JP7085833B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素単結晶の製造方法に関する。
半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）は、デバイス用基板として広く使用されているＳｉ（珪素）に比べてバンドギャップが大きいことから、炭化珪素単結晶基板を使用したパワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等を作製する研究が行われている。
これらのデバイスは、昇華法等で成長させた炭化珪素のバルク単結晶から加工して得られた炭化珪素単結晶基板上に、化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）等によってデバイスの活性領域となるエピタキシャル層（膜）を形成した、ＳｉＣエピタキシャルウェハを用いて作製される。
炭化珪素単結晶基板には、基底面転位（Ｂａｓａｌ Ｐｌａｎｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＢＰＤ）、マイクロパイプと呼ばれる結晶欠陥等が、一般に内在している。これらの結晶欠陥がＳｉＣエピタキシャル層に伝播することにより、ＳｉＣデバイスの特性が劣化してしまうことが問題となっている。
特許文献１では、炭化珪素単結晶基板で発生する基底面転位を低減させるために、種結晶と台座との接着状態を調整し、種結晶の表面に沿った伝熱量を多くすることにより、炭化珪素単結晶を種結晶の面内全体にわたって均一に成長させる技術が開示されている。
特許文献２では、マイクロパイプ欠陥の影響を回避するために、珪素リッチの雰囲気で炭化珪素単結晶を成長をさせることにより、炭化珪素種結晶中のマイクロパイプ欠陥を被覆する技術が開示されている。
特許文献３では、炭化珪素単結晶の表面の昇華と熱応力による割れを防ぐために、成長させた炭化珪素単結晶に対して、さらにアニール処理を行って再成長させる技術が開示されている。
しかしながら、いずれの開示技術においても、基底面転位による欠陥密度の発生を１００［ｃｍ－２］以下に抑えることは難しく、これを可能にする技術が求められている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、基底面転位の発生数を１００［ｃｍ－２］以下に低減させた炭化珪素単結晶基板を製造することを可能とする、炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
（１）本発明の一態様に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、昇華法を用いた炭化珪素単結晶の製造方法であって、坩堝内の一方の側に配置された黒鉛部材上に炭化珪素種結晶を貼り付け、他方の側に炭化珪素原料を配置した状態で、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる前に、前記炭化珪素種結晶を、２０００［℃］以上の温度になるように加熱する予備加熱工程と、前記炭化珪素種結晶を、室温になるように冷却する冷却工程と、を順に有する。
（２）前記（１）に記載の炭化珪素単結晶の製造方法は、前記予備加熱工程、前記冷却工程において、前記坩堝内の圧力を１５０［Ｔｏｒｒ］以下とすることができる。
（３）前記（１）または（２）のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法は、前記予備加熱工程における昇温速度を、５０［℃／分］以上１２００［℃／分］以下とすることができる。
（４）前記（１）または（３）のいずれか一つに記載の炭化珪素単結晶の製造方法は、前記冷却工程における降温速度を、５０［℃／分］以上４００［℃／分］以下とすることができる。
昇華法による炭化珪素単結晶の製造過程において、黒鉛部材（台座）に貼り付けた炭化珪素種結晶には、黒鉛部材との熱膨張率の差に起因して歪みが生じる傾向にある。本発明では、炭化珪素単結晶を成長させる前に、温度を２０００［℃］以上に上げる加熱と室温に戻す冷却とを行うことにより、この歪みを緩和させることができる。したがって、本発明では、歪みの少ない種結晶格子上に炭化珪素単結晶を成長させることができ、歪みに伴う応力の影響が少なくなるため、成長させた炭化珪素単結晶において発生する基底面転位による欠陥密度を、１００［ｃｍ－２］以下に低減させることができる。
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図は、本発明の特徴を分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等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料、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、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る、昇華法を用いた炭化珪素単結晶の製造過程を示す図である。昇華法は、黒鉛製の坩堝内に配置した台座（黒鉛部材）に炭化珪素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（Ｓｉ、Ｓｉ２Ｃ、ＳｉＣ２等）を種結晶に供給し、種結晶をより大きなＳｉＣ単結晶へ成長させる方法である。図１（ａ）は、坩堝１００内の一方の側に配置された台座１０１上に炭化珪素種結晶１０２を貼り付け、他方の側に炭化珪素原料１０３を配置した状態を示している。
坩堝１００内の圧力は、排気手段（不図示）を用いて調整することができ、１[Ｔｏｒｒ]以上１５０［Ｔｏｒｒ］以下とすることが好ましい。
本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、炭化珪素種結晶１０２上に炭化珪素単結晶を成長させる本加熱工程の前に、図１（ａ）に示す状態で、本加熱と同等の温度での予備加熱工程と冷却工程とを、順に行うことを特徴としている。まず、予備加熱工程および冷却工程について説明する。
（予備加熱工程）
予備加熱工程では、坩堝１００内を室温から２０００[℃]以上２５００[℃]以下の温度になるまで昇温し、この温度を一定時間維持して炭化珪素種結晶１０２の加熱を行う。昇温速度は、５０［℃／分］以上１２００［℃／分］以下とすることが好ましい。昇温時間を除いた加熱時間、すなわち一定温度で加熱する時間は、３０［分］以上９０［分］以下とすることが好ましい。
予備加熱工程では、坩堝１００内を室温から２０００[℃]以上２５００[℃]以下の温度になるまで昇温し、この温度を一定時間維持して炭化珪素種結晶１０２の加熱を行う。昇温速度は、５０［℃／分］以上１２００［℃／分］以下とすることが好ましい。昇温時間を除いた加熱時間、すなわち一定温度で加熱する時間は、３０［分］以上９０［分］以下とすることが好ましい。
ここでの加熱は、例えば、コイルを坩堝１００の周囲に配し、誘導加熱方式によって行うことができる。誘導加熱方式は、コイルに高周波電流を流すことによって発生する誘導磁界を被加熱体に作用させ、そこに誘起される電流を利用して被加熱体を発熱させるものである。
（冷却工程）
続く冷却工程では、坩堝１００内を室温になるまで降温し、室温を一定時間維持して炭化珪素種結晶１０２の冷却を行う。降温速度は、５０［℃／分］以上４００［℃／分］以下とすることが好ましい。
続く冷却工程では、坩堝１００内を室温になるまで降温し、室温を一定時間維持して炭化珪素種結晶１０２の冷却を行う。降温速度は、５０［℃／分］以上４００［℃／分］以下とすることが好ましい。
ここでの冷却は、例えば、坩堝１００内を大気開放するか、坩堝１００内にアルゴン、窒素、水素等の冷媒ガスを供給することによって行うことができる。冷媒ガスの供給による冷却は、本加熱前の坩堝１００内の減圧排気を行う必要がなく、予備加熱、冷却、本加熱を連続して行うことができるため、製造時間を短縮する観点から好ましい。
冷却工程を経た炭化珪素種結晶１０２は、坩堝１００内の雰囲気に曝されている面に、炭素を主成分とする炭化膜１０４が形成されており、従来の方法で得られる炭化珪素種結晶に比べて、曇って見える状態となっている。ここで形成される炭化膜１０４は、予備加熱工程において炭化珪素原料から発生したガスの一部が付着し、その後の冷却工程において固化したものと考えられる。
（本加熱工程）
次に、炭化珪素種結晶１０２上に、炭化珪素単結晶を成長させるための本加熱工程について説明する。図１（ｂ）は、昇華法による本加熱を行って、予備加熱工程、冷却工程を経た炭化珪素種結晶１０２上に、炭化珪素単結晶１０５を成長させている状態を示している。炭化珪素種結晶１０２とその台座１０１については、冷却工程を経た状態のままで継続して用いる。炭化珪素種結晶１０２、台座１０１以外の構成要素（坩堝１００内の雰囲気、炭化珪素原料１０３、周辺部材等）については、冷却工程と本加熱工程との間に入れ替えを行ってもよい。
次に、炭化珪素種結晶１０２上に、炭化珪素単結晶を成長させるための本加熱工程について説明する。図１（ｂ）は、昇華法による本加熱を行って、予備加熱工程、冷却工程を経た炭化珪素種結晶１０２上に、炭化珪素単結晶１０５を成長させている状態を示している。炭化珪素種結晶１０２とその台座１０１については、冷却工程を経た状態のままで継続して用いる。炭化珪素種結晶１０２、台座１０１以外の構成要素（坩堝１００内の雰囲気、炭化珪素原料１０３、周辺部材等）については、冷却工程と本加熱工程との間に入れ替えを行ってもよい。
本加熱工程では、再度、坩堝１００内を室温から２０００［℃］以上２５００[℃]以下の温度になるまで昇温し、一定時間加熱状態を維持して炭化珪素種結晶１０２の加熱を行うことで、炭化珪素単結晶１０５を成長させる。昇温速度は、５０［℃／分］以上１２００［℃／分］以下とすることが好ましい。昇温時間を除いた加熱時間、すなわち単結晶成長させる時間は、所望する炭化珪素単結晶の長さに応じて設定すれば良い。一定時間加熱後に冷却し、炭化珪素単結晶のインゴットを取り出す。降温速度は、５０［℃／分］以上４００［℃／分］以下とすることが好ましい。
本加熱工程を経て形成された炭化珪素単結晶のインゴットのうち、所定の部分を切り出すことにより、炭化珪素単結晶基板が得られる。
昇華法による炭化珪素単結晶の製造過程において、黒鉛部材（台座）に貼り付けた炭化珪素種結晶には、黒鉛部材との熱膨張率の差に起因して歪みが生じる傾向にある。本実施形態では、炭化珪素単結晶を成長させる前に、温度を２０００［℃］以上に上げる予備加熱と室温に戻す冷却とを行うことにより、この歪みを緩和させることができる。したがって、本実施形態では、歪みの少ない種結晶格子上に炭化珪素単結晶を成長させることができ、歪みに伴う応力の影響が少なくなるため、成長させた炭化珪素単結晶において発生する基底面転位による欠陥密度を、１００［ｃｍ－２］以下に低減させることができる。
また、本実施形態では、坩堝１００内に炭化珪素原料１０３が供給された状態で予備加熱を行うため、予備加熱中に炭化珪素原料１０３のガスが発生し、これが炭化珪素種結晶１０２の表面に付着し、冷却工程を経て炭化膜１４となる。したがって、本実施形態では、炭化珪素種結晶１０２の表面が炭化膜１０４によって保護されており、劣化が抑えられるため、劣化による傷を起点とした成長初期の基底面転位の発生を抑える効果も得ることができる。この結果、炭化珪素単結晶のインゴットの種結晶近傍より基底面転位を低減させることができる。
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例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できる。
（実施例１）
上記実施形態の製造方法において、本加熱工程まで経て炭化珪素単結晶のインゴットを作製した。全工程にわたり、坩堝内の圧力を１４０［Ｔｏｒｒ］とした。
上記実施形態の製造方法において、本加熱工程まで経て炭化珪素単結晶のインゴットを作製した。全工程にわたり、坩堝内の圧力を１４０［Ｔｏｒｒ］とした。
予備加熱工程は、コイルを用いた誘導加熱方式で行った。予備加熱工程における昇温速度を４２０［℃／分］とし、坩堝内を２１１０［℃］で６０［分］加熱した。
冷却工程は、坩堝内にアルゴンガスおよび窒素ガス（冷媒ガス）を流して行った。冷却工程における降温速度を１１０［℃／分］とした。
本加熱工程は、炭化珪素原料、坩堝部材を新規化した上で、予備加熱工程と同様に、コイルを用いた誘導加熱方式で行った。本加熱工程における昇温速度４２０［℃／分］とし、昇温時間を除いた加熱時間を９０［分］とした。本加熱工程における炭化珪素種結晶としては、予備加熱工程、冷却工程を経た状態のものを継続して用いた。
インゴットの各成長位置（炭化珪素種結晶からの距離）［ｍｍ］において、炭化珪素単結晶基板を切り出して取得した。
図２（ａ）は、予備加熱前の炭化珪素種結晶の表面の写真であり、図２（ｂ）は、予備加熱後の炭化珪素種結晶の表面の写真である。黒い部分は、写真の撮影に用いたカメラが写り込んだものである。２つの写真の比較から、予備加熱後の炭化珪素種結晶表面が、予備加熱前に比べて荒れており、斜めから見ると光の反射で灰色のような曇った色に見える。荒れの原因は、炭素を主成分とする炭化膜である。この炭化膜は、予備加熱工程において炭化珪素原料から発生したガスの一部が付着し、その後の冷却工程において固化したものであると考えられる。
（比較例１～３）
上記実施形態の製造方法において、本加熱工程のみを経た炭化珪素単結晶基板のインゴットを３つ作製し、各インゴットから１枚ずつ、炭化珪素単結晶基板を切り出して取得した。予備加熱工程および冷却工程を経ていない点以外の製造条件については、実施例１と同様とした。
上記実施形態の製造方法において、本加熱工程のみを経た炭化珪素単結晶基板のインゴットを３つ作製し、各インゴットから１枚ずつ、炭化珪素単結晶基板を切り出して取得した。予備加熱工程および冷却工程を経ていない点以外の製造条件については、実施例１と同様とした。
実施例１で得た炭化珪素単結晶基板に対し、表面の中心点、中心点を通ってＯＦ（オリフラ）と平行な直線上の１８点、中心点を通ってＯＦと垂直な直線上の１８点（合計３７点）で、各種欠陥（エッチングによる欠陥（ＥＰＤ）、基底面転位（ＢＰＤ）、貫通螺旋転位（ＴＳＤ））の密度［ｃｍ－２］を測定し、それらの平均値を算出した。算出結果を表１に示す。
いずれの取得位置においても、基底面転位による欠陥の発生数が、他の欠陥に比べて著しく少なく、５０［ｃｍ－２］以下に抑えられている。
比較例１～３で得た炭化珪素単結晶基板に対し、実施例１と同様に、基底面転位による欠陥密度を算出した。この算出結果を、実施例１での算出結果とともに図３のグラフに示す。このグラフにおいて、横軸はインゴット内における基板の取得位置（炭化珪素種結晶からの距離に相当）［ｍｍ］を示し、縦軸は算出した基底面転位による欠陥密度（基底面転位密度）［ｃｍ－２］を示している。三角形のプロットが実施例１に対応し、四角形のプロットが比較例１～３に対応している。
比較例１～３では、炭化珪素種結晶から約８［ｍｍ］離れた位置（左側のプロットに対応）で取得した場合に、基底面転位による欠陥密度が、８００～１１００［ｃｍ－２］程度の大きい値となっている。この欠陥密度は、炭化珪素種結晶から離れるほど小さくなる傾向にあり、約２５［ｍｍ］離れた位置（右側のプロットに対応）では１００～４００［ｃｍ－２］程度となっている。
これに対し、実施例１での欠陥密度は、位置による変動が小さく、いずれの位置で取得しても５０［ｃｍ－２］より小さい値となっている。これは、炭化珪素単結晶を成長させる前の段階で、２０００［℃］以上温度差の昇温と降温を行うことにより、台座との熱膨張率差による炭化珪素種結晶の歪みが緩和され、基底面転位の原因となる応力の影響が少なくなっているためであると考えられる。
また、昇温と降温の過程において、坩堝内の炭化珪素原料を主成分とする炭化膜が炭化珪素種結晶の表面に形成され、これが保護膜として機能し、基底面転位の発生につながる表面の劣化を抑えている効果も働いていると考えられる。
本発明は、昇華法によってＳｉＣ単結晶を成長させる際に活用することができ、ＳｉＣ単結晶を用いたデバイスの特性に影響を及ぼす基底面転位の発生を低減し、歩留りの向上に大きく貢献する手段を提供するものである。
１００・・・坩堝
１０１・・・台座
１０２・・・炭化珪素種結晶
１０３・・・炭化珪素原料
１０４・・・炭化膜
１０５・・・炭化珪素単結晶
１０１・・・台座
１０２・・・炭化珪素種結晶
１０３・・・炭化珪素原料
１０４・・・炭化膜
１０５・・・炭化珪素単結晶
Claims (4)
- 昇華法を用いた炭化珪素単結晶の製造方法であって、
坩堝内の一方の側に配置された黒鉛部材上に炭化珪素種結晶を貼り付け、他方の側に炭化珪素原料を配置した状態で、前記炭化珪素種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる前に、
前記炭化珪素種結晶を、２０００［℃］以上の温度になるように加熱する予備加熱工程と、
前記炭化珪素種結晶を、室温になるように冷却する冷却工程と、本加熱工程と、を順に有し、
前記予備加熱工程における昇温時間を除いた加熱時間は、３０［分］以上９０［分］以下であり、
前記本加熱工程では、前記炭化珪素種結晶と前記黒鉛部材とを、前記冷却工程を経た状態のままで継続して用いることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。 - 前記予備加熱工程、前記冷却工程において、前記坩堝内の圧力を１５０［Ｔｏｒｒ］以下とすることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
- 前記予備加熱工程における昇温速度を、５０［℃／分］以上１２００［℃／分］以下とすることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
- 前記冷却工程における降温速度を、５０［℃／分］以上４００［℃／分］以下とすることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
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