JP5501654B2 - 炭化珪素単結晶基板、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1) 炭化珪素単結晶インゴットから切断し、研磨して得られる2インチ口径以上の炭化珪素単結晶基板であって、エッジエクスクルージョン領域を除いた平面領域が、実質的に炭化珪素単結晶インゴット由来の{0001}面ファセット領域からなることを特徴とする炭化珪素単結晶基板、
(2) 前記炭化珪素単結晶基板のエッジエクスクルージョン領域を除いた平面領域が、窒素を3×1018/cm3以上6×1020/cm3以下含有し、かつ、体積抵抗率の平均値が0.0005Ωcm以上0.05Ωcm以下である(1)に記載の炭化珪素単結晶基板、
(3) 前記炭化珪素単結晶基板が2インチ口径基板又は3インチ口径基板の場合、エッジエクスクルージョン領域は、基板の外周端から内側2mm未満までの領域である(1)又は(2)に記載の炭化珪素単結晶基板、
(4) 前記炭化珪素単結晶基板が100mm口径基板又は150mm口径基板の場合、エッジエクスクルージョンは、基板の外周端から内側3mm未満までの領域である(1)又は(2)に記載の炭化珪素単結晶基板、
(5) (1)〜(4)のいずれかに記載の炭化珪素単結晶基板上に、炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長してなる炭化珪素単結晶エピタキシャル基板、
(6) 炭化珪素単結晶からなる種結晶上に炭化珪素単結晶インゴットを成長させる工程を包含する昇華再結晶法を用いた炭化珪素単結晶基板の製造方法であり、
種結晶として、結晶成長面が{0001}面から1°未満のオフセット角を有する種結晶基板を用い、また、成長容器として黒鉛製坩堝を用いて、得られる炭化珪素単結晶の体積抵抗率を制御するための不純物を結晶成長雰囲気に添加した状態で0.5mm/時間以下の成長速度で結晶成長を行い、炭化珪素単結晶インゴットを得る際、黒鉛製坩堝の側壁の厚みDと得られる炭化珪素単結晶インゴットの口径Rとが下記i)〜iv)に示した関係を有するようにし、
i)Rが50.5mm以上60.5mm以下の場合:Dは25mm以上35mm未満
ii)Rが75.6mm以上85.6mm以下の場合:Dは40mm以上50mm未満
iii)Rが99.5mm以上109.5mm以下の場合:Dは50mm以上60mm未満
iv)Rが149.5mm以上159.5mm以下の場合:Dは65mm以上75mm未満
次いで、得られた炭化珪素単結晶インゴットを研削、切断、及び研磨し、結晶成長面が{0001}面から8°以下のオフセット角を有するようにすることで、i)の場合には2インチ口径以上、ii)の場合には3インチ口径以上、iii)の場合には100mm口径以上、及びiv)の場合には150mm口径以上であり、尚且つ、エッジエクスクルージョン領域を除いた平面領域が、実質的に炭化珪素単結晶インゴット由来の{0001}面ファセットからなる炭化珪素単結晶基板を得ることを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(7) 前記体積抵抗率を制御するための不純物が窒素であり、成長結晶中の窒素濃度が3×1018/cm3以上、6×1020/cm3以下となるように窒素流量を制御する(6)に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(8) 前記種結晶基板のオフセット角度が0.5°未満である(6)又は(7)に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(9) 前記炭化珪素単結晶基板のオフセット角度が4°以下である(6)〜(8)のいずれかに記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法、
(10) (6)〜(9)のいずれかに記載の製造方法で得られた炭化珪素単結晶基板上に、炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶エピタキシャル基板の製造方法、
である。
まず初めに、昇華再結晶法、あるいは別称、改良型レーリー法について説明する。図1に、昇華再結晶法の単結晶成長装置の概略図を示す。主として黒鉛からなる坩堝を用い、この坩堝内にアチソン法等々により作製したSiC結晶原料粉末を充填し、その対向位置にSiC単結晶からなる種結晶を配置する。アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で、概ね133Pa〜13.3kPaの範囲の圧力に調整し、2000〜2400℃に加熱される。この際、原料粉末と種結晶間に、原料粉末の温度が高くなるように温度勾配を制御することにより、原料粉末の昇華及び種結晶上への再結晶化を誘起し、種結晶上への単結晶成長が実現される。成長する単結晶への不純物ドーピングは、n型SiC単結晶成長の場合、成長中の雰囲気ガスへの窒素ガス添加によって実施される。例えば、デバイス応用として必要な体積電気抵抗率である0.0005Ωcm(=0.5mΩcm)以上、0.05Ωcm(=50mΩcm)以下のn型SiC単結晶の実現には、他の残留不純物元素の濃度にもよるが、アルミニウムやホウ素等のp型不純物濃度を、概ね5×1017cm-3以下に抑えることを前提に、3×1018cm-3以上6×1020cm-3以下の窒素原子をSiC単結晶中に添加することにより実現でき、改良型レーリー法によるバルク状SiC単結晶成長においては、雰囲気ガス中の窒素ガス分圧を概ね300Pa〜5.3kPaの範囲になるように制御することにより、前述の体積電気抵抗率が実現可能である。ここで、0.5mΩcm未満では、過剰な窒素ドーピング等々により結晶自体が脆くなるため実用に供することが困難であり、また、50mΩcm超となると、デバイス動作時のジュール損失が大きくなり、良好なデバイスが実現困難になる。
図1に示す単結晶成長装置を用いて、以下に記すSiC単結晶成長を実施した。なお、図1は、種結晶を用いた改良型レーリー法によってSiC単結晶を成長させる装置の一例であり、本発明の構成要件を規定するものではない。
4Hポリタイプの種結晶の口径が78mmであり、この種結晶を用いてSiC単結晶インゴットを成長させたこと以外は、実施例1とほぼ同様な成長条件にて、単結晶成長を実施した。なお、使用した坩堝は、結晶成長部分の内径は78mm、外径は162mmであり、側壁の厚さは42mmである。また、種結晶は、(000-1)面から<11-20>方向に0.5°の微小オフセット角を有している。更には、得られた単結晶(インゴット)の口径については坩堝内壁を侵食するように、成長前の坩堝内径(78mm)よりもやや拡大しており、計測の結果、概ね81mmであった。
4Hポリタイプの種結晶の口径が102mmであり、この種結晶を用いてSiC単結晶インゴットを成長させたこと以外は、実施例1とほぼ同様な成長条件にて、単結晶成長を実施した。なお、種結晶は(000-1)ジャスト面でオフセット角はほぼゼロである。また、使用した坩堝は、結晶成長部分の内径は102mm、外径は209mmであり、側壁の厚さは53.5mmである。また、得られた単結晶(インゴット)の口径については坩堝内壁を侵食するように、成長前の坩堝内径(102mm)よりもやや拡大しており、計測の結果、概ね105mmであった。
4Hポリタイプの種結晶の口径が152mmであり、この種結晶を用いてSiC単結晶インゴットを成長させたこと以外は、実施例1とほぼ同様な成長条件にて、単結晶成長を実施した。なお、種結晶は(000-1)ジャスト面でオフセット角はほぼゼロである。また、使用した坩堝は、結晶成長部分の内径は152mm、外径は286mmであり、側壁の厚さは67mmである。また、得られた単結晶(インゴット)の口径については坩堝内壁を侵食するように、成長前の坩堝内径(152mm)よりもやや拡大しており、計測の結果、概ね156mmであった。
4Hポリタイプの種結晶の口径が50mmであり、この種結晶を10枚準備し、それらを用いて実施例1とほぼ同様な成長条件にて、単結晶成長を10回実施した。なお、種結晶は、(000-1)面から<11-20>方向に0.5°の微小オフセット角を有している。また、使用した坩堝は、結晶成長部分の内径は53mm、外径は115mmであり、側壁の厚さは31mmである。
4Hポリタイプの種結晶の口径が53mmであり、(000-1)面から<11-20>方向に0.5°の微小オフセット角を有する種結晶を10枚準備し、それらを用いて実施例1とほぼ同様な成長条件にて、単結晶成長を10回実施した。使用した種結晶のマイクロパイプ欠陥密度は1.1個/cm2、ド−ピング元素としての窒素の濃度は9×1018cm-3である。また、使用した坩堝は、結晶成長部分の内径は53mm、外径は83mmであり、側壁の厚さは15mmである。
2 SiC結晶粉末原料
3 坩堝
4 二重石英管(水冷)
5 断熱材
6 真空排気装置
7 ワークコイル
8 測温用窓
9 二色温度計(放射温度計)
10 坩堝側壁厚さ
Claims (10)
- 炭化珪素単結晶インゴットから切断し、研磨して得られる2インチ口径以上の炭化珪素単結晶基板であって、エッジエクスクルージョン領域を除いた平面領域が、実質的に炭化珪素単結晶インゴット由来の{0001}面ファセット領域からなることを特徴とする炭化珪素単結晶基板。
- 前記炭化珪素単結晶基板のエッジエクスクルージョン領域を除いた平面領域が、窒素を3×1018/cm3以上6×1020/cm3以下含有し、かつ、体積抵抗率の平均値が0.0005Ωcm以上0.05Ωcm以下である請求項1に記載の炭化珪素単結晶基板。
- 前記炭化珪素単結晶基板が2インチ口径基板又は3インチ口径基板の場合、エッジエクスクルージョン領域は、基板の外周端から内側2mm未満までの領域である請求項1又は2に記載の炭化珪素単結晶基板。
- 前記炭化珪素単結晶基板が100mm口径基板又は150mm口径基板の場合、エッジエクスクルージョンは、基板の外周端から内側3mm未満までの領域である請求項1又は2に記載の炭化珪素単結晶基板。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の炭化珪素単結晶基板上に、炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長してなる炭化珪素単結晶エピタキシャル基板。
- 炭化珪素単結晶からなる種結晶上に炭化珪素単結晶インゴットを成長させる工程を包含する昇華再結晶法を用いた炭化珪素単結晶基板の製造方法であり、
種結晶として、結晶成長面が{0001}面から1°未満のオフセット角を有する種結晶基板を用い、また、成長容器として黒鉛製坩堝を用いて、得られる炭化珪素単結晶の体積抵抗率を制御するための不純物を結晶成長雰囲気に添加した状態で0.5mm/時間以下の成長速度で結晶成長を行い、炭化珪素単結晶インゴットを得る際、黒鉛製坩堝の側壁の厚みDと得られる炭化珪素単結晶インゴットの口径Rとが下記i)〜iv)に示した関係を有するようにし、
i)Rが50.5mm以上60.5mm以下の場合:Dは25mm以上35mm未満
ii)Rが75.6mm以上85.6mm以下の場合:Dは40mm以上50mm未満
iii)Rが99.5mm以上109.5mm以下の場合:Dは50mm以上60mm未満
iv)Rが149.5mm以上159.5mm以下の場合:Dは65mm以上75mm未満
次いで、得られた炭化珪素単結晶インゴットを研削、切断、及び研磨し、結晶成長面が{0001}面から8°以下のオフセット角を有するようにすることで、i)の場合には2インチ口径以上、ii)の場合には3インチ口径以上、iii)の場合には100mm口径以上、及びiv)の場合には150mm口径以上であり、尚且つ、エッジエクスクルージョン領域を除いた平面領域が、実質的に炭化珪素単結晶インゴット由来の{0001}面ファセットからなる炭化珪素単結晶基板を得ることを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法。 - 前記体積抵抗率を制御するための不純物が窒素であり、成長結晶中の窒素濃度が3×1018/cm3以上、6×1020/cm3以下となるように窒素流量を制御する請求項6に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
- 前記種結晶基板のオフセット角度が0.5°未満である請求項6又は7に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
- 前記炭化珪素単結晶基板のオフセット角度が4°以下である請求項6〜8のいずれかに記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
- 請求項6〜9のいずれかに記載の製造方法で得られた炭化珪素単結晶基板上に、炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする炭化珪素単結晶エピタキシャル基板の製造方法。
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