JPH04292499A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は分子線エピタキシャル成
長法を用いた炭化珪素単結晶の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化珪素は広い禁制帯幅（２．２〜３．
３ｅＶ）を有する半導体材料である。また、熱的，化学
的，および機械的に極めて安定であり、放射線損傷にも
強いという優れた特徴を持っている。他方、珪素のよう
な従来の半導体材料を用いた素子は、特に高温，高出力
駆動，放射線照射などの苛酷な条件下では使用が困難で
ある。したがって、炭化珪素を用いた半導体素子は、こ
のような苛酷な条件下でも使用し得る半導体素子として
広範な分野での応用が期待されている。しかしながら、
大きい面積を有する高品質の炭化珪素単結晶を、生産性
を考慮した工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術
は、いまだ確立されていない。それゆえ、炭化珪素は、
上述のような多くの利点および可能性を有する半導体材
料であるにもかかわらず、その実用化が阻まれている。 従来、研究室程度の規模では、例えば昇華再結晶法（レ
ーリー法）で炭化珪素単結晶を成長させるか、あるいは
この方法により得られた炭化珪素単結晶を基板として用
い、気相エピタキシャル成長法または液相エピタキシャ
ル成長法により、この基板上に、さらに炭化珪素単結晶
層を成長させて、半導体素子の試作が可能なサイズの炭
化珪素単結晶を得ていた。しかしながら、これらの方法
では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法および
形状を高精度に制御することは困難である。また、炭化
珪素が有する結晶多形および不純物濃度の制御も容易で
はない。

【０００３】これらの問題点を解決するために、種結晶
を用いて昇華再結晶を行う改良型のレーリー法が提案さ
れている。（Ｙｕ．Ｍ．Ｔａｉｒｏｖ　ａｎｄＶ．Ｆ．
Ｔｓｖｅｔｋｏｖ，Ｊ．　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔ
ｈ，５２（１９８１），ｐｐ．１４６−１５０）。この
方法を用いれば、結晶多形及び形状を制御しながら、炭
化珪素単結晶を成長させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】改良型レーリー法にお
いては、種結晶の温度、種結晶と原料との温度差、成長
圧力のみをパラメーターに黒鉛製ルツボ内で成長させる
ため、原料の昇華状態が時間と共に変化するため、成長
初期と成長終了前では成長状態に違いが生じている。例
えば炭化珪素（Ｓｉｃ）の昇華においては、ＳｉＣ２，
Ｓｉ２Ｃ，Ｓｉ，Ｃの種が昇華により発生するが、ある
温度ではＳｉ系の種が先に昇華して、成長終了時にはカ
ーボン（Ｃ）のみの成長となる場合もある。また、従来
のシリコン（Ｓｉ）とカーボン（Ｃ）を原料とする分子
線エピタキシャル成長法においては、成長速度が遅く、
また３ｃ（β）型炭化珪素薄膜しか得られていない。

【０００５】本発明は上記の従来の問題点を解決するも
のであり、その目的とするところは、不純物の混入が少
なく高純度の炭化珪素単結晶を分子線エピタキシャル成
長法により均一に再現性よく製造し得る方法を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の炭化珪素単結晶
の製造方法は、分子線エピタキシャル成長法を用いたも
のであって、炭化珪素を原料として用いることを特徴と
する。

【０００７】また、得られる炭化珪素単結晶の組成比の
ズレを防ぐためにシリコンの分子線源を併用することを
特徴とする。

【０００８】本発明の製造方法では、基板温度、原料と
なる炭化珪素の温度（すなわち蒸気圧）がそれぞれ独立
に制御される。そして好ましくは、炭化珪素単結晶を基
板とし、その温度は１１００℃〜２４００℃とされる。 また、多結晶炭化珪素粉末を原料とする場合には、好ま
しくはその温度が１８００〜２５００℃とされる。さら
に、成長中の真空度は、好ましくは１０−４ｔｏｒｒ〜
１０−８ｔｏｒｒとされる。

【０００９】本発明のシリコンの分子線源は、炭化珪素
原料からのＳｉ２Ｃ，ＳｉＣ２，Ｓｉ，Ｃの各分子線の
うち、Ｓｉ系の分圧の制御のために用いられる。これに
より、改良型レーリー法において生じていた成長時間と
共にずれていたＳｉ源の枯渇によるカーボン不純物の混
入等の補正が行なわれる。

【００１０】

【実施例】以下に本発明の実施例について述べる。図１
は、本発明の製造方法に従い、炭化珪素を原料とした分
子線エピタキシャル成長法によって炭化珪素単結晶を成
長させる装置の一例である。まず、この結晶成長装置に
ついて説明する。

【００１１】結晶成長は、炭化珪素単結晶基板４の上に
、原料である炭化珪素多結晶粉末５を気化させ、堆積さ
せることにより行なわれる。種結晶の炭化珪素単結晶基
板４は加熱用ホルダー３に原料との距離を調節するため
の支柱１３によってチャンバー１内に設置されている。 原料の炭化珪素多結晶粉末５は加熱用の分子線セル６の
内部に充填されている。　　分子線セル６の周囲には熱
シールドのために黒鉛製フェルト７が設置されている。 また、チャンバー１内には珪素９を充填した分子線セル
８，アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）等の不純
物１１を充填した分子線セル１０が設置されている。

【００１２】ステンレス整チャンバー１の上部には、ガ
スの流入口となる枝管２が設けられており、他方、他端
には真空ポンプ１２が接続されており、チャンバー１の
内部を所望の真空度に排気することができる。

【００１３】次に上記の結晶成長装置を用いた炭化珪素
単結晶の製造について具体的に説明する。

【００１４】実施例１ まず種結晶として、成長面方位が［０，０，０，１］方
向から［１，１，−２，０］方向に５度傾斜した六方晶
系の炭化珪素単結晶からなる基板４を用意した。そして
この基板４を基板加熱用ホルダー３に取り付けた。また
分子線セル６の内部には、原料となる高純度の炭化珪素
粉末５を充填した。炭化珪素粉末としては、最大粒径が
１５０μｍであり、ＪＩＳ粒度が＃２５０のものを使用
した。分子線セル６は熱シールドとして黒鉛製フェルト
７で被覆し、真空チャンバー１内に設置した。

【００１５】また、珪素９を、分子線セル８内に充填し
、同じく真空チャンバー１内に設置する。分子線セルと
しては窒化ホウ素（ＢＮ）製るつぼを使用した。次に真
空ポンプ１２により真空チャンバー１内を１０−８ｔｏ
ｒｒ以下の真空まで真空排気を行なう。

【００１６】続いて、ガス導入口２より微量のアルゴン
ガス（Ａｒ）を導入して真空チャンバー１内の真空度が
１０−４ｔｏｒｒになる様にガス導入量及び真空排気能
力を調節する。そして原料の炭化珪素の分子線セル６を
２０００度、Ｓｉ用の分子線セル８を１５００℃、基板
加熱用ホルダーを１８００℃に加熱する。加熱終了後シ
ャッター１４を開くことにより炭化珪素基板４上への炭
化珪素単結晶の成長が開始される。

【００１７】成長開始後、３時間で３ｍｍの厚さの炭化
珪素単結晶が成長した。また３時間以上の長時間成長に
おいては、原料となる炭化珪素５からの分子線のうちＳ
ｉに関係するＳｉ２Ｃ，ＳｉＣ２，Ｓｉ分子線の強度を
質量分析器を用いて分析し、強度が低下すれば、その都
度、シャッター１５を開けてＳｉ分子線を供給すること
により、長時間成長においても成長初期と同様の良質な
成長層が得られる。

【００１８】この様にして得られた炭化珪素単結晶をＸ
線回析、電子線回析、ラマン散乱により分析したところ
、良質の六方晶系の６Ｈ型炭化珪素単結晶が種に近い所
より、成長表面まで、均質に得られていることがわかっ
た。

【００１９】実施例２ 実施例１と同様に炭化珪素粉末５、珪素原料９を設置す
る。加えて、ｐ型不純物としてアルミニウム（Ａｌ）粉
末１１を分子線セル１０に設置する。

【００２０】同じく、分子線セル６及び１０の温度をそ
れぞれ２２００℃，６００℃に昇温する。この時シャッ
ター１４，１６は閉じておく。また基板４の温度を２０
００℃に上げておく。基板としては実施例１と同じオフ
の付いた６Ｈ型炭化珪素単結晶を用いた。真空チャンバ
ー内を実施例１と同様に１０−４ｔｏｒｒに制御しシャ
ッター１４を開くことにより基板４上にノンドープｎ型
の炭化珪素単結晶が、成長速度１．２ｍｍ／ｈで成長す
る。１時間の成長で１．２ｍｍのｎ型層が得られた段階
でシャッター１６を開くことでアルミニウムのドーピン
グを開始する。１時間の成長で、同じく１．２ｍｍのｐ
型炭化珪素単結晶がｎ型炭化珪素上に成長した。

【００２１】成長した炭化珪素単結晶にアルミニウムと
チタニウムの積層膜を形成し、オーミック電極とした。 電気的特性を測定したところ、良好な整流特性を有する
ｐｎ接合が形成されていることがわかった。また、ｐ層
のキャリア濃度は２×１０１７ｃｍ−３であり、キャリ
ア濃度はアルミニウムの蒸着用セル１０の温度をコント
ロールすることにより１０１６〜１０１８ｃｍ−３の範
囲で制御することも可能である。またこの成長で得られ
た炭化珪素は４Ｈ型単結晶である。なお不純物原料とし
ては、他に有機金属（例えば、トリメチルアルミニウム
（ＴＥＡ）を用いてもよい。

【００２２】実施例３ 実施例１と同様に炭化珪素粉末５を設置する。基板とし
ては３ｃ（β）型炭化珪素膜を設置する。３ｃ型炭化珪
素としてはＣＶＤ法によりＳｉ基板上に成長させた（１
００）面のもので、膜厚は約３０μｍのものを用いる。 実施例１と同様に真空チャンバー１内を１０−５ｔｏｒ
ｒに調節する。続いて原料となる炭化珪素５の温度を１
８００℃，β型炭化珪素基板４を１３００℃に昇温する
。 昇温後シャッター１４を開けて基板４上に炭化珪素単結
晶を成長させる。３時間の成長で約１．０ｍｍの炭化珪
素単結晶が得られた。

【００２３】得られた炭化珪素単結晶は、Ｘ線回析、ラ
マン測定により、β型炭化珪素単結晶であり、結晶性に
すぐれたものであることがわかる。また、結晶欠陥の評
価により欠陥密度は１０３ｃｍ−２とヘテロエピタキシ
ャル膜に比べて、良質なβ型炭化珪素単結晶が得られて
いることがわかる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の製造方法によれば、良質な炭化
珪素単結晶を制御性よく得ることができる。

【００２５】また、基板温度及び原料の蒸気圧を独立に
コントロールすることにより、炭化珪素に存在する多く
の結晶多形を容易に制御でき、また、成長時間に対する
均質性の向上も可能となる。例えば基板温度が１３００
℃の場合３ｃ型（β）炭化珪素の成長、１８００℃〜２
４００℃の範囲では六方晶系の６Ｈ，４Ｈ型炭化珪素の
成長が可能となり、６Ｈ，４Ｈの制御は、基板温度と原
料の温度（蒸気圧）で制御可能となる。

【００２６】また、独立に伝導型制御用の分子線を有し
ていることにより、ｐｎ接合の形成及びｐ層の不純物濃
度の制御が容易であり、各種の半導体装置の製造が可能
となる。

【００２７】この様な炭化珪素単結晶を成長用基板とし
て用い、気相及び液相エピタキシャル成長により、炭化
珪素単結晶を成長させば、またｐｎ接合形成層をそのま
ま用いても、電気的特性に優れた炭化珪素半導体装置（
例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、各種パワー
素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）など）を作製すること
が可能となる。しかも上記の様に、炭化珪素単結晶を均
質に、再現性よく得られるので、電気的、光学的特性に
優れた上記の各種半導体装置を工業的規模で歩留まりよ
く生産することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法に用いる装置の実施例を示す
構成断面図である。

【符号の説明】

１　　真空チャンバー ２　　ガス導入管 ３　　基板ホルダー（加熱用） ４　　炭化珪素単結晶基板 ５　　炭化珪素粉末（原料） ６，８，１０　　蒸着用加熱セル ７　　グラファイトフェルト（熱シールド）９　　珪素
原料 １１　　不純物原料（アルミニウム） １２　　真空ポンプ １３　　基板ホルダー支柱（基板，原料距離調節用）１
４，１５，１６　　シャッター

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　分子線エピタキシャル成長法によって
   炭化珪素単結晶を製造する方法であって、炭化珪素を原
   料と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。
2. 【請求項２】　　シリコン分子線源を用いることを特徴
   とする請求項１の炭化珪素単結晶の製造方法。