JP2019156660A - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 カーボンインクルージョンが低減化された炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】 成長容器内で固体炭化珪素原材料を昇華させて種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、タンタル（Ｔａ）の粉末をカーボンの粉末とともに混合し、前記成長容器内の前記固体炭化珪素原材料に付着させ、熱処理を行い焼結し、前記固体炭化珪素原材料の表面に炭化タンタル（ＴａＣ）の皮膜を形成した後、または形成しながら炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。【選択図】 図１

Description

本発明は、昇華法によって炭化珪素の結晶成長を行う炭化珪素の製造方法に関する。

近年、電気自動車や電気冷暖房器具にインバーター回路が多用されるにいたり、電力ロスが少なく、半導体Ｓｉ結晶を用いた素子より耐圧を高くとれるという特性から、炭化珪素（以後、ＳｉＣと言う場合もある）の半導体結晶が求められている。

ＳｉＣなどの融点が高い結晶、液相成長がしにくい結晶の代表的かつ現実的な成長方法として昇華法がある。容器内で２０００℃前後ないしそれ以上の高温で固体原材料を昇華させて、対向する種結晶上に結晶成長させる方法である（特許文献１）。
しかしながら、ＳｉＣの結晶成長は、昇華させるために高温が必要で、成長装置は高温での温度制御が必要とされる。また、昇華した物質の圧力を安定させるために、容器内の圧力の安定した制御が必要とされる。またＳｉＣの結晶成長は、昇華速度によるもので、Ｓｉのチョクラルスキー法やＧａＡｓなどのＬＰＥ製法などと比較して、相対的にかなり成長速度が遅い。したがって、長い時間をかけて成長する。幸いに、昨今の制御機器の発達、コンピュータ、パソコン等の発達で、圧力、温度の調節を長期間安定して行うことが可能である。

図９にＳｉＣ製造装置の概略断面図を示す。ＳｉＣの昇華法成長方法は具体的には、図９に示すようなＳｉＣ製造装置１０１を用いて行う。成長容器１０４内に固体炭化珪素原材料１０３を入れ、ヒーター（高周波加熱コイル）１０８で加熱し、成長容器１０４内に配置された種基板（種ウェーハ）１０２に結晶成長させるものである。

成長容器１０４は、真空の石英管内か真空のチャンバー内に配置されて、一度、活性の低いガスで満たされており、その雰囲気は、ＳｉＣの昇華速度を上げるために、大気圧より低い。

成長容器１０４の外側には、断熱材（断熱容器）１０５が配置されている。断熱材１０５の一部には、パイロメーターで温度測定するための穴（上部温度測定孔）１０６が少なくともひとつある。それにより多少の熱が穴からもれる。

成長容器１０４は、主にカーボン材料からなり、通気性があり、容器内外の圧力は等しくなる。しかし昇華を開始することで、容器の外部に昇華した気体が漏れる。
実際には、成長容器１０４の下部に固体炭化珪素原材料１０３が配置されている。これは固体であり、高温下、減圧下で昇華する。昇華した材料は、対向する種結晶１０２上に単結晶として成長する。ＳｉＣの場合であれば単結晶というのは、立方晶、六方晶などがあり、更に六方晶の中でも、４Ｈ、６Ｈなどが、代表的なポリタイプとして知られている。
多くの場合は、４Ｈ種上には４Ｈが成長するというように同じタイプの単結晶が成長する（特許文献２）。

ここで、従来の炭化珪素単結晶の製造方法を図８のフローチャートを用いて説明する。
図８（ａ）に示すように固体炭化珪素原材料１０３と種基板（種ウェーハ）１０２を成長容器１０４内に配置する。次に図８（ｂ）に示すように成長容器１０４を断熱容器１０５内に配置する。次に図８（ｃ）に示すように断熱容器１０５ごと外部容器（ＳＵＳ、石英等からなる）１０９に配置する。次に図８（ｄ）に示すように外部容器１０９内を真空引きし、所定の圧力に保ちつつ、昇温する。次に図８（ｅ）に示すように昇華法によりＳｉＣ単結晶の成長を行う。最後に図８（ｆ）に示すように減圧圧力を上げて昇華を止め、成長を停止し、温度を徐々に下げて冷却する。

特開２０００−１９１３９９号公報 特開２００５−２３９４６５号公報

しかしながら、上記で説明した従来の炭化珪素単結晶の製造方法では、炭化珪素単結晶の成長中の単結晶の中にカーボンがインクルージョンとして入ってしまい、ウェーハ加工時にウェーハ表面にカーボンの塊が露出するとカーボンの塊が取れて、ピットとなり、そこに研磨剤や洗浄剤がたまり、そこからウェーハ表面の傷、汚染となる物質が出るという問題がある。このカーボンインクルージョンはウェーハの透過での顕微鏡検査で見つけることができる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、カーボンインクルージョンが低減化された炭化珪素単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、成長容器内で固体炭化珪素原材料を昇華させて種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、タンタル（Ｔａ）の粉末をカーボンの粉末とともに混合し、前記成長容器内の前記固体炭化珪素原材料に付着させ、熱処理を行い焼結し、前記固体炭化珪素原材料の表面に炭化タンタル（ＴａＣ）の皮膜を形成した後、または形成しながら炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。

このように固体炭化珪素原材料の表面に炭化タンタル（ＴａＣ）の皮膜を形成した後、または形成しながら炭化珪素単結晶を成長させることで、固体原材料からカーボンの塊が浮遊するのを防ぐことができ、これにより、カーボンインクルージョンが低減化された炭化珪素単結晶を製造することができる。

また、前記成長容器がカーボンからなる場合には、前記成長容器の内壁にもタンタル（Ｔａ）の粉末をカーボンの粉末とともに混合したものを付着させることが好ましい。
このような

成長容器がカーボンからなる場合には、このように成長容器の内壁にもタンタル（Ｔａ）の粉末をカーボンの粉末とともに混合したものを付着させることで、原料ガスと成長容器のカーボンが反応して、成長中の単結晶の中にカーボンがインクルージョンとして入ってしまうことを防止することができる。

以上のように、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法によれば、固体原材料からカーボンの塊が浮遊するのを防ぐことができ、これにより、カーボンインクルージョンが低減化された炭化珪素単結晶を製造することができる。

本発明の第一の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第一の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができるＳｉＣ製造装置を示す概略断面図である。 本発明の第二の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第二の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができるＳｉＣ製造装置を示す概略断面図である。 実施例１のウェーハ面内のカーボンインクルージョンの分布及び平均個数（密度）である。 実施例２のウェーハ面内のカーボンインクルージョンの分布及び平均個数（密度）である。 比較例のウェーハ面内のカーボンインクルージョンの分布及び平均個数（密度）である。 従来の炭化珪素単結晶の製造方法を示すフローチャートである。 一般的な炭化珪素単結晶製造装置の概略断面図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（第一の実施形態）
以下に、本発明の第一の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法について、図１、２を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法を示すフローチャートである。図２は本発明の第一の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができるＳｉＣ製造装置の概略断面図である。

図２に示すように、ＳｉＣ製造装置１は、種基板（種ウェーハ）２及び固体炭化珪素原材料３を収容する成長容器４と、成長容器４を囲う断熱容器５と、断熱容器５に貫通して設けた上部温度測定孔６を通して、成長容器４内の温度を測定する温度測定センサー７と、固体炭化珪素原材料３を加熱するヒーター（高周波加熱コイル）８と、断熱容器５を収容する外部容器９とを備えている。

本発明の第一の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法は、最初に図１（ａ）に示すように成長容器４内の固体炭化珪素原材料３の表面にＴａの粉、カーボンの粉、及びフェノールの樹脂を混ぜて付着させ、種基板（種ウェーハ）２を成長容器４内の上部に配置する。フェノール樹脂を混ぜることでＴａの粉とカーボンの粉を容易に均一に固体原材料表面に付着させることができる。
なお、固体炭化珪素原材料３は、ＳｉＣ粉末を溶かして冷却し、ブロック状になったものである。

次に図１（ｂ）に示すように成長容器４を断熱容器５内に配置する。

次に図１（ｃ）に示すように断熱容器５ごと外部容器９内に配置する。外部容器９は、例えば、ＳＵＳ、石英等からなる。

次に図１（ｄ）に示すように外部容器９内を真空引きし、所定の圧力に保ちつつ、昇温する。ここで外部容器９内は、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気等にすることができる。このとき、温度は２０００℃以上、圧力は１００Ｔｏｒｒ（１３３ｈＰａ）以下とすることが好ましい。

次に図１（ｅ）に示すように昇華法によりＳｉＣ単結晶（成長結晶）２ａの成長を行う。このとき、固体炭化珪素原材料３の表面に付着させたものは焼結され、固体炭化珪素原材料３の表面には、炭化タンタル（ＴａＣ）の皮膜１０が形成される（図２参照）。

最後に図１（ｆ）に示すように減圧圧力を上げて昇華を止め、成長を停止し、温度を徐々に下げて冷却する。

このような製造方法であれば、固体炭化珪素原材料３の表面に炭化タンタル（ＴａＣ）の皮膜１０を形成しながら炭化珪素単結晶を成長させることで、固体原材料からカーボンの塊が浮遊するのを防ぐことができるため、成長した炭化珪素結晶はカーボンインクルージョンが低減化したものとすることができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法について、図３、４を参照しながら説明する。
図３は、本発明の第二の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法を示すフローチャートである。図４は、本発明の第二の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができるＳｉＣ製造装置の概略断面図である。図４のＳｉＣ製造装置１’は、図２のＳｉＣ製造装置１と同様の構成を有している。

本発明の第二の実施形態の炭化珪素単結晶の製造方法は、最初に図３（ａ）に示すように、成長容器４内の固体炭化珪素原材料３の表面と成長容器４の側壁に、Ｔａの粉、カーボンの粉、及びフェノールの樹脂を混ぜて付着させる。

次に図３（ｂ）に示すように高温で焼結し、付着させたものをＴａＣ膜化し、冷却する。これにより、固体炭化珪素原材料３の表面に炭化タンタルの皮膜１０を形成するとともに、成長容器４の側壁にも、炭化タンタルの皮膜１０’を形成する（図４参照）。

次に図３（ｃ）に示すように成長容器４の上部に種基板（種ウェーハ）２をセットする。

次に図３（ｄ）に示すように成長容器４を断熱容器５内に配置する。

次に図３（ｅ）に示すように断熱容器５ごと外部容器９内に配置する。

次に図３（ｆ）に示すように外部容器９内を真空引きし、所定の圧力に保ちつつ、昇温する。ここで外部容器９内は、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気等にすることができる。このとき温度は２０００℃以上、圧力は１００Ｔｏｒｒ（１３３ｈＰａ）以下とすることが好ましい。

次に図３（ｇ）に示すように昇華法によりＳｉＣ単結晶（成長結晶）２ａの成長を行う。

最後に図３（ｈ）に示すように減圧圧力を上げて昇華を止め、成長を停止し、温度を徐々に下げて冷却する。

このような製造方法であれば、固体炭化珪素原材料の表面及び成長容器の内壁に、炭化タンタル（ＴａＣ）の皮膜を形成した後に、炭化珪素単結晶を成長させることで、固体原材料からカーボンの塊が浮遊するのを防ぐことができるとともに、原料ガスと成長容器のカーボンが反応して、成長中の単結晶の中にカーボンがインクルージョンとして入ってしまうことを防止することができるため、成長した炭化珪素結晶はカーボンインクルージョンがより効果的に低減化したものとすることができる。
なお、この第二の実施形態において、成長容器内壁にもＴａＣの皮膜を形成したが、固体炭化珪素原材料の表面にＴａＣの皮膜を形成しさえすれば、形成容器表面には必ずしも形成する必要はない。ただし、成長容器内壁にも成長させた方がよりカーボンのインクルージョンを抑制できる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
以下の成長条件で直径４インチ（１００ｍｍ）のＳｉＣ単結晶を成長させた。
＜条件＞
種結晶基板・・・主面が｛０００１｝面から＜１１２０＞方向に４°傾いた直径４インチ（１００ｍｍ）のＳｉＣ単結晶基板
成長温度・・・２２００℃
圧力・・・１０Ｔｏｒｒ（１３ｈＰａ）
雰囲気・・・アルゴンガス、窒素ガス
図１に示すような手順（すなわち、第一の実施形態で説明した手順）でＳｉＣ単結晶を製造した。

製造した単結晶を切り出し、顕微鏡にてウェーハ面内のカーボンインクルージョンの分布及び平均個数（密度）を調べた。その結果を図５に示す。図５からわかるように、実施例１では、カーボンインクルージョン密度が２．４個／ｃｍ^２であり、後述する比較例に比べて、カーボンインクルージョンが大幅に改善されているのが判る。

（実施例２）
以下の成長条件で直径４インチ（１００ｍｍ）のＳｉＣ単結晶を成長させた。
＜条件＞
種結晶基板・・・主面が｛０００１｝面から＜１１２０＞方向に４°傾いた直径４インチ（１００ｍｍ）のＳｉＣ単結晶基板
成長温度・・・２２００℃
圧力・・・１０Ｔｏｒｒ（１３ｈＰａ）
雰囲気・・・アルゴンガス、窒素ガス
図３に示すような手順（すなわち、第二の実施形態で説明した手順）でＳｉＣ単結晶を製造した。

製造した単結晶を切り出し、顕微鏡にてウェーハ面内のカーボンインクルージョンの分布及び平均個数（密度）を調べた。その結果を図６に示す。図６からわかるように、実施例２では、カーボンインクルージョン密度が０．７３個／ｃｍ^２であり、後述する比較例に比べて、カーボンインクルージョンが大幅に改善されているのが判る。また、実施例２では、実施例１と比べて、カーボンインクルージョンがより改善されているのが判る。

（比較例）
以下の成長条件で直径４インチ（１００ｍｍ）のＳｉＣ単結晶を成長させた。
＜条件＞
種結晶基板・・・主面が｛０００１｝面から＜１１２０＞方向に４°傾いた直径４インチ（１００ｍｍ）のＳｉＣ単結晶基板
成長温度・・・２２００℃
圧力・・・１０Ｔｏｒｒ（１３ｈＰａ）
雰囲気・・・アルゴンガス、窒素ガス
図８に示すような手順でＳｉＣ単結晶を製造した。

製造した単結晶を切り出し、顕微鏡にてウェーハ面内のカーボンインクルージョンの分布及び平均個数（密度）を調べた。その結果を図７に示す。図７からわかるように、比較例では、カーボンインクルージョン密度が２５．６個／ｃｍ^２であり、実施例１、２に比べて、カーボンインクルージョンが非常に多く発生しているのが判る。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１、１’、１０１…ＳｉＣ製造装置、
２、１０２…種基板（種結晶基板、種ウェーハ）、
２ａ、１０２ａ…炭化珪素単結晶（成長結晶）、
３、１０３…固体炭化珪素原材料、 ４、１０４…成長容器、
５、１０５…断熱容器、 ６、１０６…上部温度測定孔、
７、１０７…温度測定センサー、 ８、１０８…ヒーター（高周波加熱コイル）、
９、１０９…外部容器、 １０、１０’…炭化タンタルの皮膜。

Claims (2)

1. 成長容器内で固体炭化珪素原材料を昇華させて種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶の製造方法であって、
   タンタル（Ｔａ）の粉末をカーボンの粉末とともに混合し、前記成長容器内の前記固体炭化珪素原材料に付着させ、熱処理を行い焼結し、前記固体炭化珪素原材料の表面に炭化タンタル（ＴａＣ）の皮膜を形成した後、または形成しながら炭化珪素単結晶を成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
2. 前記成長容器はカーボンからなり、
   前記成長容器の内壁にもタンタル（Ｔａ）の粉末をカーボンの粉末とともに混合したものを付着させることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。