JPWO2014034080A1 - ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

２種の３Ｃ−ＳｉＣの一方を優先的に成長させつつ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を製造する方法を提供することを目的とする。（０００１）面から［１−１００］方向±１５°の範囲となるようにオフ角が形成された６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣを種結晶として用い、この種結晶上に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させる。または、（１１１）面から［１１−２］または［−１−１２］方向±１５°の範囲となるようにオフ角が形成された３Ｃ−ＳｉＣを種結晶として用い、この種結晶上に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させる。

Description

本発明は、ＳｉＣ種結晶を結晶成長させ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を製造する方法に関するものである。

ＳｉＣ（炭化ケイ素）は熱的および化学的に非常に安定な半導体材料である。ＳｉＣは、電子デバイスなどの基板材料として現在広く用いられているケイ素（Ｓｉ）と比較して、禁制帯幅２〜３倍程度、絶縁破壊電圧が約１０倍である。このためＳｉＣ単結晶は、ケイ素を用いたデバイスを超えるパワーデバイスの基板材料などとして期待されている。

ＳｉＣは２００種類以上の多くの結晶多形を持つといわれている。ＳｉＣの結晶多形とは、化学量論的には同じ組成でありながら、Ｓｉ−Ｃ結合を持つ正四面体構造からなる正四面体構造層の積層順序の異なる結晶である。以下、特に説明のない場合には、ＳｉＣの結晶多形を単に多形と略する。代表的な多形として、３Ｃ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣが挙げられる。ここで、Ｃは立方晶、Ｈは六方晶、Ｒは菱面体構造、数字は積層方向の一周期中に含まれる正四面体構造層の数を表す。このうち、３Ｃ−ＳｉＣはＳｉＣ単結晶における唯一の立方晶構造であり、電子移動度に異方性のない特性を持つ。

ところで、集積化に適した回路素子としてＭＯＳ素子が知られている。ＭＯＳ素子は、金属と半導体との間にＳｉＯ_２等の酸化物が挟まれてなる積層構造を持つ。ＭＯＳ素子においては、半導体と酸化物との界面状態を改善することが重要である。具体的には、界面準位密度を減少させて、電子移動度を向上させることが重要である。ＭＯＳ素子において、酸化物としてＳｉＯ_２を用い、半導体として３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を用いると、半導体として４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を用いた場合よりも界面準位密度が低いために、電子移動度（チャネル移動度）が向上することが知られている。つまり、ＭＯＳ素子、および、ＭＯＳ構造をゲートに用いた電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等には、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶が有効である。

３Ｃ−ＳｉＣの製造方法としては、入手が比較的容易であるＳｉや４Ｈ−ＳｉＣ、６ＨーＳｉＣを種結晶（基板）として用い、３Ｃ−ＳｉＣを結晶成長（二次元核成長）させる方法が知られている。このような方法でＳｉの（１１１）面や、４Ｈ−ＳｉＣや６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面上に３Ｃ−ＳｉＣを結晶成長させる場合には、２種の３Ｃ−ＳｉＣが生じることが知られている。具体的には、図１に示すように積層順序がＡＢＣＡＢＣ…となる３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）と、図２に示すように積層順序がＡＣＢＡＣＢ…となる３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）との２種である。このように積層順序の異なる２種の結晶は、双晶と呼ばれている。これら２種の３Ｃ−ＳｉＣの境界には、ｄｏｕｂｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｂｏｕｎｄａｒｙ（ＤＰＢ）と呼ばれる結晶欠陥が形成される。ＤＰＢはパワーデバイスにおいて電流のリーク源となるため、ＤＰＢの低減が望まれている。

ＤＰＢを低減するための方法として、ｖａｐｏｒ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ（ＶＬＳ）法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この方法によると、６Ｈ−ＳｉＣ上に３Ｃ−ＳｉＣを結晶成長させるとともに、ＤＰＢの低減を図り得ると考えられる。しかしこの方法によって得られる結晶の膜厚は数μｍ程度であり、大きな３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を工業的に得るのは極めて困難である。

また、ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法によって１５Ｒ−ＳｉＣ上に３Ｃ−ＳｉＣを結晶成長させる方法も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。しかしこの方法で種結晶として用いている１５Ｒ−ＳｉＣは、現状では非常に入手し難い問題がある。

Ｇ．Ｆｅｒｒｏ，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ ６４５−６４８（２０１０）４９−５４． Ｋ．Ｎｉｓｈｉｎｏ，Ｔ．Ｋｉｍｏｔｏ，Ｈ．Ｍａｔｓｕｎａｍｉ，ＪＰＮ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ ３６（１９９７）５２０２−５２０７．

上述したように、２種の３Ｃ−ＳｉＣの境界にＤＰＢが生じるのであれば、２種の３Ｃ−ＳｉＣの一方を優先的に成長させることが、ＤＰＢの低減のために有効だと考えられる。本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、２種の３Ｃ−ＳｉＣの一方を優先的に成長させつつ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の発明者等は、鋭意研究の結果、特定の条件でＳｉＣ種結晶を成長させることで、２種の３Ｃ−ＳｉＣの一方を優先的に成長させ得ることを見出した。

すなわち、上記課題を解決する本発明の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法は、ケイ素（Ｓｉ）および炭素（Ｃ）を含む反応雰囲気下で、ＳｉＣ種結晶の（０００１）面に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させる結晶成長工程を備え、
前記ＳｉＣ種結晶は、（０００１）面にオフ角が形成された６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣであり、
前記オフ角は（０００１）面から［１−１００］方向±１５°以内の範囲となるように形成されている方法である。

上記した本発明の製造方法において、オフ角を（０００１）面から［１−１００］方向±１５°以内の範囲となるように形成する方法を、図２０を基に説明する。

図２０中実線は、オフ角形成後の種結晶、および、この種結晶における各方向を表す。また、図２０中２点鎖線は、オフ角形成前の種結晶、および、この種結晶における各方向（想像線）を表す。図２０中２点鎖線で示す各方向は、図２０中実線で示す各方向を種結晶表面に投影したものである。

図２０に示すように、［１１−２０］方向を回転軸として、種結晶表面の法線［０００１］方向がθ°傾くようにオフ角θを設ける。オフ角θは、オフ角形成前の種結晶の表面、つまり（０００１）面において［１−１００］方向に形成するのが特に好ましいが、許容できる範囲がある。この範囲は、オフ角形成後の法線を回転軸とし、この法線方向から［１−１００］方向に向けて９０°回転した方向（オフ角形成後の結晶表面における［１−１００］方向の投影線）を中心として、±１５°以内となる方向である。

また、上記課題を解決する本発明の他の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法は、ケイ素（Ｓｉ）および炭素（Ｃ）を含む反応雰囲気下で、ＳｉＣ種結晶の（１１１）面に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させる結晶成長工程を備え、
前記ＳｉＣ種結晶は、（１１１）面にオフ角が形成された３Ｃ−ＳｉＣであり、
前記オフ角は（１１１）面から［１１−２］または［−１−１２］方向±１５°の範囲となるように形成されている方法である。この場合にも、図２０に示す方法と同様に、オフ角の形成方向を設定すれば良い。

これらの本発明の製造方法によると、双晶の少ない３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得ることができる。これは、後述するように、２種の３Ｃ−ＳｉＣの成長速度が結晶方位に依存して異なることによると考えられる。また、本発明の製造方法によると、結晶成長自体を特殊な方法でおこなうのではないため、大きな３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を容易に得ることができる。

本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法は、下記の（１）〜（４）の何れかを備えるのが好ましく、（１）〜（４）の複数を備えるのがより好ましい。
（１）前記結晶成長工程において、前記種結晶をケイ素（Ｓｉ）および炭素（Ｃ）を含む原料溶液中で液相成長法によりステップフロー成長させる。
（２）前記ＳｉＣ種結晶として６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣを用いる場合、前記オフ角は（０００１）面から［１−１００］方向±１０°の範囲となるように形成されている。
（３）前記ＳｉＣ種結晶として３Ｃ−ＳｉＣを用いる場合、前記オフ角は（１１１）面から［１１−２］または［−１−１２］方向±１０°の範囲となるように形成されている。

上記課題を解決する本発明の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶は、上述した本発明の製造方法の何れかで製造されたものであり、積層順序の異なる２種の３Ｃ−ＳｉＣ結晶の一方を他方に比べて多く含むものである。

本発明の製造方法によると、２種の３Ｃ−ＳｉＣの一方を優先的に成長させつつ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を製造することができる。本発明の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶は２種の３Ｃ−ＳｉＣの一方を他方に比べて多く含むものであり、結晶欠陥の低減したものである。

３Ｃ−ＳｉＣにおける原子の積層順序を模式的に表す説明図である。 ３Ｃ−ＳｉＣにおける原子の積層順序を模式的に表す説明図である。 ４Ｈ−ＳｉＣにおける原子の積層順序を模式的に表す説明図である。 ６Ｈ−ＳｉＣにおける原子の積層順序を模式的に表す説明図である。 ３Ｃ−ＳｉＣの双晶を模式的に表す説明図である。 双晶が形成されている３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のノマルスキー型微分干渉顕微鏡による顕微鏡像である。 図６の顕微鏡像を基に得たＥＢＳＤマップ像である。 ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の結晶方位と結晶成長速度との関係を模式的に表す説明図である。 ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を６Ｈ−ＳｉＣ種結晶における［１１−２０］方向にステップフロー成長させた様子を模式的に表す説明図である。 ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を６Ｈ−ＳｉＣ種結晶における［１−１００］方向にステップフロー成長させた様子を模式的に表す説明図である。 実施形態で用いた単結晶成長装置を模式的に表す説明図である。 試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法における結晶成長の手順を表す説明図である。 試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のＳＥＭ像である。 図１３のＳＥＭ像で示した各領域を、ＥＢＳＤを用いて方位マッピングを行った結果である。 試験２の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のＳＥＭ像である。 図１５のＳＥＭ像で示した各領域を、ＥＢＳＤを用いて方位マッピングを行った結果である。 試験３の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のＳＥＭ像である。 図１７のＳＥＭ像で示した各領域を、ＥＢＳＤを用いて方位マッピングを行った結果である。 温度勾配を設けた液相で６Ｈ−ＳｉＣ種結晶上に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を成長させた場合の、温度勾配の大きさと３Ｃ−ＳｉＣ結晶層の占有率（％）との関係を表すグラフである。 本発明の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法におけるオフ角の形成方向を説明する説明図である。

本発明の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法によると、双晶の発生を抑制しつつＳｉＣ種結晶上に３Ｃ−ＳｉＣを結晶成長させることができる。この理由は明らかではないが、以下のように推測される。

二次元核形成による３Ｃ−ＳｉＣの結晶成長においては、下層の積層順序を継承する立方晶配置に核形成し易いことが報告されている。このことは、ＡＮＮＮＩ（Ａｘｉａｌ Ｎｅｘｔ−Ｎｅａｒｅｓｔ Ｎｅｉｇｈｂｏｒ Ｉｓｉｎｇ）モデルを用いた計算により裏づけられている。図３に示すように、４Ｈ−ＳｉＣ（ＡＢＣＢＡＢＣＢ…）には、ＡＢＣ…とＣＢＡ…の２種類の積層順序が１：１で存在する。また、図４に示すように、６Ｈ−ＳｉＣ（ＡＢＣＡＣＢ…）は、ＡＢＣ…とＡＣＢ…の二種類の積層順序が１：１で存在する。このため、４Ｈ−ＳｉＣや６ＨーＳｉＣの（０００１）面上に３Ｃ−ＳｉＣを結晶成長させる場合には、図５に示すように、ＡＢＣＡＢＣＡＢＣ…という積層順序の３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）と、ＡＣＢＡＣＢＡＣＢ…という積層順序の３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）が同時に形成される。このような３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）、および３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）は、互いに鏡面対称構造を持つため、双晶と呼ばれる。双晶の境界には結晶欠陥（ＤＰＢ）が形成される。

なお、３Ｃ−ＳｉＣを種結晶として用いる場合にも、一方の積層順序のみを保ったままで３Ｃ−ＳｉＣを大きく成長させるのは困難である。何かのきっかけで上述した（Ｉ）と（ＩＩ）とが入れ替わる可能性があるためである。

参考までに、双晶が形成されている３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をノマルスキー型微分干渉顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ ＢＨ２−ＵＭＡ）により撮像した顕微鏡像を図６に示す。図６に示すように、双晶が形成されている３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の表面には、３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）および３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）が確認される。そして３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）と３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）との間には、結晶欠陥が確認される。この顕微鏡像を基に得たＥＢＳＤマップ像を図７に示す。図７に示すように、このような３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の表面には、３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）からなる領域と、３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）からなる領域とがモザイク状にランダムに配置されている。

本発明の発明者等は、鋭意研究の結果、３Ｃ−ＳｉＣが結晶成長する際の方位依存性を利用することで双晶を抑制し得ることを見出した。つまり、３Ｃ−ＳｉＣには結晶成長の速い方向と、遅い方向とがある。そして、図５および図６に示すように、種結晶上における３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）の結晶方位と、３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）の結晶方位とは、互いに異なっている。このため、例えば３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）にとって成長速度の速い方向に３Ｃ−ＳｉＣ結晶を成長させれば、３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）を３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）に優先して成長させることができ、３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）の成長を抑制し得る。また、例えば３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）で３Ｃ−ＳｉＣ（ＩＩ）を覆えば、３Ｃ−ＳｉＣ（Ｉ）でその殆ど（または全て）が占められた３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得ることが可能である。逆もまた同様である。このような結晶成長をおこなうためには、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させて、結晶成長方向を望み通りの方向に誘導するのが有効である。

図８を参照して本発明の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法をより具体的に説明する。３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の構造上、ステップフロー方向に沿って［１−１０］方向を向く３Ｃ−ＳｉＣと［−１１０］方向を向く３Ｃ−ＳｉＣとのステップ進展速度は等価となる。一方、ステップフロー方向に沿って［１１−２］方向を向く３Ｃ−ＳｉＣと［−１−１２］方向を向く３Ｃ−ＳｉＣとでは、［−１−１２］方向がステップフロー方向となる３Ｃ−ＳｉＣのステップ進展速度の方が大きくなる。このため、この場合には、一方の積層順序の３Ｃ−ＳｉＣが他方の積層順序の３Ｃ−ＳｉＣを覆いながら成長していき、最終的に一方の積層順序の３Ｃ−ＳｉＣが得られると予想される。

ところで、図９および図１０に示すように、６Ｈ−ＳｉＣ上に３Ｃ−ＳｉＣを成長させた場合のそれぞれの結晶構造を比較すると、３Ｃ−ＳｉＣの［１−１０］方向と［−１１０］方向は６Ｈ−ＳｉＣの［１１−２０］方向に相当し、３Ｃ−ＳｉＣの［１１−２］方向と［−１−１２］方向は、６Ｈ−ＳｉＣの［１−１００］方向に相当する。通常市販されているオフ基板（ＳｉＣ基板）は、［１１−２０］方向にオフ角を設けた結晶である。このオフ基板を種結晶として用いる場合、図９に示すように、種結晶上に３Ｃ−ＳｉＣを結晶成長させると、［１−１０］方向に進展する３Ｃ−ＳｉＣと［−１１０］方向に進展する３Ｃ−ＳｉＣからなるステップとが同じ速度で進展するため、異なる積層順序からなる２種の３Ｃ−ＳｉＣ結晶（双晶）が維持されたままで３Ｃ−ＳｉＣ単結晶が結晶成長する。

本発明の発明者等は、［１−１００］方向にオフ角を設けた６Ｈ−ＳｉＣ単結晶（または４Ｈ−ＳｉＣ単結晶）からなるオフ基板上で３Ｃ−ＳｉＣを結晶成長させることにより、双晶を抑制し得ることを見出した。

例えば、図１０に示すように、（０００１）面から［１−１００］方向にオフ角を設けた６Ｈ−ＳｉＣ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させる。すると、このオフ基板、つまり種結晶上に二次元核成長した３Ｃ−ＳｉＣのステップフロー方向は［１１−２］または［−１−１２］方向になる。この場合、上述した結晶成長速度の方位依存性により、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶は成長速度の速い方位をステップフロー方向に向けるか、または、成長速度の遅い方位をステップフロー方向に向ける。したがって、成長速度の遅い方位をステップフロー方向に向けた３Ｃ−ＳｉＣ単結晶（図１０中左側の結晶）は、成長速度の速い方位をステップフロー方向に向けた３Ｃ−ＳｉＣ単結晶（図１０中右側の結晶）によって覆われる。

このため、このような本発明の製造方法で得られる３Ｃ−ＳｉＣ単結晶においては、一方の３Ｃ−ＳｉＣ結晶に比べて他方の３Ｃ−ＳｉＣ結晶の量が著しく少なくなるか、或いは、一方の３Ｃ−ＳｉＣ結晶のみが結晶成長する。よって、本発明の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法によると、双晶の大きく低減した３Ｃ−ＳｉＣを得ることができる。種結晶として４Ｈ−ＳｉＣを用いる場合にも同様である。

種結晶として３Ｃ−ＳｉＣを用いる場合には、（１１１）面から［−１−１２］または［１１−２］方向にオフ角を設けた３Ｃ−ＳｉＣ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させれば良い。

ところで、上述したオフ角の方向は、６Ｈ−ＳｉＣ種結晶と４Ｈ−ＳｉＣ種結晶における［１−１００］方向、および、３Ｃ−ＳｉＣ種結晶における［１１−２］方向および［１１−２］方向に必ずしも一致している必要はない。上述したように、双晶の結晶成長速度が等価になる方向、つまり、６Ｈ−ＳｉＣ結晶および４Ｈ−ＳｉＣ結晶における［１１−２０］方向、および３Ｃ−ＳｉＣ結晶における［１−１０］方向にオフ角を設け、当該方向に結晶成長させれば、双晶を抑制し難い。しかし、これ以外の方向に結晶成長させれば、双晶の少なくとも一部を抑制することが可能である。双晶をさらに抑制するためには、オフ角は６Ｈ−ＳｉＣ結晶および４Ｈ−ＳｉＣ結晶における［１−１００］方向、および３Ｃ−ＳｉＣ結晶における［１１−２］方向または［−１−１２］方向に近い角度で設けるのが好ましい。

具体的には、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶または４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を種結晶として用いる場合には、（０００１）面から［１−１００］方向±１５°の範囲となるようにオフ角を形成するのが好ましい。六方晶である６Ｈ−ＳｉＣ単結晶または４Ｈ−ＳｉＣ単結晶においては［１１−２０］方向と［１−１００］方向とが３０°毎に交互にあらわれる。このため、［１−１００］方向を中心として［１１−２０］方向との境界である±１５°までの範囲でオフ角を設ければ、双晶の発生を抑制できるためである。３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を種結晶として用いる場合には、（１１１）面から［１１−２］方向または［−１−１２］±１５°の範囲となるようにオフ角を形成するのが好ましい。立方晶である３Ｃ−ＳｉＣ単結晶においては［１１−２］方向または［−１−１２］方向と、［１−１０］方向とが３０°毎に交互にあらわれる。このため、［１１−２］方向または［−１−１２］方向を中心として［１−１０］方向との境界である±１５°の範囲でオフ角を設ければ、双晶の発生を抑制できる。

さらに好ましくは、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶または４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を種結晶として用いる場合には、（０００１）面から［１−１００］方向±１０°の範囲となるようにオフ角を形成するのが良く、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を種結晶として用いる場合には、（１１１）面から［１１−２］または［−１−１２］方向±１０°の範囲となるようにオフ角を形成するのが良い。更には、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶または４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を種結晶として用いる場合には、（０００１）面から［１−１００］方向±５°の範囲となるようにオフ角を形成するのが良く、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を種結晶として用いる場合には、（１１１）面から［１１−２］または［−１−１２］方向±５°の範囲となるようにオフ角を形成するのが好ましい。なお、種結晶としては、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶を用いるのが好ましい。

なお、本発明の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶成長方法は、液相成長法を用いても良いし気相成長法を用いても良い。気相成長法に関しては、化学気相蒸着（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や、物理気相成長（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の一般的な方法を用いることができる。例えば、シランガスおよび炭化水素系ガスを原料ガスとして用いたＣＶＤ法により、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得ることができる。また、ＰＶＤ法（昇華法とも呼ばれる）によりＳｉＣ単結晶成長をおこなう場合、ＳｉＣ粉末を原料とし、２０００℃以上の高温で原料を昇華させ、ＳｉとＣとからなる蒸気を低温にした種結晶上で過飽和にして、ＳｉＣ単結晶を析出させることができる。

液相成長法を用いる場合、原料溶液として、ＳｉおよびＣを含む溶液を用いる。この原料溶液（ＳｉＣ溶液）に種結晶を接触させて、少なくとも種結晶近傍の溶液を過冷却状態にする。このことで、原料溶液のＣ濃度が種結晶近傍において過飽和状態になるようにし、種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長（主としてエピタキシャル成長）させる。液相成長法では、熱平衡状態に近い環境で結晶成長が進行するため、積層欠陥などの欠陥の密度が低い良質な３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得ることが可能である。また、比較的低温で結晶成長をおこなうことが可能であるため、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得るのに有利である。なお、原料溶液の材料は特に限定されず、一般的なものを使用することができる。例えば、原料溶液のＳｉ源としては、ＳｉまたはＳｉ合金を用いることができる。具体的には、Ｓｉを主成分とし、Ｃｒ、Ｓｃ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｏ、Ｂ、Ｄｙ、Ｙ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｆｅから選ばれる少なくとも一種を加えた合金融液等である。原料溶液のＣ源としては、黒鉛、グラッシーカーボン、ＳｉＣ、メタン、エタン、プロパン、アセチレンなどの炭化水素ガス、および、下記に上げる元素Ｘの炭化物（Ｘ＝Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂｒ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｔｈ、Ｕ、Ｐｕ）から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。何れの場合にも、種結晶の表面に種結晶の多形の種類に応じた方向でオフ角を設けて、ステップフロー方向を制御しつつ結晶成長させれば、上述したように双晶の低減した３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得ることができる。

オフ角は、一般的な切削加工によって形成することができるが、これに限らず種々の方法で形成することができる。なお、ステップフロー方向におけるステップの幅（テラス幅）は、大きい方が好ましい。テラス幅が小さいと、ステップ上における３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の二次元核成長が生じ難くなるためである。したがって、種結晶に設けるオフ角は、これらを勘案して、上述した所定の範囲内で適宜設定するのが良い。参考までに、テラス幅の好ましい範囲は７μｍ以上であり、より好ましくは１０μｍ以上である。

種結晶は、ＳｉＣ単結晶であれば良く、３Ｃ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣに代表される種々の結晶を用いることができる。

（実施形態）
以下、具体例を挙げて、本発明のＳｉＣ単結晶およびその製造方法を説明する。

（試験１）
高周波加熱グラファイトホットゾーン炉を用いて、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を製造した。この単結晶成長装置を模式的に表す説明図を図１１に示す。単結晶成長装置２０は、カーボン製の坩堝２１と、この坩堝２１を加熱する加熱要素２２と、坩堝２１の内部に対して進退可能である保持要素２３と、坩堝２１を回転させる坩堝駆動要素２４と、これらを収容するチャンバー（図略）とを持つ。坩堝２１は上方に開口する有底の略円筒状をなす。坩堝２１の内径は３３ｍｍ（または４５ｍｍ）であり、深さは５０ｍｍである。加熱要素２２は誘導加熱式のヒータである。加熱要素２２はコイル状の導線２５と、導線２５と図略の電源とを接続する図略のリード線とを持つ。導線２５は坩堝２１の外側に巻回されて、坩堝２１と同軸的なコイルを形成している。保持要素２３は、ロッド状をなすディップ軸部２６と、ディップ軸部２６を長手方向（図６中上下方向）に進退させるとともにディップ軸部２６を回転させるディップ軸駆動要素２７と、を持つ。ディップ軸部２６の直径は１０ｍｍであり、ディップ軸部２６の長手方向の一端部（図１１中下端部）には種結晶１を保持可能な保持部２８が形成されている。

試験１においては、この単結晶成長装置を用い、溶液引き上げ（ＴＳＳＧ：Ｔｏｐ Ｓｅｅｄｅｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｇｒｏｗｔｈ）法に基づいて、種結晶１を坩堝２１の中の原料溶液２９に浸すことで結晶成長させた。試験１における結晶成長の手順を図１２に示す。

より具体的には、カーボン製の坩堝２１（新日本テクノカーボン社製、ＩＧＳ−７４３ＫＩＩ）中でＳｉ（純度１１Ｎ、株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ製）を加熱要素２２により加熱することで、坩堝２１に含まれるＣを坩堝２１中のＳｉ融液に溶出させて、原料溶液２９を得た。なお、前処理として、ＳｉＣ種結晶およびＳｉ原料は予め、メタノール、アセトン、および精製水中（１８ＭΩ／ｃｍ）でそれぞれ超音波洗浄した。

単結晶成長装置２０における加熱要素２２の設定温度は１６５０℃であった。加熱要素２２の加熱開始後、２７分間で坩堝２１における原料溶液２９の液面近傍における温度が１４５０℃になるまで昇温した。その後、ＳｉＣ種結晶１（以下、単に種結晶１と呼ぶ）を保持したディップ軸部２６を坩堝１中に挿入した（図１１）。その後４分間で坩堝２１中の種結晶保持位置における原料溶液２９の温度を１６５０℃にまで上昇させた。これは、種結晶１の表面を融解させることで種結晶１を清浄化するためである。このとき、坩堝２１中には、最も高温である坩堝２１の内底壁から種結晶１までの間に、３７℃の温度差が形成された。つまり、坩堝２１中に収容されている原料溶液２９は、坩堝２１の内底壁近傍において最も高温である。坩堝２１の内底壁から軸方向すなわち図６に示す上方向に離れる程、原料溶液２９の温度は低くなる。

なお、３Ｃ−ＳｉＣの成長を促進するために、種結晶の結晶成長開始前にチャンバー内部にＮ_２とＨｅの混合ガス（Ｎ_２：Ｈｅ＝１：１００）を供給した。加熱中はこの混合ガスの供給を停止した（無フロー）。

種結晶１としては、気相成長法（昇華法）で製造された６Ｈ−ＳｉＣ単結晶（５ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．３５ｍｍ）を用いた。この６Ｈ−ＳｉＣ単結晶には、切削加工により、［１−１００］方向に４°のオフ角が設けられていた。この種結晶を、図１１に示すように、オフ角を形成した（０００１）面が坩堝２１中の原料溶液２９に対面するように種結晶１を保持部２８に取り付け、ディップ軸駆動要素２７によりディップ軸部２６を坩堝２１の内部に向けて進行させ、種結晶１を原料溶液２９に浸漬した。上述したように、原料溶液２９には温度差が形成されている。原料溶液２９中の低温である領域に種結晶１を保持することで、種結晶１の表面にＳｉＣ結晶が成長した。

なお、結晶成長は坩堝加速回転法（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｃｒｕｃｉｂｌｅ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ＡＣＲＴ）に基づいておこなった。具体的には、結晶成長中は、坩堝駆動要素２４によって坩堝２１を回転させるとともに、ディップ軸駆動要素２７によりディップ軸部２６を回転させた。坩堝２１の回転方向とディップ軸部２６の回転方向とは逆方向であり、坩堝２１と種結晶１とは相対的に逆方向に回転した。坩堝２１およびディップ軸部２６の回転方向は１５秒毎に交互に切換えた。このときの回転速度（最高速度）は約２０ｒｐｍであった。

成長開始（つまり原料溶液２９を１６５０℃に保持した後）から１０時間後、ディップ軸駆動要素２７によりディップ軸部２６を上方に移動させ、結晶成長した種結晶１（つまりＳｉＣ単結晶１０）を原料溶液２９から引き上げた。引き上げたＳｉＣ単結晶１０は、表面に残存する原料溶液２９を除去するため、ＨＮＯ_３とＨＦとの混液（ＨＮＯ_３：ＨＦ＝２：１）でエッチングした。以上の工程で、試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶１０を得た。なお、種結晶の引き上げ後、種結晶がチャンバー内にある状態で、加熱要素２２により、１時間かけて坩堝２１内の温度を７００℃にまで降温させた。また、チャンバー内部にＨｅガスを供給した。降温によるチャンバー内の減圧による大気の混入を防ぐためである。試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法で用いた種結晶には、（０００１）面に対して４°のオフ角を形成している。上述したように短時間の成長を行い、３Ｃ−ＳｉＣの成長が生じたときのテラス幅はおよそ１１μｍであり、このオフ角から算出される、ステップの高さはおよそ７６０ｎｍであった。

（試験２）
試験２の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法は、種結晶として、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶に［１１−２０］方向に４°のオフ角を設けものを用いたこと以外は試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法と同じ方法である。試験２の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法により試験２の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得た。参考までに、試験２で用いた種結晶１の大きさは５ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍであった。

（試験３）
試験３の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法は、種結晶として、オフ角を設けていない６Ｈ−ＳｉＣ単結晶（所謂、（０００１）オン−アクシス基板）を用いたこと以外は、試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法と同じ方法である。試験３の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法により試験３の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得た。参考までに、試験３で用いた種結晶１の大きさは５ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍであった。

〔評価試験〕
試験１〜試験３の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶に関し、双晶が発生しているか否かを評価した。多形の判別はラマン散乱測定と電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）を用いて行った。また、結晶方位の判別はＥＢＳＤで行った。

試験１〜試験３の各３Ｃ−ＳｉＣ単結晶に関し、結晶成長表面に成長した成長層に対してラマン分光分析を行った。その結果、厚さ方向のいずれの位置においてもＳｉＣ単結晶の３Ｃ構造を示すピークが得られた。すなわち、得られた成長層は、何れも３Ｃ−ＳｉＣ単結晶であった。

試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のＳＥＭ像を図１３に示し、試験２の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のＳＥＭ像を図１５に示し、試験３の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のＳＥＭ像を図１７に示す。

図１３に示すように、［１−１００］方向にオフ角を設けた試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶では、ステップフロー方向と垂直な方向に短冊状に延びたステップが形成していた。また、図１５に示すように、［１１−２０］方向にオフ角を設けた試験２の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶では、ステップフロー方向に短冊状に延びたドメインが形成した。つまり、試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶、および、試験２の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の何れにも、ステップフロー方向にステップフロー成長した痕跡が認められた。

これに対して、図１７に示すように、種結晶にオフ角を設けなかった（オン−アクシスの）試験３の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶における結晶表面には、平坦な部分が多かった。

さらに、図１３のＳＥＭ像で示した各領域について、ＥＢＳＤを用いて方位マッピングを行った結果を図１４に示す。図１５のＳＥＭ像で示した各領域について、ＥＢＳＤを用いて方位マッピングを行った結果を図１６に示す。図１７のＳＥＭ像で示した各領域について、ＥＢＳＤを用いて方位マッピングを行った結果を図１８に示す。なお、試験はＥＤＡＸ社製 ＯＩＭ（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）ＴＭを用いて、加速電圧１０ｋＶで、１０μｍ間隔で測定した。

図１４、図１６および図１７中の淡色の領域と濃色の領域とには、それぞれ結晶方位の異なる３Ｃ−ＳｉＣ結晶が存在する。種結晶にオフ角を設けなかった試験３では、結晶方位に依存せずに双晶が形成していた。また、［１１−２０］方向にオフ角を設けた試験２の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶においては、ＳＥＭで認められたドメインの形状に沿って、双晶が形成していた。一方、［１−１００］方向にオフ角を設けた試験１の３Ｃ−ＳｉＣにおいては、単一の積層周期の３Ｃ−ＳｉＣのみが観察された。このように、［１−１００］方向にステップが進展するようにステップフロー成長を行うことで、ステップフロー方向に対して［−１−１２］方向を向く３Ｃ−ＳｉＣを優先的に成長させることができ、２種の３ＣーＳｉＣの結晶方位に基づいたステップ進展速度の差によって、一方の積層周期の３Ｃ−ＳｉＣ結晶を低減し、ひいては双晶を低減することができたと考えられる。また、試験１の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶においては双晶が認められなかったため、本発明の３Ｃ−ＳｉＣの製造方法によると双晶の発生を大きく低減できることがわかる。より具体的には、本発明の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法によると、ＳＥＭ像において、結晶表面の８０面積％以上を双晶の一方が占められている３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得ることが可能である。

参考までに、従来製造されていた３Ｃ−ＳｉＣ単結晶において、ＤＰＢで囲まれた結晶は１００×１００μｍ^２程度の大きさであった。これに対して、本発明の製造方法によると、５×２ｍｍ^２程度の大面積で、双晶のほぼない（つまり結晶欠陥のほぼない）３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得ることに成功している。

ところで、液相成長法で３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を結晶成長させる場合、液相（すなわち原料溶液）に所定以上の温度差を設けることにより、３Ｃ−ＳｉＣを他の多形（例えば６Ｈ−ＳｉＣ単結晶）に優先して成長させることが可能である。図１９に示すように、液相に１０℃、１９℃、３７℃の温度差を設けた場合、温度差が１０℃の場合には、得られた結晶に含まれる多形の約５９％が３Ｃ−ＳｉＣとなった。同様に、温度差が１９℃の場合には約８７％が３Ｃ−ＳｉＣとなり、温度差が３７℃の場合には約１００％が３Ｃ−ＳｉＣとなった。液相にこのような温度差を設けることで、種結晶付近における炭素飽和度を３Ｃ−ＳｉＣの結晶成長に適した飽和度にすることができたと考えられる。そして、その結果、６Ｈ−ＳｉＣ等の多形を抑制して３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得ることができたと考えられる。

なお、上述した温度差が７１℃を超えると、ＳｉＣ単結晶の表面形状が荒れたり、３Ｃ−ＳｉＣ以外の多形の成長が生じたりする可能性がある。このため、温度差の上限は７１℃以下であるのが好ましい。

このように、液相に所定の温度差を設けることで、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をより高確率で得ることができる。具体的には種結晶の結晶成長面付近における液相の温度差が１９℃以上であれば、３Ｃ−ＳｉＣ以外の種結晶を用いつつ多形の殆ど無い３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を得ることができる。多形を更に抑制するためには、液相の温度差を２３℃〜７１℃の範囲内にするのがより好ましく、３７℃〜７１℃の範囲内にするのがさらに好ましい。

なお、ここでいう液相の温度差とは、坩堝２１のうち最も高温なカーボン溶解部（実施形態においては坩堝２１のなかで内底の部分）付近に位置する原料溶液の温度と、種結晶１の表面付近における原料溶液の温度との差を指す。この温度差は、坩堝２１におけるカーボン溶解部の温度と、種結晶１の表面温度との差で代替することもできる。温度差は、実測値でも良いし演算値でも良い。また、液相の温度勾配とは、上述した２つの位置の温度差を、坩堝２１のカーボン溶解部から種結晶１の表面までの距離で割った値を指す。なお、種結晶に対する温度勾配の方向は特に限定しない。例えば、結晶成長面、つまり、（０００１）面に対して垂直な方向に温度勾配を設けても良いし、平行な方向に温度勾配を設けても良い。参考までに、過飽和度は、カーボン溶解部近傍におけるＳｉ融液のカーボン溶解度と、種結晶の結晶成長面近傍におけるＳｉ融液のカーボン溶解度とを用いて算出することができる。より具体的には、種結晶の結晶成長面近傍におけるＳｉ融液のカーボン溶解度とは、結晶成長面に隣接する位置におけるＳｉ融液のカーボン溶解度を指す。カーボン溶解度は温度に応じた一定の値であるため、カーボン溶解部の温度および種結晶の結晶成長面近傍の温度を実測または演算することで、カーボン溶解度を算出し、ひいてはカーボン過飽和度を算出することができる。試験１〜試験３において、上述した温度差は３７℃であり、カーボン過飽和度は０．３６であった。
（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

１：ＳｉＣ種結晶 １０：ＳｉＣ単結晶
２０：単結晶成長装置 ２１：坩堝 ２２：加熱要素
２３：保持要素 ２４：坩堝駆動要素 ２５：導線
２６：ディップ軸部 ２７：ディップ軸駆動部 ２８：保持部
２９：原料溶液

Claims (6)

1. ケイ素（Ｓｉ）および炭素（Ｃ）を含む反応雰囲気下で、ＳｉＣ種結晶の（０００１）面に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させる結晶成長工程を備え、
   前記ＳｉＣ種結晶は、（０００１）面にオフ角が形成された６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣであり、
   前記オフ角は（０００１）面から［１−１００］方向±１５°の範囲となるように形成されている３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法。
2. ケイ素（Ｓｉ）および炭素（Ｃ）を含む反応雰囲気下で、ＳｉＣ種結晶の（１１１）面に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をステップフロー成長させる結晶成長工程を備え、
   前記ＳｉＣ種結晶は、（１１１）面にオフ角が形成された３Ｃ−ＳｉＣであり、
   前記オフ角は（１１１）面から［１１−２］または［−１−１２］方向±１５°の範囲となるように形成されている３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法。
3. 前記結晶成長工程において、前記種結晶をケイ素（Ｓｉ）および炭素（Ｃ）を含む原料溶液で液相成長法によりステップフロー成長させる請求項１または請求項２に記載の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法。
4. 前記オフ角は（０００１）面から［１−１００］方向±１０°の範囲となるように形成されている請求項１または３に記載の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法。
5. 前記オフ角は（１１１）面から［１１−２］または［−１−１２］方向±１０°の範囲となるように形成されている請求項２または３に記載の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の製造方法。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の方法で製造されてなり、積層順序の異なる２種の３Ｃ−ＳｉＣ結晶の一方を他方に比べて多く含む３Ｃ−ＳｉＣ単結晶。

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