JP5117902B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波半導体デバイスの基板として利用して好適な炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶の製造方法に関する。

一般に、高周波半導体デバイスの基板には１０５〜１０１２［Ω・ｃｍ］程度の抵抗率の半絶縁（高抵抗）特性が要求される。このような背景から近年、高周波半導体デバイスの基板としての利用が期待される炭化珪素単結晶については、結晶内に含まれる窒素等の不純物の濃度を低減させる工夫がなされている（特許文献１参照）。
特開２００２−２７４９９４号公報

しかしながら、窒素は大気中に多く含まれるために、炭化珪素単結晶の内部に大気由来の窒素が取り込まれないようにして窒素の濃度を低減させることは困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、内部に含まれる不純物の濃度を低減させることにより高抵抗化を実現可能な炭化珪素単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、開口部を有する坩堝の内部に炭化珪素原料を供給する工程と、裏面に種結晶が取り付けられた本蓋体により、種結晶と炭化珪素原料とが対向した状態で、坩堝の開口部を塞ぐ処理を含み、減圧雰囲気下で坩堝を炭化珪素原料が昇華しない温度以上に所定時間保持する前処理を行う工程と、前処理を行った後、不活性ガス雰囲気下で炭化珪素原料が昇華する温度に坩堝を加熱することにより、炭化珪素原料を昇華させて種結晶の表面上に炭化珪素単結晶を結晶成長させる工程とを有することを特徴とする。

本発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、前処理を行うことにより坩堝や炭化珪素原料が有する不純物を除去した後に炭化珪素単結晶を気相成長させるので、内部に含まれる不純物の濃度が低く抵抗率が高い炭化珪素単結晶を製造することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施形態となる炭化珪素単結晶の製造装置及びその製造方法について説明する。

本発明の第１の実施形態となる炭化珪素単結晶の製造装置１は、図１に示すように、内部に炭化珪素粉末からなる炭化珪素原料２が収容される黒鉛製の坩堝３と、裏面に種結晶４が取り付けられ、坩堝３の開口部を塞ぐ本蓋体５と、本蓋体５を含む坩堝３全体を覆う多孔性の断熱材６と、坩堝３を含む断熱材６全体を収容する加熱炉７とを備える。加熱炉７は、加熱コイル７−１と、加熱室７−２とを備え、加熱コイル７−１を用いて、加熱室７−２の内部を加熱する。

この製造装置１を用いて炭化珪素単結晶を製造する際は、始めに、坩堝３の内部に炭化珪素原料２を供給した後、種結晶４と炭化珪素原料２とが対向した状態で本蓋体５により坩堝３の開口部を塞ぐ。さらに、坩堝３及び本蓋体５の外壁全体を断熱材６で覆い、断熱材６に被われた坩堝３及び本蓋体５を、加熱炉７の内部（即ち、加熱室７−２の内部）に導入する。そして、減圧雰囲気下（１ｋＰａ程度。好ましくは１００Ｐａ以下。実施例では１×１０＾（−４）Ｐａ程度。以下同じ）で炭化珪素原料２が昇華しない温度（１５００度以下。ここでは１２００度）に坩堝３を所定時間（２４時間程度）保持する。この処理により、炭化珪素原料２、坩堝３、及び本蓋体５に含まれる窒素が外部（即ち、坩堝３及び本蓋体５の外部）に排出される。その後、アルゴンガス雰囲気下で圧力を５ｋＰａ程度とし、炭化珪素原料２が昇華する温度（２５００℃程度）に坩堝３を加熱することにより、炭化珪素原料２を昇華させて種結晶４の表面上に炭化珪素単結晶を結晶成長させる。

このように、本発明の第１の実施の形態に係る製造方法は、減圧雰囲気下で炭化珪素原料２が昇華しない温度に坩堝３を所定時間保持した後、アルゴンガス雰囲気下で炭化珪素原料２が昇華する温度に坩堝３を加熱することにより、炭化珪素原料２を昇華させて種結晶４の表面上に炭化珪素単結晶を結晶成長させる。

このような製造方法によれば、減圧雰囲気下で炭化珪素原料２が昇華しない温度に坩堝３を所定時間保持することにより坩堝３や炭化珪素原料２が有する不純物を除去した後に炭化珪素単結晶を気相成長させるので、図２及び図３に示すように、従来技術により製造された炭化珪素単結晶と比較して、内部に含まれる窒素濃度が低く抵抗率が高い炭化珪素単結晶を製造することができる。

なお、図２に示す窒素濃度はＳＩＭＳ分析により測定された結果を示す。また、図３に示す抵抗値は非接触式渦電流検出型測定器（抵抗値＜１×１０３［Ω・ｃｍ］）と非接触式ＣＶカーブ測定式測定器（抵抗値＞１×１０５［Ω・ｃｍ］）により測定された結果を示す。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を説明する。図４は、第２の実施の形態に係る製造装置１を示す説明図である。図４に示すように、第２の実施の形態に係る製造装置１は、第１の実施の形態に係る製造装置１に質量分析計８を追加したものである。質量分析計８は、坩堝３より発生する窒素濃度を測定する。

次に、第２の実施の形態に係る製造方法を説明する。第２の実施の形態に係る製造方法は、上述した減圧雰囲気で保持する処理が異なる他は、第１の実施の形態に係る製造方法と同様である。即ち、第２の実施の形態に係る製造方法では、減圧雰囲気下で炭化珪素原料２が昇華しない温度に坩堝３を保持する一方で、質量分析計８を用いて、窒素濃度を測定する。図５に、測定結果を示す。図５に示すように、窒素濃度は、時間の経過と共に減少するが、ある時間Ｔ（２４時間程度）以降は一定となる。そこで、窒素濃度が一定となったら、保持を終了し、次の処理に進む。したがって、第２の実施の形態での所定時間は、坩堝を減圧雰囲気下で保持温度にしてから、坩堝より発生する窒素濃度が一定になるまでの時間となる。

第２の実施の形態に係る製造方法によれば、窒素濃度が一定になるのを確認してから炭化珪素単結晶を成長させるので、内部に含まれる窒素濃度が低く抵抗率が高い炭化珪素単結晶を第１の実施の形態よりも確実に製造することが出来る。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を図面に基づいて説明する。図６は、第３の実施の形態に係る製造装置１を示す説明図である。図６に示すように、第３の実施の形態に係る製造装置１は、第１の実施の形態に係る製造装置１に仮蓋体９及び質量分析計８を追加したものである。仮蓋体９は、本蓋体５から種結晶４を取り外したもの（取り付けていないもの）である。図のように、凸形状となっていなくてもよい。質量分析計８は、坩堝３より発生する窒素濃度を測定する。

次に、第３の実施の形態に係る製造方法を図７に示すフローチャートに沿って説明する。ステップＳ１０において、炭化珪素原料２を坩堝３の内部に供給する。その後、仮蓋体９の裏面が炭化珪素原料２に対向した状態で、仮蓋体９により坩堝３の開口部を塞ぐ。さらに、坩堝３及び仮蓋体９の外壁全体を断熱材６で覆う。

ステップＳ１１において、断熱材６に被われた坩堝３及び仮蓋体９を、加熱炉７の内部（即ち加熱室７−２の内部）に導入する。このときの様子を図６に示す。次いで、加熱炉７の内部を減圧雰囲気とし、坩堝３を炭化珪素原料２が昇華を開始する温度（１３００度〜１７００度程度、ここでは１７００度。以下同じ）に加熱し、坩堝３の温度をこの温度、すなわち保持温度に保持する。このときの様子を、図８（ａ）に示す。図８（ａ）に示すように、炭化珪素原料２が若干量昇華し、仮蓋体９の凸部１０に、炭化珪素結晶１１が形成される。この炭化珪素結晶１１は、炭化珪素単結晶をほとんど含まず、主に多形炭化珪素で構成される。さらに、炭化珪素原料２、坩堝３、及び仮蓋体９に含まれる窒素は、外部（即ち、坩堝３及び仮蓋体９の外部）に排出される他、炭化珪素結晶１１に取り込まれる。

炭化珪素原料２の温度を１７００度に保持する一方、質量分析計８を用いて、坩堝３より発生する窒素の濃度を測定する。質量分析計８による測定結果は、図５に示される。窒素濃度は、時間の経過に応じて小さくなるが、時間Ｔ（２４時間程度）以降は一定となる。そこで、窒素濃度が一定となったら、保持を終了し、次のステップに進む。したがって、第３の実施の形態での所定時間は、坩堝を減圧雰囲気下で保持温度にしてから、坩堝より発生する窒素濃度が一定になるまでの時間となる。

ステップＳ１２において、坩堝３の温度を常温に戻し、加熱炉７の内部をアルゴンガス雰囲気として大気圧程度に戻す。さらに、断熱材６及び仮蓋体９を外し、種結晶４が炭化珪素原料２に対向した状態で、本蓋体５により開口部を塞ぐ。さらに、坩堝３及び本蓋体５の外壁全体を断熱材６で覆う。この処理の様子を図８（ｂ）に示す。

ステップＳ１３において、アルゴンガス雰囲気下で圧力を５ｋＰａ程度とし、炭化珪素原料２が昇華する温度（２５００℃程度）に坩堝３を加熱する。これにより、炭化珪素原料２を昇華させて種結晶４の表面上に炭化珪素単結晶を結晶成長させる。このときの様子を図８（ｃ）に示す。その後、処理を終了する。

図９は、結晶高さ、すなわちステップＳ１３の処理で成長した炭化珪素単結晶の高さと、炭化珪素単結晶の抵抗率との関係を示す。炭化珪素単結晶の高さに対して炭化珪素単結晶の抵抗率が高いほど、その炭化珪素単結晶の純度が高い。すなわち、品質が高い。グラフＡは、ステップＳ１１の処理を１７００度で行ったときの当該関係を示し、グラフＢ、Ｃは、ステップＳ１１の処理をそれぞれ１２００度、７００度で行った場合の当該関係を示す。なお、炭化珪素原料２は、１２００度、７００度ではほとんど昇華しない。すなわち、１２００度、７００度は、炭化珪素原料２が昇華しない温度である。

グラフＡ〜Ｃが示すように、ステップＳ１１の処理を、炭化珪素原料２が昇華を開始する温度である１７００度で行った場合、ステップＳ１１の処理を他の温度で行うよりも、炭化珪素単結晶の抵抗率、すなわち品質が向上する。したがって、第３の実施の形態に係る製造方法は、第１及び第２の実施の形態に係る製造方法よりも、内部に含まれる窒素濃度が低く抵抗率が高い炭化珪素単結晶を製造することができる。

さらに、第３の実施の形態に係る製造方法によれば、窒素濃度が一定になったことを確認してから炭化珪素単結晶を成長させるので、内部に含まれる窒素濃度が低く抵抗率が高い炭化珪素単結晶を第１の実施の形態よりも確実に製造することが出来る。

さらに、第３の実施の形態に係る製造方法によれば、ステップＳ１１の処理を行う際に、坩堝３を仮蓋体９で塞ぐので、不純物をこの仮蓋体９に吸着させることができる。すなわち、この製造方法は、ステップＳ１１の処理により生じた不純物が種結晶４に付着するのを防止することが出来る。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明する。図１０は、第４の実施の形態に係る製造装置１の構成を示す説明図である。第４の実施の形態に係る製造装置１は、第２の実施の形態の製造装置１の加熱炉７を変更したものである。すなわち、加熱炉７は、種結晶４の周辺に配される加熱コイル１２と、炭化珪素原料２の周辺に配される加熱コイル１３と、加熱室７−２とを備える。

次に、第４の実施の形態に係る製造方法を図１１に示すフローチャートに沿って説明する。

ステップＳ１４において、炭化珪素原料２を坩堝３の内部に供給する。その後、種結晶４が炭化珪素原料２に対向した状態で、本蓋体５により坩堝３の開口部を塞ぐ。さらに、坩堝３及び本蓋体５の外壁全体を断熱材６で覆う。

ステップＳ１５において、断熱材６に覆われた坩堝３及び本蓋体５を、加熱炉７の内部（即ち、加熱室７−２の内部）に導入する。このときの様子を図１０に示す。次いで、加熱炉７の内部を減圧雰囲気とし、加熱コイル１３を用いて、坩堝３のうち、炭化珪素原料２周辺部分の温度を、炭化珪素原料２が昇華を開始する温度に加熱し、この温度を保持する。一方、加熱コイル１２を用いて、坩堝３のうち、種結晶４の周辺部分の温度を、炭化珪素が気体となる（すなわち、再結晶しない）温度に加熱し、この温度を保持する。

一方、質量分析計８を用いて、坩堝３より発生する窒素の濃度を測定する。質量分析計８による測定結果は、図５に示される。窒素濃度は、時間の経過に応じて小さくなるが、時間Ｔ（２４時間程度）以降は一定となる。そこで、窒素濃度が一定となったら、保持を終了し、次のステップに進む。したがって、第４の実施の形態での所定時間は、坩堝を減圧雰囲気下で保持温度にしてから、坩堝より発生する窒素濃度が一定になるまでの時間となる。

ステップＳ１６において、アルゴンガス雰囲気下で圧力を５ｋＰａ程度とし、炭化珪素原料２が昇華する温度（２５００℃程度）に坩堝３を加熱する。これにより、炭化珪素原料２を昇華させて種結晶４の表面上に炭化珪素単結晶を結晶成長させる。その後、処理を終了する。

第４の実施の形態に係る製造方法によれば、第３の実施の形態と同様の効果が得られる他、以下の効果が得られる。

すなわち、第４の実施の形態に係る製造方法によれば、ステップＳ１５の処理を行う際に、坩堝３のうち、種結晶４周辺部分の温度を、炭化珪素が再結晶しない温度に保持するので、種結晶４に不純物が再結晶することを防止することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１実施形態となる炭化珪素単結晶の製造装置を示す模式図である。 従来技術及び本願発明により製造された炭化珪素単結晶内部の窒素濃度を示すプロファイル図である。 従来技術及び本願発明により製造された炭化珪素単結晶内部の抵抗値を示すプロファイル図である。 第２の実施の形態に係る製造装置を示す模式図である。 坩堝より発生する窒素濃度の変化を示すグラフである。 第３の実施の形態に係る製造装置を示す模式図である。 第３の実施の形態に係る製造方法を示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係る製造方法を示す模式図である。 炭化珪素単結晶の抵抗率を示すグラフである。 第４の実施の形態に係る製造装置を示す模式図である。 第４の実施の形態に係る製造方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１：炭化珪素単結晶製造装置
２：炭化珪素原料
３：坩堝
４：種結晶
５：蓋体
６：断熱材
７：加熱炉
８：質量分析計
９：仮蓋体
１２、１３：加熱コイル

Claims (2)

1. 開口部を有する坩堝の内部に炭化珪素原料を供給する工程と、
   炭化珪素の種結晶が取り付けられた本蓋体により、前記種結晶と前記炭化珪素原料とが対向した状態で、前記坩堝の開口部を塞ぐ処理を含み、減圧雰囲気下で前記坩堝を１２００度以下に所定時間保持する前処理を行う工程と、
   前記前処理を行った後、不活性ガス雰囲気下で前記炭化珪素原料が昇華する温度に前記坩堝を加熱することにより、前記炭化珪素原料を昇華させて前記種結晶の表面上に炭化珪素単結晶を結晶成長させる工程とを有しており、
   前記所定時間は、前記坩堝を減圧雰囲気下で前記保持温度にしてから、前記坩堝より発生する窒素濃度が一定になるまでの時間であることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 前記前処理は、仮蓋体により前記坩堝の開口部を覆い、前記仮蓋体に覆われた坩堝を、減圧雰囲気下で、前記炭化珪素原料が昇華を開始する保持温度に所定時間保持し、その後、前記仮蓋体を取り外し、前記本蓋体により、前記種結晶と前記炭化珪素原料とが対向した状態で前記坩堝の開口部を塞ぐ処理であ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。

Images