JPS6360199A - 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】 く技術分野〉 本発明は炭化珪素（ＳｉＣ）の単結晶基板を製造する方
法に関するものである。

〈従来技術〉 ５ｉＣＫは多くの結晶構造（ｐｏｌｙｔｙｐｅ　・多形
と称される）が存在し、結晶構造により２．２乃至３．
３エレクトロンポル）　（ｅＶ）の禁制帯幅を有する。

またＳｉＣは、熱的、化学的９機械的に極めて安定で、
放射線損傷にも強く、更にワイドギャップ半導体として
はめずらしく、ｐ型、ｎ型共安定に存在する材料である
。従って高温動作素子。

大電力用素子、高信頼性半導体素子、耐放射線素子等の
半導体材料として有望視されている。又従来の半導体材
料を用いた素子では困難な環境下でも使用可能となり、
半導体デバイスの応用範囲を著しく拡大し得る材料であ
る。さらに、その広いエネルギーギャップを利用して短
波長可視光及び近紫外光の光電変換素子材料としても適
用できる半導体材料である。他のワイドギャップ半導体
が一般に重金属をその主成分に含有し、このために公害
と資源の問題を伴なうのに対して、炭化珪素はこれらの
両問題から解放されている点からも電子材料として有望
視されるものである。

このように多くの利点、可能性を有する材料であるにも
かかわらず実用化が阻まれているのは、生産性を考慮し
た工業的規模での量産に必要となる高品質の大面積Ｓｉ
Ｃ基板を得る上で、再現性のある結晶成長技術が確立さ
れていないところにその原因がある。

従来、研究室規模でＳｉＣ単結晶基板を得る方法として
は、黒鉛坩堝中でＳｉＣ粉末を２，２００℃〜２，６０
０℃で昇華させ、さらに再結晶させてＳｉＣ基板を得る
いわゆる昇華再結晶法（レーリー法と称される）、珪素
又は珪素に鉄、コバルト、白金等の不純物を混入した混
合物を黒鉛坩堝で溶融してＳｉＣ基板を得るいわゆる溶
液法、研摩材料を工業的に得るために一般に用いられて
いるアチェンン法により偶発的に得られるＳｉＣ基板を
用いる方法等がある。

しかしながら上記昇華再結晶法、溶液法では多数の再結
晶を得ることはできるが、多くの結晶核が結晶成長初期
に発生する為に大型のＳｉＣ単結晶基板を得ることが困
難であり、又幾種類かの結晶構造（ｐｏｌｙｔｙｐｅ　
）のＳｉＣが混在し、単一結晶構造で大型のＳｉＣ単結
晶をよシ再現性よく得る方法としては不完全なものであ
る。又、アチェンン法により偶発的に得られるＳｉＣ基
板は半導一体材料として使用するには純度及び結晶性の
点で問題があり、又比較的大型のものが得られても偶発
的に得られるものであり、ＳｉＣ基板を工業的に得る方
法としては適当でない。

一方、近年の半導体技術の向上に伴ない、良質で大型の
単結晶基板として入手できる珪素（Ｓｉ）の異質基板上
に、気相成長法（ＣＶＤ法）を用いたヘテロエピタキシ
ャル技術により３Ｃ形５ｉＣ（立方晶形に属する結晶構
造を有するもので、そのエネルギーギャップは〜２．２
ｅＶ）単結晶薄膜が得られるようになった。ＣＶＤ法は
工業的規模での量産性に優れた製造技術であり、大面積
で高品質のＳｉＣ単結晶膜を再現性良（Ｓｉ基板上に成
長させる技術として有望であるＱ通常、珪素原料として
、ＳｉＨ４，５ｉＣ１４，５ｉＨ２Ｃ４２，（ＣＨ３）
３ＳｉＣｔ。

（ＣＨａ　）　２Ｓ　１ｃｔ２．また、炭素原料として
ｃｃｔ４　。

ＣＨ４，Ｃ３Ｈ８，Ｃ２Ｈ６，キャリアガスとして水素
。

アルゴン等を用いて、Ｓｉ基板温度を１，２００℃〜１
．４００℃に設定し３Ｃ形ＳｉＣ単結晶薄膜をエピタキ
シャル成長させている。

しかしながら、Ｓｉは異質基板であるため、ＳｉＣとは
なじみ（ぬれ）が悪く、またＳｉとＳｉＣは格子定数が
２０チも相違するため、Ｓｉ基板上に直接にＳｉＣを単
結晶成長させようとしても層状成長による単結晶膜は得
られずデンドライト構造を示す多結晶になるかあるいけ
ごく薄い単結晶膜が得られたとしても厚くなるにつれて
結晶の品質が劣化し、多結晶化する傾向にある。

上記ＣＶＤ法を改良したものの１つとして、最近二部連
続ＣＶＤ法でＳｉ単結晶基板上に良質で大面積のＳｉＣ
単結晶を成長させる方法が開発されている（特願昭５８
−７６８４２号）。また、他の方法としてはＳｉ単結晶
基板表面を一旦炭化水素ガスで炭化した後、ＣＶＤ法に
より炭化珪素単結晶を成長する方法であわ、すでに公知
の技術となっている（　Ａｐｐｌ、ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ
　４２（５）、　ＩＭａｒｃｈ　１９８３Ｐ４６０〜Ｐ
　４６２　）。

しかしながら、上記いずれのＣＶＤ法も５１基板上にＳ
ｉＣ層を成長させているため、ＳｉとＳｉＣの熱膨張率
が２倍程度相違することに起因して結晶欠陥を多く含む
ＳｉＣ単結晶になる。ＳｉＣ単結晶を素子製作用として
用いるためには、結晶欠陥の少ない結晶が必要となって
くる。

〈発明の目的〉 本発明は上述の間雇点に鑑み、ＳｉＣ単結晶のＣＶＤ成
長において、成長用下地基板としてＳｉＣと熱膨張率の
近いＳＯ３（シリコン・オン・サファイヤＳ目１ｃｏｎ
　ｏｎ　５ａｐｐｈｉｒｅ）を利用することにより格子
欠陥の少ないＳｉＣ単結晶を得ることのできる新規なＳ
ｉＣ単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

〈実施例〉 ＳＯＳ基板上のＳｉ単結晶表面を一旦プロパン（ＣａＨ
ｓ　）等の炭化水素ガスで炭化して炭化珪素薄膜を表面
に形成した後、原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）
とプロパン（ＣａＨｓ）を用いたＣＶＤ法で炭化珪素単
結晶を成長させる方法を例にとって以下本発明の１実施
例について説明する。

添付図面は本発明の１実施例に用いられる成長装置の構
成図である。水冷式横型二重石英管１内に黒鉛製試料台
２が載置された石英製支持台３を設置し、反応管１の外
胴部に巻回されたワークコイル４に高周波電流を流して
この試料台２を誘導加熱する。試料台２は水平に設置し
てもよく、適当に傾斜させてもよい。反応管１の片端に
はガス流入口となる枝管５が設けられ、二重石英管１の
外側の石英管には枝管６，７を介して冷却水が供給され
る。反応管Ｉの他端はステンレス製７ランジ８で閉塞さ
れかつフランジ周縁に配設された止め板９．ボルト１０
．ナツト１１．ローリング１２にてシールされている。

フランジ８の中央にはガス出口となる枝管１３が設けら
れている。この成長装置を用いて以下の様な結晶成長を
行なった。

試料台２にＳＯＳ基板１４を載置する。キャリアガスと
して水素（Ｈ２）ガスを毎分ａ、ｏ　ｔ　、ｓｏｓ上の
珪素表面を炭化珪素化するだめの炭化用の原料ガスとし
てプロパン（Ｃ３Ｈ３）ガスを毎分１．０ｃｃ程度流し
、ワークコイル４に高周波電流を流して黒鉛製試料台２
を加熱し、ＳＯＳ基板１４の温度を約１３５０℃まで加
熱し、ＳＯＳ上の珪素単結晶表面に炭化珪素単結晶薄膜
を形成する。次だ、プロパンの供給を断ち、プロパンと
モノシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量を毎分０．４〜０．
９ｃｃに調節し、１時間流すことで、上記薄膜上に約３
μｍの炭化珪素単結晶薄膜が形成できる。その結果、電
子顕微鏡での観察により格子欠陥の少ない表面平坦な炭
化珪素単結晶薄膜がＳＯＳ基板１４全面に得られた。

格子欠陥が減少した原因としては、ＳＯＳを下地基板と
して使うことで熱膨張率の相違により発生していた格子
欠陥が減少した結果、成長した単結晶膜に格子欠陥が少
なくなったと考えられる。

以上の実施例においては成長法として常圧ＣＶＤ法を用
いたが減圧ＣＶＤ法を用いてもよい。

〈発明の効果〉 本発明によれば、ＳＯＳ基板上に格子欠陥の少ない高品
質で大面積の炭化珪素単結晶を得ることができ量産形態
に適するため、炭化珪素材料を用いた半導体を工業的規
模で実用化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明の１実施例の説明に供する成長装置の
構成図工ある。 １・・・反応管、２・・・試料台、３・・・支持台、４
・・・ワークコイル、５，６，７．１３・・・枝管、訃
・・フランジ、１４・・・ＳＯＳ基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、気相成長法で炭化珪素単結晶薄膜を成長させる際の
   下地基板としてシリコン・オン・サファイア基板を用い
   ることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。