JP6879236B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、昇華法によって炭化珪素の単結晶成長を行う炭化珪素単結晶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あり、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。

ＳｉＣの昇華法による成長方法は、具体的には、図７に示すようなＳｉＣ成長装置１０１を用いて行う。成長容器１０４内に炭化珪素原材料１０３を入れ、ヒーター１０８で加熱し、成長容器１０４内に配置された種結晶基板１０２に結晶成長させるものである（炭化珪素単結晶１０２ａ）。
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１０５が配置されている。断熱材１０５の一部には、温度測定器（パイロメーター）１０７で温度測定するための穴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。
この穴は種結晶基板１０２の中心部に対応する位置にあり、図８に示すように種結晶基板１０２の面内温度分布は中心部が最も低くなり、単結晶は中心から外側に螺旋状に成長するため貫通転位（螺旋転位）が多く発生する。

成長容器１０４は、主にカーボン材料からなり、通気性があり、成長容器内外の圧力は等しくなる。

実際には、成長容器の下部に炭化珪素原材料が配置されている。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（上部に配置されている）種結晶基板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）。

上記のようなＳｉＣ単結晶の成長方法により得られたＳｉＣ単結晶には、中央にファセットが形成され、螺旋転位を駆動力に成長しており、欠陥が多く存在する。繰り返し成長すると、中央部の結晶性の劣化が進行する。
このような結晶性の劣化が存在する基板を用いた素子では、その性能が著しく低下する。例えば、発光ダイオードを製作した場合にリーク電流の増加および光度の低下が起こる。また、高出力素子では、耐圧が保たれないことが報告されている。したがって、ＳｉＣ単結晶基板を用いた素子の性能を向上させたり、ウェーハ内の歩留りを上げるためには、この中央部の結晶性の劣化を低減することが重要となる。

特開２０００−１９１３９９号公報 特開２００５−２３９４６５号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ウェーハ中央部の結晶性の劣化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、温度測定用の穴を上部に設けた断熱材によって成長容器を囲い、該成長容器内の上部の中心に種結晶基板を配置し、前記成長容器の下部に炭化珪素原材料を配置し、前記炭化珪素原材料を昇華させて前記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、
前記断熱材の温度測定用の穴の中心の位置と前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心の位置がずれるように、前記温度測定用の穴を、前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心に対して外周側の位置にずらして設け、
前記種結晶基板として、基底面である｛０００１｝面からオフ角だけ傾斜した主面を有する炭化珪素単結晶基板を用い、
前記成長容器内の前記種結晶基板の中心と前記断熱材の前記温度測定用の穴の中心を含む断面視において、前記種結晶基板の基底面の法線ベクトルの前記種結晶基板の主面と平行な成分の方向と、前記温度測定用の穴の中心の前記種結晶基板の中心に対する偏芯方向とが、同方向になるように前記種結晶基板を前記成長容器内に配置して、前記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。

このように温度測定用の穴を偏芯させることで種結晶基板上の最低温度領域を中心からずらしてステップフロー方向のＳｉＣ単結晶成長領域を大きくすることでウェーハ中央部の結晶性の劣化が低減化されたＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

このとき、前記種結晶基板のオフ角を、０．５〜１０度とすることができる。

このようなオフ角であれば、ステップフロー成長を効率良く行うことができる。

また、前記断熱材の温度測定用の穴を、該穴の中心が、前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心から、該種結晶基板の半径の１／３の位置よりも外周側に位置するように設けることができる。

このようにすれば、より確実に、ウェーハ中央部においてステップフロー方向に炭化珪素単結晶を成長させることができ、貫通欠陥が低減化され結晶性の劣化が低減された炭化珪素単結晶を成長させることができる。

以上のように、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法であれば、ウェーハ中央部の結晶性の劣化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。

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法を実施することができるＳｉＣ成長装置の一例を示す概略断面図である。 本発明の種結晶基板の位置と温度分布との関係を示すグラフである。 本発明の炭化珪素単結晶の製造方法のフローの一例を示す工程図である。 本発明における種結晶基板の配置の向きを示す説明図である。 実施例におけるウェーハ面内歪み分布を示す測定図である。 比較例におけるウェーハ面内歪み分布を示す測定図である。 従来法で使用するＳｉＣ成長装置の一例を示す概略断面図である。 従来のＳｉＣ成長装置における種結晶基板の位置と温度分布との関係を示すグラフである。

上記したように、本発明者らがウェーハ中央部の結晶性の劣化を低減させるため検討を重ねた結果、温度測定用の穴を上部に設けた断熱材によって成長容器を囲い、該成長容器内の上部の中心に種結晶基板を配置し、前記成長容器の下部に炭化珪素原材料を配置し、前記炭化珪素原材料を昇華させて前記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において、
前記断熱材の温度測定用の穴の中心の位置と前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心の位置がずれるように、前記温度測定用の穴を、前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心に対して外周側の位置にずらして設け、
前記種結晶基板として、基底面である｛０００１｝面からオフ角だけ傾斜した主面を有する炭化珪素単結晶基板を用い、
前記成長容器内の前記種結晶基板の中心と前記断熱材の前記温度測定用の穴の中心を含む断面視において、前記種結晶基板の基底面の法線ベクトルの前記種結晶基板の主面と平行な成分の方向と、前記温度測定用の穴の中心の前記種結晶基板の中心に対する偏芯方向とが、同方向になるように前記種結晶基板を前記成長容器内に配置して、前記炭化珪素単結晶を成長させることでウェーハ中央部の結晶性の劣化が減少することを見出し、本発明を完成させた。

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。

図１は、本発明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成長装置の一例を示す概略断面図である。

図１に示すように、本発明のＳｉＣ成長装置１は、種結晶基板２及び炭化珪素原材料（ＳｉＣ原料ともいう）３を収容する成長容器４と、該成長容器４を囲う断熱材５と、該断熱材５に貫通して設けた温度測定用の穴（以下、単に穴ともいう）６を通して、成長容器４内の温度を測定する温度測定器７と、ＳｉＣ原料を加熱するヒーター８とを備えている。

成長容器４は、種結晶基板２を配置する成長室９と、ＳｉＣ原料３を配置する昇華室１０とからなり、例えば耐熱性のあるグラファイトで形成される。また、結晶成長の際には、不図示の石英管又はチャンバー内に成長容器４をセットして、真空排気しながらＡｒ等の不活性ガスを供給することにより、不活性ガス雰囲気の減圧下で結晶成長（炭化珪素単結晶２ａの成長）を行う。この際にｎ型であれば窒素を添加しても良い。

ヒーター８は、ＲＨ（抵抗加熱）又はＲＦ（高周波）加熱を行うものを用いることができる。また、温度測定器７としては、パイロメーターを用いることで、成長容器４の外部から、断熱材５の温度測定用の穴６を通して、非接触で温度測定を精度良く行うことができる。

ここで、本発明における、ＳｉＣ成長装置における種結晶基板、断熱材の温度測定用の穴の位置について詳述する。
本発明では、種結晶基板は成長容器内に配置されており、より詳しくは、図１に示すように成長容器内の上部の中心に配置されている。
また、温度測定用の穴は断熱材の上部に設けられている。より詳しくは、図１に示すように穴の中心の位置Ｃ２と、成長容器内の成長容器内の上記種結晶基板の中心の位置Ｃ１（成長容器上部の中心位置とも言い換えられる）がずれるように、種結晶基板の中心Ｃ１に対して外周側の位置にずらして穴が設けられている。
なお、断熱材上部に設けられた断熱材の外側と内側を結ぶ貫通孔である、この温度測定用の穴の中心の位置Ｃ２は、ここでは、断熱材の内側（種結晶基板側）の断面における中心位置を指す。

この断熱材の温度測定用の穴の中心位置Ｃ２が種結晶基板の中心位置Ｃ１ではなく、中心位置Ｃ１から、種結晶基板の半径の１／３の位置よりも外周側に位置するように穴が設けることが好ましい。

このように温度測定用の穴の中心位置Ｃ２を中心位置Ｃ１から外側に配置することで、図２に示すように穴の位置に対応する種結晶基板の箇所が最も低温となり、この最も低温となる位置を種結晶基板の半径の１／３から外側にすることができる。また、この位置が炭化珪素単結晶の成長の起点となる。

以下、昇華法による本発明の炭化珪素単結晶の製造方法について図３の工程図を参照して説明する。
まず、図１のような、温度測定用の穴６の位置がずれているＳｉＣ成長装置１を用意する（工程１）。すなわち、温度測定用の穴６の中心位置Ｃ２と、後に配置する種結晶基板２の中心の位置Ｃ１（成長容器上部の中心位置）がずれるように、穴６を、種結晶基板２の中心位置Ｃ１に対して外周側の位置にずらして設けた装置を用意する。

次に、成長容器４内の昇華室１０にＳｉＣ原料３を収容し（工程２）、種結晶基板２を用意して成長室９の上部の中心位置に配置する（工程３）。ここで、種結晶基板２としては、基底面である｛０００１｝面からオフ角だけ傾斜した主面を有する炭化珪素単結晶基板を用意する。また、このオフ角の大きさは特に限定されないが、例えば０．５〜１０度とすることができる。このような種結晶基板２を用いることでステップフロー成長させることができ、さらには種結晶基板２や温度測定用の穴６の配置位置、後に詳述する種結晶基板２の配置向きの関係によって、成長する炭化珪素単結晶２ａにおいて、歪みや貫通欠陥を低減化することが可能である。また、上記のような値のオフ角に設定することで、より効率良くステップフロー成長させることができる。

また、このときの種結晶基板２の配置の仕方（配置の向き）について、図４を参照して説明する。図４は、種結晶基板２の配置の向きを説明する図であり、ここでは簡単に、温度測定用の穴６と成長容器４の上部中心に配置した種結晶基板２のみ記載している。なお、図４は種結晶基板の中心Ｃ１と温度測定用の穴の中心Ｃ２を含む断面図である。また、種結晶基板２として基底面である｛０００１｝面から＜１１−２０＞方向に０．５〜１０度傾斜した結晶成長面を有する単結晶基板を例に挙げている。

前述したように、種結晶基板自体は基底面からオフ角傾斜した主面を有するものである。したがって、該基底面の法線ベクトルＮは種結晶基板２の主面と垂直な方向に対して傾いており、主面と垂直な方向の成分Ｎｖと主面と平行な方向の成分Ｎｐとに分けられる。この例では主面と平行な方向の成分Ｎｐは左向きである。
ところで、温度測定用の穴の中心の位置Ｃ２について考えると、前述したように種結晶基板の中心の位置Ｃ１からずれており、このずれの方向をここでは偏芯方向Ｄと定義する。この例では、偏芯方向Ｄは左向きである。
本発明においては、図４に示すように、上記のＮｐ（ここでは左向き）とＤ（ここでは左向き）とが同方向になるように、種結晶基板の向きを調整して配設する。

そして、例えば、アルゴンガスと窒素ガスを流して、１〜２０ｔｏｒｒ（１．３ｈＰａ〜２．７×１０ｈＰａ）の圧力とし、ヒーターで加熱して２０００〜２３００℃の温度で、種結晶基板２上にＳｉＣ単結晶２ａを成長させる（工程４）。
このとき、図４に冷却点と記載しているように、種結晶基板２において、温度測定用の穴６の位置に対応する箇所が最も低温となり、該最も低温となる位置が炭化珪素単結晶の成長の起点となる。図４の場合、冷却点よりも右側の範囲の方が、冷却点よりも左側の範囲よりも広くなっており、この広い範囲では、主面に平行な方向において、ステップフロー方向に結晶が成長していくことになる。
そして、このような本発明の製造方法によって、ウェーハ中央部において貫通欠陥が低減化され結晶性の劣化が低減化された良好な炭化珪素単結晶を製造することができる。また、従来法では製造した炭化珪素単結晶の面内で生じていた歪みを抑制することができる。

なお、図１、図４においては、温度測定用の穴の中心位置Ｃ２が、種結晶基板の中心位置Ｃ１から、種結晶基板２の半径の１／２の位置付近になるように穴６を設けている例を示した。しかしながら、穴は外周側の位置にずれていれば良く、ずれの度合いは特に限定されない。ただし、前述したように穴の中心位置Ｃ２が、種結晶基板の中心位置Ｃ１から、種結晶基板の半径の１／３の位置よりも外周側に位置するものが好ましく、種結晶基板の半径の１／２の位置よりも外周側に位置するものがより好ましい。このようにすれば、実際に炭化珪素単結晶２ａを種結晶基板２上に成長させるときに、より確実に、種結晶基板面内の広い範囲でステップフロー方向に炭化珪素単結晶を成長させることができる。そして、歪みや貫通欠陥がより少ない炭化珪素単結晶をより確実に得ることができる。

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）

本発明の炭化珪素単結晶の製造方法により、図１に示すＳｉＣ成長装置を用いて、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＜１１−２０＞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（１．３×１０ｈＰａ）
雰囲気…アルゴンガス、窒素ガス

なお、図１に示すように、温度測定用の穴が、種結晶基板の中心から、種結晶基板の半径の１／２の位置に対応する箇所に開けられ、図４に示すように、種結晶基板の基底面の結晶成長方向の法線ベクトルの種結晶基板の主面と平行な成分の方向と穴の偏芯方向が同方向となるように種結晶基板を配置して、結晶成長を行った。

ＳｉＣ単結晶成長後、マルチワイヤーソーにてウェーハを切り出し、研削、鏡面研磨およびＣＭＰ研磨後、光弾性評価により面内歪み分布を調査した結果を図５に示す。

更に、ウェーハ中央部の結晶性を調査した結果を表１に示す。
（比較例）

図７のようなＳｉＣ成長装置を用意し、従来の炭化珪素単結晶の製造方法で炭化珪素単結晶を製造した。図７に示すように、温度測定用の穴の中心位置が種結晶基板の中心に一致するように、穴が開けられている装置を用い、主面が｛０００１｝面のＳｉＣ単結晶基板を種結晶基板として用いたことを除き、実施例と同じ条件で直径４インチ（１００ｍｍ）のＳｉＣ単結晶を成長させた。

ＳｉＣ単結晶成長後、マルチワイヤーソーにてウェーハを切り出し、研削、鏡面研磨およびＣＭＰ研磨後に、光弾性評価により面内歪み分布を調査した結果を図６に示す。更に、実施例と同様にしてウェーハ中央部の結晶性を調査した結果を表１に示す。

図５、６に示す結果から、実施例は、比較例に比べて、ウェーハの面内中央部及び外周部の歪みが弱まっていることが分かる。
また、表１から、実施例における各座標の半値幅は、比較例よりも顕著に小さい値となり、実施例のウェーハは比較例に比べて平坦な面を有し、結晶性が改善されているのが判る。

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、１０１…ＳｉＣ成長装置、 ２、１０２…種結晶基板、
２ａ、１０２ａ…炭化珪素単結晶、 ３、１０３…炭化珪素原材料、
４、１０４…成長容器、 ５、１０５…断熱材、 ６、１０６…温度測定用の穴、
７、１０７…温度測定器、 ８、１０８…ヒーター、 ９…成長室、 １０…昇華室、
Ｃ１…種結晶基板の中心の位置、 Ｃ２…温度測定用の穴の中心の位置、
Ｎ…種結晶基板の基底面の法線ベクトル、
Ｎｖ…法線ベクトルの主面と垂直な方向の成分、
Ｎｐ…法線ベクトルの主面と平行な方向の成分、
Ｄ…温度測定用の穴の偏芯方向。

Claims (3)

1. 温度測定用の穴を上部に設けた断熱材によって成長容器を囲い、該成長容器内の上部の中心に種結晶基板を配置し、前記成長容器の下部に炭化珪素原材料を配置し、前記炭化珪素原材料を昇華させて前記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、
   前記断熱材の温度測定用の穴の中心の位置と前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心の位置がずれるように、前記温度測定用の穴を、前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心に対して外周側の位置にずらして設け、
   前記種結晶基板として、基底面である｛０００１｝面からオフ角だけ傾斜した主面を有する炭化珪素単結晶基板を用い、
   前記成長容器内の前記種結晶基板の中心と前記断熱材の前記温度測定用の穴の中心を含む断面視において、前記種結晶基板の基底面の法線ベクトルの前記種結晶基板の主面と平行な成分の方向と、前記温度測定用の穴の中心の前記種結晶基板の中心に対する偏芯方向とが、同方向になるように前記種結晶基板を前記成長容器内に配置して、前記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. 前記種結晶基板のオフ角を、０．５〜１０度とす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。
3. 前記断熱材の温度測定用の穴を、該穴の中心が、前記成長容器内に配置する前記種結晶基板の中心から、該種結晶基板の半径の１／３の位置よりも外周側に位置するように設けることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

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