JP6618179B2

JP6618179B2 - ＳｉＣ単結晶の製造方法

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Publication number: JP6618179B2
Application number: JP2015252261A
Authority: JP
Inventors: 陽平藤川; 近藤　宏行; 宏行近藤; 秀隆鷹羽
Original assignee: Showa Denko KK; Denso Corp
Current assignee: Showa Denko KK; Denso Corp
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: JP2017114728A

Description

本発明は、ＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きい。また、炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。そのため炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
特に近年、一枚の基板から多くの半導体デバイスを得るために、ＳｉＣウェハの大口径化が求められている。そのためＳｉＣ単結晶自体の大口径化の要望も高まっている。

ＳｉＣウェハは、ＳｉＣインゴットを切り出して作製する。このＳｉＣインゴットは、一般に昇華法によって得ることができる。昇華法は、黒鉛製の坩堝内に配置した台座にＳｉＣ単結晶からなる種結晶を配置し、坩堝を加熱することで坩堝内の原料粉末から昇華した昇華ガスを種結晶に供給し、種結晶をより大きなＳｉＣインゴットへ成長させる方法である。

しかしながら、小さな種結晶から直接大きなＳｉＣインゴットを得ることは難しい。そのため、まず種結晶を大きなＳｉＣ単結晶に成長させ、そのＳｉＣ単結晶を用いてＳｉＣインゴットを作製することが一般的である。

図１は、結晶方位及び結晶面について説明するための模式図である。ＳｉＣ単結晶には、主要な結晶面として｛０００１｝面（ｃ面）と、ｃ面に垂直な｛１−１００｝面（ｍ面）及び｛１１−２０｝面（ａ面）が知られている。ここで、面指数において「−」の記号は通常数字の上に付されるが、本明細書及び図面では便宜上数字の左側に付した。また結晶方位を示す＜０００１＞、＜１−１００＞及び＜１１−２０＞についても同様の取り扱いとする。

種結晶からｃ面方向に成長すると、その成長後に得られる単結晶中には、＜０００１＞方向に平行な方向に、マイクロパイプ欠陥や貫通螺旋転位等の欠陥が引き継がれていくという問題が知られている。マイクロパイプ欠陥や貫通螺旋転位等の欠陥が引き継がれると、高品質なＳｉＣ単結晶を得ることができないという問題がある。

その問題を解決するために、小さな種結晶から大きなＳｉＣ単結晶を得る際に、特許文献１及び２に記載されたＲＡＦ（Ｒｅｐｅａｔｅｄａ−ｆａｃｅ）法を用いることが知られている。ＲＡＦ法とは、ａ面又はｍ面への成長を少なくとも１回以上行い、次に前の成長面及びｃ面と直交する面（ａ面に対するｍ面、ｍ面に対するａ面）への成長を少なくとも１回以上行う方法で低欠陥化した結晶のｃ面上に結晶成長を行う結晶成長方法である。ＲＡＦ法を用いると、ｃ軸方向に貫通する欠陥をほとんどもたないＳｉＣ単結晶を作製できる。これはａ面成長を行った後のＳｉＣ単結晶が有する欠陥は、ｃ面成長では基底面方向の欠陥となり、引き継がれないためである。

また近年の研究の結果、ａ面成長やｍ面成長によって得られた種結晶は、格子面に異方性があることが報告されている（例えば、非特許文献１）。この異方性は、その種結晶を得るために最終的に結晶成長させた最終結晶成長方向（例えばａ軸方向またはｍ軸方向）と、ｃ軸を中心に最終成長方向に対して直交する方向（最終結晶成長方向がａ軸方向であればｍ軸方向、最終結晶成長方向がｍ軸方向であればａ軸方向）と、の間に生じる。

特開２００３−１１９０９７号公報特開２００３−３２１２９８号公報

Ｊ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｎ．Ｏｈｔａｎｉ，Ｍ．Ｋａｎａｙａ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ，１６７（１９９６）５９６−６０６．ＤａｉｓｕｋｅＮａｋａｍｕｒａｅｔａｌ．，ＶＯＬ４３０、２６、ＡＵＧＵＳＴ、２００４．

本発明者らは鋭意検討の結果、異方性は、モザイク性の有無に起因して生じているのではないかということを実験的に見出した。モザイク性とは、格子面における結晶方位のずれを含む理想状態からのずれを言う。すなわち、最終結晶方向に沿った方向では結晶面のガタつきが少なく、最終結晶成長方向に対して直交する方向では結晶面のガタつきが大きいという異方性を有する。
以下、モザイク性が大きいとは、格子面が理想状態から外れていることを意味し、例えば格子面の結晶方位のずれが大きい（すなわち結晶面がガタついている）ことを意味する。これに対し、モザイク性が少ないとは、格子面が理想状態に近いことを意味し、格子面における結晶方位のずれが小さい（すなわち、結晶面が平坦である）ことを意味する。

このようなモザイク性を有する種結晶上にＳｉＣを結晶成長させると、このモザイク性に起因して様々な問題が生じると言われている。特に、結晶成長の初期においては、その影響は大きく、欠陥の原因となるという問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、局所的な結晶方位のずれを含むモザイク性が緩和されたＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、種結晶のモザイク性は、その種結晶のｃ面上にＳｉＣをｃ面成長させると緩和することに気付いた。そこで、モザイク性を有する種結晶をｃ軸方向に結晶成長させた後、その結晶成長した部分を再度除去することにより、モザイク性が緩和されたＳｉＣ単結晶を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶の製造方法は、種結晶を作製する種結晶作製工程と、前記種結晶からｃ軸方向にＳｉＣを結晶成長させ、モザイク性緩和層を形成するモザイク性緩和工程と、前記モザイク性緩和層を除去する除去工程と、を有する。

（２）上記（１）に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法において、前記モザイク性緩和層の厚みが、５０μｍ〜８０００μｍであってもよい。

（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶の製造方法において、前記除去工程において前記モザイク性緩和層と共に前記種結晶の一部を除去する場合、前記種結晶の除去範囲を前記種結晶のモザイク性緩和層が形成された面から１００μｍ以内としてもよい。

（４）本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶の製造方法は、種結晶を作製する種結晶作製工程と、前記種結晶からｃ軸方向にＳｉＣを結晶成長させ、モザイク性緩和層を形成するモザイク性緩和工程と、前記モザイク性緩和層を除去する除去工程と、前記モザイク性緩和層を除去したＳｉＣ結晶を種結晶として、種結晶からｃ軸方向にＳｉＣを単結晶成長させるＳｉＣ単結晶成長工程と、を有する。

（５）上記（４）に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法は、前記モザイク性緩和層の厚みが、５０μｍ〜８０００μｍであってもよい。

（６）上記（４）または（５）のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶の製造方法は、前記除去工程において前記モザイク性緩和層と共に前記種結晶の一部を除去する場合、前記種結晶の除去範囲を前記種結晶のモザイク性緩和層が形成された面から１００μｍ以内としてもよい。

（７）本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶は、ｃ軸と垂直な第１の方向に沿って前記ＳｉＣ単結晶ｃ面のＸ線ロッキングカーブを測定した際に、ピーク角度のずれが０．００１０°以下である。

本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶の製造方法は、種結晶からｃ軸方向にＳｉＣを結晶成長させ、モザイク性緩和層を形成するモザイク性緩和工程と、モザイク性緩和層を除去する除去工程と、を有する。モザイク性緩和工程を行うことで、種結晶が有するモザイク性を緩和することができる。そしてモザイク性が原因となって発生した欠陥が発生している恐れの高いモザイク性緩和層を一度除去することにより、高品質なＳｉＣ単結晶を得ることができる。

モザイク性緩和層の厚みは、５０μｍ〜８０００μｍであることが好ましい。モザイク性緩和層の厚みをこの範囲にすれば、効率的に種結晶の有するモザイク性を緩和することができる。薄すぎると緩和が不十分となり、厚すぎてもモザイク性の緩和度合いが大幅に高まる訳ではない。

除去工程で、種結晶の一部も除去する場合は、その除去する範囲を種結晶のモザイク性緩和層が形成されている面から１００μｍ以内とすることが好ましい。モザイク性緩和層を除去することができれば、モザイク性が原因となって発生した欠陥が発生している部分を除去することができる。一方で、除去の精度の関係上、種結晶自体も除去することはある。この場合、除去する量を少なくすることで、種結晶のロスを少なくすることができる。

本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶は、ｃ軸方向と垂直な第１の方向に沿って前記ＳｉＣ単結晶ｃ面のＸ線ロッキングカーブを測定した際に、ピーク角度のずれが０．００１０°以下である。ここでの第１の方向とはａ軸方向とｍ軸方向のことである。ＲＡＦ法によって形成されたＳｉＣ種結晶は、ａ面成長とｍ面成長で形成された結晶を含むためモザイク性を有する。しかしながら、本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶は、ＲＡＦ法で作製されたＳｉＣ単結晶であって、モザイク性を有さないため、より高品質のＳｉＣインゴットを得ることができる。

結晶方位及び結晶面について説明するための模式図を示す。本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶の製造方法の模式図である。ＳｉＣ単結晶のモザイク性を説明するための模式図である。実施例１及び比較例１のＳｉＣ単結晶のｃ面のω角をｍ軸方向に沿ってＸ線回折法によって測定した結果である。実施例１及び比較例１のＳｉＣ単結晶のｃ面の回折ピークの半値幅をｍ軸方向に沿ってＸ線回折法によって測定した結果である。

以下、本発明を適用したＳｉＣ単結晶の製造方法及びＳｉＣ単結晶について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（ＳｉＣ単結晶の製造方法）
本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶の製造方法は、種結晶作製工程と、モザイク性緩和工程と、除去工程と、を有する。

図２は、本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶の製造方法の製造工程を説明するための断面模式図である。

まず図２（ａ）に示す種結晶１０を作製する。種結晶１０はＲＡＦ法により作製することが好ましい。また作製される種結晶は、ＲＡＦ法により作製されたもの以外で、ｃ軸方向直交する方向にモザイク性を有するものでもよい。モザイク性を有することは、具体的にはｃ面の面内任意の２点の測定で格子面のズレが、０．０００５°／ｍｍを超える格子面ずれがあることから判断できる。

図３は、種結晶の一例としてＲＡＦ法で形成された種結晶の平面模式図である。図３に示す種結晶１０は、基準種結晶１を結晶成長させて得る。基準種結晶１からｍ軸方向に結晶成長行う。これにより第１成長領域２が形成される。そして、ＳｉＣウェハを切り出すのに必要な分だけｍ軸方向に結晶成長させた後、ｍ軸方向と直交するａ軸方向に結晶成長を行う。これにより第２成長領域３が形成される。

第１成長領域２ではｍ軸方向に結晶成長するため、螺旋転位や貫通欠陥等に起因する欠陥もｍ軸方向に沿って形成される。そのためこれらの欠陥は、ｍ軸方向と平行な外表面（ａ面）には露出しない。第２の成長領域３は、この外表面を基準に成長が進む。そのため、ＲＡＦ法を用いることで、螺旋転位や貫通転位が極めて少ない高品質な単結晶を得ることができる。

種結晶１０は、基準種結晶１、第１成長領域２及び第２成長領域３全体を用いてもよいし、比較的結晶欠陥の多い基準種結晶１及び第１成長領域２を除いた第２成長領域３のみを用いてもよい。以下、第２成長領域３を種結晶１０として用いる例を基に説明をする。

種結晶１０は、ｍ軸方向にモザイク性を有している。種結晶１０は、最終的にａ軸方向に成長しているため、ａ軸方向と平行な面で切断した際の種結晶１０の格子面（ｃ面）Ｓ１は比較的なめらかである。これに対し、ｍ軸方向と平行な面で切断した際の格子面（ｃ面）Ｓ２は、格子面が乱れ、モザイク性を有している。

このようにモザイク性は、結晶成長方向に起因して生じるものであり、結晶欠陥の極めて少ないＲＡＦ法によって得られた種結晶１０においては避けることができない。またモザイク性は、欠陥の発生起因となりうる。モザイク性が生み出す欠陥としては、例えば初期の異種多形及び転位等が挙げられる。

なお、ここまでｍ軸成長させた後にａ軸成長させることにより形成された種結晶１０を基に説明してきたが、結晶成長順を逆にしても種結晶はモザイク性を有する。つまり、ａ軸成長後にｍ軸成長を行った場合は、ａ軸方向にモザイク性を有することになる。そのため、種結晶作製工程は、ＲＡＦ法を用いたものであれば、結晶成長順は問わない。

またｃ軸と直交する方向に結晶を行ったとき、成長方向に対して９０°回転する方向にモザイク性すなわち格子面の局所的なズレが生じることは、実験的に確認されたことである。成長方向の格子面のズレの緩和と、成長方向に対して９０°回転する方向の格子面のズレの緩和とで、格子面のズレの緩和の仕方が異なることを示していると思われる。

そこで、このモザイク性を緩和するためにモザイク性緩和工程を行う。モザイク性緩和工程では、図２（ｂ）に示すように、種結晶１０からｃ軸方向に結晶成長を行い、モザイク性緩和層１１をえる。

モザイク性緩和層１１は、種結晶が有するモザイク性を緩和する。モザイク性が緩和するのは、モザイク性緩和層１１を成長させることで、種結晶１０が塑性変形を起こしているためと考えられる。

モザイク性緩和層１１の厚みは、５０μｍ〜８０００μｍであることが好ましい。モザイク性緩和層１１の厚みをこの範囲にすれば、効率的に種結晶１０の有するモザイク性を緩和することができる。薄すぎると緩和が不十分となり、厚すぎてもモザイク性の緩和度合いが大幅に高まる訳ではない。さらにモザイク性緩和層の厚みを１０００μｍ以上とすれば、安定的に種結晶全面にモザイク緩和層を形成することができ好ましい。また６０００μｍ以下とすれば、モザイク性緩和層を除去する時の加工の手間を少なくすることができ好ましい。

次いで、図２（ｃ）で示すように結晶成長したモザイク性緩和層１１を除去する。図２（ｃ）において点線が切断面に対応する。一度成長させた層を除去することは、結晶成長速度の遅いＳｉＣ単結晶の分野においては抵抗が大きい。しかしながら、一度成長させたモザイク性緩和層１１を除去すると、モザイク性が緩和することができる。またモザイク性が原因となって発生した欠陥が発生している恐れの高いモザイク性緩和層１１を一度除去することにより、高品質なＳｉＣ単結晶を得ることができる。

除去工程で、種結晶１０の一部も除去する場合は、その除去する範囲を種結晶１０のモザイク性緩和層１１が形成されている面から１００μｍ以内とすることが好ましい。モザイク性緩和層１１を除去することができれば、モザイク性が原因となって発生した欠陥が発生している部分を除去することができる。一方で、除去の精度の関係上、種結晶１０自体も除去することはある。この場合、除去する量を少なくすることで、種結晶１０のロスを少なくすることができる。

そして図２（ｄ）に示すように、モザイク性緩和層１１を除去することでＳｉＣ単結晶１２を得ることができる。

ＳｉＣ単結晶１２は、一度成長させたモザイク性緩和層１１を除去した後のものである。そのため、除去工程での切断位置によっては、わずかに厚みが薄くなっていることは考えられるが、ほとんど種結晶１０である。そのため、ＲＡＦ法によって作製された成長履歴を有する。すなわち、ＳｉＣ単結晶１２は、ＲＡＦ法成長で方向を変える際に生じる成長界面を有する。成長界面は、ａ面に平行な方向に延在しているものとｍ面に平行して延在しているものの少なくとも１つを含んでいる。

一方で、種結晶１０とＳｉＣ単結晶１２の違いは、モザイク性の有無である。モザイク性の有無は、Ｘ線ロッキングカーブを測定することによって確認することができる。モザイク性は、第２成長領域２の成長方向と垂直な方向に存在する。すなわち、成長界面と平行な方向に存在する。

本発明の一態様に係るＳｉＣ単結晶１２は、成長界面と平行な方向に沿ってＳｉＣ単結晶ｃ面のＸ線ロッキングカーブを測定した際に、ピーク角度のずれが０．００１０°以下である。すなわち、ＳｉＣ単結晶１２は、結晶欠陥が極めて少なくかつモザイク性が緩和されたものである。したがって、ＳｉＣ単結晶１２を基に、ＳｉＣインゴットを作製すると、欠陥の少ないＳｉＣインゴットを得ることができるため、ＳｉＣ単結晶成長の種結晶として好適に用いることができる。また、ＳｉＣ単結晶１２をスライスしてモザイク性が少なく高品質のＳｉＣウェハを得てもよい。

本発明の別の一態様に係るＳｉＣ単結晶は、さらにＳｉＣ単結晶１２を、種結晶としてＳｉＣ単結晶を成長させて作製される。結晶の成長方向はｃ軸方向で、種結晶の面方位は、ｃ面すなわち（０００１）面、好ましくはカーボン面側を成長面とし、昇華法により成長させる。（０００１）面は、（０００１）面に対して９°以下の範囲で傾斜していてもよい。新たに成長したＳｉＣ単結晶は、ｃ軸に対して垂直な方向のモザイク性が緩和されているという種結晶の結晶性を引き継いで成長する為、モザイク性が少ない単結晶インゴットとなる。ＳｉＣ単結晶１２を基に、ＳｉＣインゴットを作製すると、欠陥の少ないＳｉＣインゴットを得ることができる。このＳｉＣ単結晶インゴットをスライスすることでＳｉＣウェハが作製されるため、欠陥の少ないＳｉＣウェハを得ることができる。

上記では、種結晶としてｍ軸方向の成長を行った後にａ軸方向の成長を行ったＲＡＦ法を用いた種結晶について述べたが、本発明は、ｃ軸方向に垂直な方向にモザイク性すなわち格子面の局所的なズレを有する種結晶について適用できる。たとえば、ｃ軸方向に垂直な方向への成長が、正確にａ面又はｍ面でなく、傾いた方向であってもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

まず基準種結晶を準備し、基準種結晶からｍ軸方向に結晶成長を行い、第１成長領域を作製した。そして、さらにａ軸方向に結晶成長を行い、第２成長領域を作製した。その後、基準種結晶及び第２成長領域を切断し、種結晶を得た。

そして、得られた種結晶のｃ面のＸ線ロッキングカーブを測定した（比較例１：実施前）。Ｘ線ロッキングカーブは、ｍ軸に沿って５ｍｍずつ測定した。その結果を図４及び図５に示す。

次いで、種結晶をｃ面成長させてモザイク性緩和層を作製した。モザイク性緩和層の厚みは最大部で７６００μｍ、最小部で５４００μｍであった。そして、作製したモザイク性緩和層を再度除去し、ＳｉＣ単結晶を得た。

得られたＳｉＣ単結晶のｃ面のＸ線ロッキングカーブを、種結晶と同様に測定した（実施例１：実施後）。その結果を図４及び図５に示す。

図４は、実施例１及び比較例１のＸ線ロッキングカーブのω角の変化分布である。横軸はＳｉＣ単結晶の中心からの位置を示し、縦軸はω角の面内振れ幅を示す。また図５は、実施例１及び比較例１の各位置における回折ピークの半値幅をプロットしたグラフである。横軸はＳｉＣ単結晶の中心からの位置を示し、縦軸は各位置における回折ピークの半値幅を示す。

図４に示すように、ω角の面内振れ幅が実施例１は比較例１と比較して小さい。結晶面が理想的な状態の場合、ω角の面内振れ幅はゼロになる。すなわち、モザイク性緩和層を除去することにより、モザイク性が緩和されていることが分かる。

また図５に示すように、モザイク性緩和層を除去した後（実施例１）の回折ピークの半値幅の値は、除去する前（比較例１）の回折ピークの半値幅の値より、全体的に小さい。回折ピークの半値幅が小さいということは、回折ピークが所定の位置で急峻に得られていることを意味し、結晶性が高まっていることを意味する。すなわち、モザイク性緩和層を除去することで、ＳｉＣ単結晶の結晶性も高めることができている。

１…基準種結晶、２…第１成長領域、３…第２成長領域、１０…種結晶、１１…モザイク性緩和層、１２…ＳｉＣ単結晶、Ｓ１，Ｓ２…格子面

Claims

種結晶を作製する種結晶作製工程と、
前記種結晶からｃ軸方向にＳｉＣを結晶成長させ、モザイク性緩和層を形成するモザイク性緩和工程と、
前記モザイク性緩和層を除去する除去工程と、を有し、
前記除去工程において前記モザイク性緩和層と共に前記種結晶の一部を除去する場合、
前記種結晶の除去範囲を前記種結晶のモザイク性緩和層が形成された面から１００μｍ以内とするＳｉＣ単結晶の製造方法。
種結晶を作製する種結晶作製工程と、
前記種結晶からｃ軸方向にＳｉＣを結晶成長させ、モザイク性緩和層を形成するモザイク性緩和工程と、
前記モザイク性緩和層を除去する除去工程と、
前記モザイク性緩和層を除去したＳｉＣ結晶を種結晶として、種結晶からｃ軸方向にＳｉＣを単結晶成長させるＳｉＣ単結晶成長工程と、を有し、
前記除去工程において前記モザイク性緩和層と共に前記種結晶の一部を除去する場合、前記種結晶の除去範囲を前記種結晶のモザイク性緩和層が形成された面から１００μｍ以内とするＳｉＣ単結晶の製造方法。
前記モザイク性緩和層の厚みが、５０μｍ〜８０００μｍである請求項１または２のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。