黒鉛製）の中に収納され、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中（１３３〜１３．３ｋＰａ）、２０００〜２４００℃に加熱される。坩堝１０３は坩堝蓋１０４によってふさがれている。結晶成長に際しては、原料１０２の粉末に比べ、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１０２は、昇華後、濃度勾配（温度勾配により形成される）により種結晶方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶１０１に到着した原料ガスが種結晶１０１上で再結晶化することにより実現されて成長結晶１０５ができる。

成長させた単結晶の抵抗率は、この成長過程において、不活性ガスからなる雰囲気中に不純物ガスを添加する、あるいは、ＳｉＣ原料粉末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、制御可能である。ＳｉＣ単結晶中の置換型不純物としては、代表的なものに、窒素（ｎ型）、ホウ素（ｐ型）、アルミニウム（ｐ型）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。

上記ＳｉＣ単結晶は、主要な面方位として｛０００１｝面（ｃ面）と、｛０００１｝面に垂直な｛１１−２０｝面（ａ面）及び｛１−１００｝面（ｍ面）を有している。従来よりＳｉＣ単結晶を得る方法としては、｛０００１｝面もしくは｛０００１｝面からオフ角度１０°以内の面を種結晶成長面として用いて、改良レーリー法によりＳｉＣ単結晶を成長させる、いわゆるｃ面成長が用いられてきた。その結果、現在、口径２インチ（５０．８ｍｍ）から３インチ（７６．２ｍｍ）のＳｉＣ単結晶ウェハが製造され、エピタキシャル薄膜成長、デバイス作製に供されている。

しかしながら、これらのＳｉＣ単結晶ウェハには、成長方向（結晶ｃ軸方向）に貫通するマイクロパイプ欠陥が１〜１００ｃｍ^−２程度、転位欠陥が１０^４〜１０^５ｃｍ^−２程度含まれており、高性能のデバイス製造を妨げていた。また、これらマイクロパイプ欠陥、転位欠陥は、その大部分が結晶成長の成長開始時に導入されることが、非特許文献２記載されている。

ｃ軸方向にほぼ平行に伝播するマイクロパイプ欠陥及び貫通転位欠陥は、｛０００１｝面からの傾きが６０〜１２０°（好ましくは９０°）の面、例えば、ａ面あるいはｍ面を種結晶として用いて、＜０００１＞方向、即ち、ｃ軸方向とほぼ垂直方向にＳｉＣ単結晶を成長させることにより、完全に防止できることが、特許文献１に開示されている。

しかしながら、この方法では、マイクロパイプ欠陥及びｃ軸方向に貫通する転位欠陥は完全に抑制できるものの、ｃ軸に垂直方向に存在する基底面転位は残存し、また、新たに積層欠陥が発生すると言う問題が生じることが、非特許文献３に開示されている。

一方、特許文献２には、Ｎ回（Ｎは、Ｎ≧３の自然数）の成長工程を有し、ｎ＝１である第１成長工程においては、｛１−１００｝面からオフ角±２０°以下の面、又は、｛１１−２０｝面からオフ角±２０°以下の面を第１成長面とした第１種結晶を用いて、上記第１成長面に直交する方向にＳｉＣ単結晶を成長させ第１成長結晶を作製し、ｎ＝２、３、…、（Ｎ−１）回目（Ｎ≧３の自然数）である中間成長工程においては、第（ｎ−１）成長面より４５〜９０°傾き、且つ、｛０００１｝面より６０〜９０°傾いた面を第ｎ成長面とした第ｎ種結晶を第（ｎ−１）成長結晶より作製し、この第ｎ種結晶の第ｎ成長面に直交する方向に第ｎ成長結晶を作製し、ｎ＝Ｎである最終成長工程においては、第（Ｎ−１）成長結晶の｛０００１｝面よりオフ角度±２０°以下の面を最終成長面とした最終種結晶を第（Ｎ−１）成長結晶より作製し、この最終種結晶の最終成長面に直交する方向にバルク状のＳｉＣ単結晶を作製しすることにより、マイクロパイプ、らせん転位、刃状転位、及び積層欠陥をほとんど含まない高品質なＳｉＣ単結晶の製造方法が記載されている。
特開平５−２６２５９９号公報 特開２００３−１１９０９７号公報 Ｙｕ． Ｍ． Ｔａｉｒｏｖ ａｎｄ Ｖ． Ｆ． Ｔｓｖｅｔｋｏｖ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌ．５２ （１９８１） ｐｐ．１４６−１５０ Ｊ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌ．１６７ （１９９６） ｐｐ．５９６−６０６ Ｊ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌ．１８１ （１９９７） ｐｐ．２２９−２４０

しかしながら、先に述べた特許文献２に記載されている方法では、単結晶の成長方向がｃ軸方向（｛０００１｝面の垂直方向）から大きく傾いた方向（傾角：６０°以上）となっているために、大口径の｛０００１｝面ウェハを得ようとした場合には、ほぼその口径に相当する長さまで結晶を成長することが必要となる。そのため、結晶成長に要する時間が長時間化し、結晶製造の生産性が低下する。さらに、ＳｉＣ単結晶成長においては、原料や坩堝の経時変化等により、最適成長条件を長時間に亘って維持するのは一般に難しい。その結果、長尺結晶の高品質化は困難なものとなる。したがって、特許文献２に記載されている方法では、結晶成長の長時間化に伴って、結晶成長の歩留まりが低下し、結晶製造コストが著しく増加してしまっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、マイクロパイプ欠陥、転位欠陥の少ない良質の大口径｛０００１｝面ウェハを、再現性良く低コストで製造し得るためのＳｉＣ単結晶の製造方法を提供するものである。

本発明は、以下のように構成される。

（１）ＳｉＣ単結晶よりなる種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させてバルク状のＳｉＣ単結晶インゴットを製造する製造方法において、該製造方法はＮ回（Ｎは、Ｎ≧２の自然数）の成長工程を含み、各成長工程を第ｎ成長工程（ｎは自然数であって１から始まりＮで終わる序数）として表した場合、｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した傾斜面を成長面上に有する共に、該種結晶の結晶成長面が裏面に対して傾斜しているＳｉＣ単結晶育成用種結晶を用いてＳｉＣ単結晶インゴットを成長させ、その成長した単結晶インゴットから再び｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した傾斜面を成長面上に有する共に、該種結晶の結晶成長面が裏面に対して傾斜しているＳｉＣ単結晶育成用種結晶を切り出し、ＳｉＣ単結晶成長をＮ回繰返すＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法であって、前記第（ｎ−１）成長工程で使用した種結晶の傾斜面の傾斜方向と第ｎ 成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向との｛０００１｝面内における角度差が４５°以上１３５°以下であるＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。

（２）前記｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した傾斜面が、成長面上に複数有する炭化珪素単結晶用種結晶である（１）に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
（３）前記種結晶の傾斜面と｛０００１｝面の間の角度が４５°以上９０°未満である（１）又は（２）に記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。

（４）前記第（ｎ−１）成長工程で使用した種結晶の傾斜面の傾斜方向と第ｎ成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向との｛０００１｝面内における角度差が６０°以上１２０°以下である（１）〜（３）のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。

（５）前記第１成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向が｛０００１｝面内において＜１−１００＞方向を中心に−１５°以上１５°以内にある（１）〜（４）のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。

（６）前記第１成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向が｛０００１｝面内において＜１１−２０＞方向を中心に−１５°以上１５°以内にある（１）〜（４）のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法。

本発明の製造方法を用いれば、転位欠陥が少ない良質のＳｉＣ単結晶を再現性良く低コストで成長させることができる。このようなＳｉＣ単結晶から切り出したウェハ及びエピタキシャルウェハを用いれば、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周波・高耐圧電子デバイスを製作することができる。

本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法は、Ｎ回（Ｎは、Ｎ≧２の自然数）の成長工程を含み、各成長工程を第ｎ成長工程（ｎは自然数であって、１から始まりＮで終わる序数）として表した場合、｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した傾斜面を成長面上に有するＳｉＣ単結晶育成用種結晶を用いてＳｉＣ単結晶インゴットを成長し、その成長した単結晶インゴットから再び｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した傾斜面を成長面上に有するＳｉＣ単結晶育成用種結晶を切り出し、ＳｉＣ単結晶成長をＮ回繰返すＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法であって、第（ｎ−１）成長工程で使用した種結晶の傾斜面の傾斜方向と第ｎ成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向との｛０００１｝面内における角度差を４５°以上１３５°以下とすることにより、転位欠陥を低減し、さらに大口径の｛０００１｝面ウェハを低コストで得ることができる。

なお、本発明において、｛０００１｝、｛１−１００｝、及び｛１１−２０｝は、いわゆる結晶面の面指数を表している。上記面指数において、「−」記号は通常数字の上に付されるが、本明細書及び図面においては書類作成の便宜上のため数字の左側に付した。また、＜０００１＞、＜１−１００＞、及び＜１１−２０＞は、結晶内の方向を表し、「−」記号の取扱いについては、上記面指数と同様である。

図２を用いて、本発明の効果を説明する。本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に模式的に示された｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した面を成長面上に有する種結晶上に、ＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とする。図２（ａ）は、傾斜面を成長面上に有する種結晶を上方（結晶成長方向である＜０００１＞方向）から見た図であり、図２（ｂ）は、同じ種結晶を側方（この場合、＜１−１００＞あるいは＜１１−２０＞方向）から見た図である。

この図の場合、種結晶の中心から左右対称に傾斜面を有し、それぞれの傾角は、｛０００１｝面に対し、±α°（２０≦α＜９０）となっている。但し、傾斜面の形態は、以下に述べる効果を発現するものであれば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示された形態に限定されるものではない。例えば、図３に示されるような傾斜面の形態でも、同様な効果が期待できる。

図２（ａ）に示した傾斜面を成長面上に有したＳｉＣ単結晶を種結晶として用いた場合、結晶成長の初期の段階では、傾斜面にほぼ垂直方向に結晶が成長する。即ち、結晶の成長方向は、＜０００１＞方向からα°傾いた方向となり、その結果、αが６０°以上９０°未満の場合には、非特許文献２に示されているように、種結晶中に存在していたマイクロパイプ、貫通転位欠陥は、成長結晶には引き継がれず、また、新たな発生も完全に抑制される（図２（ｃ）参照）。また、αが２０°以上６０°未満の場合にも、マイクロパイプ、貫通転位が、完全ではないものの、かなりの割合で結晶成長中に消失、あるいは、基底面積層欠陥あるいは基底面転位に変換されることを、発明者らは数多くの実験から見出した。

その後の成長においては、結晶成長が進むにつれて、結晶成長方向が、徐々に＜０００１＞方向に傾いて行き（即ち、傾斜面と｛０００１｝面との間の傾角が小さくなって行き）、最終的には、傾斜面上ではｃ軸と５°〜１０°程度の傾きを持って成長が進行する。非特許文献３に示されているように、結晶成長初期にマイクロパイプ、貫通転位が抑制された領域には、｛０００１｝面積層欠陥が発生するが（図２（ｃ）参照）、結晶成長方向がｃ軸から２０°以内となる、成長中盤から後半にかけて成長した結晶部位には、積層欠陥は発生しない。また、成長初期に発生した積層欠陥は、｛０００１｝面内の面欠陥であるため、ｃ軸からの傾角が小さくなる成長中盤から後半に成長した結晶部位には引き継がれることはない。

一方、種結晶中に存在する基底面転位の中、傾斜面を横切るように存在するものは、結晶成長の開始に伴って、成長結晶中に引き継がれる（図２（ｃ）参照）。発明者らは、その際、これらの基底面転位が傾斜面方向に配向することを見出した。即ち、種結晶に存在していた基底面転位は、種結晶中では基底面内ほぼランダムな方向に分布しているが、傾斜面を有した種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長した場合には、基底面転位は、傾斜面方向（例えば、傾斜面の｛０００１｝面内における傾斜方向が＜１１−２０＞方向の場合には、＜１１−２０＞方向）に配向した状態で成長結晶に引き継がれる。

マイクロパイプ、貫通転位、基底面転位は、種結晶に存在したものが引き継がれるだけでなく、結晶成長中にも発生する。発生の原因は種々考えられるが、大きなものの一つに下地結晶の結晶品質がある。即ち、結晶成長中に発生するマイクロパイプ、転位欠陥の量は、下地結晶の結晶品質に大きく影響され、下地結晶の結晶品質が向上すると、その発生量が低下する。発明者らは、数多くの実験から、特に下地結晶の転位密度が減少した時に、この効果が強く現れ、下地結晶の転位密度の低減に伴って、結晶成長中の欠陥発生量が減少することを見出した。

本発明のＳｉＣ単結晶インゴットの製造方法は、Ｎ回（Ｎは、Ｎ≧２の自然数）の成長工程を含み、各成長工程を第ｎ成長工程（ｎは自然数であって、１から始まりＮで終わる序数）として表した場合、第（ｎ−１）成長工程で、図２（ａ）及び図２（ｂ）に例示された種結晶上にＳｉＣ単結晶インゴットを成長し、その成長した単結晶インゴットから再び｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した傾斜面を成長面上に有するＳｉＣ単結晶育成用種結晶を切り出し、第ｎ成長工程の種結晶として用いる。その際、第（ｎ−１）成長工程で使用した種結晶の傾斜面の傾斜方向と第ｎ成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向との｛０００１｝面内における角度差を４５°以上１３５°以下とすることを特徴とする。

この傾斜面方向を回転させる効果について、次に述べる。第（ｎ−１）成長工程で使用する種結晶の傾斜面を、例えば、＜１１−２０＞方向に４５°傾斜したものとした場合、種結晶中に存在していた基底面転位は、成長結晶の下部において、＜１１−２０＞方向に配向した状態で成長結晶中に引き継がれる。また、結晶成長中に発生した基底面転位も、傾斜面（傾角５°〜１０°）の効果により、成長結晶の各部位で常に＜１１−２０＞方向に配向した形で、成長結晶中に存在することになる。今、このような成長結晶から、＜１−１００＞方向に４５°傾斜した傾斜面を成長面上に有する種結晶を切り出し、第ｎ成長工程で使用したとすると、種結晶（第ｎ種結晶）中に存在する基底面転位は、前述したように＜１１−２０＞方向に、即ち、第ｎ種結晶の傾斜面方向と９０°異なる方向に配向している。このように傾斜面方向とほぼ垂直方向に配向した基底面転位は、傾斜面を横切ることがなく、種結晶から成長結晶に引き継がれることは極めて少なくなる。例えば、傾斜面の｛０００１｝面からの傾角が４５°の場合、第ｎ種結晶中に存在する基底面転位（傾斜面方向とほぼ垂直方向に配向）の約１／１０〜１／５が第ｎ成長結晶に引き継がれる。したがって、このような種結晶上に成長したＳｉＣ単結晶では、種結晶から引き継がれる基底面転位の密度が極めて低く、結果として、下地結晶の結晶品質が大幅に改善され、結晶成長中の転位発生も大幅に低減される。

種結晶成長面上の傾斜面の形態としては、図２のような対称形で、全面が傾斜面で覆われたものが、欠陥低減の観点から好ましいが、上記のような欠陥の伝播様式が実現できれば、非対称形態あるいは一部のみが傾斜面で覆われた形態でも構わない。

したがって、種結晶の成長面上の傾斜面と｛０００１｝面の間の角度（傾角α）としては、２０°以上９０°未満、好ましくは４５°以上９０°未満が望ましい。傾角が２０°未満になった場合には、結晶成長様式が従来の（０００１）面上のものとほぼ同一となってしまい、本発明で述べたマイクロパイプ、貫通転位欠陥の抑制、低減効果が得難い。また、９０°以上の場合には、傾斜面が結晶成長方向と平行あるいは逆方向となってしまい結晶成長が困難となる。

第（ｎ−１）種結晶の傾斜面方向と第ｎ種結晶の傾斜面方向との｛０００１｝面内における角度差としては、４５°以上１３５°以下、好ましくは６０°以上１２０°以下が望ましい。傾斜面方向の角度差が４５°未満になった場合には、第（ｎ−１）成長工程で配向した基底面転位を第ｎ成長工程で引き継いでしまう確率が高くなってしまう。また、１３５°超の場合にも、同様に基底面転位を引き継いでしまう確率が高くなるので好ましくない。

種結晶への傾斜面の作製方法については、種々の方法が考えられるが、一番簡便な方法は、機械加工（例えば、ダイヤモンドブレードによる切削）による方法である。ブレードの先端形状、幅等を選択し、さらに、ブレードによる切削を三次元的に制御して行うことにより、種結晶成長面上に種々の形態の傾斜面を作製することができる。

本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法は、大口径のＳｉＣ単結晶の製造に用いられる。図１に示されるように、種結晶１０１は、ＳｉＣ原料粉末１０２と共に坩堝１０３内に収納され、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中、２０００〜２４００℃に加熱される。この際、原料粉末に比べ、種結晶がやや低温になるように、温度勾配が設定される。原料１０２は、昇華後、この温度勾配により種結晶１０１方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶１０１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。

種結晶１０１の口径としては、４０〜３００ｍｍが望ましい。従来から改良レーリー法によるＳｉＣ単結晶成長では、種結晶と同口径か少し大きな口径の結晶が製造できる。したがって、本発明においても種結晶の口径が４０〜３００ｍｍあれば、一回の成長で口径５０〜３００ｍｍ程度のＳｉＣ単結晶インゴットを製造することが可能となる。

そして、本発明では既に説明したようにしてＮ回結晶成長を繰り返し実行することで、良質のＳｉＣ単結晶を再現性良く成長させることができる。なお、繰り返しの回数Ｎは、多く繰り返すほど欠陥の少ないＳｉＣ単結晶の成長が望めるが、製造コストも考慮し、少なくとも２回以上行えば繰り返さなかったものよりも良質なＳｉＣ単結晶ができ、より好ましくは４〜６回繰り返すことで、さらに欠陥が少なく良質のＳｉＣ単結晶を製造することができる。

本発明のＳｉＣ単結晶基板は、５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の口径を有しているので、この基板を用いて各種デバイスを製造する際、工業的に確立されている従来の半導体（Ｓｉ、ＧａＡｓ等）基板用の製造ラインを使用することができ、量産に適している。また、この基板の転位密度が｛０００１｝面８°オフウェハ上のエッチピット密度換算で１×１０^４ｃｍ^−２以下と低いため、特に、大電流、高出力のデバイス製造に適している。さらに、このＳｉＣ単結晶ウェハ上にＣＶＤ法等によりエピタキシャル薄膜を成長して作製されるＳｉＣ単結晶エピタキシャルウェハ、あるいはＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ及びこららの混晶薄膜エピタキシャルウェハは、その基板となるＳｉＣ単結晶ウェハの転位密度が小さいために、良好な特性（耐電圧、エピタキシャル薄膜の表面モフォロジー等）を有するようになる。

以下に、本発明の実施例を述べる。

図４は、本発明を実施するための単結晶成長装置を示す図面である。この製造装置は、種結晶を用いた改良型レーリー法によって、ＳｉＣ単結晶を成長させる装置の一例である。

まず、この単結晶成長装置について簡単に説明する。結晶成長は、種結晶として用いた傾斜面を成長面上に有するＳｉＣ単結晶１の上に原料であるＳｉＣ粉末２を昇華再結晶化させることにより行われる。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る。原料のＳｉＣ粉末２は、黒鉛製坩堝３の内部に充填されている。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により設置される。黒鉛製坩堝３の周囲には、熱シールドのための黒鉛製フェルト７が設置されている。二重石英管５は、真空排気装置により高真空排気（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。また、二重石英管５の外周には、ワークコイル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出し、二色温度計を用いて行う。坩堝下部の温度を原料温度、坩堝上部の温度を種結晶温度とする。

次に、この結晶成長装置を用いたＳｉＣ単結晶の製造について、実施例を説明する。まず、予め成長しておいたＳｉＣ単結晶インゴットから、口径５０ｍｍ、高さ３０ｍｍの｛０００１｝面を主面とした４Ｈ型のＳｉＣ単結晶片を種結晶として、また、口径５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの｛０００１｝面８°オフウェハをエッチピット密度計測用ウェハとして用意した。

次に、このＳｉＣ単結晶インゴット中のマイクロパイプ欠陥と貫通転位密度、及び基底面転位密度を計測する目的で、上記｛０００１｝面８°オフウェハのエッチピット観察を行った。その結果、マイクロパイプ欠陥、貫通転位、基底面転位に起因したエッチピット密度として、それぞれ１０．２ｃｍ^−２、２．２×１０^４ｃｍ^−２、５．３×１０^３ｃｍ^−２と言う値を得た。

欠陥密度評価後、種結晶１の（０００−１）Ｃ面に機械加工を施し、＜１１−２０＞方向に４５°傾斜した傾斜面を付与した。傾斜面は中心線から左右対称に付与した。また、この機械加工により種結晶の成長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。

このようにして作製した傾斜面付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、原料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、ワークコイルに電流を流し、原料温度を２０００℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとして窒素を１０％含む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５０時間成長を続けた。この際の坩堝内の温度勾配は１５℃／ｃｍで、成長速度は平均で約０．７０ｍｍ／時であった。得られた結晶の口径は５１．５ｍｍで、高さは３５ｍｍ程度であった。

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、４Ｈ型のＳｉＣ単結晶インゴットが成長したことを確認できた。

次に、この単結晶インゴットから再び種結晶として、口径５０ｍｍ、高さ３０ｍｍの｛０００１｝面を主面とした４Ｈ型のＳｉＣ単結晶片を用意した。

そして、再びこの種結晶の（０００−１）Ｃ面に機械加工を施し、｛０００１｝面から４５°傾斜した傾斜面を成長面上に付与した。この際、傾斜面の傾斜方向を、前成長工程の種結晶の傾斜面方向とは垂直方向である＜１−１００＞方向とした。傾斜面は中心線から左右対称に付与した。また、この機械加工により種結晶の成長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。

このようにして作製した傾斜面付ＳｉＣ単結晶種結晶を、新たに用意した黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けた。黒鉛製坩堝３の内部には、原料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、ワークコイルに電流を流し、原料温度を２０００℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとして窒素を１０％含む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５０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０．６６ｍｍ／時であった。得られた結晶の口径は５１．５ｍｍで、高さは３３ｍｍ程度であった。

こうして得られたＳｉＣ単結晶を再びＸ線回折及びラマン散乱により分析したところ、４Ｈ型のＳｉＣ単結晶が成長したことを確認できた。また、成長結晶中に存在するマイクロパイプ欠陥と貫通転位欠陥密度、及び基底面転位密度を評価する目的で、成長した単結晶インゴットの成長後半部分から｛０００１｝面８°オフウェハを切り出し、研磨した。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、貫通転位、基底面転位に対応するエッチピットの密度を調べたところ、それぞれウェハ全面の平均で３．１ｃｍ^−２、０．６×１０^４ｃｍ^−２、１．２×１０^３ｃｍ^−２と言う値を得た。

さらに、上記ＳｉＣ単結晶の成長後半の部位から、口径５１ｍｍの｛０００１｝面ＳｉＣ単結晶ウェハを切出し、鏡面ウェハとした。基板の面方位は（０００１）Ｓｉ面で［１１−２０］方向に８°オフとした。

このＳｉＣ単結晶ウェハを基板として用いて、ＳｉＣのエピタキシャル成長を行った。ＳｉＣエピタキシャル薄膜の成長条件は、成長温度１５００℃、シラン（ＳｉＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、水素（Ｈ_２）の流量が、それぞれ５．０×１０^−９ｍ^３／ｓｅｃ、３．３×１０^−９ｍ^３／ｓｅｃ、５．０×１０^−５ｍ^３／ｓｅｃであった。成長圧力は大気圧とした。成長時間は２時間で、膜厚としては約５μｍ成長した。

エピタキシャル薄膜成長後、ノマルスキー光学顕微鏡により、得られたエピタキシャル薄膜の表面モフォロジーを観察したところ、ウェハ全面に渡って非常に平坦で、ピット等の表面欠陥が少ない良好な表面モフォロジーを有するＳｉＣエピタキシャル薄膜が成長されているのが分かった。

また、上記ＳｉＣ単結晶から同様にして、オフ角度が０°の（０００１）Ｓｉ面ＳｉＣ単結晶ウェハを切り出し、鏡面研磨した後、その上にＧａＮ薄膜を有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりエピタキシャル成長させた。成長条件は、成長温度１０５０℃、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ_３）、シラン（ＳｉＨ_４）をそれぞれ、５４×１０^−６モル／ｍｉｎ、４リットル／ｍｉｎ、２２×１０^−１１モル／ｍｉｎ流した。また、成長圧力は大気圧とした。成長時間は６０分間で、ｎ型のＧａＮを３μｍの膜厚で成長させた。

得られたＧａＮ薄膜の表面状態を調べる目的で、成長表面をノマルスキー光学顕微鏡により観察した。ウェハ全面に渡って非常に平坦なモフォロジーが得られ、全面に渡って高品質なＧａＮ薄膜が形成されているのが分かった。

改良レーリー法の原理を説明する図。 本発明の効果を説明する図。 本発明で用いられる種結晶の成長面上の傾斜面の形態例を示す図。 本発明の製造方法に用いられる単結晶成長装置の一例を示す構成図。

符号の説明

１…種結晶（ＳｉＣ単結晶）
２…ＳｉＣ粉末原料
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…ワークコイル
９…Ａｒガス配管
１０…Ａｒガス用マスフローコントローラ
１１…真空排気装置

Claims (6)

1. 炭化珪素単結晶よりなる種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させてバルク状の炭化珪素単結晶インゴットを製造する製造方法において、
   該製造方法はＮ回（Ｎは、Ｎ≧２の自然数）の成長工程を含み、各成長工程を第ｎ成長工程（ｎは自然数であって１から始まりＮで終わる序数）として表した場合、｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した傾斜面を成長面上に有する共に、該種結晶の結晶成長面が裏面に対して傾斜している炭化珪素単結晶育成用種結晶を用いて炭化珪素単結晶インゴットを成長させ、その成長した単結晶インゴットから再び｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した傾斜面を成長面上に有する共に、該種結晶の結晶成長面が裏面に対して傾斜している炭化珪素単結晶育成用種結晶を切り出し、炭化珪素単結晶成長をＮ回繰返す炭化珪素単結晶インゴットの製造方法であって、第（ｎ−１）成長工程で使用した種結晶の傾斜面の傾斜方向と第ｎ成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向との｛０００１｝面内における角度差が４５°以上１３５°以下である炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
2. 前記｛０００１｝面から２０°以上９０°未満傾斜した傾斜面が、成長面上に複数有する炭化珪素単結晶用種結晶である請求項１に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
3. 前記種結晶の成長面上の傾斜面と｛０００１｝面の間の角度が４５°以上９０°未満である請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
4. 前記第（ｎ−１）成長工程で使用した種結晶の傾斜面の傾斜方向と第ｎ成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向との｛０００１｝面内における角度差が６０°以上１２０°以下である請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
5. 前記第１成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向が｛０００１｝面内における＜１−１００＞方向を中心に−１５°以上１５°以内にある請求項１〜４のいずれかに記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
6. 前記第１成長工程で使用する種結晶の傾斜面の傾斜方向が｛０００１｝面内における＜１１−２０＞方向を中心に−１５°以上１５°以内にある請求項１〜４のいずれかに記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。