JP5994248B2

JP5994248B2 - インゴット、基板および基板群

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Publication number: JP5994248B2
Application number: JP2011282799A
Authority: JP
Inventors: 藤原　伸介; 伸介藤原; 原田　真; 真原田; 太郎西口
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: US20130161647A1; JP2013133234A

Description

本発明は、インゴット、基板および基板群に関するものであり、より特定的には、炭化珪素からなり、半導体装置の特性のばらつきを抑制することが可能なインゴット、基板および基板群に関するものである。

近年、半導体装置の高耐圧化、低損失化、高温環境下での使用などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素の採用が進められている。炭化珪素は、従来から半導体装置を構成する材料として広く使用されている珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。そのため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素を採用することにより、半導体装置の高耐圧化、オン抵抗の低減などを達成することができる。また、炭化珪素を材料として採用した半導体装置は、珪素を材料として採用した半導体装置に比べて、高温環境下で使用された場合の特性の低下が小さいという利点を有している。

炭化珪素を材料として採用した半導体装置は、炭化珪素からなる基板上にエピタキシャル成長層、酸化膜、電極等を形成することにより製造される。また、このような半導体装置に用いられる基板の導電型やキャリア（ホールおよび電子）密度を所望の状態に調整するため、基板には所定量の不純物が導入される。具体的には、たとえばＳｉＣ（炭化珪素）原料と、Ａｌ（アルミニウム）等の不純物原料とを混合したものを加熱昇華させ、種基板上に結晶成長させることにより不純物が導入されたインゴットが製造され、また当該インゴットをスライスすることにより基板が得られる。

炭化珪素からなるインゴットの製造においては、炭化珪素の結晶成長温度が高いため、結晶成長の初期に不純物原料の大半が消費されて枯渇し、その結果結晶成長が進行するに従って不純物濃度が低くなるという問題がある。これに対し、ＳｉＣ原料と不純物原料であるＡｌとの混合物を予め加熱して結晶化させることにより、結晶成長におけるＡｌの枯渇を抑制し、不純物濃度の均一化を図る方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開昭６３−８５０９７号公報

しかし、本発明者の検討によれば、特許文献１にて提案されている方法により製造されたインゴットのように、不純物濃度を均一化する対策が施されたインゴットより採取された基板を用いて製造された半導体装置においても、その特性にばらつきが生じるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体装置の特性のばらつきを抑制することが可能なインゴット、基板および基板群を提供することである。

本発明のインゴットは、単結晶炭化珪素からなり、ｐ型不純物を含むインゴットである。上記インゴットの成長方向における厚みは、１０ｍｍ以上である。また、上記インゴットの平均キャリア密度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上である。また、上記インゴットの成長方向におけるキャリア密度の変動は、平均キャリア密度の±８０％以下である。

ここで、キャリア密度の変動が平均キャリア密度の±８０％以下である状態とは、キャリア密度の最大値が平均キャリア密度の１８０％以下であり、かつキャリア密度の最小値が平均キャリア密度の２０％以上である状態を意味する。また、上記インゴットの成長方向におけるキャリア密度の変動は、上記インゴットの成長方向に沿った複数の任意の点においてキャリア密度を測定することにより確認される。また、キャリア密度とは、ホール密度と電子密度との差であるが、ｐ型不純物を主に含む上記インゴットにおいては、キャリア密度とホール密度とは実質的に等しいと見なすことができる。

本発明者は、従来のインゴットより採取した基板を用いた半導体装置の特性にばらつきが生じる原因について詳細な検討を行なった。その結果、従来のインゴットでは、その厚みが１０ｍｍ以上にまで大きくなると成長方向におけるキャリア密度のばらつきが大きくなり、これに起因して当該インゴットより採取した基板を用いて製造した半導体装置の特性にばらつきが生じることを見出し、本発明に想到した。

本発明のインゴットでは、成長方向における厚みが１０ｍｍ以上でかつ、成長方向におけるキャリア密度のばらつきが抑制されている。これにより、当該１０ｍｍ以上の厚みを有するインゴットより採取される基板間のキャリア密度のばらつきが抑制され、その結果当該基板を用いて製造される半導体装置の特性のばらつきが抑制される。このように、本発明のインゴットによれば、半導体装置の特性のばらつきを抑制することが可能なインゴットを提供することができる。

上記インゴットは、アルミニウムをｐ型不純物として含んでいてもよい。アルミニウムは、炭化珪素のｐ型不純物として好適である一方、炭化珪素との蒸気圧の差が大きいため、インゴットの成長方向におけるキャリア密度のばらつきが生じ易い。そのため、アルミニウムをｐ型不純物として含む場合には、成長方向におけるキャリア密度のばらつきが抑制された上記本発明のインゴットを好適に採用することができる。

上記インゴットは、昇華法により形成されてもよい。これにより、成長方向におけるキャリア密度のばらつきを抑制しつつ、上記インゴットをより容易に形成することができる。

上記インゴットにおいて、キャリア密度は、成長方向において単調に変動していてもよい。これにより、上記インゴットより採取した基板のキャリア密度を容易に把握することができる。

上記インゴットにおいて、成長方向におけるキャリア密度の変動は、平均キャリア密度の±５０％以下であってもよい。これにより、半導体装置の特性のばらつきをより効果的に抑制することが可能なインゴットを提供することができる。

上記インゴットにおいて、成長方向におけるキャリア密度の変動は、平均キャリア密度の±２０％以下であってもよい。これにより、半導体装置の特性のばらつきをさらに効果的に抑制することが可能なインゴットを提供することができる。

本発明の基板は、上記本発明のインゴットより採取される基板である。したがって、本発明の基板によれば、半導体装置の特性のばらつきを抑制することが可能な基板を提供することができる。

上記基板において、主面内におけるキャリア密度の変動は、平均キャリア密度の±２０％以下であってもよい。これにより、特性のばらつきが抑制された半導体装置をより容易に製造することができる。

また、基板の主面内におけるキャリア密度の変動は、当該主面内における複数の任意の点においてキャリア密度を測定することにより確認される。

上記基板において、主面の面積は、１００ｃｍ^２以上であってもよい。これにより、より効率的に半導体装置を製造することができる。

上記基板において、反りは、２０μｍ以下であってもよい。これにより、より高品質な半導体装置を製造することができる。

本発明の基板群は、一のインゴットより採取される基板群である。上記基板群の平均キャリア密度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上である。上記基板群を構成する基板間のキャリア密度のばらつきは、上記基板群の平均キャリア密度の±８０％以下である。

ここで、基板群の平均キャリア密度とは、基板群を構成する全ての基板間におけるキャリア密度の平均を意味している。

本発明の基板群では、上記基板群を構成する基板間のキャリア密度のばらつきが抑制されているため、当該基板群を用いて製造される半導体装置の特性のばらつきが抑制される。このように、本発明の基板群によれば、半導体装置の特性のばらつきを抑制することが可能な基板群を提供することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明のインゴット、基板および基板群によれば、半導体装置の特性のばらつきを抑制することが可能なインゴット、基板および基板群を提供することができる。

インゴットを示す概略図である。基板群を示す概略図である。基板を示す概略図である。インゴットおよび基板の製造方法を概略的に示すフローチャートである。インゴットの製造方法を説明するための概略図である。基板の製造方法を説明するための概略図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。また、本明細書中においては、個別方位を[]、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示す。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。

まず、本発明の一実施の形態に係るインゴットについて説明する。図１を参照して、本実施の形態に係るインゴット１は、たとえば４Ｈ型の単結晶炭化珪素からなり、昇華法により図中矢印に示す＜０００１＞方向に成長させることにより形成される。炭化珪素は、＜０００１＞方向において容易に成長させることができるため、上述のように成長方向を＜０００１＞方向とすることにより、インゴット１を容易に形成することができる。また、インゴット１の＜０００１＞方向における厚みは、１０ｍｍ以上となっている。

インゴット１は、炭化珪素のｐ型不純物として好適である、たとえばＡｌ（アルミニウム）やＢ（硼素）などのｐ型不純物を含むことにより、導電型がｐ型になっている。また、インゴット１の平均キャリア密度は１×１０^１６ｃｍ^−３以上であり、成長方向である＜０００１＞方向におけるキャリア密度の変動は、平均キャリア密度の±８０％以下となっている。

このように、本実施の形態に係るインゴット１では、＜０００１＞方向における厚みが１０ｍｍ以上でかつ、＜０００１＞方向におけるキャリア密度のばらつきが抑制されている。これにより、当該１０ｍｍ以上の厚みを有するインゴット１より採取される基板間のキャリア密度のばらつきが抑制され、その結果当該基板を用いて製造される半導体装置の特性のばらつきも抑制される。このように、本実施の形態に係るインゴット１は、半導体装置の特性のばらつきを抑制することが可能なインゴットである。

また、上述のように、インゴット１を昇華法により形成することにより、＜０００１＞方向におけるキャリア密度のばらつきを抑制しつつ、インゴット１をより容易に形成することができる。

また、上述のように、インゴット１に含まれるＡｌは、炭化珪素のｐ型不純物として好適である一方、炭化珪素との蒸気圧の差が大きいため、インゴット１の成長方向におけるキャリア密度のばらつきが生じ易い。そのため、アルミニウムをｐ型不純物として含む場合には、成長方向におけるキャリア密度のばらつきが抑制された本実施の形態に係るインゴット１を好適に採用することができる。

また、インゴット１において、キャリア密度は、＜０００１＞方向において単調に変動していてもよい。

また、インゴット１において、＜０００１＞方向におけるキャリア密度の変動は、平均キャリア密度の±５０％以下であってもよく、より好ましくは±２０％以下であってもよい。これにより、半導体装置の特性のばらつきをより効果的に抑制することができる。

次に、本実施の形態に係る基板群および基板について説明する。図２を参照して、本実施の形態に係る基板群２は、一のインゴット１から採取される基板群であって、複数枚の基板１０から構成される。基板群２は、たとえばインゴット１から採取される全ての基板１０を含んでいる。

基板群２の平均キャリア密度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上であり、また基板群２を構成する基板１０間のキャリア密度のばらつきは、基板群２の平均キャリア密度の±８０％以下、好ましくは±５０％以下、より好ましくは±２０％以下となっている。

図３を参照して、基板１０は、本実施の形態に係る基板であって、上記本実施の形態に係るインゴット１より採取される。基板１０の主面１０Ａを構成する面は、｛０００１｝面に対して８°以下のオフ角を有し、４°以下のオフ角を有していてもよい。

また、基板１０の主面１０Ａの面積は、１００ｃｍ^２以上となっている。このように大面積の主面１０Ａを有する基板１０を用いることにより、より効率的に半導体装置を製造することができる。

また、基板１０の主面１０Ａ内におけるキャリア密度の分布は、基板１０の平均キャリア密度の±２０％以下となっている。このように主面１０Ａ内におけるキャリア密度のばらつきが抑制された基板１０を用いることにより、特性のばらつきが抑制された半導体装置をより容易に製造することができる。

また、基板１０の反りは、２０μｍ以下となっている。このように反りが抑制された基板１０を用いることにより、より高品質な半導体装置を製造することができる。

このように、本実施の形態に係る基板群２は、基板群２を構成する基板１０間のキャリア密度のばらつきが抑制されているため、基板１０を用いて製造される半導体装置の特性のばらつきも抑制される。このように、本実施の形態に係る基板群２および基板１０は、半導体装置の特性のばらつきを抑制することが可能な基板群および基板である。

次に、本実施の形態に係るインゴットおよび基板の製造方法について、図４〜図６を参照して説明する。まず、本実施の形態に係るインゴットの製造方法について説明する。本実施の形態に係るインゴットの製造方法では、上記本実施の形態に係るインゴット１を製造することができる。図４を参照して、まず、工程（Ｓ１０）として、原料準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図５を参照して、純化処理グラファイトからなる坩堝３内に、単結晶炭化珪素からなる種基板１１と、炭化珪素源としてのＳｉＣ粉末１２とが配置される。また、坩堝３と連結管４を介して接続されたリザーバー５内に配置されたＴａＣ（炭化タンタル）製坩堝６内に、ＡｌとＢとが所定の比率で混合されたＡｌ／Ｂ混合物２０が配置される。

次に、工程（Ｓ２０）として、結晶成長工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、ＳｉＣ粉末１２と、Ａｌ／Ｂ混合物２０とを加熱昇華させて種基板１１上にＳｉＣ単結晶１３を成長させることにより、ｐ型不純物としてのＡｌを含むインゴット１が形成される。具体的には、図５を参照して、まず、坩堝３およびリザーバー５内を真空排気しつつ、所定の温度にまで昇温する。そして、たとえばＡｒ（アルゴン）などの不活性ガスを導入して所望の圧力を達成しつつ、結晶成長温度にまでさらに昇温する。このとき、Ａｌ／Ｂ混合物２０が融解して、Ａｌ／Ｂ混合融液２０となる。そして、所定時間放置した後、坩堝３およびリザーバー５内を所望の圧力にまで減圧して結晶成長を開始させる。これにより、所望の厚みを有するインゴット１が得られる。

また、この工程（Ｓ２０）では、Ａｌ／Ｂ混合物２０の加熱温度を、ＳｉＣ粉末１２の加熱温度よりも高くすることが好ましい。これにより、加熱昇華したＳｉＣ粉末１２がリザーバー５側に混入し析出することを抑制することができる。上記工程（Ｓ１０）および（Ｓ２０）が実施されることによりインゴット１が製造され、本実施の形態に係るインゴットの製造方法が完了する。

このように、本実施の形態に係るインゴットの製造方法では、工程（Ｓ２０）において、ＳｉＣ粉末１２とともに、Ａｌ／Ｂ混合物２０を加熱昇華させることにより、種基板１１上での結晶成長が進行する。従来のインゴットの製造方法のようにＳｉＣ粉末１２とＡｌとを加熱昇華させる場合には、炭化珪素とＡｌとの蒸気圧の差に起因して結晶成長の初期にＡｌが枯渇し、その結果インゴットの成長方向におけるキャリア密度の分布が不均一になる。これに対して、本実施の形態に係るインゴットの製造方法では、Ｂを添加することによりＡｌの蒸気圧を抑制し、かつＳｉＣ粉末１２とＡｌ／Ｂ混合物とを異なる適切な温度で加熱することにより、Ａｌの枯渇を抑制しつつ結晶成長を進行させることができる。したがって、本実施の形態に係るインゴットの製造方法によれば、成長方向におけるキャリア密度の均一な分布を有するインゴット１を製造することができる。なお、Ｂの蒸気圧はＡｌに比べて数桁小さいため、インゴット１におけるＢの濃度は、Ａｌよりも小さくなっている。

次に、本実施の形態に係る基板の製造方法について説明する。本実施の形態に係る基板の製造方法では、上記本実施の形態に係る基板群２および基板１０を製造することができる。図４を参照して、本実施の形態に係る基板の製造方法では、工程（Ｓ３０）として、スライス工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図６を参照して、まず、インゴット１がその側面の一部が支持台８により支持されるように設置される。次に、ワイヤー７が、インゴット１の直径方向に沿った方向に走行しつつ、その走行方向に垂直な方向である切断方向αに沿ってインゴット１に接近し、ワイヤー７とインゴット１とが接触する。そして、ワイヤー７が切断方向αに沿って進行し続けることにより、インゴット１が切断される。このようにして、インゴット１より採取された基板１０（図３参照）、複数枚の基板１０より構成される基板群２（図２参照）が製造される。

上述のインゴット１の切断をより詳細に説明すると、たとえば鉄およびニッケルを含む合金からなるワイヤー７がインゴット１に接触しつつ走行し、かつワイヤー７とインゴット１とが接触する領域には、遊離砥粒としての単結晶ダイヤモンドと切削油とを混合したスラリーなどの切削油が供給されることにより、インゴット１が切断される。このようにして、インゴット１のスライスが実施され、図２および図３に示すような基板群２および基板１０が得られる。

上記本実施の形態に係るインゴットの製造方法により製造されたインゴットの成長方向おけるキャリア密度の分布、および当該インゴットより採取された基板の面内におけるキャリア密度の分布を調査する実験を行なった。インゴットおよび基板の製造方法としては、上記本実施の形態に係るインゴットおよび基板の製造方法を用いた。具体的には、まず、４Ｈ−ＳｉＣからなり、（０００１）面に対するオフ角が４°である主面を有し、直径が６インチの種基板と、４Ｈ−ＳｉＣからなり、純度６Ｎ（純度：９９．９９９９％）のＳｉＣ粉末（４ｋｇ）と、純度６ＮのＡｌと純度２Ｎ（純度：９９．０％）のＢとが所定の比率で混合されたＡｌ／Ｂ混合物とを準備した。Ａｌ／Ｂ混合物としては、Ｂの質量に対するＡｌの質量の比率が、０．１ｍａｓｓ％、０．３ｍａｓｓ％、１．０ｍａｓｓ％、３．０ｍａｓｓ％および５．０ｍａｓｓ％のものを準備した。また、Ｂ（硼素）は、その純化を目的として、Ａｌと混合する前にＡｒ（アルゴン）雰囲気中において２４００℃、１００Ｐａの条件で加熱し、約半分の量を昇華させて残留したＢを使用した。次に、準備された種基板およびＳｉＣ粉末と、Ａｌ／Ｂ混合物とを、それぞれ純化処理グラファイトからなる坩堝と、当該坩堝と連結管を介して接続されたリザーバー内に設置されたＴａＣ製坩堝内に配置した。次に、坩堝およびリザーバー内を真空排気しつつ１５００℃にまで昇温した。そして、坩堝およびリザーバー内の圧力が９０ｋＰａに達するまで１ｓ（ｓｔａｎｄａｒｄ）ｌ／ｍｉｎの流量でＡｒガスを供給しつつ、種結晶の温度を２２５０℃、ＳｉＣ原料の温度を２２９０℃、リザーバーの温度を２３００℃にまで昇温した。そして、リザーバー内に配置したＡｌ／Ｂ混合物を均一に混合させるために５時間放置し、その後坩堝内の圧力を１ｋＰａまで減圧して結晶成長を開始した。結晶の成長時間は１００時間とし、これにより成長方向への厚みが約３０ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣからなるインゴットを得た。次に、インゴットを成長方向に対して略垂直な方向に１ｍｍピッチでスライスし、得られた基板の両面にミラー研磨を施すことにより６５０±１０μｍの厚みの基板を得た。そして、各々の基板の中央領域においてホール測定を行い、インゴットの成長方向におけるキャリア密度の分布を調査した。また、基板の主面内の複数箇所のホール測定を行い、基板の面内におけるキャリア密度の分布についても調査した。表１は、成長方向におけるキャリア密度の分布を示している。また、表２は、基板の面内におけるキャリア密度の分布を示している。

上記実験結果について以下に説明する。表１から明らかなように、基板のキャリア密度は、Ａｌ／Ｂ混合物中のＡｌの比率に比例して増加した。また、各々の基板間におけるキャリア密度のばらつきは１０％〜２０％程度と良好であった。また、表２から明らかなように、基板の面内におけるキャリア密度の分散は、±１０％程度以下と良好であった。このことから、本実施の形態に係るインゴットの製造方法により製造されたインゴットの成長方向におけるキャリア密度の分布、および当該インゴットより採取される基板の面内におけるキャリア密度の分布が良好であることが確認された。

＜付記＞
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。

（付記１）
単結晶炭化珪素からなる種基板と、炭化珪素源と、ＡｌとＢとを含む混合物とを準備する工程と、
前記炭化珪素源および前記混合物を加熱昇華させて前記種基板上に結晶成長させる工程とを備える、インゴットの製造方法。

上記インゴットの製造方法では、結晶成長させる工程において、炭化珪素源とともに、混合物を加熱昇華させることにより、種基板上での結晶成長が進行する。従来のインゴットの製造方法のように炭化珪素源とＡｌとを加熱昇華させる場合には、炭化珪素とＡｌとの蒸気圧の差に起因して、結晶成長の初期にＡｌが枯渇し、その結果インゴットの成長方向におけるキャリア密度の分布が不均一になる。これに対して、上記インゴットの製造方法では、Ｂを添加することによりＡｌの蒸気圧を抑制し、かつ炭化珪素源と混合物とを異なる適切な温度で加熱することにより、Ａｌの枯渇を抑制しつつ結晶成長を進行させることができる。したがって、上記インゴットの製造方法によれば、成長方向におけるキャリア密度の均一な分布を有するインゴットを製造することができる
（付記２）
前記結晶成長させる工程では、前記炭化珪素源および前記混合物の各々は、互いに連通した異なる容器内に配置されて加熱される、付記１に記載のインゴットの製造方法。

これにより、炭化珪素源と混合物とをそれぞれ適切な状態で昇華させることがより容易になる。

（付記３）
前記結晶成長させる工程では、前記混合物は、前記炭化珪素源よりも高温で加熱される、付記２に記載のインゴットの製造方法。

これにより、昇華した炭化珪素源が混合物が配置される側に析出することを抑制することができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のインゴット、基板および基板群は、半導体装置の特性のばらつきを抑制することが要求されるインゴット、基板および基板群において特に有利に適用され得る。

１インゴット、２基板群、３坩堝、４連結管、５リザーバー、６ＴａＣ製坩堝、７ワイヤー、８支持台、１０基板、１０Ａ主面、１１種基板、１２ＳｉＣ粉末、１３ＳｉＣ単結晶、２０Ａｌ／Ｂ混合物（混合融液）。

Claims

単結晶炭化珪素からなり、ｐ型不純物を含むインゴットであって、
成長方向における厚みは、１０ｍｍ以上であり、
平均キャリア密度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上であり、
成長方向におけるキャリア密度の変動は、前記平均キャリア密度の±５０％以下であり
、前記ｐ型不純物はアルミニウムと硼素からなり、硼素の濃度はアルミニウムの濃度より小さい、インゴット。
前記キャリア密度は、成長方向において単調に変動している、請求項１に記載のインゴット。
成長方向における前記キャリア密度の変動は、前記平均キャリア密度の±２０％以下で
ある、請求項１または２に記載のインゴット。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のインゴットより採取される、基板。
主面内におけるキャリア密度の変動は、平均キャリア密度の±２０％以下である、請求
項４に記載の基板。
主面内におけるキャリア密度の変動は、平均キャリア密度の±１０％以下である、請求
項５に記載の基板。
主面の面積は、１００ｃｍ^２以上である、請求項４〜６のいずれか１項に記載の基板。
反りは、２０μｍ以下である、請求項４〜７のいずれか１項に記載の基板。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のインゴットより採取される基板群であって、
前記基板群の平均キャリア密度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上であり、
前記基板群を構成する基板間のキャリア密度のばらつきは、前記基板群の平均キャリア
密度の±５０％以下である、基板群。