JP4691815B2 - Method for producing SiC single crystal - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスや発光ダイオードなどの素材に利用することができるSiC単結晶の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、SiC単結晶を成長させる方法として、昇華法が広く用いられている。この昇華再結晶法は、黒鉛製るつぼ内に配置した黒鉛台座に種結晶を接合すると共に、るつぼ底部に配したSiC原料粉末を加熱、昇華させ、その昇華させたガスを種結晶上で再結晶化させるというものである。
【0003】
しかしながら、現状の昇華再結晶法によって、品質を良好に保つようにSiC単結晶を成長させた場合、成長速度が数百μm/hと遅く、逆に成長速度を数mm/hと早くした場合、結晶性が劣化して多結晶になるという問題が生じている。例えば、Materials Science and Engineering B46(1997)296−299において成長速度とマイクロパイプ密度の関係が示されており、0.7mm/hの成長速度で数百個/cm2であったマイクロパイプ密度が、1.4mm/hの成長速度では数千個/cm2となっていることが報告されている。
【0004】
このため、特公平7−88274号公報では、種結晶温度を2200〜2400℃、原材料温度を2300〜2500℃、圧力を1.33×102〜1.33×103Pa(1〜10Torr)とし、黒鉛からなる集中手段によって昇華ガスを絞り種結晶表面上へ集中して導くことで、上記問題の解決を試みている。そして、1〜2mm/hの成長速度で結晶性の良好な結晶が得られたということが報告されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
良好な結晶が得られるようにするためには、ガスの供給が十分に行われることと、供給されたガスが適切に成長表面で反応することが必要とされる。これに対し、上記従来公報に示される方法では、ガスの供給による工夫は行われているが、供給されたガスを適切に成長表面で反応させる工夫は成されていないため、結局、SiC単結晶の結晶性が劣化し、多結晶化してしまう。
【0006】
本発明は上記問題に鑑みたもので、供給されたガスが適切に成長表面で反応させられるようにし、速い成長速度においても結晶性の良好な成長が行えるSiC単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点(成長速度の上昇により結晶性の劣化)が2次元核の生成、2次元核の成長、2次元核の衝突の3ステップによって発生していると推定し、2次元核の生成を抑制するための手法について検討を行った。
【0008】
2次元核を生成させないようにするためには、吸着原子(分子)が表面マイグレーションによってキンクの位置に到達し、そこで結晶に取り込まれる必要がある。そして、このように吸着原子(分子)が結晶に取り込まれるようにするためには、2つの方策がある。1つ目は、表面マイグレーションの抵抗となる結晶欠陥を低減し、吸着原子(分子)の自由行程を大きくすることである。このことにより吸着原子(分子)はキンクの位置に到達でき、良好に結晶成長できる。2つ目は、成長表面の温度を高温化することで活性化し、マイグレーション速度を高速化することである。このことにより、雰囲気中の吸着原子(分子)がすばやくキンクの位置に移動でき、原子(分子)が次々結晶表面に吸着しても良好に結晶成長できる。
【0009】
ただし、単に結晶表面を高温化して結晶成長させた場合、高温化のため初期成長における揺らぎが大きくなって欠陥密度が増加するため、吸着原子の自由行程が短くなり結晶性が劣化する。逆に、成長中においては結晶表面を高温化した方が、表面マイグレーション速度が高速化するため結晶性が良好になる。
【0010】
実際に、初期成長時の転位密度1×105個/cm2で成長速度2.5mm/hで成長したものは新たな欠陥を発生させず良好(転位密度一定)に結晶成長しているのに対し、初期成長時の転位密度1×106個/cm2で成長速度2.5mm/hで成長したものは結晶品質が成長とともに劣化し、多結晶化したという結果が得られている。
【0011】
そこで、請求項1に記載の発明では、容器(1)内にSiC種結晶(2)を配置すると共に、SiC種結晶の表面に原料ガスを供給することで、該SiC種結晶の表面にSiC単結晶を成長させるSiC単結晶の製造方法において、SiC種結晶の表面に、SiC単結晶の転位密度が1×105個/cm2以下となるように成長させる第1工程と、第1工程の後で、第1工程より速い成長速度で、かつ、該成長速度の上限を3mm/hとしてSiC単結晶を成長させる第2工程とを有し、第1工程から第2工程への移行に際し、SiC単結晶表面の温度を第1工程の条件から第2工程の条件に移行させるタイミングが、原料ガスの供給条件を第1工程の条件から第2工程の条件に移行させるタイミングよりも早くなるようにし、第1工程では、成長速度を0.5mm/h以下で成長させることにより、SiC単結晶の成長初期時の転位密度が1×10 5 個/mm 2 以下となるようにし、第1工程により、SiC単結晶を少なくとも100μm以上を成長させることを特徴とする。
このように、第1工程で転位密度が低くなる成長を行っておき、第1工程と第2工程とでSiC単結晶の成長速度を変えることで効率良く良好なSiC単結晶が得られる。そして、第1工程から第2工程への移行に際し、SiC単結晶表面の温度を第1工程の条件から第2工程の条件に移行させるタイミングが、原料ガスの供給条件を第1工程の条件から第2工程の条件に移行させるタイミングよりも早くなるようにすることにより、表面マイグレーション速度に余裕を持たせたまま、第1工程から第2工程への移行が可能となり、第1工程から第2工程への過渡期に発生する欠陥を抑制できる。また、第1工程において、成長速度を0.5mm/h以下にすることで初期成長時に発生する欠陥を低減し高品質にSiC単結晶を成長させることができる。さらに、第1工程を10min以上行うことで、第1工程を安定化させることができ、第1工程によって欠陥の発生を抑制してから第2工程を行うことができる。
【0012】
請求項2に記載の発明では、容器(1)内にSiC種結晶(2)を配置すると共に、SiC種結晶の表面に原料ガスを供給することで、該SiC種結晶の表面にSiC単結晶を成長させるSiC単結晶の製造方法において、SiC種結晶の表面に、SiC単結晶の転位密度が1×10 5 個/cm 2 以下となるように成長させる第1工程と、第1工程の後で、第1工程より速い成長速度で、かつ、該成長速度の上限を3mm/hとしてSiC単結晶を成長させる第2工程とを有し、第1工程から第2工程への移行に際し、SiC単結晶表面の温度を第1工程の条件から第2工程の条件に移行させるタイミングが、原料ガスの供給条件を第1工程の条件から第2工程の条件に移行させるタイミングよりも早くなるようにし、第1工程では、成長速度を0.5mm/h以下で成長させることにより、SiC単結晶の成長初期時の転位密度が1×10 5 個/mm 2 以下となるようにし、第1工程により、SiC単結晶を少なくとも100μm以上を成長させることを特徴とする。
このように、第1工程により、SiC単結晶を少なくとも100μm以上を成長させることで、第1工程を安定化させることができ、第1工程によって欠陥の発生を抑制してから第2工程を行うことができる。
請求項3記載の発明では、第2工程では、第1工程の後で、該第1工程より成長結晶表面温度を高くしてSiC単結晶を成長させることを特徴とする。
このように、第1工程で転位密度が低くなる成長を行っておき、第1工程と第2工程とでSiC単結晶の成長温度を変えることで効率良く良好なSiC単結晶が得られる。
【0013】
なお、第1工程をSiC単結晶成長中いつでも行うことが可能であるが、請求項4に示すように、第1工程を成長初期に行うことにより、効率良く良好なSiC単結晶が得られる。
【0016】
請求項5記載の発明では、第2工程における成長速度を第1工程の成長速度の5倍以上とすることを特徴とする。
このようにすれば、成長初期にはゆっくり高品質にSiC単結晶を成長させられ、その後成長速度を速くすることで、効率良く良好なSiC単結晶を得ることができる。
【0017】
請求項6記載の発明では、第2工程におけるSiC単結晶表面の温度を2500℃以上とすることを特徴とする。
これにより、第2工程における表面マイグレーション速度を速くすることができ、良好なSiC単結晶を成長させることができる。
【0018】
請求項7記載の発明では、第2工程におけるSiC単結晶表面の温度を第1工程におけるSiC単結晶表面の温度より100℃以上高温とすることを特徴とする。
これにより、初期成長は制御性の良い低温で良好にSiC単結晶を成長させられ、その後高温で成長速度を速くすることで、良好なSiC単結晶を効率よく得ることができる。
【0019】
請求項8記載の発明では、第2工程におけるSiC単結晶の転位密度が1×105個/cm2以下となるようにすることを特徴とする。
これにより、成長中に新たに欠陥が発生しない条件を満たしたままSiC単結晶を成長させられ、高品質なSiC単結晶を安定して成長させることができる。
【0020】
請求項9記載の発明では、SiC種結晶の表面に原料ガスを供給する方法として、SiC粉末原料を加熱昇華させる昇華法を用い、第2工程におけるSiC粉末原料の温度を2600℃以上とすることを特徴とする。
このようにすることで、原料ガスを高速でSiC種結晶の表面に供給でき、高速かつ良好にSiC単結晶を成長させることができる。
【0021】
請求項10記載の発明では、第1工程におけるSiC粉末原料とSiC単結晶表面との間の温度差を100℃以内とし、第2工程におけるSiC粉末原料とSiC単結晶表面との間の温度差を200℃以上とすることを特徴とする。
これにより、第1工程では成長初期に起こり易い揺らぎを低減して良好なSiC単結晶を成長させることができ、また、第2工程では初期成長の品質を保ったまま成長速度を速くしてSiC単結晶を成長させることができる。
【0022】
請求項11に記載の発明では、第2工程におけるSiC単結晶の成長速度を2.5mm/h以上とすることを特徴とする。
これにより、結晶性を良好に保った上で、効率的にSiC単結晶を成長させられる。
【0024】
請求項12に記載の発明では、第1工程から第2工程への移行に際し、第1工程の成長条件から第2工程の成長条件への移行を連続的に30min以上の時間をかけて行うことを特徴とする。
これにより、第1工程から第2工程への移行の過渡期に発生する欠陥を抑制できる。
【0025】
請求項13に記載の発明では、第1工程では、雰囲気ガスとして使用されるガス種の分圧を原料ガスの分圧より大きくし、第2工程では、雰囲気ガスとして使用されるガス種の分圧を原料ガスの分圧よりも小さくすることを特徴とする。
このように、第1工程では、雰囲気中に雰囲気ガスを原料ガスよりも多量に存在させることにより、雰囲気ガスによる原料ガスの散乱の増大を利用し、原料ガスがSiC単結晶表面に到達する速度を遅くすることができる。このため、過飽和度を抑制でき良好にSiC単結晶を成長させられる。また、第2工程では、雰囲気ガスを少なく、原料ガスを多くすることにより、原料ガスの散乱を少なくし、SiC単結晶表面に多量の原料ガスを供給することができる。このため、高速にSiC単結晶を成長させられる。
【0026】
請求項14記載の発明では、第2工程では、雰囲気ガスとして水素、酸素及び塩素のうちの少なくとも一つの気体を導入することを特徴とする。
これにより、SiC単結晶成長中に生成される2次元核を選択的にエッチングでき、2次元核を抑制した良好なSiC単結晶を得ることが可能となる。
【0027】
請求項15記載の発明では、c面から傾いた面を種結晶とすることを特徴とする。これにより、SiC単結晶の成長面に現れるステップの密度を増すことができ、さらに高速で良好なSiC単結晶を成長させることが可能となる。
【0028】
請求項16記載の発明では、第1工程ではSiC単結晶表面の温度を2400℃以下とすることで、SiC単結晶を4H−SiCとすることを特徴とする。
このように単結晶表面の温度を2400℃以下とすることで、4H−SiCを形成され易くすることができ、良好な4H−SiCを作製した後、第2工程において良好な4H−SiCの成長速度を速くし、成長させることにより、効率よく良好な4H−SiCを得ることができる。
【0029】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0030】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1に、本発明の第1実施形態で用いられた単結晶製造装置の断面構成を示す。以下、図1に基づいて単結晶製造装置の構成についての説明を行う。
【0031】
図1に示すように、単結晶製造装置には、容器本体1aと蓋体1bとによって構成されたグラファイト製の成長容器1が備えられている。この成長容器1内には、蓋体1bの裏面に貼り付けられるようにSiC種結晶2が配置され、このSiC種結晶2の表面にSiC単結晶が成長するようになっている。また、成長容器1のうち容器本体1aの底部には、昇華ガスの供給源となるSiC粉末原料3が配置されている。
【0032】
さらに、成長容器1の外周には断熱材4が配置されており、断熱材4を含む容器全体が石英反応管5に取り囲まれている。この石英反応管5の外周には高周波の誘導コイル6が配置されており、これに高周波の電流を流すことにより、成長容器1を加熱できるようになっている。そして、石英反応管5内に雰囲気ガスとなるArガス等の不活性ガスを導入できるように不活性ガス導入管7が設けられている。
【0033】
なお、図示しないが、石英反応管5には真空ポンプ等の排気機構も接続されており、この排気機構によって石英反応管5における排気も行えるようになっている。また、ここでは、原料としてSiC粉末原料3を配置した例を示しているが、これに限るものではなく、例えばSi含有ガス及びC含有ガスを外部から導入するものであっても良い。また、加熱装置も同様に高周波加熱装置に限るものではなく、例えば抵抗加熱装置を用いても良い。ただし、高周波加熱装置を用いれば容器を直接加熱できるため、本発明の特徴の一つである高温を達成するためには高周波加熱装置を用いることが望ましい。
【0034】
次に、上記構成の単結晶製造装置によるSiC単結晶の製造工程について説明する。
【0035】
まず、排気機構を用いて成長容器1内を真空にし、高周波コイル6にて成長容器1内を所定温度にする。その後、不活性ガス導入管7を通じて不活性ガス、例えばArガスを流入させる。そして、石英反応管5の内部を所定圧に保ちつつ、SiC種結晶2の成長面の温度及びSiC粉末原料3の温度を目標温度まで上昇させる。例えば、成長結晶を4H−SiCとする場合、成長結晶表面の温度を2200〜2400℃とし、SiC粉末原料3の温度を成長結晶表面の温度よりも10〜100℃程度高くする。このとき、SiC粉末原料3に対して成長結晶表面を高くする温度が100℃以下となるようにすれば、成長初期に起こり易い揺らぎを低減し、良好な結晶成長が行える。
【0036】
そして、第1工程として、排気機構を用いて石英反応管6内を減圧し、6.65×103〜1.33×104Pa(50〜100Torr)にして、SiC種結晶2の表面に単結晶を例えば0.5mm/h以下、好ましくは0.4mm/h前後の成長速度で成長させる。これにより、転位密度1×105個/cm2以下で単結晶が成長する。
【0037】
この第1工程においては、雰囲気中の不活性ガスを原料ガスよりも多量に存在させておけば、不活性ガスによる原料ガスの散乱を増大させられ、原料ガスが結晶表面に到達する速度を遅くすることができ、過飽和度を抑制できて、より良好な単結晶を成長させることができる。
【0038】
その後、第2工程として、単結晶の成長が安定化した時点、例えば第1工程を10min以上行った時点又は単結晶が100μm以上成長した時点で、成長結晶表面の温度が第1工程の時よりも100℃以上高い2500℃以上、例えば2500〜2600℃まで上昇させ、SiC粉末原料3の温度を成長結晶表面の温度よりも200℃以上高温、例えば2600℃以上にする。またこのとき、圧力を1.33×102〜4×103Pa(1〜30Torr)に減圧し、単結晶の成長速度を2.5〜3mm/hとして成長させる。これにより、第1工程よりも速い成長速度、例えば第1工程の5倍程度の成長速度で単結晶が成長するが、第1工程の際に形成された結晶性を保ったまま、良好な単結晶が成長する。
【0039】
この第2工程においては、雰囲気中の不活性ガスを少なくし、原料ガスを多くすることで、原料ガスの散乱を少なくできるため、成長結晶表面に多量の原料ガスを供給することができ、より速い成長速度で単結晶を成長させることができる。
【0040】
このように、成長初期においては、第1工程によって良好な単結晶を成長させ、その後は、第2工程によって速い成長速度で単結晶を成長させるようにしている。このため、第1工程において予め良好な単結晶を成長させられ、第2工程で成長速度を速くしても良好な単結晶を成長させることができる。また、第2工程において、第1工程よりも成長結晶表面の温度を高くしているため、成長速度が速くても良好な単結晶を成長させることができる。実験によれば、第2工程における成長速度が2.5mm/h以上となっても結晶性を良好に保ったまま効率的に単結晶をさせられることが確認されている。
【0041】
なお、第1工程から第2工程に移行するに際し、成長結晶表面の温度を移行するタイミングを原料供給(例えば、原料温度、原料供給量など)を制御するタイミングよりも速くすれば、表面マイグレーション速度に余裕を持たせたまま、第1工程から第2工程への移行が可能となり、第1工程から第2工程への過渡期に発生する欠陥を抑制することができる。
【0042】
(第2実施形態)
図2に、本発明の第2実施形態で用いる単結晶製造装置の断面構成を示す。ここでは、第1実施形態と異なるところについて説明する。第2実施形態では、原料ガス及び雰囲気ガスの導入口として、ガス導入管9を取り付け、第1実施形態において使用していたSiC粉末原料3(図1参照)を使用せず、原料ガスとしてSiH4及びC3H8を用いる。また、雰囲気ガスとして不活性ガスであるArに加え、H2を用いる。
【0043】
次に、上記構成の単結晶製造装置によるSiC単結晶の製造工程について説明する。
【0044】
まず、排気機構を用いて成長容器1内を真空にし、高周波コイル6にて成長容器1内を所定温度にする。その後、ガス導入管9を通じてH2ガスまたはArガスを導入し、SiC種結晶2の成長面の温度を目標温度まで上昇させる。例えば、Ar流量を2SLMとし、石英反応管5内の圧力が500Torrになるようにする。このとき、例えば、成長結晶を4H−SiC(000−1)とする場合、成長結晶表面の温度を2200〜2400℃とする。
【0045】
そして、この温度に到達したら第1工程として、ガス導入管9から原料ガスとなるSiH4を250sccm、C3H8を68sccm導入し、成長結晶を0.4mm/h前後の成長速度で成長させる。
【0046】
その後、成長が安定化したところで、第2工程として、成長結晶表面温度を2500〜2600℃まで上昇させ、SiH4を2SLM、C3H8を0.56SLMと導入量を増加させると共に、Arを1SLMと導入量を減少させ、成長結晶を2.5〜3mm/hの成長速度で成長させる。
【0047】
このように、原料ガスとしてSiH4及びC3H8を用い、雰囲気ガスとして不活性ガスであるArに加えてH2を用いるようにしても、第1実施形態と同様の効果が得られ、第1実施形態と同様に結晶性の良好なSiC単結晶を得ることができる。
【0048】
(他の実施形態)
上記第1実施形態においては、成長中の雰囲気ガスをArとしているが、これに微量の水素、酸素もしくは塩素ガスを混合しても良い。また、第2実施形態においても、微量の酸素もしくは塩素ガスを混合しても良い。これらのガスを導入することにより、表面が多く露出している2次元核を選択的にエッチングできるため、2次元核生成が抑制され、より良好な成長結晶が得られる。
【0049】
また、第1、第2実施形態において、種結晶面方位としてc面から傾いたoff基板を用いても良い。このようなoff基板を用いることにより、成長結晶表面のステップ密度を増すことができるため、良好な結晶成長が可能となる。
【0050】
また、第1、第2実施形態では、第1工程を成長初期としたが、転位密度が1×105個/cm2以上の状態から、成長中に転位密度を減少させて1×105個/cm2以下とした後、第1工程を行っても良い。
【0051】
【実施例】
(実施例1)
上記第1実施形態の効果を確認するために、上記図1に示した装置を用い、上述した方法に従ってSiC単結晶を成長させた。
【0052】
具体的には、種結晶2として4H−SiC単結晶(000−1)を使用し、第1工程を1時間、第2工程を5時間行った。そして、第1工程から第2工程への移行時間を40minかけて行った。また、SiC種結晶2の表面とSiC粉末原料3の表面との距離は30mmとした。
【0053】
まず、排気機構により、成長容器1内を真空にし、900℃まで昇温した後、不活性ガス導入管7からArを導入しながら石英反応管5内の圧力を6.65×104Pa(500Torr)に保ち、初期の結晶成長表面である種結晶2の表面温度が2250℃、SiC粉末原料3の温度が2300℃となるまで昇温した。
【0054】
その後、第1工程として、石英反応管5内を緩やかに減圧し、雰囲気圧力を1.33×104Pa(100Torr)に設定し、SiC粉末原料3から原料ガスを昇華させ、1時間成長させた。なお、これと同じ条件で別の実験を行い、第1工程のみによってSiC単結晶を成長させた場合、成長速度が0.28mm/h、転位密度が4×104個/cm2であった。
【0055】
次に、第2工程として、成長結晶表面の温度を2500℃まで上昇させ、SiC粉末原料3の温度を2700℃、圧力を4×103Pa(30Torr)として、成長を行った。そして、第1工程から第2工程の成長条件への移行タイミングは、移行開始からそれぞれ、成長結晶表面の温度を直後から20minの間、SiC粉末原料3の温度は5〜30minの間、圧力を20〜40m1nの間とし、徐々に各条件を移行させた。
【0056】
このとき、成長結晶表面の温度を250℃上昇しているため、表面マイグレーション速度が上昇し、より多くの結晶の取り込みが可能となる。それからSiC粉末原料3の温度を400℃上昇させ、より多くの原料を供給する。また、温度が安定化したところで圧力を減圧することにより、更に多くの原料ガスが供給を可能となる。
【0057】
また、第1工程では、雰囲気圧力を1.33×104Pa(100Torr)とし、SiC粉末原料3(2300℃)の分圧の4×102Pa(3Torr)以上としているため、SiC粉末原料3から昇華した原料ガスの拡散を制御でき、初期成長を安定化させることができる。
【0058】
一方、第2工程では、雰囲気圧力を4×103Pa(30Torr)としているのに対し、SiC粉末原料3の2700℃での分圧が2.66×104Pa(220Torr)と大きいため、SiC粉末原料3から昇華した原料ガスは雰囲気ガスにほとんど散乱されることなく自由に成長結晶表面上まで到達することになり、原料の供給速度が速くなる。
【0059】
このような全6時間40minの成長時間を経て得られた成長結晶は、17mmの長尺量となっていた。このことから、第2工程の成長速度が約3mm/hであることが分かった。また、得られた成長結晶に対し、成長方向において数枚、c面に平行に成長結晶を切り出し、KOHエッチングを行ったあとに転位密度を求めた結果、転位密度は成長初期から成長後期まで一定値で6×104個/cm2であった。このことから、成長速度が3mm/hの条件においても、転位密度が1×105個/cm2以下の高品質な結晶を成長できたと言える。
【0060】
(実施例2)
上記第2実施形態の効果を確認するために、上記図2に示した装置を用い、上述した方法に従ってSiC単結晶の成長を行った。
【0061】
具体的には、上記実施例1と同様のSiC種結晶2を用い、基本的には実施例1と同様の条件でSiC単結晶を成長させているが、以下の点について条件を変えている。この異なる部分について説明する。
【0062】
まず、排気機構により、成長容器1内を真空にし、その後、H2ガスを1SLM導入しながら成長結晶表面を1400℃まで上昇させる。その後、H2ガスの導入を止め、Arガスを2SLM導入しながら更に成長結晶表面を2250℃まで昇温させる。そして、成長結晶表面の温度が安定化したところで、第1工程として、原料ガスとなるSiH4を250sccm、C3H8を68sccm徐々に導入し、1時間成長させた。
【0063】
次に、第2工程として、成長結晶表面の温度を2500℃まで上昇させ、SiH4を2SLM、C3H8を0.56SLMと導入量を増加させると共に、Arを1SLMと導入量を減少させて成長を行った。そして、第1工程から第2工程の成長条件への移行タイミングは、移行開始からそれぞれ、成長結晶表面の温度を直後から20minの間、SiH4及びC3H8の導入を5〜30minの間、Arの導入の減少を20〜40minの間とし、徐々に各条件を移行させた。
【0064】
このとき、第1工程では、雰囲気ガスとなるArの流量が2SLMであり、原料ガスに対して多く、また分圧も高くなる。このため、成長結晶表面に到達する原料ガスが制御されると共に、パーティクルが発生しないように、未反応ガスの成長結晶表面での停滞が防止され、欠陥の発生が抑制される。一方、第2工程では、原料ガスを増加し、雰囲気ガスを減少させているため、原料の供給速度が速くなる。
【0065】
このようにして得られた成長結晶を確認したところ、第2工程の成長速度が約3mm/hであることが確認された。また、転位密度は成長初期から成長後期まで一定値で2×104個/cm2であった。従って、原料供給をガスで直接行うようにしても、実施例1と同様の成長を行うことができると言える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に用いる単結晶製造装置の断面構成を示す図である。
【図2】本発明の第2実施形態に用いる単結晶製造装置の断面構成を示す図である。
【符号の説明】
1…成長容器、2…SiC種結晶、3…SiC粉末原料、4…断熱材、
5…石英反応管、6…誘導コイル、7…Ar導入管、9…ガス導入管。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a SiC single crystal that can be used for a material such as a semiconductor device or a light emitting diode.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a sublimation method has been widely used as a method for growing a SiC single crystal. In this sublimation recrystallization method, a seed crystal is joined to a graphite pedestal placed in a graphite crucible, and the SiC raw material powder arranged at the bottom of the crucible is heated and sublimated, and the sublimated gas is recrystallized on the seed crystal. It is to make it.
[0003]
However, when a SiC single crystal is grown so as to maintain good quality by the current sublimation recrystallization method, the growth rate is as slow as several hundred μm / h, and conversely as the growth rate is as high as several mm / h. However, there is a problem that the crystallinity deteriorates to become polycrystalline. For example, in Materials Science and Engineering B46 (1997) 296-299, the relationship between the growth rate and the micropipe density is shown, and several hundred pieces / cm at a growth rate of 0.7 mm / h.2The micropipe density was several thousand pieces / cm at a growth rate of 1.4 mm / h.2It has been reported that
[0004]
Therefore, in Japanese Patent Publication No. 7-88274, the seed crystal temperature is 2200 to 2400 ° C., the raw material temperature is 2300 to 2500 ° C., and the pressure is 1.33 × 10 6.2~ 1.33 × 10ThreeThe solution to the above problem is attempted by setting the Pa (1 to 10 Torr) to be concentrated and guiding the sublimation gas onto the surface of the drawn seed crystal by a concentration means made of graphite. It has been reported that crystals having good crystallinity were obtained at a growth rate of 1 to 2 mm / h.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to obtain good crystals, it is necessary that the gas is sufficiently supplied and that the supplied gas reacts appropriately on the growth surface. On the other hand, in the method disclosed in the above-mentioned conventional publication, a device is provided by supplying a gas, but a device for appropriately reacting the supplied gas on the growth surface has not been made. The crystallinity of the material deteriorates and becomes polycrystallized.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a method for producing a SiC single crystal that allows a supplied gas to appropriately react on a growth surface and can perform growth with good crystallinity even at a high growth rate. With the goal.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors presume that the above problem (degradation of crystallinity due to an increase in growth rate) is caused by three steps of two-dimensional nucleus generation, two-dimensional nucleus growth, and two-dimensional nucleus collision, A method for suppressing the generation of two-dimensional nuclei was examined.
[0008]
In order not to generate the two-dimensional nucleus, it is necessary that the adsorbed atoms (molecules) reach the position of the kink by surface migration and be taken into the crystal there. There are two ways to make the adsorbed atoms (molecules) incorporated into the crystal in this way. The first is to reduce crystal defects that become resistance to surface migration and increase the free path of adsorbed atoms (molecules). As a result, the adsorbed atoms (molecules) can reach the kink position and can be crystal-grown satisfactorily. The second is to activate by increasing the temperature of the growth surface and increase the migration rate. As a result, the adsorbed atoms (molecules) in the atmosphere can quickly move to the kink position, and even if the atoms (molecules) are adsorbed on the surface of the crystal one after another, the crystal can be grown well.
[0009]
However, when crystal growth is performed simply by raising the temperature of the crystal surface, fluctuations in the initial growth increase due to the higher temperature and the defect density increases, so the free path of adsorbed atoms becomes shorter and the crystallinity deteriorates. On the contrary, during the growth, when the crystal surface is heated, the surface migration rate is increased and the crystallinity is improved.
[0010]
Actually, dislocation density during initial growth is 1 × 10FivePiece / cm2The crystal grown at a growth rate of 2.5 mm / h does not generate new defects and grows well (dislocation density is constant), whereas the dislocation density during initial growth is 1 × 10.6Piece / cm2As a result, the crystal quality of the crystal grown at a growth rate of 2.5 mm / h deteriorated as the crystal grew, resulting in polycrystallization.
[0011]
Therefore, in the invention described in
In this way, a good SiC single crystal can be obtained efficiently by performing growth with a low dislocation density in the first step and changing the growth rate of the SiC single crystal between the first step and the second step.When the transition from the first step to the second step is performed, the timing at which the temperature of the SiC single crystal surface is shifted from the first step condition to the second step condition is determined by changing the source gas supply condition from the first step condition. By making it earlier than the timing for shifting to the condition of the second step, it is possible to shift from the first step to the second step with a margin for the surface migration speed, and from the first step to the second step. Defects that occur during the transition to the process can be suppressed. Further, in the first step, by setting the growth rate to 0.5 mm / h or less, defects generated during initial growth can be reduced, and a SiC single crystal can be grown with high quality. Furthermore, by performing the first step for 10 minutes or more, the first step can be stabilized, and the second step can be performed after the occurrence of defects in the first step is suppressed.
[0012]
In the invention according to
As described above, the first step can be stabilized by growing at least 100 μm or more of the SiC single crystal in the first step, and the second step is performed after the generation of defects is suppressed in the first step. be able to.
Claim3In the described invention,In the second step,After the first step, the growth crystal surface temperature is made higher than that in the first step to grow the SiC single crystal.RukoAnd features.
As described above, by performing growth in which the dislocation density is lowered in the first step and changing the growth temperature of the SiC single crystal in the first step and the second step, a good SiC single crystal can be obtained efficiently.
[0013]
The first step can be performed at any time during the growth of the SiC single crystal.4As shown in FIG. 5, a good SiC single crystal can be obtained efficiently by performing the first step in the initial stage of growth.
[0016]
Claim5The described invention is characterized in that the growth rate in the second step is at least five times the growth rate in the first step.
In this way, a SiC single crystal can be grown slowly and with high quality at an early stage of growth, and then a good SiC single crystal can be obtained efficiently by increasing the growth rate.
[0017]
Claim6The described invention is characterized in that the temperature of the surface of the SiC single crystal in the second step is 2500 ° C. or higher.
Thereby, the surface migration speed | velocity | rate in a 2nd process can be made quick and a favorable SiC single crystal can be grown.
[0018]
Claim7The described invention is characterized in that the temperature of the SiC single crystal surface in the second step is set to be 100 ° C. or more higher than the temperature of the SiC single crystal surface in the first step.
Thereby, the SiC single crystal can be favorably grown at a low temperature with good controllability in the initial growth, and then a good SiC single crystal can be efficiently obtained by increasing the growth rate at a high temperature.
[0019]
Claim8In the described invention, the dislocation density of the SiC single crystal in the second step is 1 × 10FivePiece / cm2It is characterized by being as follows.
Thereby, the SiC single crystal can be grown while satisfying the condition that no new defect is generated during the growth, and the high-quality SiC single crystal can be stably grown.
[0020]
Claim9In the described invention, as a method of supplying a raw material gas to the surface of the SiC seed crystal, a sublimation method in which a SiC powder raw material is heated and sublimated is used, and the temperature of the SiC powder raw material in the second step is 2600 ° C. or higher. To do.
By doing in this way, source gas can be supplied to the surface of a SiC seed crystal at high speed, and a SiC single crystal can be grown well at high speed.
[0021]
Claim10In the described invention, the temperature difference between the SiC powder raw material and the SiC single crystal surface in the first step is within 100 ° C., and the temperature difference between the SiC powder raw material and the SiC single crystal surface in the second step is 200 ° C. It is characterized by the above.
Thereby, in the first step, it is possible to reduce fluctuations that are likely to occur in the initial stage of growth and grow a good SiC single crystal. In the second step, the growth rate is increased while maintaining the quality of the initial growth, and the SiC is increased. Single crystals can be grown.
[0022]
Claim11The invention described in
As a result, it is possible to efficiently grow a SiC single crystal while maintaining good crystallinity.
[0024]
Claim12In the invention described in the above, when shifting from the first step to the second step, the transition from the growth condition of the first step to the growth condition of the second step is continuously performed over a period of 30 minutes or more. To do.
Thereby, the defect which generate | occur | produces in the transition period of a 1st process to a 2nd process can be suppressed.
[0025]
Claim13In the first aspect, in the first step, the partial pressure of the gas species used as the atmospheric gas is made larger than the partial pressure of the raw material gas, and in the second step, the partial pressure of the gas species used as the atmospheric gas is set as the raw material. It is characterized by being smaller than the partial pressure of the gas.
As described above, in the first step, the atmospheric gas is present in a larger amount than the raw material gas in the atmosphere, thereby utilizing the increase in the scattering of the raw material gas by the atmospheric gas and the speed at which the raw material gas reaches the SiC single crystal surface. Can slow down. For this reason, a supersaturation degree can be suppressed and a SiC single crystal can be made to grow well. Further, in the second step, by reducing the atmosphere gas and increasing the source gas, scattering of the source gas can be reduced and a large amount of source gas can be supplied to the surface of the SiC single crystal. For this reason, a SiC single crystal can be grown at high speed.
[0026]
Claim14In the described invention, in the second step, at least one gas of hydrogen, oxygen, and chlorine is introduced as an atmospheric gas.
Thereby, it is possible to selectively etch the two-dimensional nuclei generated during the growth of the SiC single crystal, and to obtain a good SiC single crystal in which the two-dimensional nuclei are suppressed.
[0027]
Claim15In the described invention, a plane inclined from the c-plane is used as a seed crystal. Thereby, the density of steps appearing on the growth surface of the SiC single crystal can be increased, and a good SiC single crystal can be grown at a higher speed.
[0028]
Claim16In the described invention, the temperature of the surface of the SiC single crystal is set to 2400 ° C. or lower in the first step, so that the SiC single crystal is 4H—SiC.
Thus, by setting the surface temperature of the single crystal to 2400 ° C. or less, 4H—SiC can be easily formed. After producing good 4H—SiC, good 4H—SiC growth in the second step By increasing the speed and growing, good 4H—SiC can be obtained efficiently.
[0029]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of the single crystal manufacturing apparatus used in the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the configuration of the single crystal manufacturing apparatus will be described with reference to FIG.
[0031]
As shown in FIG. 1, the single crystal manufacturing apparatus includes a
[0032]
Furthermore, a
[0033]
Although not shown, an exhaust mechanism such as a vacuum pump is connected to the
[0034]
Next, the manufacturing process of the SiC single crystal by the single crystal manufacturing apparatus having the above configuration will be described.
[0035]
First, the inside of the
[0036]
Then, as a first step, the inside of the
[0037]
In this first step, if the inert gas in the atmosphere is present in a larger amount than the source gas, scattering of the source gas by the inert gas can be increased, and the rate at which the source gas reaches the crystal surface is reduced. It is possible to suppress the degree of supersaturation and to grow a better single crystal.
[0038]
Thereafter, as the second step, when the growth of the single crystal is stabilized, for example, when the first step is performed for 10 minutes or more or when the single crystal is grown by 100 μm or more, the temperature of the grown crystal surface is higher than that in the first step. Also, the temperature is raised to 2500 ° C. or higher, for example, 2500 to 2600 ° C., which is 100 ° C. or higher, and the temperature of the SiC powder
[0039]
In this second step, by reducing the inert gas in the atmosphere and increasing the source gas, it is possible to reduce the scattering of the source gas, so that a large amount of source gas can be supplied to the growth crystal surface, A single crystal can be grown at a high growth rate.
[0040]
Thus, in the initial stage of growth, a good single crystal is grown in the first step, and thereafter, the single crystal is grown at a high growth rate in the second step. For this reason, a good single crystal can be grown in advance in the first step, and a good single crystal can be grown even if the growth rate is increased in the second step. In the second step, since the temperature of the growth crystal surface is set higher than that in the first step, a good single crystal can be grown even if the growth rate is high. According to experiments, it has been confirmed that even when the growth rate in the second step is 2.5 mm / h or more, a single crystal can be efficiently formed while maintaining good crystallinity.
[0041]
In addition, when shifting from the first step to the second step, if the timing for shifting the temperature of the growth crystal surface is made faster than the timing for controlling raw material supply (for example, raw material temperature, raw material supply amount, etc.), the surface migration speed Therefore, it is possible to shift from the first process to the second process while keeping a margin, and it is possible to suppress defects that occur during the transition from the first process to the second process.
[0042]
(Second Embodiment)
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of a single crystal manufacturing apparatus used in the second embodiment of the present invention. Here, differences from the first embodiment will be described. In the second embodiment, a
[0043]
Next, the manufacturing process of the SiC single crystal by the single crystal manufacturing apparatus having the above configuration will be described.
[0044]
First, the inside of the
[0045]
When this temperature is reached, as a first step, SiH that becomes a source gas from the
[0046]
Thereafter, when the growth is stabilized, as a second step, the growth crystal surface temperature is increased to 2500 to 2600 ° C., and SiHFour2SLM, CThreeH80.56 SLM and the introduction amount are increased, and Ar is reduced by 1 SLM and the introduction amount is decreased, and the growth crystal is grown at a growth rate of 2.5 to 3 mm / h.
[0047]
Thus, SiH as the source gasFourAnd CThreeH8In addition to Ar, which is an inert gas, as an atmospheric gas, H2Even if it uses, the effect similar to 1st Embodiment is acquired, and a SiC single crystal with favorable crystallinity can be obtained similarly to 1st Embodiment.
[0048]
(Other embodiments)
In the first embodiment, the growing atmospheric gas is Ar, but a trace amount of hydrogen, oxygen, or chlorine gas may be mixed therewith. Also in the second embodiment, a trace amount of oxygen or chlorine gas may be mixed. By introducing these gases, two-dimensional nuclei whose surface is exposed can be selectively etched, so that two-dimensional nucleation is suppressed and a better growth crystal can be obtained.
[0049]
In the first and second embodiments, an off substrate inclined from the c-plane as the seed crystal plane orientation may be used. By using such an off substrate, it is possible to increase the step density on the surface of the grown crystal, and thus it is possible to achieve good crystal growth.
[0050]
In the first and second embodiments, the first step is the initial growth stage, but the dislocation density is 1 × 10.FivePiece / cm2From the above state, the dislocation density is decreased during growth to 1 × 10FivePiece / cm2After the following, the first step may be performed.
[0051]
【Example】
Example 1
In order to confirm the effect of the first embodiment, an SiC single crystal was grown according to the method described above using the apparatus shown in FIG.
[0052]
Specifically, 4H-SiC single crystal (000-1) was used as
[0053]
First, the inside of the
[0054]
Thereafter, as a first step, the inside of the
[0055]
Next, as a second step, the temperature of the growth crystal surface is increased to 2500 ° C., the temperature of the SiC powder
[0056]
At this time, since the temperature of the surface of the grown crystal is increased by 250 ° C., the surface migration rate is increased and more crystals can be taken up. Then, the temperature of the SiC powder
[0057]
In the first step, the atmospheric pressure is 1.33 × 10 6.FourPa (100 Torr), 4 × 10 of the partial pressure of SiC powder raw material 3 (2300 ° C.)2Since it is set to Pa (3 Torr) or more, the diffusion of the raw material gas sublimated from the SiC powder
[0058]
On the other hand, in the second step, the atmospheric pressure is 4 × 10.ThreeIn contrast to Pa (30 Torr), the partial pressure of SiC powder
[0059]
The growth crystal obtained through such a growth time of 40 minutes for a total time of 6 hours was a long amount of 17 mm. From this, it was found that the growth rate in the second step was about 3 mm / h. In addition, as a result of obtaining the dislocation density after cutting the growth crystal several times in the growth direction parallel to the c-plane and performing KOH etching on the obtained growth crystal, the dislocation density is constant from the initial growth stage to the late growth stage. 6 × 10 in valueFourPiece / cm2Met. Therefore, the dislocation density is 1 × 10 5 even under the condition where the growth rate is 3 mm / h.FivePiece / cm2It can be said that the following high-quality crystals could be grown.
[0060]
(Example 2)
In order to confirm the effect of the second embodiment, an SiC single crystal was grown according to the method described above using the apparatus shown in FIG.
[0061]
Specifically, an
[0062]
First, the inside of the
[0063]
Next, as a second step, the temperature of the growth crystal surface is increased to 2500 ° C., and SiHFour2SLM, CThreeH8And 0.56 SLM, the amount of introduction was increased, and Ar was increased by 1 SLM and the amount of introduction was decreased. Then, the transition timing from the first step to the growth condition of the second step is the same as the SiH for 20 min immediately after the start of the transition, with the temperature of the growth crystal surface being immediately after the transition.FourAnd CThreeH8Each of the conditions was gradually shifted by introducing 5 to 30 min and reducing the introduction of Ar to 20 to 40 min.
[0064]
At this time, in the first step, the flow rate of Ar serving as the atmospheric gas is 2 SLM, which is larger than the source gas, and the partial pressure is also increased. For this reason, the source gas reaching the surface of the growth crystal is controlled, and the stagnation of the unreacted gas on the surface of the growth crystal is prevented so that particles are not generated, and the generation of defects is suppressed. On the other hand, in the second step, since the raw material gas is increased and the atmospheric gas is decreased, the raw material supply speed is increased.
[0065]
When the grown crystal thus obtained was confirmed, it was confirmed that the growth rate in the second step was about 3 mm / h. Also, the dislocation density is a constant value of 2 × 10 from the early stage of growth to the late stage of growth.FourPiece / cm2Met. Therefore, it can be said that the same growth as in Example 1 can be performed even if the raw material supply is directly performed with gas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a single crystal manufacturing apparatus used in a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a single crystal manufacturing apparatus used in a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
5 ... quartz reaction tube, 6 ... induction coil, 7 ... Ar introduction tube, 9 ... gas introduction tube.
Claims (16)
前記SiC種結晶の表面に、前記SiC単結晶の転位密度が1×105個/mm2以下となるように成長させる第1工程と、
前記第1工程の後で、第1工程より速い成長速度で、かつ、該成長速度の上限を3mm/hとして前記SiC単結晶を成長させる第2工程とを有し、
前記第1工程から前記第2工程への移行に際し、前記SiC単結晶表面の温度を前記第1工程の条件から前記第2工程の条件に移行させるタイミングが、前記原料ガスの供給条件を前記第1工程の条件から前記第2工程の条件に移行させるタイミングよりも早くなるようにし、
前記第1工程では、成長速度を0.5mm/h以下で成長させることにより、前記SiC単結晶の成長初期時の転位密度が1×10 5 個/mm 2 以下となるようにし、
前記第1工程を10min以上行うことを特徴とするSiC単結晶の製造方法。Production of a SiC single crystal in which a SiC single crystal is grown on the surface of the SiC seed crystal by disposing the SiC seed crystal (2) in the container (1) and supplying a raw material gas to the surface of the SiC seed crystal. In the method
A first step of growing on the surface of the SiC seed crystal so that a dislocation density of the SiC single crystal is 1 × 10 5 pieces / mm 2 or less;
After said first step, at a high growth rate than the first step, and have a second step of growing the SiC single crystal upper limit of the growth rate of 3 mm / h,
In the transition from the first step to the second step, the timing of shifting the temperature of the SiC single crystal surface from the first step condition to the second step condition determines the supply condition of the source gas. So as to be earlier than the timing for shifting from the condition of one process to the condition of the second process,
In the first step, by growing at a growth rate of 0.5 mm / h or less, the dislocation density at the initial growth stage of the SiC single crystal is 1 × 10 5 pieces / mm 2 or less,
A method for producing an SiC single crystal, wherein the first step is performed for 10 minutes or more .
前記SiC種結晶の表面に、前記SiC単結晶の転位密度が1×10On the surface of the SiC seed crystal, the dislocation density of the SiC single crystal is 1 × 10 5Five 個/mmPiece / mm 22 以下となるように成長させる第1工程と、A first step of growing so that:
前記第1工程の後で、第1工程より速い成長速度で、かつ、該成長速度の上限を3mm/hとして前記SiC単結晶を成長させる第2工程とを有し、After the first step, a second step of growing the SiC single crystal at a growth rate faster than the first step and setting the upper limit of the growth rate to 3 mm / h,
前記第1工程から前記第2工程への移行に際し、前記SiC単結晶表面の温度を前記第1工程の条件から前記第2工程の条件に移行させるタイミングが、前記原料ガスの供給条件を前記第1工程の条件から前記第2工程の条件に移行させるタイミングよりも早くなるようにし、In the transition from the first step to the second step, the timing of shifting the temperature of the SiC single crystal surface from the first step condition to the second step condition determines the supply condition of the source gas. So as to be earlier than the timing for shifting from the condition of one process to the condition of the second process,
前記第1工程では、成長速度を0.5mm/h以下で成長させることにより、前記SiC単結晶の成長初期時の転位密度が1×10In the first step, by growing at a growth rate of 0.5 mm / h or less, the dislocation density at the initial growth stage of the SiC single crystal is 1 × 10 6. 5Five 個/mmPiece / mm 22 以下となるようにし、So that
前記第1工程により、前記SiC単結晶を少なくとも100μm以上を成長させることを特徴とするSiC単結晶の製造方法。The SiC single crystal manufacturing method, wherein the SiC single crystal is grown at least 100 μm or more by the first step.
前記第2工程における前記SiC粉末原料の温度を2600℃以上とすることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載のSiC単結晶の製造方法。As a method for supplying the raw material gas to the surface of the SiC seed crystal, a sublimation method for heating and sublimating a SiC powder raw material is used,
The method for producing a SiC single crystal according to any one of claims 1 to 8 , wherein a temperature of the SiC powder raw material in the second step is 2600 ° C or higher.
前記第1工程における前記SiC粉末原料と前記SiC単結晶表面との間の温度差を100℃以内とし、
前記第2工程における前記SiC粉末原料と前記SiC単結晶表面との間の温度差を200℃以上とすることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1つに記載のSiC単結晶の製造方法。As a method for supplying the raw material gas to the surface of the SiC seed crystal, a sublimation method for heating and sublimating a SiC powder raw material is used,
The temperature difference between the SiC powder raw material and the SiC single crystal surface in the first step is within 100 ° C.,
The SiC single crystal production according to any one of claims 1 to 9 , wherein a temperature difference between the SiC powder raw material and the surface of the SiC single crystal in the second step is 200 ° C or more. Method.
前記第1工程では、雰囲気ガスとして使用されるガス種の分圧を原料ガスの分圧より大きくし、前記第2工程では、雰囲気ガスとして使用されるガス種の分圧を原料ガスの分圧よりも小さくすることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1つに記載のSiC単結晶の製造方法。In the first step and the second step, an atmosphere gas is introduced together with the source gas,
In the first step, the partial pressure of the gas species used as the atmospheric gas is made larger than the partial pressure of the raw material gas, and in the second step, the partial pressure of the gas species used as the atmospheric gas is changed to the partial pressure of the raw material gas. The method for producing a SiC single crystal according to any one of claims 1 to 12 , wherein the SiC single crystal is made smaller.
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