JP4069508B2

JP4069508B2 - 炭化珪素単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP4069508B2
Application number: JP22109998A
Authority: JP
Inventors: 正一恩田; 隆小野田; 篤人岡本; 尚宏杉山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-07-21
Filing date: 1998-07-21
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2018-07-21
Also published as: JP2000044393A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス用の基板や炭化珪素単結晶成長用の種結晶として用いられる炭化珪素単結晶を製造する方法、特に、炭化珪素単結晶中のマイクロパイプ欠陥を低減する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素単結晶を製造するための方法の１つに昇華法（改良レーリー法）がある。昇華法は、黒鉛るつぼの上部に種結晶を、下部に原料粉末を配置して上下方向に温度勾配を設け、高温にした原料粉末から低温にした種結晶への物質移動で単結晶を得る方法である。この方法による炭化珪素単結晶の製造例を図５（ａ）を用いて具体的に説明すると、図中、黒鉛るつぼ９１内には、上部に設けた台座９２に炭化珪素種結晶Ｓが接合してあり、下部には主として炭化珪素からなる原料粉末９３が充填されている。ここで、原料粉末９３を２２００℃以上に加熱して原料ガスＧを発生させる一方、種結晶Ｓを原料粉末９３より数１０℃以上低温にすると、原料ガスＧが種結晶Ｓ上で再結晶し、炭化珪素単結晶９４が成長する。
【０００３】
ところが、昇華法により成長させた炭化珪素単結晶９４には、図示するように、マイクロパイプ欠陥３が発生することがある。このような単結晶９４から切り出した基板は、図５（ｂ）のように、内部に貫通した欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２となり、その後のデバイス作製等において、大きな障害となっていた。
【０００４】
そこで、炭化珪素単結晶基板２のマイクロパイプ欠陥３を閉塞することが検討されており、例えば、炭化珪素単結晶基板上に、マイクロパイプ欠陥に蓋をするようにして炭化珪素単結晶膜を形成する方法が提案されている。米国特許第５６７９１５３号には、シリコン中へのＳｉＣ溶融を用いた液相エピタキシー法を用いて結晶成長させると、エピタキシャル成長途中でマイクロパイプ欠陥が閉塞されていくことを利用して、マイクロパイプ欠陥を有する種結晶上にマイクロパイプ欠陥が低減されたエピタキシャル層を形成できることが示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法は、炭化珪素単結晶基板上に欠陥が低減された新たな炭化珪素単結晶の層を形成しようとするもので、炭化珪素単結晶基板の内部に存在するマイクロパイプ欠陥を閉塞することはできない。また、異なる成長法で複数層のエピタキシャル層を形成する必要があるなど、製造工程が複雑になる問題があった。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、炭化珪素単結晶基板の内部に存在するマイクロパイプ欠陥を塞ぎ、欠陥の少ない炭化珪素単結晶を得ることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の請求項１の方法は、マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板の、マイクロパイプ欠陥が開口した一方の面または両面に接して、炭化珪素基板を配置し、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞する炭化珪素単結晶の製造方法において、複数枚の上記マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板を、上記炭化珪素基板を介して積層し、同時に熱処理することを特徴とする。
【０００８】
マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板を、上記マイクロパイプ欠陥を埋めるための原料となる上記炭化珪素基板と接触させた状態で熱処理することにより、上記炭化珪素基板およびマイクロパイプ欠陥内壁またはその一方からの物質移動で上記マイクロパイプ欠陥を閉塞することができる。このメカニズムは必ずしも明らかではないが、以下のように推定される。昇華法による結晶成長の原理は、温度差による飽和蒸気圧の差であり、高温の原料側からの昇華ガスが低温の成長面側で再結晶化する。本発明の方法では、上記マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板と上記炭化珪素基板には温度差がほとんどないが、上記マイクロパイプ欠陥の内壁と上記炭化珪素基板の飽和蒸気圧の差によって、物質移動が発生し、上記炭化珪素単結晶基板と上記炭化珪素基板の界面付近から格子歪みが緩和され、その結果として、上記マイクロパイプ欠陥が該界面付近より埋まっていくと考えられる。このように、本発明では、上記炭化珪素基板を重ねて熱処理するという簡単な方法で、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞することができる。この時、複数枚の上記炭化珪素単結晶基板を、上記炭化珪素基板を介して積層し、同時に熱処理することにより、各炭化珪素単結晶基板内のマイクロパイプ欠陥を同時に修復し、欠陥の少ない上記炭化珪素単結晶基板を、複数、同時に得ることができる。そして、上記マイクロパイプ欠陥が修復された炭化珪素単結晶基板を用いて、良質な半導体デバイスの作製が可能である。また、これを種結晶として欠陥の少ない炭化珪素単結晶を成長させることができる。
【００１１】
請求項２の方法では、マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板を、炭化珪素粉末中に埋没させ、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞する。上記炭化珪素粉末に覆われた状態で熱処理を行うことによっても、上記炭化珪素基板を接して配置した場合と同様に上記マイクロパイプ欠陥を閉塞することが可能である。
【００１２】
請求項３の方法では、マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板を、炭化珪素粉末中に埋没させ、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞する方法において、上記マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板としては、４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣ単結晶が好適に用いられる。この時、上記炭化珪素粉末としては、結晶形が異なる３Ｃ−ＳｉＣ粉末を用いることができる。あるいは、請求項４のように、上記炭化珪素基板または上記炭化珪素粉末として、４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣを用いることもできる。上記マイクロパイプ欠陥の内壁は歪みを有し飽和蒸気圧が異なるため、上記炭化珪素単結晶基板と上記炭化珪素基板が同じ結晶形であっても、飽和蒸気圧差による物質移動を発生させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明で使用する熱処理装置の概略構成を示す図で、図中、断熱材５で覆われたるつぼ６内には、マイクロパイプ欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２が、その両面に接して配した炭化珪素基板１ａ、１ｂ間に挟持された状態で設置してある。るつぼ６の外周には、高周波加熱用ヒータコイル４が配設されて、るつぼ６内を所定温度に加熱できるようになしてある。また、これらるつぼ６およびヒータコイル４は、排気管および雰囲気ガス導入管を備えた図略の容器内に設置されており、るつぼ６内を所定雰囲気、所定圧力に調整することができる。また、ヒータコイル４に代えて抵抗加熱ヒータ等を用いることもできる。
【００１４】
ここで、マイクロパイプ欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２は、例えば、６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりなる。６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣ単結晶は、電気的特性に優れ半導体デバイス用の基板として好適である。炭化珪素単結晶基板２の厚さは、通常、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であるが、厚さは特に限定されない。本実施の形態では、炭化珪素単結晶基板２の上下面にそれぞれ接して、炭化珪素基板１ａ、１ｂを配置し、この状態で、熱処理を行う。炭化珪素基板１ａ、１ｂは、好ましくは、炭化珪素単結晶基板２と結晶形の異なる炭化珪素からなり、炭化珪素単結晶基板２が６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりなる場合には、例えば、ＣＶＤ法（化学的気相蒸着法）により形成した３Ｃ−ＳｉＣ多結晶が好適に用いられる。立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣは、六方晶系の６Ｈ−ＳｉＣや４Ｈ−ＳｉＣに比べて昇華しやすく、原料となる昇華ガスが発生しやすい利点がある。炭化珪素基板１ａ、１ｂの厚さは、通常、０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、好適には、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲とするのがよい。
【００１５】
炭化珪素基板１ａ、１ｂとしては、３Ｃ−ＳｉＣ多結晶の他、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶や３Ｃ−ＳｉＣ焼結体を用いてもよく、同様の効果が得られる。また、炭化珪素基板１ａ、１ｂを、炭化珪素単結晶基板２と結晶形の異なる炭化珪素で構成する必要は必ずしもなく、結晶形の同じ４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣとしてもマイクロパイプ欠陥３を閉塞する効果がある。炭化珪素単結晶基板２のマイクロパイプ欠陥３を両面から埋める必要がない場合には、炭化珪素基板１ａ、１ｂを、いずれか一方とすることもでき、炭化珪素基板１ａ、１ｂを配置した側からマイクロパイプ欠陥３が閉塞する。
【００１６】
熱処理温度は、炭化珪素が昇華可能な温度、通常、２０００〜２５００℃の範囲とし、圧力は、通常、７６０Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。るつぼ６内の雰囲気は、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気、または、ｎ型のドーパントである窒素雰囲気とすることもできる。あるいは、アルゴンガス、ヘリウムガス等に、窒素を少量添加してもよい。熱処理時間は、時間が長くなるほど再結晶化が進み、修復率が向上するので、必要に応じて適宜設定すればよい。通常、６時間以上で系内がほぼ平衡状態になる。
【００１７】
本発明では、このように、マイクロパイプ欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２を、結晶形の異なる炭化珪素基板１ａ、１ｂ間に挟持された状態で、熱処理を行うことにより、マイクロパイプ欠陥３を両面から閉塞することができる。このメカニズムについて以下に説明する。昇華法による成長の原理は、温度差による飽和蒸気圧の差であり、原料粉末の温度（Ｔ1 ）と種結晶の成長面の温度（Ｔ2 ）との間に温度差（ΔＴ）を設けることにより、温度の高い原料側からのＳｉＣ蒸気が、温度の低い成長面側で再結晶化する。一方、本発明のように、炭化珪素単結晶基板２と炭化珪素基板１ａ、１ｂを積層させた場合には、図２に示すように、各基板が近接しており、温度差（ΔＴ）は非常に小さい。従って、単なる温度差では物質の移動が起こらない。ところが、このような状態でも、結晶形および（または）結晶性が異なる物質を近接した場合には、ほぼ同一温度（ΔＴが小さい状態）でも、物質移動が起こることが判明し、結晶形および（または）結晶性の違いに基づく飽和蒸気圧の差が結晶の成長に大きく影響していることが考えられる。
【００１８】
この原理を図２で説明する。図中、炭化珪素単結晶基板２は４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣ、炭化珪素基板１ａ、１ｂは３Ｃ−ＳｉＣであるとすると、マイクロパイプ欠陥３の内壁と、炭化珪素基板１ａ、１ｂとは、結晶形が異なるため、飽和蒸気圧が異なる。従って、この飽和蒸気圧の差が原動力となって、３Ｃ−ＳｉＣよりなる炭化珪素基板１ａ、１ｂおよび（または）マイクロパイプ欠陥内壁から、マイクロパイプ欠陥３の内部空間への物質移動が発生し（図中、矢印）、炭化珪素単結晶基板２と炭化珪素基板１ａ、１ｂの界面付近で格子歪みが緩和されることで該界面付近で再結晶化が起こり、マイクロパイプ欠陥３が埋まっていくものと考えられる。より詳細に説明すると、図２（ａ）に示すように、マイクロパイプ欠陥３の端（両端、一方端）で再結晶化しはじめ、両端の閉塞後はマイクロパイプ欠陥３の内壁からのＳｉＣ原料蒸気により、内部への方向に修復されていく（図２（ｂ））。従って、両端から修復した場合は、中央付近に空間が残り（図２（ｃ））、一方端からの修復では、完全に修復されてマイクロパイプ欠陥３が消滅することもある。通常は、部分的に空洞が残る。
【００１９】
なお、上述したように、物質個々の飽和蒸気圧は、多形の違いの他に、結晶の内部歪みの程度によっても異なる。従って、同一結晶であってもマイクロパイプ欠陥３の近傍と、良好な結晶性を有する部分とでは飽和蒸気圧が異なる。つまり、炭化珪素基板１ａ、１ｂが、炭化珪素単結晶基板２と同じ４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣであっても、マイクロパイプ欠陥３との飽和蒸気圧の差により物質移動を発生させて、マイクロパイプ欠陥３内を閉塞することが可能となる。
【００２０】
このようにして、本発明によれば、マイクロパイプ欠陥３を低減した炭化珪素単結晶基板２を得ることができる。得られた炭化珪素単結晶基板２は、デバイス作製用の基板として好適であり、または単結晶成長用の種結晶として用いることにより、高品質の炭化珪素単結晶を得ることができる。なお、マイクロパイプ欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２と炭化珪素基板１ａ、１ｂができるだけ密接している方が、マイクロパイプ欠陥３を修復する効果が高く、両者の隙間を小さくするために、例えば炭化珪素基板１ａ、１ｂの表面を平滑化する前処理を行ってもよい。
【００２１】
図３は本発明の第２の実施の形態を示すものである。本実施の形態のように、複数枚のマイクロパイプ欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２を、炭化珪素基板１を介して積層し、この積層体の上下面に炭化珪素基板１を配置して、るつぼ６内で同時に熱処理を行うこともできる。炭化珪素単結晶基板２や炭化珪素基板１の結晶形や、単結晶、多結晶といった形態、熱処理の条件等は、上記第１の実施の形態と同様である。このように、本発明方法では、複数枚の炭化珪素単結晶基板２を同時に熱処理することが可能であり、欠陥修復を効率よく行うことができるため、経済的である。
【００２２】
図４は本発明の第３の実施の形態を示すものである。本実施の形態では、マイクロパイプ欠陥３を有する炭化珪素単結晶基板２を、炭化珪素粉末８中に埋没させて、熱処理を行う。上記各実施の形態と同様に、炭化珪素単結晶基板２としては、例えば、６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣ単結晶が使用され、炭化珪素粉末８は、炭化珪素単結晶基板２と結晶形の異なる炭化珪素の粉末、例えば、３Ｃ−ＳｉＣ粉末が好適に用いられる。炭化珪素単結晶基板２と結晶形の同じ６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣ粉末を用いることもできる。熱処理等の条件も、上記各実施の形態と同様である。このように、本発明方法では、炭化珪素粉末８中で熱処理を行うこともでき、マイクロパイプ欠陥３を閉塞する同様の効果が得られる。また、複数枚の炭化珪素単結晶基板２を炭化珪素粉末８中に埋没させて、同時に熱処理を行うこともできる。また、同様に、炭化珪素基板１ａ、１ｂと炭化珪素粉末８を組み合わせてもよい。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
本発明の効果を確認するために、図１に示すように、炭化珪素単結晶基板２の両面に接して炭化珪素基板１ａ、１ｂを配し、熱処理を行った。マイクロパイプ欠陥３を有する厚さ０．３５ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりなる炭化珪素単結晶基板２を、ＣＶＤ法を用いて形成した厚さ０．５ｍｍの多結晶３Ｃ−ＳｉＣよりなる炭化珪素基板１ａ、１ｂにより両面から挟み込み、断熱材５で覆われたるつぼ６内に設置した。圧力５００Ｔｏｒｒ、アルゴンガス雰囲気において、るつぼ６をヒータコイル４によって２３００℃に加熱して、２４時間熱処理を行った。炭化珪素単結晶基板２をるつぼ６から取出し、鏡面研磨した後、光学顕微鏡で観察したところ、マイクロパイプ欠陥３が両面から閉塞していることが確認された。
【００２４】
（実施例２）
本発明の効果を確認するために、図３に示すように、複数枚の炭化珪素単結晶基板２を積層して、同時に熱処理を行った。マイクロパイプ欠陥３を有する厚さ０．３５ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりなる炭化珪素単結晶基板２を、複数枚用意し、ＣＶＤ法を用いて形成した厚さ０．５ｍｍの多結晶３Ｃ−ＳｉＣよりなる炭化珪素基板１を介して積層した。積層体の上下面にも炭化珪素基板１を配置して、断熱材５で覆われたるつぼ６内に設置した。圧力５００Ｔｏｒｒ、アルゴンガス雰囲気において、るつぼ６をヒータコイル４によって２３００℃に加熱して、２４時間熱処理を行った。炭化珪素単結晶基板２をるつぼ６から取出し、鏡面研磨した後、光学顕微鏡で観察したところ、いずれの炭化珪素単結晶基板２においても、マイクロパイプ欠陥３が両面から閉塞していることが確認された。
【００２５】
（実施例３）
本発明の効果を確認するために、図４に示すように、炭化珪素単結晶基板２を炭化珪素粉末８に埋没させて熱処理を行った。マイクロパイプ欠陥３を有する厚さ０．３５ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ単結晶よりなる炭化珪素単結晶基板２を、断熱材５で覆われたるつぼ６内に充填した３Ｃ−ＳｉＣ粉末よりなる炭化珪素粉末８中に埋没させた。圧力５００Ｔｏｒｒ、アルゴンガス雰囲気において、るつぼ６をヒータコイル４によって２３００℃に加熱して、２４時間熱処理を行った。炭化珪素単結晶基板２をるつぼ６から取出し、鏡面研磨した後、光学顕微鏡で観察したところ、マイクロパイプ欠陥３が両面から閉塞していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態を示す熱処理装置の全体概略断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は本発明方法による作用効果を説明するための模式図である。
【図３】図３は本発明の第２の実施の形態を示す熱処理装置の全体概略断面図である。
【図４】図４は本発明の第３の実施の形態を示す熱処理装置の全体概略断面図である。
【図５】図５は昇華法による単結晶の製造方法を説明するための成長装置の全体概略断面図と、マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板の概略断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ炭化珪素基板
２炭化珪素単結晶基板
３マイクロパイプ欠陥
４ヒータコイル
５断熱材
６るつぼ
７再結晶化炭化珪素
８炭化珪素粉末

Claims

マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板の一方の面または両面に接して、炭化珪素基板を配置し、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞する炭化珪素単結晶の製造方法において、複数枚の上記マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板を、上記炭化珪素基板を介して積層し、同時に熱処理することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板を、炭化珪素粉末中に埋没させ、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞することを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板を、炭化珪素粉末中に埋没させ、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞する炭化珪素単結晶の製造方法において、上記マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板が４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣ単結晶であり、上記炭化珪素粉末が３Ｃ−ＳｉＣ粉末であることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板を、炭化珪素粉末中に埋没させ、熱処理を行って、上記マイクロパイプ欠陥を閉塞する炭化珪素単結晶の製造方法において、上記マイクロパイプ欠陥を有する炭化珪素単結晶基板が４Ｈまたは６Ｈ−ＳｉＣ単結晶であり、上記炭化珪素基板または上記炭化珪素粉末が４Ｈ−ＳｉＣまたは６Ｈ−ＳｉＣであることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。