JP2010241619A - 炭化ケイ素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】種結晶に生じている結晶欠陥を有利に解消し、ひいては光学デバイスや電子デバイスの歩留まり向上を達成できる炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に昇華用原料を収容すると共にこの昇華用原料に略対向して、結晶欠陥１１３Ａ〜１１３Ｄを有する炭化ケイ素単結晶の種結晶１１１を配置し、加熱により昇華させた昇華用原料４０を種結晶１１１の表面上で再結晶させて炭化ケイ素単結晶を結晶成長させる方法において、結晶成長に先立って、種結晶のオフ方位を変更し（ａ）、複数の結晶欠陥のうち、結晶欠陥１１３Ａの位置をオフ方位の上流側に位置させる。オフ方位に従う優先成長によって、オフ方位上流側に位置している結晶欠陥１１３Ａが消失し（ｂ）、結晶欠陥の少ない炭化ケイ素単結晶を製造することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、炭化ケイ素単結晶の製造方法に関する。

炭化ケイ素は、ケイ素に比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊特性、耐熱性、耐放射線性等に優れていることから、小型で高出力の半導体等の電子デバイス材料として注目されている。また、光学的特性に優れることから、光学デバイス材料として注目されている。

これらのデバイスを製造するための炭化ケイ素単結晶は、炭化ケイ素多結晶に比べて、ウェハ等のデバイスに適用した際にウェハ内特性の均一性等に特に優れるという利点があるため、炭化ケイ素単結晶を良好な品質で製造することが求められる。

この炭化ケイ素単結晶を製造する方法には、例えば昇華法がある。この昇華法は、単結晶製造装置の反応容器に炭化ケイ素の原料を収容するとともに、炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置してこの炭化ケイ素原料の加熱して昇華させ、この昇華させた炭化ケイ素を種結晶の表面上で再結晶させて、結晶成長させる方法である。昇華法により得られた結晶成長後の単結晶をスライスして炭化ケイ素単結晶ウェハを得る。

炭化ケイ素単結晶ウェハを用いて発光デバイス、電子デバイスなどを作製するとき、通常は、ウェハ上でエピタキシャル成長により薄膜を形成させる必要がある。例えばα型炭化ケイ素単結晶ウェハに対して１７００〜１８００℃以上の高温でＣＶＤを行うことにより、この炭化ケイ素単結晶ウェハの（０００１）面（ｃ軸）上にα型炭化ケイ素をエピタキシャル成長させている。

また、炭化ケイ素単結晶ウェハの（０００１）面に対し数度傾いた、いわゆるオフ角を有するウェハを用いると、１５００〜１６００℃でも欠陥のないエピタキシャル成長が可能になる（特許文献１）。

米国特許４９１２０６４号

炭化ケイ素単結晶ウェハ上に欠陥のないエピタキシャル成長により薄膜を形成するには、エピタキシャル成長をさせる炭化ケイ素単結晶ウェハについても可能な限り欠陥のないことが求められる。そのため、昇華法により炭化ケイ素単結晶を得るための種結晶を得る段階から、単結晶を結晶成長させる段階、炭化ケイ素単結晶ウェハを得る段階という、複数の段階において欠陥の発生を抑制することが必要となる。

しかしながら、結晶成長させる前の種結晶に結晶欠陥が生じている場合がある。このような種結晶を結晶成長をさせた炭化ケイ素単結晶には、種結晶に生じていた結晶欠陥がそのまま残存していた。このことは、炭化ケイ素単結晶を用いて製造される光学デバイスや電子デバイスの歩留まり向上を困難にするおそれがあった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、種結晶に生じている結晶欠陥を有利に解消し、ひいては光学デバイスや電子デバイスの歩留まり向上を達成できる炭化ケイ素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に昇華用原料を収容すると共にこの昇華用原料に略対向して炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置し、加熱により昇華させた昇華用原料を種結晶の表面上で再結晶させて炭化ケイ素単結晶を結晶成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、種結晶に生じている結晶欠陥を、オフ方位に従う優先成長によって打ち消しつつ結晶成長させることを特徴とする。

このように種結晶に生じている結晶欠陥をオフ方位に従う優先成長によって打ち消しつつ結晶成長させるには、炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に配置する種結晶として、結晶欠陥をオフ方位の上流側に位置させた種結晶を用いることにより実現できる。

本発明の製造方法は、種結晶に生じている結晶欠陥のなかでも、特に小傾角粒界を効果的に解消することができる。

また、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、結晶成長時の単結晶の端面形状を凸形状に維持することが好ましい。そのため、結晶成長時における炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内の単結晶近傍の温度分布を、単結晶の端面形状よりも凸形状にするような温度分布にすることが好ましく、また、複数のコイルにより加熱することが好ましい。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法によれば、結晶成長の過程で種結晶に生じていた結晶欠陥を打ち消すことができるので、炭化ケイ素ウェハの結晶欠陥数が減少し、この炭化ケイ素ウェハを用いた電子デバイスや光学デバイスを歩留まり高く製造することが可能となる。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法を実施するための製造装置の一例を示す模式的な断面図である。 従来の炭化ケイ素単結晶の製造方法における、結晶成長の前後での種結晶の面内方向の結晶欠陥を模式的に示す図である。 本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法における、結晶成長の前後での種結晶の面内方向の結晶欠陥を模式的に示す図である。 炭化ケイ素単結晶におけるオフ方位の説明図である。

図１に本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法を実施するための製造装置の一例を模式的な断面図で示す。図１に示す製造装置１は、昇華法により炭化ケイ素単結晶を製造する装置であって、黒鉛製るつぼ１０を備えている。この黒鉛製るつぼ１０は、上部の蓋体１１と下部の容器本体１２とからなる。また、黒鉛製るつぼ１０の周側面部１３よりも外周方向に、黒鉛製るつぼ１０の加熱手段として、第１の誘導加熱コイル２０及び第２の誘導加熱コイル２１が、干渉防止コイル２２を挟んで上下方向に並べて設けられている。これらの第１の誘導加熱コイル２０、第２の誘導加熱コイル２１及び干渉防止コイル２２と、黒鉛製るつぼ１０との間には、石英管３０が設けられていて、黒鉛製るつぼ１０はこの石英管３０を介して上記加熱手段により加熱されることになる。また、黒鉛製るつぼ１０の容器本体１２の下端部には、黒鉛製るつぼ１０を支持するための支持棒３１が接続されている。

この製造装置１を用いた炭化ケイ素単結晶の製造方法の一例を説明する。黒鉛製るつぼ１０の容器本体１２の内部に昇華用原料４０を収容し、この昇華用原料４０と略対向するように蓋体１１の下面側の中央部に種結晶１００を取り付ける。そして、昇華用原料４０の近傍に配置された第１の誘導加熱コイル２０、種結晶１００の近傍に配置された第２の誘導加熱コイル２１、及び干渉防止コイル２２のそれぞれ電流を流して、黒鉛製るつぼ１０内の昇華用原料４０及び種結晶１００を加熱する。これらのコイルへの投入電流を調整することにより、昇華用原料４０の近傍の温度は昇華用原料４０が昇華する温度に、種結晶１００の近傍の温度は昇華した原料が種結晶の表面上で再結晶する温度に、それぞれ制御する。このような温度制御により、黒鉛製るつぼ１０内で昇華用原料４０は昇華し、この昇華用原料４０に対向する種結晶１００の表面上で再結晶する結果、種結晶１０の厚さ方向及び径方向に結晶成長して炭化ケイ素単結晶が得られる。

以上のような炭化ケイ素単結晶の製造方法において、種結晶に結晶欠陥が生じている場合には、従来の製造方法では、その結晶欠陥は結晶成長の過程で回復させるには十分な時間が必要である。図２は、従来の炭化ケイ素単結晶の製造方法における、結晶成長の前後での種結晶の面内方向の結晶欠陥を模式的に示す図である。図２（ａ）は、結晶成長の前の場合であって、種結晶１０１の面内に複数の結晶欠陥１０３Ａ〜１０３Ｄが生じている。なお、図２（ａ）中の符号１０２は、当該種結晶１０１のｃ軸成長部分である。

このような種結晶１０１を図１に示した装置１によって昇華法により結晶成長させた後の場合を図２（ｂ）に示す。結晶成長により、種結晶１０１は径方向に拡大している。この結晶成長による径の拡大は、結晶欠陥１０３の箇所も同様に拡大するのみであって、種結晶１０１の中心から欠陥までの距離はほとんど変化せず、面内における結晶欠陥率の改善は困難であった。

そこで、本発明では、種結晶に生じている結晶欠陥をオフ方位に従う優先成長によって打ち消しつつ結晶成長させる。より具体的には、結晶欠陥が生じている種結晶について、この結晶欠陥が生じている箇所が、種結晶におけるオフ方位の上流側に位置するように加工し、このような種結晶に結晶成長をさせる。

炭化ケイ素単結晶の（０００１）面から所定の角度で傾斜させた表面（成長面）を有する種結晶は、結晶成長をさせたときに、この傾斜方向（すなわち、オフ方向）の上流側が結晶品質の回復が早い。つまり、種結晶の表面欠陥は、オフ方位の上流側に位置させることにより、打ち消すことが可能である。本発明では、このことを利用して、昇華法による結晶成長にあたって、結晶欠陥等により結晶品質が悪い領域を、オフ方向の上流側に位置させ、この状態で結晶成長させる。このことにより、オフ方位に従う優先成長によって種結晶に生じている結晶欠陥を打ち消すことができ、ひいては、結晶欠陥の少ない炭化ケイ素単結晶を製造することができる。

図３は、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法における、結晶成長の前後での種結晶の面内方向の結晶欠陥を模式的に示す図である。図３（ａ）は、結晶成長の前の場合であって、種結晶１１１の面内に複数の結晶欠陥１１３Ａ〜１１３Ｄが生じている。このことは、図２（ａ）で示した従来の製造法と同様である。そして、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法では、種結晶を結晶成長させるに先立って、種結晶のオフ方位を変更し、複数の結晶欠陥のうち、結晶欠陥１１３Ａの位置がオフ方位の上流側に位置するように加工する。図３（ａ）では、種結晶におけるオフ方位の上流側を示すマーク１１２の位置が、二点鎖線で示すオフ方位の変更のための加工前と、実線で示す加工の後とで異なっており、加工後では、結晶欠陥１１３Ａの位置がオフ方位の上流側に位置している。

本発明に従い、このように加工後の種結晶を用いて、図１に示した装置によって種結晶を昇華法により結晶成長させた後の場合を図３（ｂ）に示す。結晶成長により、種結晶１１１は径方向に拡大している。そればかりでなく、オフ方位上流側の優先成長により、このオフ方位上流側に位置している結晶欠陥１１３Ａが消失する。このことにより、結晶欠陥の少ない炭化ケイ素単結晶を製造することが可能となる。

種結晶の結晶欠陥をオフ方位の上流側に位置させるための種結晶の加工法は、炭化ケイ素単結晶の製造方法において、種結晶に所定のオフ角及びオフ方位を形成するのに適用可能な加工法を用いることができる。

図４（ａ）、（ｂ）を用いて、炭化ケイ素単結晶におけるオフ方位を説明する。図４（ａ）は、六方晶の結晶構造を有している炭化ケイ素単結晶の種結晶１１１について、ｃ面（０００１）から所定の角度（オフ角）で傾斜している表面を有している例を微視的に示している。所定のオフ角で切り出された表面は、微視的には階段状を呈していて、当該表面の垂線が、ｃ軸方向［０００１］から傾斜している方向がオフ方位である。

図４（ｂ）は、所定のオフ角で切り出された種結晶１１１における成長面内におけるオフ方位を示す図である。図４（ａ）と同じく、オフ方位が定められ、そして、オフ方位の向きの元となる側が上流側であり、先となる側が下流側である。本発明では、既に述べたとおり、種結晶に生じている結晶欠陥を、このようなオフ方位の上流側に位置させた種結晶を用いて結晶成長させることにより、当該結晶欠陥をオフ方位に従う優先成長によって打ち消することで解消させた。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、結晶欠陥のなかでも、小傾角粒界（ＳＡＢ；Small Angle Boundaries）を特に効果的に解消させることができる。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法においては、結晶成長時に単結晶の端面形状を凸形状に維持することが好ましい。単結晶の成長端面を、図１に図示した種結晶１００のように、凸形状を維持するように結晶成長させることにより、欠陥を常に端面の外方向に分解することができ、よって欠陥をより効果的に解消させることができる。そのために、結晶成長時においては、炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内の単結晶近傍の温度分布を、単結晶の端面形状よりも凸形状にするような温度分布にすることが有利である。このような温度分布は、より具体的には、単結晶の中心軸線方向中心部では温度が低く、周辺部では温度が高いような温度分布にすることにより実現できる。このような温度分布で結晶成長を行うことにより、上述したような結晶成長時に単結晶の端面形状を、常に凸形状に維持することを効果的にできる。また、このような温度分布は、炭化ケイ素単結晶製造装置において、複数のコイルにより加熱するようにして、個々のコイルの加熱を制御することにより実現することができる。

本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法において、昇華用原料は、炭化ケイ素であればよく、原料の結晶の多型、使用量、純度、原料の製造方法等については特に制限されず、製造する炭化ケイ素単結晶の使用目的等に応じて適宜選択することができる。

上記昇華用原料の結晶の多型には、例えば、４Ｈ，６Ｈ，１５Ｒ，３Ｃなどが挙げられ、これらの中でも６Ｈなどが好適に挙げられる。これらは、１種単独で使用されるのが好ましいが、２種以上併用されてもよい。

昇華用原料の使用量は、製造する炭化ケイ素単結晶の大きさ、坩堝の大きさ等に応じて適宜選択することができる。

昇華用原料の純度は、製造する炭化ケイ素単結晶中への多結晶や多型の混入を可能な限り防止する観点からは、純度の高いことが好ましく、具体的には、不純物元素の各含有量が０．５ｐｐｍ以下であるのが好ましい。

昇華用原料は、粉体であってもよく、また、その粉体を焼結した固形体であってもよい。また、炭化ケイ素粉末は、大きさが不均一であるため、解粉、分級等を行うことにより所望の粒度にすることができる。炭化ケイ素粉末の平均粒径としては、粉体を昇華用原料に用いる場合、１０〜３００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。平均粒径が１０μｍ未満であると、炭化ケイ素単結晶を成長させるための炭化ケイ素の昇華温度、即ち１８００℃〜２７００℃で速やかに焼結を起こしてしまうため、昇華表面積が小さくなり、炭化ケイ素単結晶の成長が遅くなることがあり、また、炭化ケイ素粉末を坩堝へ収容させる際や、成長速度調整のために再結晶雰囲気の圧力を変化させる際に、炭化ケイ素粉末が飛散し易くなる。一方、平均粒径が３００μｍを超えると、炭化ケイ素粉末自身の比表面積が小さくなるため、やはり炭化ケイ素単結晶の成長が遅くなることがある。

炭化ケイ素単結晶の製造装置のるつぼ内における昇華用原料の加熱温度、種結晶の加熱温度、るつぼ内の雰囲気及び圧力については特に限定されない。炭化ケイ素単結晶を製造するために通常用いられる製造条件を適用することが可能である。

図１に示した炭化ケイ素単結晶の製造装置１を用いて、炭化ケイ素単結晶を製造した。昇華用原料４０を黒鉛製るつぼ１０の容器本体１２に収容し、かつ，この収容された粉末状の昇華用原料４０に対向して、炭化ケイ素単結晶の種結晶１００を黒鉛製るつぼ１０の蓋体１１に設置した。第１の誘導加熱コイル２０、第２の誘導加熱コイル２１及び干渉防止コイル２２に通電し、るつぼ内温度及び温度分布を調整した。また、るつぼ内はアルゴンガス雰囲気で圧力は１Ｔｏｒｒに維持した。これらのコイルにより、昇華用原料４０は約２１１２℃に加熱されて昇華した。蓋体１１に取り付けられた種結晶は、第２の誘導加熱コイル２１により昇華用原料４０よりも低い温度（約２０１２℃）に加熱されて、昇華した昇華用原料４０再結晶し得る雰囲気（圧力１Ｔｏｒｒ）に維持されているため、炭化ケイ素が種結晶１００上近傍にのみ再結晶化し、炭化ケイ素の結晶が成長した。

このような炭化ケイ素の結晶を成長させるに当たり、蓋体１１に取り付ける前の種結晶には、オフ方位が［１−１００］のものを用意した。この種結晶には、面内の特定方位近傍に３箇所の結晶欠陥が見られた。そこで、この種結晶のオフ方位を［１１−２０］に変更する加工を種結晶に行い、上記した特定方位近傍の結晶欠陥が、当該オフ方位の上流側に位置するようにした。この種結晶を炭化ケイ素単結晶の製造装置１の蓋体１１に取り付けて、結晶成長を行ったところ、このオフ方位上流側に位置した３箇所の結晶欠陥は消失していた。

以上、本実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の製造方法を実施例に従って説明したが、本発明の炭化ケイ素単結晶の製造方法は、実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

１ 炭化ケイ素単結晶製造装置
１１ 蓋体
１２ 容器本体
４０ 昇華用原料
１００ 種結晶

Claims (6)

1. 炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に昇華用原料を収容すると共にこの昇華用原料に略対向して炭化ケイ素単結晶の種結晶を配置し、加熱により昇華させた前記昇華用原料を前記種結晶の表面上で再結晶させて炭化ケイ素単結晶を結晶成長させる炭化ケイ素単結晶の製造方法であって、
   前記種結晶に生じている結晶欠陥を、オフ方位に従う優先成長によって打ち消しつつ結晶成長させることを特徴とする炭化ケイ素単結晶の製造方法。
2. 炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内に配置する種結晶として、結晶欠陥をオフ方位の上流側に位置させた種結晶を用いることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法。
3. 前記結晶欠陥が小傾角粒界であることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法。
4. 結晶成長時に単結晶の端面形状を凸形状に維持することを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法。
5. 結晶成長時における炭化ケイ素単結晶製造装置の容器内の単結晶近傍の温度分布を、単結晶の端面形状よりも凸形状にするような温度分布にすることを特徴とする請求項４に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法。
6. 複数のコイルにより加熱することを特徴とする請求項４又は５に記載の炭化ケイ素単結晶の製造方法。

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