JPH08245299A

JPH08245299A - 炭化ケイ素の結晶成長方法

Info

Publication number: JPH08245299A
Application number: JP5072195A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Koga; 和幸古賀; Kiyoshi Ota; 潔太田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-03-10
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 1996-09-24

Abstract

(57)【要約】【目的】貫通欠陥が低減された炭化ケイ素単結晶の成
長方法を提供することである。【構成】るつぼ２２内の上面または底面の中心から一
方向に偏った位置に保持台２３を配置することにより、
保持台２３の一方の縁部Ｘの温度を対向する縁部Ｙに比
べて相対的に低く設定する。それにより、保持台２３上
に設置される種結晶基板２０の一方の縁部ｘから対向す
る縁部ｙに渡って単調増加する温度勾配を設け、ステッ
プ成長を主体とする成長機構により種結晶基板２０上に
ＳｉＣ単結晶を成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、昇華法により炭化ケイ
素単結晶を成長させる炭化ケイ素単結晶の成長方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、広いバンドギ
ャップを有し、高温で安定であり、かつ機械的強度に優
れることから、高出力素子（パワーデバイス）や高周波
素子としての応用が検討されており、また、窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物
半導体材料とほぼ等しい格子定数を有することから、Ｇ
ａＮ系発光素子の基板として注目されている。

【０００３】ＳｉＣ単結晶の成長方法としては、Tairov
らによってJounal of Crystal Growth 52(1981)146に開
示された種結晶を用いた昇華法が工業的に確立されてい
る。この成長方法は、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性
ガス雰囲気の減圧状態で、黒鉛（グラファイト）のるつ
ぼ内に平板状のＳｉＣ単結晶からなる種結晶基板および
粉末状の多結晶ＳｉＣ原材料を配設し、種結晶基板と原
材料とに相対的に温度勾配を設け、高温の多結晶ＳｉＣ
原材料を昇華させて低温の種結晶基板上に再結晶させる
という原理を有している。

【０００４】従来の炭化ケイ素単結晶の成長方法では、
例えば図９に示するつぼが用いられる。上面および底面
を有する円筒形状のるつぼ１は黒鉛により形成されてい
る。るつぼ１内の上面または下面の中央部に黒鉛からな
る円柱状の保持台２が設けられ、その保持台２に種結晶
基板３が取り付けられる。一般に、種結晶基板３として
は、｛０００１｝面の結晶成長面を有するＳｉＣ単結晶
が用いられる。るつぼ１内の種結晶基板３と反対側に粉
末状のＳｉＣ多結晶からなるＳｉＣ原材料４が収納され
る。ＳｉＣ原材料４と種結晶基板３との間の距離は約２
０ｍｍから１００ｍｍである。

【０００５】図１０に一般的な結晶成長装置の概略図を
示す。図９のるつぼ１は、図１０に示す水冷式反応管６
の反応室内に配置される。るつぼ１の周囲には熱シール
ド材７が配置され、反応管６の周囲には高周波コイル８
が巻装されている。ガス導入口９からＡｒガス等の不活
性ガスが反応室内に導入され、排気口１０からロータリ
ーポンプにより排気が行われる。 G.Zieglerらの特公昭
６３−５７４００号公報に開示されているように、通
常、反応管６内の反応室の圧力は数Ｔｏｒｒに保たれ、
るつぼ１の温度は約２１００℃から２３００℃に保たれ
る。

【０００６】図９に示すように、高周波コイル８によっ
てるつぼ１を加熱し、種結晶基板３が２１５０〜２３５
０℃となり、かつＳｉＣ原材料４が２２００〜２４００
℃となるように温度勾配を設けると、ＳｉＣ原材料４が
昇華し、るつぼ１内に発生した昇華ガスが種結晶基板３
に当たって種結晶基板３の表面にＳｉＣ単結晶５のイン
ゴットが成長する。なお、温度設定には、高周波加熱法
の他に抵抗加熱法も使用されている。

【０００７】例えば、文献S.Amelinckx et al, in Sili
con Carbide, Eds., J.R.O'Connorand J.Smiltens(Perg
amon Press, 1960)162 に開示されているように、昇華
法によるＳｉＣ単結晶の成長、あるいはＳｉＣ研磨材の
工業的製法である Acheson法による成長では、渦巻き成
長が主要な成長機構として認知されている。

【０００８】ここで、例えば、高須新一郎によって、物
理工学実験１２「結晶育成基礎技術」（東京大学出版会
１９８０年）の第８９頁〜第９３頁に述べられている
渦巻き成長機構について簡単に説明する。なお、以下で
は単純な１個の螺旋転位についてのモデルについて述べ
るが、実際には複数個の螺旋転位が互いに影響し合った
り、その他の転位、欠陥と結合した比較的大きく複雑な
渦巻き成長中心が存在する。

【０００９】図１１に螺旋転位の発生モデルを示し、図
１２に螺旋転位を中心とした渦巻き成長モデルを示す。
図１１に示すように、結晶１１に転位線を中心として矢
印Ａおよび矢印Ｂで示す滑り方向に螺旋転位が発生する
と、昇華された原子が段差の側壁に順次付着し、図１２
に示すように、転位線を中心として渦巻き状に成長が進
行する。これは、結晶表面に到達した原子は、平らな部
分では不安定で動きやすいのに対し、段差の側壁部分で
は隣り合わす原子が多いので安定となるからである。

【００１０】昇華法での成長に限定すると、従来のＳｉ
Ｃ単結晶の成長方法において渦巻き成長が起こる原因は
次のように考えられる。例えば、 G.Zieglerらの文献IE
EE Trans.Electron Devices ED-30(1983)277から引用す
ると、図１３に示すように、種結晶基板を設置する円柱
状の保持台２は円筒形状のるつぼ１の中心部に設けられ
ているので、るつぼ１を高周波で加熱した場合、保持台
２は円筒中心軸に対称に熱伝導および熱輻射で加熱され
る。したがって、保持台２の温度分布は中心部が低温と
なり、外周部が高温となり、図１４に示すように、保持
台２上に設置された種結晶基板１２も同様な温度分布を
有するものと考えられる。その結果、相対的に低温であ
る種結晶基板１２の中心部分でより多くの核発生が行わ
れ、種結晶基板１２の中央部を中心として複数の渦巻き
成長が行われる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のＳ
ｉＣ単結晶の成長方法により得られたＳｉＣ単結晶に
は、成長方向に連続的に伸びる貫通欠陥(Micropipe；マ
イクロパイプ) が多数存在する。例えば、 GL.Barretら
の文献Jounal of Crystal Growth 137(1994)181 による
と、ＳｉＣ単結晶中に１００から１０００［ｃｍ^-2］の
貫通欠陥が存在している。

【００１２】貫通欠陥は、成長初期の種結晶の近傍で発
生しており、結晶成長とともに結晶の上部まで伝播す
る。この結晶欠陥の発生原因は明確に解明されていない
が、成長初期に多くの結晶核が発生した基板中心部分に
存在する格子不整合、異種結晶形の発生部分などに起源
を持ち、転位の発生とともに渦巻き成長を行い、成長と
ともに成長上部に引き継がれて行くものと考えられる。

【００１３】貫通欠陥の成長機構は、主として渦巻き成
長の集合体であるので、貫通欠陥の多いＳｉＣ単結晶に
は、成長最表面に多数の渦巻きパターンが観察される。
このような貫通欠陥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、KogaらによるAmor
phous and Crystalline Silicon Carbide IV,Eds. C.Y.
Yang,M.M.Rahman and G.L.Harris (Springer-verlag, B
erlin, 1992)96 には、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ことが報
告されている。また、高出力素子の試作でも、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、ウエハ内
の歩留りを上げるためには、この貫通欠陥を低減するこ
とが重要となる。

【００１４】それゆえに、本発明の目的は、貫通欠陥が
低減化されたＳｉＣ単結晶の成長方法を提供することで
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、貫通欠陥の
発生が渦巻き成長を主体とする成長の初期過程で生じる
ことに着目し、成長の機構を変化させるべく次の本発明
を創作した。

【００１６】本発明に係る炭化ケイ素単結晶の成長方法
は、炭化ケイ素原材料を昇華させて種結晶基板上に炭化
ケイ素単結晶を成長させる方法において、種結晶基板上
にステップ成長を主体とする成長機構を用いて炭化ケイ
素単結晶を成長させるものである。

【００１７】種結晶基板の一方の縁部から対向する他方
の縁部に渡って温度勾配を設けてもよい。温度勾配は、
一方の縁部から他方の縁部に向かって単調増加または単
調減少する温度分布であることが好ましい。

【００１８】種結晶基板として｛０００１｝面から５度
ないし３０度傾斜した結晶成長面を有する単結晶基板を
用いてもよい。種結晶基板の結晶成長面は｛０００１｝
面から〈１１２０〉方向に傾斜していてもよく、〈１０
１０〉方向に傾斜していてもよい。

【００１９】

【作用】本発明に係る炭化ケイ素単結晶の成長方法にお
いては、ステップ成長を主体とする成長機構により種結
晶基板上に炭化ケイ素単結晶が成長する。このようなス
テップ成長が支配的になると、広い結晶表面上に発生す
る自然核を原因とするランダムな島状成長が防止される
とともに、島状成長の不規則な結合等により生じる異種
結晶形（例えば、６Ｈ形ＳｉＣ単結晶からなる種結晶上
に６Ｈ形ＳｉＣ単結晶を成長させる場合、３Ｃ型、１５
Ｒ型等）の発生および格子不整合が防止され、ひいては
渦巻き成長が生じなくなる。それにより、渦巻き成長と
密接な関係を有する貫通欠陥の発生が減少し、素子性能
の向上につながる高品質な炭化ケイ素単結晶が形成され
る。

【００２０】図１に示すように、種結晶基板２０の一方
の縁部から対向する他方の縁部に渡って温度勾配を設け
ると、温度が相対的に低い縁部において結晶核の発生が
早くしかも多くなる。成長の初期過程では、この結晶核
から島状成長が行われ、それらが互いに結合し合って低
温側の縁部にステップ（段差）が形成される。ステップ
が形成されると、そのステップの側壁に分子種が吸着
し、ステップの発生した低温側の縁部から高温の縁部に
向かってステップの成長が進行するとともに、そのステ
ップ上の低温側の縁部に新たなステップが形成される。
この過程が繰り返されることにより、図１に示すような
ステップ成長機構を主体とする成長層２１が形成され
る。結果的に、渦巻き成長の発生が抑制され、渦巻き成
長と密接な関係がある貫通欠陥の発生が防止される。

【００２１】図２に示すように、｛０００１｝面から角
度θだけ傾斜した成長面３１を有する種結晶基板３０で
は、成長面３１に密度の高い結晶構造的ステップ３２が
存在する。それにより、広い結晶表面で成長初期に起こ
る結晶核の発生がなくなり、結晶構造的ステップ３２へ
の分子種の吸着を中心としたステップ成長が開始する。
この場合、成長の初期過程で分子種がステップ３２の側
壁に吸着し、各ステップ３２のテラス３３上に成長が進
行する。結果的に、渦巻き成長の発生が抑制され、渦巻
き成長と密接な関係を有する貫通欠陥の発生が防止され
る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
詳細に説明する。図３は本発明の実施例によるＳｉＣ単
結晶の成長方法に用いる結晶成長装置の概略図である。

【００２３】図３において、水冷式石英二重管からなる
反応管４０の反応室４１内にるつぼ２２が配置される。
るつぼ２２の周囲は保温のために熱シールド材４２で覆
われ、反応管４０の周囲には高周波コイル４３が巻装さ
れている。流量計４５およびバルブ４６を介して供給さ
れるＡｒガス等の不活性ガスがガス導入口４４から反応
室４１に導入される。反応室４１は排気口４７からロー
タリーポンプにより排気され、数Ｔｏｒｒ程度の圧力に
保たれる。冷却水入口４８から導入される冷却水は、石
英二重管を循環して冷却水出口４９から排出される。

【００２４】まず、本発明の第１の実施例によるＳｉＣ
単結晶の成長方法を説明する。本実施例では、６Ｈ形Ｓ
ｉＣ単結晶からなる種結晶基板の｛０００１｝面上に６
Ｈ形ＳｉＣ単結晶を成長させる。図４（ａ）は第１の実
施例によるＳｉＣ単結晶の成長方法に用いるるつぼの上
部の縦断面図、図４（ｂ）はそのるつぼの横断面図およ
び温度分布を示す図、図４（ｃ）は種結晶基板上に成長
した成長層を示す図である。

【００２５】円筒形状のるつぼ２２は黒鉛により形成さ
れている。るつぼ２２内の上面の中心から一方向に偏っ
た位置に、黒鉛からなる円柱状の保持台２３が設けられ
ている。保持台２３上にはＳｉＣ単結晶からなる種結晶
基板２０が設置される。

【００２６】ここで、図４（ａ）に示すように、るつぼ
２２の外径をＤ１とし、保持台２３の直径をＤ２とし、
るつぼ２２の周壁の厚さをＷとし、保持台２３の外周面
とるつぼ２２の内周面との間の最大距離および最小距離
をそれぞれＬ１およびＬ２とする。例えば、るつぼ２２
の外径Ｄ１は１００ｍｍであり、るつぼ２２の周壁の厚
さＷは１５ｍｍである。また、保持台２３の直径Ｄ２は
３５ｍｍであり、保持台２３の外周面とるつぼ２２の内
周面との間の最大距離Ｌ１は２５ｍｍであり、最小距離
Ｌ２は１０ｍｍである。

【００２７】このようなるつぼ２２を図３に示した結晶
成長装置の反応室４１内に配置し、高周波コイル４３に
より高周波加熱を行う。従来の成長方法と同様に、Ｓｉ
Ｃ原材料（図示せず）が高温となり、種結晶基板２０が
低温となるように温度勾配を設けることにより、ＳｉＣ
原材料が昇華して種結晶基板２０の表面に昇華ガスの分
子種が当たる。

【００２８】この場合、るつぼ２２の周壁からの熱伝導
および熱輻射により保持台２３が加熱されるので、図４
（ｂ）に示すように、保持台２３においてるつぼ２２の
周壁から最も近い縁部Ｙが周壁から最も遠い縁部Ｘに比
べて高温になり、縁部Ｘから縁部Ｙに渡って温度勾配が
設定される。例えば、るつぼ２２の外周面が２３００℃
に設定された場合、保持台２３の縁部Ｘが２２５０℃と
なり、縁部Ｙが２２８０℃となり、その間の領域では温
度が単調増加する。

【００２９】それにより、保持台２３上に設置される種
結晶基板２０においても、るつぼ２２の周壁から最も遠
い縁部ｘの温度がるつぼ２２の周壁に最も近い縁部ｙの
温度よりも相対的に低くなる。

【００３０】したがって、縁部ｘでの結晶成長が縁部ｙ
に比べて速くなり、縁部ｘからステップ成長が開始され
る。縁部ｘにステップが形成されると、そのステップの
側壁に分子種が吸着し、縁部ｘから縁部ｙに向かってス
テップの成長が進行するとともに、そのステップ上の縁
部ｘに新たなステップが形成される。その結果、図４
（ｃ）に示すように、種結晶基板２０上にステップ成長
機構を主体とする成長層２１が形成される。

【００３１】本実施例の成長方法によれば、ステップ成
長が支配的となり、渦巻き成長の発生が抑制されるの
で、貫通欠陥が少ない高品質のＳｉＣ単結晶が得られ
る。次に、本発明の第２の実施例によるＳｉＣ単結晶の
成長方法を説明する。本実施例においても、６Ｈ形Ｓｉ
Ｃ単結晶からなる種結晶基板の｛０００１｝面上に６Ｈ
形ＳｉＣ単結晶を成長させる。図５（ａ）は第２の実施
例によるＳｉＣ単結晶の成長方法に用いるるつぼの部分
斜視図、図５（ｂ）はそのるつぼの部分縦断面図であ
る。

【００３２】図５（ａ）に示すように、黒鉛からなる方
形のるつぼ５１内の底面または上面に方形の保持台５２
が設けられている。保持台５２上にＳｉＣ単結晶からな
る方形の種結晶基板５３が配置される。

【００３３】図５（ｂ）に示すように、保持台５２は、
るつぼ５１の一方の側壁５４に近く、他方の側壁５５か
ら遠い位置に配置されている。すなわち、るつぼ５１の
一方の側壁５４から保持台５２の一方の側面までの距離
をＬ３とし、るつぼ５１の他方の側壁５５から保持台５
２の他方の側面までの距離をＬ４とすると、Ｌ３＜Ｌ４
に設定する。

【００３４】この場合、るつぼ５１の側壁５４，５５か
らの熱伝導および熱輻射により保持台５２が加熱される
ので、図６に示すように、保持台５２の一方の側縁部Ｖ
から他方の側縁部Ｗに向かって単調増加する温度勾配が
設定される。したがって、保持台５２上の種結晶基板５
３の一方の側縁部ｖから他方の側縁部ｗに向かって単調
増加する温度勾配が設定される。それにより、低温側の
側縁部ｖでの成長が高温側の側縁部ｗに比べて速くな
り、側縁部ｖからステップ成長が開始する。その結果、
第１の実施例と同様に、ステップ成長を主体とする成長
機構が支配的となり、渦巻き成長が抑制されるため、貫
通欠陥が少ない高品質のＳｉＣ単結晶が得られる。

【００３５】次に、本発明の第３の実施例によるＳｉＣ
単結晶の成長方法を説明する。図７は第３の実施例によ
るＳｉＣ単結晶の成長方法に用いる種結晶基板を示す図
である。

【００３６】図７に示すように、種結晶基板３０は、
｛０００１｝面から〈１１２０〉方向に１０°〜３０°
傾斜した成長面３１を有する６Ｈ形ＳｉＣ単結晶からな
る。このような成長面３１の傾斜角度をオフ角度と呼
ぶ。種結晶基板３０の成長面３１には、多数の結晶構造
的ステップ３２が高密度で存在する。本実施例では、こ
のような種結晶基板３０上に６Ｈ形ＳｉＣ単結晶を成長
させる。

【００３７】この種結晶基板３０をるつぼ内の保持台に
設置する。種結晶基板３０を設置するるつぼとしては、
図４に示したるつぼ２２または図５に示したるつぼ５１
を用いてもよく、あるいは図９に示したるつぼ１を用い
てもよい。第１および第２の実施例と同様に、るつぼを
結晶成長装置の反応室内に設置して加熱を行うと、種結
晶基板３０の成長面３１上への結晶成長が行われる。

【００３８】上記のように、種結晶基板３０の成長面３
１には多数の結晶構造的ステップ３２が高密度で存在す
るので、広い結晶表面で成長初期に起こる結晶核の発生
が抑制され、ステップ３２へのＳｉＣの分子種の吸着に
よるステップ成長が開始される。この場合、成長の初期
過程で分子種がステップ３２の側壁に吸着し、各ステッ
プ３２のテラス３３上に成長が進行する。

【００３９】種結晶基板のオフ角度と貫通欠陥の密度と
の関係を測定したところ、図８に示す結果が得られた。
図８に示すように、｛０００１｝面（オフ角度０°）の
ＳｉＣ単結晶基板を用いた場合には、貫通欠陥が約５４
０［個／ｃｍ²］であるのに対し、｛０００１｝面から
〈１１２０〉方向にオフ角度５°〜２０°を有するＳｉ
Ｃ単結晶基板を用いた場合には、貫通欠陥が約２２０〜
３３０［個／ｃｍ²］となっている。

【００４０】また、｛０００１｝面のＳｉＣ単結晶基板
上およびオフ角度５°のＳｉＣ単結晶基板上にそれぞれ
成長したＳｉＣ単結晶の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）で観察した。｛０００１｝面のＳｉＣ単結晶基板上
に成長したＳｉＣ単結晶の表面には多数の渦巻き成長パ
ターンが見られたのに対して、オフ角度５°のＳｉＣ単
結晶基板上に成長したＳｉＣ単結晶の表面にはステップ
成長パターンが見られ、渦巻き成長パターンは見られな
かった。

【００４１】これらの結果から、種結晶基板のオフ角度
が５°以下になると、渦巻き成長とステップ成長とが混
在する不安定な成長になるが、種結晶基板のオフ角度が
５°以上であればステップ成長が安定に発生するものと
考えられる。なお、｛０００１｝面から〈１０１０〉方
向へ傾斜した成長面を有するＳｉＣ単結晶基板を用いて
も、同様の効果が得られる。

【００４２】このように、本実施例の成長方法によれ
ば、ステップ成長を主体とする成長が進行し、渦巻き成
長の発生が抑制されるので、貫通欠陥が少ない高品質の
ＳｉＣ単結晶が得られる。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、種結晶基
板上にステップ成長を主体とする成長機構を用いて炭化
ケイ素単結晶を成長させることにより、渦巻き成長の発
生が抑制され、貫通欠陥が大幅に減少した高品質の炭化
ケイ素単結晶が安定に得られる。したがって、炭化ケイ
素単結晶を基板として用いた素子の性能の向上を図るこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による温度勾配を用いたＳｉＣ単結晶の
成長方法を説明するための図である。

【図２】本発明による傾斜基板を用いたＳｉＣ単結晶の
成長方法を説明するための図である。

【図３】本発明の実施例によるＳｉＣ単結晶の成長方法
に用いる結晶成長装置の概略図である。

【図４】本発明の第１の実施例によるＳｉＣ単結晶の成
長方法に用いるるつぼの部分縦断面図、横断面図および
種結晶基板上に成長した成長層を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施例によるＳｉＣ単結晶の成
長方法に用いるるつぼの部分斜視図および部分縦断面図
である。

【図６】図５のるつぼの保持台の温度分布を示す図であ
る。

【図７】本発明の第３の実施例によるＳｉＣ単結晶の成
長方法に用いる種結晶基板を示す図である。

【図８】種結晶基板のオフ角度と貫通欠陥の密度との関
係の測定結果を示す図である。

【図９】従来のＳｉＣ単結晶の成長方法に用いるるつぼ
およびその温度分布を示す図である。

【図１０】ＳｉＣ単結晶の成長に用いられる一般的な結
晶成長装置の概略図である。

【図１１】螺旋転位の発生モデルを示す図である。

【図１２】渦巻き成長モデルを示す図である。

【図１３】従来のＳｉＣ単結晶の成長方法に用いるるつ
ぼの温度分布を示す図である。

【図１４】従来のＳｉＣ単結晶の成長方法に用いる種結
晶基板の温度分布および渦巻き成長を示す図である。

【符号の説明】

２０，３０，５３種結晶基板２１成長層２２，５１るつぼ２３，５２保持台３１成長面３２ステップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化ケイ素原材料を昇華させて種結晶基
板上に炭化ケイ素単結晶を成長させる方法において、前
記種結晶基板上にステップ成長を主体とする成長機構を
用いて炭化ケイ素単結晶を成長させることを特徴とする
炭化ケイ素単結晶の成長方法。
【請求項２】前記種結晶基板の一方の縁部から対向す
る他方の縁部に渡って温度勾配を設けることを特徴とす
る請求項１記載の炭化ケイ素単結晶の成長方法。
【請求項３】前記種結晶基板として｛０００１｝面か
ら５度ないし３０度傾斜した結晶成長面を有する単結晶
基板を用いることを特徴とする請求項１または２記載の
炭化ケイ素単結晶の成長方法。