JP5429288B2 - SiC単結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
溶液法によるSiC単結晶の製造方法は、黒鉛るつぼ内のSi融液内に内部から融液面へ向けて温度低下する温度勾配を維持する。下方の高温部で黒鉛るつぼからSi融液内に溶解したCは主として融液の対流に乗って上昇し融液面近傍の低温部に達して過飽和になる。黒鉛棒の先端に保持しSiC種結晶を融液面と接触させると、過飽和となったCがSiC種結晶上でエピタキシャル成長によりSiC単結晶として結晶化する。本出願において、成長温度、接触温度等は、融液面の温度の意味である。
SiC単結晶は、特に半導体材料として良好なデバイス特性を確保するために、転位等の格子欠陥を密度ができるだけ低いことが必要である。そのためには、種結晶の欠陥密度に対して増加させないように単結晶を成長させることが重要である。種結晶を融液面に接触させると両者間の大きな温度差によって、種結晶の接触表面領域および成長開始した薄い単結晶に大きな応力が負荷されるため、格子欠陥が発生し、これが成長に伴って製品単結晶の欠陥となる。
そこで、このような欠陥発生を防止するために、種結晶を融液と接触させる方法について、これまで種々の提案がなされている。
特開2000−264790号公報には、溶液法によるSiC単結晶の製造において、成長温度の±100〜150℃になった時点で種結晶を融液面に接触(シードタッチ)させ、融液の温度が成長温度になるまで暫らく放置し、種結晶の接触表面領域および/または種結晶上に成長開始した薄い単結晶を融液中に溶融(メルトバック)させることが提案されている。しかし、シードタッチの時点で融液中のC濃度が飽和濃度に達していると、シードタッチの直後から即座にSiC単結晶が成長開始し、異種ポリタイプ結晶となるか、結晶欠陥が発生する。結局、シードタッチに起因する欠陥発生を確実に防止できない。
更に、下記の提案がなされている。
特開平7−172998号公報には、Si融液が成長温度である1700℃より100℃低い温度になった時点で種結晶を降下させて融液面に接触させ、Si融液の温度を成長温度まで上昇させることにより、種結晶表面を僅かに融解させて表面に存在する加工傷と酸化膜を除去することが提案されている。
特開2007−261844号公報には、SiとCとCrとを含む融液から溶液法によりSiC単結晶を成長させる際に、融液温度が成長温度に達した後に、融液を所定時間保持してから種結晶を融液に接触させることが提案されている。
特開2006−143555号公報にも同様の提案がなされている。
いずれも、融液面に種結晶を接触させるシードタッチに起因する欠陥を確実に低減することはできない。
また、特開2008−159740号公報には、CVD法によるSiC単結晶の製造において、SiC成長開始前に天板を一旦成長温度よりも高い温度領域まで昇温させて成長前クリーニングを行い、その後に成長温度まで降温させてSiC成長を行なうことが提案されている。溶液法とは異なるCVD法において天板表面の汚染を除去するだけであり、溶液法によるSiC単結晶の成長においてシードタッチに起因する欠陥を低減することに何ら資するところはない。
また、特許第3079256号には、昇華法でSiC単結晶を成長させる際に、基板または基板ホルダーに対してエネルギービーム(炭酸ガスレーザビーム)を照射して、成長中の結晶内温度制御を行うことが提案されている。これも、溶液法とは異なる昇華法法において結晶内温度分布を制御する技術であり、溶液法によるSiC単結晶の成長においてシードタッチに起因する欠陥を低減することに何ら資するところはない。
上記の目的を達成するために、本発明によれば、黒鉛るつぼ内でSiを含む融液にSiC種結晶を接触させることにより、該SiC種結晶上にSiC単結晶を成長させるSiC単結晶の製造方法において、
Cが未飽和の状態の該融液に、上記SiC種結晶を接触させることを特徴とするSiC単結晶の製造方法が提供される。
本発明の方法によれば、Cが未飽和の状態の融液に種結晶を接触させるので、接触時点において直ちにSiC単結晶が成長開始することがなく、欠陥の発生を確実に防止することができる。仮に欠陥が発生したとしても、その後の融液の飽和過程で欠陥発生層(種結晶および初期成長単結晶層)のメルトバックにより除去することができる。
本発明の望ましい形態によれば、上記成長させる温度以下の温度で上記接触を行い、かつ、該接触させた状態で温度保持を行なわない。成長温度以下の温度でシードタッチさせることで接触時での結晶成長が起きることが無く、更に、接触させた状態で温度保持しないのでCが飽和する時間的な余裕を与えずに、成長温度まで昇温することができる。
本発明の他の望ましい形態によれば、上記接触させる前から、上記成長が開始するまでの期間に、上記融液へのCの溶解度を高める元素を該融液に添加する。融液へのCの溶解度を高めることでCの飽和濃度が高まり、同じC濃度でも飽和濃度に対する比率が低下し、シードタッチ時点での結晶成長開始が起き難くなり、欠陥発生を更に確実に防止できる。そのための添加元素は、典型的にはCrおよびTiであり、他にAl,Fe,Co,Ni,V,Zr,Mo,W,Ce等を用いることができる。
上記Cの溶解を促進する元素を添加した場合は、シードタッチ前に成長温度で60分以下ならば温度保持を行なってよい。上記元素の添加によりC飽和度が低下しているので、成長温度でのC飽和までの時間に遅れが生じ、シードタッチに起因する欠陥発生が防止できる。
図2(1)〜(9)は、種結晶にコーティングを施す種々の形態を示す。
図3(1)〜(2)は、種結晶に小片を付着させる種々の形態を示す。
図4(1)〜(2)は、種結晶にイオン注入する種々の形態を示す。
図5(1)〜(2)は、種結晶の先端を尖塔形または台形にする種々の形態を示す。
図6は、シードタッチ時の炭素溶解量を成長時の炭素溶解量に比べて低く保つ2つの形態A、Bを説明する温度・C溶解量(縦軸)と時間(横軸)との関係を示す。
図7は、形態AについてSiC単結晶のエッチピット密度(縦軸)とシードタッチ温度(横軸)との関係を示す。
図8は、形態BについてSiC単結晶のエッチピット密度(縦軸)と成長温度での保持時間(横軸)との関係を示す。
黒鉛るつぼ10の周囲を取り巻く高周波加熱コイル12により、るつぼ10内の原料を加熱溶解して溶液14を形成し、その上方から黒鉛製支持棒16の下端に支持したSiC種結晶18を降下させて溶液14の液面Sに接触させ、Arガス等の不活性雰囲気20中でSiC種結晶18の下面にSiC単結晶を成長させる。
黒鉛るつぼ10は全体が断熱材22で覆われている。液面Sの温度を放射温度計24により非接触方式で測定する。
放射温度径24を液面Sを直視できる液面上方の観察窓に設置し、種結晶18を溶液14に接触させる前後の液面温度を測定することができる。
一般に、黒鉛るつぼ10内にSi融液の原料としてSiを投入し、高周波加熱コイル12により加熱してSi融液を形成する。黒鉛るつぼ10の内壁からCがこのSi融液に溶解してSi−C溶液14が形成される。このようにSiCのC源は基本的には黒鉛るつぼ10であるが、補助的に黒鉛ブロックを投入することもできる。またるつぼ10はSiC製であってもよく、その場合は、C源として黒鉛ブロックの投入が必須である。
また、融液中へのCの溶解を促進する元素(例えばCr)を添加する場合は、最初に融液原料としてSiと共にCrをるつぼ10内に投入して、加熱しSi−Cr融液を形成することができる。
本発明の方法は、シードタッチ時の溶液のC濃度<成長時のC飽和濃度とすることが特徴である。すなわち、(1)シードタッチ直後にSiC単結晶が晶出しない程度に溶液がCについて非飽和である時点でシードタッチするか、または、(2)シードタッチ時に晶出した結晶がその後の溶液の飽和過程でメルトバックし得る程度のC濃度の溶液にシードタッチする。
上記(1)の要件に記載したように、シードタッチの時点とSiC単結晶の成長開始の時点とを分離することが必須である。これにより、シードタッチ時に直ちにSiC単結晶の成長開始することを防止でき、シードタッチに起因する欠陥発生を防止できる。
上記(2)の要件を更に説明する。シードタッチ時に、高温の溶液に相対的に低温の種結晶が接触すると、接触領域の溶液温度が低下して局部的にC飽和した状態になり、SiC単結晶が僅かに晶出する可能性がある。その晶出量はC過飽和度が大きいほど増加するから、メルトバックにより除去できる程度の晶出量の範囲内に収まるようなC濃度の溶液にシードタッチする。
望ましくは、シードタッチを成長温度よりも低温で行い、シードタッチした状態で温度保持を行なわない。成長温度より低温の時点では溶液のC濃度は成長温度でのC濃度に比べてかなり低く、この時点でシードタッチすれば上記の(1)(2)の要件は充分に満たされ、更に、シードタッチした状態で温度保持を行なわないことで成長温度への溶液の昇温をるつぼからのCの溶け込みが追い掛ける時間的な関係になり、成長温度までC飽和が起きない。これにより特に上記要件(1)(2)の達成がより確実になる。
更に望ましくは、シードタッチの前から成長開始までの期間に、溶液へのCの溶解を促進する元素を溶液に投入する。これにより溶液の飽和C濃度を高め(C飽和度を低下させ)、上記要件(1)(2)の達成を更に容易にする。そのための元素としては、代表的にはCrおよびTiを用いるが、これら以外にもAl,Fe,Co,Ni,V,Zr,Mo,W,Ce等を用いることもできる。また単純にSiを追加投入してもよい。
上記Cの溶解を促進する元素を添加した場合は、シードタッチ前に成長温度で60分以下ならば温度保持を行なってよい。上記元素の添加によりC飽和度が低下しているので、成長温度でのC飽和までの時間に遅れが生じ、シードタッチに起因する欠陥発生が防止できる。
本発明においては、種結晶に対して下記の形態を適用することができる。
本発明の一形態においては、シードタッチの前に、種結晶を支持する軸(黒鉛製支持棒)を加熱することで、種結晶を予熱することも有効である。シードタッチによる局部的な溶液温度の低下とこれによる前述の問題発生を防止できる。
他の形態においては、シードタッチの前に、種結晶にレーザビームを照射することにより種結晶を予熱することができる。支持軸ではなく種結晶を直接加熱することで、種結晶の予熱温度をより精密に制御できる。
他の形態においては、図2(1)〜(9)に示したように、種結晶18に保護コーティング30を施すことができる。16は支持軸である。コーティング30には、金属、Si、Cなど、溶液中に混入しても成長に悪影響を及ぼさないものを用いる。シードタッチ時に表面コーティングが融解し発する熱により、シードタッチ時の熱衝撃を緩和できる。同時に、溶液の蒸気がSiC単結晶の表面に付着することによる異常成長(多結晶化など)を防止できる。特にコーティング材料を選べば、成長速度の増加も期待できる。
他の形態においては、図3(1)〜(2)に示したように、種結晶18の表面に、C接着剤やSiO2膜など32によりSiC、Siなど、溶液中に混入しても成長に悪影響を及ぼさない小片34を接着させることもできる。上記の保護コーティング30のように熱衝撃を緩和することはできないが、溶液の蒸気がSiC単結晶の表面に付着することによる異常成長(多結晶化など)を防止できる。また、シードタッチ面(付着小片表面)と成長表面(種結晶表面)とが離れているため、初期成長層での欠陥発生を回避できる。
他の形態においては、図4(1)〜(2)に示したように、種結晶18にイオン注入36を施すことができる。温度上昇によりイオン注入部36で剥離が生じることにより、シードタッチ面と成長面とを分離できると共に、成長面をより清浄に保つことができる。また、溶液への異物の混入を防止できる。
他の形態においては、図5(1)〜(2)に示したように、種結晶の先端を(1)尖塔形状(38)にするか、または(2)台形(40)にすることができる。シードタッチ時に欠陥が発生する部位を最小化し、その後のメルトバックにより成長面の面積を調整後に成長を行なうことができる。欠陥発生のリスクを回避し、同時に大径化を容易に行なえる(SiC単結晶は一般に大径化が困難である)。更に、成長開始部分がくびれ状になるので、支持軸16への溶液の濡れ上がり(44)を防止する効果がある。尖塔または台形の傾斜部46において種結晶18の例えば4H−SiCの積層構造が露出しており、大径化したSiC単結晶42でも同じ積層順序を引き継いだ4H−SiC構造が得られやすい。
基本的な結晶成長プロセス
・成長準備(図1参照)
(1)4H−SiC種結晶18を黒鉛製支持軸16に接着する。
(2)黒鉛るつぼ10に原料を投入する。
(3)これらを図1に示したように構成する。
(4)大気圧のAr20を導入する。
(5)所望の温度まで昇温する。
・シードタッチ
(1)溶液14の温度が充分な温度に達したら、支持軸16を下降させる。
(2)種結晶18が溶液14に接触し、所望の深さ(*)まで軸16を下降させた後、軸を停止させる。(*:本実施例では種結晶18を溶液14の液面に接触した位置で停止させた。一般には、種結晶18を溶液14中に沈めることもある。)
・成長
(1)溶液温度を所望の成長温度まで上昇させる。
(2)任意の時間保持して結晶成長を行なった後、軸16を引き上げる。
(3)数時間かけて軸16と溶液14を冷却する。
以下に、本発明の実施例と本発明の範囲外の比較例について具体的な手順および条件を説明する。
〔比較例1〕
Si融液を用いて4H−SiC種結晶上に成長を行なった。シードタッチ温度、成長温度は共に約1950℃であった。この際、成長時間1時間で厚さ約100μmのSiC単結晶を得ることができた。この結晶に溶融KOHエッチングを施し結晶表面における転位をエッチピットとして現出させた。エッチピットの密度は3×105cm−2であった。これは種結晶の欠陥密度レベル103cm−2に対して明瞭に増加していた。
〔比較例2〕
溶液温度を1900℃とし、温度が安定するまで溶液を保持した後、シードタッチを行なった。その後、1950℃まで昇温し、1時間成長を行なった。この際、厚さ約120μmのSiC単結晶を得ることができた。この結晶に溶融KOHエッチングを施したところ、エッチピットの密度は1×105cm−2であった。これは種結晶の欠陥密度レベル103cm−2に対して明瞭に増加していた。
〔実施例1〕
本発明により、昇温中に温度保持を行なわずにシードタッチを行なった。
溶液を昇温し、1900℃に達したら温度保持を行なうことなく直ちにシードタッチを行い、1950℃まで昇温し、この温度で1時間成長を行なった。厚さ約60μmのSiC単結晶を得ることができた。この結晶に溶融KOHエッチングを施したところ、エッチピット密度は3×103cm−2であった。これは種結晶の欠陥密度レベル103cm−2と同等である。
比較例2と比較すると、得られた結晶の厚さは約60μm薄い。また比較例2と同一の温度でシードタッチしたにもかかわらず、転位密度が2桁も少ない。このように、本発明によりシードタッチ時に温度保持を行なわずに溶液のC飽和度が低い状態でシードタッチを行なうことで、シードタッチ時に転位を多く含む結晶層が晶出するのを抑制でき、かつ、その後の溶液の飽和過程におけるメルトバックにより成長層の低転位化が実現できた。メルトバックが起きたことは、得られたSiC単結晶の厚さが薄くなっていることから示唆される。
〔比較例3〕
Siに10at%のCrを添加した溶液を用いて成長を行なった。成長温度1950℃に昇温した後、30分の温度保持を行なった後、シードタッチを行なった。1時間成長を行なった。得られたSiC単結晶のエッチピット密度は9×104cm−2であった。
〔比較例4〕
Siに30at%のCrを添加した溶液を用いて、比較例3と同様に成長を行なった。得られたSiC単結晶のエッチピット密度は3×105cm−2であった。
〔比較例5〕
Siに40at%のCrを添加した溶液を用いて成長を行なった。成長温度1950℃に昇温した後、90分の温度保持を行なった後、シードタッチを行なった。1時間成長を行なった。得られたSiC単結晶のエッチピット密度は5×105cm−2であった。
〔比較例6〕
Siに40at%のCrを添加した溶液を用いて成長を行なった。成長温度1950℃に昇温した後、150分の温度保持を行なった後、シードタッチを行なった。1時間成長を行なった。得られたSiC単結晶のエッチピット密度は5×105cm−2であった。
〔実施例2〕
Siに40at%のCrを添加した溶液を用いて成長を行なった。成長温度1950℃に昇温した後、本発明により温度保持なしでシードタッチを行なった。1時間成長を行なった。得られたSiC単結晶のエッチピット密度は7×104cm−2であった。
〔実施例3〕
Siに40at%のCrを添加した溶液を用いて成長を行なった。成長温度1950℃に昇温した後、本発明により30分の温度保持を行なった後、シードタッチを行なった。1時間成長を行なった。得られたSiC単結晶のエッチピット密度は3×103cm−2であった。
〔実施例4〕
Siに40at%のCrを添加した溶液を用いて成長を行なった。成長温度1950℃に昇温した後、本発明により60分の温度保持を行なった後、シードタッチを行なった。1時間成長を行なった。得られたSiC単結晶のエッチピット密度は4×104cm−2であった。
CrはCの溶解を促進し、成長速度を増加させる。このようなC溶解量を増加させる金属を一定量以上(上記各実施例では40at%以上)添加することにより、溶液のC飽和を遅らせることができる。これにより、成長温度で温度保持後にシードタッチしても、温度保持が一定時間内であれば、成長層での転位発生を抑制し、かつ、その後の溶液の飽和過程で転位発生部をメルトバックにより除去できる。Crの代わりにTiを用いても同等の効果が得られる。更に、Al,Fe,Co,Ni,V,Zr,Mo,W,Ce等の元素を用いることもできる。
〔実施例5〕
種結晶の表面にCr蒸着によりコーティングした以外は、比較例1と同様の条件で成長を行なった。得られたSiC単結晶のエッチピット密度は7×104cm−2であり、比較例1に比べて1/4に減少した。
以上の実施例および比較例で得られた結果を表1にまとめて示す。
また、一連の実験Bにより、Cの溶解を促進する溶媒を用いることで、溶液のC飽和を遅らせることができ、上記と同様の効果が得られることが分かった。
図6に成長時の温度と炭素溶解量の関係を2つの形態A、Bについて模式的に示す。形態A、Bは表1の実験A、Bに対応する。
図7に、形態AについてSiC単結晶のエッチピット密度(縦軸)とシードタッチ温度(横軸)との関係を示す。実施例1と比較例2の結果を、他のデータを合わせてプロットした。1950℃の成長温度に対して昇温途中の種々の温度でシードタッチし、シードタッチ温度で保持しないと、エッチピット密度は低い。これはシードタッチ時に溶液がC飽和していないためである。右端のプロットは成長温度1950℃でシードタッチ場合であり、C溶解量の増加が昇温に対して僅かな遅れであるためシードタッチ時点で既に溶液がC飽和しており、シードタッチに伴う欠陥発生によりエッチピット密度が大幅に増大している。
図8に、形態BについてSiC単結晶のエッチピット密度(縦軸)と成長温度での保持時間(横軸)との関係を示す。実施例1〜3と比較例5、6のデータをプロットした。Siに40at%Crを添加したことにより、Cの飽和濃度が高まり、C飽和に至る時間が長時間化したため、成長温度1950℃に達して昇温終了後でも保持時間が60分以内なら、溶液がC飽和するより早くシードタッチすることができ、シードタッチに起因する欠陥発生を実質的に防止できる。
本発明は、SiCのバルク結晶成長およびエピタキシャル成長に用いることができるし、これらの成長方法により得られたバルク結晶およびエピタキシャル成長層も提供する。
本発明はまた、ウェーハとエピタキシャル成長層との間のバッファ層の形成にも用いることができるし、それにより形成されたバッファ層も提供する。
本発明は更に、種結晶表面への転位低減層の形成に用いることもできるし、この転位低減層のオフ角度を調整した後にバルク成長を行い、低転位バルク結晶を形成することもできる。
Claims (4)
- 黒鉛るつぼ内でSiを含む融液にSiC種結晶を接触させることにより、該SiC種結晶上にSiC単結晶を成長させるSiC単結晶の製造方法において、
Cが未飽和の状態の該融液に、上記SiC種結晶を接触させ、
Cが未飽和状態の該融液中で該SiC種結晶をメルトバックさせた後、
メルトバック中の温度以上の温度で結晶成長させることを特徴とするSiC単結晶の製造方法。 - 請求項1において、上記成長させる温度以下の温度で上記接触を行い、かつ、該接触させた状態で温度保持を行なわないことを特徴とするSiC単結晶の製造方法。
- 請求項1において、上記接触させる前から、上記成長が開始するまでの期間に、上記融液へのCの溶解度を高める元素を該融液に添加することを特徴とするSiC単結晶の製造方法。
- 請求項3において、上記成長させる温度で60分以下の温度保持をした後に上記接触を行なうことを特徴とするSiC単結晶の製造方法。
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