JP5829508B2 - ＳｉＣ結晶の結晶成長方法およびＳｉＣ結晶基板 - Google Patents

Description

本明細書では、炭化珪素（ＳｉＣ）結晶の結晶成長方法およびＳｉＣ結晶基板に関する技術を開示する。

ＳｉＣ結晶の成長方法には、昇華再結晶化法、ＣＶＤ法、液相成長法などの、各種の方法がある。これらの方法では、ＳｉＣの種結晶を用いて、種結晶上にＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させる。なお、ＳｉＣ単結晶の液相成長法についての技術が、特許文献１に開示されている。

特開２０１１−５１８５７号公報

欠陥が少ない高品質のＳｉＣ単結晶を種結晶上に成長させる必要がある。しかし、種結晶であるＳｉＣに点欠陥や線欠陥などの欠陥が存在する場合には、これらの欠陥が成長したＳｉＣ単結晶に引き継がれることによって、成長したＳｉＣ単結晶中に欠陥が形成されてしまうことがある。すると、成長したＳｉＣ単結晶の品質が劣化してしまう。

本明細書では、ＳｉＣを種結晶にしてＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させる結晶成長方法を開示する。この結晶成長方法では、種結晶に用いるＳｉＣ結晶を真空中で加熱して、表面を構成しているＳｉを昇華させてＣを主体とする膜を形成する工程が付加されている。そして、その工程を経たＳｉＣ結晶を種結晶にしてＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させる。

種結晶の表面にＣを主体とする膜を形成することにより、種結晶の表面に表出している欠陥を、Ｃを主体とする膜によって覆うことができる。Ｃを主体とする膜の一例としては、グラフェンや、グラフェンが複数層重なった膜などが挙げられる。Ｃを主体とする膜の表面を起点としてＳｉＣ結晶を成長させることにより、Ｃを主体とする膜の下方に存在するＳｉＣ結晶の種結晶の原子配列に従うように、ＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させることができる。これにより、種結晶の表面に表出している欠陥に起因して、成長したＳｉＣ結晶にも欠陥が引き継がれてしまうことを防止できる。よって、成長したＳｉＣ結晶の結晶性を向上させることができる。

上記の結晶成長方法では、Ｃを主体とする膜が形成されている種結晶に用いるＳｉＣ結晶と、シリコンの融液を溶媒とするＳｉＣ溶液とを接触させることが好ましい。これにより、液相成長法によって、Ｃを主体とする膜の表面を起点として、ＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させることができる。

上記の結晶成長方法では、６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣのＳｉＣ結晶を種結晶に用いてもよい。

また、本明細書では、第１のＳｉＣ結晶層と、少なくとも１層のグラフェン（graphene）と、第２のＳｉＣ結晶層が順に積層しているＳｉＣ結晶基板を開示する。第１のＳｉＣ結晶層の欠陥密度に比して第２のＳｉＣ結晶層の欠陥密度が小さい。これにより、第２のＳｉＣ結晶層を、より高性能なパワー素子等を形成するための基板として用いることができる。

上記のＳｉＣ結晶基板では、グラフェン１層中のＣ原子の数密度は、ＳｉＣ結晶層のバイレイヤ１層中のＣ原子の数密度よりも大きくてもよい。ＳｉＣ結晶層のバイレイヤとは、ＳｉおよびＣの２原子からなる層である。ＳｉＣバイレイヤの約３層分のＳｉ原子が昇華して１層分のグラフェンが形成される場合に、このような数密度の比となる。これにより、Ｃ原子の数密度によって、第１のＳｉＣ結晶層と第２のＳｉＣ結晶層との接触面を特定することが可能となる。

本明細書に開示の技術によれば、より結晶欠陥の少ないＳｉＣ結晶をＳｉＣ基板上にホモエピタキシャル成長させる方法等を提供することができる。

ＳｉＣ結晶製造装置の模式図である。 ＳｉＣ結晶の成長方法のフロー図である。 ＳｉＣ結晶の断面模式図である。 ＳｉＣ結晶の断面模式図である。 ＳｉＣ結晶の断面模式図である。 ＳｉＣ結晶の断面模式図である。

本願の実施例について図面を参照しながら説明する。図１に、本実施例に係るＳｉＣ結晶製造装置（以下では結晶製造装置と略称する）１を示す。結晶製造装置１は、坩堝１０を備える。坩堝１０は、炭素を含有する材質によって形成されている。坩堝１０の材質としては、黒鉛やＳｉＣが挙げられる。坩堝１０は坩堝台１１の上に配置されている。坩堝台１１は回転させることが可能である。坩堝１０は、坩堝蓋１４により密閉することができる。坩堝１０の外周は、保温のために断熱材１２で覆われている。断熱材１２の外周には、多重螺旋構造を有する常伝導コイル１３が配置されている。常伝導コイル１３は、坩堝１０を誘導加熱するための装置である。常伝導コイル１３には、不図示の高周波電源が接続されている。坩堝１０、断熱材１２、常伝導コイル１３は、チャンバ１５の内部に配置される。チャンバ１５は、吸気口１６と排気口１７とを備える。

坩堝１０内にはシリコン溶液２２が保持されている。シリコン溶液２２は、シリコンを融解して得られた融液を主成分とする溶液である。坩堝１０の上方には、保持治具１８が備えられている。保持治具１８の先端部には、グラフェン（graphene）膜２６が成膜されている面が坩堝１０と対向するように、ＳｉＣ種結晶２５が取付けられている。保持治具１８は、昇降させることが可能である。また保持治具１８は、黒鉛によって形成されている。

本実施例に係るＳｉＣ結晶の成長方法を、図２のフローと、図３ないし図６の模式図を用いて説明する。図３ないし図６は、ＳｉＣ種結晶２５の表面近傍における断面模式図である。図３ないし図６において、ハッチングされていない丸印はＣ原子を表わしており、ハッチングされている丸印はＳｉ原子を表わしている。

図２のステップＳ１において、ＳｉＣ種結晶２５の表面に、グラフェン層２６を形成する工程が行われる。グラフェンとは、二次元の蜂の巣格子の格子点にＣ原子を配置した、厚さ１原子層の炭素材料である。グラフェン層２６は、ＳｉＣ表面分解法によって形成される。具体的には、ＳｉＣ種結晶２５として、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）基板を用意する。ＳｉＣ種結晶２５の表面を洗浄した後に、真空炉（不図示）内にＳｉＣ種結晶２５を載置する。そして、真空度１０^−４〜１０^−６（Ｔｏｒｒ）、１３５０〜１５００℃で、ＳｉＣ種結晶２５を加熱する。ＳｉＣ種結晶２５を真空中で加熱することにより、ＳｉＣ種結晶２５表面のＳｉ原子が昇華し、残存したＣ原子によって自己組織的にグラフェンが形成される。

形成したグラフェン層２６によって、ＳｉＣ種結晶２５の表面に表出している欠陥を塞ぐことができる場合がある。グラフェン層２６によって塞ぐことができる欠陥の例としては、原子数個分の原子空孔からなる点欠陥や、転位などによる線欠陥が挙げられる。なお、螺旋転位に起因して発生する中空貫通欠陥（マイクロパイプ欠陥）は、グラフェン層２６によって塞ぐことは困難である。

ステップＳ１における、グラフェン層が成長するメカニズムを説明する。例として、図３および図４の模式図を用いて説明する。図３は、グラフェン層の成長前の状態を示す図である。図４は、グラフェン層の成長後の状態を示す図である。図３のＳｉＣ種結晶２５では、ＳｉＣバイレイヤＬ１からＬ６までの６層が存在している。ＳｉＣバイレイヤとは、六角形格子構造のＣ原子からなる１層のＣ原子層と、六角形格子構造のＳｉ原子からなる１層のＳｉ原子層とが積層して形成されている層である。ＳｉＣバイレイヤＬ１は、ＳｉＣ種結晶２５の表面に表出している。ＳｉＣバイレイヤＬ２ないしＬ６は、ＳｉＣ種結晶２５のバルクを形成している。なお、ＳｉＣバイレイヤＬ６の下層にはさらに多数のＳｉＣバイレイヤが存在するが、図３ないし図６では図示を省略している。

図３のＳｉＣ種結晶２５では、欠陥Ｄ１が表面に表出している。欠陥Ｄ１は、原子１個分の点欠陥が深さ方向（図３の下方向）に連続することで形成されている、線欠陥である。

図３のＳｉＣ種結晶２５を真空中で加熱開始すると、ＳｉＣバイレイヤの３層分以上のＳｉ原子が昇華する。そして残存したＣ原子によって、自己組織的にグラフェン層２６の１層が形成される。これにより図４に示すように、Ｓｉ原子層ＳＬ１の上に、グラフェン層２６が形成される。グラフェン層２６のＣ原子の数密度は、Ｓｉ原子層ＳＬ１のＳｉ原子の数密度よりも大きい。よって、グラフェン層２６の六角形格子構造の方が、Ｓｉ原子層ＳＬ１の六角形格子構造よりも格子定数が小さい。なお、グラフェン層２６のＣ原子の数密度とＳｉ原子層ＳＬ１のＳｉ原子の数密度との比は、ＳｉＣバイレイヤの何層分のＳｉ原子が昇華するかによって定まる。よって典型的には、グラフェン層２６のＣ原子の数密度は、Ｓｉ原子層ＳＬ１のＳｉ原子の数密度の３倍以上となる。

そして図４に示すように、グラフェン層２６によって、欠陥Ｄ１の表出部を覆うことができる。これは、グラフェン層の１層中におけるＣ原子の数密度が、ＳｉＣバイレイヤの１層中におけるＣ原子の数密度よりも高いため、ＳｉＣバイレイヤに表出している欠陥が原子数個分の原子空孔であれば、当該原子空孔を塞ぐためのＣ原子が不足することがないためである。

次に、ステップＳ２において、真空炉からＳｉＣ種結晶２５を取り出す。そして、グラフェン層２６が成膜されている面が坩堝１０と対向するように、ＳｉＣ種結晶２５が保持治具１８の先端部に取付けられる。

ステップＳ３において、シリコン溶液２２を生成する。具体的には、内部にシリコン原料がセットされた坩堝１０を、結晶製造装置１の坩堝台１１に載置する。そして常伝導コイル１３へ所定周波数の交流電流を流すことにより、坩堝１０を誘導加熱する。またチャンバ１５内に吸気口１６から不活性ガスを供給するとともに、坩堝台１１を所定回転数で回転させる。加熱温度は、シリコンの融点（１４１０℃）以上の温度とされる。これにより、シリコン原料が溶解し、シリコン溶液２２が生成される。また、坩堝１０の溶解によって、シリコン溶液２２中にカーボンを供給することができる。

ステップＳ４において、ＳｉＣ結晶をＳｉＣ種結晶２５（図４）の表面上に成長させる。具体的には、保持治具１８を坩堝１０の上方から坩堝１０内部へ降下させ、ＳｉＣ種結晶２５のグラフェン層２６が形成された面をシリコン溶液２２に浸漬させる。これにより、シリコン溶液２２とＳｉＣ種結晶２５とが、グラフェン層２６を介して接する状態を作り出す。

本実施例では、チャンバ１５内にアルゴンガスを供給し、チャンバ１５内の圧力を大気圧、１５００℃に調整した。なお、本実施例で用いたこれらの条件は一例であり、他の条件を用いることも可能である。

ステップＳ４における、ＳｉＣ結晶のホモエピタキシャル成長のメカニズムを説明する。前述のように、グラフェン層２６のＣ原子の数密度は、Ｓｉ原子層ＳＬ１のＳｉ原子の数密度よりも大きい。すると、グラフェン層２６（図４）内には、Ｓｉ原子層ＳＬ１のＳｉ原子と共有結合しているＣ原子と、共有結合していないＣ原子とが存在することになる。Ｓｉ原子と共有結合しているＣ原子と共有結合していないＣ原子とでは、共有結合の結合手の形が異なるため、活性度（親和性）が異なる。この活性度の違いにより、グラフェン層２６の表面では、六角形格子構造で並んでいる多数のＣ原子の中から、下層のＳｉ原子と共有結合しているＣ原子と、下層のＳｉ原子と共有結合していないＣ原子とを区別することが可能となる。

またグラフェン層２６は、ＳｉＣバイレイヤのＣ原子の層として機能する。これは、グラフェン層２６が、下層のＳｉ原子層ＳＬ１の原子配列に揃って成長しているためである。そして、グラフェン層２６を形成している多数のＣ原子のうち、下層のＳｉ原子によって影響を受けているＣ原子に対して選択的にＳｉ原子が共有結合することで、図５に示すように、ＳｉＣバイレイヤのＳｉ原子層ＳＬ２が形成される。これにより、グラフェン層２６の表面を起点として、グラフェン層２６の下層のＳｉ原子層ＳＬ１の原子配列に揃ったＳｉ原子層ＳＬ２を成長させることができる。そして、グラフェン層２６とＳｉ原子層ＳＬ２によって、ＳｉＣバイレイヤＬ１ａが形成される。

また図５に示すように、Ｓｉ原子層ＳＬ２では欠陥Ｄ１の上方にもＳｉ原子が存在するようになるため、欠陥Ｄ１が引き継がれない。欠陥Ｄ１の上方にＳｉ原子が存在する第１の理由は、欠陥Ｄ１が塞がれた状態のグラフェン層２６の表面に、Ｓｉ原子層ＳＬ２が形成されるためである。また第２の理由は、グラフェン層２６の下層のＳｉ原子層ＳＬ１の原子配列に揃うように、Ｓｉ原子層ＳＬ２が形成されるためである。これにより、欠陥Ｄ１によって下層のＳｉ原子層ＳＬ１にＳｉ原子が存在しない領域においても、上層のＳｉ原子層ＳＬ２の六角形格子構造に基づいて、Ｓｉ原子が正しく配置されるためである。

そしてシリコン溶液２２にＳｉＣ種結晶２５が浸漬している状態が維持されることに応じて、図６に示すように、ＳｉＣバイレイヤＬ１ａ上にＳｉＣバイレイヤＬ２ａ、Ｌ３ａ・・・と多数のＳｉＣバイレイヤが積層するように成長していく。そしてエピタキシャル成長層２７が形成される。なお、エピタキシャル成長層２７の成長度合いに応じて保持治具１８を引き上げることにより、エピタキシャル成長層２７を連続成長させることができる。ＳｉＣバイレイヤＬ２ａ以降の成長は、ＳｉＣ結晶上へＳｉＣ結晶が成長する、通常のホモエピタキシャル成長である。欠陥Ｄ１はＳｉＣバイレイヤＬ１ａで塞がれているため、ＳｉＣバイレイヤＬ２ａよりも上層側において、欠陥Ｄ１に起因した欠陥が形成されてしまう事態を防止することができる。また、エピタキシャル成長層２７の厚さは、各種の半導体デバイスを形成することができる厚さであればよく、例えば５０マイクロメートル程度の値が用いられる。

以上より、図６に示すＳｉＣ結晶基板２８が完成する。ＳｉＣ結晶基板２８は、ＳｉＣ種結晶２５と、グラフェン層２６と、エピタキシャル成長層２７が順に積層している構造を有する。また、ＳｉＣ種結晶２５の表面に表出している欠陥Ｄ１は、エピタキシャル成長層２７に引き継がれないため、ＳｉＣ種結晶２５の欠陥密度に比してエピタキシャル成長層２７の欠陥密度が小さい。

完成したＳｉＣ結晶基板２８は、グラフェン層２６が内部に存在している状態で、各種の半導体デバイスを製造するための基板として使用される。この場合、エピタキシャル成長層２７に各種の半導体デバイスが形成される。またＳｉＣ種結晶２５は、ＳｉＣ結晶基板２８の機械的強度を確保するためのベース基板として機能する。

また、完成後のＳｉＣ結晶基板２８では、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）を用いることで、グラフェン層２６（すなわちＳｉＣ種結晶２５とエピタキシャル成長層２７との接触面）の存在をＴＥＭ像により確認することが可能である。これは、グラフェン１層中のＣ原子の数密度は、ＳｉＣバイレイヤのＣ原子層中のＣ原子の数密度よりも大きいため、六角形格子構造の格子定数に差異が生じるためである。これにより、本願に係るＳｉＣ結晶成長方法を用いて製造されたＳｉＣ結晶基板を識別することが可能である。

＜効果＞
本実施例に係るＳｉＣ結晶の製造方法の効果を説明する。本実施例の結晶成長方法では、ＳｉＣ種結晶２５の表面にグラフェン層２６を形成する工程を備えている。そして、グラフェン層２６の表面を起点としてＳｉＣ結晶を成長させることにより、グラフェン層２６の下方に存在するＳｉＣ種結晶２５の原子配列に従うように、ＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させることができる。これにより、ＳｉＣ種結晶２５の表面に表出している欠陥に起因して、成長したＳｉＣ結晶にも欠陥が引き継がれてしまうことを防止できる。よって、ＳｉＣ種結晶２５よりも結晶欠陥を減少させたエピタキシャル成長層２７を、液層法を用いて製造することが可能となる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

＜変形例＞
ステップＳ４において、ＳｉＣ種結晶２５のグラフェン層２６の表面にＳｉＣ結晶を成長させる方法は、液相成長法に限られない。昇華再結晶化法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いる場合においても、ＳｉＣ種結晶よりも結晶欠陥を減少させたエピタキシャル成長層を成長させることが可能である。

本実施例では、ステップＳ１において、１層のグラフェン層２６をＳｉＣ種結晶２５の表面に形成する場合を説明したが、この例に限られない。ＳｉＣ種結晶２５の表面にグラフェン層を複数層形成してもよい。なお、最上層のグラフェン層において、ＳｉＣ種結晶表面のＳｉ原子によって影響を受けているＣ原子に対して選択的にＳｉ原子を共有結合させることができる範囲内で、グラフェン層の層数を増加させることができる。

本実施例では、６Ｈ−ＳｉＣを種結晶に用いる場合を説明したが、この結晶構造に限られない。例えば４Ｈ−ＳｉＣを種結晶に用いてもよい。また、種結晶に用いるＳｉＣは多結晶であってもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：結晶製造装置、２２：シリコン溶液、２５：ＳｉＣ種結晶、２６：グラフェン層、２７：エピタキシャル成長層、２８：ＳｉＣ結晶基板、Ｄ１：欠陥、Ｌ１ないしＬ６：ＳｉＣバイレイヤ

Claims (2)

1. 第１のＳｉＣ結晶層と、少なくとも１層のグラフェン（graphene）と、第２のＳｉＣ結晶層が順に積層しているＳｉＣ結晶基板であって、
   第１のＳｉＣ結晶層の欠陥密度に比して第２のＳｉＣ結晶層の欠陥密度が小さいことを特徴とするＳｉＣ結晶基板。
2. グラフェン１層中のＣ原子の数密度は、ＳｉＣ結晶層のバイレイヤ１層中のＣ原子の数密度よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ結晶基板。

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