JP2007284306A

JP2007284306A - 炭化珪素単結晶及びその製造方法

Info

Publication number: JP2007284306A
Application number: JP2006115128A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Sawamura; 充澤村; Tatsuo Fujimoto; 辰雄藤本; Masashi Nakabayashi; 正史中林; Noboru Otani; 昇大谷; Masakazu Katsuno; 正和勝野; Hiroshi Tsuge; 弘志柘植; Taizo Hoshino; 泰三星野; Hirokatsu Yashiro; 弘克矢代; Takashi Aigo; 崇藍郷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】結晶欠陥の少ない炭化珪素単結晶、炭化珪素単結晶ウェハ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】種結晶（炭化珪素単結晶）１を用いた昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造する方法において、充填時の比表面積が０．００１ｍ^２／ｇ以上０．０５ｍ^２／ｇ以下である炭化珪素粉末を原料２として用いる。得られる炭化珪素単結晶のポリタイプは３Ｃ、４Ｈ又は６Ｈである。また、炭化珪素単結晶を加工、研磨して炭化珪素単結晶ウェハを作製する。炭化珪素単結晶ウェハの口径は５０ｍｍ以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶欠陥の少ない炭化珪素単結晶、及びその安定製造を可能にする方法に関するものである。本発明により、加工及び研磨工程を経て製造される炭化珪素単結晶ウェハは、主として各種の半導体電子デバイス、あるいはそれらの基板として用いられる。

炭化珪素(SiC)は、優れた半導体特性を有しており、従来材であるシリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)等と比較して、特に耐熱性及び機械的強度等が格段に優れること等から、パワーデバイスや高周波デバイス等の各種半導体デバイス用ウェハ材料として注目されている。SiC単結晶ウェハを用いたデバイスとして、GaN系青色発光ダイオードやショットキーバリアダイオード等が既に商品化されており、また、他にも、GaN系高周波デバイス、及びMOSFETに代表される低損失パワーデバイス用の基板材料として試作に供されている。

目下のところ、デバイス製造に適した大口径を有するSiC単結晶インゴットは、改良レーリー法を基本とする昇華再結晶法によって、製造されることが一般的になっている(非特許文献1)。この昇華再結晶法の基本は、(1) SiC単結晶ウェハを種結晶として使用し、主として黒鉛からなる坩堝中に、原料となるSiC結晶粉末を充填、(2) アルゴン等の不活性ガス雰囲気中(133Pa〜13.3kPa)にて、約2000〜2400℃以上の高温に加熱、(3)原料粉末に比べ種結晶が低温側となる温度勾配が形成されるように種結晶及び原料粉末を配置、となっており、これにより原料から発生した昇華ガスが、種結晶方向へ拡散・輸送され、種結晶上で再結晶化することにより単結晶成長が実現、の3点から構成される。

このような製造方法において、代表的な結晶性悪化因子である異種ポリタイプ混入は、SiC単結晶成長時に混入が生じた際、異種ポリタイプとの境界付近等々からマイクロパイプと称される中空状欠陥が発生し、結晶品質を著しく劣化してしまう点で解消すべき課題である。マイクロパイプ欠陥の存在は、中空状欠陥ゆえに所望のデバイス特性が実現されず、デバイス歩留まりが著しく低くなる等の悪影響を及ぼす。このような観点から、異種ポリタイプ混入に代表される結晶欠陥を抑制もしくは解消する製造上の配慮が必要であり、その詳細は製造ノウハウとなっている。
Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol.52 (1981) pp.146

SiC結晶の代表的な結晶性悪化因子である異種ポリタイプ以外にも、成長結晶上にSi液滴が付着するSiドロップレットやその他の異物混入が悪化因子として挙げられる。これらは、いずれも異物領域との境界付近等々からマイクロパイプと称される中空状欠陥が発生し、結晶品質を著しく劣化してしまう点で解消すべき課題である。これらの抑制には、結晶成長に用いる坩堝形状や加熱出力等の工夫により抑制できる場合もあるが、プロセス上の制限を課すこととなるため、全体の製造許容範囲を狭めることから、より本質的な抑制対策が強く望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、結晶欠陥の少ないSiC単結晶、SiC単結晶ウェハ及びその製造方法を提供するものである。

本発明は、結晶欠陥の少ないSiC単結晶、SiC単結晶ウェハ及びその製造方法を提供するものであって、
(1) 種結晶を用いた昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造する方法において、充填時の比表面積が0.001m²/g以上0.05m²/g以下である炭化珪素を原料粉として用いることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法、
(2) 前記(1)に記載の製造方法で得られる炭化珪素単結晶であって、そのポリタイプが3C、4H又は6Hである炭化珪素単結晶、
(3) 前記(2)に記載の炭化珪素単結晶を加工、研磨してなる炭化珪素単結晶ウェハ、
(4) 前記単結晶ウェハの口径が50ｍｍ以上である前記(3)に記載の炭化珪素単結晶ウェハ、
である。

本発明の方法により、異種ポリタイプ混入が抑制され、結果的に結晶欠陥の少ないSiC単結晶を得ることができる。

上記事情を鑑み、発明者らは、昇華再結晶法において結晶欠陥の少ない良質なSiC単結晶を製造する方法を探索する中で、特に原料粉の粒度に注目し、結晶欠陥である異種ポリタイプ混入と比表面積について鋭意検討を重ねた。その結果、比表面積の小さな原料粉を採用することで、異種ポリタイプ混入抑制できることを見出すに至った。

結晶成長に用いる相対的に微細な原料では、質量に対する表面積(比表面積)が大きい点が特徴であるが、表面積が大きい分、昇華ガスが生じ易い。特に、SiC単結晶成長初期の昇華可能な温度領域では、表面積に対応して、より昇華ガスが大量に生じることとなり、成長初期の段階でSiC単結晶の成長速度を急激に加速することに繋がる。また、結晶成長初期について詳細に検討したところ、特に、代表的な結晶性悪化因子である異種ポリタイプが混入し易い点や、成長速度増大はその他の結晶性悪化因子の混入確率を増すことが明らかになった。また、昇華が初期に生じた反動で、逆に結晶成長後半では、早期から原料枯渇傾向となるため、異物混入等による結晶性悪化が生じ易い。逆に、表面積が小さ過ぎる場合、昇華量が表面積に比例して減少することになり、現実的な成長速度が得難くなり、生産性等に大きな影響を与えてしまう。

本発明の0.001m²/g以上0.05m²/g以下と規定した比表面積の範囲について説明をする。議論を簡単にするため昇華ガス量を蒸気圧と表面積の積に比例すると考える。当該範囲のほぼ中央となる、例えば、0.008m²/gでは、成長温度2500℃の蒸気圧は約6.3kPaとされている。一方、上限値である0.05m²/gでは、0.008m²/gと同一昇華ガス量を得るためには表面積を考慮し、温度は約2300℃(蒸気圧が約0.8〜0.9kPa)となる。つまり、この温度領域で成長に必要な昇華ガスが供給できることになる。更に上限値を越えた表面積の場合は、更に低温で成長に必要な昇華ガスが供給できる。しかし、2300℃未満の低温における昇華ガスに含まれるC/Siの比は、2500℃に比較して極端にSi組成が増加(参考文献:S. K. Lilov, Mat. Sci. Eng., B21, 65 (1993))し、Si液滴等の結晶性悪化因子が生じ易くなり、異物混入等による結晶性悪化が生じ易い問題が生じる。また、表面積の大きい場合で、これ以上温度を上げることで対応した場合、昇華ガス量が表面積に比して増加し、その結果、結晶成長速度の増加を引き起こすことで、安定した結晶成長を阻害してしまう。

逆に、0.001m²/g未満では、より高温(例えば2700℃程度)にしなければ、同等の昇華ガス量が供給できない。この温度では、種結晶の温度も高温に晒され易くなり、種結晶自身も昇温時に昇華し易くなる等の不具合も生じ易くなる。

これらの点を踏まえ、比表面積が、0.001m²/g以上0.05m²/g以下である炭化珪素を原料粉として用いることで、現実的な成長速度を確保しつつ、結晶成長初期においても、結晶性悪化因子の混入確率を低減できることを見出した。ここでの比表面積は、低比表面積に対応したBET法による測定値とする。気体の吸着を利用するBET法は通常窒素ガスを用いるが、クリプトンを用いることで低比表面積も測定することもできることが知られている。本発明時点で想定しているBET測定下限値は、本発明の下限と同じ0.001m²/gである。また、微粉原料を焼結し造粒した原料等は、粒度に比べて表面積が大きいものも得られることから、粒度と比表面積の単純な比例関係にはならない。むしろ前述の本発明の比表面積の範囲について説明のとおり、本発明で重要な点は比表面積であり、原料粉の粒度ではないことを付記しておく。

本発明のSiC単結晶は、現在デバイス応用が有望視されている3C、4H又は6Hポリタイプのいずれにおいても有効である。また、結晶の口径が大型化すると、使用するSiC原料も増加するため、本発明は大口径SiC単結晶成長に効果的であり、特に口径が50mm以上の場合に大きな効果が得られる。口径の上限としては300mm以下が挙げられる。そのような結晶から、通常の加工及び研磨プロセスを経て製造される単結晶ウェハは歩留まりが高いため、安価で高品質なウェハ供給が可能になる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
(実施例1、2及び比較例1、2)
原料粉として4種類(原料A、原料B、原料C、原料D)の炭化珪素を準備した。比表面積は、原料Aは0.118m²/g、原料Bは0.008m²/g、原料Cは0.030m²/g、原料Dは0.069m²/gであった。原料粉を使用し、種結晶を用いる通常の昇華再結晶法によって、直径50mm、ポリタイプが4Hである単結晶を作製した。

図1に、使用した成長炉及び坩堝等々の概略図を示す。水冷式の二重石英管(4)に入れられその外壁面を断熱材(5)で覆われた黒鉛坩堝(3)中にSiC原料(2)を充填し、その上部対向面に単結晶種結晶基板(1)を据え付けてあり、黒鉛坩堝を高周波コイル(7)により加熱させて、原料粉末を昇華させ、種結晶基板上に結晶成長させる方法である。この二重石英管(4)は真空排気装置(6)によって高真空排気でき、また、図示外のガス用マスフローコントローラによって内部雰囲気が制御可能である。雰囲気ガスとして、純度99.9999%以上のアルゴンガスを使用し、種結晶には、ポリタイプが4H型の炭化珪素単結晶基板を使用した。黒鉛坩堝に前述の原料粉を充填し、種結晶を所定の位置に装着して、炉内圧力を1.3×10³Paに調整し、約2000℃以上の高温状態にして結晶成長を実施した。

それぞれの原料で結晶成長を6回試み、成長した炭化珪素単結晶の外観及び断面切断により、異種ポリタイプ混入有無を評価した。表1に、各原料から得られた結晶における異種ポリタイプ混入した割合を示した。

本発明の実施例である原料B及び原料Cから得られた結晶では、比較例である原料A及び原料Dから得られた結晶と比較して、異種ポリタイプの混入する可能性が大きく低減している。このようにして本発明の製造方法を採用することにより、異種ポリタイプ混入が抑制され、結果的に結晶欠陥の少ないSiC単結晶を得ることができる。

(実施例3、4及び比較例3、4)
上記と同様な原料A、原料B、原料C及び原料Dを使用し、[実施例1、2及び比較例1、2]と同様の昇華再結晶法によって、直径77mm、ポリタイプが4Hである単結晶を作製した。使用した種結晶のマイクロパイプ密度は18個/cm²である。黒鉛坩堝に前述の原料粉をそれぞれ充填し、種結晶を所定の位置に装着して、炉内圧力を1.3×10³Paに調整し、約2000℃以上の高温状態にして結晶成長を実施した。それぞれの原料で結晶成長を各1回試みて、原料Aから得られた結晶を結晶P、原料Bから得られた結晶を結晶Q、原料Cから得られた結晶を結晶R、原料Dから得られた結晶を結晶Sとした。

各結晶を成長方向に垂直な面内でウェハを切り出した後、500℃で加熱溶融した水酸化カリウム(KOH)に10分間の浸漬を実施した。これによりマイクロパイプ周辺が優先的エッチングされ、マイクロパイプの個数を光学顕微鏡で観察可能になった。ウェハ全体でマイクロパイプの個数を測定した結果からマイクロパイプ密度を算出した。表2に、結晶P、Q、R及びSにおけるマイクロパイプ密度を示した。また、残存した各結晶P、Q、R及びSについて、異種ポリタイプ混入有無を評価したところ、結晶P及びSに異種ポリタイプ混入が確認された。

本発明の粒度を持つ原料粉B及び原料粉Cから得られた結晶では、異種ポリタイプの混入抑制に伴い、結晶欠陥であるマイクロパイプ密度も抑制している。このようにして、本発明の製造方法を採用することにより、異種ポリタイプ混入が抑制され、結果的に結晶欠陥の少ないSiC単結晶を得ることができる。

本発明で用いる単結晶成長装置の一例を示す構成図

符号の説明

1 種結晶(SiC単結晶)
2 SiC粉末原料
3 グラファイト坩堝
4 二重石英管(水冷式)
5 断熱材
6 真空排気装置
7 高周波加熱コイル

Claims

種結晶を用いた昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を製造する方法において、充填時の比表面積が0.001m²/g以上0.05m²/g以下である炭化珪素を原料粉として用いることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
請求項1に記載の製造方法で得られる炭化珪素単結晶であって、そのポリタイプが3C、4H又は6Hである炭化珪素単結晶。
請求項2に記載の炭化珪素単結晶を加工、研磨してなる炭化珪素単結晶ウェハ。
前記単結晶ウェハの口径が50mm以上である請求項3に記載の炭化珪素単結晶ウェハ。