JP4926556B2

JP4926556B2 - 炭化珪素単結晶インゴットの製造方法及び炭化珪素単結晶基板

Info

Publication number: JP4926556B2
Application number: JP2006169890A
Authority: JP
Inventors: 正和勝野; 昇大谷; 弘志柘植; 正史中林; 辰雄藤本; 弘克矢代; 充澤村; 崇藍郷; 泰三星野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-06-20
Also published as: JP2008001532A

Description

本発明は、半導体素子作製用基板として好適な、低抵抗率で均一性に優れた炭化珪素単結晶インゴット及びその製造方法に関する。

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。SiCは、化学組成が同じでも、多数の異なった結晶構造を取る結晶多形(ポリタイプ)構造を持つ代表的物質である。ポリタイプとは、結晶構造においてSiとCの結合した分子を一単位として考えた場合、この単位構造分子が結晶のc軸方向([0001]方向)に積層する際の周期構造が異なることにより生じる。代表的なポリタイプとしては、6H、4H、15R又は3Cがある。ここで、最初の数字は積層の繰り返し周期を示し、アルファベットは結晶系(Hは六方晶系、Rは菱面体晶系、Cは立方晶系)を表す。各ポリタイプは、それぞれ物理的、電気的特性が異なり、その違いを利用して各種用途への応用が考えられている。例えば、6Hは、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス用基板として用いられ、4Hは、高周波高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとしての応用が考えられている。

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%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。

これらの問題点を解決するために、SiC単結晶｛0001｝面基板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(非特許文献1)。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。種結晶となるSiC単結晶と原料となるSiC結晶粉末は、坩堝(通常黒鉛)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。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、結晶の体積抵抗率(以下、抵抗率)は、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、SiC単結晶構造中のシリコン又は炭素原子の位置を不純物元素にて置換させる(ドーピング)ことで、制御可能である。SiC単結晶中の置換型不純物として代表的なものに、窒素(n型)、ホウ素、及びアルミニウム(p型)がある。これらの不純物により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。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(50.8mm)から3インチ(76.2mm)のSiC単結晶基板が切り出され、エピタキシャル薄膜成長、デバイス作製に供されている。

上記したように、成長結晶の抵抗率、すなわちキャリア型及び濃度の制御は、成長時の不活性ガスからなる雰囲気中に不純物ガスを添加するか、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行われる。ここで、SiCパワー素子応用で特に重要となる不純物は窒素であり、窒素を多量にSiC単結晶に添加することによって非常に抵抗率の低いn型のSiC単結晶が製造可能である。

これまで、SiC単結晶への窒素添加は、1×10¹⁹cm^-3程度の濃度で行われ、結果として0.02Ωcm程度のSiC単結晶基板が製造され、販売されている。このSiC単結晶基板を用いてSiC半導体素子が試作され、従来のSi素子を上回る特性のSiC素子が報告されるに至っている。しかしながら、これらの素子では、基板抵抗に起因した損失が未だ大きいという問題があった。そこで、近年、SiC素子の特性向上(低損失化)を図る目的で、従来よりも低抵抗率な(0.012Ωcm以下)SiC単結晶基板が要望されるようになった。
Yu. M. Tairov and V.F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol. 52 (1981) pp.146-150.

以上述べてきたように、SiC半導体素子の特性向上を目指して、従来のものより低抵抗率なSiC単結晶基板が要望されているが、それと同時に、ウェハ面内における体積低効率のばらつきを極力少なくすることも要求されている。

SiC単結晶基板において体積抵抗率のばらつきを大きくしている原因は、SiC単結晶を成長させる際に結晶成長表面に現れる｛0001｝面ファセット部において、他の部位に比べ窒素の取り込み量が多いことにある。ファセットとは、炭化珪素結晶を成長させる際に、結晶のc軸である<0001>方向に正確に垂直な角度を持つ領域のみに発生する平滑面である。この｛0001｝面ファセットは、SiC単結晶成長において、良質な単結晶成長を実現するステップフロー成長様式のステップ供給源となっており、その存在は、良質な単結晶成長の必須条件となっている。しかしながら、ファセット部において低抵抗率化のために結晶成長時に添加する窒素原子の取り込みが他の部位に比べて大きいために、ファセット部の体積抵抗率が他の部位よりも小さくなる。例えば、現在市販されている2インチ(50.8mm)口径SiC単結晶基板の標準的な体積抵抗率は0.015〜0.050Ωcmだが、ファセット部の影響により基板面内の体積抵抗率のばらつき(標準偏差(σ)/平均値(X)で表す)は3%前後である。この場合、ファセット部を除くとばらつきは1.5%以下に改善される。また、上記したようにさらなる低体積抵抗率を有する場合、ファセット部の体積抵抗率のばらつきへの影響はより顕著となる。例えば、0.012Ωcmを下回る抵抗率を有するSiC単結晶基板では、基板面内の体積抵抗率のばらつきが8%程度となり、素子作製に対する要求値である5%を大きく超えてしまう。

そこで、本発明では、上記の従来技術での問題を解決し、体積抵抗率の均一性に優れたSiC単結晶インゴット及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、
(1) 種結晶上に炭化珪素単結晶インゴットを成長させる工程を包含する炭化珪素単結晶インゴットの製造方法であって、結晶成長面が｛0001｝面から2°以上15°以下のオフセット角を有する種結晶を用いて、体積抵抗率を制御するための不純物を添加した状態で体積抵抗率の平均値(X)が0.0005Ω・cm以上0.050Ω・cm以下の炭化珪素単結晶の結晶成長を行い、得られたインゴットの外周部から｛0001｝面ファセット下に成長した部位を削除することを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法、
(2) 前記オフセット角が4°以上10°以下であり、得られたインゴットの外周端から少なくとも幅5mm分の外周部を削除する(1)に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法、
(3) 前記不純物が窒素である(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) 前記体積抵抗率の平均値(X)が0.0005Ω・cm以上0.012Ω・cm以下である(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) 結晶成長させるインゴットの口径が50mm以上300mm以下である(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) (1)〜(5)のいずれかに記載の方法によって得られた炭化珪素単結晶インゴットを切断、研磨してなる炭化珪素単結晶基板、
(7) 体積抵抗率の標準偏差(σ)/体積抵抗率の平均値(X)で表される体積抵抗率のばらつきが5%以下である(6)に記載の炭化珪素単結晶基板、
である。

本発明によれば、種結晶を用いたバルク状のSiC単結晶成長において、低抵抗率で均一性に優れたSiC単結晶インゴットを、再現性良く成長させることができる。このような結晶から切り出したSiC単結晶基板を用いれば、電力損失の極めて小さい高性能の半導体素子を歩留り良く作製することができる。

本発明の製造方法では、種結晶上にバルク状のSiC単結晶インゴットを成長させる工程において、結晶成長面が｛0001｝面からオフセット角度を有するSiC種結晶上に、抵抗率の平均値が0.0005Ωcm以上0.050Ωcm以下、好ましくは0.0005Ωcm以上0.012Ωcm以下のSiC単結晶の成長させることにより、抵抗率が極めて低く均一性に優れたSiC単結晶インゴットを製造することができる。

初めに、昇華再結晶法について説明する。昇華再結晶法は、2000℃を超える高温においてSiC粉末を昇華させ、その昇華ガスを低温部に再結晶化させることにより、SiC結晶を製造する方法である。この方法で、SiC単結晶からなる種結晶を用いて、SiC単結晶を製造する方法は、特に改良レーリー法と呼ばれ、バルク状のSiC単結晶の製造に利用されている。改良レーリー法では、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。通常｛0001｝面を結晶成長面とするSiC種結晶と原料となるSiC結晶粉末(通常、アチソン(Acheson)法で作製された研磨材を洗浄・前処理したものが使用される)は、坩堝(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(133Pa〜13.3kPa)、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。

上記した昇華再結晶法において、作製する単結晶への不純物ドーピングは、結晶成長中、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中に添加ガスの形で(窒素原子なら窒素ガス)、所定量導入することで実施される。この際、結晶成長を安定に行うために、結晶成長面には｛0001｝面ファセットを形成し、安定なステップフロー成長を実現する。

本発明では、種結晶の結晶成長表面にオフセット角度を導入することにより、SiC単結晶の体積抵抗率の均一化を実現する。図3を用いて、本発明の効果を説明する。従来のSiC単結晶成長においては、図3(a)、(b)に模式的に示したように、オフセット角度を有しない、あるいはオフセット角度が2°未満の｛0001｝面種結晶を用いていたために、結晶成長中、常にインゴット中心部に大きな｛0001｝面ファセットが現れていた。その結果、成長したSiC単結晶インゴットにおいて、｛0001｝面ファセット下に成長した部分の抵抗率は他の部分に比べ、著しく低下していた。このようなSiC単結晶インゴットから基板ウェハを切り出した場合、ファセット部に相当する部位の体積抵抗率は他の部位よりも著しく低下し、結果として基板面内の体積抵抗率ばらつきは大きくなってしまっていた。

一方、本発明の｛0001｝面から2°以上15°以下のオフセット角度を有する種結晶上での結晶成長では(図3(c)、(d))、結晶成長方向に対して、<0001>c軸が傾いているために、｛0001｝面ファセットはインゴットの端の領域に現れることになる。発明者らは、数多くの実験から、このようにインゴット端部に｛0001｝面ファセットが現れた場合、｛0001｝面ファセットの出現位置としてはインゴット外周端から幅10mm以内の領域にとどまり、結晶成長面に占める｛0001｝面ファセット部の面積割合が著しく小さくなることを見出した。これは、インゴット端部において、結晶成長面の曲率が大きくなっているためであると考えられる。図3(c)、(d)から分かるように、オフセット角度を有する種結晶上に結晶を成長した場合には、｛0001｝面ファセット下に成長した部位の体積は小さく、このインゴットからSiC単結晶基板を切り出した場合、基板面内において｛0001｝面ファセット下に成長した部位の面積割合は小さくなり、結果として基板面内の体積抵抗率のばらつきは小さくなる。また、オフセット角度を4°以上10°以下とすると、｛0001｝面ファセットの出現位置はインゴット外周端から幅5mm以内の領域となり、よりファセット部の面積割合を小さくできる。

また、図4のように結晶成長したインゴットの場合は、成長したインゴットから｛0001｝面ファセット下に成長した部位を削除することも可能で、このように｛0001｝面ファセット下に成長した部位を削除したSiC単結晶インゴットから基板ウェハを切り出せば、極めて体積抵抗率が均一なSiC単結晶基板を製造できる。

均一性について具体的に示すと、「(体積抵抗率の標準偏差(σ)/体積抵抗率の平均値(X))」を「体積抵抗率のばらつき」として定義した場合、従来法により｛0001｝面ファセット下に成長した部位を含む場合は、基板の体積抵抗率が0.012〜0.050Ωcmにおいて3%程度となる。さらに、基板の体積抵抗率が0.012Ωcm以下になると、ばらつきは8%程度となり、素子作製の要求値である5%を大きく超えてしまう。これに対して、本手法により｛0001｝面ファセット下に成長した部位を削除した場合、体積抵抗率が0.012〜0.050Ωcmの場合のばらつきは1.5%以下、体積抵抗率が0.012Ωcm以下の場合でも5%以下と良好な均一性を示す。

低抵抗率を得るために用いられる不純物としては窒素(n型)、ホウ素およびアルミニウム(p型)のいずれも使用できるが、添加し易さという点では、取扱いの簡便な窒素ガスの導入によって添加可能な窒素の使用が最も実用的である。

また、既に述べたように、本発明は体積抵抗率が0.012Ωcm以下という低体積抵抗率を有する単結晶に対してより効果が顕著となる。例えば、従来法により｛0001｝面ファセット下に成長した部位を含んだ0.02Ωcm程度の体積抵抗率を有する2インチ(50.8mm)口径SiC単結晶基板の場合は、面内の体積抵抗率のばらつきは標準偏差(σ)/平均値(X)で3%前後と一応素子作製が可能なレベルにあったが、基板の抵抗率が0.012Ωcm以下になると、標準偏差(σ)/平均値(X)が8%程度と要求値である5%を大きく超えてしまうとの事実がある。これに対して本発明の製造方法により得られたSiC単結晶では、0.012Ωcm以下という低体積抵抗率の場合でも、ばらつきを5%以下に抑えることが可能となり、素子作製に充分なレベルを維持できる。また、SiC単結晶への窒素原子の固溶度限界(成長結晶中の窒素濃度として6×10²⁰cm^-3)まで窒素を添加した場合の体積抵抗率は0.0005Ωcm程度であり、これ以上の低抵抗化は理論上困難であるため、体積抵抗率の下限値としては0.0005Ωcmとなる。

本発明において使用される、結晶成長面が｛0001｝面からオフセット角度を有した種結晶のオフセット角度としては、2°以上15°以下、より好ましくは4°以上10°以下が望ましい。傾きが2°未満の場合には、｛0001｝面ファセットがインゴット端部ではなく、中心部に現れるようになり、本発明の効果が得られない。また、オフセット角度が15°超の場合には、結晶成長の際に｛0001｝面ファセットから安定にステップが供給されなくなり、結果として良質な単結晶成長が困難となる。

本発明に記載の抵抗率が0.0005Ωcm以上0.050Ωcm以下のSiC単結晶は、成長するSiC単結晶中に、3×10¹⁸cm^-3以上6×10²⁰cm^-3以下のドナー不純物を添加することによって実現できる。例えば、窒素ドナーの場合、改良レーリー法によるバルク状のSiC単結晶成長において、雰囲気ガス中の窒素ガス分圧を300Pa〜5.3kPaの範囲に制御することによって実現できる。

また、本発明に記載の抵抗率が0.0005Ωcm以上0.012Ωcm以下のSiC単結晶は、成長するSiC単結晶中に、2×10¹⁹cm^-3以上6×10²⁰cm^-3以下のドナー不純物を添加することによって実現できる。例えば、窒素ドナーの場合、改良レーリー法によるバルク状のSiC単結晶成長において、雰囲気ガス中の窒素ガス分圧を300Pa〜5.3kPaの範囲に制御することによって実現できる。

本発明のSiC単結晶基板は、50mm以上300mm以下、好ましくは75mm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、この基板の抵抗率が低く、さらに均一性に優れているため、この基板上に素子を作製した場合に、非常に素子特性が均一な半導体素子の製造が可能となる。

さらに、このSiC単結晶ウェハ上にCVD法等により0.001〜0.5mm程度の厚さの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は、その基板となるSiC単結晶基板の均一性が優れているため、バラツキの少ない良好な特性を有するようになる。

以下に、本発明の実施例について述べる。

(実施例1)
先ず、図2に示す単結晶成長装置について、簡単に説明する。結晶成長は、SiC結晶粉末2を昇華させ、種結晶として用いたSiC単結晶1上で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、高純度黒鉛製坩堝3の蓋4の内面に取り付けられる。原料のSiC結晶粉末2は、高純度黒鉛製坩堝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、内部雰囲気をガス流量調節計（マスフローコントローラ）10を通って導入されるArガスにより圧力制御することができる。各種ド−ピングガス(窒素、トリメチルアルミニウム、トリメチルボロン)も、ガス流量調節計10を通して導入することができる。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。先ず、種結晶1として、口径50mmの(0001)面を有した六方晶系のSiC単結晶ウェハを用意した。同種結晶のオフセット角度は｛0001｝面から8°の角度を有するものを使用した。次に、種結晶1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、アチソン法により作製したSiC結晶原料粉末2を充填した。次いで、SiC原料2を充填した黒鉛製坩堝3を、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、雰囲気ガスとして高純度Arガス(純度99.9995%)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。この成長時間中、成長開始時には窒素流量を0.5×10^-6m³/sec(同流量にて、成長結晶中の窒素濃度が種結晶中濃度と同等の1×10¹⁹cm^-3となることから、この流量を用いた)とし、成長終了時まで保った。得られた結晶の口径は51mmで、高さは20mm程度であった。

こうして得られた炭化珪素単結晶の成長表面を観察したところ、ファセットはオフセットしている方向のインゴットの端から径方向にして2mm内側に外側端を有し、この外側端から径方向に3mmの幅で形成されていた(図3(b))。つまり、ファセットの内側端はインゴットの端から径方向で5mm幅内に納まっており、ファセットの内側端〜インゴットの反対側端における直径45mmφの領域内は窒素濃度のばらつきの少ないと思われる領域となった。そこで、渦電流を応用した測定装置において実際の抵抗率のばらつきを測定した。測定はウェハ端から5mm内側に最外周を有する円の内部を120点に渡り計測した。そのデ−タを基に体積抵抗率の平均値及び標準偏差を計算してばらつきを測定した。その結果、体積抵抗率の平均値(X)は0.025Ωcmとなった。ここでは測定範囲内にファセットが含まれておらず、ファセットを含まない領域内におけるばらつきは1.3%となり、ウェハ内の広い領域に渡りばらつき1.5%以下の均一性の非常に良好な体積抵抗率分布が実現されていることを確認した。

こうして得られた抵抗率の均一性良好なウェハに化学気相蒸着法(CVD法)を用いることでSiC単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることにより、炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハを作製した。同ウェハ上に作製したショットキーダイオードの特性を測定したところ、素子毎の順方向特性のばらつきが1.7%と小さく、ウェハ自体の抵抗率の良好な均一性を反映した結果が得られていることが確認された。

(比較例1)
種結晶のオフセット角度が｛0001｝面から1°の種結晶を用いた以外は実施例1と同様にした結晶成長では、成長結晶表面の中央乃至は中央付近にファセットが位置しており(図3(a))、このファセットを含んだ領域での体積抵抗率の平均値(X)は0.025Ωcmとなった。また、体積抵抗率のばらつきは3.5%となり、ファセット部の影響が確認された。

こうして得られたウェハに化学気相蒸着法(CVD法)を用いることでSiC単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることにより、炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハを作製した。同ウェハ上に作製したショットキ−ダイオードの特性を測定したところ、素子毎の順方向特性のばらつきが3.9%と実施例1と比べて大きくなり、ウェハ自体の抵抗率のばらつきが大きいことを反映した結果となった。

(比較例2)
種結晶のオフセット角度が｛0001｝面から16°の種結晶を用いた以外は実施例1と同様にした結晶成長では、オフセット角度が大き過ぎて結晶成長時にファセットから安定にステップが供給されなくなり、結果としてファセット端を起点として異種ポリタイプが発生し、同時にマイクロパイプ欠陥(大型の螺旋転位の一種であり、転位により生じる大きい歪みを緩和するために、転位の芯が空洞化して発生するものと考えられている直径数μm〜数10μmの孔)が集中的に発生して結晶品質が著しく劣化した。また、ステップ供給の不安定性がさらに大きく影響した場合、ファセット上が多結晶化する現象も観察され、結晶品質の劣化が顕著となった。

(実施例2)
成長開始後窒素流量を一定速度で増加させ、5時間で5.0×10^-6m³/sec(同流量にて、成長結晶中の窒素濃度は2×10²⁰cm^-3となる)まで増加させたこと以外は実施例1と同様にした結晶成長を実施した。
得られた炭化珪素単結晶の成長表面を観察したところ、ファセットはオフセットしている方向のインゴットの端から径方向にして2mm内側に外側端を有し、この外側端から径方向に3mmの幅で形成されていた(図3(b))。つまり、ファセットの内側端はインゴットの端から径方向で5mm幅内に納まっており、ファセットの内側端〜インゴットの反対側端における直径45mmφの領域内は窒素濃度のばらつきの少ないと思われる領域となった。そこで、渦電流を応用した測定装置において実際の抵抗率のばらつきを測定した。測定はウェハ端から5mm内側に最外周を有する円の内部を120点に渡り計測した。そのデ−タを基に体積抵抗率の平均値及び標準偏差を計算してばらつきを測定した。その結果、体積抵抗率の平均値(X)は0.0095Ωcmとなった。ここでは測定範囲内にファセットが含まれておらず、ファセットを含まない領域内におけるばらつきは4.6%となり、ウェハ内の広い領域に渡りばらつき5%以下の均一性の高い体積抵抗率分布が実現されていることを確認した。

こうして得られた抵抗率の均一性良好なウェハに化学気相蒸着法(CVD法)を用いることでSiC単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることにより、炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハを作製した。同ウェハ上に作製したショットキーダイオードの特性を測定したところ、素子毎の順方向特性のばらつきが4.7%と小さく、ウェハ自体の抵抗率の良好な均一性を反映した結果が得られていることが確認された。

(実施例3)
実施例2と同様にして、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1を用意した。同種結晶のオフセット角度は｛0001｝面から3°の角度を有するものを使用した。
次に、これも実施例1と同様にして、口径51mm、高さ20mm程度の炭化珪素単結晶インゴットを成長させた。

こうして得られた炭化珪素単結晶の成長表面を観察したところ、ファセットはオフセットしている方向のインゴットの端から径方向にして3mm内側に外側端を有し、この外側端から径方向に5mmの幅で形成されていた(図3(b))。つまり、ファセットの内側端はインゴットの端から径方向で8mm幅内に納まっており、ファセットの内側端〜インゴットの反対側端における直径42mmφの領域内は窒素濃度のばらつきの少ないと思われる領域となった。そこで、渦電流を応用した測定装置において実際の抵抗率のばらつきを測定した。測定はウェハ端から5mm内側に最外周を有する円の内部を120点に渡り計測した。そのデ−タから、ファセット部分上での測定値を省いた上で体積抵抗率の平均値及び標準偏差を計算してばらつきを測定した。その結果、体積抵抗率の平均値(X)は0.0095Ωcmとなった。また、ファセットを含まない領域内におけるばらつきは4.5%となり、ウェハ内の広い領域に渡りばらつき5%以下の均一性の高い体積抵抗率分布が実現されていることを確認した。

こうして得られた抵抗率の均一性良好なウェハに化学気相蒸着法(CVD法)を用いることでSiC単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることにより、炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハを作製した。同ウェハ上に作製したショットキーダイオードの特性を測定したところ、素子毎の順方向特性のばらつきが4.6%と小さく、ウェハ自体の抵抗率の良好な均一性を反映した結果が得られていることが確認された。

(実施例4)
実施例2と同様にして、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1を用意した。同種結晶のオフセット角度は｛0001｝面から8°の角度を有するものを使用した。

次に、種結晶1を黒鉛製坩堝3の蓋4の内面に取り付けた。この黒鉛坩堝の内径は、種結晶直上開口部が50ｍｍで、そこからテーパー状に坩堝内径を拡大させ、口径61mmに達したところでテーパー部が終わりその上は直胴構造となっているものを使用した。黒鉛製坩堝3の内部には、アチソン法により作製したSiC結晶原料粉末2を充填した。次いで、SiC原料2を充填した黒鉛製坩堝3を、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、雰囲気ガスとして高純度Arガス(純度99.9995%)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であった。得られた結晶は成長時に坩堝に設けたテーパー部に沿って口径が拡大し、最終的な口径は61mmで、高さはテーパー部を含めて30mm程度であった。成長開始後窒素流量を一定速度で増加させ、5時間で5.0×10^-6m³/sec (同流量にて、成長結晶中の窒素濃度は2×10²⁰cm^-3となる)まで増加させた。その後は、5.0×10^-6m³/sec一定とし、成長終了時まで保った。

こうして得られた炭化珪素単結晶の成長表面を観察したところ、ファセットはオフセットしている方向のインゴットの端から径方向にして2mm内側に外側端を有し、この外側端から径方向に3mmの幅で形成されていた(図4)。つまり、ファセットの内側端はインゴットの端から径方向で5mm幅内に納まっており、ファセットの内側端〜インゴットの反対側の距離56mm幅の領域内は窒素濃度のばらつきの少ないと思われる(図4)領域となった。

このインゴットを外周研削にて外周部の幅5mm分（インゴットの外周面から中心方向に5mm分）を削って口径51mmのインゴットを作製した。この作業により、ファセットの位置していた領域は全て削られ、ファセット無しで口径51mmのインゴットが得られた。このインゴットから切り出したウェハは、2インチ(50mm)口径全面に渡り窒素濃度のばらつきの少ないと思われる領域となった。そこで、渦電流を応用した測定装置において実施例1と同様にして実際の抵抗率を測定したところ、体積抵抗率の平均値(X)は0.0095Ωcmとなった。また、ウェハ全領域内における体積抵抗率のばらつきは4.6%となり、ウェハ内全領域に渡りばらつき5%以下という均一性の高い体積抵抗率分布が実現されていることを確認した。

(比較例3)
種結晶のオフセット角度が｛0001｝面から1°の種結晶を用いた以外は実施例3と同様にした結晶成長では、拡径しても成長結晶表面の中央乃至は中央付近にファセットが位置しており、このファセットを含んだ領域での体積抵抗率の平均値(X)は0.0097Ωcmとなった。また、体積抵抗率のばらつきは8.1%と大きい値となった。

こうして得られたウェハに化学気相蒸着法(CVD法)を用いることでSiC単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることにより、炭化珪素単結晶エピタキシャルウェハを作製した。同ウェハ上に作製したショットキーダイオードの特性を測定したところ、素子毎の順方向特性のばらつきが8.7%と大きく、ウェハ自体の抵抗率のばらつきが大きいことを反映した結果となった。

改良レーリー法の原理を説明する図実施例で用いた結晶成長装置の概略図種結晶のオフセット角度によるファセット位置の違いを説明する図口径拡大成長によるファセット領域除去を説明する図

符号の説明

1 種結晶(SiC単結晶)
2 SiC結晶粉末原料
3 坩堝(黒鉛あるいはタンタル等の高融点金属)
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(断熱材)
8 ワークコイル
9 高純度Arガス配管
10 高純度Arガス及び不純物ガス用マスフローコントローラ
11 真空排気装置

Claims

種結晶上に炭化珪素単結晶インゴットを成長させる工程を包含する炭化珪素単結晶インゴットの製造方法であって、結晶成長面が｛0001｝面から2°以上15°以下のオフセット角を有する種結晶を用いて、体積抵抗率を制御するための不純物を添加した状態で体積抵抗率の平均値(X)が0.0005Ω・cm以上0.050Ω・cm以下の炭化珪素単結晶の結晶成長を行い、得られたインゴットの外周部から｛0001｝面ファセット下に成長した部位を削除することを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
前記オフセット角が4°以上10°以下であり、得られたインゴットの外周端から少なくとも幅5mm分の外周部を削除する請求項1に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
前記不純物が窒素である請求項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。
前記体積抵抗率の平均値(X)が0.0005Ω・cm以上0.012Ω・cm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。
結晶成長させるインゴットの口径が50mm以上300mm以下である請求項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。
請求項1〜5のいずれかに記載の方法によって得られた炭化珪素単結晶インゴットを切断、研磨してなる炭化珪素単結晶基板。
体積抵抗率の標準偏差(σ)/体積抵抗率の平均値(X)で表される体積抵抗率のばらつきが5%以下である請求項6に記載の炭化珪素単結晶基板。