JP5678721B2 - Seed crystal for growing silicon carbide single crystal and method for producing silicon carbide single crystal - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素単結晶育成用種結晶及び炭化珪素単結晶の製造方法並びに炭化珪素単結晶インゴットに関する。 The present invention relates to a seed crystal for growing a silicon carbide single crystal, a method for producing a silicon carbide single crystal, and a silicon carbide single crystal ingot.
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。 Silicon carbide (SiC) is attracting attention as an environmentally resistant semiconductor material because of its excellent heat resistance and mechanical strength, and physical and chemical properties such as resistance to radiation. SiC is a typical material having a polymorphic structure with many different crystal structures even though the chemical composition is the same. Polytype means that when a unit of Si and C bonded molecules in the crystal structure is considered as a unit, the unit structure molecule is different in the periodic structure when stacked in the c-axis direction ([0001] direction) of the crystal. Arise. Typical polytypes include 6H, 4H, 15R or 3C. Here, the first number represents the repetition period of the stack, and the alphabet represents a crystal system (H is a hexagonal system, R is a rhombohedral system, and C is a cubic system). Each polytype has different physical and electrical characteristics, and application to various uses is considered using the difference. For example, 6H is recently used as a substrate for short-wavelength optical devices from blue to ultraviolet, and 4H is considered to be used as a substrate wafer for high-frequency, high-voltage electronic devices.
しかしながら、大きな電圧・電流を高歩留まりで制御できる高品質・大面積な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。それ故、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、その実用化が極めて限定されている。 However, a crystal growth technique capable of stably supplying a high-quality, large-area SiC single crystal capable of controlling a large voltage / current with a high yield on an industrial scale has not yet been established. Therefore, practical application of SiC is extremely limited despite the semiconductor material having many advantages and possibilities as described above.
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。 Conventionally, on a laboratory scale scale, for example, a SiC single crystal was grown by a sublimation recrystallization method (Rayleigh method) to obtain a SiC single crystal of a size capable of manufacturing a semiconductor element. However, with this method, the area of the obtained single crystal is small, and it is difficult to control its size and shape with high accuracy. Also, it is not easy to control the crystal polymorphism and impurity carrier concentration of SiC. In addition, a cubic SiC single crystal is grown by heteroepitaxial growth on a heterogeneous substrate such as silicon (Si) using a chemical vapor deposition method (CVD method). In this method, a large-area single crystal can be obtained, but only a SiC single crystal containing many defects (˜10 7 cm −2 ) can be grown due to a lattice mismatch of about 20% with the substrate. It is not easy to obtain a high-quality SiC single crystal.
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(100〜15kPa)、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て(ドーピング)制御できる。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(p型)、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4インチ(100.0mm)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。 In order to solve these problems, an improved Rayleigh method has been proposed in which sublimation recrystallization is performed using a SiC single crystal {0001} plane substrate as a seed crystal (Non-patent Document 1). In this method, since the seed crystal is used, the nucleation process of the crystal can be controlled, and by controlling the atmospheric pressure to about 100 Pa to 15 kPa with an inert gas, the growth rate of the crystal can be controlled with good reproducibility. . The principle of the improved Rayleigh method will be described with reference to FIG. The SiC single crystal as a seed crystal and the SiC crystal powder as a raw material are stored in a crucible (usually graphite) and heated to 2000 to 2400 ° C. in an inert gas atmosphere such as argon (100 to 15 kPa). At this time, the temperature gradient is set so that the seed crystal has a slightly lower temperature than the raw material powder. After sublimation, the raw material is diffused and transported in the direction of the seed crystal by a concentration gradient (formed by a temperature gradient). Single crystal growth is realized by recrystallization of the source gas that has arrived at the seed crystal on the seed crystal. At this time, the volume resistivity of the crystal is determined by adding an impurity gas in an atmosphere composed of an inert gas, or by mixing an impurity element or a compound thereof in the SiC raw material powder, It is possible to control (doping) by replacing the position of the carbon atom with an impurity element. Typical substitutional impurities in SiC single crystals include nitrogen (n-type), boron (p-type), and aluminum (p-type). A SiC single crystal can be grown while controlling the carrier type and concentration by these impurities. Currently, SiC single crystal substrates having a diameter of 2 inches (50.8 mm) to 4 inches (100.0 mm) are cut out from the SiC single crystals produced by the above-described improved Rayleigh method, and are used for epitaxial thin film growth and device fabrication.
上記したように、SiC単結晶は、黒鉛製坩堝内にて高温下で昇華した原料が温度勾配により形成される濃度勾配によって拡散、輸送されて種結晶上へ到達し、そこで再結晶化することで成長する。このとき、種結晶を平面加工する工程が原因となって種結晶最表面に残存する結晶ダメージにより、種結晶上に成長させる成長インゴットには加工ダメージに起因した各種転位欠陥が発生し易く、結晶品質を劣化させる原因となっていた。特に結晶を成長方向に貫通する転位(貫通らせん転位、貫通刃状転位、等。以後これらを総称して貫通転位と呼ぶ)は一度発生すると結晶成長方向に沿って結晶インゴット中を伝播していくため、インゴットから切り出した全ウェハに共通の転位欠陥となる。こうした種結晶と成長結晶インゴットとの界面における各種転位欠陥発生を抑制するためには、種結晶最表面の結晶ダメージ層を除去する必要がある。この結晶ダメージ層除去を狙った方法として、結晶成長が開始される前に、原料部と種結晶の温度勾配を逆転させて(種結晶の方が高温となるような温度分布に設定することで)種結晶表面を昇華させる手法が報告されている(非特許文献2)。しかし、実際にこの方法を行ってみると、温度、圧力、昇華ガス組成と言う各パラメーターに求められる条件範囲が非常に狭く、実質的に制御はできないことが判明した。例えば、非特許文献2にあるような1800℃と言う比較的高温の場合、実際に3インチ(76.2mm)φと言うような大きさの種結晶を用いる場合には種結晶面内における温度分布が大きくなり、部分的に昇華が発生したりしなかったりとばらつきが発生してしまうため制御が困難となる。また、圧力や昇華ガス組成に関しては、エッチングが安定して生じる条件範囲が非常に狭く、どうしても場所によってはシリコン原子が過剰に昇華した結果として表面に炭素が残る炭化状態となり、その上に成長した結晶の品質が著しく低下する。このため、実際にはこの方法では大面積の種結晶上に高品質な結晶を成長させることは非常に困難であった。
As described above, the SiC single crystal is diffused and transported by the concentration gradient formed by the temperature gradient in the raw material sublimated at a high temperature in the graphite crucible and reaches the seed crystal where it is recrystallized. Grow in. At this time, due to the crystal damage remaining on the outermost surface of the seed crystal due to the process of planarizing the seed crystal, various dislocation defects due to the processing damage are likely to occur in the growth ingot grown on the seed crystal. It was a cause of quality degradation. In particular, dislocations that penetrate the crystal in the growth direction (threading screw dislocations, threading edge dislocations, etc., hereinafter collectively referred to as threading dislocations) once propagate through the crystal ingot along the crystal growth direction. Therefore, it becomes a dislocation defect common to all wafers cut out from the ingot. In order to suppress the occurrence of various dislocation defects at the interface between the seed crystal and the grown crystal ingot, it is necessary to remove the crystal damage layer on the outermost surface of the seed crystal. As a method aimed at removing the crystal damage layer, before starting the crystal growth, the temperature gradient of the raw material portion and the seed crystal is reversed (by setting the temperature distribution so that the seed crystal has a higher temperature). ) A technique for sublimating the seed crystal surface has been reported (Non-Patent Document 2). However, when this method was actually performed, it was found that the condition ranges required for the parameters such as temperature, pressure, and sublimation gas composition were very narrow and could not be controlled substantially. For example, in the case of a relatively high temperature of 1800 ° C. as described in
また、予め別の方法、例えば、溶融水酸化カリウム浴中に浸漬する方法で種結晶の表面をエッチングして結晶ダメージ層を除去する方法も考えられる。しかし、この場合も実際に試みると、エッチング浴の温度分布によりエッチング速度にはかなりのむらがあり、うねったような表面形状となることが抑えきれない。さらに、本来は表面のエッチング層の除去及びその後の結晶成長が、プロセスを中断することなく連続して行われた方が望ましいのに対し、この方法ではそうしたことも不可能であり、実際にこの手法で大面積の種結晶全面に亘り高品質な結晶インゴットを成長させることはやはり困難であった。
なお、特許文献1には、種結晶の結晶成長面に矩形の溝を形成することで、種結晶が有する貫通転位欠陥の成長結晶側への伝播を防ぐ方法が記載されているが、結晶成長開始時に種結晶の加工ダメージに起因して発生する貫通らせん転位、貫通刃状転位等の貫通転位を抑制する方法を教えるものではない。
Further, another method, for example, a method of removing the crystal damage layer by etching the surface of the seed crystal by dipping in a molten potassium hydroxide bath is also conceivable. However, in this case as well, when actually tried, there is a considerable unevenness in the etching rate due to the temperature distribution of the etching bath, and it cannot be suppressed that the surface shape becomes wavy. Furthermore, while it is desirable that the removal of the etching layer on the surface and the subsequent crystal growth be performed continuously without interrupting the process, this is not possible with this method. It was still difficult to grow a high quality crystal ingot over the entire surface of a large area seed crystal by this method.
上記したように、従来の成長法では種結晶最表面に残存する加工ダメージ層の影響による各種転位欠陥が発生し、高品質なSiC単結晶ウェハ製造ができていなかった。
そこで、本発明では、上記の従来技術での問題を解決し、結晶性の良好なSiC単結晶を得るSiC単結晶の製造方法及びSiC単結晶インゴットを提供することを目的とする。
As described above, in the conventional growth method, various dislocation defects are generated due to the influence of the processing damage layer remaining on the outermost surface of the seed crystal, and a high-quality SiC single crystal wafer cannot be manufactured.
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems in the prior art and to provide an SiC single crystal manufacturing method and an SiC single crystal ingot for obtaining an SiC single crystal with good crystallinity.
本発明は、
(1)昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を成長させるのに用いる炭化珪素単結晶からなる種結晶であって、結晶成長面側に開口部を有した窪みを複数有し、前記窪みは、開口部の周上の任意の2点間を結んだ長さが最大2mm以下である大きさを有すると共に、炭化珪素単結晶が成長できる側壁によって囲まれた初期成長空間を有し、かつ、開口部の周上の任意の点から2mm以内の距離に他の窪みの開口部が存在するように、前記窪みが互いに隣接して形成されたことを特徴とする炭化珪素単結晶育成用種結晶、
(2)前記窪みの深さを開口部の周上の任意の2点間を結んだ長さの最大長で除した値で定義される窪みのアスペクト比が0.1以上10以下である(1)に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶、
(3)前記各窪みの開口部の面積を合計した開口部総面積が、結晶成長面の20%以上を占める(1)又は(2)に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶、
(4)口径が50mm以上300mm以下である(1)〜(3)のいずれかに記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶、
(5)4Hポリタイプを有する種結晶である(1)〜(4)のいずれかに記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶、
(6)昇華再結晶法により種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる工程を含む炭化珪素単結晶の製造方法であって、前記種結晶として請求項1〜4のいずれかに記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶を用いて、2000℃以上2400℃以下及び100Pa以上15kPa以下の雰囲気下で結晶成長を行い、初期成長空間に炭化珪素単結晶を成長させて窪みを塞いで、引き続き結晶成長を行うことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法、
(7)隣接する窪み間に形成された結晶成長面の残部に炭化珪素単結晶が成長するのに先立って、前記残部の表面が昇華する(6)に記載の炭化珪素単結晶の製造方法、
である。
The present invention
(1) A seed crystal composed of a silicon carbide single crystal used for growing a silicon carbide single crystal by a sublimation recrystallization method, wherein the seed crystal has a plurality of recesses having openings on the crystal growth surface side, The length between any two points on the periphery of the opening is a maximum of 2 mm or less, and has an initial growth space surrounded by a side wall on which a silicon carbide single crystal can be grown, and the opening A seed crystal for growing a silicon carbide single crystal, wherein the recesses are formed adjacent to each other so that there is an opening of another recess at a distance within 2 mm from an arbitrary point on the circumference of the part,
(2) The aspect ratio of the depression defined by the value obtained by dividing the depth of the depression by the maximum length of the length connecting any two points on the circumference of the opening is 0.1 or more and 10 or less ( A seed crystal for growing a silicon carbide single crystal according to 1),
(3) The silicon carbide single crystal growth seed crystal according to (1) or (2), wherein the total area of the openings, which is the sum of the areas of the openings of the recesses, occupies 20% or more of the crystal growth surface,
(4) The seed crystal for growing silicon carbide single crystal according to any one of (1) to (3), having a diameter of 50 mm or more and 300 mm or less,
(5) A seed crystal for growing a silicon carbide single crystal according to any one of (1) to (4), which is a seed crystal having a 4H polytype,
(6) A method for producing a silicon carbide single crystal comprising a step of growing a silicon carbide single crystal on a seed crystal by a sublimation recrystallization method, wherein the silicon carbide according to any one of
(7) The method for producing a silicon carbide single crystal according to (6), wherein the surface of the remaining portion is sublimated before the silicon carbide single crystal grows on the remaining portion of the crystal growth surface formed between adjacent recesses,
It is.
本発明によれば、SiC原料を昇華させ、種結晶上にSiC結晶を成長させるSiC単結晶の製造において、種結晶表面に特定の大きさ、形状を有する窪みを所望の割合、配置で設けることにより、種結晶直上における成長開始時の貫通転位欠陥を合体消滅させて、その発生密度を大幅に低減できるので、結晶性の良好なSiC単結晶を高い歩留まりで成長させることができる。そうした良質の単結晶インゴットから切り出して得られるウェハ上に作製した半導体デバイスは、デバイス動作を劣化させる原因となる貫通転位欠陥密度が低減されているために高い歩留まりで安定動作させることが可能となる。 According to the present invention, in the manufacture of a SiC single crystal in which a SiC raw material is sublimated and a SiC crystal is grown on the seed crystal, recesses having a specific size and shape are provided on the seed crystal surface in a desired ratio and arrangement. As a result, the threading dislocation defects at the start of growth immediately above the seed crystal can be coalesced and the generation density thereof can be greatly reduced, so that a SiC single crystal with good crystallinity can be grown with a high yield. A semiconductor device manufactured on a wafer obtained by cutting from such a high-quality single crystal ingot can be stably operated at a high yield because the density of threading dislocation defects that cause the device operation to deteriorate is reduced. .
本発明に係る種結晶は、結晶成長面側に所定の開口部と側壁によって囲まれた初期成長空間を有した窪みを複数備えることから、昇華再結晶法によりSiC単結晶を成長させると、隣接する窪み間に形成された結晶成長面の残部の表面は昇華して種結晶の加工で生じたダメージ層が除去され、また、初期成長空間内に成長したSiC単結晶は、結晶成長開始時に発生した貫通転位欠陥を合体消滅させることができることから、貫通転位の発生密度を大幅に低減して結晶性の良好なSiC単結晶を高い歩留まりで成長させることができる。
実施形態を以下に説明する。
The seed crystal according to the present invention includes a plurality of depressions having an initial growth space surrounded by a predetermined opening and a side wall on the crystal growth surface side. Therefore, when a SiC single crystal is grown by a sublimation recrystallization method, The remaining surface of the crystal growth surface formed between the recesses is sublimated to remove the damage layer generated by processing the seed crystal, and the SiC single crystal grown in the initial growth space is generated at the start of crystal growth. Since the formed threading dislocation defects can be coalesced, the generation density of threading dislocations can be greatly reduced, and a SiC single crystal with good crystallinity can be grown with a high yield.
Embodiments are described below.
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。 First, the sublimation recrystallization method will be described. The sublimation recrystallization method is a method for producing a SiC crystal by sublimating SiC powder at a high temperature exceeding 2000 ° C. and recrystallizing the sublimation gas in a low temperature part. In this method, a method for producing an SiC single crystal using a seed crystal composed of an SiC single crystal is called an improved Rayleigh method and is used for producing a bulk SiC single crystal. The modified Rayleigh method uses a seed crystal to control the nucleation process of the crystal, and the atmosphere pressure is controlled to about 100 Pa to 15 kPa with an inert gas to control the crystal growth rate with good reproducibility. it can.
本発明に係るSiC単結晶の製造方法は、昇華再結晶法の範疇であり、具体的には前述した改良レーリー法である。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、坩堝は黒鉛製であるが、高融点材料、黒鉛コート高融点材料、高融点材料コート黒鉛等の黒鉛以外の材料が部分的に使用される場合もある)の中に収納され、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中(100Pa〜15kPa)、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(例えば、100〜200℃低くなるように)、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。坩堝の形状としては、種結晶を保持でき、原料粉末を収容できれば、円柱、円錐、多角柱、多角錐等のどのような形状でも良い。中でも、坩堝から外部への放熱に関して、周方向における放熱量の均一性に優れている円柱形がより好適である。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。 The method for producing a SiC single crystal according to the present invention is a category of the sublimation recrystallization method, and specifically, the improved Rayleigh method described above. Usually, the SiC seed crystal with the {0001} plane as the crystal growth surface and the SiC crystal powder as the raw material (usually used are those prepared by cleaning and pretreating an abrasive prepared by the Acheson method) Stored in a crucible (usually the crucible is made of graphite, but materials other than graphite such as high melting point material, graphite coated high melting point material, high melting point material coated graphite may be partially used), It is heated to 2000 to 2400 ° C. in an inert gas atmosphere such as argon (100 Pa to 15 kPa). At this time, the temperature gradient is set so that the seed crystal is slightly lower in temperature than the raw material powder (for example, lower by 100 to 200 ° C.). After sublimation, the raw material is diffused and transported in the direction of the seed crystal by a concentration gradient (formed by a temperature gradient). The shape of the crucible may be any shape such as a cylinder, a cone, a polygonal column, or a polygonal pyramid, as long as it can hold a seed crystal and accommodate raw material powder. Among these, a cylindrical shape that is excellent in the uniformity of the heat radiation amount in the circumferential direction is more suitable for heat radiation from the crucible to the outside. Single crystal growth is realized by recrystallization of the source gas that has arrived at the seed crystal on the seed crystal.
ここで、図2に示したように、成長に用いる種結晶の結晶インゴットを成長させる結晶成長面の全体にわたり複数の窪みを形成する。このように複数の窪みを結晶成長面側に形成した種結晶を用いた場合、隣接する窪みの間にできる「山」の部分(すなわち結晶成長面の残部)では、図2の断面図にて点線で示したように、原料からの昇華ガスが到達して結晶成長が開始される以前に、「山」の頂上部分(前記残部の表面)が昇華する(エッチバック現象)。これは、「山」の部分(突起部)の蒸気圧が他の部分に比べ高く、高温低蒸気圧下で不安定化するためである。その結果、当初「山」の頂上部分の表面付近に存在していた加工ダメージ層が除去され、その後、原料からの昇華ガスが到達し結晶成長が開始される際には、加工ダメージ層の全くない種結晶上に結晶成長を行うことが可能となる。 Here, as shown in FIG. 2, a plurality of depressions are formed over the entire crystal growth surface on which the crystal ingot of the seed crystal used for growth is grown. In the case of using a seed crystal in which a plurality of depressions are formed on the crystal growth surface side in this way, the “mountain” portion formed between adjacent depressions (that is, the remainder of the crystal growth surface) is shown in the cross-sectional view of FIG. As indicated by the dotted line, before the sublimation gas from the raw material reaches and crystal growth starts, the top portion of the “mountain” (the surface of the remaining portion) sublimates (etchback phenomenon). This is because the vapor pressure of the “mountain” portion (projection portion) is higher than that of the other portions and destabilizes under high temperature and low vapor pressure. As a result, the processing damage layer originally present near the surface of the top of the “mountain” is removed, and when the sublimation gas from the raw material reaches and crystal growth starts, Crystal growth can be performed on a seed crystal that does not exist.
この加工ダメージ層除去→結晶成長の連続プロセスは、2000℃以上2400℃以下及び100Pa以上15kPa以下のような、昇華再結晶法によるSiC単結晶の結晶成長雰囲気下で実現され、種結晶表面の「山」の部分ではほぼ均一に起こる。ここで隣接する窪みの間隔としては、2mm以下である。2mm超の間隔では、「山」の部分の面積が大きくなり過ぎて、エッチバックが生じない領域が種結晶上に発生してしまう。すなわち、本発明の種結晶では、開口部の周上の任意の点から2mm以内の距離に他の窪みの開口部が存在するように、複数の窪みを互いに隣接させて形成する必要がある(図2(a)に示すように、開口部周上の任意の点から隣接する他の開口部までの距離dが常に2mm以下である)。 This continuous process of removing the processing damage layer → crystal growth is realized in the crystal growth atmosphere of the SiC single crystal by the sublimation recrystallization method such as 2000 ° C. or more and 2400 ° C. or less and 100 Pa or more and 15 kPa or less. It occurs almost uniformly in the “mountain” area. Here, the interval between adjacent depressions is 2 mm or less. If the interval exceeds 2 mm, the area of the “mountain” portion becomes too large, and a region where no etchback occurs occurs on the seed crystal. That is, in the seed crystal of the present invention, it is necessary to form a plurality of recesses adjacent to each other so that an opening of another recess exists at a distance within 2 mm from an arbitrary point on the periphery of the opening ( As shown in FIG. 2A, the distance d from any point on the periphery of the opening to another adjacent opening is always 2 mm or less.
一方、反対に「谷」となる部分については、エッチバック現象が起きないので、図2の断面図に示したように、SiC単結晶の結晶成長雰囲気下において、窪みの内部では結晶成長開始時に新たに貫通転位欠陥が発生するが、これらは結晶成長していくに従って、転位の鏡像効果により(線欠陥である転位が、エネルギー的に安定な配置を取ろうとして、成長表面に垂直に伝播する性質)、貫通転位欠陥は窪みの中央部に集められる。元々転位が発生する際には、必ず反対符号(大きさが等しく向きが逆)のバーガースベクトルを有する転位が対(ペア)で発生する。このため、窪みの内部で発生した転位は窪みの中央部に集められると、反対符号のバーガースベクトルを有したもの同士が打ち消し合って消滅する。このメカニズムにより、窪み内部で発生した転位は、窪み内部で再結合し消滅する。その結果、発生転位が成長結晶に伝播することはない。 On the other hand, since the etch-back phenomenon does not occur in the “valley” portion, as shown in the cross-sectional view of FIG. New threading dislocation defects are generated, but as the crystals grow, they are propagated perpendicularly to the growth surface because of dislocation mirror image effects (dislocations, which are line defects, try to take a stable arrangement in terms of energy). Nature), threading dislocation defects are collected in the center of the depression. When a dislocation is originally generated, a dislocation having a Burgers vector with an opposite sign (equal in magnitude and opposite in direction) is always generated in a pair. For this reason, when the dislocations generated inside the depression are collected at the center of the depression, those having the Burgers vector of opposite signs cancel each other and disappear. Due to this mechanism, dislocations generated inside the recess are recombined inside the recess and disappear. As a result, the generated dislocation does not propagate to the grown crystal.
種結晶の結晶成長面側に加工を施すことについては、例えば、特許文献1では種結晶表面に特定形状の溝を付与することで、種結晶中に存在している貫通転位欠陥が成長結晶側に伝播するのを防いで、成長結晶を高品質化することが開示されている。しかしながら、この文献で開示されている方法は、本発明のように、種結晶の加工ダメージに起因して結晶成長開始時に発生する貫通らせん転位、貫通刃状転位等の貫通転位の発生を抑制することを目的とするものでなく、種結晶が有する欠陥の伝播抑制を目的とするものであり、本発明とは目的、効果ともに異なっている。特許文献1記載の発明のように、溝状の構造を種結晶表面に付与した場合、溝の長手方向(溝の伸びる方向)をみると、転位を中央部に集合させる側壁は存在せず、対生成した転位は溝の伸びる方向に沿って逆向きに伝播していき、そのまま成長結晶に引き継がれるものと考えられ、本発明のように、結晶成長開始時に発生する貫通転位を窪みの内部で互いに消滅させて、貫通転位の発生密度が大幅に低減されたSiC単結晶を得ることはできない。
Regarding the processing on the crystal growth surface side of the seed crystal, for example, in
ここで、本発明の種結晶が備える窪みの大きさとしては、開口部の周上の任意の2点間を結ぶ最大の長さ、即ち、開口部の最大幅(L)が2mm以下である。最大幅が2mm超になると、貫通転位を溝の内部に集める効果が弱まり、転位を確実に消滅させることができないおそれがある。また、窪みの形状に関しては、結晶成長開始時にSiC単結晶が成長できるような側壁によって囲まれた初期成長空間を有するようにする。すなわち、窪み内部において結晶成長して発生した貫通転位は、窪み内部で互いに打ち消し合うことができるようにする。窪み形状をより具体的に示せば、例えば図2に示したような、ほぼ円柱形で底部が窄まったような形状、あるいは円錐形でも良いが、図3に示すような四角錘、あるいは三角錐、六角錐、三角柱あるいは六角柱で底部が窄まったような形状でも良く、必ず窪み内部の周囲にはSiC単結晶が成長できる側壁が存在するため、貫通転位を互いに打ち消し合うことができる。なお、これら四角錘、あるいは三角錐、六角錐形状等の場合についても、円錐の場合と同様の理由から、開口部の最大幅は2mm以下である。 Here, as the size of the recess provided in the seed crystal of the present invention, the maximum length connecting any two points on the periphery of the opening, that is, the maximum width (L) of the opening is 2 mm or less. . If the maximum width exceeds 2 mm, the effect of collecting threading dislocations inside the groove is weakened, and the dislocations may not be eliminated reliably. In addition, regarding the shape of the depression, an initial growth space surrounded by a side wall that allows a SiC single crystal to grow at the start of crystal growth is provided. That is, the threading dislocations generated by crystal growth inside the depression can be canceled with each other inside the depression. More specifically, for example, the shape of the depression is substantially cylindrical as shown in FIG. 2 and the bottom is narrowed, or may be conical, but a square pyramid or triangle as shown in FIG. The bottom may be narrowed by a pyramid, hexagonal pyramid, triangular prism, or hexagonal prism, and there are always sidewalls on which the SiC single crystal can be grown around the inside of the recess, so that threading dislocations can be canceled each other. In the case of these quadrangular pyramids, triangular pyramids, hexagonal pyramids, etc., the maximum width of the opening is 2 mm or less for the same reason as in the case of cones.
開口部の大きさとしては、先に述べた転位の鏡像効果が発現するのであれば、どんなに小さくても構わないが、開口部の大きさが転位芯の大きさとほぼ同程度になった場合には、鏡像効果は発現しないものと考えられるので、開口部最大幅(L)の下限値は10nm程度と考えられる。 The size of the opening may be as small as the above-described dislocation mirror image effect appears, but when the size of the opening is approximately the same as the size of the dislocation core. Since it is considered that the mirror image effect does not appear, the lower limit value of the maximum opening width (L) is considered to be about 10 nm.
また、窪みの深さを開口部の周上の任意の2点間を結ぶ最大長さ(L)で除した値を「窪みのアスペクト比」として定義した場合、このアスペクト比が0.1以上10以下、より好ましくは0.2以上5以下であることが望ましい。0.1未満では窪みが浅過ぎて、通常の平面種結晶との有意差が無くなり、一方、10超では針状のような形状であり、加工の点で極めて作製困難である。 In addition, when the value obtained by dividing the depth of the dent by the maximum length (L) connecting any two points on the circumference of the opening is defined as “the aspect ratio of the dent”, this aspect ratio is 0.1 or more. 10 or less, more preferably 0.2 or more and 5 or less. If it is less than 0.1, the dent is too shallow and there is no significant difference from a normal planar seed crystal. On the other hand, if it exceeds 10, it has a needle-like shape and is extremely difficult to produce in terms of processing.
また、窪み形状の開口部が種結晶の全面積中に占める面積割合としては、20%以上であり、より好ましくは50%以上100%以下であることが望ましい。20%より少ないと、本発明の効果が得られる面積割合が少な過ぎて、発生転位密度低減としての役割が小さ過ぎる。 In addition, the area ratio of the recessed openings in the total area of the seed crystal is 20% or more, and more preferably 50% or more and 100% or less. If it is less than 20%, the area ratio at which the effect of the present invention is obtained is too small, and the role of reducing the generated dislocation density is too small.
種結晶の結晶成長面側への窪みのつけ方については、幾つか方法があり、特定するものではない。一番簡便な方法は、機械加工(例えば、ダイヤモンドドリルによる切削)による方法である。ドリルの先端径を選択することにより、色々な直径、配置の円形溝を形成することができる。また、レーザー加工による窪み形成も可能である。紫外域あるいは可視域の高出力レーザー光を用いて、任意の形状、配置に、最小径数μm程度からの窪み加工が可能である。さらに、半導体プロセス等で用いられているリソグラフィー工程によっても窪みは形成可能である。種結晶表面に、高分子、無機材料、金属等からなるマスク材料をパターニングし、その後、エッチング(例えば、反応性プラズマによるドライエッチングや薬液によるウェットエッチング)により、マスク材料の開口部に窪みを形成する。マスク材料は、二次元的にほぼどのような形状にもパターニングすることが可能なので、任意の窪みの開口部形状、配置が可能である。また、窪みの側壁形状は、エッチング条件を選択することにより制御可能である。その他、電気化学エッチング、種結晶上へのSiC単結晶膜の選択エピタキシャル成長等によっても窪みは形成可能である。 There are several methods for making a depression on the crystal growth surface side of the seed crystal, and it is not specified. The simplest method is a method by machining (for example, cutting with a diamond drill). By selecting the tip diameter of the drill, circular grooves of various diameters and arrangements can be formed. Further, it is possible to form a recess by laser processing. Using high-power laser light in the ultraviolet region or visible region, it is possible to form a recess from a minimum diameter of about several μm in any shape and arrangement. Further, the depression can be formed by a lithography process used in a semiconductor process or the like. Pattern the mask material made of polymer, inorganic material, metal, etc. on the seed crystal surface, and then form a depression in the opening of the mask material by etching (for example, dry etching with reactive plasma or wet etching with chemicals) To do. Since the mask material can be patterned in almost any shape two-dimensionally, the shape and arrangement of the opening of any recess can be made. Further, the shape of the sidewall of the recess can be controlled by selecting the etching conditions. In addition, the recess can be formed by electrochemical etching, selective epitaxial growth of a SiC single crystal film on the seed crystal, or the like.
こうして作製した種結晶を用いて、昇華再結晶法によりSiC単結晶インゴットを作製した後、インゴットから切り出したウェハにおける貫通転位密度を水酸化カリウム溶融塩浴にてエッチングすることで生じるエッチピットを数えて調べたところ、1平方センチメートルあたり5000個以下、特に良質なものについては1000個以下となるウェハが得られた。これらのデータについては、インゴットの高さ方向における変化は少なく任意の横断面において確認することができるが、より確実には、種結晶側から高さ2mmまで成長した部分を除いたインゴット実質長において、インゴット全体に亘り貫通転位密度が小さい高品質なインゴットであることが確認できた。また、このような特徴は作製したインゴットの口径による差も殆ど無く、どの口径においても同様の結果が得られた。 After producing a SiC single crystal ingot by the sublimation recrystallization method using the seed crystal thus produced, the number of etch pits generated by etching the threading dislocation density in the wafer cut out from the ingot in a potassium hydroxide molten salt bath is counted. As a result of the examination, wafers were obtained that were 5000 or less per square centimeter, and 1000 or less for particularly good quality. About these data, although there is little change in the height direction of an ingot, it can confirm in arbitrary cross sections, More certainly, in ingot real length excluding the part which grew to 2 mm in height from the seed crystal side It was confirmed that the ingot was a high-quality ingot having a low threading dislocation density over the entire ingot. Moreover, there was almost no difference depending on the diameter of the manufactured ingot, and similar results were obtained at any diameter.
以下に、本発明の実施例について述べる。 Examples of the present invention will be described below.
(実施例1)
図4に示す単結晶成長装置を用いて、SiC単結晶を製造する例について説明する。結晶成長に用いる種結晶1は、黒鉛製坩堝3の蓋4の内面に取り付けられる。結晶成長は、SiC結晶粉末2を昇華させ、窪み構造を形成したSiC単結晶種結晶1上で再結晶化させることにより行われる。原料のSiC結晶粉末2は、黒鉛製坩堝容器3の内部に充填されている。このような黒鉛製坩堝(坩堝容器3と坩堝蓋4)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。黒鉛製坩堝の周囲には、熱シールドのための黒鉛製断熱材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。各種ドーピングガス(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を加熱し、原料及び種結晶を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断熱材の中央部に直径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。
Example 1
An example of manufacturing an SiC single crystal using the single crystal growth apparatus shown in FIG. 4 will be described. The
種結晶として、口径76mmの(000-1)C面を有した4HポリタイプのSiC単結晶ウェハを用意した。同種結晶のオフセット角度としては{0001}面から<11-20>方向に4°とした。この種結晶の貫通転位密度を予めエッチングによるエッチピット計測で調べたところ、802個/cm2であった(種結晶中央部で計測)。種結晶のインゴットを成長させる面には、予めレーザー加工により、図2に示したようなほぼ円柱形で底部が窄まったような形状の窪み構造を作りつけた。すなわち、一辺の長さが1.5mmの正三角形の頂点に口径1mmの円形開口部の中心が位置する関係を保って結晶成長面側に複数の窪みを形成し(一辺上に並ぶ開口部の間隔が0.5mm)、それぞれの窪みの深さを開口部の口径で除した値で定義される窪みのアスペクト比を1とした。この場合、結晶成長面の全面積に対する窪みの開口部総面積の比率は約62%となる。 As a seed crystal, a 4H polytype SiC single crystal wafer having a (000-1) C face with a diameter of 76 mm was prepared. The offset angle of the same crystal was 4 ° in the <11-20> direction from the {0001} plane. When the threading dislocation density of the seed crystal was previously measured by etching etch pit measurement, it was 802 / cm 2 (measured at the center of the seed crystal). On the surface on which the seed crystal ingot was grown, a hollow structure having a substantially cylindrical shape with a bottom narrowed as shown in FIG. 2 was formed in advance by laser processing. That is, a plurality of depressions are formed on the crystal growth surface side while maintaining the relationship that the center of a circular opening having a diameter of 1 mm is positioned at the apex of a regular triangle having a side length of 1.5 mm (of openings arranged on one side). The aspect ratio of the depressions defined by the value obtained by dividing the depth of each depression by the aperture diameter was set to 1. In this case, the ratio of the total area of the opening of the depression to the total area of the crystal growth surface is about 62%.
次に、この種結晶を黒鉛製坩堝の坩堝蓋4の内面に取り付けた。黒鉛製坩堝容器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原料を充填した黒鉛製坩堝容器3に坩堝蓋4をセットし、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、雰囲気ガスとして高純度Arガス(純度99.9995%)を流入させ、石英管内圧力を成長全体を通じて1.3kPaに保った。この圧力下において、ワークコイルに電流を流し温度を上げ、種結晶温度が目的温度である2300℃まで上昇させ、その後、同温度を保って45時間成長を続けた。この成長時間中、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1×1019cm-3となる)とし、成長終了時まで保った。
得られた結晶の口径は77mmで、高さは35mm程度であった。
Next, this seed crystal was attached to the inner surface of the crucible lid 4 of the graphite crucible. The inside of the graphite crucible container 3 was filled with SiC crystal
The diameter of the obtained crystal was 77 mm, and the height was about 35 mm.
こうして得られたSiC単結晶についてラマン散乱により分析したところ、種結晶と同じ4Hポリタイプを有するSiC単結晶が、全面に亘り成長したことを確認できた。 When the SiC single crystal thus obtained was analyzed by Raman scattering, it was confirmed that the SiC single crystal having the same 4H polytype as the seed crystal was grown over the entire surface.
次に、SiC単結晶について外周加工等を施した後、成長方向に対して水平になるようにワイヤーソーにてウェハを切り出した。複数枚得られたウェハの内、種結晶位置に対応するウェハ、種結晶直上位置に対応するウェハ、インゴット高さにしてほぼ中央位置に対応するウェハ、そして最もインゴット頂部に近い位置に対応するウェハの合計4枚のウェハを選び、ダイヤモンドパウダーにて(0001)Si面を研磨して鏡面となるまで仕上げた(インゴットからのウェハ切り出し位置については図5参照)。これらのウェハに対して、520℃に保持した水酸化カリウム溶融塩中に5分間浸漬してエッチング処理を施し、ウェハ中央部に現れた貫通転位に対応するエッチピット密度を観察したところ、種結晶に対応するウェハで810個/cm2、種結晶直上位置に対応するウェハで805個/cm2、インゴット高さにして中央位置に対応するウェハで776個/cm2、最もインゴット頂部に近い位置に対応するウェハで721個/cm2となり、いずれも種結晶中の貫通転位密度とほぼ同程度の貫通転位密度を有していることが分かった。この結果より、インゴット全体を通じて、種結晶と比して貫通転位密度が増加していない高品質なSiC単結晶が得られていることが確認できた。 Next, after processing the outer periphery of the SiC single crystal, the wafer was cut out with a wire saw so as to be horizontal to the growth direction. Among a plurality of wafers obtained, the wafer corresponding to the position of the seed crystal, the wafer corresponding to the position immediately above the seed crystal, the wafer corresponding to the center position as the ingot height, and the wafer corresponding to the position closest to the top of the ingot A total of four wafers were selected, and the (0001) Si surface was polished with diamond powder and finished to a mirror surface (see FIG. 5 for the wafer cutting position from the ingot). These wafers were immersed in a potassium hydroxide molten salt maintained at 520 ° C. for 5 minutes for etching treatment, and the etch pit density corresponding to the threading dislocations appearing in the center of the wafer was observed. 810 wafers / cm 2 for wafers corresponding to 805, 805 wafers / cm 2 for wafers corresponding to the position immediately above the seed crystal, 776 wafers / cm 2 for wafers corresponding to the center position with the ingot height, the position closest to the top of the ingot 721 / cm 2 for the wafers corresponding to 1 and it was found that all had threading dislocation density almost the same as threading dislocation density in the seed crystal. From this result, it was confirmed that a high-quality SiC single crystal in which the threading dislocation density did not increase as compared with the seed crystal was obtained throughout the ingot.
(実施例2)
種結晶として口径100mmの種結晶を用い、窪み構造として図6に示したような四角錘の形状とした条件以外は実施例1と同様の実験を行った。すなわち、一辺の長さが1.5mmの正四角形の角に1辺の長さが1mmの正方形形開口部の中心が位置する関係を保って結晶成長面側に複数の窪みを形成し(一辺上に並ぶ開口部の間隔が0.5mm、窪みの深さ1mm)、それぞれの窪みの深さを開口部の周上の任意の2点間を結ぶ最大長さで除した値で定義される窪みのアスペクト比を1/√2=0.71とした。この場合、結晶成長面の全面積に対する窪みの開口部総面積の比率は約44%となる。
種結晶の貫通転位密度は実施例1と同様の測定方法により2010個/cm2であった(種結晶中央部で計測)。得られた結晶の口径は101mmで、高さは30mm程度であった。
(Example 2)
An experiment similar to that of Example 1 was performed except that a seed crystal having a diameter of 100 mm was used as the seed crystal and the concave structure had a square pyramid shape as shown in FIG. That is, a plurality of depressions are formed on the crystal growth surface side while maintaining the relationship that the center of a square-shaped opening having a side length of 1 mm is located at the corner of a regular square having a side length of 1.5 mm (one side The distance between the openings on the top is 0.5mm, the depth of the recess is 1mm), and the depth defined by dividing the depth of each recess by the maximum length connecting any two points on the circumference of the opening Was set to 1 / √2 = 0.71. In this case, the ratio of the total area of the opening of the depression to the total area of the crystal growth surface is about 44%.
The threading dislocation density of the seed crystal was 2010 / cm 2 by the same measurement method as in Example 1 (measured at the center of the seed crystal). The diameter of the obtained crystal was 101 mm, and the height was about 30 mm.
こうして得られたSiC単結晶についてラマン散乱により分析したところ、種結晶と同じ4Hポリタイプを有するSiC単結晶が、全面に亘り成長したことを確認できた。 When the SiC single crystal thus obtained was analyzed by Raman scattering, it was confirmed that the SiC single crystal having the same 4H polytype as the seed crystal was grown over the entire surface.
次に、やはり実施例1と同様のやり方で取り出した4枚のウェハについて水酸化カリウム溶融塩中に5分間浸漬してエッチングし、ウェハ中央部に現れた貫通転位に対応するエッチピット密度を観察したところ、種結晶に対応するウェハで2002個/cm2、種結晶直上位置に対応するウェハで1998個/cm2、インゴット高さにして中央位置に対応するウェハで1902個/cm2、もっともインゴット頂部に近い位置に対応するウェハで1811個/cm2となり、いずれも種結晶中の貫通転位密度とほぼ同程度の貫通転位密度を有していた。 Next, four wafers taken out in the same manner as in Example 1 were etched by immersing them in potassium hydroxide molten salt for 5 minutes, and the etch pit density corresponding to threading dislocations appearing at the center of the wafer was observed. As a result, the wafer corresponding to the seed crystal was 2002 / cm 2 , the wafer corresponding to the position immediately above the seed crystal was 1998 / cm 2 , the wafer corresponding to the center position with the ingot height being 1902 / cm 2 , The wafer corresponding to the position close to the top of the ingot was 1811 pieces / cm 2 , and all had threading dislocation density almost the same as threading dislocation density in the seed crystal.
(比較例1)
種結晶表面に窪み構造を形成しないこと以外は実施例1と同様にして結晶成長を実施した。種結晶の貫通転位密度は実施例1と同様の測定方法により1832個/cm2であった(種結晶中央部で計測)。
(Comparative Example 1)
Crystal growth was carried out in the same manner as in Example 1 except that no depression structure was formed on the seed crystal surface. The threading dislocation density of the seed crystal was 1832 / cm 2 by the same measurement method as in Example 1 (measured at the center of the seed crystal).
こうして得られたSiC単結晶についてラマン散乱により分析したところ、種結晶と同じ4Hポリタイプを有するSiC単結晶が、全面に亘り成長したことを確認できた。 When the SiC single crystal thus obtained was analyzed by Raman scattering, it was confirmed that the SiC single crystal having the same 4H polytype as the seed crystal was grown over the entire surface.
次に、やはり実施例1と同様のやり方で取り出した4枚のウェハについて水酸化カリウム溶融塩中に5分間浸漬してエッチングし、ウェハ中央部に現れた貫通転位に対応するエッチピット密度を観察したところ、種結晶に対応するウェハで1829個/cm2、種結晶直上位置に対応するウェハで6552個/cm2、インゴット高さにして中央位置に対応するウェハで5325個/cm2、もっともインゴット頂部に近い位置に対応するウェハで4805個/cm2となった。種結晶直上位置からインゴット頂部に向けてある程度の貫通転位が合体・消滅するためか、その密度に減少は見られるものの、いずれのウェハにおいても種結晶中の貫通転位密度に比べて大幅に高い値を示した。 Next, four wafers taken out in the same manner as in Example 1 were etched by immersing them in potassium hydroxide molten salt for 5 minutes, and the etch pit density corresponding to the threading dislocations appearing at the center of the wafer was observed. As a result, 1829 wafers / cm 2 for the wafer corresponding to the seed crystal, 6552 wafers / cm 2 for the wafer corresponding to the position immediately above the seed crystal, 5325 wafers / cm 2 for the wafer corresponding to the center position at the height of the ingot, The wafer corresponding to the position near the top of the ingot was 4805 / cm 2 . Although some decrease in the density is observed because some threading dislocations coalesce and disappear from the position just above the seed crystal to the top of the ingot, the value is significantly higher than the threading dislocation density in the seed crystal in any wafer. showed that.
(比較例2)
種結晶表面に窪み構造ではなく溝構造を形成したこと以外は実施例1と同様にして結晶成長を実施した。種結晶の貫通転位密度は実施例1と同様の測定方法により4832個/cm2であった(種結晶中央部で計測)。この種結晶の表面にレーザー加工により、幅1mm、深さ1mmの断面形状がほぼ矩形の溝を0.5mm間隔で作り付けた。この場合、結晶成長面の全面積に対する窪みの開口部総面積の比率は約67%となる。
(Comparative Example 2)
Crystal growth was performed in the same manner as in Example 1 except that a groove structure was formed on the surface of the seed crystal instead of a recess structure. The threading dislocation density of the seed crystal was 4832 / cm 2 by the same measurement method as in Example 1 (measured at the center of the seed crystal). Grooves having a substantially rectangular cross-sectional shape with a width of 1 mm and a depth of 1 mm were formed at intervals of 0.5 mm on the surface of the seed crystal by laser processing. In this case, the ratio of the total area of the opening of the depression to the total area of the crystal growth surface is about 67%.
こうして得られたSiC単結晶についてラマン散乱により分析したところ、種結晶と同じ4Hポリタイプを有するSiC単結晶が、全面に亘り成長したことを確認できた。 When the SiC single crystal thus obtained was analyzed by Raman scattering, it was confirmed that the SiC single crystal having the same 4H polytype as the seed crystal was grown over the entire surface.
次に、やはり実施例1と同様のやり方で取り出した4枚のウェハについて水酸化カリウム溶融塩中に5分間浸漬してエッチングし、ウェハ中央部に現れた貫通転位に対応するエッチピット密度を観察したところ、種結晶に対応するウェハで4840個/cm2、種結晶直上位置に対応するウェハで6017個/cm2、インゴット高さにして中央位置に対応するウェハで4571個/cm2、もっともインゴット頂部に近い位置に対応するウェハで3627個/cm2となった。特許文献1に記載されているように、種結晶表面に溝構造を作り付けたことにより、種結晶中に存在していた貫通転位が偏向するなど、種結晶から成長結晶に貫通転位欠陥が伝播するのを抑制する効果は見られたものの、溝底部で新たに発生した貫通転位は完全に合体消滅しなかった。その結果、種結晶直上位置からインゴット頂部までのほぼ全長に亘って貫通転位密度を種結晶と同等あるいはそれ以下に維持することはできなかった。
Next, four wafers taken out in the same manner as in Example 1 were etched by immersing them in potassium hydroxide molten salt for 5 minutes, and the etch pit density corresponding to the threading dislocations appearing at the center of the wafer was observed. As a result, 4840 wafers / cm 2 for the wafer corresponding to the seed crystal, 6017 wafers / cm 2 for the wafer corresponding to the position immediately above the seed crystal, 4571 wafers / cm 2 for the wafer corresponding to the center position at the height of the ingot, The wafer corresponding to the position near the top of the ingot was 3627 pieces / cm 2 . As described in
1 種結晶(SiC単結晶)
2 SiC結晶粉末原料
3 坩堝容器(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ガス及び不純物ガス配管
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
1 Seed crystal (SiC single crystal)
2 Raw material for SiC crystal powder 3 Crucible container (refractory metal such as graphite or tantalum)
4
8 Work coil 9 High purity Ar gas and impurity gas piping 10 Mass flow controller for high purity Ar gas and
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