JP7447431B2 - 単結晶成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶成長方法に関する。

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。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。

ＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣ単結晶基板上に化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によってＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となるＳｉＣエピタキシャル膜を成長させることによって製造される。

ＳｉＣ単結晶基板は、ＳｉＣ単結晶を切り出して作製する。このＳｉＣ単結晶は、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単結晶へ成長させる方法である。

長尺のＳｉＣ単結晶は、多くのＳｉＣ単結晶基板を切り出すことができ、生産効率に優れる。そのため、ＳｉＣ単結晶の長尺化の要望が高まっている。例えば、特許文献１には、種結晶を引き上げながら結晶成長を行うことで、炭化珪素単結晶を長尺化させることが記載されている。また特許文献１には、台座の裏面にザグリを設けることで、長尺成長を行う際にも、結晶成長面近傍における等温面の形状を凸に保つことができ、単結晶の凸面成長を維持できることが記載されている。

特開２０１３－２２７１６７号公報

単結晶は、結晶成長面近傍における等温面の形状に沿って成長する。単結晶を長尺化する際に、単結晶の凸面成長を維持しようとすると、単結晶の種結晶側における等温面も凸になる。単結晶の種結晶側における等温面が凸になると、種結晶側に応力が集中し、基底面転位（ＢＰＤ）の原因となる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、長尺の単結晶成長を行っても欠陥が発生しにくい単結晶成長方法を提供することを目的とする。

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）第１の態様にかかる単結晶成長方法は、原料から昇華したガスを種結晶の表面で再結晶化させることで単結晶が成長する昇華法を用いた単結晶成長方法であって、前記単結晶が１０ｍｍ以上成長した結晶成長過程において、前記単結晶のテイルの径方向の温度差を、前記単結晶のヘッドの径方向の温度差より小さくし、前記テイルは、前記単結晶の前記種結晶と接する前記単結晶の底面であり、前記ヘッドは、前記単結晶の内部において、結晶成長面の前記底面に最も近い位置を通り前記底面と平行な面である。

（２）上記態様にかかる単結晶成長方法の前記結晶成長過程の単結晶内において、任意の２つの等温面のうち前記結晶成長面側の等温面を前記底面側の等温面より大きく湾曲させてもよい。

（３）上記態様にかかる単結晶成長方法において、前記テイルの径方向の温度差が１５度以下であってもよい。

（４）上記態様にかかる単結晶成長方法において、前記ヘッドの径方向の温度差が１５度以下であってもよい。

上記態様にかかる単結晶成長方法によれば、長尺の単結晶成長を行っても欠陥が発生しにくい。

本実施形態に係る単結晶成長方法の結晶成長過程の状態を説明するための断面図である。 本実施形態に係る単結晶成長方法の結晶成長過程における温度分布を示す模式図である。 本実施形態に係る単結晶成長方法を実現するための具体的な一例を説明するための模式図である。 実施例１にかかる単結晶成長装置の結晶成長過程の温度分布をシミュレーションで求めた結果。

以下、本実施形態にかかる単結晶成長方法について、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。

（単結晶成長方法）
本実施形態に係る単結晶成長方法は、昇華法を用いた単結晶成長方法である。昇華法は、原料から昇華したガスを種結晶の表面で再結晶化することで単結晶を成長させる方法である。例えば、内部に結晶成長空間を有する坩堝の底部に原料を充填し、蓋に種結晶を設置し、坩堝を加熱する。加熱された原料は、種結晶に向って昇華し、種結晶表面で再結晶化する。再結晶化により種結晶表面に単結晶が成長する。

図１は、本実施形態に係る単結晶成長方法の結晶成長過程の状態を説明するための断面図である。図１は、種結晶１上に単結晶２が成長した状態を示す。以下、種結晶１の設置面と平行な一方向をｘ方向、種結晶１の設置面と平行でｘ方向と直交する方向をｙ方向、ｘｙ方向と直交する方向をｚ方向と称する。また種結晶１をｚ方向から平面視した際の中心から広がる方向を径方向と称する。図１には、種結晶１の中心を通り、ｚ方向に延びる中心軸ｃを示す。

種結晶１は、例えば、原料と対向する位置に設置される。種結晶１はＳｉＣである。単結晶２は、種結晶１の原料と対向する面に成長する。

単結晶２はＳｉＣである。単結晶２の種結晶１との界面を底面２ａ、底面２ａと反対側の面を結晶成長面２ｂ、底面２ａと結晶成長面２ｂとを繋ぐ面を側面２ｓと称する。結晶成長面２ｂは、原料から昇華した昇華ガスが再結晶化する面である。底面２ａ及び結晶成長面２ｂと側面２ｓとの境界は、単結晶２に接する接面のｚ方向に対する傾きの変化量が極大となる部分である。

単結晶２は、種結晶１から－ｚ方向に成長する。単結晶２の成長初期の部分はテイル、成長後期の部分はヘッドと呼ばれる場合がある。以下、本明細書において、単結晶２の底面２ａをテイル２ｔと称する。また単結晶２の内部にあり、結晶成長面２ｂの最も＋ｚ方向の位置を通りｘｙ平面と平行な面をヘッド２ｈと称する。図１に示すように、単結晶２が－ｚ方向に凸に成長する場合、結晶成長面２ｂと側面２ｓとの境界を通りｘｙ平面と平行な面がヘッド２ｈとなる。

本実施形態に係る単結晶成長方法は、単結晶が１０ｍｍ以上成長した結晶成長過程において、テイル２ｔの径方向の温度差を、ヘッド２ｈの径方向の温度差より小さくする。

単結晶２の成長量は、中心軸ｃにおける結晶成長面２ｂと底面２ａとの距離である。テイル２ｔの径方向の温度差は、テイル２ｔの中心ｔｃにおける温度Ｔ_ｔｃとテイル２ｔの端部ｔｅにおける温度Ｔ_ｔｅとの温度差である。テイル２ｔの中心ｔｃは、中心軸ｃとテイル２ｔとの交点である。テイル２ｔの端部ｔｅは、底面２ａと側面２ｓとの境界である。ヘッド２ｈの径方向の温度差は、ヘッド２ｈの中心ｈｃにおける温度Ｔ_ｈｃとヘッド２ｈの端部ｈｅにおける温度Ｔ_ｈｅとの温度差である。ヘッド２ｈの中心ｈｃは、中心軸ｃとヘッド２ｈとの交点である。ヘッド２ｈの端部ｈｅは、ヘッド２ｈと側面２ｓとの境界である。

結晶成長過程において、テイル２ｔの径方向の温度差は、好ましくは１５度以下であり、より好ましくは８度以下である。また結晶成長過程において、ヘッド２ｈの径方向の温度差は、好ましくは１５度以下であり、より好ましくは８度以下である。

またテイル２ｔの径方向の温度差（Ｔ_ｔｃ－Ｔ_ｔｅ）の絶対値は、好ましくはヘッド２ｈの径方向の温度差（Ｔ_ｈｃ－Ｔ_ｈｅ）の絶対値の４分の３以下であり、より好ましくは２分の１以下である。

また図２は、本実施形態に係る単結晶成長方法の結晶成長過程における温度分布を示す模式図である。図２は、結晶成長過程における等温面Ｉｓ_１、…Ｉｓ_ｍ－１、Ｉｓ_ｍ、…Ｉｓ_ｎ（ｍ及びｎは自然数）を示す。隣接する等温面Ｉｓ_１、…Ｉｓ_ｍ－１、Ｉｓ_ｍ、…Ｉｓ_ｎの温度間隔は任意である。等温面Ｉｓ_ｍは、等温面Ｉｓ_ｍ－１より結晶成長面２ｂの近くにあり、等温面Ｉｓ_ｍ－１より高温である。

図２に示すように、結晶成長過程において、結晶成長面２ｂ側の等温面を底面２ａ側の等温面より大きく湾曲させてもよい。すなわち、等温面Ｉｓ_ｍの湾曲量を等温面Ｉｓ_ｍ－１の湾曲量より大きくしてもよい。等温面の湾曲量は、等温面と中心軸ｃとが交差する位置と等温面と側面２ｓとが交差する位置とのｚ方向の距離で表される。

次いで、単結晶が１０ｍｍ以上成長した結晶成長過程において、テイル２ｔの径方向の温度差を、ヘッド２ｈの径方向の温度差より小さくする方法について説明する。テイル２ｔの径方向の温度差をヘッド２ｈの径方向の温度差より小さくするためには、例えば、以下の３つの条件を満たすようにする。

第１条件は、結晶成長面２ｂの径方向に温度差を与えることである。例えば、結晶成長面２ｂへの輻射量を径方向に変えると、結晶成長面２ｂの径方向に温度差が生じる。また結晶成長面２ｂの近傍から逃げる熱量を径方向に変えても、結晶成長面２ｂの径方向に温度差が生じる。結晶成長面２ｂの近傍において径方向の温度差が生じると、ヘッド２ｈの径方向に温度差が生じる。例えば、結晶成長面２ｂの中心軸ｃ近傍の輻射量を端部近傍の輻射量より多くすると、等温面が－ｚ方向に凸となる。結晶成長面２ｂ近傍の等温面が－ｚ方向に凸になると、単結晶２も－ｚ方向に凸に成長する。

第２条件は、単結晶２の径方向の熱の移動を小さくすることである。例えば、単結晶２の径方向の熱の移動を、単結晶２の底面２ａ側における熱の移動より小さくする。単結晶２の径方向の熱の移動を抑制することで、熱は径方向に広がらずに、単結晶２の底面２ａ側に伝わる。

第３条件は、単結晶２の底面２ａから逃げる熱を径方向に均熱化することである。底面２ａから逃げる熱を径方向に均熱化すると、底面２ａ（テイル２ｔ）近傍の等温面がフラットになる。

上記のように、単結晶２の結晶成長面２ｂの近傍で径方向に温度差を与え（すなわち、第１条件を満たし）、熱の伝わる方向を制御し（すなわち、第２条件を満たし）、底面２ａの近傍の径方向の温度差を小さくする（すなわち、第３条件を満たす）と、テイル２ｔの径方向の温度差がヘッド２ｈの径方向の温度差より小さくなる。

図３は、本実施形態に係る単結晶成長方法の具体的な一例を説明するための模式図である。図３に示す結晶成長装置１００は、坩堝１０とヒータ２０とコイル３０とを備える。図３では、原料Ｇ、種結晶１、種結晶１上に結晶成長した単結晶２を同時に図示している。

坩堝１０は、内部に単結晶２を結晶成長させる結晶成長空間Ｋを有する柱状体である。坩堝１０は、例えば、円柱状である。坩堝１０は、ｚ方向に分離可能であり、原料Ｇ及び種結晶１を内部に設置できる。坩堝１０は、単結晶２を成長する際の高温に耐えることができる材料からなる。坩堝１０は、例えば、黒鉛である。坩堝１０の底部に原料Ｇを充填し、坩堝１０の上部の結晶設置部１１に種結晶１が設置される。原料Ｇから昇華した原料ガスが、種結晶１の表面で再結晶化し、単結晶２が結晶成長する。

ヒータ２０は、坩堝１０の外側に設置される。ヒータ２０は、例えば、坩堝１０の周囲を囲む。ヒータ２０の外側にはコイル３０が設置される。ヒータ２０は、例えば、ｚ方向に延びる円筒状である。ヒータ２０のｚ方向の長さは、例えば、坩堝１０のｚ方向の長さより大きい。ヒータ２０は、ｚ方向に移動できる。

ヒータ２０は、コイル３０が生じる磁界を受け、誘導加熱される。発熱したヒータ２０からの輻射は、坩堝１０を加熱する。坩堝１０は、ヒータ２０を介して間接加熱される。ヒータ２０は、例えば、黒鉛、ＴａＣ、ＴａＣ被覆された黒鉛等からなる。

ヒータ２０の内面２０Ａは、坩堝１０の外側面１０Ｓに面する。図３に示すヒータ２０の内面２０Ａは、第１領域２０Ａ１と第２領域２０Ａ２とに区分される。第１領域２０Ａ１は、坩堝１０の外側面１０Ｓに近接する。第２領域２０Ａ２は、坩堝１０の外側面１０Ｓから一定の距離だけ離れている。ヒータ２０は、第１領域２０Ａ１と第２領域２０Ａ２との間に段差Ｓｐを有する。

第２領域２０Ａ２は、第１領域２０Ａ１より坩堝１０の外側面１０Ｓから離れている。第２領域２０Ａ２と坩堝１０の外側面１０Ｓとの距離は、第１領域２０Ａ１と坩堝１０の外側面１０Ｓとの距離の２倍以上が好ましく、４倍以上がより好ましい。第１領域２０Ａ１と坩堝１０の外側面１０Ｓとの距離は、例えば、０．１ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることがより好ましい。また第２領域２０Ａ２と坩堝１０の外側面１０Ｓとの距離は、例えば、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であり、２０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下とすることが好ましく、３０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすることがより好ましい。

第１領域２０Ａ１と第２領域２０Ａ２とは、ｚ方向の異なる位置に形成される。第１領域２０Ａ１は、例えば、坩堝１０の上方を囲む。第１領域２０Ａ１は、例えば、結晶成長する単結晶２の周囲を囲む。第２領域２０Ａ２は、例えば、坩堝１０の下方を囲む。第２領域２０Ａ２は、例えば、坩堝１０の原料Ｇが充填される原料設置領域の周囲を囲む。第２領域２０Ａ２は、例えば、ヒータ２０のｚ方向の高さ中心より原料設置領域側に形成される。

コイル３０は、ヒータ２０の外側に設置される。コイル３０は、坩堝１０及びヒータ２０の周囲を巻回している。コイル３０に電流を流すと、コイル３０の内側に磁界が発生する。発生した磁界は、ヒータ２０内に誘導電流を生み出す。ヒータ２０は誘導電流により発熱し、誘導加熱される。コイル３０は、例えば、シングルコイルであり、連続する一つの配線からなる。

上記の結晶成長装置１００を用いて、以下のような条件で結晶成長を行うと、テイル２ｔの径方向の温度差がヘッド２ｈの径方向の温度差より小さくなる。

まず種結晶１の径方向の大きさを、例えば、坩堝１０の内側上面の大きさと略同一とする。略同一とは、大きさの差が１０％以内であることを示す。種結晶１が坩堝１０の内側上面の全面に亘って存在することで、単結晶２からのｚ方向への熱の逃げが径方向に略一定となり、第３条件が満たされる。

次に、第１領域２０Ａ１の－ｚ方向の下端を、単結晶２の結晶成長面２ｂの端部より＋ｚ方向の位置に設定する。第１領域２０Ａ１の－ｚ方向の下端の位置は、ヒータ２０をｚ方向に上下することで、成長過程においても自由に変えることができる。

第１領域２０Ａ１が単結晶２の周囲を囲むことで、単結晶２からの径方向への熱輻射が抑制される。ＳｉＣ単結晶が成長する高温域では、熱は熱伝導よりも熱輻射により伝わる。そのため、径方向への熱輻射が抑制されると、単結晶２の径方向の熱の移動が小さくなり、第２条件が満たされる。

また第１領域２０Ａ１の－ｚ方向の下端を単結晶２の結晶成長面２ｂの端部より＋ｚ方向の位置にすると、第１条件が満たされる。坩堝１０におけるヒータ２０の段差Ｓｐより下部の領域は、熱輻射により外側から内側に向かう熱の移動が生じるため、高温となる。そして、高温となった坩堝１０の内壁からの輻射によって結晶成長面２ｂは外周ほど高温となるため、第１条件が満たされる。

すなわち、上記の結晶成長装置１００を用いることで、テイル２ｔの径方向の温度差がヘッド２ｈの径方向の温度差より小さくできる。また、第１領域２０Ａ１の－ｚ方向の下端の位置を制御することで、等温面の湾曲量及び径方向の温度差を自由に設計できる。また種結晶１と原料Ｇとの間に遮蔽板を設け、単結晶２が受ける輻射量を径方向に変えてもよい。

本実施形態に係る単結晶成長方法によれば、単結晶２の種結晶１側における等温面をフラットにすることができる。単結晶２の種結晶１側における等温面がフラットになると、種結晶１側に応力が集中することを抑制し、基底面転位（ＢＰＤ）の発生を抑制できる。

（実施例１）
図４は、実施例１にかかる単結晶成長装置の結晶成長過程の温度分布をシミュレーションで求めた結果である。シミュレーションにはSTR社製のVirtual Reactorを用いた。当該シミュレーションは、炉内の温度分布のシミュレーションに広く用いられているものであり、実際の実験結果と高い相関を有することが確認されている。シミュレーションは、二次元軸対象のモデルで計算した。

図４に示すように、坩堝１０の内側上面にＳｉＣの単結晶２を配置し、その周囲にヒータ２０の第１領域２０Ａ１を配置した。坩堝１０の上面の厚みは一定とした。第１領域２０Ａ１の－ｚ方向の下端は、単結晶２の結晶成長面２ｂの端部より６ｍｍだけ＋ｚ方向の位置に設定した。

図４に示すように、単結晶２の結晶成長面２ｂの近傍の等温面の湾曲量は、単結晶２の底面２ａの近傍の等温面の湾曲量より大きかった。したがって、単結晶のテイルの径方向の温度差は、ヘッドの径方向の温度差より小さくなった。

単結晶２を３０ｍｍ成長させた時点におけるテイルの径方向の温度差は２．１３℃であり、ヘッドの径方向の温度差は３．１６℃であった。また単結晶２を６０ｍｍ成長させた時点におけるテイルの径方向の温度差は－０．１４℃であり、ヘッドの径方向の温度差は３．２５℃であった。

１ 種結晶、２ 単結晶、２ａ 底面、２ｂ 結晶成長面、２ｈ ヘッド、２ｓ 側面、２ｔ テイル、１０ 坩堝、１０Ｓ 外側面、１１ 結晶設置部、２０ ヒータ、２０Ａ 内面、２０Ａ１ 第１領域、２０Ａ２ 第２領域、３０ コイル、１００ 結晶成長装置、Ｇ 原料、Ｋ 結晶成長空間、Ｓｐ 段差、ｈｃ、ｔｃ 中心、ｈｅ、ｔｅ 端部、Ｉｓ_１、…Ｉｓ_ｍ－１、Ｉｓ_ｍ、…Ｉｓ_ｎ 等温面

Claims (4)

1. ヒータを用いて坩堝内の原料から昇華したガスを種結晶の表面で再結晶化させることで単結晶が成長する昇華法を用いた単結晶成長方法であって、
   前記単結晶が１０ｍｍ以上成長した結晶成長過程において、
   前記単結晶のテイルの径方向の温度差を、前記単結晶のヘッドの径方向の温度差より小さくし、
   前記テイルは、前記単結晶の前記種結晶と接する前記単結晶の底面であり、
   前記ヘッドは、前記単結晶の内部において、結晶成長面の前記底面に最も近い位置を通り前記底面と平行な面であり、
   前記ヒータは、前記坩堝の上方を囲む第１領域と、前記第１領域との間に段差が形成され、前記坩堝の原料設置領域の周囲を囲む第２領域と、を有し、
   前記第２領域と前記坩堝の外側面との距離は、前記第１領域と前記外側面との距離よりも大きく、
   前記第１領域の下端を、前記ヘッドよりも上方に設定する、単結晶成長方法。
2. 前記結晶成長過程の単結晶内において、任意の２つの等温面のうち前記結晶成長面側の等温面を前記底面側の等温面より大きく湾曲させる、請求項１に記載の単結晶成長方法。
3. 前記テイルの径方向の温度差が１５度以下である、請求項１又は２に記載の単結晶成長方法。
4. 前記ヘッドの径方向の温度差が１５度以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の単結晶成長方法。

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