JPH09268096A

JPH09268096A - 単結晶の製造方法及び種結晶

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Publication number: JPH09268096A
Application number: JP10358196A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Sugiyama; 尚宏杉山; Atsuhito Okamoto; 篤人岡本; Toshihiko Tani; 俊彦谷; Nobuo Kamiya; 信雄神谷; Yasuo Kito; 泰男木藤
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1997-10-14

Abstract

(57)【要約】【課題】種結晶中での再結晶化を抑制し、得られる単
結晶の歩留りを向上させるとともに、マイクロパイプ等
の欠陥の少ない高品質な単結晶を製造する。【解決手段】種結晶上に単結晶となる原料ガスを供給
して、該種結晶上に単結晶を成長させるにあたり、種結
晶の、単結晶が成長する面以外の表面を、炭素層等、単
結晶成長条件において安定な物質よりなる保護層で被覆
する。保護層により、局所的な温度勾配を緩和するとと
もに種結晶中の物質移動を抑制し、再結晶化を防止し
て、成長結晶の品質を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、昇華法等により、
炭化珪素等の単結晶を製造する方法及び該方法に利用す
る種結晶に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの基板用として有用な炭
化珪素（ＳｉＣ）単結晶の製造方法として、従来より原
料粉末を昇華、再析出させる昇華法が採用されている
（例えばＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒ
ｏｗｔｈ４３（１９７８）２０９−２１２頁等）。図
１はこの昇華法に用いられる装置の概略図で、容器体１
と蓋体２よりなる黒鉛製るつぼの下半部内には、原料粉
末としてＳｉＣ粉末３が収容してあり、これに対向する
蓋体２の下面には種結晶４が配設してある。るつぼ内
は、ＳｉＣ粉末３側が高温に、種結晶４側が低温になる
ように保持され、ＳｉＣ粉末３の昇華ガスＧがより低温
の種結晶４上で再結晶することにより単結晶５が成長す
る。

【０００３】上記方法において、種結晶４は、通常、蓋
体２に設けた台座に接着剤を用いて貼付けられる。とこ
ろが、この場合、接着剤の存在や加工精度の低さから種
結晶４の台座貼付面と蓋体２とを隙間なく密着させるこ
とは難しく、この隙間の存在により種結晶４の貼付面内
で温度の不均一が生じて、貼付面もしくは種結晶裏面中
の低温部を起点とする再結晶化が起こるという問題があ
った。また、この欠陥が上下方向の温度勾配を駆動力と
して大きく発達し、結晶成長部においても再結晶化が進
むおそれがあった。

【０００４】このメカニズムについて図を参照しながら
説明する。図２（ａ）において、種結晶４と蓋体２側の
台座２１との間には、接着剤６の存在によって隙間が生
じている。昇華法による単結晶成長では、原料部を高温
に、種結晶４を低温に保持するため、るつぼ全体に温度
勾配が生じ、そのため、種結晶４内部や、種結晶４と台
座２１間においても温度勾配が存在する。

【０００５】こうした状況では、結晶中のＳｉＣが昇
華、再析出、もしくは表面拡散により低温部へ移動する
現象が見られ、図２（ａ）のように種結晶４から台座２
１へＳｉＣが移動して再結晶する。これに伴い、種結晶
４内には空間４１が形成され、ここに、より高温部に存
在するＳｉＣが移動する（図２（ｂ））。これによっ
て、また空間４１が生まれ、次々に物質移動が進むこと
になる。

【０００６】このように、物質移動によって新たに形成
された再結晶部４２と、物質移動の生じなかった結晶部
との間には空間が生じるため、成長結晶の歩留りを低下
させる。また、こうした再結晶は種結晶４の台座貼付面
の複数箇所において発生し、再結晶部は高品質結晶とは
なり得ない。さらに、このような物質移動は、成長結晶
中の欠陥部などで優先して行われるため、図２（ｃ）の
ようにパイプ状の欠陥（マイクロパイプ欠陥）７が成長
結晶５中に伸長し、成長結晶の品質を低下させる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、種結
晶中での再結晶化を抑制し、得られる単結晶の歩留りを
向上させるとともに、マイクロパイプ等の欠陥の少ない
高品質な単結晶を製造する方法及び該方法に利用する種
結晶を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記実情
に鑑みて鋭意検討を行い、種結晶上に単結晶となる原料
ガスを供給して、該種結晶上に単結晶を成長させる単結
晶の製造方法において、上記種結晶の、単結晶が成長す
る面以外の表面を、単結晶成長条件において安定な物質
よりなる保護層で被覆することにより、再結晶化を抑制
できることを見出した（請求項１）。

【０００９】また、種結晶上に単結晶となる原料ガスを
供給して、該種結晶上に単結晶を成長させる単結晶の製
造方法において、上記種結晶の全表面のうち、単結晶が
成長する表面領域以外の全ての表面領域を、単結晶成長
条件において安定な物質よりなる保護層で被覆し、結晶
成長中の物質移動による再結晶化を抑制することができ
る（請求項２）。

【００１０】上記保護層としては、２３００℃で固層を
保持する物質が使用でき（請求項３）、具体的には、炭
素よりなる層が挙げられる（請求項４）。あるいは、タ
ンタル、タングステン、ニオブ、モリブデン、レニウ
ム、オスミウム、イリジウムおよびこれらの炭化物、ホ
ウ化物、窒化物から選ばれる少なくとも１種よりなる層
を用いることもできる（請求項５）。

【００１１】また、種結晶が炭化珪素よりなる場合に
は、上記保護層がグラファイトよりなり、上記炭化珪素
のＣ面と上記グラファイトのＣ面とが平行であることが
望ましい（請求項６）。

【００１２】また上記製造方法（請求項１に記載の方
法）に利用できる種結晶として、単結晶を製造するため
の種結晶であり、該種結晶の、単結晶が成長する面以外
の表面を、単結晶成長条件において安定な物質よりなる
保護層で被覆したものが挙げられる（請求項７）。

【００１３】また、上記製造方法（請求項２に記載の方
法）に利用できる種結晶として、単結晶を製造するため
の種結晶であり、該種結晶の全表面のうち、単結晶が成
長する表面領域以外の全ての表面領域を、単結晶成長条
件において安定な物質よりなる保護層で被覆したものが
挙げられる（請求項８）。

【００１４】温度勾配による再結晶化は、接着剤６等の
存在で種結晶４と台座２１との間に隙間ができることに
よって発生し（図３（ａ））、種結晶４の台座貼付面内
で温度の不均一が生じて、隙間に面する種結晶４の構成
原子が移動し（図中、矢印で示す）、これを起点として
結晶内に拡がる。

【００１５】これに対し、本発明では、図３（ｂ）に示
すように、種結晶４の単結晶成長面以外の表面、すなわ
ち、図では台座２１側の表面を保護層８で被覆してお
り、種結晶４の構成原子はこの保護層８を通過して移動
しなければならないので、その拡散に必要な抵抗が大き
く、物質輸送がされにくい。従って、種結晶４内におけ
る物質移動が抑制され、再結晶化が防止できる。従っ
て、再結晶化による品質の低下や、これを起点とするマ
イクロパイプ欠陥の生成を防止できるので、高品質の単
結晶を高歩留りで得ることができる。また、保護層８を
形成することにより、種結晶４と接着剤６とのぬれ性が
向上し、接着剤６を台座貼付面全面に広く、均一にゆき
わたらせることができる。よって、接着界面における温
度勾配が緩和され、再結晶化を行わせる駆動力が低下す
る効果がある。また保護層８自身の断熱効果によって、
種結晶４内の局所的な温度勾配の発生を抑制する効果も
ある。

【００１６】また、種結晶の全表面のうち、単結晶が成
長する表面領域以外の全ての表面領域を、単結晶成長条
件において安定な物質よりなる保護層で被覆した場合に
ついても、結晶成長中の物質移動による再結晶化を抑制
して、上記と同様な効果を奏する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明方法を炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）単結晶の製造を例にとって詳細に説明する。な
お、本発明に基づいて製造可能な単結晶としては、炭化
珪素（ＳｉＣ）以外に、例えば硫化カドミウム（Ｃｄ
Ｓ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化亜鉛（Ｚ
ｎＳ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（Ｂ
Ｎ）等が挙げられ、昇華法により成長できる単結晶であ
ればいずれにも適用できる。また、昇華法以外にも、種
結晶内で大きな温度勾配が生じる単結晶の製造方法であ
れば、同様の効果が得られる。

【００１８】本発明では、予め、例えばアチソン法また
は昇華法等により製造した単結晶を種結晶として用い、
その表面にガス状の原料を供給して単結晶を成長させ
る。種結晶は、通常、黒鉛製の貼付台座の形状に合わせ
て、例えば円板状に加工され、これに接着剤等を用いて
接合される。

【００１９】種結晶上に単結晶を成長させる場合、種結
晶表面は、その上に結晶が成長する面と逆にエッチング
されていく面とに大別される。円板状の種結晶を考えた
場合、一般に、台座貼付面と反対側の面が結晶成長面と
なり、さらに種結晶の側面方向へも成長する。この場
合、種結晶の台座貼付面はエッチング面となり、種結晶
中のＳｉＣが昇華して、より低温の台座表面や、種結晶
裏面中の低温部において再結晶する再結晶化が起こるこ
とになる。

【００２０】そこで、本発明では、上記種結晶を台座に
貼付ける前に、種結晶の単結晶成長面を除く表面を保護
層で被覆する。つまり、結晶成長中にエッチングされる
面が保護層で被覆する面であり、円板状の種結晶の場合
には、少なくとも台座貼付面の全面に保護層を形成す
る。種結晶の側面方向へも成長する場合には、通常、側
面に保護層は必要ない。なお、種結晶のどの部分が成長
するかは、容器構造等によっても異なるため、使用する
装置等に応じて保護層が必要な面は変化する。いずれの
場合も、少なくとも、成長の結果としてエッチングされ
る表面（成長しない表面）には保護層が必要となる。ま
た結晶成長面であっても必要に応じて保護層を形成して
もよい。例えば円板状の種結晶において、結晶成長面の
中央部のみを単結晶が成長する表面領域とし、それ以外
の表面領域、すなわち、結晶成長面の外周部表面および
側面を保護層で覆ってもよい。

【００２１】保護層は、単結晶の成長条件において安定
な物質からなり、一般には、単結晶の成長温度より高い
融点を持つ物質で構成すればよい。ＳｉＣは、通常、２
３００℃程度の温度条件で結晶成長させるので、２３０
０℃で固相を保持する物質であれば保護層に使用するこ
とができる。具体的には、例えば炭素（Ｃ）層が挙げら
れる。あるいは、タンタル（Ｔａ）、タングステン
（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウ
ム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）
等の高融点金属またはこれら金属の炭化物、ホウ化物、
窒化物等の化合物を用いることもでき、これらのうちか
ら選ばれる少なくとも１種を使用する。

【００２２】保護層を形成する方法としては、物理蒸
着、化学蒸着、塗布等、どのような方法によってもよ
い。ＳｉＣ種結晶上に、保護層を炭素層で構成する場合
には、上記方法の他、ＳｉＣを加熱処理することによっ
てもよい。その具体的方法を次に述べる。

【００２３】種結晶表面に炭素層よりなる保護層を設け
る場合には、通常、前処理として保護層形成面を鏡面に
研磨し、さらにフッ酸、硝酸等を用いて洗浄する。次い
で、保護層形成面を上にして黒鉛るつぼ内に配し、アル
ゴンガス等の不活性ガス雰囲気中、２０００℃以上で高
温加熱することで、保護層形成面に緻密な炭素層を形成
することができる。例えば、アルゴンガス雰囲気中、５
００Ｔｏｒｒ、２３００℃〜２４００℃で２時間程度、
加熱することにより、厚さ約１０〜８０μｍの炭素層が
形成される。形成された炭素層をＸ線回折によって、解
析したところ、この炭素層はＳｉＣのＣ面に対して強く
Ｃ面配向したグラファイトであることが確認された。グ
ラファイトの配向度を次式で表すと、配向度α ＝Ｐ−Ｐ₀／１−Ｐ₀ ここで、Ｐ₀は、ＪＣＰＤＳ（ＪｏｉｎｔＣｏｍｍｉ
ｔｔｅｅｏｆＰｏｗｄｅｒＤｉｆｆｒａｃｔｉｏ
ｎＳｔａｎｄａｒｄｓ）によって定められるグラファ
イト−３Ｒにおける

【数１】とする。よって、Ｐ₀＝１００／１００＋１１＋９＝１００／１２０＝
０．８３３ＰはＸ線回折結果によって測定される

【数２】である。

【００２４】ＳｉＣのＣ面に対してＣ面配向したグラフ
ァイト（すなわち、ＳｉＣのＣ面とグラファイトのＣ面
とが平行である）は、Ｃ軸方向に熱や物質を伝搬しにく
く本目的とする物質移動の抑制に好適である。本発明で
は、上記配向度αが０．８０以上とするのが好ましい。
この範囲内であれば、より上記物質移動の抑制効果が高
まる。

【００２５】その後、種結晶の単結晶成長面にラッピン
グ、ポリッシングを行うことによりＳｉＣ層を表出させ
る。さらに、成長面のみ選択的にＲＩＥ（反応性イオン
エッチング）を行って研磨ダメージ層を除去し、単結晶
成長用の種結晶とする。

【００２６】保護層を上記した高融点金属またはその炭
化物等で形成する場合には、通常、前処理として種結晶
の上下両面に鏡面研磨を施し、ダメージ層の除去、フッ
酸、硝酸等による化学洗浄を行う。次いで、スパッタ装
置を用いて、種結晶の保護層形成面を所望の化合物で被
覆して保護層とする。この際、単結晶成長面となる面に
被覆が及ばないようにワックス等を塗布しておく。ワッ
クスは、被覆終了後、洗浄、除去する。

【００２７】保護層の厚みは、種結晶からの昇華ガスの
拡散を抑制するに十分な厚みがあればよく、保護層を構
成する物質によって異なるが、通常、０．１μｍ以上と
するのが望ましい。より好ましくは、１０μｍないしそ
れ以上とするのがよく、再結晶化を確実に防止すること
ができる。

【００２８】このようにして予め保護層を形成した種結
晶を、保護層形成面を貼付面として台座に貼付し、通常
公知の方法に従って単結晶を成長させる。かくして、貼
付面からの再結晶化を抑制して、品質、歩留りを大きく
向上させることができる。

【００２９】

【実施例】

（実施例１）本発明方法に基づき、ＳｉＣ単結晶の成長
実験を行った。まず、ＳｉＣ種結晶（厚さ約１ｍｍ）
を、黒鉛台座の形状に合わせて円板状に概略成形し、こ
の成形種結晶の台座貼付面を鏡面に研磨した。次いでフ
ッ酸および硝酸を用いて洗浄した後、鏡面を上にして黒
鉛るつぼ中に設置した。これを、アルゴンガス雰囲気
中、約５００Ｔｏｒｒの条件で、２３００℃〜２４００
℃で２時間加熱して、種結晶上面および側面に炭素層を
形成した。上記したグラファイトの配向度α＝０．９１
であり非常にＣ面配向していた。

【００３０】その後、種結晶の単結晶成長面に、ラッピ
ング、ポリッシングを行うことによりＳｉＣ層を表出さ
せた。さらに、成長面のみ選択的にＲＩＥ（反応性イオ
ンエッチング）を行って研磨ダメージ層を除去した。

【００３１】上記処理を行って、台座貼付面に保護層と
なる炭素層を７０μｍ形成した種結晶を台座に貼付けて
黒鉛るつぼ中に配置し、単結晶の成長実験を行った。成
長条件は、種結晶温度を２２３０℃、原料粉末温度を２
３００℃とし、温度勾配７℃／ｃｍ、アルゴン雰囲気
で、雰囲気圧は約１Ｔｏｒｒとした。種結晶の成長面と
しては（０００１）Ｓｉ面を用いた。この条件で２４時
間成長させて得たＳｉＣインゴットは、高さ約８ｍｍで
あり、これをＣ面にスライスすることによってウェハを
作製した。このウェハについて、溶融水酸化カリウムに
よってエッチング（５００℃×１０ｍｍ）を行い、マイ
クロパイプ欠陥密度の測定を行った。その結果、ウェハ
中のマイクロパイプ欠陥密度は、２／ｃｍ²であり、極
めて高品質のウェハであることが確認された。

【００３２】（比較例１）比較のため、種結晶の台座貼
付面に保護層となる炭素層を形成せずに単結晶の２４時
間成長実験を行った。それ以外の条件は、上記実施例１
と同様とした。得られたＳｉＣインゴットは高さ約８ｍ
ｍであったが、縦断面観察の結果、図４のように種結晶
４を含め約４ｍｍが再結晶を起こしており（図に斜線で
示す）、さらに再結晶部を起点に多数のマイクロパイプ
欠陥７が発生していることが確認された。上記実施例と
同様にしてウェハを作製し、ウェハ中のマイクロパイプ
欠陥密度を測定したところ、約１００／ｃｍ²であっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】単結晶成長装置の全体概略断面図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）は従来方法における種結晶の再
結晶化のメカニズムを説明するための図で、（ｃ）は従
来方法におけるマイクロパイプ欠陥発生のメカニズムを
説明するための図である。

【図３】（ａ）は保護層を設けない場合の種結晶中の物
質移動の様子を説明するための図で、（ｂ）は保護層を
設けることによる物質移動の抑制効果を説明するための
図である。

【図４】従来方法によって生成した単結晶の概略図であ
る。

【符号の説明】

１るつぼ２蓋体２１台座３原料粉末４種結晶５単結晶６接着剤７マイクロパイプ欠陥８保護層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本篤人愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者谷俊彦愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者神谷信雄愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者木藤泰男愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】種結晶上に単結晶となる原料ガスを供給
して、該種結晶上に単結晶を成長させる単結晶の製造方
法において、上記種結晶の、単結晶が成長する面以外の
表面を、単結晶成長条件において安定な物質よりなる保
護層で被覆し、結晶成長中の物質移動による再結晶化を
抑制することを特徴とする単結晶の製造方法。
【請求項２】種結晶上に単結晶となる原料ガスを供給
して、該種結晶上に単結晶を成長させる単結晶の製造方
法において、上記種結晶の全表面のうち、単結晶が成長
する表面領域以外の全ての表面領域を、単結晶成長条件
において安定な物質よりなる保護層で被覆し、結晶成長
中の物質移動による再結晶化を抑制することを特徴とす
る単結晶の製造方法。
【請求項３】上記保護層が２３００℃で固相を保持す
る物質よりなる請求項１または請求項２記載の単結晶の
製造方法。
【請求項４】上記保護層が炭素よりなる請求項３記載
の単結晶の製造方法。
【請求項５】上記保護層が、タンタル、タングステ
ン、ニオブ、モリブデン、レニウム、オスミウム、イリ
ジウムおよびこれらの炭化物、ホウ化物、窒化物から選
ばれる少なくとも１種よりなる請求項３記載の単結晶の
製造方法。
【請求項６】上記種結晶が炭化珪素よりなり、上記保
護層がグラファイトよりなり、上記炭化珪素のＣ面と上
記グラファイトのＣ面とが平行である請求項１または請
求項２記載の単結晶の製造方法。
【請求項７】単結晶を製造するための種結晶であり、
該種結晶の、単結晶が成長する面以外の表面を、単結晶
成長条件において安定な物質よりなる保護層で被覆した
ことを特徴とする種結晶。
【請求項８】単結晶を製造するための種結晶であり、
該種結晶の全表面のうち、単結晶が成長する表面領域以
外の全ての表面領域を、単結晶成長条件において安定な
物質よりなる保護層で被覆したことを特徴とする種結
晶。