JPH08208394A - 単結晶炭化珪素の製造方法 - Google Patents

単結晶炭化珪素の製造方法

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JPH08208394A
JPH08208394A JP1624095A JP1624095A JPH08208394A JP H08208394 A JPH08208394 A JP H08208394A JP 1624095 A JP1624095 A JP 1624095A JP 1624095 A JP1624095 A JP 1624095A JP H08208394 A JPH08208394 A JP H08208394A
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JP
Japan
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silicon carbide
single crystal
crystal
carbide single
gas
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JP1624095A
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English (en)
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Noboru Otani
昇 大谷
Masakazu Katsuno
正和 勝野
Masatoshi Kanetani
正敏 金谷
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、欠陥の少ない良質な単結晶炭化
珪素を成長させる方法を提供する。 【構成】 種結晶を用いた昇華再結晶法により炭化珪素
単結晶を成長させる際に、雰囲気ガスとしてアルゴン等
の不活性ガス中に1ppm〜1%の酸素ガスを含有させ
たものを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、炭化珪素単結晶の製造
方法に関するものである。詳しく述べると、本発明は、
青色発光ダイオードや電子デバイスなどの基板ウェハと
なる良質で大型の単結晶インゴットの成長方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】炭化珪素(SiC)は、耐熱性および機
械的強度に優れ、放射線に強いなどの物理的、化学的性
質から耐環境性半導体材料として注目されている。特
に、6H型の炭化珪素単結晶は室温で約3eVの禁制帯
幅を持ち、青色発光ダイオード材料として用いられてい
る。しかしながら、大面積を有する高品質の炭化珪素単
結晶を、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
料にもかかわらず、その実用化が阻まれていた。
【0003】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、半導体素子の作製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
多形および不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。
また、化学気相成長法(CVD法)を用いて珪素(S
i)などの異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させ
ることにより立方晶の炭化珪素単結晶を成長させること
も行われている。この方法では、大面積の単結晶は得ら
れるが、基板との格子不整合が約20%もあることなど
により多くの欠陥を含む(〜107 cm-2)炭化珪素単
結晶しか成長させることができず、高品質の炭化珪素単
結晶を得ることは容易でない。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(ユーエム タイロヴ(Yu.M.
Tairov)およびブイエフ ツベコフ(V.F. Tsvetkov) 、
ジェー クリスタル グロース(J. Crystal Growth) 、
52巻(1981年)、ページ146〜150)。この
方法を用いれば、結晶多形およ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】上記従来方法で炭化珪
素単結晶を成長した場合、マイクロパイプ欠陥と呼ばれ
る結晶を成長方向に貫通する直径数ミクロンのピンホー
ルが102 〜103 cm-2程度成長結晶に含まれてい
た。ピージー ノイデック(P.G. Neudeck)ら、アイイー
イーイー エレクトロン デバイス レターズ(IEEE El
ectron Device Letters)、15巻(1994年)、ペー
ジ63〜65に記載されているように、これらの欠陥は
素子を作製した際に、漏れ電流等を引き起こし、その低
減は炭化珪素単結晶のデバイス応用における最重要課題
とされている。また、結晶中に104〜105 cm-2
まれる転位構造や積層欠陥といった結晶の乱れ、あるい
は黒色のインクルージョン等も著しくウェハの品質を低
下させるものである。
【0005】通常、種結晶を用いた昇華再結晶法では原
料の温度、原料と種結晶との間の温度勾配、アルゴン
(Ar)等の不活性雰囲気ガスの圧力等を制御して、六
方晶系(6H型、4H型)および菱面体晶系(15R
型、21R型)の炭化珪素単結晶が成長されている。い
ずれの結晶系の炭化珪素単結晶においても、炭素原子は
隣接する珪素原子とsp3 混成軌道型の結合状態(ダイ
ヤモンド構造)をとっている。しかしながら、ミュエル
ホフ (L.Muehlhoff)ら、ジャーナル オブ アプレイド
フィジクス(Journal of Applied Physics) 、60巻
(1986年)、ページ2842〜2853に示されて
いるように、炭化珪素中、表面近傍の炭素原子は真空中
摂氏1000度以上の高温では、表面からの珪素脱離に
伴ってsp2混成軌道型の結合状態(グラファイト構
造)に変化してしまう。実際の結晶成長中は、摂氏24
00度という高温にもかかわらず、原料から多量の珪素
原子が表面に供給されるために、この現象はやや緩和さ
れるものの、依然として結晶中の炭素原子はグラファイ
ト構造を取り易く、これが転位、積層欠陥、結晶多形混
在等の結晶構造の乱れを引き起こす。また、部位によっ
て珪素の脱離がひどい場合には、炭化珪素中の炭素がグ
ラファイトとして析出してしまい、黒色のインクルージ
ョンとなって単結晶に取り込まれる。さらに、これらが
原因となってマイクロパイプ等の欠陥も発生する。
【0006】したがって、本発明は、上記事情に鑑みて
なされたものであり、欠陥の少ない良質の単結晶を、再
現性良く製造し得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ものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の単結晶炭化珪素
の製造方法は、炭化珪素からなる原材料を加熱昇華させ
炭化珪素単結晶からなる種結晶上に供給し、この種結晶
上に炭化珪素単結晶を成長する方法において、雰囲気ガ
スとしてアルゴン等の不活性ガス中に1ppm〜1%の
酸素ガスを含有させたものを用いる。
【0008】すなわち、上記目的は、種結晶を用いた昇
華再結晶法によって炭化珪素単結晶を成長させる工程を
包含する炭化珪素単結晶の製造方法であって、成長雰囲
気ガスとして不活性ガス中に1ppm〜1%の酸素ガス
を含有させたものを用いることを特徴とする炭化珪素単
結晶の製造方法によって達成される。
【0009】
【作用】本発明の製造方法では、成長に寄与する分子種
の拡散を制御するAr等の不活性雰囲気ガス中に酸素ガ
スを混合させることにより、従来の製造方法で問題とな
っていた炭化珪素単結晶中の炭素原子のsp2 混成軌道
結合状態化(グラファイト構造化)を緩和し、良質の炭
化珪素単結晶を、再現性良く製造できる。小林他は、ダ
イヤモンド薄膜成長において、原料ガスに酸素ガスを添
加することにより、所望のダイヤモンド構造に対し、膜
中のグラファイト構造を選択的にエッチング除去できる
ことを示している(小林他、日本学術振興会半導体界面
制御技術第154委員会第13回研究会資料 ページ6
〜14)。同様に種結晶を用いた炭化珪素単結晶の昇華
再結晶法において、Ar等の不活性雰囲気ガス中に酸素
ガスを加えることにより、良質な炭化珪素単結晶の成長
にとって有害なグラファイト構造を選択的に除去し、炭
化珪素単結晶中の結晶構造の乱れ、黒色のインクルージ
ョン等の炭素に関する異常物、さらにこれらが原因とな
って発生するマイクロパイプ等の欠陥の発生を抑制でき
る。
【0010】
【実施例】以下に、本発明の実施例を述べる。
【0011】図1は、本発明の製造装置であり、種結晶
を用いた改良型レーリー法によって単結晶炭化珪素を成
長させる装置の一例である。まず、この単結晶成長装置
について簡単に説明する。結晶成長は、種結晶として用
いた炭化珪素単結晶基板1の上に、原料である炭化珪素
粉末2を昇華再結晶させることにより行われる。種結晶
の炭化珪素単結晶基板1は、黒鉛製坩堝3の蓋4の内面
に取り付けられる。原料の炭化珪素粉末2は、黒鉛製坩
堝3の内部に充填されている。このような黒鉛製坩堝3
は、二重石英管5の内部に、黒鉛の支持棒6により設置
される。黒鉛製坩堝3の周囲には、熱シールドのための
黒鉛製フェルト7が設置されている。二重石英管5は、
真空排気装置13により高真空排気(10-5Torr以
下)でき、かつ内部雰囲気をArと酸素ガスの混合ガス
により圧力制御することができる。また、二重石英管5
の外周には、ワークコイル8が設置されており、高周波
電流を流すことにより黒鉛製坩堝3を加熱し、原料およ
び種結晶を所望の温度に加熱することができる。坩堝温
度の計測は、坩堝上部および下部を覆うフェルトの中央
部に直径2〜4mmの光路を設け坩堝上部および下部か
らの光を取り出し、二色温度計を用いて行う。坩堝下部
の温度を原料温度、坩堝上部の温度を種温度とする。
【0012】次に、こ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実施例を説明する。まず、種結晶
として、成長面方位が<0001>方向である六方晶系
の炭化珪素からなる基板1を用意した。そして、この基
板1を黒鉛製坩堝3の蓋4の内面に取り付けた。また、
黒鉛製坩堝3の内部には、原料2を充填した。次いで、
原料を充填した黒鉛製坩堝3を、種結晶を取り付けた蓋
4で閉じ、黒鉛製フェルト7で被覆した後、黒鉛製支持
棒6の上に乗せ、二重石英管5の内部に設置した。そし
て、石英管の内部を真空排気した後、ワークコイル8に
電流を流し原料温度を摂氏2000度まで上げた。その
後、雰囲気ガスとしてArガスに酸素を0.1%含んだ
混合ガスを流入させ、石英管内圧力を約600Torr
に保ちながら、原料温度を目標温度である摂氏2400
度まで上昇させた。成長圧力である10Torrには約
30分かけて減圧し、その後約20時間成長を続けた。
この際の成長速度は約1mm毎時であった。成長中のA
rガス中の酸素ガス濃度は、1ppm〜1%の範囲に設
定する必要がある。これより低濃度では、酸素ガスによ
るグラファイト構造のエッチング効果が期待できず、ま
たこれより高濃度では酸素ガスによる黒鉛坩堝、断熱材
等のエッチングが問題となる。
【0013】こうして得られた炭化珪素単結晶をX線回
析およびラマン散乱により分析したところ、六方晶系の
炭化珪素単結晶が成長したことを確認できた。成長した
結晶は種結晶上より成長最表面まで均一で、また炭素に
関する異常物も非常に少なく、高品質の炭化珪素単結晶
であった。また、マイクロパイプ欠陥を評価する目的
で、成長した単結晶インゴットを切断、研磨することに
より{0001}面ウェハとした。その後、摂氏約53
0度の溶融KOHでウェハ表面をエッチングし、顕微鏡
によりマイクロパイプ欠陥に対応する大型の正六角形エ
ッチピットの数を調べたところ、Arのみを雰囲気ガス
として用いた場合に比べ、マイクロパイプ欠陥が30〜
40%減少していることがわかった。
【0014】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
種結晶を用いた改良型レーリー法により、炭化珪素単結
晶中の炭素原子のグラファイト構造化を抑制することが
でき、これが原因となって発生する結晶構造の乱れ、黒
色のインクルージョン等の炭素に関する異常物、および
マイクロパイプ等の欠陥が少ない良質の炭化珪素単結晶
を再現性、および均質性良く成長させることができる。
このような炭化珪素単結晶を成長用基板として用い、気
相エピタキシャル成長法により、この基板上に炭化珪素
単結晶薄膜を成長させれば、光学的特性の優れた青色発
光素子、電気的特性の優れた高耐圧・耐環境性電子デバ
イスを製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の製造方法に用いられる単結晶成長装
置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
1…炭化珪素単結晶基板(種結晶)、 2…炭化珪素
粉末原料、3…黒鉛製坩堝、 4
…黒鉛製坩堝蓋、5…二重石英管、
6…支持棒、7…黒鉛製フェルト、
8…ワークコイル、9…Arガス配管、10…Ar
ガス用マスフローコントローラ、11…酸素ガス配管、
12…酸素ガス用マスフローコントローラ、13…真空
排気装置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 種結晶を用いた昇華再結晶法によって炭
    化珪素単結晶を成長させる工程を包含する炭化珪素単結
    晶の製造方法であって、成長雰囲気ガスとして不活性ガ
    ス中に1ppm〜1%の酸素ガスを含有させたものを用
    いることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
JP1624095A 1995-02-02 1995-02-02 単結晶炭化珪素の製造方法 Withdrawn JPH08208394A (ja)

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