JP7400451B2

JP7400451B2 - ＳｉＣ単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP7400451B2
Application number: JP2019234079A
Authority: JP
Inventors: 幸雄永畑
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: JP2021102533A

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倍大きく、熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。炭化珪素はこれらの特性を有することから、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。このため、近年、上記のような半導体デバイスにＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられるようになっている。

半導体等のデバイスには、ＳｉＣウェハ上にエピタキシャル膜を形成したＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられる。ＳｉＣウェハ上に化学的気相成長法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によって設けられたエピタキシャル膜が、ＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となる。こうしたＳｉＣウェハは、ＳｉＣ単結晶インゴット（以下、ＳｉＣインゴットという）を加工して得られる。

ＳｉＣインゴットは、昇華再結晶法（以下、昇華法という）等の方法で作製できる。昇華法は、例えば、原料を収容する内底部と、この内底部に対向する結晶設置部とを備える円筒形の坩堝を用い、内底部にＳｉＣ原料を収容して加熱し、ＳｉＣ原料から昇華した原料ガスを、結晶設置部に配した種結晶上で温度差によって再結晶化させることにより、大きなＳｉＣインゴットを得る方法である（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０－２７５１６６号公報

昇華法によってＳｉＣインゴットを製造する際に、坩堝の内底部に収容する原料の重量は、製造するＳｉＣインゴットの目標重量よりも十分に多くなるようにしている。これは、ＳｉＣ原料が昇華する際に、ＳｉとＣとが等モル比で昇華せず、主にＣが固体として内底部に残留するためである。

ＳｉＣインゴットは、成長中および成長終了直後においては、内底部に対向する側である結晶成長面（再結晶面：例えばＣ面）から、種結晶に臨む面（例えばＳｉ面）に向かって温度が低くなるように温度勾配が生じている。これは、Ｃ面側が熱源に近く、かつ、坩堝の内底部に残っているＳｉＣ原料の輻射熱を直接受けるためである。

こうしたＳｉＣインゴットのＣ面とＳｉ面との温度差は、ＳｉＣインゴットの冷却過程で内部に歪（内部応力）を生じさせるが、製造するＳｉＣインゴットの直径が小さい場合（例えば、直径１００ｍｍ以下）には、こうした内部応力の影響は少ない。

しかしながら、近年、製造するＳｉＣインゴットの大口径化（例えば、直径１５０ｍｍ以上）に伴って、ＳｉＣインゴットの内部応力による影響が大きくなり、ＳｉＣインゴットの割れや、スライスしたＳｉＣウェハの反りが生じやすくなるという課題があった。このため、ＳｉＣインゴットの成長後に坩堝の内底部に残っているＳｉＣ原料を極力低減し、残留ＳｉＣ原料から生じる輻射熱を少なくすることが望まれている。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、ＳｉＣインゴットの成長後に坩堝の内底部に残っているＳｉＣ原料から生じる輻射熱を少なくして、ＳｉＣインゴットの冷却過程で生じる内部応力を低減することが可能なＳｉＣ単結晶の製造方法を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法は、原料を収容する内底部と、前記内底部に対向する結晶設置部と、を備える坩堝を用いたＳｉＣ単結晶の製造方法であって、前記内底部に原料を収容する収容工程と、前記収容工程の後に、加熱により前記原料を昇華させ、前記結晶設置部に配された種結晶にＳｉＣ単結晶を成長させる結晶成長工程と、を有し、前記結晶成長工程の完了後において、成長後のＳｉＣ単結晶の結晶成長面と前記内底部に残留した残原料の上面との間隔が、５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲になるように、前記結晶成長工程を行い、前記収容工程では、成長させるＳｉＣ単結晶の目標重量に対して、１．３倍以上、２．３倍以下の重量の前記原料を、充填密度が１．６ｇ／ｃｍ^３以上、２．６ｇ／ｃｍ^３以下の範囲となるように前記内底部に収容することを特徴とする。

また、本発明では、成長後のＳｉＣ単結晶の直径は１５０ｍｍ以上であり、かつ長さは１５ｍｍ以上であってもよい。

本発明によれば、ＳｉＣインゴットの成長後に坩堝の内底部に残っているＳｉＣ原料から生じる輻射熱を少なくして、ＳｉＣインゴットの冷却過程で生じる内部応力を低減することが可能なＳｉＣ単結晶の製造方法を実現できる。

本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶の製造方法の一例を示す模式図である。本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶の製造方法の一例を示す模式図である。ＷａｒｐによるＳｉＣウェハの形状の評価方法を示した模式図である。ＢｏｗによるＳｉＣウェハの形状の評価方法を示した模式図である。本発明の検証結果を示すグラフである。

以下、本実施形態について、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。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、図２は、本発明の一実施形態に係るＳｉＣ単結晶の製造方法の一例を示す模式図である。
本実施形態のＳｉＣ単結晶の製造方法に用いられる坩堝１０は、例えば、全体が黒鉛等の炭素材料によって形成された略円筒形で中空の容器である。この坩堝１０は、内底部１１と、内底部１１に対向する結晶設置部１２と、を備え、内底部１１と結晶設置部１２とは、互いの開口面どうしで嵌合可能な構成とされている。

内底部１１は、ＳｉＣインゴット（ＳｉＣ単結晶）２０の製造時に上下方向の下側に配され、内部にＳｉＣ原料Ｍが収容される。結晶設置部１２は上下方向の上側に配され、結晶設置部１２の内側天面には種結晶２１が設置される。

本実施形態のＳｉＣ単結晶の製造方法は、例えば上述した坩堝１０をコイル（坩堝加熱手段）２３等を有する単結晶成長装置２４に設置して行う。ＳｉＣ単結晶の製造方法は、坩堝１０の内底部１１にＳｉＣ原料Ｍを収容する収容工程と、この収容工程の後に、コイル２３によって坩堝１０のＳｉＣ原料Ｍを加熱して昇華させ、生じた原料ガスを結晶設置部１２に配された種結晶２１に再結晶させてＳｉＣインゴット２０を成長させる結晶成長工程とを有している。

図１に示す収容工程では、ＳｉＣ原料Ｍとして、例えば、ＳｉＣ粉末を用いる。ＳｉＣ原料Ｍとして用いるＳｉＣ粉末は、例えば、平均粒径が０．０５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下のものを用いることが好ましい。また、内底部１１に収容するＳｉＣ原料Ｍの表面は、結晶設置部１２に対する対称性を高めるために、平坦に均すことが好ましい。

こうした収容工程において、坩堝１０の内底部１１に収容するＳｉＣ原料Ｍの重量は、成長させるＳｉＣインゴット２０の目標重量に対して、１．３倍以上、２．３倍以下の重量範囲になるようにする。

ＳｉＣインゴット２０の目標重量に対してＳｉＣ原料Ｍの重量が１．３倍未満であると、原料不足によって所望の結晶長のＳｉＣインゴット２０が得られない虞がある。また、ＳｉＣインゴット２０の成長途中で原料が枯渇して、結晶成長面であるＣ面２０Ａの表面が炭化する虞がある。更に、結晶成長後の残原料が少なすぎることにより、残原料からの輻射熱が少なくなり、ＳｉＣインゴット２０から加工したウェハは、Ｓｉ面２０Ｂが中心に向かって凹む凹形状になり、反りが大きくなりすぎる虞がある。

一方、ＳｉＣインゴット２０の目標重量に対してＳｉＣ原料Ｍの重量が２．３倍を超えると、昇華せずにＳｉＣの状態のままの残原料の重量が多くなりすぎる。その結果、成長したＳｉＣインゴット２０は、冷却過程で生じる内部応力が大きくなり、ＳｉＣインゴット２０が割れたり、ＳｉＣインゴット２０から加工したウェハのＣ面２０Ａ側が凹形状になる反りが大きくなったりするなどの不具合が生じる虞がある。

また、この収容工程においては、坩堝１０の内底部１１に収容するＳｉＣ原料Ｍの充填密度が１．６ｇ／ｃｍ^３以上、２．６ｇ／ｃｍ^３以下の範囲となるように内底部１１に収容する。

ＳｉＣ原料Ｍの充填密度が１．６ｇ／ｃｍ^３未満である場合、上述した重量範囲までＳｉＣ原料Ｍを充填しようとすると、容積が過大になるため、大型のルツボが必要となり、またこれを加熱するための単結晶成長装置が大型化し、製造コストが高くなる懸念がある。

また、充填密度が１．６ｇ／ｃｍ^３未満であると、原料粒子間の空隙が大きくなり、昇華ガスが通過しやすくなり、昇華ガスが多量に発生する。そのため、結晶成長面における昇華ガスの過飽和度が高くなり、多結晶化や結晶欠陥の発生の原因になる懸念がある。更に、ＳｉＣ原料Ｍによる保温性が低くなりすぎるため、ＳｉＣインゴット２０のＳｉ面２０Ｂが中心に向かって凹む凹形状になり、反りが大きくなりすぎる虞がある。

一方、充填密度が２．６ｇ／ｃｍ^３を超える場合、高密度充填によって昇華ガスが発生しずらくなるため、所望の結晶長が得られにくくなったり、結晶成長面であるＣ面２０Ａの表面が炭化する虞がある。また、高密度充填によって保温性が高くなることで、成長中のＳｉＣインゴット２０のＣ面２０Ａ側とＳｉ面２０Ｂ側とで温度差が増大し、ＳｉＣインゴット２０の内部応力が大きくなり、Ｃ面２０Ａが中心に向かって凹む凹形状になり、反りが大きくなりすぎる虞がある。

坩堝１０の結晶設置部１２に配する種結晶２１は、例えば、直径が１５０ｍｍ以上の円板状のＳｉＣ板を用いる。こうした種結晶２１を用いることにより、成長させるＳｉＣインゴット２０の直径を１５０ｍｍ以上の大口径にすることができる。

以上の様な条件で収容工程を行った後、次に、結晶成長工程を行う。
図２に示す結晶成長工程では、ＳｉＣ原料Ｍを収容した坩堝１０を単結晶成長装置２４に設置し、コイル２３に高周波電流を流し坩堝１０を発熱させる。坩堝１０からの加熱によりＳｉＣ原料Ｍが所定の温度に達すると、ＳｉＣ原料Ｍは昇華し、種結晶２１の表面で再結晶化し、種結晶２１にＳｉＣ単結晶が成長する。ＳｉＣ単結晶が成長することによって得られるＳｉＣインゴット２０は、例えば、成長長さが１５ｍｍ以上になるようにする。

結晶成長工程では、成長後のＳｉＣインゴット２０のＣ面２０Ａと、坩堝１０の内底部１１に残留したＳｉＣ原料Ｍの残原料の上面との間隔ｄが、５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲になるようにする。なお、間隔ｄは、ＳｉＣ原料Ｍの残原料の表面が平坦でない場合、ＳｉＣ原料Ｍの残原料の表面の平均位置と、ＳｉＣインゴット２０のＣ面２０Ａの中心との間隔であればよい。

間隔ｄが１００ｍｍより大きい場合、坩堝１０として大きなサイズのものを用いる必要があり、加熱の効率が低下し、使用電力量が増大するという不具合が生じる。
一方、間隔ｄが５０ｍｍ未満の場合、ＳｉＣインゴット２０のＣ面２０ＡとＳｉＣ原料Ｍの残原料の表面との距離が近いことで、残原料による保温性の影響を受けやすくなり、ＳｉＣインゴット２０のＣ面２０Ａが中心に向かって凹む凹形状になって、反りが大きくなりすぎる虞がある。

こうして得られた直径が１５０ｍｍ以上、成長長さが１５ｍｍ以上の大口径で長尺のＳｉＣインゴット２０からは、スライスによって多数枚の大口径ＳｉＣウェハを切り出すことができ、１つのＳｉＣインゴット２０から大口径ＳｉＣウェハを効率的に製造することができる。

以上のように、本実施形態のＳｉＣ単結晶の製造方法によれば、収容工程において、坩堝１０の内底部１１に収容するＳｉＣ原料Ｍの重量を、成長させるＳｉＣインゴット２０の目標重量に対して、１．３倍以上、２．３倍以下の重量範囲にして、かつ、収容するＳｉＣ原料Ｍの充填密度を１．６ｇ／ｃｍ^３以上、２．６ｇ／ｃｍ^３以下の範囲にすることによって、ＳｉＣインゴット２０の成長途中で原料が枯渇してＣ面２０Ａの表面が炭化することがなく、また、成長したＳｉＣインゴット２０は、冷却中に内部応力が大きくなりすぎることがなく、ＳｉＣインゴット２０が割れたり、ウェハの反りが大きくなったりするなどの不具合が生じることを防止できる。

また、大型のルツボを用いる必要がないので、製造コストが高くなる懸念がなく、更に、昇華ガスが多量に発生することがないので、成長したＳｉＣインゴット２０の多結晶化や結晶欠陥の発生を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、こうした実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。こうした実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

本発明の効果を検証した。
（検証例１）
ＳｉＣインゴットの結晶重量に対して、１．３倍以上、２．３倍以下の範囲内の重量のＳｉＣ原料によってＳｉＣインゴットを成長させた本発明例１～３と、ＳｉＣインゴットの結晶重量に対して、２．３倍を超える重量のＳｉＣ原料によってＳｉＣインゴットを成長させた比較例１～３について、それぞれのＳｉＣインゴットからウェハを切り出した。そして、切り出したウェハの両面を化学機械研磨（ＣＭＰ）仕上げして、厚さ３５０μｍのＳｉＣウェハを得た。その後、それぞれのＳｉＣウェハの反りを示す指標であるＷａｒｐを測定した。

図３に示すように、Ｗａｒｐは、ＳｉＣウェハ３０の第１面３０ａの最高点ｈｐと最低点ｌｐとの厚み方向の距離である。Ｗａｒｐが大きいほど、ＳｉＣウェハ３０は反りが大きい、即ち内部応力が大きいＳｉＣインゴットから製造されたウェハであると判断される。

Ｗａｒｐの測定は、まずＳｉＣウェハ３０を平坦面Ｆに設置された３点の支持点上に設置する。第１面３０ａにおける最低点ｌｐを通り平坦面Ｆと平行な仮想面Ｓｌｐと、第１面３０ａにおける最高点ｈｐを通り平坦面Ｆと平行な仮想面Ｓｈｐを求める。Ｗａｒｐは、仮想面Ｓｌｐと仮想面Ｓｈｐとのｚ方向の距離として求められる。ｚ方向は、平坦面Ｆと直交し、平坦面Ｆから離れる方向である。

このような出順で測定された本発明例１～３と、比較例１～３の検証結果（Ｗａｒｐ）を表１に示す。

表１に示す結果によれば、ＳｉＣインゴットの結晶重量に対して、１．３倍以上、２．３倍以下の範囲内の重量のＳｉＣ原料によってＳｉＣインゴットを成長させた本発明例１～３では、Ｗａｒｐで表わされるＳｉＣウェハ３０の反りが５０μｍ以下であり、優れた平坦性を示し、成長させたＳｉＣインゴットの内部応力が小さいことが確認できた。

一方、ＳｉＣインゴットの結晶重量に対して２．３倍を超える重量のＳｉＣ原料によってＳｉＣインゴットを成長させた比較例１～３では、Ｗａｒｐで表わされるＳｉＣウェハ３０の反りが７０μｍ以上であり、ウェハの平坦性が低く、成長させたＳｉＣインゴットの内部応力が大きいと考えられる。

（検証例２）
ＳｉＣ原料の坩堝への充填密度を１．４ｇ／ｃｍ^３（比較例）、２．１ｇ／ｃｍ^３（本発明例）、２．８ｇ／ｃｍ^３（比較例）に設定し、それぞれの充填密度で、ＳｉＣインゴットの結晶重量に対するＳｉＣ原料の重量の倍率を段階的に変えてＳｉＣインゴットを成長させ、得られたそれぞれのＳｉＣインゴットからウェハを切り出した。そして、切り出したウェハの両面を化学機械研磨（ＣＭＰ）仕上げして、厚さ３５０μｍのＳｉＣウェハを得た。その後、それぞれのＳｉＣウェハの反りを示す指標であるＢｏｗを測定した。

図４に示すように、Ｂｏｗは、基準面Ｓｒに対するＳｉＣウェハ３０の中心ｃのｚ方向の位置である。Ｂｏｗの絶対値が大きいほど、ＳｉＣウェハ３０は反りが大きい、即ち内部応力が大きいＳｉＣインゴットから製造されたウェハであると判断される。

Ｂｏｗの測定は、まずＳｉＣウェハ３０を平坦面Ｆに設置された３点の支持点上に設置する。支持点における第１面３０ａを繋ぎ、平坦面Ｆと平行な基準面Ｓｒを求める。そして、基準面Ｓｒを０とし、基準面Ｓｒを基準に平坦面Ｆから離れる方向を＋、基準面Ｓｒを基準に平坦面Ｆに近づく方向を－と規定する。Ｂｏｗは、第１面３０ａの中心ｃの基準面Ｓｒに対するｚ方向の位置として求められる。

このような手順で測定されたＢｏｗと、ＳｉＣ原料の充填密度と、結晶重量に対するＳｉＣ原料の重量倍率との３者の関係を、図５にグラフで示す。
図３のグラフによれば、ＳｉＣ原料の充填密度が２．１ｇ／ｃｍ^３（本発明例）である場合、全体的にＢｏｗで表わされる反りの絶対値が小さくなり、ＳｉＣインゴットの結晶重量に対するＳｉＣ原料の重量の倍率が１．３倍～２．３倍の範囲であれば、Ｂｏｗは５０～－５０の範囲内に収まっており、ＳｉＣウェハ３０が切り出されたＳｉＣインゴットの内部応力が小さいと考えられる。

一方、ＳｉＣ原料の充填密度が２．８ｇ／ｃｍ^３（比較例）と高い場合、全体的にＢｏｗで表わされる反りの値が＋方向に大きくなり、ＳｉＣインゴットの結晶重量に対するＳｉＣ原料の重量の倍率が１．３倍～２．３倍の範囲であっても、Ｂｏｗが５０μｍ以上といった内部応力が大きいＳｉＣインゴットが存在する。また、ＳｉＣ原料の充填密度が１．４ｇ／ｃｍ^３（比較例）と低い場合であっても、全体的にＢｏｗで表わされる反りの値が－方向に大きくなり、ＳｉＣインゴットの結晶重量に対するＳｉＣ原料の重量の倍率が１．３倍～２．３倍の範囲であっても、Ｂｏｗが－５０μｍ以下といった内部応力が大きいＳｉＣインゴットが存在する。

１０…坩堝
１１…内底部
１２…結晶設置部
２０…ＳｉＣインゴット（ＳｉＣ単結晶）
２１…種結晶
２３…コイル（坩堝加熱手段）
２４…単結晶成長装置
Ｍ…ＳｉＣ原料

Claims

原料を収容する内底部と、前記内底部に対向する結晶設置部と、を備える坩堝を用いたＳｉＣ単結晶の製造方法であって、
前記内底部に原料を収容する収容工程と、
前記収容工程の後に、加熱により前記原料を昇華させ、前記結晶設置部に配された種結晶にＳｉＣ単結晶を成長させる結晶成長工程と、を有し、
前記結晶成長工程の完了後において、成長後のＳｉＣ単結晶の結晶成長面と前記内底部に残留した残原料の上面との間隔が、５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲になるように、前記結晶成長工程を行い、
前記収容工程では、成長させるＳｉＣ単結晶の目標重量に対して、１．３倍以上、２．３倍以下の重量の前記原料を、充填密度が１．６ｇ／ｃｍ^３以上、２．６ｇ／ｃｍ^３以下の範囲となるように前記内底部に収容することを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。
成長後のＳｉＣ単結晶の直径は１５０ｍｍ以上であり、かつ長さは１５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法。