JP5954046B2

JP5954046B2 - 炭化珪素基板の製造方法

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Publication number: JP5954046B2
Application number: JP2012182313A
Authority: JP
Inventors: 太郎西口; 原田　真; 真原田; 藤原　伸介; 伸介藤原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: JP2014040333A

Description

この発明は、炭化珪素基板の製造方法に関し、より特定的には転位の発生を抑制可能な炭化珪素基板の製造方法に関する。

近年、半導体装置の製造用に炭化珪素基板が用いられ始めている。炭化珪素は珪素に比べて大きなバンドギャップを有する。そのため、炭化珪素基板を用いた半導体装置は、耐圧が高く、オン抵抗が低く、また高温環境下での特性の劣化が小さいといった利点を有する。

炭化珪素単結晶は、たとえば昇華再結晶法により製造することが可能である。たとえば特開２０１１−１６２４１４号公報（特許文献１）には、ヘリウムを含有する雰囲気ガス中において炭化珪素単結晶を成長させる方法が記載されている。ヘリウムはアルゴンよりもイオン化エネルギーが高いため、アルゴンよりも電離しづらい。そのため、抵抗型加熱ヒータを用いた場合において放電の発生を効果的に抑制することができる。

特開２０１１−１６２４１４号公報

しかしながら、ヘリウムを雰囲気ガスとして用いて炭化珪素結晶の成長を行う場合、放電の発生は抑制されるが、転位の少ない炭化珪素単結晶を得ることが困難であった。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、結晶成長中における放電の発生を抑制し、かつ転位の少ない炭化珪素結晶を得ることができる炭化珪素基板の製造方法を提供することである。

本発明者らは、炭化珪素単結晶をヘリウムを雰囲気ガスとして用いて昇華再結晶法によって製造する場合に転位が発生する原因について鋭意研究の結果、以下の知見を得て本発明に想到した。上述のように、ヘリウムはアルゴンよりも電離しづらため、抵抗型加熱ヒータを用いた場合において放電の発生を効果的に抑制することができる。放電は高温でかつ圧力が小さい場合に起こりやすいため、圧力を下げて炭化珪素結晶を成長させる場合に雰囲気ガスをヘリウムとすることは非常に有効である。

一方、炭化珪素原料および種基板を昇温する段階において雰囲気ガスとしてヘリウムを用いると、昇温段階においても微量の炭化珪素原料が昇華する。これは、ヘリウムガスの原子半径が小さいために、ヘリウムガスが昇華してきた炭化珪素原料ガスと衝突する確率が他のガスを用いた場合と比較して低く、炭化珪素原料ガスの拡散長が大きくなるためであると考えられる。また、ヘリウムガスの原子量が小さいため、昇華した炭化珪素原料ガスを十分に炭化珪素原料側へ押し戻すことができない。そのため、雰囲気ガスとしてヘリウムを用いると炭化珪素原料が原料側から種結晶側へ拡散しやすくなる。そして、昇温段階で昇華した炭化珪素原料ガスが種基板に付着することが、結晶成長の初期段階における転位の原因となっていた。

そこで、本発明に係る炭化珪素基板の製造方法は以下の工程を有している。炭化珪素原料および種基板が配置された成長容器が準備される。成長容器の温度が抵抗加熱ヒータで炭化珪素結晶の成長温度範囲の温度まで上昇される。成長容器の温度を成長温度範囲内に維持しつつ、種基板上に炭化珪素結晶が成長する。成長容器の温度を上昇させる工程における成長容器内の圧力は、炭化珪素結晶を成長させる工程における成長容器内の圧力よりも高い。成長容器の温度を上昇させる工程において成長容器内にはヘリウムよりも原子番号の大きい元素からなるガスを含む。成長容器の温度を上昇させる工程における成長容器内のヘリウムの濃度は、炭化珪素結晶を成長させる工程における成長容器内のヘリウムの濃度よりも低い。

なお、炭化珪素結晶の成長温度とは、昇華法により種基板上に炭化珪素結晶が成長する温度のことであり、たとえば２０００℃程度以下２４００℃程度以下の温度のことである。また、成長容器の温度を上昇させる工程においては、成長容器内にヘリウムが存在していなくても構わない。

本発明に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、炭化珪素結晶を成長させる工程における成長容器内のヘリウムの濃度は、成長容器の温度を上昇させる工程における成長容器内のヘリウムの濃度よりも高い。それゆえ、炭化珪素結晶を成長させる工程において放電の発生を効果的に抑制することができる。

また本発明に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、成長容器の温度を上昇させる工程において成長容器内にヘリウムよりも原子番号の大きい元素からなるガスを含む。これにより、成長容器の温度を上昇させる工程において炭化珪素原料の昇華を抑制することができる。結果として、転位の少ない炭化珪素結晶を得ることができる。

上記に係る炭化珪素基板の製造方法において好ましくは、ヘリウムよりも原子番号の大きい元素は、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびラドンのいずれかである。これにより、成長容器内において炭化珪素原料の昇華を効果的に抑制することができる。

上記に係る炭化珪素基板の製造方法において好ましくは、成長容器の温度を上昇させる工程後であって炭化珪素結晶を成長させる工程前に、成長容器内にヘリウムを導入する工程を有する。これにより、成長容器内のヘリウム濃度が高くなるので、効果的に放電を抑制することができる。

上記に係る炭化珪素基板の製造方法において好ましくは、成長容器の温度を上昇させる工程後であって炭化珪素結晶を成長させる工程前に、成長容器内の圧力を低減させる工程を有する。これにより、炭化珪素原料が昇華して、炭化珪素結晶の成長が実質的に開始される。

上記に係る炭化珪素基板の製造方法において好ましくは、炭化珪素結晶を成長させる工程において成長容器内には窒素ガスを含む。これにより、炭化珪素基板にドーパントとして窒素が導入される。

本発明によれば、結晶成長中における放電の発生を抑制し、かつ転位の少ない炭化珪素結晶を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る炭化珪素基板の製造装置を概略的に示す断面模式図である。本発明の一実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法のフロー図である。本発明の一実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法の成長容器温度維持工程におけるフロー図である。本発明の一実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法における温度と時間との関係を示す図である。本発明の一実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法における圧力と時間との関係を示す図である。本発明の一実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法における気体濃度と時間との関係を示す図である。本発明の一実施の形態に係る炭化珪素基板の製造装置の成長容器の構成を概略的に示す断面模式図である。図１の線分ＩＩＸ−ＩＩＸに沿った概略端面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。また角度の記載には、全方位角を３６０度とする系を用いている。

図１を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素基板を製造するための装置の構成について説明する。

図１を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造装置１００は、成長容器１０と、断熱材４と、加熱部５と、反応容器１２３とを主に有している。成長容器１０は、たとえば純化処理されたグラファイトから成る坩堝であり、図７に示すように、種基板保持部３と原料収容部７とを有している。種基板保持部３は単結晶炭化珪素からなる種基板１を保持するためのものである。原料収容部７は多結晶炭化珪素からなる炭化珪素原料８を配置するためのものである。種基板保持部３は原料収容部７に嵌めることができるように、先端が折れ曲がっている。種基板保持部３と原料収容部７とは、接続部１０ｃで接続されている。

断熱材４は、たとえばカーボンフエルトから成り、成長容器１０を外部から断熱するためのものである。断熱材４は、たとえば成長容器１０および加熱部５を取り囲むように形成されている。断熱材４の周りには反応容器１２３が設けられている。反応容器１２３の両端部には、反応容器１２３内へ雰囲気ガスを流すためのガス導入口１２３ａと、反応容器１２３の外部へ雰囲気ガスを排出するためのガス排出口１２３ｂとが形成されている。反応容器１２３の上部および下部には、成長容器１０の種基板保持部３の温度を測定するための放射温度計１２７ｂと、原料収容部７の温度を測定するための放射温度計１２７ａとが設けられている。

加熱部５は抵抗加熱ヒータ１２５と電極１２６とを有している。抵抗加熱ヒータ１２５はたとえばグラファイト製である。抵抗加熱ヒータ１２５は、図１および図８に示すように、成長容器１０の外周を囲うように配置されていている。抵抗加熱ヒータ１２５は成長容器１０を炭化珪素の昇華温度まで昇温可能に構成されている。電極１２６は抵抗加熱ヒータ１２５に電流を供給可能に構成されている。電極１２６はたとえば銅からなる。

図１〜図６を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法について説明する。

まず、成長容器準備工程（Ｓ１０：図２）が実施される。具体的には、図１を参照して、種基板１および炭化珪素原料８が配置された成長容器１０が準備される。種基板１は、種基板保持部３により保持され、種基板１の主面１Ａが炭化珪素原料８に対向するように配置される。種基板１は単結晶炭化珪素からなる。種基板１のポリタイプはたとえば４Ｈである。種基板１の直径は好ましくは４インチ（１００ｍｍ）以上であり、たとえば６インチである。種基板１の主面１Ａはたとえば４°程度オフした（０００１）面である。種基板１の主面１Ａにおける転位密度はたとえば１００００個ｃｍ^-2程度である。好ましくは、種基板１の主面１ＡはＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)研磨が施されている。なお、炭化珪素原料８は、原料収容部７に収容されており、たとえば多結晶炭化珪素パウダーである。

次に、成長容器昇温工程（Ｓ２０：図２）が実施される。具体的には、図４を参照して、種基板１および炭化珪素原料８が配置された成長容器１０が、たとえばグラファイト製の抵抗加熱ヒータ１２５により炭化珪素結晶の成長温度範囲の温度（たとえば２２００℃）まで加熱される。炭化珪素結晶の成長温度とはたとえば２０００℃以上２４００℃以下である。図５を参照して、当該成長容器１０が室温から炭化珪素結晶の成長温度まで昇温している間（時間Ｔ０〜時間Ｔ１）における、成長容器１０内の雰囲気ガスの圧力はたとえば８０ｋＰａ程度に維持される。

成長容器昇温工程（Ｓ２０：図２）において、成長容器１０内にはヘリウムよりも原子番号の大きい元素からなるアルゴンガスおよび窒素ガスを含んでいる。好ましくは、ヘリウムよりも原子番号の大きい元素は希ガスであり、具体的には、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびラドンなどである。この工程（Ｓ２０）では、成長容器１０内にたとえば０．３ｓｌｍの流量でアルゴンガスが流される。たとえば０．１ｓｌｍの流量で窒素ガスが流される。

次に、成長容器温度維持工程（Ｓ３０：図２）が実施される。具体的には、成長容器１０の温度が炭化珪素結晶の成長温度範囲内に維持される。ここで、成長容器温度維持工程（Ｓ３０：図２）は、ヘリウムガス導入工程（Ｓ３１：図３）と、成長容器減圧工程（Ｓ３２：図３）と、炭化珪素結晶成長工程（Ｓ３３：図３）を含む。

まず、ヘリウムガス導入工程（Ｓ３１：図３）が実施される。この工程（Ｓ３１）では、成長容器１０の温度がたとえば２２００℃程度の温度を維持した状態で、時間Ｔ１において成長容器１０内にヘリウムガスが導入される。たとえば時間Ｔ１において成長容器１０内に０．３ｓｌｍの流量でヘリウムガスが流される。同時にアルゴンの供給を停止する。なお、窒素ガスの流量は０．１ｓｌｍのまま維持される。

図６を参照して、成長容器１０内の雰囲気ガスの種類および濃度について説明する。図６において、実線はヘリウムガス２１の濃度を示し、破線は窒素ガス２３の濃度を示し、一点鎖線はアルゴンガス２２の濃度を示している。たとえば時間Ｔ１におけるアルゴンガス２２の濃度は７５％であるが、時間Ｔ２におけるアルゴンガス２２の濃度はほぼ０％となる。また時間Ｔ１におけるヘリウムガス２１の濃度は０％であるが、時間Ｔ２におけるヘリウムガス２１の濃度は７５％となる。なお、時間Ｔ１から時間Ｔ２における成長容器１０内の雰囲気ガス全体の圧力は８０ｋＰａ程度に保持される。

次に、成長容器減圧工程（Ｓ３２：図３）が実施される。この工程（Ｓ３２）では、図５を参照して、成長容器１０内の圧力が、時間Ｔ２から時間Ｔ３にかけて、たとえば８０ｋＰａ程度から成長圧力（たとえば１．７ｋＰａ）にまで減圧される。これにより、成長容器１０内の炭化珪素原料８が昇華して種基板１の主面１Ａ上に再結晶することにより、種基板１の主面１Ａ上に炭化珪素単結晶が実質的に成長し始める。なお、成長圧力とは、炭化珪素単結晶が実質的に成長し始める圧力のことである。

成長圧力は０．５ｋＰａ以上５ｋＰａ以下が好ましい。なお、成長容器減圧工程において、成長容器１０の温度は２２００℃程度に維持される。また、成長容器を減圧する時間（時間Ｔ２から時間Ｔ３まで）は、１時間以上２４時間以内であることが好ましい。

次に、炭化珪素結晶成長工程（Ｓ３３：図３）が実施される。具体的には、成長容器１０内の雰囲気ガスの濃度を低減し、実質的に炭化珪素単結晶の成長が開始された後、成長容器１０の温度が炭化珪素の成長温度の範囲内に維持される。また、成長容器１０の圧力も成長圧力のまま維持される。これにより、種基板１の主面１Ａ上の法線方向に沿って炭化珪素単結晶が成長する。なお、図５に示すように、成長容器昇温工程（Ｓ２０：図２）における雰囲気ガスの圧力は、炭化珪素結晶成長工程（Ｓ３３：図３）における雰囲気ガスの圧力よりも高い。

また図６に示すように、成長容器昇温工程（時間Ｔ０〜時間Ｔ１）における成長容器１０内の雰囲気ガスは、たとえば７５％程度がアルゴンガスであり２５％程度が窒素ガスである。一方、炭化珪素結晶成長工程（時間Ｔ３から時間Ｔ４）における成長容器１０内の雰囲気ガスは、たとえば７５％程度がヘリウムガスであり２５％程度が窒素ガスである。つまり、成長容器昇温工程（Ｓ２０：図２）における成長容器１０内のヘリウムの濃度は、炭化珪素結晶成長工程（Ｓ３３：図３）における成長容器１０内のヘリウムの濃度よりも低い。好ましくは、成長容器昇温工程（Ｓ２０）においては成長容器１０にヘリウムガスが含まれず、炭化珪素結晶成長工程（Ｓ３３）においてはアルゴンガスが含まれない。

次に、種基板１の主面１Ａ上に成長した炭化珪素単結晶が成長容器１０から取り出される。その後、炭化珪素単結晶をたとえばワイヤーソーによってスライスすることにより、炭化珪素基板が得られる。

次に、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、炭化珪素結晶を成長させる工程（Ｓ３３）における成長容器１０内のヘリウムの濃度は、成長容器の温度を上昇させる工程（Ｓ２０）における成長容器１０内のヘリウムの濃度よりも高い。それゆえ、炭化珪素結晶を成長させる工程（Ｓ３３）において放電の発生を効果的に抑制することができる。

また本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、成長容器の温度を上昇させる工程（Ｓ２０）において成長容器１０内にヘリウムよりも原子番号の大きい元素からなるガスを含む。これにより、成長容器の温度を上昇させる工程（Ｓ２０）において炭化珪素原料８の昇華を抑制することができる。結果として、転位の少ない炭化珪素単結晶を得ることができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、ヘリウムよりも原子番号の大きい元素は、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびラドンのいずれかである。これにより、成長容器１０内において炭化珪素原料８の昇華を効果的に抑制することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、成長容器１０の温度を上昇させる工程（Ｓ２０）後であって炭化珪素結晶を成長させる工程（Ｓ３３）前に、成長容器１０内にヘリウムを導入する工程（Ｓ３１）を有する。これにより、成長容器１０内のヘリウム濃度が高くなるので、効果的に放電を抑制することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、成長容器１０の温度を上昇させる工程（Ｓ２０）後であって炭化珪素結晶を成長させる工程（Ｓ３３）前に、成長容器１０内の圧力を低減させる工程（Ｓ３２）を有する。これにより、炭化珪素原料８が昇華して、炭化珪素単結晶の成長が実質的に開始される。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法によれば、炭化珪素結晶を成長させる工程（Ｓ３３）において成長容器１０内には窒素ガスを含む。これにより、炭化珪素基板にドーパントとして窒素が導入される。

本実施例では、以下に説明する３種類の雰囲気ガス中において成長容器を昇温し、種基板１上に成長する炭化珪素単結晶の転位密度を調査した。まず、炭化珪素原料８および種基板１が配置された成長容器１０を準備した。種基板１の主面１Ａの転位密度を１×１０⁴ｃｍ^-2とした。昇温時の成長容器１０の雰囲気ガスを以下の通りとした。比較例１の雰囲気ガスを窒素２５％ヘリウム７５％とした。本発明例１の雰囲気ガスを窒素１００％とした。本発明例２の雰囲気ガスを窒素２５％アルゴン７５％とした。比較例１、本発明例１および本発明例２における雰囲気ガス内において成長容器１０を２種類の成長温度（２０００℃および２２００℃）まで昇温した。その後、種基板１を成長容器１０から取り出し、種基板１の主面１Ａ上に成長した４Ｈ炭化珪素単結晶の転位密度をＫＯＨ（水酸化カリウム）エッチングを用いて評価した。

表１を参照して、４Ｈ炭化珪素単結晶の転位密度の結果について説明する。まず、成長温度が２０００℃の場合、本発明例１および本発明例２では種基板１の主面１Ａ上に炭化珪素単結晶が成長しなかった。比較例１の条件では炭化珪素単結晶が成長し、当該炭化珪素単結晶の転位密度は５×１０⁴ｃｍ^-2〜１×１０⁵ｃｍ^-2程度であった。成長温度が２２００℃の場合、本発明例１および本発明例２の条件における炭化珪素単結晶の転位密度は共に２×１０³ｃｍ^-2〜６×１０³ｃｍ^-2程度であった。比較例１の条件における炭化珪素単結晶の転位密度は１×１０⁵ｃｍ^-2超であった。

以上の結果より、炭化珪素原料８が配置された成長容器１０を加熱する際、成長容器１０の雰囲気ガスとして窒素やアルゴンなどのヘリウムよりも原子番号の大きい元素からなるガスを使う場合、炭化珪素原料８の昇華を抑制することができることが確認された。また、成長容器１０の雰囲気ガスとして窒素やアルゴンなどのヘリウムよりも原子番号の高い元素からなるガスを使う場合は、雰囲気ガスとしてヘリウムを使う場合よりも、種基板１の主面１Ａ上に成長する炭化珪素単結晶の転位密度を低減可能であることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１種基板、１Ａ主面、３種基板保持部、４断熱材、５加熱部、７原料収容部、８炭化珪素原料、１０成長容器、２１ヘリウムガス、２２アルゴンガス、２３窒素ガス、１２３反応容器、１２３ａガス導入口、１２３ｂガス排出口、１２５抵抗加熱ヒータ、１２６電極、１２７ａ，１２７ｂ放射温度計。

Claims

炭化珪素原料および種基板が配置された成長容器を準備する工程と、
前記成長容器の温度を抵抗加熱ヒータで炭化珪素結晶の成長温度範囲の温度まで上昇させる工程と、
前記成長容器の温度を前記成長温度範囲内に維持しつつ、前記種基板上に前記炭化珪素結晶を成長させる工程とを備え、
前記成長容器の温度を上昇させる工程における前記成長容器内の圧力は、前記炭化珪素結晶を成長させる工程における前記成長容器内の圧力よりも高く、
前記成長容器の温度を上昇させる工程において前記成長容器内にはヘリウムよりも原子番号の大きい元素からなるガスを含み、
前記成長容器の温度を上昇させる工程における前記成長容器内のヘリウムの濃度は、前記炭化珪素結晶を成長させる工程における前記成長容器内のヘリウムの濃度よりも低い、炭化珪素基板の製造方法。
前記ヘリウムよりも原子番号の大きい元素は、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびラドンのいずれかである、請求項１に記載の炭化珪素基板の製造方法。
前記成長容器の温度を上昇させる工程後であって前記炭化珪素結晶を成長させる工程前に、前記成長容器内にヘリウムを導入する工程および前記成長容器内の圧力を低減させる工程を備え、
前記成長容器内にヘリウムを導入する工程は、前記成長容器内の圧力を低減させる工程の前に行われる、請求項１または２に記載の炭化珪素基板の製造方法。
前記炭化珪素結晶を成長させる工程において前記成長容器内には窒素ガスを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素基板の製造方法。