KR20170076763A

KR20170076763A - 탄화규소 단결정의 제조 방법 및 탄화규소 단결정 기판

Info

Publication number: KR20170076763A
Application number: KR1020177014566A
Authority: KR
Inventors: 신야 사토; 다츠오 후지모토; 마사카즈 가츠노; 히로시 츠게; 마사시 나카바야시
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2017-07-04
Also published as: EP3228733A1; WO2016088883A1; KR101936007B1; EP3228733B1; CN107002281B; CN107002281A; JP6584428B2; US20170342593A1; JPWO2016088883A1; EP3228733A4; US10711369B2

Abstract

본 발명은, 나선 전위가 감소한 영역을 넓은 범위에서 확보한 SiC 단결정 기판이 얻어지게 되는 SiC 단결정의 제조 방법 및 SiC 단결정 기판을 제공한다. 상기 SiC 단결정 기판은, {0001}면으로부터 오프 방위로 오프 각을 갖는 종결정을 사용하여, 상기 벌크상의 탄화규소 단결정이 성장한 결정 단부면의 결정 주연부에 패싯 {0001}면을 형성함과 함께, 얻어지는 SiC 단결정의 50％ 초과의 두께를 얻는 결정 성장을 행하는 성장 주 공정에 앞서, 상기 성장 주 공정보다 질소 농도를 높여, 성장 분위기 압력이 3.9㎪ 이상 39.9㎪ 이하, 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2300℃ 미만에서 결정 성장시키는 성장 부 공정을 포함하는 제조 방법에 의해 제조된다.

Description

탄화규소 단결정의 제조 방법 및 탄화규소 단결정 기판 {METHOD FOR PRODUCING SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL, AND SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE}

본 발명은, 탄화규소 원료를 승화시켜 종결정 상에 벌크상의 탄화규소 단결정을 성장시키는 탄화규소 단결정의 제조 방법 및 탄화규소 단결정 기판에 관한 것이다.

탄화규소(SiC)는, 넓은 금제대 폭을 갖는 와이드 밴드 갭 반도체이며, 내전압성이나 내열성 등에서 종래의 실리콘(Si)을 훨씬 능가하는 특성을 갖는 점에서, 차세대의 반도체 재료로서 연구 개발이 진행되고 있다.

탄화규소 단결정(SiC 단결정)을 성장시키는 기술 중 하나로서, 승화 재결정법이 있다. 즉, 개량 레일리법이라고도 불리는 이 방법은, 도가니의 덮개체에 SiC로 이루어지는 종결정을 설치하고, 도가니의 용기 본체에 SiC 원료를 배치하여, SiC 원료를 승화시킴으로써, 종결정 상에 벌크상의 SiC 단결정을 성장시킨다. 그때, 성장하는 단결정 중으로의 불순물 도핑도 가능하고, 예를 들어 n형 SiC 단결정의 경우에는, 성장 중의 분위기 가스에 질소(N₂) 가스를 첨가할 수 있다. 그리고, 대략 원기둥 형상의 벌크상의 SiC 단결정(잉곳)을 얻은 후, 일반적으로는, 300∼600㎛ 정도의 두께로 잘라낸 후, SiC 단결정 기판을 제조하여, 파워 일렉트로닉스 등의 분야에서 SiC 디바이스의 제작에 제공된다.

이 승화 재결정법에 의한 결정 성장에는, 2000℃를 초과하는 온도가 필요하고, 게다가 종결정과 SiC 원료를 배치한 도가니 내에서는 온도 구배를 마련하여 결정 성장을 행하는 점에서, 얻어지는 SiC 단결정에는, 어떻게 해도 전위 결함, 적층 결함 등의 결정 결함이 포함되어 버린다. 이 중, 전위 결함으로서는, 관통 인상 전위, 기저면 전위 및 나선 전위가 포함되고, 예를 들어 시판되고 있는 SiC 단결정 기판에서는, 나선 전위가 8×10²∼3×10³(개/㎠), 관통 인상 전위가 5×10³∼2×10⁴(개/㎠), 기저면 전위가 2×10³∼2×10⁴(개/㎠) 정도 존재한다고 하는 보고가 있다(비특허문헌 1 참조).

최근, SiC의 결정 결함과 디바이스 성능에 관한 연구·조사가 진행되어, 각종 결함이 미치는 영향이 드러나고 있다. 그 중에서도, 나선 전위가 디바이스의 누설 전류의 원인이 되는 것이나, 게이트 산화막의 수명을 저하시키는 것 등이 보고되어 있어(비특허문헌 2 및 3 참조), 고성능 SiC 디바이스를 제작하기 위해서는, 적어도 나선 전위를 저감시킨 SiC 단결정 기판이 요구된다.

따라서, 특허문헌 1은 {0001}면으로부터 오프셋 각(오프 각)이 60°이내인 면을 성장면으로 하고, 또한 성장 중인 SiC 단결정에 나선 전위를 주위보다 고밀도로 발생시킬 수 있는 나선 전위 발생 가능 영역을 성장면의 50％ 이하의 영역에 갖는 전위 제어 종결정을 사용하여, 벌크상의 SiC 단결정을 성장시키고, 그 성장 시에, 나선 전위 발생 가능 영역을 c축 방향으로 투영한 영역이 c면 패싯과 겹치도록 탄화규소 단결정을 성장시키는 SiC 단결정의 제조 방법을 개시하고 있다. 특허문헌 1은, 상기 제조 방법에 의해, 나선 전위 밀도가 높은 영역과, 이 영역보다 나선 전위 밀도가 낮은 영역을 갖는 SiC 단결정을 제작할 수 있는 것을 개시하고 있다.

그러나, 이 제조 방법에서는, 상기한 바와 같은 전위 제어 종결정을 얻기 위해, c축 방향으로 성장시키는 c면 성장과 이것에 수직인 방향으로 성장시키는 a면 성장을 행해야 한다. 게다가, 이 방법에 따라서 나선 전위 밀도가 낮은 영역을 많이 구비하는 SiC 단결정을 얻기 위해서는, 상기한 바와 같은 c면 성장과 a면 성장을 반복하여, 나선 전위 발생 가능 영역을 더 작게 한 전위 제어 종결정을 준비한 후, SiC 단결정을 성장시킬 필요가 있다. 그로 인해, 이 제조 방법은, 생산성이 문제가 된다.

또한, 특허문헌 2는 3.9㎪ 이상 39.9㎪ 이하의 제1 성장 분위기 압력 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2300℃ 미만인 제1 성장 온도에서, 적어도 두께 0.5㎜의 탄화규소 단결정을 성장시키는 제1 성장 공정과, 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하의 제2 성장 분위기 압력, 및 종결정의 온도가 제1 성장 온도보다 높고 2400℃ 미만인 제2 성장 온도에서, 제1 성장 공정보다 두껍고 탄화규소 단결정을 성장시키는 제2 성장 공정을 포함하는 SiC 단결정의 제조 방법을 개시하고 있다. 특허문헌 2는, 상기 SiC 단결정의 제조 방법에 의해 성장시킨 벌크의 탄화규소 단결정으로부터 잘라내어, 기판의 중심부에 비해 주변부에서의 나선 전위가 적은 탄화규소 단결정 기판을 얻는 방법을 개시하고 있다.

이 방법에 의하면, 제1 성장 공정에 있어서 SiC 단결정 중의 나선 전위가 적층 결함으로 구조 변환된다. 특히, 이러한 구조 변환은, SiC 단결정이 성장해 가는 과정에서의 성장 표면의 중앙부에 비해 주변부에서 발생하기 쉽고, 기판의 중심부에 비해 주변부에서의 나선 전위 밀도를 약 10분의 1로까지 감소시키는 것이 가능하다. 그로 인해, 나선 전위를 저감시키는 방법으로서 매우 효과적이다. 그러나, 나선 전위가 저감되는 영역이 기판의 중앙부를 제외한 도넛 형상의 주변 영역이 되므로, 디바이스의 수율을 더 높이는 점에서 검토의 여지가 있다.

또한, 앞의 특허문헌 1의 방법과 관련하여, 특허문헌 3은 (0001)면에 대해 <11-20> 방향(또는 <1-100> 방향)으로 0.1°이상 10°이하의 오프 각을 갖는 베이스 기판을 종결정으로 하여, SiC 단결정 잉곳의 단부에 (0001) 패싯면을 형성시키는 SiC 단결정 잉곳의 제조 방법을 개시하고 있다. 특허문헌 3은, 당해 패싯면이 형성된 표면 아래의 부분에서는 질소가 도입되기 쉬우므로, 상대적으로 질소 농도가 낮은 영역이 SiC 단결정 잉곳의 중심측에 형성되어, 질소 농도의 변동을 억제한 SiC 단결정 기판이 얻어지는 것을 개시하고 있다. 덧붙여 말하면, 이 방법에 따르면, 얻어지는 잉곳은 실질적으로 모든 영역에서 전위가 저감된다고 하고 있지만, 전위가 감소하는 상세한 메커니즘은 명확하지는 않고, 또한 베이스 기판의 에치 피트 밀도(1×10⁴∼5×10⁴㎝^-2)에 비해, 얻어진 SiC 단결정 기판의 그것을 1/2∼1/20까지 감소시킬 수 있었다고 하지만, 기판 중에서 실제로 전위가 어떻게 분포되어 있는 것인지 불분명하다.

또한, 특허문헌 4는, 3.9㎪ 이상 39.9㎪ 이하의 제1 성장 분위기 압력, 및 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2300℃ 미만인 제1 성장 온도에서 탄화규소 단결정을 성장시키는 제1 성장 공정과, 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하의 제2 성장 분위기 압력, 및 종결정의 온도가 제1 성장 온도보다 높고 2400℃ 미만인 제2 성장 온도에서, 제1 성장 공정보다 두껍고 탄화규소 단결정을 성장시키는 제2 성장 공정을 포함하는 제조 방법을 개시하고 있다. 특허문헌 4는, 상기 제1 성장 공정에 의해 나선 전위를 적층 결함으로 구조 변환시켜, 상기 제2 성장 공정에서 종결정의 온도를 높게 함으로써, 고품질의 탄화규소 단결정을 얻으면서, 생산성이 좋은 고속 성장을 행할 수 있는 것을 개시하고 있다.

또한, 특허문헌 5는, 결정 성장면이 {0001}면으로부터 2° 이상 15° 이하의 오프셋 각을 갖는 종결정을 사용하여, 체적 저항률을 제어하기 위한 불순물을 첨가한 상태에서 탄화규소 단결정의 결정 성장을 행하는 제조 방법을 개시하고 있다. 특허문헌 5는, 이러한 결정으로부터 잘라낸 SiC 단결정 기판을 사용하면, 전력 손실이 매우 작은 고성능의 반도체 소자를 고수율로 제작할 수 있는 것을 개시하고 있다.

또한, 특허문헌 6은, 상이한 질소 농도를 갖고 기저면 전위 밀도를 억제하는 복수의 억제층을 상기 기판 상에 형성한 후, 당해 억제층 상에 탄화규소 단결정 박막의 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 에피택셜 탄화규소 단결정 기판의 제조 방법을 개시하고 있다. 특허문헌 6은, 계단 형상으로 질소 농도를 변화시킴으로써, 억제층의 각 층간의 계면 혹은 억제층과 활성층의 계면에, 새로운 결정 전위를 발생시키지 않는 적당한 결정 변형을 발생시키고, 그 계면에 변형을 집중시킬 수 있어, 결과적으로, 기저면 전위의 억제에 유효하게 작용하는 것을 개시하고 있다.

또한, 특허문헌 7은 온도의 변경과, 온도 구배의 변경과, 분위기 가스의 조성 및 압력의 변경을 행하면서, SiC 단결정종 상에 SiC 단결정 부울을 승화 성장시킴으로써, 성장한 SiC 단결정 부울의 관통 전위 밀도를, SiC 단결정 부울 성장 중의 관통 전위로부터 기저면 전위로 변환시켜, 부울의 최초의 성장 부분으로부터 부울의 마지막 성장 부분에 걸쳐 실질적으로 저하시키는 방법을 개시하고 있다. 특허문헌 7은, 상기 방법에 의해, 종으로부터 성장 결정으로의 성장 중의 관통 전위의 전파를 최소한으로 하는 것을 개시하고 있다.

그러나, 특허문헌 1∼7 모두, 나선 전위를 중심으로 한 스파이럴 성장을 이용함에도 불구하고, 나선 전위를 효율적으로 저감시켜, 나선 전위가 감소한 영역을 넓은 범위에서 확보할 수 있는 탄화규소 단결정의 제조 방법을 개시하고 있지 않다. 또한, 성장 분위기 중의 질소 분압 및 패싯으로부터의 스텝의 공급은, 나선 전위 밀도의 저감에 영향을 미치는 것도, 특허문헌 1∼7의 어디에도 개시도 시사도 없다.

일본 특허 공개 제2004-323348호 공보 WO2013/031856호 팸플릿 일본 특허 공개 제2012-240892호 공보 일본 특허 공개 제2014-28757호 공보 일본 특허 공개 제2008-1532호 공보 일본 특허 공개 제2008-74661호 공보 일본 특허 공개 제2014-208590호 공보

오오타니 노보루, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제17회 강연회 예고집, 2008, p8 반도 외, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제19회 강연회 예고집, 2010, p140-141 야마모토 외, SiC 및 관련 와이드 갭 반도체 연구회 제19회 강연회 예고집, 2010, p11-12

따라서, 본 발명의 목적은, 승화 재결정법에 의해 얻어지는 SiC 단결정의 나선 전위를 효율적으로 저감시키고, 게다가 나선 전위가 감소한 영역을 넓은 범위에서 확보한 SiC 단결정 기판을 얻는 것이 가능한 SiC 단결정의 제조 방법을 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 나선 전위가 감소한 영역이 넓은 범위에서 확보된 SiC 단결정 기판을 제공하는 데 있다.

따라서, 본 발명자들은, 승화 재결정법에 의해 얻어지는 SiC 단결정의 나선 전위를 효율적으로 저감시킬 수 있고, 게다가 SiC 디바이스의 수율 등을 고려하여, 나선 전위가 감소한 영역을 더 넓은 범위에서 확보 가능한 SiC 단결정 기판을 얻기 위한 수단에 대해 예의 검토하였다. 본 발명자들은, 벌크상의 SiC 단결정이 성장한 결정 단부면의 결정 주연부에 패싯 {0001}면이 형성되도록 SiC 단결정을 성장시킴과 함께, 주된 결정 성장을 행하는 성장 주 공정에 앞서, 고질소 농도하에서, 소정의 압력 및 온도 조건에서 결정 성장을 행하는 성장 부 공정을 포함함으로써, 상기 과제를 해결하는 벌크상의 SiC 단결정이 얻어지게 되는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 도가니 용기 본체와 도가니 덮개체를 가진 도가니의 도가니 덮개체에 탄화규소로 이루어지는 종결정을 배치하고, 도가니 용기 본체에 탄화규소 원료를 배치하여, 탄화규소 원료를 승화시켜 종결정 상에 벌크상의 탄화규소 단결정을 성장시키는 탄화규소 단결정의 제조 방법이며, 상기 종결정이 {0001}면으로부터 오프 방위로 오프 각을 갖고 있고, 상기 벌크상의 탄화규소 단결정이 성장한 결정 단부면의 결정 주연부에 패싯 {0001}면을 형성함과 함께, 얻어지는 SiC 단결정의 50％ 초과의 두께를 얻는 결정 성장을 행하는 성장 주 공정에 앞서, 상기 성장 주 공정보다 질소 농도를 높여, 성장 분위기 압력이 3.9㎪ 이상 39.9㎪ 이하, 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2300℃ 미만에서 결정 성장시키는 성장 부 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(2) 성장 부 공정에서의 결정 성장 속도가 0.1㎜/h 이하인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(3) 성장 부 공정에서의 결정 중의 질소 농도가 2×10¹⁹㎝^-3 이상 1×10²⁰㎝^-3 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(4) 성장 주 공정은, 결정 중에서의 질소 농도가 1×10¹⁸㎝^-3 이상 1×10²⁰㎝^-3 이하, 성장 분위기 압력이 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하, 종결정의 온도가 성장 부 공정보다 높고 2400℃ 미만인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(5) 벌크상의 탄화규소 단결정이 성장해 가는 과정에서의 성장 표면이, 성장 주연부에서는 곡면을 갖고, 성장 중앙부에서는 성장 주연부에 비해 평탄해지도록 상기 벌크상의 탄화규소 단결정을 상기 종결정의 주면 상에 형성함으로써, 상기 패싯 {0001}면을 형성하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(6) 상기 성장 부 공정에 있어서, 상기 벌크상의 탄화규소 단결정의 두께가 1㎜ 이상 증가할 때까지 상기 벌크상의 탄화규소 단결정을 성장시킴으로써, 성장 부 공정에 있어서 탄화규소 단결정 중의 나선 전위의 일부가 적층 결함으로 구조 변환되고, 탄화규소 단결정의 결정 단부면에 있어서의 패싯 {0001}면으로부터 이격된 영역에서의 나선 전위 밀도가 감소하는 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 탄화규소 단결정의 제조 방법.

(7) {0001}면으로부터 오프 방위로 오프 각을 갖는 탄화규소 단결정 기판이며, 오프 방위를 나타내는 벡터의 종점측에 있어서 기판 표면의 기판 주연부에 패싯 {0001}면을 갖고, 상기 패싯 {0001}면으로부터 상기 오프 방위를 나타내는 벡터의 시점 방향으로의 기판 직경을 따른 나선 전위 밀도의 분포에 있어서, 나선 전위 밀도의 감소율이 급격하게 커지는 나선 전위 밀도의 분포 경계가 존재하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 단결정 기판.

(8) 상기 기판 직경에 대해 +45°의 각도를 갖는 직선을 따른 나선 전위 밀도의 분포와, 상기 기판 직경에 대해 -45°의 각도를 갖는 직선을 따른 나선 전위 밀도의 분포에는, 모두 나선 전위 밀도가 급준하게 저하되는 나선 전위 밀도의 분포 경계가 존재하는 것을 특징으로 하는 (7)에 기재된 탄화규소 단결정 기판.

또한, 승화 재결정법에서는, <0001>의 버거스 벡터를 갖는 나선 전위 외에, 1/3 <11-20>(0001)의 버거스 벡터를 갖고 기저면 내를 전파하는 기저면 전위로부터 복합 나선 전위가 생성되는 것이 알려져 있고(D. Nakamura et al. Journal of Crystal Growth 304(2007) 57-3), 본 발명에서는, 이 복합 나선 전위를 포함하여 나선 전위라고 칭하는 것으로 한다.

본 발명의 SiC 단결정의 제조 방법에 의하면, SiC 단결정의 나선 전위를 효율적으로 저감시킬 수 있고, 게다가 나선 전위가 감소한 영역을 넓은 범위에서 확보한 SiC 단결정 기판을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 SiC 단결정 기판에 의하면, 나선 전위가 감소한 영역이 넓은 범위에서 확보되는 점에서, 고품질의 SiC 디바이스를 고수율로 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 SiC 단결정을 제조하기 위해 사용한 단결정 성장 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 SiC 단결정의 결정 단부면에 있어서의 결정 주연부에 패싯 {0001}면이 형성되는 과정을 도시하는 개략 종단면도이다.
도 3의 (a)는 SiC 종결정을 설치하는 도가니의 덮개체를 덮는 단열재에, SiC 종결정의 구경 Φ에 비해 충분히 작은 구경 φ를 갖는 방열 구멍을 형성한 구조를 모식적으로 도시하는 종단면도이고, (b)는 (a) 도면에 도시된 단결정 성장 장치의 단열재 방열 구멍과 SiC 단결정의 표면 형상 및 패싯의 위치 관계를 모식적으로 도시하는 종단면도이다.
도 4의 (a)는 SiC 종결정을 설치하는 도가니의 덮개체를 덮는 단열재의 방열 구멍의 구경이 확대된 구조를 모식적으로 도시하는 세로 구성도이고, (b)는 (a) 도면에 도시된 단결정 성장 장치의 단열재 방열 구멍과, SiC 단결정의 표면 형상 및 패싯의 위치 관계를 모식적으로 도시하는 종단면도이다.
도 5는 스텝 플로우 성장 및 스파이럴 성장에 의한 SiC의 결정의 성장의 상태를 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 높은 스텝으로 덮인 나선 전위가 적층 결함으로 구조 변환되는 상태를 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 테라스 상의 N량의 증가에 의한 스텝의 형성 메커니즘과, 스텝의 높이와 패싯의 위치의 관계를 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 8은 실시예 1에 관한 SiC 단결정 기판에 있어서의 전위의 분포의 측정점과, 나선 전위 밀도의 분포 경계를 도시하는 개략 평면도이다.
도 9는 실시예 1에 관한 SiC 단결정의 (1-100) 종단면에서의 전위 결함과 적층 결함의 상태를 모식적으로 도시하는 개략 단면도이다.

이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명의 제조 방법은, 도가니 용기 본체와 도가니 덮개체를 가진 도가니의 도가니 덮개체에 탄화규소로 이루어지는 종결정(SiC 종결정)을 배치하고, 도가니 용기 본체 내에 SiC 원료를 배치하여, SiC 원료를 승화시켜 SiC 종결정 상에 벌크상의 SiC 단결정을 성장시키는 SiC 단결정의 제조 방법이다. 또한, 상기 SiC 종결정은, {0001}면의 법선이 주면(혹은 표면) 상에 있어서 소정의 오프 방위로 향하도록 상기 {0001}면과 상기 주면이 소정의 오프 각을 형성하도록 잘라내어져 있다. 또한, 본 발명의 제조 방법은, 상기 벌크상의 SiC 단결정이 성장한 결정 단부면의 결정 주연부에 패싯 {0001}면을 형성함과 함께, 주된 결정 성장을 행하는 성장 주 공정에 앞서, 성장 주 공정과는 상이한 성장 조건을 채용한 성장 부 공정을 포함하도록 한다.

여기서, 패싯 {0001}면 이라 함은, SiC 단결정을 성장시킬 때, 결정의 c축인 <0001> 방향에 수직인 각도를 갖는 영역에만 발생하는 평활면이다. 그로 인해, {0001}면의 법선이 소정의 오프 방위를 갖고, 또한 주면에 대해 소정의 오프 각을 형성하도록 슬라이스된 SiC 종결정을 사용하여, 결정 단부면의 결정 주연부에 패싯 {0001}면이 형성되도록 하기 위해서는, 상기 오프 방위 및 상기 오프 각으로 이루어지는 3차원의 벡터 방향과 동일한 방향에 있어서 상기 결정 주연부의 적어도 일부를 형성할 필요가 있다.

이러한 패싯 {0001}면을 형성하는 데는, 도 2에 도시한 바와 같이, 벌크상의 SiC 단결정(12)이 성장해 가는 과정에서의 성장 표면을 성장 주연부에서는 곡면을 갖고, 성장 중앙부에서는 성장 주연부에 비해 평탄해지도록 하면서 결정 성장시키면 된다. 이에 의해, 얻어지는 SiC 단결정(12)은, 결정 단부면(12a)의 결정 중앙부가 편평하고, 결정 주연부가 곡면을 갖고, 완만한 볼록 형상을 나타내고, 이 중, SiC 종결정(1)의 오프 방위 d_W를 나타내는 벡터의 종점측이며, 또한 SiC 단결정(12)의 결정 단부면(12a)에 있어서의 결정 주연부에 패싯 {0001}면이 형성된다.

상기한 바와 같이 SiC 단결정의 결정 단부면에 있어서의 결정 주연부에 패싯 {0001}면이 형성되도록 하기 위해, {0001}면이 주면에 대해 오프 각을 갖는 SiC 종결정을 사용한다. 그때, 그 오프 방위 d_W나 오프 각 θ_W의 각도에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 현상의 디바이스 제작의 실정 등을 감안하면, 바람직하게는 오프 방위 d_W는 <11-20> 방향 또는 <1-100> 방향 중 어느 하나인 것이 좋다. 또한, 오프 각 θ_W의 각도에 대해서는, 디바이스 제작에 사용되는 기판의 대부분이 4° 오프 기판인 것 등의 점으로부터 0°초과 16°이하인 것이 좋고, 바람직하게는 2° 이상 8° 이하인 것이 좋다.

여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 오프 각 θ_W라 함은, SiC 종결정(1)의 주면(혹은 표면)의 법선 n과 <0001> 방향(c축 방향)이 이루는 각도이다. 또한, 오프 방위 d_W라 함은, SiC 종결정(1)의 {0001}면의 법선 벡터 n'을 SiC 종결정(1)의 주면(혹은 표면)에 투영한 n" 벡터의 방향이다.

또한, SiC 단결정의 결정 단부면의 결정 주연부에 패싯 {0001}면이 형성되도록 하는 데 있어서, SiC 단결정(12)이 성장해 가는 과정에서 성장 주연부에서의 성장 표면이 곡면을 갖고, 성장 중앙부에서의 성장 표면이 성장 주연부에 비해 평탄해지도록 하기 위한 수단에 대해 특별히 제한은 없다. 또한, 이러한 수단의 일례로서, SiC 종결정을 설치하는 도가니의 덮개체를 덮는 단열재의 방열 구멍의 구경을 조정하여, SiC 단결정의 성장 표면의 형상을 제어하는 방법이 있다.

즉, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, SiC 종결정(1)의 구경 Φ100에 비해 방열 구멍(18')의 구경 φ20이 충분히 작은 경우(예를 들어 φ≤1/3Φ 정도), 상측에 방열 구멍이 존재하는 결정 중앙부의 온도는 동등하고, 상기 결정 중앙부와 비교하여 주변부의 온도는 높아진다. 그로 인해, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 SiC 단결정의 잉곳 표면 형상은 볼록 형상으로 되고, 패싯 {0001}면은 SiC 단결정의 결정 단부면의 대략 중앙에 형성된다.

그것에 대해, 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 방열 구멍(18)의 구경을 넓히면(도 4의 (a)의 Φ80), 상측에 방열 구멍(18)이 존재하여 온도가 동등해지는 결정 영역이 넓어지므로, 표면 형상은 결정 중앙부가 평탄해지고, 결정 주변부만이 곡면을 갖도록 SiC 단결정의 잉곳은 성장한다. 그로 인해, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 패싯 {0001}면은 SiC 단결정의 결정 단부면의 결정 주연부에 형성된다. 이 도 4의 (a), (b)에서는, SiC 종결정의 구경 Φ100(＝100㎜)에 대해 SiC 종결정의 구경 Φ100과 동심원 형상으로 한 단열재의 방열 구멍(18)의 구경을 φ80(＝80㎜)으로 한 예를 나타내고 있지만, 패싯 {0001}면을 결정 주연부에 형성하는 데 있어서, 바람직하게는 단열재의 방열 구멍의 구경 φ를 SiC 종결정의 구경 Φ의 40％ 이상 80％ 이하로 하는 것이 좋고, 더 바람직하게는 60％ 이상 80％ 이하로 하는 것이 좋다.

또한, 성장 주연부에서의 성장 표면이 곡면을 갖고, 성장 중앙부에서의 성장 표면이 성장 주연부에 비해 평탄해지도록 하는 그 밖의 수단으로서는, 예를 들어 도가니 덮개체를 덮는 단열재에 대해, 성장 주변부에 대응하는 부분에 비해, 성장 중앙부에 대응하는 부분의 단열재를 얇게 하는 것이나, 흑연 부재 등으로 이루어지는 도가니 덮개체에 대해, 그 열전도율을 성장 주변부에 대응하는 부분에 비해, 성장 중앙부에 대응하는 부분의 쪽을 높게 하는 등에 의해 결정 성장 중의 온도 분포를 조정함으로써, 잉곳 표면 형상을 제어하는 방법을 들 수 있다.

그리고, 본 발명에 있어서는, 상기한 바와 같이 벌크상의 SiC 단결정이 성장한 결정 단부면의 결정 주연부에 패싯 {0001}면을 형성함과 함께, 주된 결정 성장을 행하는 성장 주 공정에 앞서, 성장 주 공정과는 상이한 성장 조건을 채용한 성장 부 공정을 포함하도록 한다. 즉, 성장 주 공정보다 질소 농도를 높인 후, 성장 분위기 압력이 3.9㎪ 이상 39.9㎪ 이하, 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2300℃ 미만인 성장 부 공정을 포함하도록 한다. 이러한 성장 부 공정을 포함하는 이유는, SiC 단결정 중의 나선 전위의 일부를 적층 결함으로 구조 변환시켜, 나선 전위의 저감을 도모하기 위해서이다. 상세하게는, 다음에 설명하는 바와 같다.

우선, 승화 재결정법에 있어서의 SiC의 결정 성장에는, 일반적으로, 「패싯을 중심으로 한 스텝 플로우 성장」과 「관통 나선 전위를 중심으로 한 스파이럴 성장」이 있다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 주요한 결정 성장은 스텝 플로우 성장이지만, 도 5 중에 화살표로 나타낸 성장 방향(즉, 거시적인 성장 방향)으로의 성장 속도를 더 빠르게 하기 위해서는, 패싯에 있어서의 스텝 플로우 성장 외에도, 관통 나선 전위를 중심으로 한 스파이럴 성장이 필요해진다.

여기서, 본 발명에 있어서 나선 전위가 감소하는 것은, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 나선 전위가 높은 스텝으로 덮임으로써, 전위의 신전 방향이 90도 편향되어, 적층 결함으로 변환되기 때문이라고 생각된다. 이때, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 패싯으로부터는 치밀한 스텝이 공급되므로, 스텝의 가로 방향의 신전을 저해시킴으로써, 스텝의 겹침이 발생하여(스텝 번칭), 높은 스텝이 형성된다.

그리고, 본 발명에서는, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 테라스 상의 질소(N)량을 증가시킴으로써, 스텝의 가로 방향의 신전을 저해하는 방법을 이용하였다. 즉, 테라스 상의 N량을 증가시키기 위해서는, 성장 분위기 중의 질소 분압을 높게 하는 것 외에도, 테라스의 진행에 의한 스텝 플로우 성장이 지배적인 조건이 되도록 성장 속도를 억제하도록 한다. 이때, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 스텝의 겹침에 의해 높은 스텝이 형성될 뿐만 아니라, 넓은 테라스도 형성되고, 넓은 테라스 상에서는 N량이 증가하는 점에서, 스텝의 가로 방향의 신전은 더욱 저해된다. 그로 인해, 패싯으로부터 이격될수록, 즉, 패싯으로부터 멀어질수록 높은 스텝이 형성되기 쉬워져, 나선 전위의 저감화가 현저하게 발현된다고 생각된다.

따라서, 본 발명에서는, 성장 부 공정에 있어서, 성장 주 공정보다 질소 농도를 높임과 함께, 성장 속도를 억제하여 결정 성장시킨다. 즉, 성장 속도를 억제하여 스텝 플로우 성장이 지배적이 되도록 하기 위해, 성장 부 공정의 성장 분위기 압력은 3.9㎪ 이상 39.9㎪ 이하(30Torr 이상 300Torr 이하), 바람직하게는 13.3㎪ 이상 39.9㎪ 이하(100Torr 이상 300Torr 이하)로 하고, 종결정의 온도는 2100℃ 이상 2300℃ 미만, 바람직하게는 2200℃ 이상 2300℃ 미만으로 한다. 성장 부 공정의 성장 분위기 압력이 3.9㎪ 미만이면 성장 속도가 빨라지므로 스파이럴 성장이 지배적이 되어, 나선 전위의 저감이 효과적으로 발현되지 않고, 반대로 39.9㎪를 초과하면 성장 속도가 현저하게 저하되므로 생산성에 문제가 발생한다. 또한, 종결정의 온도가 2100℃ 미만이면 성장 속도가 저하되므로 생산성에 문제가 있고, 반대로 2300℃ 이상이 되면 성장 속도가 빨라지므로 나선 전위의 저감이 효과적으로 발현되지 않는다.

또한, 스텝의 가로 방향의 신전을 더 확실하게 저해하면서도, 광대한 테라스 상에서의 2차원 핵의 형성을 억제하는 관점에서, 성장 부 공정에 있어서의 질소 농도는, 바람직하게는 2×10¹⁹㎝^-3 이상 1×10²⁰㎝^-3 이하의 범위 내이고, 더 바람직하게는 4×10¹⁹㎝^-3 이상 1×10²⁰㎝^-3 이하이며, 또한 성장 주 공정에 있어서의 질소 농도보다 높아지도록 조정하는 것이다.

그리고, 이들 성장 조건을 채용하면서, 바람직하게는 성장 부 공정에서의 결정 성장 속도가 0.1㎜/h 이하로 되도록 결정 성장시키고, 더 바람직하게는 0.05㎜/h 이하로 결정 성장시키는 것이 좋다. 여기서, 성장 부 공정에서 얻어지는 결정 중의 질소 농도는 성장 주 공정보다 높은 값이 되므로, 일반적인 디바이스 용도로 고려한 경우에 제품으로서는 적합하지 않은 점에서, 성장 부 공정의 성장 시간은 가능한 한 짧은 쪽이 생산성의 관점에서 바람직하고, 성장 부 공정에서의 결정 성장 속도는 0.01㎜/h 이상인 것이 바람직하다. 또한, 성장 부 공정에서 성장시키는 결정의 두께에 대해서는, 상기한 바와 같은 구조 변환에 의한 나선 전위의 저감 효과가 더 확실하게 얻어지도록 하기 위해, 1㎜ 이상인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 3㎜ 이상이다. 이 성장 부 공정에서 성장시키는 결정의 두께를 증가시킴으로써, 나선 전위로부터 적층 결함으로의 구조 변환은 더 확실하게 이루어지므로, 그 두께에 제한은 없지만, 효과가 포화되는 것이나 생산성 등을 고려하면, 성장 부 공정에서 성장시키는 결정의 두께는 10㎜를 상한으로 할 수 있다.

이러한 성장 부 공정에 의해 SiC 단결정 중의 나선 전위를 적층 결함으로 구조 변환시킨 후, 본 발명에서는, 주된 결정 성장을 행하는 성장 주 공정에 의해 결정 성장시킨다. 여기서, 주된 결정 성장을 행하는 성장 주 공정이라 함은, 본 발명의 방법에 있어서 주요한 결정 성장을 행하는 공정이며, 구체적으로는, 얻어지는 SiC 단결정의 50％ 초과의 두께를 얻는 공정이거나, SiC 단결정의 성장 시간 중에서 50％ 초과의 결정 성장 시간을 차지하는 공정이거나, 혹은 SiC 단결정이 성장하는 공정 중 가장 결정 성장 속도가 빠른 공정이거나, 이들 중 어느 하나 이상을 만족시키는 것이다.

즉, 성장 주 공정에서는, 성장 부 공정에 비해 성장 분위기 압력을 낮추고, 또한 종결정의 온도를 높게 하여 결정 성장 속도를 올려, SiC 단결정을 주로 성장시키도록 하는 것이 좋다. 구체적인 성장 조건에 대해서는 일반적인 승화 재결정법에 의한 SiC 단결정의 성장 조건과 마찬가지로 할 수 있다. 단, 바람직하게는 성장 분위기 압력은 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하(1Torr 이상 20Torr 이하), 더 바람직하게는 0.65㎪ 이상 1.95㎪ 이하(5Torr 이상 15Torr 이하)이다. 또한, 성장 주 공정에 있어서의 종결정의 온도는 성장 부 공정 시의 종결정의 온도보다 높은 온도로 하지만, 2400℃ 미만이고, 더 바람직하게는 2200℃ 이상 2400℃ 이하이다.

또한, 성장 주 공정의 질소 농도는, 성장 부 공정 시의 질소 농도보다 낮은 것을 제외하고, 적절하게 설정 가능하다. 예를 들어, 디바이스 응용을 고려하여 체적 전기 저항률 0.005∼0.05Ω㎝(5∼50mΩ㎝) 정도의 n형 SiC 단결정을 얻기 위해서는, 결정 중의 질소 농도가 2×10¹⁸㎝^-3 이상 1×10²⁰㎝^-3 이하로 되도록 하는 것이 좋다. 혹은, 필요에 따라서, 질소 공급을 차단하여 반절연성 SiC 단결정을 얻도록 해도 된다.

또한, 이 성장 주 공정에 있어서의 결정 성장 속도는 1시간당 0.1㎜ 이상이 되도록 하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 0.3㎜/hr 이상이다. 또한, 성장 주 공정에서 성장시키는 SiC 단결정의 두께에 대해서는, 본 발명에 의해 SiC 단결정 잉곳을 제조하고, 이것으로부터 SiC 단결정 기판을 취출하는 것 등을 감안하면, 적어도 10㎜로 하는 것이 바람직하고, 적합하게는 30㎜ 이상인 것이 좋다. 또한, 기존의 설비를 사용하는 것 등을 고려하면, 성장 주 공정에 있어서의 결정 성장 속도는 1.0㎜/hr 정도가 상한이고, 또한 성장 주 공정에서 성장시키는 SiC 단결정의 두께의 상한은 100㎜ 정도이다.

또한, 본 발명에 있어서는, 성장 부 공정으로부터 성장 주 공정으로 전환할 때, 바람직하게는 1시간당 12㎪ 이하의 압력 변화 속도로 감압시키는 것이 좋고, 더 바람직하게는 1시간당 1㎪ 이하인 것이 좋다. 단위 시간당 변경 폭이 클수록 성장 속도의 시간 변화량은 커져, 그동안의 결정 성장이 불안정해지는 것도 생각되지만, 상기한 바와 같이 함으로써 이종 폴리타입의 혼재 등의 우려를 확실하게 배제할 수 있다. 마찬가지의 이유로부터, 성장 온도를 전환할 때, 바람직하게는 1시간당 40℃ 이하의 온도 변화 속도로 승온시키는 것이 좋고, 더 바람직하게는 1시간당 10℃ 이하로 조정하는 것이 좋다.

본 발명에서는, 전위의 구조 변환을 이용한 나선 전위의 저감화인 점에서, 얻어지는 SiC 단결정의 폴리타입에 의한 제한은 없고, 대표적인 폴리타입인 4H형, 6H형 및 3C형의 탄화규소 단결정을 얻는 방법으로서 적용 가능하다. 특히, 파워 디바이스 응용으로서 유력시되고 있는 4H형에도 적용 가능한 점에서 유리하다. 또한, 본 발명에 있어서의 나선 전위의 저감은, 승화 재결정법에 의한 성장 조건의 제어에 의해 가능해지므로, 얻어지는 SiC 단결정의 결정 구경의 제한도 없다. 그로 인해, 현시점에서 가장 유력시되고 있는 구경 50㎜ 이상 300㎜ 이하의 결정 성장 프로세스에의 적용이 가능하다.

그리고, 본 발명에서는, 상술한 바와 같은 메커니즘에 의해, 성장 부 공정에 있어서 SiC 단결정 중의 나선 전위의 일부가 적층 결함으로 구조 변환되는 점에서, 성장 주 공정에서 얻어진 SiC 단결정의 결정 단부면에는, 결정 주연부에 패싯 {0001}면이 형성됨과 함께, 해당 패싯 {0001}면으로부터 소정의 거리를 가진 영역에서는 나선 전위 밀도가 저감된다.

즉, 본 발명의 방법에 의해 얻어진 벌크상의 SiC 단결정의 {0001}면으로부터 소정의 오프 방위로 오프 각을 갖는 SiC 단결정 기판을, 상기 벌크상의 SiC 단결정으로부터 잘라내면, 잘라내어진 SiC 단결정 기판은, 오프 방위를 나타내는 벡터의 종점측에 있어서의 기판 표면의 기판 주연부에 패싯 {0001}면을 갖는다.

또한, 상기 SiC 단결정 기판은, 오프 방위를 나타내는 벡터의 시점을 향해 패싯 {0001}면으로부터 이격되도록 기판 직경을 따라 나선 전위 밀도의 분포를 구하였을 때, 나선 전위 밀도가 급준하게 감소하는 분포 경계를 갖는다. 즉, 상기 분포 경계에 있어서, 나선 전위 밀도의 감소율이 급격하게 커진다. 구체적으로는, 본 발명의 SiC 단결정 기판은, 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 나선 전위 밀도가 갑자기 저하되는 전위 분포 경계를 갖는다. 더 구체적으로는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 SiC 단결정 기판은, 패싯 {0001}면의 중심을 기점으로 하여 기판 직경을 따라 나선 전위 밀도의 분포를 구하였을 때, 나선 전위 밀도의 값이 SiC 단결정 기판의 패싯 {0001}면에 있어서의 나선 전위 밀도의 값에 대해 75％ 이하로 되는 전위 분포 경계를 갖는다.

본 발명의 SiC 단결정 기판의 더 적합한 실시 형태는, 패싯 {0001}면의 중심으로부터 이격되는 방향으로 기판 직경에 대해 +45°의 각도를 갖는 직선을 따라 구해진 나선 전위 밀도의 분포와, 패싯 {0001}면의 중심으로부터 이격되는 방향으로 기판 직경에 대해 -45°의 각도를 갖는 직선을 따라 구해진 나선 전위 밀도의 분포 모두, 나선 전위 밀도가 급준하게 저하되는 분포 경계를 갖는다. 그로 인해, 나선 전위 밀도의 상기 분포 경계를 사이에 두고 패싯 {0001}면과 반대측의 영역은, 나선 전위가 저감되어 있고, 적합하게는, 나선 전위 밀도를 1∼300개/㎠ 정도로 저감할 수 있다. 이러한 SiC 단결정 기판을 사용하면, 고품질의 SiC 디바이스를 고수율로 얻을 수 있다.

실시예

다음으로, 실시예에 기초하면서 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 이들 내용에 제한되는 것은 아니다.

도 1은, 본 발명의 SiC 단결정을 얻는 데 사용한 벌크 SiC 단결정을 제조하기 위한 장치이며, 개량 레일리법(승화 재결정법)에 의한 단결정 성장 장치의 일례를 도시한다. 결정 성장은, SiC 원료(2)를 유도 가열에 의해 승화시키고, SiC 종결정(1) 상에 재결정시킴으로써 행해진다. SiC 종결정(1)은, 흑연제 도가니를 형성하는 도가니 덮개체(4)의 내면에 설치되어 있고, SiC 원료(2)는 마찬가지로 흑연제 도가니를 형성하는 도가니 용기 본체(3)에 충전된다. 이 흑연제 도가니는, 도가니 용기 본체(3) 및 도가니 덮개체(4) 모두 열 실드를 위해 흑연제 펠트(단열재)(7)로 피복하여, 이중 석영관(5) 내부의 흑연 지지봉(6) 상에 설치된다. 그리고, 이중 석영관(5)의 내부를 진공 배기 장치(11)에 의해 진공 배기한 후, 고순도 Ar 가스 및 질소 가스를, 배관(9)을 통해 매스 플로우 컨트롤러(10)로 제어하면서 유입시켜, 석영관 내 압력(성장 분위기 압력)을 진공 배기 장치(11)로 조정하면서, 워크 코일(8)에 고주파 전류를 흐르게 하여, 흑연제 도가니를 가열함으로써 결정 성장을 행하였다. 여기서, 도가니 덮개체(4)의 중앙부에 직경 2∼4㎜의 광로를 설치하여 복사 광을 취출할 수 있도록 하고, 도시하지 않은 2색 온도계를 사용하여 SiC 종결정(1)의 온도를 측정하여, 이하에서 설명하는 성장 온도로 하였다.

(실시예 1)

먼저, 미리 얻어진 구경 100㎜의 (0001)면을 주면으로 한 SiC 단결정으로부터, 상기 (0001)면의 오프 방위가 <11-20> 방향이며, 상기 (0001)면의 오프 각이 4도로 되도록, 4H형의 SiC 단결정 기판을 잘라내고, 잘라내어진 면을 경면 연마하여 종결정을 준비하였다. 이 SiC 종결정(1)을 상기에서 설명한 단결정 성장 장치의 도가니 덮개체(4)의 내면에 설치하고, SiC 원료(2)를 충전한 흑연제 도가니의 도가니 용기 본체(3)에 세트하고, 흑연제 펠트(7)로 피복하였다. 그때, 도가니 덮개체(4)를 덮는 흑연제 펠트(7)에는, 도가니 덮개체(4)의 내면에 설치한 SiC 단결정과 동심원 형상으로 되도록, 구경 50㎜의 방열 구멍(도시하지 않음)을 형성함으로써, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, SiC 단결정(12)이 성장해 가는 과정에서의 성장 표면이, 성장 주연부에서는 곡면을 갖고, 성장 중앙부에서는 성장 주연부에 비해 평탄해지도록 하였다. 그리고, 흑연제 펠트(7)로 피복한 흑연제 도가니(도가니 용기 본체(3) 및 도가니 덮개체(4))를 흑연 지지봉(6) 상에 얹어, 이중 석영관(5)의 내부에 설치하였다.

이어서, 이중 석영관(5)의 내부를 진공 배기한 후, 분위기 가스로서 고순도 Ar 가스를 유입시키고, 석영관 내 압력을 약 80㎪로 유지하면서, 워크 코일(8)에 전류를 흐르게 하여 온도를 올려, SiC 종결정(1)의 온도가 2200℃로 될 때까지 상승시켰다. 그리고, 석영관 내 압력을 13.3㎪로 감압하고, 성장 결정 중의 질소 농도가 약 3×10¹⁹㎝^-3으로 되도록 하면서, 50시간의 결정 성장을 행하였다(성장 부 공정). 계속해서, 압력 변화 속도 1.2㎪/hr로 감압함과 함께 10℃/hr의 온도 변화 속도로 온도를 올려, 성장 분위기 압력을 1.3㎪, SiC 종결정(1)의 온도를 2300℃로 하고, 성장 결정 중의 질소 농도가 약 1×10¹⁹㎝^-3으로 되도록 하면서, 100시간의 결정 성장을 행하였다(성장 주 공정). 또한, 결정 중의 질소 농도(질소 원자수 밀도)에 대해서는, Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35(1996) pp.2240-2243에 기재된 2차 이온 질량 분석(SIMS)에 의해 구하였다.

이들 성장 부 공정 및 성장 주 공정에 의해 얻어진 벌크상의 SiC 단결정(잉곳)은, 결정 단부면의 결정 중앙부가 편평하고, 결정 주연부가 곡면을 갖고, 잉곳 외형이 완만한 볼록 형상을 나타내고, 구경은 약 100㎜, 가장 높은 곳에서 결정 높이는 약 33㎜였다. 이 중, 각 공정에 대해 마찬가지의 조건에서 성장시킨 다른 제조예의 결과로부터 추측하면, 성장 부 공정에서 성장한 단결정의 두께(높이)는 3㎜이고, 성장 주 공정에서 성장한 단결정의 두께(높이)는 30㎜라고 생각된다. 또한, 얻어진 SiC 단결정에 대해, 결정 성장 방향의 단부면(결정 단부면)을 관찰하면, 결정 단부면의 결정 주연부에 흑갈색의 콘트라스트가 강한 영역이 확인되었다. 즉, 이 흑갈색의 영역이 패싯 {0001}면이며, 긴 직경이 약 15㎜, 짧은 직경이 약 10㎜인 대략 타원 형상으로 되어 있고, 이 긴 직경과 짧은 직경이 교차하는 패싯의 중심은, SiC 단결정의 결정 단부면의 외주로부터 결정 단부면을 따라 중심측으로 약 5㎜의 거리의 부분에 위치하고 있었다.

그리고, 상기에서 얻어진 SiC 단결정의 결정 단부면으로부터 SiC 종결정측으로 약 10㎜의 깊이의 위치로부터 (0001)면 기판을 잘라내고, 다이아몬드 폴리쉬에 의해 표면 조도 Ra＝1㎚ 정도까지 연마하고, 두께 400㎛, 직경 100㎜이며, (0001)면의 오프 방위가 <11-20> 방향이고, 또한 상기 (0001)면의 오프 각이 4도로 되도록 주면이 형성된 SiC 단결정 기판을 얻었다. 이 SiC 단결정 기판에 대해, 520℃의 용융 KOH에 기판의 전체면이 잠기도록 5분간 침지하여 용융 KOH 에칭을 행하고, 오프 각을 갖는 기판의 표면을 광학 현미경(배율: 80배)으로 관찰하여 나선 전위 밀도를 계측하였다. 여기서는, J. Takahashi et al., Journal of Crystal Growth, 135, (1994), 61-70에 기재되어 있는 방법에 따라서, 소형의 원형 피트를 관통 인상 전위, 중형·대형의 육각형 피트를 관통 나선 전위(나선 전위)로 하여, 에치 피트 형상에 의한 전위 결함을 분류하고, 전위 밀도를 구하였다.

여기서는, 도 8에 도시한 바와 같이, SiC 단결정 기판(13)의 패싯 {0001}면(13a)(이하, 단순히 패싯(13a)이라 함)으로부터 이격되도록, 패싯(13a)의 중심으로부터 오프 방위를 나타내는 벡터의 시점을 향해(즉, 패싯(13a)과는 반대측의 주연부를 향해), SiC 단결정 기판(13)의 직경상의 측정점에서 전위 밀도를 구하여, 전위의 분포를 조사하였다. 또한, 이 기판의 직경 방향인 (ⅰ)방향으로부터 시계 방향으로 45°의 각도로 패싯(13a)의 중심으로부터 반대측의 원주부를 향한 (ⅱ) 방향상의 측정점에 있어서의 전위 밀도와, (ⅰ)방향으로부터 시계 반대 방향으로 45°의 각도로 패싯(13a)의 중심으로부터 반대측의 원주부를 향한 (ⅲ)방향상의 측정점에 있어서의 전위 밀도도, 상기 (ⅰ)방향과 마찬가지의 방법으로 전위 밀도를 구하여, 전위의 분포를 조사하였다. 또한, 측정점은 도면 중에서 흑색 원으로서 나타낸 개소이며, (ⅰ)∼(ⅲ)방향 모두 패싯(13a)의 경계선(패싯으로부터의 거리＝0㎜)으로부터 10㎜ 간격으로 측정점을 마련하고, 각 측정점을 중심으로 하여 4㎜×3㎜의 영역 내의 에치 피트의 개수로부터, 각각의 측정점에 있어서의 전위 밀도를 구하였다.

결과는, 표 1에 정리한 바와 같으며, (ⅰ), (ⅱ), (ⅲ) 중 어느 방향에 있어서도, 패싯(13a)으로부터의 거리가 50㎜인 측정점에서는, 나선 전위 밀도가, 상기 패싯(13a)의 경계선에 있어서의 나선 전위 밀도의 1/2∼2/3 정도로 저하를 나타내며 감소하고 있다. 나선 전위 밀도가 이와 같이 급준하게 감소하고 있으므로, 패싯(13a)으로부터의 거리가 40㎜인 측정점과 50㎜인 측정점 사이의 영역은, 나선 전위 밀도의 분포 경계에 상당한다고 생각된다. 또한, 도 8에 도시한 바와 같이, 나선 전위 밀도의 분포 경계(14)를 사이에 두고 패싯(13a)과 반대측의 영역(13b)은 나선 전위가 매우 저감된 영역이라고 할 수 있다.

또한, 상기 SiC 단결정 기판(13)을 잘라내고 남은 SiC 단결정(12)을 사용하여, SiC 단결정(12)의 결정 단부면(12a)에 있어서의 패싯(13a)의 대략 중심을 포함하도록 하면서 (1-100)면 기판(15)을 잘라내고, 경면 연마한 후, X선 토포그래프에 의한 전위 결함 및 적층 결함의 관찰을 행하였다. 즉, 실시예 1에서 얻은 SiC 단결정(12)의 종단면을 X선 토포그래프로 관찰하였다.

먼저, X선 토포그래프의 회절면을 (0004)면으로 하여 X선 토포그래프 사진을 촬영한바, 도 9에 도시한 바와 같이, SiC 단결정(12)의 성장 방향에 대해 평행하게 신장되는 관통 전위 결함(16)이 패싯(13a)의 중심으로부터 50㎜ 초과의 영역에 있어서, 성장 방향에 대해 대략 수직 방향으로 신전하는 결함(17)으로 변환되어 있는 상태가 관찰되었다. 또한, 별도로 행한 고분해능 X선 토포그래프 관찰로부터, 성장 방향에 대해 평행하게 신장되는 결함은 버거스 벡터가 <0001> 성분을 포함하는 관통 나선 전위이고, 성장 방향에 대해 대략 수직 방향으로 신전하는 결함은 프랭크형 적층 결함인 것을 알 수 있었다. 즉, 패싯(13a)의 중심으로부터 50㎜ 초과 이격된 영역에 있어서, 관통 복합 전위는 적층 결함으로 구조 변환됨으로써, 관통 복합 전위가 저감화되어 있는 것을 알 수 있었다.

(실시예 2)

성장 부 공정에서의 결정 중의 질소 농도가 약 1×10²⁰㎝^-3으로 되도록 함과 함께, 성장 주 공정에서의 결정 중의 질소 농도가 약 1×10¹⁹㎝^-3으로 되도록 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 2에 관한 벌크상의 SiC 단결정(잉곳)을 얻었다.

그리고, 상기에서 얻어진 SiC 단결정의 결정 단부면으로부터 SiC 종결정측으로 약 10㎜의 깊이의 위치로부터 (0001)면 기판을 잘라내고, 다이아몬드 폴리쉬에 의해 표면 조도 Ra＝1㎚ 정도까지 연마하여, 두께 400㎛, 직경 100㎜이며, (0001)면의 오프 방위가 <11-20> 방향이고, 또한 상기 (0001)면의 오프 각이 4도가 되도록 주면이 형성된 SiC 단결정 기판을 얻었다. 이 SiC 단결정 기판에 대해, 실시예 1과 동일한 방법으로 나선 전위 밀도를 계측하였다.

결과는 표 1에 정리한 바와 같다. (ⅰ), (ⅱ), (ⅲ) 중 어느 방향에 있어서도, 패싯(13a)으로부터의 거리가 50㎜인 측정점에 있어서, 나선 전위 밀도가 1/3 정도로 저하를 나타내며 감소하고 있다. 나선 전위 밀도의 이러한 저하로부터, 패싯(13a)으로부터의 거리가 40㎜인 측정점과 50㎜인 측정점의 사이가, 나선 전위 밀도의 분포 경계에 해당된다고 생각된다.

(비교예 1)

성장 부 공정에서의 결정 중의 질소 농도가 약 5×10¹⁸㎝^-3으로 되도록 함과 함께, 성장 주 공정에서의 결정 중의 질소 농도가 약 1×10¹⁹㎝^-3으로 되도록 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 비교예 1에 관한 벌크상의 SiC 단결정(잉곳)을 얻었다.

얻어진 벌크상의 SiC 단결정(잉곳)의 형상이나 높이는 실시예 1 및 2의 경우와 거의 동일하며, 성장 부 공정이나 성장 주 공정에서 성장한 각각의 단결정의 두께(높이)도 마찬가지라고 생각된다. 또한, 얻어진 SiC 단결정의 결정 단부면에 있어서의 패싯 {0001}면에 대해서도, 사이즈나 그 위치 모두 실시예 1 및 2의 경우와 마찬가지였다.

그리고, 상기에서 얻어진 SiC 단결정의 결정 단부면으로부터 SiC 종결정측으로 약 10㎜의 깊이의 위치로부터 (0001)면 기판을 잘라내고, 다이아몬드 폴리쉬에 의해 표면 조도 Ra＝1㎚ 정도까지 연마하여, 두께 400㎛, 직경 100㎜이며, (0001)면의 오프 방위가 <11-20> 방향이고, 또한 상기 (0001)면의 오프 각이 4도로 되도록 SiC 단결정 기판을 얻었다. 이 SiC 단결정 기판에 대해, 실시예 1과 동일한 방법으로 나선 전위 밀도를 계측하였다.

결과는 표 1에 정리한 바와 같다. (ⅰ), (ⅱ), (ⅲ) 중 어느 방향에 있어서도, 나선 전위 밀도가 감소를 나타내는 영역은 확인되지 않아, 나선 전위 밀도가 저하를 나타내며 감소하는 것과 같은 규칙성을 발견할 수는 없었다.

또한, 실시예 1과 마찬가지로, 상기 SiC 단결정 기판(13)을 잘라내고 남은 SiC 단결정(12)을 사용하여, SiC 단결정(12)의 결정 단부면(12a)에 있어서의 패싯(13a)의 대략 중심을 포함하도록 하면서 (1-100)면 기판(15)을 잘라내고, 경면 연마한 후, X선 토포그래프에 의한 전위 결함 및 적층 결함의 관찰을 행하고, X선 토포그래프의 회절면을 (0004)면으로 하여 X선 토포그래프 사진을 촬영하였다. 상기 X선 토포그래프 사진으로부터, 관통 나선 전위는 성장 방향에 대해 평행하게 신전하는 상태가 관찰되고, 적층 결함으로의 변환은 거의 관찰되지 않았다.

(비교예 2)

도가니 덮개체(4)의 내면에 설치한 SiC 단결정과 동심원 형상으로 되도록, 구경 20㎜의 방열 구멍을 형성하고, 또한 성장 부 공정에서의 결정 중의 질소 농도가 약 1×10²⁰㎝^-3으로 되도록 함과 함께, 성장 주 공정에서의 결정 중의 질소 농도가 약 1×10¹⁹㎝^-3으로 되도록 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 비교예 2에 관한 벌크상의 SiC 단결정(잉곳)을 얻었다.

이들 성장 부 공정 및 성장 주 공정에 의해 얻어진 벌크상의 SiC 단결정(잉곳)은, 결정 중앙부로부터 결정 주연부에 걸쳐 곡면을 갖고, 잉곳 외형이 완만한 볼록 형상을 나타내고 있었다. 얻어진 벌크상의 SiC 단결정(잉곳)의 형상이나 높이는 실시예 1의 경우와 거의 동일하고, 성장 부 공정이나 성장 주 공정에서 성장한 각각의 단결정의 두께(높이)도 마찬가지라고 생각된다. 또한, 얻어진 SiC 단결정에 대해, 결정 성장 방향의 단부면(결정 단부면)을 관찰하면, 결정 단부면의 결정 주연부에 흑갈색의 콘트라스트가 강한 영역이 확인되었다. 즉, 이 흑갈색의 영역이 패싯 {0001}면이며, 긴 직경이 약 15㎜, 짧은 직경이 약 10㎜인 대략 타원 형상으로 되어 있고, 이 긴 직경과 짧은 직경이 교차하는 패싯의 중심은, SiC 단결정의 결정 단부면의 외주로부터 결정 단부면을 따라 중심측으로 약 45㎜의 거리의 결정 단부면의 대략 중앙에 위치하고 있었다.

그리고, 상기에서 얻어진 SiC 단결정의 결정 단부면으로부터 SiC 종결정측으로 약 10㎜의 깊이의 위치로부터 (0001)면 기판을 잘라내고, 다이아몬드 폴리쉬에 의해 표면 조도 Ra＝1㎚ 정도까지 연마하여, 두께 400㎛, 직경 100㎜이며, (0001)면의 오프 방위가 <11-20> 방향이고, 또한 상기 (0001)면의 오프 각이 4도로 되도록 주면이 형성된 SiC 단결정 기판을 얻었다. 이 SiC 단결정 기판에 대해, 실시예 1과 동일한 방법으로 나선 전위 밀도를 계측하였다.

결과는 표 1에 정리한 바와 같다. (ⅰ), (ⅱ), (ⅲ) 중 어느 방향에 있어서, 나선 전위 밀도가 감소를 나타내는 영역은 확인되지 않아, 나선 전위 밀도가 저하를 나타내며 감소하는 것과 같은 규칙성을 발견할 수는 없었다.

1 : SiC 종결정
2 : SiC 원료
3 : 도가니 용기 본체
4 : 도가니 덮개체
5 : 이중 석영관
6 : 흑연 지지봉
7 : 흑연제 펠트(단열재)
8 : 워크 코일
9 : 배관
10 : 매스 플로우 컨트롤러
11 : 진공 배기 장치
12 : SiC 단결정
12a : 결정 단부면
13 : SiC 단결정 기판
13a : 패싯 {0001}면
13b : 나선 전위 저감 영역
14 : 나선 전위 밀도의 분포 경계
15 : (1-100)면 기판
18 : 방열 구멍

Claims

도가니 용기 본체와 도가니 덮개체를 가진 도가니의 도가니 덮개체에 탄화규소로 이루어지는 종결정을 배치하고, 도가니 용기 본체에 탄화규소 원료를 배치하여, 탄화규소 원료를 승화시켜 종결정 상에 벌크상의 탄화규소 단결정을 성장시키는 탄화규소 단결정의 제조 방법이며,
상기 종결정이 {0001}면으로부터 오프 방위로 오프 각을 갖고 있고,
상기 벌크상의 탄화규소 단결정이 성장한 결정 단부면의 결정 주연부에 패싯 {0001}면을 형성함과 함께, 얻어지는 SiC 단결정의 50％ 초과의 두께를 얻는 결정 성장을 행하는 성장 주 공정에 앞서, 상기 성장 주 공정보다 질소 농도를 높여, 성장 분위기 압력이 3.9㎪ 이상 39.9㎪ 이하, 종결정의 온도가 2100℃ 이상 2300℃ 미만에서 결정 성장시키는 성장 부 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제1항에 있어서,
성장 부 공정에서의 결정 성장 속도가 0.1㎜/h 이하인 것을 특징으로 하는, 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
성장 부 공정에서의 결정 중의 질소 농도가 2×10¹⁹㎝^-3 이상 1×10²⁰㎝^-3 이하인 것을 특징으로 하는, 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
성장 주 공정은, 결정 중에서의 질소 농도가 1×10¹⁸㎝^-3 이상 1×10²⁰㎝^-3 이하, 성장 분위기 압력이 0.13㎪ 이상 2.6㎪ 이하, 종결정의 온도가 성장 부 공정보다 높고 2400℃ 미만인 것을 특징으로 하는, 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
벌크상의 탄화규소 단결정이 성장해 가는 과정에서의 성장 표면이, 성장 주연부에서는 곡면을 갖고, 성장 중앙부에서는 성장 주연부에 비해 평탄해지도록 상기 벌크상의 탄화규소 단결정을 상기 종결정의 주면 상에 형성함으로써, 상기 패싯 {0001}면을 형성하는 것을 특징으로 하는, 탄화규소 단결정의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 성장 부 공정에 있어서, 상기 벌크상의 탄화규소 단결정의 두께가 1㎜ 이상 증가할 때까지 상기 벌크상의 탄화규소 단결정을 성장시킴으로써, 성장 부 공정에 있어서 탄화규소 단결정 중의 나선 전위의 일부가 적층 결함으로 구조 변환되고, 탄화규소 단결정의 결정 단부면에 있어서의 패싯 {0001}면으로부터 이격된 영역에서의 나선 전위 밀도가 감소하는, 탄화규소 단결정의 제조 방법.
{0001}면으로부터 오프 방위로 오프 각을 갖는 탄화규소 단결정 기판이며,
오프 방위를 나타내는 벡터의 종점측에 있어서 기판 표면의 기판 주연부에 패싯 {0001}면을 갖고,
상기 패싯 {0001}면으로부터 상기 오프 방위를 나타내는 벡터의 시점 방향으로의 기판 직경을 따른 나선 전위 밀도의 분포에 있어서, 나선 전위 밀도의 감소율이 급격하게 커지는 나선 전위 밀도의 분포 경계가 존재하는 것을 특징으로 하는, 탄화규소 단결정 기판.
제7항에 있어서,
상기 기판 직경에 대해 +45°의 각도를 갖는 직선을 따른 나선 전위 밀도의 분포와, 상기 기판 직경에 대해 -45°의 각도를 갖는 직선을 따른 나선 전위 밀도의 분포에는, 모두 나선 전위 밀도가 급준하게 저하되는 나선 전위 밀도의 분포 경계가 존재하는 것을 특징으로 하는, 탄화규소 단결정 기판.