JP7841341B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素単結晶の製造方法に関する。

特許文献１は、炭化珪素単結晶を育成するための種結晶において、単結晶成長表面上に溝を設けることで、単結晶成長中のマイクロパイプ欠陥や積層欠陥の発生を防止する技術を開示する。特許文献１に記載された技術において、形成する溝の幅は、２～１０ｍｍが好ましいとされている。また、溝の幅／深さで表わされる溝のアスペクト比は、０．１～１．５であることが好ましいとされている。さらに、種結晶の結晶成長面における溝の面積と溝以外の部分の面積との比で表わされる溝の表面占有比（すなわち溝の面積／溝以外の部分の面積）が、０．２～１０であることが好ましいとされている。種結晶の溝部以外の部分に存在するマイクロパイプ欠陥は、単結晶の成長とともに単結晶中に存在することになるが、種結晶における溝部と溝部以外との面積比に応じて、マイクロパイプ欠陥の存在割合は著しく減少する。

特開２００２－１２１０９９号公報

特許文献１に記載された技術においては、種結晶に対する溝加工が製造コストの大きな上昇をもたらす懸念がある。また、種結晶に形成する溝はミリ単位の巨視的なものであるため、種結晶における溝部と溝部以外との面積比に応じてマイクロパイプ欠陥の存在割合は著しく減少するものの、溝部以外の部分に存在するマイクロパイプ欠陥に起因して単結晶中に発生するマイクロパイプ欠陥の存在が、歩留まり上無視できない程度となる懸念がある。

本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、例えば、種結晶からの結晶成長により得られた炭化珪素単結晶におけるマイクロパイプ欠陥を、より低コストで良好に低減する技術を提供する。

請求項１に記載の、炭化珪素単結晶の製造方法は、
粉末状の固体原料（４）を昇華させて、種結晶（５）の一表面である成長表面（５２）の上に再結晶化させることで、前記成長表面の上に成長結晶（６）を成長させるものであって、
前記種結晶における前記成長表面に、砥石を用いて平坦化する砥石平坦化による加工変質層である歪層（５４）を形成し、
前記歪層の形成は、前記歪層を、マイクロパイプ欠陥（ＭＰ）が存在する領域に選択的に設けるものである。
請求項２に記載の、炭化珪素単結晶の製造方法は、
粉末状の固体原料（４）を昇華させて、種結晶（５）の一表面である成長表面（５２）の上に再結晶化させることで、前記成長表面の上に成長結晶（６）を成長させるものであって、
前記種結晶の外径をＤとしたとき、外縁（５０２）から（Ｄ－１５０ｍｍ）／２の範囲の領域である外周領域（５０１）にて、前記種結晶における前記成長表面に、前記種結晶の中心軸（Ｌ）と交差する傾斜面（５２１）を、砥石を用いて平坦化する砥石平坦化により設けることで、前記傾斜面に加工変質層である歪層（５４）を形成する。

なお、出願書類中の各欄において、各要素に括弧付きの参照符号が付されている場合がある。この場合、参照符号は、同要素と後述する実施形態に記載の具体的構成との対応関係の単なる一例を示すものである。よって、本発明は、参照符号の記載によって、何ら限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係るウェハの製造工程の一部を概略的に示す概念図である。 図２に示されたインゴットの製造に用いられるインゴット製造装置の概略構成を示す断面図である。 図２に示されたインゴット製造装置における種結晶からの炭化珪素単結晶の成長の様子を拡大して示す断面図である。 比較例における炭化珪素単結晶の成長の様子を拡大して示す断面図である。 図２に示されたインゴット製造装置における種結晶からの炭化珪素単結晶の成長の様子を拡大して示す断面図である。 図２に示されたインゴット製造装置における種結晶からの炭化珪素単結晶の成長の様子を拡大して示す断面図である。 図２に示されたインゴット製造装置における種結晶からの炭化珪素単結晶の成長の様子を拡大して示す断面図である。 図２に示されたインゴット製造装置における種結晶からの炭化珪素単結晶の成長の様子を拡大して示す断面図である。 外径１５０ｍｍの一次種結晶から外径２００ｍｍの炭化珪素単結晶を得るための工程の概略を示す断面図である。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、一つの実施形態に対して適用可能な各種の変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中に挿入されると、当該実施形態の理解が妨げられるおそれがある。このため、変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中には挿入せず、その後にまとめて説明する。

（インゴット・ウェハ）
図１に示されているように、炭化珪素単結晶であるインゴット１は、中心軸Ｌを囲む略円柱状に形成されている。インゴット１の頂面１ａを中心軸Ｌと直交する平坦な平面状に研磨して、かかる頂面１ａから所定深さの位置のスライス面１ｂにてワイヤスライスやレーザスライス等の周知のウェハスライス方法を用いてスライスすることで、ウェハ２が得られる。本実施形態に係る、外径２００ｍｍ（すなわち８インチ）のウェハ２は、マイクロパイプ欠陥ＭＰ（図３等参照）の密度が、中心軸Ｌを中心とする外径１５０ｍｍ（すなわち６インチ）の中央領域２ａよりも、その外側の領域２ｂにて同等以下になるように形成されている。すなわち、ウェハ２は、中央領域２ａにおけるマイクロパイプ欠陥ＭＰの密度をＰ１とし、その外側の領域２ｂにおけるマイクロパイプ欠陥ＭＰの密度をＰ２とすると、Ｐ１≧Ｐ２となるように形成されている。なお、図示および説明の簡略化の観点から、いわゆるオリエンテーションフラットについては、本明細書においては、図示および説明を省略する。

ウェハスライスによって得られたウェハ２は、表面の研削や研磨の工程を経て、半導体デバイス製造工程に供される。ウェハ２の表面の研削には、砥石研削が用いられ得る。ウェハ２の表面の研磨には、砥石研磨やＣＭＰが用いられ得る。ＣＭＰはＣｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇの略である。

（インゴット製造）
インゴット１は、図２に示されたインゴット製造装置３により製造される。図２に示されているように、インゴット製造装置３は、昇華ガスの供給源としての炭化珪素粉末である固体原料４と昇華ガスの供給先としての炭化珪素単結晶基板である種結晶５とを用いて種結晶５上に成長結晶６を成長させる、いわゆる改良レイリー法により、インゴット１を製造するように構成されている。具体的には、インゴット製造装置３は、加熱装置３１と坩堝３２とを備えている。加熱装置３１は、円筒型の誘導コイルであって、黒鉛製の坩堝３２の外周を囲むように設けられている。坩堝３２は、軸方向における一方側の端すなわち下端が閉塞された有底円筒状の本体部３３と、本体部３３の軸方向における他方側の端すなわち上端の開口部を開放可能に閉塞する蓋部３４とを備えている。本体部３３の内側空間における底部には、粉末状の固体原料４が収容される。種結晶５は、略円板状に形成されている。種結晶５は、厚さ方向あるいは軸方向における一方側の端面（すなわち上端面）である固定面５１にて、図示しない接着剤等を介して蓋部３４に固定される。すなわち、種結晶５の、厚さ方向あるいは軸方向における他方側の端面（すなわち下端面）である成長表面５２が、本体部３３の粉末状の固体原料４を収容する内側空間に露出する。

図３を参照すると、種結晶５における成長表面５２は、中心軸Ｌを法線とする平面状の一表面として設けられている。また、成長表面５２は、ｃ面すなわち｛０００１｝面である基底面５３に対して所定のオフ角θ傾斜する、いわゆる「オフ面」あるいは「オフ角面」として設けられている。すなわち、種結晶５は、所定のオフ角θを有する４Ｈ－ＳｉＣ基板として形成されている。そして、インゴット製造装置３は、成長表面５２に成長結晶６をいわゆるｃ面成長させるようになっている。なお、図示の簡略化の観点から、図３においては、多数の基底面５３のうちの一つのみを図示し、その他は図示を省略しているものとする。オフ角θは、好ましくは４度以上であり、例えば４度、６度、あるいは８度である。以下の説明の便宜のため、図３において、Ｘ軸方向がオフ方向と平行となり、Ｚ軸方向が中心軸Ｌと平行となるように、ＸＹＺ三次元座標系を設定する。「オフ方向」とは、種結晶５を構成する炭化珪素単結晶の結晶軸を傾ける方位を示す方向である。また、図中ＸＹ平面と平行な任意の方向を「面内方向」と称する。「面内方向」は、「オフ方向」や「径方向」を含む。「径方向」は、図中ＸＹ平面と平行な（すなわち中心軸Ｌと直交する）仮想平面内にて中心軸Ｌから放射状に延びる方向である。換言すれば、「径方向」は、上記の仮想平面と中心軸Ｌとの交点を中心として同仮想平面内に仮想円を描いた場合の、同仮想円の半径方向である。

本実施形態に係る、炭化珪素単結晶すなわちインゴット１の製造方法は、粉末状の固体原料４を昇華させて種結晶５における成長表面５２の上に再結晶化させることで、成長表面５２の上に成長結晶６を成長させる。そして、本実施形態においては、種結晶５における成長表面５２に、砥石を用いて平坦化する砥石平坦化による加工変質層である歪層５４を形成する。具体的には、加工装置および加工条件にもよるが、例えば、３００００番のダイヤモンド砥石を用いた場合、歪層５４の表面粗さＲａは、１ｎｍを超える。あるいは、例えば、２０００番のダイヤモンド砥石を用いた場合、歪層５４の表面粗さＲａは、１０ｎｍを超える。あるいは、例えば、６００番のダイヤモンド砥石を用いた場合、歪層５４の表面粗さＲａは、１００ｎｍを超える。

本願の出願人による先願に係る特開２０１２－７２０３４号公報等にも記載されているように、結晶成長過程にて貫通転位を積層欠陥ＳＦ（例えば図３等参照）に変換することで、種結晶５における貫通転位を成長結晶６に引き継がせることが良好に回避される。かかる効果は、オフ角θを大きくすること（例えば４度以上とすること）で、より良好に奏され得る。これにより、結晶欠陥が極めて低減された高品質な炭化珪素単結晶を成長させることが可能となる。この点、マイクロパイプ欠陥ＭＰは、らせん転位とともに貫通転位の一種であるが、らせん転位よりも大きな歪を有しており、種結晶５に積層欠陥ＳＦを部分的に導入する従来の方法ではマイクロパイプ欠陥ＭＰのほぼすべてを積層欠陥ＳＦに変換することは困難である。そこで、発明者は、通常は結晶品質維持のために種結晶５の表面である成長表面５２をＣＭＰにより極めて平滑な面に処理するところ、これとは逆に、比較的大きな歪みを有する加工変質層である歪層５４を成長表面５２に敢えて設けることで、マイクロパイプ欠陥ＭＰのほぼすべてを積層欠陥ＳＦに変換してオフ角方向に沿って「掃き出す」ことが可能となることを見出した。

図３は、本実施形態に係る製造方法による結晶成長の様子を示し、図４は、比較例として、成長表面５２に歪層５４を設けない場合の結晶成長の様子を示す。成長表面５２に歪層５４を設けない場合、図４に示されているように、マイクロパイプ欠陥ＭＰがそのまま成長結晶６に引き継がれる。これに対し、本実施形態によれば、図３に示されているように、マイクロパイプ欠陥ＭＰは、歪層５４に起因して大きな歪みを有する歪領域６１により積層欠陥ＳＦに変換されつつ、オフ方向下流側に掃き出される。これにより、歪領域６１よりも下方の低歪領域６２においては、マイクロパイプ欠陥ＭＰがない、あるいは、マイクロパイプ欠陥ＭＰがほとんどない、極めて高品質な炭化珪素単結晶が得られる。なお、図示の簡略化の観点から、図３においては、歪領域６１に生じる多数の積層欠陥ＳＦのうちの、マイクロパイプ欠陥ＭＰとの変換に係るもののみを図示し、その他は図示を省略しているものとする。

上記の通り、本実施形態においては、種結晶５の一表面である成長表面５２を、加工変質層を有する砥石平坦化面とすることで、マイクロパイプ欠陥ＭＰが良好に低減され得る。したがって、本実施形態によれば、種結晶５からの結晶成長により得られた炭化珪素単結晶におけるマイクロパイプ欠陥ＭＰを、より低コストで良好に低減することが可能となる。

図３は、種結晶５において、マイクロパイプ欠陥ＭＰが面内方向における広い範囲に存在している場合を示す。図５は、種結晶５において、マイクロパイプ欠陥ＭＰが径方向における中央部に偏在している場合を示す。これらの場合、歪層５４は、成長表面５２の面内方向におけるほぼ全面にわたって設けられることが好適である。

近年の結晶成長技術の進歩から、マイクロパイプ欠陥ＭＰが極めて少ない種結晶５を用いることが可能となっている。このため、図６に示されているように、マイクロパイプ欠陥ＭＰが、成長表面５２の面内方向における一端部に局在する場合があり得る。この場合、歪層５４は、成長表面５２の面内方向におけるほぼ全面にわたって設ける必要はない。すなわち、この場合、歪層５４は、成長表面５２における、マイクロパイプ欠陥ＭＰが存在する領域に設ければよい。

図３～図６は、オフ角θが比較的大きい場合（例えば８度）の例を示している。一方、図７は、オフ角θが比較的小さく（例えば４度）、且つ、種結晶５の径方向における外周領域５０１にマイクロパイプ欠陥ＭＰが偏在している例を示している。外周領域５０１は、種結晶５の径方向における外縁５０２の近傍領域、すなわち、外縁５０２から径方向における所定幅の領域である。この場合、マイクロパイプ欠陥ＭＰが存在している外周領域５０１にて、成長表面５２に、中心軸Ｌと交差する傾斜面５２１を砥石平坦化により形成することで、かかる傾斜面５２１に歪層５４を設けることが好適である。すると、基底面５３とのなす角、すなわち、見た目のオフ角θｔを、大きく取ることができる。これにより、マイクロパイプ欠陥ＭＰを良好に積層欠陥ＳＦに変換して「掃き出す」ことが可能となる。

図７は、マイクロパイプ欠陥ＭＰがオフ方向における一方側に偏在している場合を示している。この場合、傾斜面５２１は、法線が中心軸Ｌに対して傾斜した平面状に形成される。一方、図８は、マイクロパイプ欠陥ＭＰが径方向における外側にて散在している場合を示している。この場合、傾斜面５２１は、テーパ面状すなわち部分円錐面状に形成される。

図９に示されているように、例えば、外径１５０ｍｍ（すなわち６インチ）の一次種結晶５９１から、一度あるいは複数の成長を経て、外径２００ｍｍ（すなわち８インチ）のインゴット１を拡大形成することが可能である。図９は、一例として、外径１５０ｍｍの一次種結晶５９１からの結晶成長により二次種結晶５９２を得て、かかる二次種結晶５９２から外径２００ｍｍの成長結晶を得る、３段階成長の例を示す。具体的には、まず、外径１５０ｍｍの一次種結晶５９１から、歪層形成を行わない従来の結晶成長方法により、一次成長結晶６９１を拡径させつつ成長させ、かかる一次成長結晶６９１から二次種結晶５９２を得る。次に、かかる二次種結晶５９２から、同様に二次成長結晶６９２を拡径させつつ成長させ、かかる二次成長結晶６９２から種結晶５を得る。そして、このようにして得た種結晶５に歪層５４を形成して成長結晶６を成長させることで、マイクロパイプ欠陥ＭＰが良好に低減されたインゴット１を得ることが可能となる。この際、種結晶５の外径をＤとしたとき、外縁５０２から（Ｄ－１５０ｍｍ）／２の範囲の領域である外周領域５０１では、一次種結晶５９１から一次成長結晶６９１への結晶の拡大や二次種結晶５９２から二次成長結晶６９２への結晶の拡大に伴い結晶側面からマイクロパイプ欠陥ＭＰが発生することに起因して、図８の例のようにマイクロパイプ欠陥ＭＰが偏在するが、かかる外周領域５０１に歪層５４を設けることで、外周領域５０１に偏在したマイクロパイプ欠陥ＭＰを、良好に積層欠陥ＳＦに変換して、径方向における外側に「掃き出す」ことが可能となる。この領域は、外径を１５０ｍｍから２００ｍｍに拡大した場合の、外周から径方向に２５ｍｍの領域に相当する。

上記に示した本実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において、外径２００ｍｍ以上の種結晶５を用いることで、相対的に大きな口径で、マイクロパイプ欠陥ＭＰが少ない炭化珪素単結晶を得ることができ、多くの素子用チップの取得が可能となり、コスト的に高い効果が得られる。また、上記のような本実施形態に係る製造方法によれば、マイクロパイプ欠陥ＭＰを外周に掃き出すことができるため、マイクロパイプ欠陥ＭＰの密度を０．０５／ｃｍ^２以下まで低減することができる。これにより、歩留まりが高く、多くの素子用チップの取得が可能となり、コスト的に高い効果が得られる。さらに、マイクロパイプ欠陥ＭＰの密度を０．０１／ｃｍ^２以下まで低減することで、より歩留まりが高く、より多くの素子用チップの取得が可能となり、コスト的に極めて高い効果が得られる。なお、マイクロパイプ欠陥ＭＰの計測方法は、例えば、Ｘ線トポグラフ写真の撮影によりマイクロパイプ欠陥ＭＰに相当する黒点を数え、ウェハ面積で除して計測する方法や、ＫＯＨ（水酸化カリウム）エッチングし、マイクロパイプ欠陥ＭＰに相当するピットを数え、ウェハ面積で除して計測する方法が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。故に、上記実施形態に対しては、適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態との相違点を主として説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。

本発明は、上記実施形態にて示された具体的な装置構成に限定されない。すなわち、例えば、インゴット製造装置３は、図２に示された構成に限定されない。すなわち、図２は、本発明に適用され得るインゴット製造装置３の概略的な構成および機能を説明するために簡略化されたものであって、実際に製造販売される具体的な装置構成とは必ずしも一致しない。

オフ角θは、成長結晶６における結晶成長と結晶欠陥の低減とが良好に達成される範囲内において、適宜設定され得る。すなわち、例えば、オフ角θは、４度以上が好適であり、マイクロパイプ欠陥ＭＰの掃き出し効果を高めるために、相対的に大きなオフ角である具体的には６度や８度に設定され得る。しかし、オフ角を３０度を超えて形成してもマイクロパイプ欠陥ＭＰの掃き出し効果は向上しないため、３０度以下であることが好適である。

歪層５４の表面粗さＲａや、これを実現するための砥石層における番手や材料についても、特段の限定はない。すなわち、本発明の効果が良好に奏され得る範囲内において、歪層５４の表面粗さＲａや、砥石層における番手や材料は、適宜選択され得る。換言すれば、歪層５４は、いわゆる平面研削面や、仕上げ研削面や、これらをより平坦化した研磨面に形成され得る。具体的には、例えば、歪層５４の表面粗さＲａが大きくなるほど、多数の積層欠陥ＳＦが歪領域６１に導入され、これによりマイクロパイプ欠陥ＭＰが良好に掃き出される。一方、歪層５４の表面粗さＲａが小さ過ぎると、マイクロパイプ欠陥ＭＰが積層欠陥ＳＦによって変換されずに成長結晶６内をｃ軸に沿って進展する可能性が高くなる。よって、歪層５４の表面粗さＲａは、１ｎｍを超えることが好適であり、１０ｎｍを超えることがさらに好適であり、１００ｎｍを超えることがよりいっそう好適である。但し、過大な表面粗さの歪層を形成した場合（例えば１０００ｎｍを超えること）は、結晶欠陥が著しく増大し、発生したマイクロパイプの一部が変換されず残存することで、結果的にマイクロパイプが増加するため好適ではない。また、表面粗さＲａのうち、１０ｎｍ以下のものは、例えば、ＺＹＧＯ社のレーザー干渉計などによる非接触式の機器で測定し、１０ｎｍを超えるものは、例えば、ＴＡＹＬＯＲ－ＨＯＢＳＯＮ社の触針接触式の機器で測定するが、これらに限定したものではない。

上記実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、構成要素の個数、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数値に限定される場合等を除き、その特定の数値に本発明が限定されることはない。同様に、構成要素等の形状、方向、位置関係等が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に特定の形状、方向、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、方向、位置関係等に本発明が限定されることはない。

変形例も、上記の例示に限定されない。すなわち、例えば、上記に例示した以外で、複数の実施形態同士が、技術的に矛盾しない限り、互いに組み合わされ得る。同様に、複数の変形例が、技術的に矛盾しない限り、互いに組み合わされ得る。また、外径１５０ｍｍや２００ｍｍについても、通常は規格や公差が設定されているため、当然規格や公差も考慮した値である。

１ インゴット
２ ウェハ
４ 粉末状の固体原料
５ 種結晶
５２ 成長表面
５３ 基底面
５４ 歪層
６ 成長結晶
θ オフ角
ＭＰ マイクロパイプ欠陥

Claims (7)

1. 粉末状の固体原料（４）を昇華させて、種結晶（５）の一表面である成長表面（５２）の上に再結晶化させることで、前記成長表面の上に成長結晶（６）を成長させる、炭化珪素単結晶の製造方法において、
   前記種結晶における前記成長表面に、砥石を用いて平坦化する砥石平坦化による加工変質層である歪層（５４）を形成し、
   前記歪層の形成は、前記歪層を、マイクロパイプ欠陥（ＭＰ）が存在する領域に選択的に設けるものである、
   炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 粉末状の固体原料（４）を昇華させて、種結晶（５）の一表面である成長表面（５２）の上に再結晶化させることで、前記成長表面の上に成長結晶（６）を成長させる、炭化珪素単結晶の製造方法において、
   前記種結晶の外径をＤとしたとき、外縁（５０２）から（Ｄ－１５０ｍｍ）／２の範囲の領域である外周領域（５０１）にて、前記種結晶における前記成長表面に、前記種結晶の中心軸（Ｌ）と交差する傾斜面（５２１）を、砥石を用いて平坦化する砥石平坦化により設けることで、前記傾斜面に加工変質層である歪層（５４）を形成する、
   炭化珪素単結晶の製造方法。
3. 前記歪層を形成する前記種結晶は、４度以上のオフ角（θ）を有する、
   請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
4. 前記歪層の表面粗さＲａは、１ｎｍを超える、
   請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
5. 前記歪層の表面粗さＲａは、１０ｎｍを超える、
   請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
6. 前記歪層の表面粗さＲａは、１００ｎｍを超える、
   請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
7. 前記種結晶の外径が２００ｍｍ以上である、
   請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。