KR101793798B1

KR101793798B1 - 벌크 탄화규소 단결정 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101793798B1
Application number: KR1020157012124A
Authority: KR
Inventors: 신야 사토; 다츠오 후지모토; 히로시 츠게; 마사카즈 가츠노
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2017-11-03
Also published as: US20150267319A1; US10119200B2; JP6239490B2; CN104704150B; EP2921575A1; CN104704150A; JP2015091755A; JP5692466B2; WO2014077368A1; US20190024257A1; EP2921575A4; JPWO2014077368A1; KR20150068981A

Abstract

승화 재결정법으로 성장시킨 벌크의 탄화규소 단결정으로부터 잘라내진 기판이며, 기판을 절반으로 하는 어느 편측의 반원 영역 내에서 발생한 나선 전위가, 나머지의 반원 영역에서 발생한 나선 전위에 비해 적어, 부분적으로 나선 전위가 저감된 탄화규소 단결정 기판 및 그 제법을 제공한다. 승화 재결정법으로 성장시킨 벌크의 탄화규소 단결정으로부터 잘라내진 탄화규소 단결정 기판이며, 상기 기판을 절반으로 하는 편측의 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 나머지의 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 80％ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 기판 및 그 제법이다.

Description

벌크 탄화규소 단결정 및 그 제조 방법 {SILICON CARBIDE BULK SINGLE CRYSTAL AND PROCESS FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 승화 재결정법으로 성장시킨 벌크의 탄화규소 단결정으로부터 잘라내진 탄화규소 단결정 기판에 관한 것으로, 상세하게는, 기판을 절반으로 하는 어느 편측의 반원 영역 내에서 발생한 나선 전위가, 다른 쪽의 반원 영역에서 발생한 나선 전위에 비해 적고, 부분적으로 나선 전위가 저감된 탄화규소 단결정 기판 및 그 제법에 관한 것이다.

탄화규소(SiC)는 2.2∼3.3eV의 넓은 금제대폭을 갖는 와이드 밴드 갭 반도체이며, 그 우수한 물리적, 화학적 특성으로부터, 내환경성 반도체 재료로서 연구 개발이 행해지고 있다. 특히 최근에는, 청색으로부터 자외에 걸친 단파장 광 디바이스, 고주파 전자 디바이스, 고내압·고출력 전자 디바이스 등의 재료로서 주목받고 있고, SiC에 의한 디바이스(반도체 소자) 제작의 연구 개발이 활발해지고 있다.

SiC 디바이스의 실용화를 진행시키는 데 있어서는, 대구경의 SiC 단결정을 제조하는 것이 불가결하고, 그 대부분은, 승화 재결정법(레일리법, 또는 개량형 레일리법)에 의해 벌크의 SiC 단결정을 성장시키는 방법이 채용되어 있다. 즉, 도가니 내에 SiC의 승화 원료를 수용하고, 도가니의 덮개에는 SiC 단결정을 포함하는 종결정을 설치하여, 원료를 승화시킴으로써, 재결정에 의해 종결정 상에 SiC 단결정을 성장시킨다. 그리고, 대략 원기둥 형상을 한 SiC의 벌크 단결정(SiC 단결정 잉곳)을 얻은 후, 일반적으로는, 300∼600㎛ 정도의 두께로 잘라냄으로써 SiC 단결정 기판이 제조되고, 전력 일렉트로닉스 분야 등에서의 SiC 디바이스의 제작에 제공되고 있다.

그런데, SiC 단결정 중에는, 마이크로 파이프라고 불리는 성장 방향으로 관통한 중공 홀 형상 결함의 이외에, 전위 결함, 적층 결함 등의 결정 결함이 존재한다. 이들 결정 결함은 디바이스 성능을 저하시키기 때문에, 그 저감이 SiC 디바이스의 응용상에서 중요한 과제로 되어 있다.

이 중, 전위 결함에는, 관통 에지상 전위, 기저면 전위 및 나선 전위가 포함된다. 예를 들어, 시판되어 있는 SiC 단결정 기판에서는, 나선 전위가 8×10²∼3×10³(개/㎠), 관통 에지상 전위가 5×10³∼2×10⁴(개/㎠), 기저면 전위가 2×10³∼2×10⁴(개/㎠) 정도 존재한다고 하는 보고가 있다(비특허문헌 1 참조).

최근 들어, SiC의 결정 결함과 디바이스 성능에 관한 연구·조사가 진행되고, 각종 결함이 미치는 영향이 밝혀지고 있다. 그 중에서도, 나선 전위가 디바이스의 리크 전류의 원인으로 되는 것이나, 게이트 산화막 수명을 저하시키는 것 등이 보고되어 있어(비특허문헌 2 및 3 참조), 고성능 SiC 디바이스를 제작하기 위해서는, 적어도, 나선 전위를 저감시킨 SiC 단결정 기판이 요구된다.

그리고, SiC 단결정에 있어서의 나선 전위의 저감에 관해, 예를 들어 준안정 용매 에피택시법(MSE법)에 의해 67(개/㎠)로 저감시켰다고 하는 보고예가 있다(비특허문헌 4 참조). 또한, 화학 기상 성장법(CVD법)에서의 에피택셜 성장 중에는, 나선 전위가 프랭크형의 적층 결함에 분해된다고 하는 내용이 보고되어 있다(비특허문헌 5 참조). 그러나, 이들 방법은, SiC 단결정의 성장 속도가 모두 수㎛/hr이며, 승화 재결정법에 의한 일반적인 SiC 단결정의 성장 속도의 10분의 1 이하인 점에서, 공업적 생산법으로서 확립하는 것은 어렵다.

한편, 승화 재결정법에 있어서는, 소정의 성장 압력 및 기판 온도에서 초기 성장층으로서의 SiC 단결정을 성장시킨 후, 기판 온도 및 압력을 서서히 저감시키면서 결정 성장을 행함으로써, 마이크로 파이프와 함께 나선 전위가 적은 SiC 단결정을 얻는 방법이 보고되어 있다(특허문헌 1 참조). 그러나, 이 방법에 의해 얻어진 SiC 단결정의 나선 전위 밀도는 10³∼10⁴(개/㎠)으로(특허문헌 1의 명세서 [발명의 효과]의 란 참조), 고성능 SiC 디바이스에의 응용을 고려하면, 나선 전위의 가일층의 저감이 필요하다.

또한, 소정의 성장 압력 및 기판 온도에 의해 SiC 단결정을 초기 성장층으로서 성장시킨 후, 기판 온도는 그대로 유지하고, 감압하여 성장 속도를 높여 결정 성장시킴으로써, 마이크로 파이프의 발생을 억제하고, 또한 나선 전위 등의 전위 밀도를 적게 하는 방법이 보고되어 있다(특허문헌 2 참조). 그러나, 이 방법에 의해서도, 나선 전위의 저감 효과는 불충분하다.

또한, 승화 재결정법에서는, <0001>의 버거스 벡터를 갖는 나선 전위의 이외에, 1/3 <11-20>(0001)의 버거스 벡터를 갖고 기저면 내를 전파하는 관통 에지상 전위로부터 복합 나선 전위가 생성되는 것이 보고되어 있다(비특허문헌 6 참조). 그런데, 이 현상은 결정 성장 중에 우발적으로 일어나는 것으로, 본 발명자들이 아는 한도에서는, 그것을 제어하였다고 하는 보고예는 없다.

일본 특허 공개 제2002-284599호 공보 일본 특허 공개 제2007-119273호 공보

오오타니 노보루, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제17회 강연회 예고집, 2008, p8 반도 등, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제19회 강연회 예고집, 2010, p140-141 야마모토 등, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제19회 강연회 예고집, 2010, p11-12 나가타 등, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제18회 강연회 예고집, 2009, p68-69 H. Tsuchida et al., Journal of Crystal Growth, 310, (2008), 757-765 D. Nakamura et al. Journal of Crystal Growth 304 (2007) 57-63

따라서, 본 발명자들은, 공업적 생산에 있어서 비교적 유리하다고 여겨지는 승화 재결정법을 사용하여, 나선 전위가 저감된 SiC 단결정 기판을 얻기 위해 예의 검토한 결과, 놀랍게도, 벌크의 SiC 단결정을 성장시킬 때, 그 일부에 있어서 소정의 성장 조건을 채용함으로써, 그 이후에 성장한 SiC 단결정으로부터 소정의 주면을 갖도록 잘라낸 SiC 단결정 기판에서는, 기판을 절반으로 하는 어느 편측의 반원 영역 내에서 발생한 나선 전위가, 나머지의 반원 영역에서 발생한 나선 전위에 비해 적어지는 것을 새롭게 발견하였다.

이와 같이, 부분적으로도 나선 전위가 저감된 SiC 단결정 기판이라면, 기판 내에서 디바이스의 구분 제작을 행함으로써 고성능 SiC 디바이스의 제작이 가능해지고, 또한 디바이스 제작의 수율 향상에도 도움이 되는 점에서, 본 발명을 완성시키는 데에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은, 승화 재결정법으로 성장시킨 벌크의 SiC 단결정으로부터 얻어진 기판이며, 기판을 절반으로 하는 어느 편측의 반원 영역 내에서 발생한 나선 전위가, 나머지의 반원 영역에서 발생한 나선 전위에 비해 적어, 부분적으로 나선 전위가 저감된 탄화규소 단결정 기판 및 그 제법을 제공하는 것에 있다.

즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 승화 재결정법으로 성장시킨 벌크의 탄화규소 단결정으로부터 잘라내진 탄화규소 단결정 기판이며, 상기 기판의 편측 절반의 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 나머지 절반의 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 80％ 이하인 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 기판.

(2) 상기 기판의 중심점 O를 통과하는 법선 n과 [0001] 방향이 이루는 각 θ_W가 0°초과 12°이하의 주면을 갖고 있고, 중심점 O로부터 [0001] 방향 축을 주면에 투영하여 얻어지는 가상 방향 V와 직교하는 기판의 직경을 R_⊥로 하여, 이 직경 R_⊥을 경계로 하여 좌우 2개의 반원 영역을 정의하였을 때, 어느 한쪽의 반원 영역인 제1 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 다른 쪽의 반원 영역인 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 80％ 이하인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

(3) 상기 제1 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 60％ 이하인 것을 특징으로 하는 (2)에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

(4) 상기 제1 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 50％ 이하인 것을 특징으로 하는 (2)에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

(5) 상기 제1 반원 영역을 2분하는 반경을 r_∥로 하여, 이 반경 r_∥을 사이에 두고 ±45°의 중심각을 가진 부채형 영역을 정의하였을 때, 부채형 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 40％ 이하인 것을 특징으로 하는 (2)∼(4) 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

(6) 상기 제1 반원 영역을 2분하는 반경을 r_∥로 하여, 이 반경 r_∥을 사이에 두고 ±45°의 중심각을 가진 부채형 영역을 정의하였을 때, 부채형 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 30％ 이하인 것을 특징으로 하는 (2)∼(4) 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

(7) 상기 이루는 각 θ_W에 상당하는 오프각을 갖고, 그 오프 방향 d_W가 <11-20> 방향인 (2)∼(6) 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

(8) 상기 직경 R_⊥을 포함하여 기판의 원주를 24등분하는 12개의 직경에 대해, 기판의 중심점 O를 제로로 하여 상기 중심점 O로부터 방사상으로 연신되는 24개의 반경 r₁∼r₂₄를 각각 0부터 1까지의 눈금을 가진 축으로 간주하였을 때, 상기 제1 반원 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 i)∼iii)의 합계 27의 측정점에서 측정한 값의 평균이며, 또한 상기 제2 반원 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값의 평균인 (2)∼(4) 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

i) 중심점 O

ii) a₁∼a₁₃

iii) b₁∼b₁₃

iv) a₁₄∼a₂₄

v) b₁₄∼b₂₄

(여기서, 기호 a와 b에 부여된 숫자는 반경 r₁∼r₂₄에 부여된 번호에 대응하는 것이며, 예를 들어 a₁ 및 b₁은 반경 r₁ 상에 존재하는 측정점이다. 이 중, a는 각 반경에 있어서 0 초과 0.5 이하의 눈금에 있는 측정점이며, b는 각 반경에 있어서 0.5 초과 1 이하의 눈금에 있는 측정점이다. 또한, 동일 기호를 가진 24의 측정점은, 기호 a, b마다 각각 동일원 상에 존재한다. 또한, 직경 R_⊥ 상에 있는 2개의 반경 중 하나가 r₁이며, 제1 반원 영역 내에서 이것에 인접하는 반경을 r₂로 하여 원주 방향으로 순차 반경 r의 번호를 정해 간다.)

(9) 상기 제1 반원 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 600개/㎠ 이하인 (8)에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

(10) 상기 직경 R_⊥을 포함하여 기판의 원주를 24등분하는 12개의 직경에 대해, 기판의 중심점 O를 제로로 하여 상기 중심점 O로부터 방사상으로 연신되는 24개의 반경 r₁∼r₂₄를 각각 0부터 1까지의 눈금을 가진 축으로 간주하였을 때, 상기 부채형 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 i), vi) 및 vii)의 합계 15의 측정점에서 측정한 값의 평균이며, 또한 상기 제2 반원 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값의 평균인 (5) 또는 (6)에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

i) 중심점 O

vi) a₄∼a₁₀

vii) b₄∼b₁₀

iv) a₁₄∼a₂₄

v) b₁₄∼b₂₄

(11) 상기 부채형 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 400개/㎠ 이하인 (10)에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

(12)

종결정을 사용한 승화 재결정법에 의한 탄화규소 단결정의 제조 방법이며,

(i) 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하의 제1 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제1 성장 온도에서, 적어도 두께 1㎜의 탄화규소 단결정을 성장시키는 제1 성장 공정과,

(ii) 2.6㎪ 초과 65㎪ 이하의 제2 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제2 성장 온도에서, 적어도 두께 0.5㎜의 탄화규소 단결정을 성장시키는 제2 성장 공정과,

(iii) 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하의 제3 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제3 성장 온도에서, 제1 성장 공정보다 두껍게 탄화규소 단결정을 성장시키는 제3 성장 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정의 제조 방법.

여기서, 상기 종결정은, SiC 단결정을 포함하고, 또한 (0001)면에 대해 0°초과 16°이하의 오프각 θ_S를 갖는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(13)

(iii) 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하의 제3 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제3 성장 온도에서, 제1 성장 공정보다 두껍게 탄화규소 단결정을 성장시키는 제3 성장 공정을 포함하고,

여기서, 상기 종결정은, SiC 단결정을 포함하고, 또한 (0001)면에 대해 4°초과 16°이하의 오프각 θ_S를 갖는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(14)

1시간당 13.3㎪ 이하의 압력 변화 속도로 제1 또는 제2 성장 분위기 압력으로부터 제2 또는 제3 성장 분위기 압력으로 변화시키는 (12) 또는 (13)에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(15)

1시간당 40℃ 이하의 온도 변화 속도로 제1 또는 제2 성장 온도로부터 제2 또는 제3 성장 온도로 변화시키는 (12)∼(14) 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(16)

제2 성장 공정에 있어서의 결정 성장 속도가 100㎛/hr 이하인 (12)∼(15) 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법.

본 발명의 SiC 단결정 기판은 승화 재결정법으로 얻어진 벌크의 SiC 단결정으로부터 잘라내진 것이며, 기판을 절반으로 하는 어느 편측의 반원 영역 내에서 발생한 나선 전위가, 나머지의 반원 영역에서 발생한 나선 전위에 비해 저감되고, 적합하게는 대폭으로 저감되어 있다. 그로 인해, 예를 들어 기판 내에서 디바이스의 구분 제작을 행하면, 고성능 SiC 디바이스의 제작을 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 SiC 단결정 기판을 사용하면, 상기한 바와 같은 나선 전위의 분포에 따른 디바이스 제작이 용이하게 행할 수 있는 점에서, 디바이스 제작에 있어서의 수율을 향상시킬 수 있는 등, 공업적으로 극히 유용하다.

도 1은 본 발명의 SiC 단결정 기판을 얻는 데에 사용한 벌크 SiC 단결정을 설명하는 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 SiC 단결정 기판을 설명하는 평면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 SiC 단결정 기판에 있어서의 오프각 θ_W와 오프 방향 d_W를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 육방정에 있어서의 몇 가지의 방향을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 SiC 단결정 기판에 있어서의 제1 반원 영역 및 제2 반원 영역에서 관찰되는 각각의 나선 전위 밀도의 평균값을 구할 때에 선택하는 측정점의 일례를 도시하는 평면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 SiC 단결정 기판을 얻는 데에 사용한 벌크 SiC 단결정을 제조하기 위한 단결정 제조 장치를 도시하는 단면 모식도이다.

이하, 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 있어서의 SiC 단결정 기판은, 승화 재결정법으로 성장시킨 벌크의 SiC 단결정으로부터 잘라내진 것이다. 상술한 바와 같이, MSE법에 의한 결정 성장이나 CVD법에 의한 SiC의 에피택셜 성장에 있어서, 나선 전위를 저감시키는 것에 성공한 보고예는 존재한다. 그러나, MSE법이나 CVD법에 의한 SiC의 에피택셜 성장은, 승화 재결정법에 의해 벌크의 SiC 단결정을 성장시킬 때의 일반적인 성장 속도의 10분의 1 이하이고, 본 발명과 같이, 이 벌크 SiC 단결정으로부터 잘라내어 SiC 단결정 기판을 제조하는 형태와는, 애당초 생산성의 차원이 완전히 다르다. 또한, MSE법이나 CVD법에 의한 경우에서는, 통상 기초의 SiC 기판에 대해 SiC의 에피택셜 막을 성장시켜 SiC 에피택셜 기판을 얻는다. 그로 인해, 본 발명과 같이, 승화 재결정법에 의해 성장시킨 벌크의 SiC 단결정으로부터 잘라낸 SiC 단결정 기판과는, 기판 내에서의 나선 전위의 존재 형태가 다르다. 즉, MSE법 등에 의해 얻어진 SiC 에피택셜 기판에서는, 기초의 SiC 기판에는 그대로 나선 전위가 존재하는 것에 대해, 본 발명의 SiC 단결정 기판에서는, 적어도 어느 편측의 반원 영역에 있어서는, 기판의 두께 방향에 걸쳐 나선 전위는 저감된다.

본 발명자들은, 승화 재결정법을 사용하여, 나선 전위가 저감된 SiC 단결정 기판을 얻는 수단에 대해 예의 검토를 거듭한 결과, 벌크의 SiC 단결정을 성장시킬 때, 성장 도중에 소정의 성장 조건을 채용함으로써, 나선 전위, 또는 상기한 복합 나선 전위(본 명세서에서는 이들을 통합하여 나선 전위라고 칭함)가 구조 변환되는 것을 새롭게 발견하였다.

즉, 승화 재결정법으로 형성된 벌크의 SiC 단결정에서는, 통상 종결정으로부터 승계되거나, 종결정과의 계면 등에서 발생한 나선 전위가, c축 방향에 대해 거의 나란히 존재한다. 이것을 상세하게 보면, 나선 전위는 성장 중의 등온선의 법선 방향으로 신전하는 성질을 갖고 있다. 여기서, 승화 재결정법에서는, 일반적으로, 폴리타입의 안정적인 SiC 단결정을 얻는 목적 등에서, 성장 결정의 주변부에 비해 중앙부 쪽이 낮아지는 온도 구배를 설정하도록 하고(일반적으로 중앙부 쪽이 0℃ 초과 20℃ 이하 정도 낮음), 볼록형의 결정 성장 표면을 유지하면서 벌크의 SiC 단결정을 형성한다. 즉, 성장 중의 등온선은 볼록 형상을 하고 있기 때문에, 나선 전위의 신전 방향은, 엄밀하게는 성장 결정의 표면에서 각각 다르다.

한편, 결정 중의 나선 전위는 <0001> 방향의 버거스 벡터를 포함하기 때문에, 나선 전위는 이 방향으로 신전하는 상태가 가장 안정적으로 존재하는 상태이다. 그로 인해, 나선 전위의 신전 방향이 <0001> 방향으로부터 어긋나면, 결정 격자의 변형이 증가하기 때문에 에너지가 높은 상태로 되고, 이와 같은 나선 전위는 불안정한 상태로 된다고 생각된다. 따라서, 본 발명에서는, 결정 성장의 도중에, 승화 재결정법에 있어서의 평형 상태 또는 그것에 가까운 상태를 만들어 냄으로써, 불안정한 상태에 있는 나선 전위를 구조 변환시켜, 나선 전위가 부분적으로 저감된 SiC 단결정 기판을 얻도록 한다.

즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 우선, (i) 초기 성장으로서 종결정(1) 상에 SiC 단결정의 초기 성장층(2)을 성장시키고, 계속해서, (ii) 상기한 바와 같은 평형 상태 또는 그것에 가까운 상태를 만들어 내어 구조 변환층(3)을 성장시킨다. 여기서, 승화 재결정법에 있어서의 평형 상태 또는 그것에 가까운 상태라 함은, 도가니 내에서 SiC 승화 원료가 승화되어 재결정화될 때의 원자의 부착량과, 결정 표면으로부터 원자가 이탈하는 이탈량의 차가 작은 상태이다. 그로 인해, (i)의 초기 성장층(2)이나, 이 이후에 성장시키는 (iii)의 주된 성장 결정(4)의 경우보다도 훨씬 성장 속도가 느려진다. 이때, 초기 성장층(2)에서 발생한 나선 전위(6) 중, 에너지적으로 불안정한 것은 결정 성장 방향으로의 신전이 멈추고, 적층 결함(7)이나 기저면 전위(도시 생략)라고 하는 보다 안정적인 상태로 구조 변환된다. 그 중에서도, 종결정(1)의 오프각 θ_S에 유래되는 오프 방향 d_S의 반대측의 영역에서는, 나선 전위(6)의 신전 방향과 <0001> 방향의 방위 차가 크기 때문에, 이 영역에 존재하는 나선 전위(6)는 보다 불안정한 상태로 되고, 상기한 바와 같은 구조 변환이 발생할 확률이 높아진다고 생각된다.

또한, 적층 결함이나 기저면 전위의 신전 방향은, 결정 성장 방향에 대해 거의 수직이기 때문에, 성장이 진행됨에 따라 결정의 외측으로 배출된다. 따라서, 승화 재결정법에 있어서 이와 같은 구조 변환을 사용하면, (iii) 그 이후에 성장시킨 주된 성장 결정(4)에서는 나선 전위(6)가 적어지고(적층 결함 등도 포함되지 않고), 종단면에 있어서의 편측 절반의 영역에서 나선 전위가 저감된 벌크의 SiC 단결정(5)을 얻을 수 있다. 또한, 도 1에 도시한 모식 단면도는, (000-1)면에 대해 오프각 θ_S를 가진 SiC 종결정 상에 SiC 단결정을 결정 성장시킨 경우의 예이며, 벌크 SiC 단결정(5)의 (1-100)면의 상태를 모식적으로 도시하는 것이다. 한편, (0001)면에 대해 오프각 θ_S를 가진 SiC 종결정 상에서의 SiC 단결정을 결정 성장시킨 경우에는, 오프각 θ_S에 유래되는 오프 방향 d_S와 동일한 측의 영역이, <0001> 방향과의 방위 차가 커지기 때문에, 오프 방향 d_S와 동일한 측의 영역에 존재하는 나선 전위(6)는 보다 불안정한 상태로 되고, 상기한 바와 같은 구조 변환이 일어날 확률이 높아진다고 생각된다.

이와 같은 벌크의 SiC 단결정(5)을 얻는 데 있어서, 우선, (i)의 공정에서 초기 성장층(2)을 성장시킬 때는, 승화 재결정법에 있어서의 일반적인 성장 조건을 채용할 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서는, (ii)의 공정에 있어서의 구조 변환층(3)에서 나선 전위의 변환을 도모하는 것이며, 벌크의 SiC 단결정(5) 중의 나선 전위(6)는 종결정(1)으로부터 승계되는 종결정 유래의 나선 전위의 이외에, 종결정(1)과 성장 결정의 계면에 있어서 발생한 나선 전위가 신전하는 것이 주된 점에서, (i)의 공정에서는, 이들 나선 전위를 종래대로 발생시켜도 상관없다.

구체적으로는, 종결정(1)의 온도(성장 온도)에 대해서는, 2100℃ 이상 2400℃ 이하로 하는 것이 좋고, 바람직하게는 2200℃ 이상 2300℃ 이하로 하는 것이 좋다. 또한, 성장 분위기 압력에 대해서는, 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하로 하는 것이 좋고, 바람직하게는 0.65㎪ 이상 1.95㎪ 이하로 하는 것이 좋다. 그리고, 이들 조건을 조합하여, 예를 들어 성장 속도 100㎛/h 이상, 바람직하게는 300㎛/h 이상으로 초기 성장층(2)을 성장시킨다. 또한, 종결정(1) 상에 성장시키는 초기 성장층(2)의 막 두께는, 나선 전위(6)를 성장 방향에 대해 충분히 성장시키는 것 등을 고려하면 1㎜ 이상인 것이 좋고, 바람직하게는 2㎜ 이상인 것이 좋다. 단, 그 효과가 포화되는 것이나, 최종적으로 성장시킨 벌크의 SiC 단결정(5)으로부터 취출되는 SiC 단결정 기판의 생산성 등을 감안하면, 초기 성장층(2)의 막 두께는 10㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

이어서, (ii)의 공정에 있어서의 구조 변환층(3)의 성장 조건에 대해서는, 승화 재결정법에 있어서의 평형 상태 또는 그것에 가까운 상태를 만들어 내어, 불안정한 상태의 나선 전위가 구조 변환되도록 할 수 있으면 된다. 통상, 성장 분위기 압력을 높게 하면 SiC 승화 원료의 원료 가스의 확산이 느려지기 때문에, 결정 성장 표면에 도달하는 원자의 양이 감소한다. 한편, 결정 표면으로부터의 원자의 이탈량은 성장 표면 온도로 결정된다. 따라서, 구조 변환층(3)을 성장시킬 때, 구체적으로는, 종결정(1)의 온도를 2100℃ 이상 2400℃ 이하, 바람직하게는 2200℃ 이상 2300℃ 이하로 하고, 성장 분위기 압력은 2.6㎪ 초과 65㎪ 이하, 바람직하게는 6.5㎪ 이상 39㎪ 이하로 하는 것이 좋다. 그리고, 승화 재결정법에 있어서의 일반적인 SiC 단결정의 성장 속도가 100∼1000㎛/h 정도인 것에 대해, 상기한 바와 같은 성장 온도와 성장 분위기 압력의 조합에 의해, (ii)의 구조 변환층(3)을 성장시킬 때는 100㎛/h 미만, 바람직하게는 50㎛/h 이하, 보다 바람직하게는 25㎛/h 이하의 저속 성장에 의해, 원하는 나선 전위의 구조 변환을 도모하도록 한다. 또한, 성장 효율 등을 고려하면, 구조 변환층(3)의 성장 속도는 1㎛/h 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 구조 변환층(3)의 막 두께에 대해서는, 적어도 0.5㎜인 것이 좋고, 바람직하게는 1㎜ 이상으로 되도록 성장시키는 것이 좋다. 구조 변환층(3)의 막 두께가 0.5㎜에 도달하지 않으면, 나선 전위로부터 적층 결함 등으로의 구조 변환이 충분히 이루어지지 않을 우려가 있다. 한편, 구조 변환층(3)의 막 두께가 증가하는 분만큼 나선 전위의 구조 변환은 촉진되지만, 그 효과가 포화되는 것이나 생산성 등을 감안하면, 구조 변환층(3)의 막 두께의 상한을 10㎜로 하면 충분하다.

(ii)의 구조 변환층(3)을 성장시킨 후에는 성장 속도를 높인 (iii)의 공정에 의해, 주된 성장 결정(4)을 성장시키면 된다. 즉, 상술한 바와 같이, 구조 변환층(3)에 있어서, 불안정한 상태에 있는 나선 전위(6)는 적층 결함이나 기저면 전위 등으로 구조 변환되기 때문에, 그 이후에 성장시키는 결정에서는 특정한 영역에 있어서 나선 전위가 적어진다. 그로 인해, 이 주된 성장 결정(4)을 성장시키는 조건에 대해서는, 승화 재결정법에 있어서의 일반적인 조건을 채용할 수 있고, 구체적으로는, (i) 초기 성장층(2)에서 설명한 바와 같은 성장 온도나 성장 분위기 압력을 채용할 수 있다. 그 후에, 생산성 등을 고려하면, 성장 속도가 100㎛/h 이상으로 되도록 하는 것이 좋고, 바람직하게는 300㎛/h 이상으로 되도록 하는 것이 좋다. 또한, 이 주된 성장 결정(4)은 벌크 SiC 단결정(5)에 있어서 주로 성장시키는 부분이며, 얻어진 벌크 SiC 단결정(5)으로부터 본 발명의 SiC 단결정 기판(8)을 취출하는 것 등을 고려하면, 구조 변환층(3) 이후에 성장시키는 주된 성장 결정(4)의 두께는 10㎜ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 기존의 설비를 사용하는 것 등을 감안하면, 그 결정 성장의 속도는 2000㎛/h 정도가 상한이며[(i)의 경우를 포함함], 또한 주된 성장 결정(4)의 두께의 상한은 200㎜ 정도이다.

상기한 바와 같이 적어도 (i)∼(iii)의 3개의 성장 공정을 거쳐서 본 발명에 관한 벌크의 SiC 단결정(5)을 얻지만, 이들 공정 중, 성장 분위기압에 관해서는 (ii)의 공정이 가장 높아지도록 한다. 한편, 성장 온도(종결정 온도)에 관해서는, 성장 온도가 높을수록 SiC 승화 원료의 온도는 높아지고, 원료 승화량이 증가함으로써 성장 속도를 빠르게 할 수 있다고 하는 관점에서, (iii)의 공정이 가장 높아지도록 해도 되지만, (i)∼(iii)의 공정을 통하여 일정한 성장 온도를 유지하도록 해도 된다. 또한, 공정간에서 성장 온도나 성장 분위기 압력을 전환할 때, 이들 단위 시간당 변경 폭이 클수록 성장 속도의 시간 변화량은 커지기 때문에, 전환하는 동안의 결정 성장이 불안정해져, 이종 폴리타입 혼재 등의 결정 결함이 발생할 우려가 있다. 따라서, 바람직하게는 1시간당 13.3㎪ 이하, 보다 바람직하게는 1시간당 1.33㎪ 이하의 압력 변화 속도로 전환을 행하도록 하는 것이 좋다. 동일한 이유에서, 바람직하게는 1시간당 40℃ 이하, 보다 바람직하게는 1시간당 10℃ 이하의 온도 변화 속도로 전환을 행하도록 하는 것이 좋다.

또한, 본 발명에 있어서, 벌크의 SiC 단결정(5)을 얻는 데에 사용하는 종결정(1)에 대해서는, SiC 단결정으로 이루어지고, 또한 (0001)면에 대해 오프각 θ_S를 갖는 SiC 종결정 기판을 사용하도록 하는 것이 적합하다. 즉, SiC 종결정 기판의 법선이 [0001] 방향과의 사이에 오프각 θ_S를 갖고, 그 오프 방향 d_S는 <11-20> 방향인 것이 적합하다. 상술한 바와 같은 나선 전위의 구조 변환을 소기의 목적대로 발현시키기 위해서는, 종결정(1)이 0°초과의 오프각 θ_S를 갖고 있는 것이 중요하다. 이에 의해, 초기 성장층(2)에서 발생한 나선 전위 중, 에너지적으로 불안정한 상태의 것을 오프 방향 d_S와는 반대측의 영역에 집중시켜, 구조 변환층(3)에 있어서 그들을 구조 변환시킨다. 오프각 θ_S에 대해 특별한 제한은 없지만, 오프각이 클수록, 에너지적으로 불안정한 상태의 것을 특정한 영역에 집중시키는 효과가 높아지기 때문에 바람직하다. 예를 들어, 오프각 θ_S를 4°초과의 오프각이나 8°초과의 오프각으로 해도 된다. 한편, 본 발명자들은 오프각이 지나치게 커지면 이종 폴리타입이 발생할 확률이 높아지는 것을 확인하고 있는 점에서 16°이하로 하는 것이 좋고, 바람직하게는 12°이하인 것이 좋다.

그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기한 바와 같이 하여 얻어진 벌크의 SiC 단결정(5)의 주된 성장 결정(4)의 부분으로부터 잘라냄으로써, 본 발명의 SiC 단결정 기판(8)을 얻을 수 있다. 주된 성장 결정(4)으로부터 SiC 단결정 기판(8)을 얻을 때에는, 공지의 방법을 채용할 수 있고, 예를 들어 멀티 와이어 소우나 방전 가공법 등을 사용하여 소정의 두께로 SiC 단결정을 잘라낸 후, 각종 연마 등을 행하도록 하면 된다. 또한, SiC 단결정 기판(8)의 두께에 대해서는, 그 용도나 제작하는 디바이스의 종류 등에 따라 적절히 설정할 수 있고, 특별히 제한되지 않는다.

벌크 SiC 단결정(5)으로부터 가장 효율적으로 SiC 단결정 기판(8)을 취출할 수 있는 것은, 결정 성장의 방향에 대해 수직으로 되는 횡단면을 갖도록 잘라내었을 때이다. 이 경우, 얻어지는 SiC 단결정 기판(8)은 기판의 중심점 O를 통과하는 법선 n과 [0001] 사이에 갖는 오프각 θ_W는 종결정(1)의 오프각 θ_S와 동일해지고, 또한 그 오프 방향 d_W도 종결정(1)의 오프 방향 d_S와 일치한다. 즉, 이 경우의 SiC 단결정 기판(8)은 기판의 중심점 O를 통과하는 법선 n과 [0001] 사이에 오프각 θ_W(＝오프각 θ_S)를 갖고, 또한 그 오프 방향 d_W(＝오프 방향 d_S)가 [11-20] 방향의 주면을 갖는다. 여기서, 오프각 θ_W라 함은, 도 3에 도시한 바와 같이, SiC 단결정 기판(8)에 있어서의 주면(기판 표면)(9)의 법선(여기서는 기판의 중심점 O를 통과하는 법선 n)과 [0001] 방향(c축 방향)이 이루는 각도이다. 또한, 오프 방향 d_W는, [0001] 방향을 주면(9)에 투영한 벡터의 역방향에 상당한다.

그리고, 예를 들어 도 1에 도시한 벌크의 SiC 단결정(5)으로부터 상기한 바와 같이 잘라내진 SiC 단결정 기판(8)은, [0001] 축방향을 주면에 투영하여 얻어지는 가상 방향 V_W와 직교하는 기판의 직경을 직경 R_⊥로 하였을 때, 도 2에 도시한 바와 같이, 이 직경 R_⊥을 경계로 가상 방향 V_W측의 제1 반원 영역(8a)은 가상 방향 V_W와는 반대측의 제2 반원 영역(8b)에 비해 나선 전위가 저감된다. 또한, 도 1의 설명에 있어서 SiC 종결정(1)의 (000-1)면을 성장면으로 하여 벌크 SiC 단결정(5)을 얻었던 경우, 이것으로부터 잘라내진 SiC 단결정 기판(8)에서는, 가상 방향 V_W와는 반대측이 제1 반원 영역(8a)으로 되고, 가상 방향 V_W측의 제2 반원 영역(8b)에 비해 나선 전위가 저감된다. 또한, 제1, 제2 반원 영역(8a, 8b)을 규정하는 데 있어서, 경계선인 직경 R_⊥은 어느 쪽의 반원 영역에 포함하도록 해도 되고, 어느 쪽에도 포함하지 않도록 해도 된다.

한편, 그 용도나 에피택셜 막의 성막 등의 후처리 등을 고려하여, SiC 단결정 기판(8)의 오프각 θ_W는 임의로 설정할 수 있다. 즉, 주된 성장 결정(4)의 부분으로부터 잘라낼 때의 방위 설정을 적절히 행함으로써, 종결정(1)의 오프각 θ_S와는 다른 각도의 오프각 θ_W를 갖고, 그 오프 방향 d_W가 <11-20> 방향인 주면을 가진 SiC 단결정 기판(8)을 얻도록 해도 된다. 여기서, 오프각 θ_W는 특별히 제한되지 않지만, 평활한 성장 표면 성상을 얻기 위해서는 12°이하인 것이 좋고, 벌크 SiC 단결정(잉곳)으로부터 보다 많은 기판을 얻는 것을 고려하면, 바람직하게는 8°이하인 것이 좋다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, <11-20> 방향에는, [11-20] 방향, [-2110] 방향, [-12-10] 방향, [-1-120] 방향, [2-1-10] 방향 및 [1-210] 방향이 등가의 면 방위로서 존재한다.

본 발명에 있어서의 SiC 단결정 기판(8)은 기판을 절반으로 하는 어느 편측의 반원 영역 내에서 발생한 나선 전위가, 다른 쪽의 반원 영역에서 발생한 나선 전위에 비해 적고, 부분적으로 나선 전위가 저감된 탄화규소 단결정 기판이며, 구체적으로는, 제1 반원 영역(8a) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 제2 반원 영역(8b) 내에서 관찰되는 상기 평균값의 80％ 이하이고, 적합하게는 60％ 이하, 더욱 적합하게는 50％ 이하까지 대폭으로 저감된다. 또한, 상기 제1 반원 영역을 2분하는 반경을 r_∥로 한 경우, 이 반경 r_∥을 사이에 두고 ±45°의 중심각을 가진 부채형 영역(8a')을 정의하면(도 2), 이 부채형 영역(8a') 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 70％ 이하, 적합하게는 40％ 이하, 보다 적합하게는 30％ 이하이다.

이와 같이, 제1 반원 영역(8a) 및 제2 반원 영역(8b)에 있어서의 각각의 나선 전위 밀도의 평균값을 구할 때에, 그 측정 방법은 특별히 제한되지 않지만, 가장 일반적으로는, 500℃ 정도의 용융 KOH에 침지하여 기판 표면을 에칭하고, 광학 현미경에 의해 에치 피트의 형상을 관찰하여 나선 전위 밀도를 계측하는 방법을 채용할 수 있다. 그리고, 이 광학 현미경에 의한 나선 전위 밀도의 계측을 각 영역의 복수의 측정점에서 행하고, 각각의 평균값을 구하도록 하면 된다.

그때, 직경 R_⊥을 경계로 편측의 제1 반원 영역(8a)이 반대측의 제2 반원 영역(8b)에 비해 나선 전위가 저감된 기판인지의 여부를 적절하게 판단하기 위해서는, 예를 들어 이하와 같이 각 영역에서의 측정점을 선택하고, 나선 전위 밀도를 계측하여 각각의 평균값을 구하도록 하는 것이 좋다. 또한, 하기하는 바와 같은 측정점의 선택은 그 일례이며, 물론 이들로 제한되는 것은 아니다.

즉, 상기한 바와 같이 하여 특정한 직경 R_⊥을 포함하여 기판의 원주를 24등분하는 12개의 직경을 기판 내에서 선택하고, 도 5에 도시한 바와 같이, 기판의 중심점 O를 제로로 하여, 이 중심점 O로부터 방사상으로 연신되는 24개의 반경 r₁∼r₂₄를 각각 0부터 1까지의 눈금을 가진 축(가상 축)으로 간주하였을 때, 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 i)∼iii)의 합계 27의 측정점에서 측정한 값의 평균으로부터 구하도록 한다. 동일하게, 제2 반원 영역(8b)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값의 평균으로부터 구하도록 한다. 또한, 이 예에서는, 직경 R_⊥ 상의 측정점을 제1 반원 영역(8a)에 포함하고 있다.

i) 중심점 O

ii) a₁∼a₁₃

iii) b₁∼b₁₃

iv) a₁₄∼a₂₄

v) b₁₄∼b₂₄

기호 a와 b에 부여된 숫자는 반경 r₁∼r₂₄에 부여된 번호에 대응하는 것이며, 예를 들어 a₁ 및 b₁은 반경 r₁ 상에 존재하는 측정점이다. 이 중, a는 각 반경에 있어서 눈금이 0 초과 0.5 이하의 범위 내에 있는 측정점이며, b는 각 반경에 있어서 눈금이 0.5 초과 1 이하의 범위 내에 있는 측정점이다. 여기서, 눈금 0은 기판의 중심점 O에 상당하고, 눈금 1은 기판의 원주 상의 점에 상당하는 위치를 나타낸다. 또한, 동일 기호를 가진 24의 측정점은, 기호 a, b마다 각각 동일원 상에 존재한다. 또한, 직경 R_⊥ 상에 있는 2개의 반경 중 하나가 r₁이며, 제1 반원 영역 내에서 이것에 인접하는 반경을 r₂로 하여 원주 방향으로 순차 반경 r의 번호를 정해 간다. 즉, 반경 r₁∼r₁₃은 제1 반원 영역(8a) 내에 존재하고, 반경 r₁₄∼r₂₄는 제2 반원 영역(8b) 내에 존재하는 반경이다.

그리고, 본 발명의 SiC 단결정 기판(8)에서는, 예를 들어 제2 반원 영역(8b)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이 1250개/㎠ 정도인 것에 대해, 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 950개/㎠ 이하이다. 구체적으로는, 제2 반원 영역(8b)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 주로 800∼1500개/㎠의 범위 내인 것에 대해, 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 600개/㎠ 이하, 적합하게는 400개/㎠ 이하이다. 즉, 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 제2 반원 영역(8b)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 80％ 이하, 적합하게는 60％ 이하, 더욱 적합하게는 50％ 이하이다. 또한, 제1 반원 영역(8a)의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 이론적으로는 0.1개/㎠가 하한이라고 말할 수 있지만, 원료 중에 포함되는 불순물이나 흑연 도가니의 벽면으로부터의 흑연의 성장면에의 부착 등의 성장의 요란 인자에 의해 나선 전위가 불가피적으로 발생하는 것 등을 감안하면, 현시점에서는 1개/㎠가 실질적인 하한이라고 생각된다.

또한, 부채형 영역(8a')이, 제2 반원 영역(8b)에 비해 나선 전위가 더욱 저감된 기판인지의 여부를 적절하게 판단할 때에는, 이 부채형 영역(8a')에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 도 5에 도시한 바와 같은 측정점 중, 하기 i), vi) 및 vii)의 합계 15의 측정점에서 측정한 값의 평균으로부터 구하도록 하는 것이 좋다.

i) 중심점 O

vi) a₄∼a₁₀

vii) b₄∼b₁₀

그리고, 부채형 영역(8a')에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 400개/㎠ 이하, 적합하게는 250개/㎠ 이하이고, 부채형 영역(8a')에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 제2 반원 영역(8b)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 70％ 이하, 적합하게는 40％ 이하, 보다 적합하게는 30％ 이하이다. 이 부채형 영역(8a')의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 하한에 대해서는, 제1 반원 영역(8a)의 경우와 마찬가지이다.

본 발명에서는, 상술한 바와 같은 나선 전위의 구조 변환을 이용하기 때문에, 얻어지는 벌크 SiC 단결정(5)의 폴리타입에 의한 제한은 없다. 그로 인해, 대표적인 폴리타입인 4H형을 비롯해, 6H형, 3C형 등의 벌크 SiC 단결정을 얻는 경우에도 적용 가능하고, 특히 파워 디바이스 응용으로서 유력시되어 있는 4H형의 SiC 단결정 기판(8)을 얻을 수 있는 점에서 유리하다. 또한, 일반적으로 사용되는 승화 재결정법을 이용한 탄화규소 단결정 제조 장치를 사용할 수 있기 때문에, 예를 들어 고순도 가스 배관이나 매스 플로우 컨트롤러를 사용하여 성장 분위기 중에 공급하는 질소 가스량 등을 제어하면서, 용도에 따라 적절히 결정 중에 질소 도프 등을 행할 수 있다. 또한, 얻어지는 SiC 단결정 기판(8)의 구경에 관해서는, 벌크 SiC 단결정(5)의 제조 장치 등으로부터의 제약은 받지만, 본 발명의 사고 방식을 적용 하는 데 있어서 이론적인 제한은 없다.

본 발명의 SiC 단결정 기판(8)은 부분적으로 나선 전위가 저감된 것이며, 특히 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도는, 종래의 기판에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 약 80％ 이하, 또는 그 이하에 상당한다. 그로 인해, 나선 전위가 저감된 반원 영역을 사용하면, 나선 전위에 기인하는 리크 전류나 산화막 수명 저하가 적은 고성능 디바이스의 제작이 가능하게 되어, 고성능 SiC 디바이스의 제작을 용이하게 실현할 수 있다. 일례를 들면, MOSFET이나 JFET 등의 제작에 적합하다. 또한, 트랜지스터에 있어서 산화막 신뢰성을 현저하게 향상시키는 등, 고품질의 디바이스가 얻어지게 되는 점에서도 유리하다. 또한, 나선 전위의 분포에 따른 디바이스 제작을 용이하게 행할 수 있는 점에서, 전반적인 디바이스 제작의 수율을 향상시킬 수도 있다.

실시예

이하, 실시예 등에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예의 내용으로 제한되는 것은 아니다.

도 6은 본 발명의 실시예에 관한 SiC 단결정 기판(8)을 얻는 데에 사용한 벌크 SiC 단결정(5)을 제조하기 위한 장치이며, 개량 레일리법(승화 재결정법)에 의한 단결정 성장 장치의 일례를 도시한다. 결정 성장은, SiC의 승화 원료(10)를 유도 가열에 의해 승화시키고, SiC 종결정(1) 상에 재결정시킴으로써 행해진다. 종결정(1)은 흑연 덮개(12)의 내면에 설치되어 있고, 승화 원료(10)는 흑연 도가니(11)의 내부에 충전된다. 이 흑연 도가니(11) 및 흑연 덮개(12)는 열 실드를 위해 흑연제 펠트(15)로 피막되어 있고, 이중 석영관(13) 내부의 흑연 지지 막대(14) 상에 설치된다. 석영관(13)의 내부를 진공 배기 장치(19)에 의해 진공 배기한 후, 고순도 Ar 가스 및 질소 가스를, 배관(17)을 통해 매스 플로우 컨트롤러(18)에 의해 제어하면서 유입시키고, 석영관 내 압력(성장 분위기 압력)을 진공 배기 장치(19)에 의해 조정하면서, 워크 코일(16)에 고주파 전류를 흘려, 흑연 도가니(11)를 가열함으로써 결정 성장을 행하였다. 여기서, 성장 온도는 SiC 종결정(1)의 온도로 하였다.

(실시예 1)

우선, 미리 얻어진 벌크의 SiC 단결정으로부터 구경 75㎜의 기판을 잘라내고, 경면 연마하여, (0001)면에 4도의 오프각을 가진 종결정(1)을 준비하였다. 즉, 종결정(1)으로 한 이 SiC 종결정 기판의 법선은 [0001] 방향과의 사이에 θ_S＝4°의 오프각을 갖고, 그 오프 방향 d_S는 [11-20] 방향이다. 이 종결정(1)을 상기에서 설명한 단결정 성장 장치의 흑연 덮개(12)의 내면에 설치하고, 승화 원료(10)를 충전한 흑연 도가니(11)에 세트하고, 흑연제 펠트(15)로 피복한 후, 흑연 지지 막대(14) 상에 적재하여 이중 석영관(13)의 내부에 설치하였다.

그리고, 이중 석영관(13)의 내부를 진공 배기한 후, 분위기 가스로서 고순도 Ar 가스를 유입시키고, 석영관 내 압력을 80㎪로 하였다. 이 압력하에 있어서, 워크 코일(16)에 전류를 흘려 온도를 높이고, 종결정(1)의 온도가 2200℃로 될 때까지 상승시켰다. 그 후, 30분에 걸쳐 성장 분위기 압력을 1.3㎪로 감압하여, 종결정(1)의 (000-1)면을 결정 성장면으로 하는 20시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (i)〕. 동일한 조건으로 별도 결정 성장시켜 측정한 결과로부터 어림잡으면, 이 20시간의 결정 성장에 의해 종결정 상에 두께 6㎜의 SiC 단결정[초기 성장층(2)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 300㎛/h). 또한, 이 결정 성장에서는 질소를 적당량 도입하여, 성장 결정 중의 질소 농도가 약 1×10¹⁹㎝^-3으로 되도록 하고, 이 이후의 결정 성장을 포함한 전체 성장 공정에서는, 성장 종료까지 이 질소 유량을 유지하도록 하였다.

상기한 바와 같이 하여 두께 6㎜의 SiC 단결정을 성장시킨 후, 계속해서, 압력 변화 속도 1.3㎪/h 및 온도 변화 속도 0℃/h로 4시간에 걸쳐 성장 조건을 변화시키고, 성장 분위기 압력 6.5㎪ 및 종결정 온도 2200℃를 유지하여 20시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (ii)〕. 별도 행한 결정 성장의 결과로부터 어림잡으면, 이 20시간의 결정 성장에 의해 두께 1.6㎜의 SiC 단결정[구조 변환층(3)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 80㎛/h).

계속해서, 압력 변화 속도 1.3㎪/h 및 온도 변화 속도 5℃/h로 4시간에 걸쳐 성장 조건을 변화시키고, 4시간에 걸쳐 성장 조건을 변화시키고, 성장 분위기 압력 1.3㎪ 및 종결정 온도 2220℃를 유지하여 30시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (iii)〕. 마찬가지로 별도의 결정 성장에서의 결과로부터 어림잡으면, 이 30시간의 결정 성장에 의해 두께 9㎜의 SiC 단결정[주된 성장 결정(4)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 300㎛/h). 그리고, 구경 약 75㎜, 높이 16.6㎜의 벌크 SiC 단결정(잉곳)(5)을 얻었다.

상기에서 얻어진 벌크 SiC 단결정(5)에 대해, X선 결정 방위 측정 장치로 방위를 확인하면서, 성장 공정 (iii)에서 성장시킨 주된 성장 결정(4)의 부분으로부터 결정 성장의 방향에 대해 거의 수직으로 되도록 SiC 단결정을 잘라내고, 경면 연마하여 실시예 1에 관한 두께 500㎛의 SiC 단결정 기판(8)을 얻었다. 즉, 이 SiC 단결정 기판(8)은 오프각 θ_W가 4°이며, 그 오프 방향 d_W가 [11-20] 방향인 주면(기판 표면)(9)을 갖고 있었다.

얻어진 SiC 단결정 기판(8)에 대해, 520℃의 용융 KOH에 기판의 전체 면이 잠기도록 5분간 침지하여 용융 KOH 에칭을 행하고, 에칭된 기판의 주면(9)을 광학 현미경(배율:80배)에 의해 관찰하여 나선 전위 밀도를 계측하였다. 여기서는, J. Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, 135, (1994), 61-70에 기재되어 있는 방법에 따라서, 패각형 피트를 기저면 전위, 소형의 6각형 피트를 관통 에지상 전위, 중형·대형의 6각형 피트를 나선 전위로 하여, 에치 피트 형상에 의한 전위 결함을 분류하고, 나선 전위 밀도를 구하였다. 또한, 광학 현미경에 의한 관찰에서는, 상기한 도 5에서 설명한 바와 같이, 전체 49개소의 측정점(중심점 O, a₁∼a₂₄, b₁∼b₂₄)을 선택하였다. 그 때, a는 각 반경에 있어서 눈금이 0.5의 위치, b는 눈금이 0.9의 위치로 하였다. 그리고, 각 측정점을 중심으로 하여 4㎜×3㎜의 영역 내의 나선 전위의 수를 계측하고, 각각의 측정점에 있어서의 나선 전위 밀도를 구하였다.

결과를 표 1에 나타내었다.

도 2에 도시한 바와 같이, SiC 단결정 기판(8)의 오프 방향 d_W를 주면(9)에 투영하여 얻어지는 가상 방향 V_W와 직교하는 직경을 직경 R_⊥로 하였을 때, 이 직경 R_⊥을 경계로 가상 방향 V_W측의 제1 반원 영역(8a)에 포함되는 i)∼iii)의 합계 27의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 이 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 937개/㎠이었다. 한편, 가상 방향 V_W와는 반대측의 제2 반원 영역(8b)에 포함되는 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 이 제2 반원 영역(8b)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 1251개/㎠이었다. 즉, 제1 반원 영역(8a) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 74.9％이었다. 또한, 부채형 영역(8a')에 포함되는 i), vi) 및 vii)의 합계 15의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 부채형 영역(8a')에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 847개/㎠이며, 제2 반원 영역(8b)의 경우의 평균값의 67.7％이었다. 또한, 직경 R_⊥의 측정점을 포함하지 않고 제1 반원 영역(8a)을 정의한 경우에는, 그 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 898개/㎠이며, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값에 대해 71.8％로 된다.

또한, 상기 SiC 단결정 기판(8)을 잘라내고 남은 SiC 단결정의 덩어리 중, 종결정(1)을 포함한 결정으로부터 (1-100)면 기판을 잘라내었다. 이 (1-100)면 기판에 대해, 520℃의 용융 KOH에 5분간 침지하여 용융 KOH 에칭을 행한 후, 에칭된 기판의 표면을 광학 현미경(배율:100배)에 의해 관찰하였다. 그 결과, 성장 공정 (ii)의 구조 변환층(3)에 상당하는 부분에서는, 성장 방향에 대해 거의 수직으로 연신되는 선상 에칭 흔적이 보이고, 적층 결함이 다수 발생하고 있는 것을 알 수 있었다. 특히, 이 적층 결함은, 종결정(1)의 오프 방향 d_S측의 영역에 집중되어 있었다.

따라서, 적층 결함이 발생하고 있었던 영역을 고분해능 X선 토포그래프에 의해 관찰하였다. 관찰에서는 (0004)를 회절면으로 하였다. 그 결과, X선 토포그래프상에는, SiC 단결정의 성장 방향에 대해 평행하게 연신되는 결함이 보였다. 관찰 조건[투과 (0004)]과의 관계로부터, 이 결함은, 버거스 벡터가 <0001>인 나선 전위 성분을 포함하는 결정 결함이라고 동정할 수 있다. 즉, 나선 전위가 성장 방향에 대해 거의 수직 방향으로 신전되는 결함으로 변환되어 있는 것이 확인되었다. 이 결함의 발생 개소가 용융 KOH 에칭에 있어서 적층 결함이 관찰된 위치와 일치 하는 점에서, 성장 공정 (ii)의 구조 변환층(3)에 상당하는 두께 1.6㎜의 SiC 단결정이 구조 변환층으로서 작용하고, 나선 전위가 적층 결함으로 구조 변환되는 것을 나타내고 있었다.

(실시예 2)

그리고, 이중 석영관(13)의 내부를 진공 배기한 후, 분위기 가스로서 고순도 Ar 가스를 유입시키고, 석영관 내 압력을 80㎪로 하였다. 이 압력하에 있어서, 워크 코일(16)에 전류를 흘려 온도를 높이고, 종결정(1)의 온도가 2200℃로 될 때까지 상승시켰다. 그 후, 성장 분위기 압력을 1.3㎪로 감압하여, 종결정(1)의 (000-1)면을 결정 성장면으로 하는 20시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (i)〕. 동일한 조건으로 별도 결정 성장시켜 측정한 결과로부터 어림잡으면, 이 20시간의 결정 성장에 의해 종결정 상에 두께 6㎜의 SiC 단결정[초기 성장층(2)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 300㎛/h). 또한, 이 결정 성장에서는 질소를 적당량 도입하여, 성장 결정 중의 질소 농도가 약 1×10¹⁹㎝^- ³로 되도록 하였다. 또한, 이 이후의 결정 성장을 포함한 전체 성장 공정에서는, 성장 종료까지 이 질소 유량을 유지하도록 하였다.

상기한 바와 같이 하여 두께 6㎜의 SiC 단결정을 성장시킨 후, 계속해서, 압력 변화 속도 1.2㎪/h 및 온도 변화 속도 0℃/h로 10시간에 걸쳐 성장 조건을 변화시키고, 성장 분위기 압력 13.3㎪ 및 종결정 온도 2200℃를 유지하여 20시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (ii)〕. 별도 행한 결정 성장의 결과로부터 어림잡으면, 이 20시간의 결정 성장에 의해 두께 1㎜의 SiC 단결정[구조 변환층(3)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 50㎛/h).

계속해서, 압력 변화 속도 1.2㎪/h 및 온도 변화 속도 5℃/h로 10시간에 걸쳐 성장 조건을 변화시키고, 성장 분위기 압력 1.3㎪ 및 종결정 온도 2250℃를 유지하여 30시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (iii)〕. 마찬가지로 별도의 결정 성장에서의 결과로부터 어림잡으면, 이 30시간의 결정 성장에 의해 두께 9㎜의 SiC 단결정[주된 성장 결정(4)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 300㎛/h). 그리고, 구경 약 75㎜, 높이 16㎜의 벌크 SiC 단결정(잉곳)(5)을 얻었다.

상기에서 얻어진 벌크 SiC 단결정에 대해, 높이 방향의 대략 중심 부근에 해당하는 성장 공정 (iii)에서 성장시킨 주된 성장 결정(4)의 부분으로부터, 실시예 1과 마찬가지로 하여 SiC 단결정을 잘라내고, 경면 연마하여 비교예 1에 관한 두께 500㎛의 SiC 단결정 기판을 얻었다. 즉, 이 SiC 단결정 기판은, 오프각 θ_W가 4°이며, 그 오프 방향 d_W가 [11-20] 방향인 주면(기판 표면)을 갖고 있었다.

이 SiC 단결정 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지로 하여 용융 KOH 에칭을 행하고, 에칭된 기판의 (0001)면을 광학 현미경으로 관찰하여 나선 전위 밀도를 구하였다. 측정점의 선택 및 나선 전위 밀도의 계측에 대해 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여 행하였다.

결과를 표 1에 나타내었다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 제1 반원 영역(8a)에 포함되는 i)∼iii)의 합계 27의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 이 실시예 2에 관한 SiC 단결정 기판의 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 553개/㎠이었다. 한편, 제2 반원 영역(8b)에 포함되는 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 이 제2 반원 영역(8b)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 1011개/㎠이며, 제1 반원 영역(8a) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 54.7％이었다. 또한, 부채형 영역(8a')에 포함되는, i), vi) 및 vii)의 합계 15의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 부채형 영역(8a')에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 385개/㎠이며, 제2 반원 영역(8b)의 경우의 38.1％이었다. 또한, 직경 R_⊥의 측정점을 포함하지 않고 제1 반원 영역(8a)을 정의한 경우에는, 그 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 491개/㎠이며, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값에 대해 48.6％로 된다.

(실시예 3)

우선, 미리 얻어진 벌크의 SiC 단결정으로부터 구경 75㎜의 기판을 잘라내고, 경면 연마하여, (0001)면에 5도의 오프각을 가진 종결정(1)을 준비하였다. 즉, 종결정(1)으로 한 이 SiC 종결정 기판의 법선은 [0001] 방향과의 사이에 θ_S＝5°의 오프각을 갖고, 그 오프 방향 d_S는 [11-20] 방향이다. 이 종결정(1)을 상기에서 설명한 단결정 성장 장치의 흑연 덮개(12)의 내면에 설치하고, 승화 원료(10)를 충전한 흑연 도가니(11)에 세트하고, 흑연제 펠트(15)로 피복한 후, 흑연 지지 막대(14) 상에 적재하여 이중 석영관(13)의 내부에 설치하였다.

그리고, 이중 석영관(13)의 내부를 진공 배기한 후, 분위기 가스로서 고순도 Ar 가스를 유입시키고, 석영관 내 압력을 80㎪로 하였다. 이 압력하에 있어서, 워크 코일(16)에 전류를 흘려 온도를 높이고, 종결정(1)의 온도가 2200℃로 될 때까지 상승시켰다. 그 후, 성장 분위기 압력을 1.3㎪로 감압하여, 종결정(1)의 (000-1)면을 결정 성장면으로 하는 20시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (i)〕. 동일한 조건으로 별도 결정 성장시켜 측정한 결과로부터 어림잡으면, 이 20시간의 결정 성장에 의해 종결정 상에 두께 6㎜의 SiC 단결정[초기 성장층(2)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 300㎛/h). 또한, 이 결정 성장에서는 질소를 적당량 도입하여, 성장 결정 중의 질소 농도가 약 1×10¹⁹㎝^-3으로 되도록 하였다. 또한, 이 이후의 결정 성장을 포함한 전체 성장 공정에서는, 성장 종료까지 이 질소 유량을 유지하도록 하였다.

계속해서, 압력 변화 속도 1.2㎪/h 및 온도 변화 속도 5℃/h로 10시간에 걸쳐 성장 조건을 변화시키고, 성장 분위기 압력 1.3㎪ 및 종결정 온도 2250℃를 유지하여 30시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (iii)〕. 동일하게 별도의 결정 성장에서의 결과로부터 어림잡으면, 이 30시간의 결정 성장에 의해 두께 9㎜의 SiC 단결정[주된 성장 결정(4)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 300㎛/h). 그리고, 구경 약 75㎜, 높이 16㎜의 벌크 SiC 단결정(잉곳)(5)을 얻었다.

상기에서 얻어진 벌크 SiC 단결정에 대해, 높이 방향의 대략 중심 부근에 해당하는 성장 공정 (iii)에서 성장시킨 주된 성장 결정(4)의 부분으로부터, 실시예 1과 마찬가지로 하여 SiC 단결정을 잘라내고, 경면 연마하여 실시예 3에 관한 두께 500㎛의 SiC 단결정 기판을 얻었다. 즉, 이 SiC 단결정 기판은, 오프각 θ_W가 5°이며, 그 오프 방향 d_W가 [11-20] 방향인 주면(기판 표면)을 갖고 있었다.

결과를 표 1에 나타내었다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 제1 반원 영역(8a)에 포함되는 i)∼iii)의 합계 27의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 이 실시예 3에 관한 SiC 단결정 기판의 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 494개/㎠이었다. 한편, 제2 반원 영역(8b)에 포함되는 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값을 1001개/㎠이며, 제1 반원 영역(8a) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 49.4％이었다. 또한, 부채형 영역(8a‘)에 포함되는, i), vi) 및 vii)의 합계 15의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 부채형(8a')에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 350개/㎠이며, 제2 반원 영역(8b)의 경우의 35.0％이었다. 또한, 직경 R_⊥의 측정점을 포함하지 않고 제1 반원 영역(8a)을 정의한 경우에는, 그 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 426개/㎠이며, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값에 대해 42.6％로 된다.

(실시예 4)

우선, 미리 얻어진 벌크의 SiC 단결정으로부터 구경 75㎜의 기판을 잘라내고, 경면 연마하여, (0001)면에 8도의 오프각을 가진 종결정(1)을 준비하였다. 즉, 종결정(1)으로 한 이 SiC 종결정 기판의 법선은 [0001] 방향과의 사이에 θ_S＝8°의 오프각을 갖고, 그 오프 방향 d_S는 [11-20] 방향이다. 이 종결정(1)을 상기에서 설명한 단결정 성장 장치의 흑연 덮개(12)의 내면에 설치하고, 승화 원료(10)를 충전한 흑연 도가니(11)에 세트하고, 흑연제 펠트(15)로 피복한 후, 흑연 지지 막대(14) 상에 적재하여 이중 석영관(13)의 내부에 설치하였다.

상기한 바와 같이 하여 두께 6㎜의 SiC 단결정을 성장시킨 후, 계속해서, 압력 변화 속도 1.265㎪/h 및 온도 변화 속도 0℃/h로 20시간에 걸쳐 성장 조건을 변화시키고, 성장 분위기 압력 26.6㎪ 및 종결정 온도 2200℃를 유지하여 40시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (ii)〕. 별도 행한 결정 성장의 결과로부터 어림잡으면, 이 40시간의 결정 성장에 의해 두께 1㎜의 SiC 단결정[구조 변환층(3)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 25㎛/h).

계속해서, 압력 변화 속도 1.265㎪/h 및 온도 변화 속도 2℃/h로 30시간에 걸쳐 성장 조건을 변화시키고, 성장 분위기 압력 1.3㎪ 및 종결정 온도 2260℃를 유지하여 30시간의 결정 성장을 행하였다〔성장 공정 (iii)〕. 동일하게 별도의 결정 성장에서의 결과로부터 어림잡으면, 이 30시간의 결정 성장에 의해 두께 9㎜의 SiC 단결정[주된 성장 결정(4)]이 성장한 것으로 된다(성장 속도 300㎛/h). 그리고, 구경 약 75㎜, 높이 16㎜의 벌크 SiC 단결정(잉곳)(5)을 얻었다.

상기에서 얻어진 벌크 SiC 단결정에 대해, 높이 방향의 대략 중심 부근에 해당하는 성장 공정 (iii)에서 성장시킨 주된 성장 결정(4)의 부분으로부터, 실시예 1과 마찬가지로 하여 SiC 단결정을 잘라내고, 경면 연마하여 실시예 4에 관한 두께 500㎛의 SiC 단결정 기판을 얻었다. 즉, 이 SiC 단결정 기판은, 오프각 θ_W가 8°이며, 그 오프 방향 d_W가 [11-20] 방향인 주면(기판 표면)을 갖고 있었다.

결과를 표 3에 나타내었다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 제1 반원 영역(8a)에 포함되는 i)∼iii)의 합계 27의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 이 실시예 3에 관한 SiC 단결정 기판의 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 372개/㎠이었다. 한편, 제2 반원 영역(8b)에 포함되는 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 이 제2 반원 영역(8b)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 839개/㎠이며, 제1 반원 영역(8a) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 44.3％이었다. 또한, 부채형 영역(8a')에 포함되는, i), vi) 및 vii)의 합계 15의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 부채형 영역(8a')에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 234개/㎠이며, 제2 반원 영역(8b)의 경우의 27.9％이었다. 또한, 직경 R_⊥의 측정점을 포함하지 않고 제1 반원 영역(8a)을 정의한 경우에는, 그 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 322개/㎠이며, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값에 대해 38.4％로 된다.

(비교예 1)

그리고, 이중 석영관(13)의 내부를 진공 배기한 후, 분위기 가스로서 고순도 Ar 가스를 유입시키고, 석영관 내 압력을 80㎪로 하였다. 이 압력하에 있어서, 워크 코일(16)에 전류를 흘려 온도를 높이고, 종결정(1)의 온도가 2200℃로 될 때까지 상승시켰다. 그 후, 성장 분위기 압력을 1.3㎪로 감압하여, 종결정(1)의 (000-1)면을 결정 성장면으로 하는 60시간의 결정 성장을 행하고, 구경 약 75㎜, 높이 18㎜의 벌크 SiC 단결정을 얻었다(성장 속도 300㎛/h). 또한, 이 결정 성장에서는 질소를 적당량 도입하여, 성장 결정 중의 질소 농도가 약 1×10¹⁹㎝^-3으로 되도록 하였다.

상기에서 얻어진 벌크 SiC 단결정에 대해, 높이 방향의 대략 중심 부근으로부터, 실시예 1과 마찬가지로 하여 SiC 단결정을 잘라내고, 경면 연마하여 비교예 1에 관한 두께 500㎛의 SiC 단결정 기판을 얻었다. 즉, 이 SiC 단결정 기판은, 오프각 θ_W가 4°이며, 그 오프 방향 d_W가 <11-20> 방향인 주면(기판 표면)을 갖고 있었다.

결과를 표 3에 나타내었다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 제1 반원 영역(8a)에 포함되는 i)∼iii)의 합계 27의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 이 비교예 1에 관한 SiC 단결정 기판의 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 984개/㎠이었다. 한편, 제2 반원 영역(8b)에 포함되는 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값을 평균하면, 이 제2 반원 영역(8b)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 1020개/㎠이며, 제1 반원 영역(8a)과 제2 반원 영역(8b)은 동일 정도의 값(제1 반원 영역 내에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 제2 반원 영역 내에서 관찰되는 그것의 96.5％)이었다. 이와 관련하여, 이 비교예 1의 SiC 단결정 기판의 부채형 영역(8a')에 포함되는 i), vi) 및 vii)의 합계 15의 측정점에서 측정한 값의 평균은 951개/㎠이며, 역시 동일 정도이었다. 또한, 직경 R_⊥의 측정점을 포함하지 않고 제1 반원 영역(8a)을 정의한 경우에는, 그 제1 반원 영역(8a)에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 959개/㎠이며, 제2 반원 영역(8b) 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 94.0％로 된다.

그리고, 이 비교예 1의 SiC 단결정 기판을 잘라내고 남은 SiC 단결정의 덩어리 중, 종결정을 포함한 결정으로부터 (1-100)면 기판을 잘라내고, 실시예 1과 마찬가지로 용융 KOH 에칭을 행하여, 에칭된 기판의 표면을 광학 현미경으로 관찰하였다. 그 결과, 실시예 1의 경우에서 보이는 바와 같은 적층 결함은 특별히 확인할 수 없고, 나선 전위의 구조 변환은 인지되지 않았다.

1 : 종결정
2 : 초기 성장층
3 : 구조 변환층
4 : 주된 성장 결정
5 : 벌크 SiC 단결정
6 : 나선 전위
7 : 적층 결함
8 : SiC 단결정 기판
8a : 제1 반원 영역
8a' : 부채형 영역
8b : 제2 반원 영역
9 : SiC 단결정 기판의 주면
10 : SiC 승화 원료
11 : 흑연 도가니
12 : 흑연 덮개
13 : 이중 석영관
14 : 흑연 지지 막대
15 : 흑연제 펠트
16 : 워크 코일
17 : 배관
18 : 매스 플로우 컨트롤러
19 : 진공 배기 장치

Claims

4H형의 승화 재결정법으로 종결정으로부터 성장시킨 벌크 탄화규소 단결정이며, 성장 도중에 나선 전위가 적층 결함이나 기저면 전위로 구조 변환하는 구조 변환층 및 상기 구조 변환층 보다 위의 성장층을 갖고,
상기 구조 변환층에 있어서, 상기 구조 변환이 상기 종결정의 0°초과 8°이하인 오프각 θ_S에 유래하는 오프 방향 d_S보다도 그 반대측의 영역에서 다발하고,
상기 성장층에 있어서, 상기 구조 변환이 다발한 영역의 상부에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 상기 구조 변환이 다발한 영역과 반대측의 영역의 상부에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 80% 이하이고, 상기 구조 변환층의 막 두께는 적어도 0.5mm이고 10mm 이하이며, 상기 오프각 θ_S는 상기 종결정의 법선과 [0001] 방향 사이의 각이고, 상기 오프 방향 d_S는 <11-20> 방향인, 벌크 탄화규소 단결정.
제1항에 있어서, 상기 종결정의 나선 결함은 균질하게 분포하고 있는, 벌크 탄화규소 단결정.
제1항에 있어서, 상기 종결정은 평판 형상인, 벌크 탄화규소 단결정.
제1항에 있어서,
상기 성장층으로부터 성장 방향에 수직으로 잘라내진 기판의 중심점 O를 통과하는 법선 n과 [0001] 방향이 이루는 각 θ_W가 0°초과 8°이하의 주면을 갖고 있고, 중심점 O로부터 [0001] 방향 축을 주면에 투영하여 얻어지는 가상 방향 V와 직교하는 기판의 직경을 R_⊥로 하여, 이 직경 R_⊥을 경계로 하여 좌우 2개의 반원 영역을 정의하였을 때, 어느 한쪽의 반원 영역인 제1 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 다른 쪽의 반원 영역인 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 80％ 이하인 것을 특징으로 하는, 벌크 탄화규소 단결정.
제4항에 있어서,
상기 제1 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 60％ 이하인 것을 특징으로 하는, 벌크 탄화규소 단결정.
제4항에 있어서,
상기 제1 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 50％ 이하인 것을 특징으로 하는, 벌크 탄화규소 단결정.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 반원 영역을 2분하는 반경을 r_∥로 하여, 이 반경 r_∥을 사이에 두고 ±45°의 중심각을 가진 부채형 영역을 정의하였을 때, 부채형 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 40％ 이하인 것을 특징으로 하는, 벌크 탄화규소 단결정.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 반원 영역을 2분하는 반경을 r_∥로 하여, 이 반경 r_∥을 사이에 두고 ±45°의 중심각을 가진 부채형 영역을 정의하였을 때, 부채형 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값이, 제2 반원 영역 내의 복수의 측정점에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값의 30％ 이하인 것을 특징으로 하는, 벌크 탄화규소 단결정.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이루는 각 θ_W에 상당하는 오프각을 갖고, 그 오프 방향 d_W가 <11-20> 방향인, 벌크 탄화규소 단결정.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 직경 R_⊥을 포함하여 기판의 원주를 24등분하는 12개의 직경에 대해, 기판의 중심점 O를 제로로 하여 상기 중심점 O로부터 방사상으로 연신되는 24개의 반경 r₁∼r₂₄를 각각 0부터 1까지의 눈금을 가진 축으로 간주하였을 때, 상기 제1 반원 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 i)∼iii)의 합계 27의 측정점에서 측정한 값의 평균이며, 또한 상기 제2 반원 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값의 평균인, 벌크 탄화규소 단결정.
i) 중심점 O
ii) a₁∼a₁₃
iii) b₁∼b₁₃
iv) a₁₄∼a₂₄
v) b₁₄∼b₂₄
(여기서, 기호 a와 b에 부여된 숫자는 반경 r₁∼r₂₄에 부여된 번호에 대응하는 것이며, a_n 및 b_n은 반경 r_n 상에 존재하는 측정점이고, 여기서 n은 1∼24의 정수이다. 이 중, a는 각 반경에 있어서 0 초과 0.5 이하의 눈금에 있는 측정점이며, b는 각 반경에 있어서 0.5 초과 1 이하의 눈금에 있는 측정점이다. 또한, 동일 기호를 가진 24의 측정점은, 기호 a, b마다 각각 동일원 상에 존재한다. 또한, 직경 R_⊥ 상에 있는 2개의 반경 중 하나가 r₁이며, 제1 반원 영역 내에서 이것에 인접하는 반경을 r₂로 하여 원주 방향으로 순차 반경 r의 번호를 정해 간다.)
제10항에 있어서,
상기 제1 반원 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 600개/㎠ 이하인, 벌크 탄화규소 단결정.
제7항에 있어서,
상기 직경 R_⊥을 포함하여 기판의 원주를 24등분하는 12개의 직경에 대해, 기판의 중심점 O를 제로로 하여 상기 중심점 O로부터 방사상으로 연신되는 24개의 반경 r₁∼r₂₄를 각각 0부터 1까지의 눈금을 가진 축으로 간주하였을 때, 상기 부채형 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 i), vi) 및 vii)의 합계 15의 측정점에서 측정한 값의 평균이며, 또한 상기 제2 반원 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은, 하기 iv)∼v)의 합계 22의 측정점에서 측정한 값의 평균인, 벌크 탄화규소 단결정.
i) 중심점 O
vi) a₄∼a₁₀
vii) b₄∼b₁₀
iv) a₁₄∼a₂₄
v) b₁₄∼b₂₄
(여기서, 기호 a와 b에 부여된 숫자는 반경 r₁∼r₂₄에 부여된 번호에 대응하는 것이며, a_n 및 b_n은 반경 r_n 상에 존재하는 측정점이고, 여기서 n은 1∼24의 정수이다. 이 중, a는 각 반경에 있어서 0 초과 0.5 이하의 눈금에 있는 측정점이며, b는 각 반경에 있어서 0.5 초과 1 이하의 눈금에 있는 측정점이다. 또한, 동일 기호를 가진 24의 측정점은, 기호 a, b마다 각각 동일원 상에 존재한다. 또한, 직경 R_⊥ 상에 있는 2개의 반경 중 하나가 r₁이며, 제1 반원 영역 내에서 이것에 인접하는 반경을 r₂로 하여 원주 방향으로 순차 반경 r의 번호를 정해 간다.)
제12항에 있어서,
상기 부채형 영역에서 관찰되는 나선 전위 밀도의 평균값은 400개/㎠ 이하인, 벌크 탄화규소 단결정.
종결정을 사용한 승화 재결정법에 의한 제1항에 기재된 벌크 탄화규소 단결정의 제조 방법이며,
(i) 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하의 제1 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제1 성장 온도에서, 적어도 두께 1㎜의 탄화규소 단결정을 성장시키는 제1 성장 공정과,
(ii) 2.6㎪ 초과 65㎪ 이하의 제2 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제2 성장 온도에서, 적어도 두께 0.5㎜의 탄화규소 단결정을 성장시키는 제2 성장 공정과,
(iii) 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하의 제3 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제3 성장 온도에서, 제1 성장 공정보다 두껍게 탄화규소 단결정을 성장시키는 제3 성장 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 벌크 탄화규소 단결정의 제조 방법.
여기서, 상기 종결정은, SiC 단결정을 포함하고, 또한 (0001)면에 대해 0°초과 8°이하의 오프각 θ_S를 갖는 것을 특징으로 하는, 벌크 탄화규소 단결정의 제조 방법.
종결정을 사용한 승화 재결정법에 의한 제1항에 기재된 벌크 탄화규소 단결정의 제조 방법이며,
(i) 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하의 제1 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제1 성장 온도에서, 적어도 두께 1㎜의 탄화규소 단결정을 성장시키는 제1 성장 공정과,
(ii) 2.6㎪ 초과 65㎪ 이하의 제2 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제2 성장 온도에서, 적어도 두께 0.5㎜의 탄화규소 단결정을 성장시키는 제2 성장 공정과,
(iii) 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하의 제3 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2400℃ 이하인 제3 성장 온도에서, 제1 성장 공정보다 두껍게 탄화규소 단결정을 성장시키는 제3 성장 공정을 포함하고,
여기서, 상기 종결정은, SiC 단결정을 포함하고, 또한 (0001)면에 대해 4°초과 8°이하의 오프각 θ_S를 갖는 것을 특징으로 하는, 벌크 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
1시간당 13.3㎪ 이하의 압력 변화 속도로 제1 또는 제2 성장 분위기 압력으로부터 제2 또는 제3 성장 분위기 압력으로 변화시키는, 벌크 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
1시간당 40℃ 이하의 온도 변화 속도로 제1 또는 제2 성장 온도로부터 제2 또는 제3 성장 온도로 변화시키는, 벌크 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
제2 성장 공정에 있어서의 결정 성장 속도가 100㎛/hr 이하인, 벌크 탄화규소 단결정의 제조 방법.
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