JP4985625B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、パワー半導体用炭化珪素半導体装置などに用いられる炭化珪素単結晶の製造方法に係るものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は熱的、化学的に優れた特性を有しており、禁制帯幅がシリコン半導体に比べ大きく電気的にも優れた特性を有する半導体材料として知られている。中でも、４Ｈ型炭化珪素は電子移動度や飽和電子速度が大きいことから、パワーデバイス向け半導体材料として実用化が望まれている。この優れた特性を生かした炭化珪素半導体装置を製造するために、４Ｈ型の炭化珪素単結晶基板が用いられている。４Ｈ型の炭化珪素単結晶基板はバルク状の４Ｈ型炭化珪素単結晶をスライスして得られるが、その炭化珪素単結晶を成長させる方法として、改良レイリー法（昇華法）が広く用いられている。

市販されている直径１００ｍｍの炭化珪素基板もあるが、製造時の炭化珪素単結晶の大口径化や長尺化が不十分で生産性が低く、また、依然として結晶欠陥密度の低減が十分でないため、高価格で結晶欠陥密度が高いものしか得られていない。炭化珪素単結晶を大口径化するためには種結晶を大口径化すればよいが、種結晶を大口径化すると、種結晶の面内の温度差や種結晶を支持部材、結晶成長用坩堝に固定する際の応力の影響により成長する単結晶に熱歪みによる応力が発生し、炭化珪素単結晶の結晶品質がさらに低下することがあった。

従来から、大口径の炭化珪素単結晶を成長する際の炭化珪素単結晶に発生するこのような応力の緩和方法として、いくつかの方法が知られている。例えば、緩衝部材を介して種結晶と支持部材とを貼り付け、支持部材をピンにより結晶成長用坩堝に固定することにより炭化珪素単結晶の応力を緩和し、欠陥の少ない炭化珪素単結晶を成長させる方法（例えば特許文献１など）、炭化珪素と熱膨張率がほぼ等しい支持部材を用い、フックを使用して種結晶を固定する方法（例えば特許文献２など）が提案されている。

特に、４Ｈ型の炭化珪素単結晶を成長する場合、種結晶の（０００−１）カーボン面に炭化珪素単結晶を成長する場合が多いが、この場合、種結晶の接着面は（０００−１）カーボン面と反対側の（０００１）シリコン面となり、カーボン接着剤を用いて種結晶と支持部材との密着性を高めることが（０００−１）カーボン面を接着する場合よりなお難しくなる。そこで、種結晶の（０００１）シリコン面を密着性よく固定するため、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨により（０００１）シリコン面の種結晶の貼り付け面を荒らし、種結晶と支持部材との密着性を高める方法、フェノール樹脂を含む接着剤を加熱することによりカーボン粉末と炭化層の混在層を形成する方法が提案されている（例えば特許文献３など）。

特開２００４−３３８９７１号公報 特開２００８−８８０３６号公報 特開２００３−１１９０９８号公報

しかしながら、特許文献１、２の方法を用いても、フックを用いての固定ではなく接着による固定でない場合は、大口径の炭化珪素種結晶の（０００１）シリコン面を面内で応力を均一に緩和して支持部材に固定することが難しい場合があった。また、特許文献３の方法を用いても、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨の効果が必ずしも均一でなく、応力を均一に緩和して再現性よく支持部材に固定できない場合があった。種結晶が支持部材へ密着良く貼り付いていなければ、種結晶と支持部材の界面からマクロ欠陥が発生することがある。以上のような理由により、特許文献１〜３の方法を用いて製造した炭化珪素単結晶には、多くの欠陥が生じる場合があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、大口径の炭化珪素種結晶の（０００１）シリコン面などの面を面内で均一に応力を緩和して支持部材に接着し、結晶欠陥の少ない炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る単結晶の製造方法は、炭化珪素種結晶の（０００１）シリコン面の表層に炭化膜層を形成する炭化膜層形成工程と、前記炭化珪素種結晶の表層に前記炭化膜層を形成した面を支持部材に対向させて、前記炭化珪素種結晶の熱膨張係数と近い熱膨張係数を有するグラファイト製の前記支持部材の台座に前記炭化珪素種結晶をカーボン接着剤により接着する接着工程とを備えたものである。

この発明によれば、大口径の炭化珪素種結晶の（０００１）シリコン面などの面を、面内で均一に応力を緩和して支持部材に接着でき、結晶欠陥の少ない大口径の単結晶を製造することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における炭化珪素単結晶の製造方法の一工程の主要部を示す断面図である。図１において、グラファイト製の支持部材１０に設けられた台座１１にカーボン接着剤２０によって炭化珪素の種結晶５０が貼り付けられている。貼り付けられた種結晶５０の一つの面には炭化膜層５１が設けられている。ここで、グラファイト製の支持部材１０は炭化珪素製の種結晶５０への熱歪みによる応力を緩和するため、炭化珪素製の種結晶５０と熱膨張係数が近い材料で構成されている。
図２は、図１に示した単結晶の製造方法の一工程の主要部を上部から透視した平面図である。図２に示すように、支持部材１０および台座１１、種結晶５０は上から見たとき同心円の円形の形状をしている。

つづいて、図１および図２に示したように種結晶５０を支持部材１０に貼り付けて種結晶５０を成長させ炭化珪素単結晶を製造する方法を、図３、図４および図１を用いて説明する。
はじめに、成長面が（０００−１）カーボン面である４Ｈ型の炭化珪素の種結晶５０を、アルゴン等の不活性ガス雰囲気もしくは真空中で１７００〜２４００℃の高温アニールを行なうことにより、種結晶５０の表層に厚さ３０μｍ程度の炭化膜層を形成する。
次に、片面のみ処理できる酸素プラズマ処理や研磨処理などによって成長面の（０００−１）カーボン面側の炭化膜層を除去し、図３に示すように、炭化珪素の成長面である種結晶５０の（０００−１）カーボン面５５と反対側の面である（０００１）シリコン面５６の表層にのみ、厚さ３０μｍ程度の炭化膜層５１を残す。

つづいて、成長面と反対側の（０００１）シリコン面５６の表層に炭化膜層５１を形成した種結晶５０を、図１に示すように、炭化膜層５１が形成された種結晶５０の（０００１）シリコン面５６側が支持部材１０の台座１１に対向するように、カーボン接着剤２０により支持部材１０の台座１１と接着させる。
このようにして種結晶５０を貼り付けた支持部材１０を、図４に示すように、原料７０を入れた坩堝６０に載せ、坩堝６０ごと図示しない誘導コイルなどの加熱手段により１８００〜２４００℃の高温に加熱して、種結晶５０から炭化珪素単結晶５２を成長させる。

本発明の本実施の形態によれば、種結晶５０の接着面に炭化膜層５１を形成して種結晶５０を支持部材に接着するので、種結晶５０にかかる応力を均一に緩和して種結晶５０を支持部材１０に貼り付けることができる。また、本実施の形態によれば、成長面と反対側の（０００１）シリコン面を粒径が１５μｍ程度の大きなダイヤモンド砥粒で研磨した場合のように局所的に応力が発生して欠陥が発生することもない。また、同じ（０００１）シリコン面を粒径が９μｍ程度の粒子で研磨して密着性が不足する領域が発生することもない。したがって、炭化珪素の種結晶の（０００１）シリコン面側を均一に支持部材に密着させることができる。さらに、ピンやフックを使用した場合のように熱伝導に不均一が発生することもない。したがって、種結晶５０から成長させる単結晶へのマクロ欠陥の混入を抑制することができ、高品質の炭化珪素単結晶を製造できる。

なお、本実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法においては、種結晶５０の表層に形成する炭化膜層５１の厚さを３０μｍ程度としたが、ここに示した３０μｍ程度の厚さは例示に過ぎず、１ｎｍ程度以上であれば炭化膜層５１の厚さはこれより薄くても厚くても良い。ただ、炭化膜層５１の厚さが厚くなりすぎると結晶成長中にマクロ欠陥が発生しやすくなるため、炭化層の厚みは５０μｍ以下であることが望ましい。

また、本実施の形態における炭化珪素単結晶の製造方法においては、種結晶５０の表層に炭化膜層５１を形成する方法として、不活性ガス雰囲気もしくは真空中の高温アニールを行なう方法の例を示したが、炭化膜層５１を化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などのデポジション法により形成してもよい。ＣＶＤ法を用いて炭化膜層５１を形成することにより、より緻密な炭化膜層５１を形成することでき、一段とマクロ欠陥の混入を抑制することができる。

さらに、本実施の形態においては、炭化珪素単結晶５２への熱応力を緩和するために、支持部材１０の熱膨張係数を種結晶５０の熱膨張係数と等しくしている。このようにすることにより、１８００〜２４００℃の高温で炭化珪素単結晶５２を成長させる方法において、成長後の冷却過程で成長させた炭化珪素単結晶５２への熱応力を軽減することができる。このように熱応力を軽減することにより、炭化珪素単結晶中５２のクラックの発生を抑制でき、高品質な炭化珪素単結晶を得ることができる。

実施の形態２．
図５は、この発明を実施するための実施の形態２における炭化珪素単結晶の製造方法の一工程の主要部を示す断面図である。図５において、グラファイト製の支持部材１０に設けられた台座１１にカーボン接着剤２０によって応力緩衝剤３０が貼り付けられている。応力緩衝剤３０にはカーボン接着剤２０によって応力緩衝剤３１が貼り付けられている。応力緩衝剤３１にはカーボン接着剤２０によって種結晶５０が貼り付けられている。貼り付けられている種結晶５０の面には炭化膜層５１が設けられている。図５に示した本実施の形態における単結晶の製造方法の一工程の主要部を上部から透視すると、実施の形態１の図２と同様に円形となる。

次に、図５に示したように種結晶５０を支持部材１０に貼り付けて種結晶５０を成長させ炭化珪素単結晶を製造する方法を、図５〜７を用いて説明する。まず、実施の形態１の場合と同様に、炭化珪素の種結晶５０をアルゴン等の不活性ガス雰囲気もしくは真空中で高温アニールすることにより、種結晶５０の表層に厚さ３０μｍ程度の炭化膜層を形成し、図３と同様に、炭化珪素の成長面である種結晶５０の（０００−１）カーボン面５５と反対側の面である（０００１）シリコン面５６の表層にのみ厚さ３０μｍ程度の炭化膜層５１を残す。つづいて、成長面と反対側の表層に炭化膜層５１を形成した種結晶５０を、図６に示すように、カーボン接着剤２０により応力緩衝剤３１と接着させる。
次に、図７に示すように、応力緩衝剤３１と接着された種結晶５０の応力緩衝剤３１側の面にカーボン接着剤２０により応力緩衝剤３０と接着させる。つづいて、種結晶５０に接着された応力緩衝剤３０の面を、図５に示すように、カーボン接着剤２０により、支持部材１０の台座１１と接着させる。
その後、実施の形態１と同様、図８に示すように、原料７０を入れた坩堝６０に載せ、坩堝６０ごと１８００〜２４００℃の高温に加熱して、種結晶５０から炭化珪素単結晶５２を成長させる。

このように、種結晶５０と支持部材１０との間に、応力緩衝剤３０および応力緩衝剤３１を挿入することにより、種結晶５０および炭化珪素単結晶５２の応力を緩和することができ、高品質な炭化珪素単結晶を製造することができる。

なお、本実施の形態においては、種結晶５０と支持部材１０との間に、応力緩衝剤３０および応力緩衝剤３１を挿入した例を示したが、種結晶５０および炭化珪素単結晶５２の応力を十分に緩和することができれば、図９にその断面図を示すように、種結晶５０と支持部材１０との間に１種類の応力緩衝剤３０を挿入するだけでもよい。

なお、本実施の形態においても、炭化珪素単結晶５２への熱応力を緩和するために、支持部材１０の熱膨張係数を種結晶５０の熱膨張係数と等しくしている。このようにすることにより、炭化珪素単結晶中のクラックの発生を抑制でき、高品質な炭化珪素単結晶を得ることができる。

なお、実施の形態１および２において、炭化珪素の（０００１）シリコン面、（０００−１）カーボン面などと記載した面は、厳密に記載された面である必要はなく、記載された面から１〜１０°傾斜していてもよい。また、接着する面は必ずしも炭化珪素の（０００１）シリコン面である必要はなく、（０００−１）カーボン面または（１１−２０）面や（０１−１０）面、その他の炭化珪素の面であってもよい。

この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶成長装置の主要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶成長装置の主要部を示す平面図である。 この発明の実施の形態１における炭化珪素単結晶成長装置の主要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における単結晶成長中の炭化珪素単結晶成長装置の主要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における炭化珪素単結晶成長装置の主要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における炭化珪素単結晶成長装置の主要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における炭化珪素単結晶成長装置の主要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における単結晶成長中の炭化珪素単結晶成長装置の主要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における炭化珪素単結晶成長装置の主要部を示す断面図である。

符号の説明

１０ 支持部材、１１ 台座、２０，２１，２２ カーボン接着剤、３０，３１ 応力緩衝剤、５０ 種結晶、５１ 炭化膜層、５２ 炭化珪素単結晶、５５ （０００−１）カーボン面、５６ （０００１）シリコン面、６０ 坩堝、７０ 原料。

Claims (4)

1. 炭化珪素種結晶の（０００１）シリコン面の表層に炭化膜層を形成する炭化膜層形成工程と、
   前記炭化珪素種結晶の表層に前記炭化膜層を形成した面を支持部材に対向させて、前記炭化珪素種結晶の熱膨張係数と近い熱膨張係数を有するグラファイト製の前記支持部材の台座に前記炭化珪素種結晶をカーボン接着剤により接着する接着工程と
   を備えたことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 炭化膜形成工程は、炭化珪素種結晶を真空中または不活性ガス中で加熱する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の単結晶の製造方法。
3. 炭化膜形成工程は、厚さ５０μｍ以下の炭化膜層を形成することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
4. 炭化膜形成工程は、炭化膜層を化学気相成長法により形成することを特徴とする請求項１に記載の単結晶の製造方法。

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