(57)【要約】【課題】  六方晶単結晶上を土台として新たに六方晶単結晶層を形成するに際し、六方晶単結晶中に含まれる貫通転位をｃ軸方向から基底面側に屈折させ、該貫通転位を結晶の外部に排出することができる六方晶単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】  六方晶単結晶の成長工程において、結晶成長を行う際の土台となる六方晶単結晶に、結晶成長主面となる基底面｛０００１｝に対して第１方向［１１−２０］にオフ角を設定し、第１方向［１１−２０］に平行な基準線ＡＡ′から、第１方向［１１−２０］と直交する両側の第２方向［−１１００］、［１−１００］に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておくことで、前記六方晶単結晶に含まれているｃ軸方向に貫通する転位を、結晶成長時にｃ軸方向から前記基底面側に４０°以上傾いた欠陥に変換させ、かつ第１方向［１１−２０］の反対方向［−１−１２０］と第２方向［−１１００］、［１−１００］の間の方向に欠陥の伝播方向を制御して、結晶の外部に欠陥を排出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶単結晶の成長工程において、
結晶成長を行う際の土台となる六方晶単結晶に、結晶成長主面となる基底面に対して第１方向にオフ角を設定し、
前記第１方向に沿った単一の基準線から、前記第１方向と直交する両側の第２方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておくことで、
前記六方晶単結晶に含まれているｃ軸方向に貫通する転位を、結晶成長時にｃ軸方向から前記基底面側に４０°以上傾いた欠陥に変換させ、かつ前記第１の方向の反対方向と第２方向の間の方向に欠陥の伝播方向を制御して、結晶の外部に欠陥を排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
結晶成長主面が、前記基底面より１０°以下の前記オフ角を有しており、前記両側の第２方向から前記第１方向の反対方向に向かって４５°以内の方向に、貫通転位を屈折させて伝播させることで、前記転位を結晶の外部に排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向に沿った中心線から、前記第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を前記基底面面から４５°以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、前記第２方向を前記第１方向に直交する＜１−１００＞方向および＜−１１００＞方向から±１０度以内とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第２方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、前記第１方向に沿った前記中心線を前記土台となる六方晶単結晶の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
第１方向に沿った中心線から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段高さを２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔を１０μｍ以上１０ｍｍ以内、階段数を５以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項７】
六方晶単結晶の成長工程において、
結晶成長を行う際の土台となる六方晶単結晶に、結晶成長主面となる基底面に対して第１方向にオフ角を設定し、
前記第１方向に沿った複数の基準線から、前記第１方向と直交する両側の第２方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておくことで、
前記六方晶単結晶に含まれているｃ軸方向に貫通する転位を、結晶成長時にｃ軸方向から前記基底面側に４０°以上傾いた欠陥に変換させ、かつ前記第１方向の反対方向と前記第２方向の間の方向に欠陥の伝播方向を制御して、結晶の外部に欠陥を排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
結晶成長主面が、前記基底面より１０°以下の前記オフ角を有し、前記両側の第２方向から前記第１方向の反対方向に向かって４５°以内の方向に、貫通転位を屈折させて伝播させることで、結晶の外部もしくは隣り合う前記第１方向に沿う２つの基準線の中間線付近に排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
第１方向に沿った中心線から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を基底面から４５°以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜請求項９のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、前記第２方向を第１方向に直交する＜１−１００＞方向、＜−１１００＞から±１０度以内とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１１】
請求項７〜請求項１０のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向に沿った複数の基準線から、前記第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、隣り合う２つの前記平行な基準線の中間線のうちの一つを、単結晶の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１２】
請求項７〜請求項１１のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向に沿った複数の基準線から、前記第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段高さを２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔を１０μｍ以上１０ｍｍ以内、階段数を５以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１３】
六方晶単結晶の成長工程において、
結晶成長を行う際の土台となる六方晶単結晶に、結晶成長主面となる基底面に対して第１方向にオフ角を設定し、
前記第１方向と直交する単一もしくは複数の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておくことで、元の六方晶単結晶に含まれているｃ軸方向に貫通する転位を、結晶成長時にｃ軸方向から前記基底面側に４０°以上傾いた欠陥に変換させ、かつ前記第１方向と第１方向の反対方向に欠陥の伝播方向を制御して、結晶の外部ならびに隣り合う前記基準線の中間付近に欠陥を排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
結晶成長主面が、前記基底面より１０°以下のオフ角を有し、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって±４５°以内の方向に、貫通転位を屈折させて伝播させることで、結晶の外部もしくは隣り合う２つの前記基準線の中間線付近に排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向と直交する単一もしくは複数の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を前記基底面から４５°以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１６】
請求項１３または請求項１４に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、もしくは＜１−１００＞方向から±１０度以内とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１７】
請求項１３〜請求項１６のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、  前記第１方向と直交する単一の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、基準線を、単結晶の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１８】
請求項１３〜請求項１６のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向と直交する複数の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、隣り合う２つの基準線の中間線のうちの一つを、単結晶の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項１９】
請求項１３〜請求項１８のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向と直交する単一もしくは複数の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段高さを２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔を１０μｍ以上１０ｍｍ以内、階段数を５以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２０】
六方晶単結晶の成長工程において、
結晶成長を行う際の土台となる六方晶単結晶に、結晶成長主面となる基底面に対して第１方向にオフ角を設定し、
前記第１方向の反対方向から３０°±１５°の角度を有する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておくことで、元の六方晶単結晶に含まれているｃ軸方向に貫通する転位を、結晶成長時にｃ軸方向から基底面側に４０°以上傾いた欠陥に変換させ、かつ第１方向の反対方向と第２方向の間の方向に、欠陥の伝播方向を制御して、結晶の外部に欠陥を排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
結晶成長主面が、前記基底面より１０°以下のオフ角を有し、前記第１方向に向かって±４５°以内の方向に貫通転位を屈折させて、結晶の外部に排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２２】
請求項２０または請求項２１に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向と反対方向から３０°±１５°の角度を有する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を前記基底面から４５°以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２３】
請求項２０または請求項２１に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、もしくは＜１−１００＞方向から±１０度以内とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２４】
請求項２０〜請求項２３のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向の反対方向から３０°±１５°の角度を有する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、結晶厚みが最大となる領域を、単結晶の端部から１０ｍｍ以内の範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２５】
請求項２０〜請求項２４のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向の反対方向から３０°±１５°の角度を有する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段高さを２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔を１０μｍ以上１０ｍｍ以内、階段数を５以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２６】
請求項１〜請求項２５のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
化学気相堆積法、昇華法、溶液成長法により結晶成長を行うことを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２７】
請求項１〜請求項２６のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、結晶成長温度が１４００〜２５００℃であることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項２８】
請求項１〜請求項２７のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法により作製した六方晶単結晶層を用いることで、もしくはこの六方晶単結晶層をスライスすることで、六方晶単結晶ウエハを作製することを特徴とする六方晶単結晶ウエハの製造方法。
【請求項２９】
請求項１〜請求項２７のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法により作製した六方晶単結晶層を用いることで、もしくはこの六方晶単結晶層をスライスすることで、六方晶単結晶ウエハを作製し、
さらに前記六方晶単結晶ウエハに対して、請求項１〜請求項２７のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法を再度適用することで、より貫通転位密度の小さい六方晶単結晶層を製造し、該六方晶結晶層を用いて、
もしくは前記六方晶単結晶層をスライスして六方晶単結晶ウエハを作製することを特徴とする六方晶単結晶ウエハの製造方法。
【請求項３０】
請求項１〜請求項２１のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法により作製した六方晶単結晶層を用いることで、もしくはこの六方晶単結晶層をスライスすることで、六方晶単結晶ウエハを作製し、
さらに前記六方晶単結晶ウエハに対して、基準線を５°以上１５°以内、もしくは６０°±１０°ずらして、請求項１〜請求項２１のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法を再度適用することで、より貫通転位密度の小さい六方晶単結晶層を製造し、該六方晶単結晶層を用いて、
もしくは前記六方晶単結晶層をスライスして六方晶単結晶ウエハを作製することを特徴とする六方晶単結晶ウエハの製造方法。
【請求項３１】
請求項２８〜請求項３０のいずれか一つに記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、しかも結晶成長を行う際の土台となる元の六方晶単結晶で作製された六方晶単結晶ウエハよりも貫通転位密度の小さい六方晶単結晶層を有し、該六方晶単結晶層をスライスすることにより得ることを特徴とする六方晶単結晶ウエハ。
【請求項３２】
請求項２８または請求項２９に記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、
オフ角を設定した第１方向に沿った単一の基準線から前記第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向に沿った複数の基準線ならびに隣り合う２つの前記第１方向に沿った基準線の中間線から前記第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向に直交する単一の基準線から前記第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向と直交する複数の基準線ならびに隣り合う２つの基準線の中間線から前記第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
もしくは、一方のウエハ端部から１０ｍｍ以内の領域に、
六方晶単結晶ウエハに含まれる貫通転位の総数の５０％以上が含まれることを特徴とする六方晶単結晶ウエハ。
【請求項３３】
請求項２８または請求項２９に記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、
オフ角を設定した第１方向に沿った単一の基準線から前記第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向に沿った複数の基準線ならびに隣り合う２つの前記基準線の中間線から前記第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向に直交する単一の基準線から前記第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向と直交する複数の基準線ならびに隣り合う２つの基準線の中間線から前記第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
もしくは、一方のウエハ端部から１０ｍｍ以内の領域に、
六方晶単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位の総数の５０％以上が含まれることを特徴とする六方晶単結晶ウエハ。
【請求項３４】
請求項３０に記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、
第一回目の結晶成長時に設定した単一の基準線と第二回目の結晶成長時に設定した他の単一の基準線とが交差する点から直径１ｃｍ２以内の領域、
第一回目の結晶成長時に設定した複数の基準線ならびに隣り合う前記２つの基準線の中間線と、第二回目の結晶成長時に設定した他の複数の基準線ならびに隣り合う前記２つの基準線の中間線とが交差する複数の点からそれぞれ直径１ｃｍ２以内の領域に、
六方晶単結晶ウエハに含まれる貫通転位の総数の５０％以上が含まれることを特徴とする六方晶単結晶ウエハ。
【請求項３５】
請求項３０に記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、
第一回目の結晶成長時に設定した単一の基準線と第二回目の結晶成長時に設定した他の一つの中心線とが交差する点から直径１ｃｍ２以内の領域、
第一回目の結晶成長時に設定した複数の基準線ならびに隣り合う前記２つの基準線の中間線と、第二回目の結晶成長時に設定した他の複数の基準線ならびに隣り合う前記２つの基準線の中間線とが交差する複数の点からそれぞれ直径１ｃｍ２以内の領域に、
六方晶単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位の総数の５０％以上が含まれることを特徴とする六方晶単結晶ウエハ。
【請求項３６】
請求項２８〜請求項３０のいずれか一つに記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により得られたことを特徴とする六方晶単結晶素子。
【請求項３７】
請求項１〜請求項２７のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
六方晶単結晶は、炭化珪素単結晶であることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法。
【請求項３８】
請求項２８〜請求項３０のいずれか一つに記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法において、
六方晶単結晶ウエハは、炭化珪素単結晶ウエハであることを特徴とする六方晶単結晶素子ウエハの製造方法。
【請求項３９】
請求項３１〜請求項３５のいずれか一つに記載する六方晶単結晶ウエハにおいて、
六方晶単結晶ウエハは、炭化珪素単結晶ウエハであることを特徴とする六方晶単結晶ウエハ。
【請求項４０】
請求項３６に記載する六方晶単結晶素子において、
六方晶単結晶素子は、炭化珪素単結晶素子であることを特徴とする六方晶単結晶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、六方晶単結晶の製造方法、六方晶単結晶ウエハの製造方法、六方晶単結晶ウエハ、六方晶単結晶素子に関し、結晶欠陥の伝播方向の転換を利用しつつ、その結晶欠陥を結晶の外部に排出して大口径の基板、特に炭化珪素単結晶基板を得る場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、Ｓｉと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているＳｉ単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。
【０００３】
現在、市販化されている炭化珪素単結晶を製造する方法にはいくつかの方法があるが、主として昇華法を用いられる場合が多い。
【０００４】
昇華法では通常、坩堝内に原料の炭化珪素粉末を入れると共に、坩堝の内側上面に炭化珪素粉末と対面する形で炭化珪素種結晶を設置する。このとき、坩堝を２２００℃〜２４００℃程度まで加熱することで、炭化珪素粉末を昇華させる。昇華した炭化珪素粉末は、対面する炭化珪素種結晶上で再結晶化され、種結晶上に新たな炭化珪素単結晶が成長される。
【０００５】
炭化珪素単結晶を製造する方法としては、ほかに、原料としてＳｉＨ４等のＳｉを含んだガスと、Ｃ３Ｈ８またはＣ２Ｈ２等のＣを含んだガスとを用いて、昇華法と同様に種結晶上に新たな炭化珪素単結晶を得るいわゆるＨＴＣＶＤ法（高温化学気相堆積法）と呼ばれる製造方法も報告されている。また、液体のＳｉにＣを含ませた溶液を原料として、種結晶上に新たな炭化珪素単結晶を得るいわゆる溶液成長法と呼ばれる製造方法も報告されている。
【０００６】
上記のような方法によって、炭化珪素単結晶が円柱形のバルク状の単結晶として得られた後に、これを通常３００μｍ〜５００μｍ程度の厚さにスライスすることにより、炭化珪素単結晶基板が製造される。この炭化珪素単結晶基板を用いて半導体素子を製造する場合には、その半導体素子の耐電圧等の要求仕様に基づいた所要の膜厚及びキャリヤ濃度を有する単結晶層を、基板表面からエピタキシャル成長させることにより製造する場合が多い。
【０００７】
炭化珪素単結晶基板は、以上のような方法で製造されているが、通常の圧力では液相を持たず、また、昇華温度が極めて高いこと等から、転位や積層欠陥等の結晶欠陥を含まないような高品質の結晶成長を行うことが困難である。このため、炭化珪素単結晶については、Ｓｉ単結晶成長で商用化されているような、転位を有さずかつ大きな口径を有する単結晶の製造技術が実現されていない。
【０００８】
現在市販されている炭化珪素単結晶基板には、１０２ｃｍ−２〜１０３ｃｍ−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通らせん転位、１０２ｃｍ−２〜１０４ｃｍ−２程度のｃ軸方向に伝播する貫通刃状転位、１０２ｃｍ−２〜１０４ｃｍ−２程度のｃ軸と垂直方向に伝播する転位（基底面転位）が存在している。貫通らせん転位と貫通刃状転位は、総称して貫通転位とも呼ばれる。これらの転位密度は、その基板の品質によって大きく異なる。
【０００９】
また、炭化珪素単結晶基板に内在しているこれらの転位は、基板上にエピタキシャル膜を成長させる際に、このエピタキシャル膜中に伝播する。このとき、一部の転位は、エピタキシャル膜中に伝播する際にその伸張方向（伝播方向）を変える場合もあることが知られている。一方、基板上にエピタキシャル膜を成長させる際に、新たな転位ル−プや積層欠陥（８Ｈ型、３Ｃ型等）が生成することも知られている。
【００１０】
したがって、エピタキシャル膜中には、基板より伝播した転位や積層欠陥に加えて、エピタキシャル成長時に導入された転位や積層欠陥が含まれていることになる。これらの転位や積層欠陥は、そのエピタキシャル膜を用いて形成した半導体素子の耐電圧や信頼性を低下させる。
【００１１】
最近では、基板中の転位密度やエピタキシャル成長時の転位発生密度を低減させる技術開発が進められている。炭化珪素単結晶成長において、これまでに貫通らせん転位を低減するための手法が複数報告されている（特許文献１から特許文献５、非特許文献１から非特許文献４）。
【００１２】
特許文献１においては、基底面｛０００１｝と直交するプリズム面を結晶成長面とし、結晶成長方向と貫通転位の伝播方向をほぼ直角にすることで、炭化珪素結晶成長領域の貫通転位密度を低減する方法が示されている。
【００１３】
特許文献２においては、基底面｛０００１｝と直交する｛１１−２０｝面と｛１−１００｝面を結晶成長面とした炭化珪素結晶成長工程を交互に繰り返し、単結晶中の貫通転位の密度を低減させ、得られた単結晶を切り出して基底面｛０００１｝を結晶成長面とした結晶成長を行い、貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶を得る手法が示されている。
【００１４】
非特許文献１においては、結晶成長面を基底面｛０００１｝より５４．７４°傾いた（０３−３８）面を結晶成長面とした炭化珪素結晶成長を行うことで、貫通転位の低減が可能なことが示されている。また、非特許文献１においては、（０３−３８）面を結晶成長面とした４Ｈ−ＳｉＣ（０３−３８）基板上への気相エピタキシャル成長において、基板中に含まれる貫通転位が、エピタキシャル成長時に基底面内の欠陥に転換され、貫通転位密度が低減されることが報告されている。
【００１５】
非特許文献２においては、炭化珪素単結晶基板を種結晶とし、基底面｛０００１｝を結晶成長面とする４Ｈ−ＳｉＣ昇華法結晶成長において、結晶成長方向がｃ軸より傾斜した領域において、貫通転位が基底面内の欠陥に転換し、結果としてその領域における貫通転位密度が低減されることが報告されている。
【００１６】
これらの報告は、炭化珪素結晶成長において、結晶成長面を基底面｛０００１｝より大きく傾斜された（例えば、５０°以上）場合には、基板内あるいは種結晶内の貫通転位の低減が可能なことを示している。
【００１７】
これに対して、非特許文献３、非特許文献４においては、基底面｛０００１｝から０〜８°のオフ角（基底面を傾けた角度）を有する結晶成長面に対する炭化珪素エピタキシャル成長においては、基板内の貫通転位がエピタキシャル膜中にそのまま伝播することが報告されている。
【００１８】
一方、基板あるいは種結晶中に存在する基底面｛０００１｝内の拡張欠陥が表面に現れる密度は、幾何学的に、基底面｛０００１｝よりのオフ角が小さくなるにつれて小さくなる。このため、基板あるいは種結晶中に存在する基底面｛０００１｝内の拡張欠陥の密度を低減するためには、オフ角をなるべく小さくすることが有利である。
【００１９】
上記のことから、基板あるいは種結晶中に存在する貫通転位を低減するためには基底面｛０００１｝よりのオフ角が大きな結晶成長面に対して炭化珪素結晶成長を行うことが必要であるのに対して、基板あるいは種結晶中に存在する基底面内拡張欠陥を低減するためには基底面｛０００１｝よりのオフ角が小さな結晶成長面に対して炭化珪素結晶成長を行うことが必要であり、その両立を実現することが課題となっていった。
【００２０】
一方、基板上への炭化珪素気相エピタキシャル成長において、基板に対してあらかじめ凹凸形状を付加することで、結晶欠陥の低減を図ることも報告されている。特許文献３においては、炭化珪素単結晶基板の表面に対して、オフカット方向（オフ角を設定して基底面を傾ける方向）と直角もしくは非平行に方向付けられた側壁を有するストライプ状の凹凸形状を設けることによって、基板内の基底面転位を他種の欠陥に転換する割合を増大できることが報告されている。
【００２１】
特許文献４においては、炭化珪素単結晶基板の表面に対して、基底面｛０００１｝よりの傾斜方向と平行方向のストライプ状の凹凸形状を有する基板表面への結晶成長と、直角に方向付けられたストライプ状の凹凸を有する基板表面への結晶成長を交互に行うことで、基板内の結晶欠陥密度を低減することが示されている。
【００２２】
更に、特許文献５においては、基底面｛０００１｝からオフ角を有する基板表面上へのエピタキシャル成長を行い、その後に基底面｛０００１｝からの傾斜方向にほぼ平行のストライプ状の凹凸形状を設け、第二のエピタキシャル成長を行うことで、基板内の欠陥密度を低減することが報告されている。
【００２３】
しかしながら、特許文献３から特許文献５の方法においては、基板に設けられたストライプ状の凹凸形状の側壁に対し垂直な方向の成長により、ある種の結晶欠陥が他種の結晶欠陥に転換できる、もしくは、ある種の結晶欠陥の密度が小さい領域を確保することができるものの、結晶全体での結晶欠陥の伝播方向の制御に至らず、欠陥密度を低減する効果は低い。このため、結晶欠陥の転換を利用しつつ、その結晶欠陥を結晶の外部に排出するための技術が望まれている。
【００２４】
一方、非特許文献５においては、ＳｉＣ結晶成長において、基板中に含まれる貫通転位が、ステップ高さの大きなマクロステップによって基底面側に屈折することが示されている。
【００２５】
しかしながら、非特許文献５に示されるように、ステップ高さの大きなマクロステップによって基底面欠陥に一旦転換されたとしても、対向するステップの存在によって貫通転位に再度転換されてしまうため、結晶欠陥の伝播方向の制御に至らず、欠陥密度を低減する効果は低い。このため、ステップ高さの大きなマクロステップによる結晶欠陥の伝播方向の転換を利用しつつ、その結晶欠陥を結晶の外部に排出するための技術が望まれている。
【００２６】
これに対して、特許文献６の方法では、貫通転位を、基底面｛０００１｝に沿った第１方向の欠陥に変換させ、第１方向に交差し、かつ基底面｛０００１｝に沿った第２方向に欠陥の伝播方向を制御することで、単結晶基板中に含まれる貫通転位を基底面内欠陥に構造転換させて結晶外部に排出することで、基板内の欠陥密度を低減することが報告されている。
【００２７】
しかしながら、特許文献６の方法においては、基板の直径が大きくなるにつれて、基板に設けられたストライプ状の凹凸形状の側壁の第２方向からの傾斜角を十分に確保することができなくなり、結果的に大口径基板に対して基底面欠陥を第２方向に制御することが難しくなる。このため、大口径基板に対しても、結晶欠陥の伝播方向の転換を利用しつつ、その結晶欠陥を結晶の外部に確実に排出するための技術が望まれている。
【００２８】
一方、非特許文献６，７においては、溶液成長法やＭＳＥ法によるＳｉＣ結晶成長において、基板中に含まれる貫通転位が、高い確率でステップフロー方向に向かう基底面内欠陥に転換されることが報告されている。
【００２９】
しかしながら、ＭＳＥ法、溶液成長法において直径４インチ以上の大口径結晶成長を高品質に行うとこは現状では難しく、さらに溶液成長法やＭＳＥ法における貫通転位の基底面内欠陥への転換は（０００１）Ｓｉ面に限定されており、インゴット成長を行う際に使用する（０００−１）Ｃ面では、溶液法やＭＳＥ法においても貫通転位の基底面内欠陥への転換が起きづらいことが判明している。このため、直径４インチ以上の大口径結晶成長が可能な昇華法や高温ガス法でも適用が可能で、かつ（０００−１）Ｃ面に対する結晶成長においても基板中に含まれる貫通転位を高い確率で基底面側に屈折でき、その結晶欠陥を結晶の外部に排出するための技術が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特開平５−２６２５９９号公報
【特許文献２】特開２００６−１８３６号公報
【特許文献３】特表２００７−５２９９００号公報
【特許文献４】特開２００５−３５０２７８号公報
【特許文献５】特開２００８−９４７００号公報
【特許文献６】特開２０１１−２５１８６８号公報
【非特許文献】
【００３１】
【非特許文献１】マテリアルサイエンスフォーラム(Materials Science Forum)Vols.433−436 2003年 197頁〜200頁
【非特許文献２】マテリアルサイエンスフォーラム(Materials Science Forum)Vols.57−460 2004年 99頁〜102頁
【非特許文献３】ジャーナルオブクリスタルグロース(Journal of Crystal Growth)Vols.260 2004年 209頁〜216頁
【非特許文献４】ジャーナルオブクリスタルグロース(Journal of Crystal Growth)Vols.269 2004年 367頁〜376頁
【非特許文献５】マテリアルサイエンスフォーラム（Materials Science Forum) Vols.717−720 2012年 327頁〜330頁
【非特許文献６】マテリアルサイエンスフォーラム(Materials Science Forum) Vols.717−720 2012年 351頁〜354頁
【非特許文献７】マテリアルサイエンスフォーラム(Materials Science Forum) Vols.7252012年 31頁〜34頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、炭化珪素等の六方晶単結晶基板もしくはエピタキシャル膜付六方晶単結晶基板からなる六方晶単結晶上を土台として新たに六方晶単結晶層を形成するに際し、六方晶単結晶中に含まれる貫通転位を基底面側に屈折させ、該貫通転位を結晶の外部に排出することができる六方晶単結晶の製造方法、六方晶単結晶ウエハの製造方法、六方晶単結晶ウエハ、六方晶単結晶素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
六方晶単結晶の成長工程において、
結晶成長を行う際の土台となる六方晶単結晶に、結晶成長主面となる基底面に対して第１方向にオフ角を設定し、
前記第１方向に沿った単一の基準線から、前記第１方向と直交する両側の第２方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておくことで、
前記六方晶単結晶に含まれているｃ軸方向に貫通する転位を、結晶成長時にｃ軸方向から前記基底面側に４０°以上傾いた欠陥に変換させ、かつ前記第１方向の反対方向と第２方向の間の方向に欠陥の伝播方向を制御して、結晶の外部に欠陥を排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００３４】
本態様によれば、第１方向と直交する両側の第２方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しているので、元の六方晶単結晶に新たな六方晶単結晶層を形成する工程において、元の単結晶中に含まれる貫通転位を基底面側に屈折させて、前記基底面内欠陥を結晶の外部に排出させることができる。
【００３５】
本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
結晶成長主面が、前記基底面より１０°以下の前記オフ角を有しており、前記両側の第２方向から前記第１方向の反対方向に向かって４５°以内の方向に、貫通転位を屈折させて伝播させることで、前記転位を結晶の外部に排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００３６】
本態様によれば、オフ角の適正化をはかることができる。この結果、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。ちなみに、オフ角が大きくなるほど転位を排出するのに必要な結晶厚が増加する一方、オフ角が小さくなるほど新たな結晶欠陥の生成頻度が高まる。
【００３７】
本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向に沿った中心線から、前記第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を前記基底面面から５５°以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００３８】
本形態によれば、階段の角度の適正化をはかることができる。ちなみに、本形態の場合の断面形状においては、階段の角度が基底面と（０３−３８）面とがなす角度に相当する５４.７°に満たない場合、段差ステップが貫通転位を交差する際における、貫通転位が基底面側に屈折する確率が低下し、貫通転位がｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。さらに、階段の角度が基底面から４５°に満たない場合は、多くの貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存することになる。
【００３９】
本発明の第４の態様は、
第１〜第３の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、前記第２方向を前記第１方向に直交する＜１−１００＞方向および＜−１１００＞方向から±１０度以内とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００４０】
本態様によれば、階段状の断面形状を形成する際、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００４１】
本発明の第５の態様は、
第１〜第４の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第２方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、前記第１方向に沿った前記中心線を前記土台となる六方晶単結晶の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００４２】
本態様によれば、階段状の断面形状を形成する際、貫通転位が基底面側に屈折してウエハ端に排出されるまでの最長距離を小さくすることができる。
【００４３】
本発明の第６の態様は、
第１〜第５の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
第１方向に沿った中心線から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段高さを２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔を１０μｍ以上１０ｍｍ以内、階段数を５以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００４４】
本態様によれば、段差ステップが貫通転位を交差する際に、貫通転位が基底面側に屈折される確率を高めることができる。ちなみに、階段高さが２μｍに満たない場合、段差ステップが貫通転位を交差する際における、貫通転位が基底面側に屈折される確率が低下し、貫通転位がｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。また、階段間隔が１０ｍｍを超える場合には、段差ステップが貫通転位を交差するまでの平均距離が増大し、段差ステップの形状が保てなくなって、貫通転位が基底面側に屈折する確率が低下し、貫通転位がｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。また、階段高さを２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔を１０μｍ以上１０ｍｍ以内とすることで結晶成長を行う際の土台となる元の六方晶単結晶の厚みを可及的に薄くすることができる。また、階段数は単結晶の直径にもよるが、通常は５段以上必要となる。
【００４５】
本発明の第７の態様は、
六方晶単結晶の成長工程において、
結晶成長を行う際の土台となる六方晶単結晶に、結晶成長主面となる基底面に対して第１方向にオフ角を設定し、
前記第１方向に沿った複数の基準線から、前記第１方向と直交する両側の第２方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておくことで、
前記六方晶単結晶に含まれているｃ軸方向に貫通する転位を、結晶成長時にｃ軸方向から前記基底面側に４０°以上傾いた欠陥に変換させ、かつ前記第１方向の反対方向と前記第２方向の間の方向に欠陥の伝播方向を制御して、結晶の外部に欠陥を排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００４６】
本形態によれば、基準線を複数設けているので、元の六方晶単結晶に新たな六方晶単結晶層を形成する工程において、元の単結晶中に含まれる貫通転位をより高い確率で基底面内側に屈折させることができ、前記貫通転位をより良好に結晶の外部に排出させることができる。
【００４７】
本発明の第８の態様は、
第７の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
結晶成長主面が、前記基底面より１０°以下の前記オフ角を有し、前記両側の第２方向から前記第１方向の反対方向に向かって４５°以内の方向に、貫通転位を屈折させて伝播させることで、結晶の外部もしくは隣り合う前記第１方向に沿う２つの基準線の中間線付近に排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００４８】
本態様によれば、第２の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第７の態様において、オフ角の適正化をはかることができる。この結果、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００４９】
本発明の第９の態様は、
第７または第８の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
第１方向に沿った中心線から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を基底面から４５°以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００５０】
本態様によれば、第３の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第７の態様において階段の角度の適正化をはかることができる。
【００５１】
本発明の第１０の態様は、
第７〜第９の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、前記第２方向を第１方向に直交する＜１−１００＞方向、＜−１１００＞から±１０度以内とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００５２】
本態様によれば、第４の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第７の態様において階段状の断面形状を形成する際、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００５３】
本発明の第１１の態様は、
第７〜第１０の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向に沿った複数の基準線から、前記第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、隣り合う２つの前記平行な基準線の中間線のうちの一つを、単結晶の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００５４】
本態様によれば、第５の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第７の態様において階段状の断面形状を形成する際、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００５５】
本発明の第１２の態様は、
第７〜第１１の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向に沿った複数の基準線から、前記第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段高さを２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔を１０μｍ以上１０ｍｍ以内、階段数を５以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法ある。
【００５６】
本態様によれば、第６の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第７の態様において段差ステップが貫通転位を交差する際に、貫通転位が基底面側に屈折する確率を高めることができる。また、階段高さ、階段間隔、階段数を適正なものとすることができる。
【００５７】
本発明の第１３の態様は、
六方晶単結晶の成長工程において、
結晶成長を行う際の土台となる六方晶単結晶に、結晶成長主面となる基底面に対して第１方向にオフ角を設定し、
前記第１方向と直交する単一もしくは複数の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておくことで、元の六方晶単結晶に含まれているｃ軸方向に貫通する転位を、結晶成長時にｃ軸方向から前記基底面側に４０°以上傾いた欠陥に変換させ、かつ前記第１方向と第１方向の反対方向に欠陥の伝播方向を制御して、結晶の外部ならびに隣り合う前記基準線の中間付近に欠陥を排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００５８】
本形態は、第１方向および第２方向に沿う階段状の断面形状を形成した場合であるが、この場合でも第１の態様（単一の基準線の場合）または第７の態様（複数の基準線の場合）と同様に、元の六方晶単結晶に新たな六方晶単結晶層を形成する工程において、元の単結晶中に含まれる貫通転位を良好に基底面側に屈折させることができ、前記貫通転位を良好に結晶の外部に排出させることができる。
【００５９】
本発明の第１４の態様は、
第１３の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
結晶成長主面が、前記基底面より１０°以下のオフ角を有し、前記第１方向と前記第１の方向の反対方向に向かって±４５°以内の方向に、貫通転位を屈折させて伝播させることで、結晶の外部もしくは隣り合う２つの前記基準線の中間線付近に排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００６０】
本態様によれば、第２および第８の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第１３の態様において、オフ角の適正化をはかることができる。この結果、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００６１】
本発明の第１５の態様は、
第１３または第１４の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向と直交する単一もしくは複数の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を前記基底面から４５°以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００６２】
本態様によれば、第３および弟９の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第１３の態様において階段の角度の適正化をはかることができる。
【００６３】
本発明の第１６の態様は、
第１３または第１４の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、もしくは＜１−１００＞方向から±１０度以内とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００６４】
本態様によれば、第４および第１０の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第１３の態様において階段状の断面形状を形成する際、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００６５】
本発明の第１７の態様は、
第１３〜第１６の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向と直交する単一の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、基準線を、単結晶の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００６６】
本態様によれば、第５の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第１３の態様であって、かつ単一の基準線を有する場合において、階段状の断面形状を形成する際、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００６７】
本発明の第１８の態様は、
第１３〜第１６の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向と直交する複数の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、隣り合う２つの基準線の中間線のうちの一つを、単結晶の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００６８】
本態様によれば、第１１の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第１３の態様であって、かつ複数の基準線を有する場合において階段状の断面形状を形成する際、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００６９】
本発明の第１９の態様は、
第１３〜第１８の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向と直交する単一もしくは複数の基準線から、前記第１方向と第１方向の反対方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段高さを２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔を１０μｍ以上１０ｍｍ以内、階段数を５以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００７０】
本態様によれば、第６および第１２の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第１３の態様において段差ステップが貫通転位を交差する際に、貫通転位が基底面側に屈折する確率を高めることができる。また、階段高さ、階段間隔、階段数を適正なものとすることができる。
【００７１】
本発明の第２０の態様は、
六方晶単結晶の成長工程において、
結晶成長を行う際の土台となる六方晶単結晶に、結晶成長主面となる基底面に対して第１方向にオフ角を設定し、
前記第１方向の反対方向から３０°±１５°の角度を有する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておくことで、元の六方晶単結晶に含まれているｃ軸方向に貫通する転位を、結晶成長時にｃ軸方向から基底面側に４０°以上傾いた欠陥に変換させ、かつ第１方向の反対方向と第２方向の間の方向に、欠陥の伝播方向を制御して、結晶の外部に欠陥を排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００７２】
本態様によれば、第１方向の反対方向から３０°±１５°の角度を有する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しているので、第１の態様と同様に、元の六方晶単結晶に新たな六方晶単結晶層を形成する工程において、元の単結晶中に含まれる貫通転位を基底面側に屈折させて、基底面内欠陥を結晶の外部に排出させることができる。
【００７３】
本発明の第２１の態様は、
第２０の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
結晶成長主面が、前記基底面より１０°以下のオフ角を有し、前記第１方向に向かって±４５°以内の方向に貫通転位を屈折させて、結晶の外部に排出することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００７４】
本態様によれば、第２、第８および第１４の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第２０の態様において、オフ角の適正化をはかることができる。この結果、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００７５】
本発明の第２２の態様は、
第２０または第２１の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向と反対方向から３０°±１５°の角度を有する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を前記基底面から４５°以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００７６】
本態様によれば、第３、第９および弟１５の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第２０の態様において階段の角度の適正化をはかることができる。
【００７７】
本発明の第２３の態様は、
第２０または第２１の態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、もしくは＜１−１００＞方向から±１０度以内とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００７８】
本発明によれば、第４、第１０および第１６の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第２０の態様において階段状の断面形状を形成する際、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００７９】
本発明の第２４の態様は、
第２０〜第２３の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向の反対方向から３０°±１５°の角度を有する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、結晶厚みが最大となる領域を、単結晶の端部から１０ｍｍ以内の範囲に設定することを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００８０】
本態様によれば、第５、第１１および第１７の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第２０の態様において、階段状の断面形状を形成する際、新たな六方晶単結晶層の成長工程における六方晶単結晶層の品質の劣化を可及的に低減し得る。
【００８１】
本発明の第２５の態様は、
第２０〜第２４の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
前記第１方向の反対方向から３０°±１５°の角度を有する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段高さを２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔を１０μｍ以上１０ｍｍ以内、階段数を５以上とすることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００８２】
本態様によれば、第６、第１２および第１９の態様と同様の作用・効果を得る。すなわち、第２０の態様において段差ステップが貫通転位を交差する際に、貫通転位が基底面側に屈折する確率を高めることができる。また、階段高さ、階段間隔、階段数を適正なものとすることができる。
【００８３】
本発明の第２６の態様は、
第１〜第２５の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、
化学気相堆積法、昇華法、溶液成長法により結晶成長を行うことを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００８４】
本発明の第２７の態様は、
第１〜第２６のいずれか一つの態様に記載する六方晶単結晶の製造方法において、結晶成長温度が１４００〜２５００℃であることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【００８５】
本発明の第２８の態様は、
第１〜第２７の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法により作製した六方晶単結晶層を用いることで、もしくはこの六方晶単結晶層をスライスすることで、六方晶単結晶ウエハを作製することを特徴とする六方晶単結晶ウエハの製造方法にある。
【００８６】
本態様によれば、貫通転位密度の小さい六方晶単結晶ウエハを得ることが可能になる。
【００８７】
本発明の第２９の態様は、
第１〜第２７のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法により作製した六方晶単結晶層を用いることで、もしくはこの六方晶単結晶層をスライスすることで、六方晶単結晶ウエハを作製し、
さらに前記六方晶単結晶ウエハに対して、第１〜第２７の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法を再度適用することで、より貫通転位密度の小さい六方晶単結晶層を製造し、該六方晶結晶層を用いて、
もしくは前記六方晶単結晶層をスライスして六方晶単結晶ウエハを作製することを特徴とする六方晶単結晶ウエハの製造方法にある。
【００８８】
本態様によれば、同様の工程を２回行っているので、第２８の態様よりも、さらに貫通転位密度の小さい六方晶単結晶ウエハを得ることが可能になる。
【００８９】
本発明の第３０の態様は、
第１〜第２１の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法により作製した六方晶単結晶層を用いることで、もしくはこの六方晶単結晶層をスライスすることで、六方晶単結晶ウエハを作製し、
さらに前記六方晶単結晶ウエハに対して、基準線を５°以上１５°以内、もしくは６０°±１０°ずらして、第１〜第２１の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法を再度適用することで、より貫通転位密度の小さい六方晶単結晶層を製造し、該六方晶単結晶層を用いて、
もしくは前記六方晶単結晶層をスライスして六方晶単結晶ウエハを作製することを特徴とする六方晶単結晶ウエハの製造方法にある。
【００９０】
本発明の第３１の態様は、
第２８〜第３０の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、しかも結晶成長を行う際の土台となる元の六方晶単結晶で作製された六方晶単結晶ウエハよりも貫通転位密度の小さい六方晶単結晶層を有し、該六方晶単結晶層をスライスすることにより得ることを特徴とする六方晶単結晶ウエハにある。本態様によれば、貫通転位密度の小さい六方晶単結晶ウエハを提供することができる。
【００９１】
本発明の第３２の態様は、
第２８または第２９の態様に記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、
オフ角を設定した第１方向に沿った単一の基準線から前記第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向に沿った複数の基準線ならびに隣り合う２つの前記第１方向に沿った基準線の中間線から前記第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向に直交する単一の基準線から前記第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向と直交する複数の基準線ならびに隣り合う２つの基準線の中間線から前記第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
もしくは、一方のウエハ端部から１０ｍｍ以内の領域に、
六方晶単結晶ウエハに含まれる貫通転位の総数の５０％以上が含まれることを特徴とする六方晶単結晶ウエハにある。
【００９２】
本態様によれば貫通転位を基準線の近傍、もしくはウエハ端部に集中させることで、それ以外の領域の貫通転位を低減させて高品質のウエハとすることができる。
【００９３】
本発明の第３３の態様は、
第２８または第２９の態様に記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、
オフ角を設定した第１方向に沿った単一の基準線から前記第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向に沿った複数の基準線ならびに隣り合う２つの前記基準線の中間線から前記第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向に直交する単一の基準線から前記第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
前記第１方向と直交する複数の基準線ならびに隣り合う２つの基準線の中間線から前記第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、
もしくは、一方のウエハ端部から１０ｍｍ以内の領域に、
六方晶単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位の総数の５０％以上が含まれることを特徴とする六方晶単結晶ウエハにある。
【００９４】
本態様によれば貫通転位を基準線の近傍、もしくはウエハ端部に集中させることで、それ以外の領域の貫通転位を低減させて高品質のウエハとすることができる。
【００９５】
本発明の第３４の態様は、
第３０の態様に記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、
第一回目の結晶成長時に設定した単一の基準線と第二回目の結晶成長時に設定した他の単一の基準線とが交差する点から直径１ｃｍ２以内の領域、
第一回目の結晶成長時に設定した複数の基準線ならびに隣り合う前記２つの基準線の中間線と、第二回目の結晶成長時に設定した他の複数の基準線ならびに隣り合う前記２つの基準線の中間線とが交差する複数の点からそれぞれ直径１ｃｍ２以内の領域に、
六方晶単結晶ウエハに含まれる貫通転位の総数の５０％以上が含まれることを特徴とする六方晶単結晶ウエハにある。
【００９６】
本態様によれば貫通転位を基準線の近傍に集中させることで、それ以外の領域の貫通転位を低減させて高品質のウエハとすることができる。
【００９７】
本発明の第３５の態様は、
第３０の態様に記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により作製され、
第一回目の結晶成長時に設定した単一の基準線と第二回目の結晶成長時に設定した他の一つの中心線とが交差する点から直径１ｃｍ２以内の領域、
第一回目の結晶成長時に設定した複数の基準線ならびに隣り合う前記２つの基準線の中間線と、第二回目の結晶成長時に設定した他の複数の基準線ならびに隣り合う前記２つの基準線の中間線とが交差する複数の点からそれぞれ直径１ｃｍ２以内の領域に、
六方晶単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位の総数の５０％以上が含まれることを特徴とする六方晶単結晶ウエハにある。
【００９８】
本態様によれば貫通転位を基準線の近傍に集中させることで、それ以外の領域の貫通転位を低減させて高品質のウエハとすることができる。
【００９９】
本発明の第３６の態様は、
第２８〜第３０の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法により得られたことを特徴とする六方晶単結晶素子にある。
【０１００】
本態様によれば貫通転位密度の小さい六方晶単結晶層を備えた半導体素子を提供することができる。
【０１０１】
本発明の第３７の態様は、
第１〜第２７の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶の製造方法において、六方晶単結晶は、炭化珪素単結晶であることを特徴とする六方晶単結晶の製造方法にある。
【０１０２】
本発明の第３８の態様は、
第２８〜第３０の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶ウエハの製造方法において、
六方晶単結晶ウエハは、炭化珪素単結晶ウエハであることを特徴とする六方晶単結晶素子ウエハの製造方法にある。
【０１０３】
本発明の第３９の態様は、
第３１〜第３５の態様のいずれか一つに記載する六方晶単結晶ウエハにおいて、
六方晶単結晶ウエハは、炭化珪素単結晶ウエハであることを特徴とする六方晶単結晶ウエハにある。
【０１０４】
本発明の第４０の態様は、
第３６の態様に記載する六方晶単結晶素子において、
六方晶単結晶素子は、炭化珪素単結晶素子であることを特徴とする六方晶単結晶素子にある。
【発明の効果】
【０１０５】
本発明によれば、元の六方晶単結晶に新たな六方晶単結晶層を形成する工程において、元の単結晶中に含まれる貫通転位を基底面側に屈折させて、該貫通転位を結晶の外部に排出させ、元の六方晶単結晶基板よりも貫通転位密度の小さい六方晶単結晶層を得ることが可能になる。
【０１０６】
また、本発明によれば、貫通転位密度の小さい六方晶単結晶ウエハを得ることが可能になる。
【０１０７】
さらに、本発明によれば、貫通転位密度の小さい六方晶単結晶層を備えた半導体素子を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の第１の実施の形態における炭化珪素単結晶ウエハの平面図および断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のストライプの図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における炭化珪素単結晶ウエハの平面図および断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における炭化珪素単結晶ウエハの平面図および断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における他の炭化珪素単結晶ウエハの平面図および断面図である。
【図６】図３に示す炭化珪素単結晶層を線ＢＢ′、ＣＣ′に沿ってスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハの概略図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における段差形状を形成した炭化珪素単結晶の平面図および断面図である。
【図８】図７の段差形状を形成した炭化珪素単結晶上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合の平面図および断面図である。
【図９】図８に示す元の炭化珪素単結晶よりも貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層をＣＣ′、ＤＤ′に沿ってスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハの概略図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る段差形状を形成した炭化珪素単結晶を示す平面図および断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る段差形状を形成した炭化珪素単結晶を示す平面図および断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る段差形状を形成した炭化珪素単結晶を示す平面図および断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態に係る段差形状を形成した炭化珪素単結晶を示す平面図および断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係る段差形状を形成した炭化珪素単結晶を示す平面図および断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態に係る段差形状を形成した炭化珪素単結晶を示す平面図および断面図である。
【図１６】図３に対応するもので、（ａ）は、約４８０μｍの厚みの新たな炭化珪素単結晶層を形成した後に、同炭化珪素単結晶層に対してＸ線トポグラフィ測定を行って得た欠陥像（平面像）を示す写真、（ｂ）はその断面模式図である。
【図１７】同一の炭化珪素単結晶層の断面に対して、Ｘ線トポグラフィ測定を行って得た欠陥像（透過断面像）を示す写真である。
【図１８】炭化珪素単結晶に形成した階段状段差形状の段差高さを１μｍから１０μｍまで変化させて、約４８０μｍの厚みの新たな炭化珪素単結晶層を形成した後に、同炭化珪素単結晶層対してＸ線トポグラフィ測定を行って得た欠陥像（平面像）を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【０１０９】
＜炭化珪素単結晶ウエハの貫通転位低減方法＞
まず、本発明により得る炭化珪素単結晶ウエハにおける貫通転位の低減の原理に関して簡単に説明しておく。先に述べたように（「背景技術」参照）、基底面｛０００１｝（（０００１）Ｓｉ面または（０００−１）Ｃ面；以下同じ）より０°〜１０°のオフ角を有する結晶成長面に対する炭化珪素気相エピタキシャル成長においては、基板内の貫通らせん転位がエピタキシャル膜中にそのまま伝播することが報告されている。これに対し、炭化珪素結晶成長において、基底面｛０００１｝よりオフ角が大きい（例えば、５０°以上）場合には、貫通転位が基底面側に屈折し、基板内あるいは種結晶内の貫通らせん転位の低減が可能なことが示されている。また、炭化珪素結晶成長において、ステップ高さの大きなマクロステップにより、貫通転位が基底面側に屈折することが示されている。
【０１１０】
本発明により得る炭化珪素単結晶ウエハは、炭化珪素単結晶基板もしくはエピタキシャル膜付炭化珪素単結晶基板からなる土台となる元の炭化珪素単結晶上に、図１〜図１５に示す第１〜第４の実施の形態の段差形状を形成し、新たな炭化珪素単結晶層を気相成長法もしくは昇華法あるいは溶液法により成長させることにより製造している。以下、図面を参照しながら第１〜第４の本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【０１１１】
＜第１の実施の形態＞
図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態における段差形状を形成した炭化珪素単結晶の平面図、図１（ｂ）に本発明の第１の実施の形態における段差形状を形成した炭化珪素単結晶の断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）は前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合の立体図、図３（ａ）は前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合の平面図、図３（ｂ）は前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合の断面図である。
【０１１２】
図１に示すように、結晶成長主面となる基底面｛０００１｝から［１１−２０］方向にオフ角を有する炭化珪素単結晶上には、［１１−２０］方向に平行（概ね平行も含む；以下同じ）な基準線ＡＡ′（本例では炭化珪素単結晶１で形成したウエハ（以下同じ）の中心線）から、［１１−２０］方向と直交する［−１１００］方向と［１−１００］方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状が形成されている。
【０１１３】
図２（ａ）に示すように、前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶１には、貫通転位ＴＤ（貫通らせん転位、ならびに貫通刃状転位）が含まれており、貫通転位ＴＤの先端は炭化珪素単結晶１の表面に現れている。また、結晶成長主面となる基底面｛０００１｝から［１１−２０］方向にオフ角を設定したことで、［１−１００］方向に概ね平行な微視的ステップが形成されている。さらに、前記段差形状を形成したことで、［１１−２０］方向に平行な高さｈを有する段差ステップ２が、概ね間隔ｗで形成されている。
【０１１４】
前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶１の上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合、［１−１００］方向に平行な微視的ステップが［−１−１２０］方向に進行すると同時に、［１１−２０］方向に平行な高さｈを有する段差ステップ２が［１−１００］方向（図１（ａ）に示す基準線ＡＡ′（以下同じ、）より反対側は［−１１００］方向）に進行する。すなわち、図中に矢印で示す方向に進行する。
【０１１５】
図２（ｂ）に示すように、［１−１００］方向（基準線ＡＡ′より反対側は［−１１００］方向）に進行する段差ステップ２が貫通転位を通過する以前においては、ほとんどの貫通転位ＴＤが概ねｃ軸方向に伝播する。
【０１１６】
図２（ｃ）に示すように、［１−１００］方向（基準線ＡＡ′より反対側は［−１１００］方向）に進行する段差ステップ２が貫通転位ＴＤを交差する際に、ほとんどの貫通転位ＴＤは段差ステップ２によって基底面側に屈折されて（以降、貫通転位が基底面側に大きく傾いたもの、もしくは基底面欠陥となったものを屈折欠陥ＤＤとする）、それ以降においてはｃ軸から基底面側に大きく傾きながら単結晶中を伝播する。このとき、［−１−１２０］方向に進行する微視的ステップと［１−１００］方向（基準線ＡＡ′より反対側は［−１１００］方向）に進行する段差ステップ２の両方の影響を受けて、屈折欠陥ＤＤの基底面での伝播方向は、［−１−１２０］方向と［１−１００］方向の間（基準線ＡＡ′より反対側は［−１−１２０］方向と［１−１００］方向の間）の方向となる。
【０１１７】
かくして、図３（ａ）に示すように、段差ステップ２が交差することによって貫通転位ＴＤの伝播方向か変わった屈折欠陥ＤＤは、段差ステップ２の進行につれて、ｃ軸から基底面側に数十度の傾き角Φを有し、［１−１００］方向もしくは［−１１００］方向から［−１−１２０］方向に数十度以内の角度θを有しつつウエハ端に向かって伝播し、最終的にはウエハ端おいて、結晶の外部に排出される。屈折欠陥を結晶の外部に排出する上で、屈折欠陥のｃ軸から傾き角は大きい方が効率的で、４０°以上、より好ましくは４５°以上であることが好ましい。
【０１１８】
このとき、図３（ｂ）に示すように、ウエハ中心線付近の階段形状の最上段に位置する貫通転位ＴＤは、結晶成長時に段差ステップ２が交差することが無いため、屈折欠陥ＤＤとならずに、貫通転位ＴＤのまま結晶表面に向かって伝播し続ける。
【０１１９】
このように土台となる階段状の炭化珪素単結晶１のｃ軸方向に炭化珪素単結晶層を積層させることにより、貫通転位ＴＤは徐々に屈折欠陥ＤＤとなって結晶の外部に排出され、貫通転位ＴＤは階段形状の最上部分に集中的に残るようになる。
【０１２０】
ここで、結晶成長主面は、新たな炭化珪素単結晶層の成長工程において、炭化珪素単結晶層の品質が劣化しないために、結晶成長主面は基底面｛０００１｝より１０°以下（０．１°〜１０°）のオフ角を有することが好ましい。すなわち、オフ角が大きくなるほど屈折欠陥ＤＤを排出するのに必要な結晶厚が増加するとともに、オフ角が小さくなるほど新たな結晶欠陥の生成頻度が高まるため、０．５°〜５°のオフ角を有することがより好ましい。
【０１２１】
第１方向に平行な基準線ＡＡ′から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状については、段差ステップ２が貫通転位ＴＤを交差させる際に、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率を高めるため、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を｛０００１｝面から４５°以上、より好ましくは５５°以上とすることが好ましい。また、階段の角度が基底面と（０３−３８）面とがなす角度に相当する５４.７°に満たない場合、段差ステップ２が貫通転位ＴＤを交差する際における、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。さらに、階段の角度が基底面から４５°に満たない場合は、多くの貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存することになる。
【０１２２】
第１方向に平行な基準線ＡＡ′から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成する際に、新たな炭化珪素単結晶層の成長工程において、炭化珪素単結晶層の品質が劣化しないようにするために、第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、第２方向を第１方向に直交する＜１−１００＞方向、＜−１１００＞から±１０度以内とすることが好ましい。ただし、結晶成長の状態に応じて、図４に示すように、第１方向を任意の方向にすることも可能である。すなわち、図４に示す基準線ＡＡ′は必ずしも＜１１−２０＞方向に沿ったものではなくても良い。
【０１２３】
また、第１方向と直交する第２方向に向かって階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、屈折欠陥ＤＤがウエハ端に排出されるまでの最長の距離を小さくするために、その第１方向に沿った基準線ＡＡ′を土台となる炭化珪素単結晶１の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。ただし、結晶成長の状態に応じて、図５に示すように、第１方向に平行な基準線ＡＡ′を土台となる炭化珪素単結晶１の中央から任意の距離ずらして設定することも可能である。すなわち、基準線ＡＡ′は必ずしもウエハ中央を通るものではなくても良い。
【０１２４】
第１方向に沿ったウエハ中心線から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状については、段差ステップが貫通転位ＴＤを交差する際に、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率を高めるために、階段高さを２μｍ以上、１ｍｍ以内、階段間隔を１０ｍｍ以内とすることが好ましい。階段高さが２μｍに満たない場合、段差ステップ２が貫通転位ＴＤを交差する際における、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。階段間隔が１０ｍｍを超える場合、段差ステップ２が貫通転位ＴＤを交差するまでの平均距離が増大し、段差ステップ２の形状が保てなくなって、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。
【０１２５】
また、結晶成長を行う際の土台となる元の炭化珪素単結晶１の厚みをなるべく薄くするために、階段高さを１ｍｍ以内とし、階段間隔を１０μｍ以上とすることが好ましい。このことから、階段高さは２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔は１０μｍ以上１０ｍｍ以内が好ましい範囲となる。一般的な元の炭化珪素単結晶１の厚みが数ｍｍ以下であること、階段形状の形成における実用的な高さは１００μｍ以下であることから、階段高さは２μｍ以上、１００μｍ以内、階段間隔は１００μｍ以上１ｍｍ以内が、より好ましい範囲となる。階段数については、基準線ＡＡ′から数えて最低では１段であるが、結晶成長を行う際の土台となる元の炭化珪素単結晶１が直径数センチ以上であるような場合で、階段間隔を１０ｍｍ以内である場合、階段数は５段以上が好ましい。
【０１２６】
階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成する方法としては、半導体プロセス等で用いられるリソグラフィーが一般的である。炭化珪素単結晶１上にマスクを形成し、マスクをパターニング後、開口部である炭化珪素単結晶１の表面に対し、エッチング（例えば、ＣＦ４もしくはＳＦ６等のエッチングガスを用いた反応性プラズマによるドライエッチング）を行う。マスクとしては、炭化珪素単結晶面を２μｍ以上エッチング可能な選択比を有するマスク、もしくはエッチング条件であれば良い。マスクとしては、例えばレジスト膜はあらゆる形状のパターニングができるため、任意のストライプの形成が可能である。
【０１２７】
一方、ＳｉＯ２膜、アルミニウム膜、ニッケル膜等の一般に炭化珪素に対し、選択比が高い材料をマスクとして用い、階段形状の階段高さを数μｍ以上にすることができる。この他、機械加工やレーザー加工、電気化学エッチング等が適用可能であると考えられるが、原理的に本形態に記載されている貫通転位ＴＤの構造転換と結晶外部への排出の効果を呈するものであれば、どのような方法でも適用可能である。
【０１２８】
階段形状を形成した後の新たな炭化珪素単結晶層の結晶成長は、階段形状を形成した炭化珪素単結晶１と同じ結晶型の単結晶成長であれば良く、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、昇華法あるいは溶液成長法も含まれる。一般的に、階段形状を形成した炭化珪素単結晶１と同じ結晶型の単結晶成長を得るために、結晶成長温度は１４００〜２５００℃であることが好ましい。
【０１２９】
化学気相堆積法では、一般的に原料としてＳｉＨ４等のＳｉを含んだガスと、Ｃ３Ｈ８またはＣ２Ｈ4等のＣを含んだガスとを用いて、炭化珪素単結晶１のウエハ上に新たな炭化珪素単結晶層を得ることができる。
【０１３０】
また、昇華法では通常、坩堝内に原料の炭化珪素粉末を入れると共に、坩堝の内側上面に炭化珪素粉末と対面する形で炭化珪素種結晶を設置する。このとき、坩堝を２２００℃以上まで加熱することで、炭化珪素粉末を昇華させる。昇華した炭化珪素粉末は、対面する炭化珪素種結晶上で再結晶化され、種結晶上に新たな炭化珪素単結晶が成長される。
【０１３１】
溶液成長法では、坩堝内に原料の珪素塊を入れて、珪素の融点以上の温度にして液体とするとともに、坩堝を炭素材とすることなどで炭素を珪素液体に混入させて、珪素と炭素からなる溶液をつくる。炭素の融解度を向上させるために、金属などの添加物を溶液に混入させる場合もある。このようにして出来た溶液に、炭化珪素単結晶を触れさせることで、炭化珪素単結晶上に新たな炭化珪素単結晶層が結晶成長される。
【０１３２】
結晶成長の土台となる炭化珪素単結晶１の第１方向に沿った、例えば基板中心である線ＡＡ′から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成し、新たな炭化珪素単結晶層を十分な厚さ結晶成長させる。このことで、結晶成長時に階段状の段差ステップ２が貫通転位ＴＤを交差させ、元の炭化珪素単結晶１に含まれていた貫通転位ＴＤを屈折欠陥ＤＤに変換する。かくして、屈折欠陥ＤＤが結晶端より結晶外部に排出されることで、貫通転位ＴＤの密度が低減された炭化珪素単結晶層を得ることができる。
【０１３３】
ここで、本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１よりも貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで、貫通転位ＴＤが低減された炭化珪素単結晶ウエハを作製することができる。
【０１３４】
また、炭化珪素単結晶ウエハを用いて炭化珪素半導体素子を製造することができる。製造可能な炭化珪素半導体素子には、ショットキーバリヤダイオード（ＳＢＤ）、接合障壁型ダイオード（ＪＢＳ）、マージドピンショットキーダイオード（ＭＰＳ）ダイオード、接合電界効果トランジスタ（Ｊ−ＦＥＴ）、金属／酸化膜／半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）等のユニポーラ素子、及びｐｎダイオード、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のバイポーラ素子が含まれる。
【０１３５】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１よりも貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、オフ角を設定した第１方向（オフカット方向）に沿った任意の基準線ＡＡ′から、第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域に、単結晶ウエハに含まれる貫通転位ＴＤの総数の５０％以上が含まれるものとすることができる。
【０１３６】
図６は、図３に示す元の炭化珪素単結晶１よりも貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層を基準線ＢＢ′、ＣＣ′に沿ってスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハの概略図である。図６に示されるように、図３に示すオフ角を設定した第１方向に沿った基準線ＡＡ′から近傍のみに貫通転位ＴＤが存在している。
【０１３７】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１よりも貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、オフ角を設定した第１方向に平行な任意の基準線ＡＡ′から、第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域に、単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位ＴＤの総数の５０％以上が含まれることが望ましい。
【０１３８】
さらに、本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１よりも貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハに対して、再度同様な炭化珪素単結晶の製造方法を適用することで、元の炭化珪素単結晶１よりもさらに貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層を製造することができる。このとき、一回目の結晶成長における基準線ＡＡ′に対し、二回目の結晶成長における基準線ＡＡ′の基底面内における＜１１−２０＞方向に対する角度を回転させることで、基準線ＡＡ′付近に残存する貫通転位ＴＤを一回目の基準線ＡＡ′と二回目の基準線ＡＡ′の交点付近を除いて排出することができる。この回転角は、５°以上が好ましいが、第一回目の基準線ＡＡ′が［１１−２０］方向に概略平行であった場合は、第二回目の基準線ＡＡ′は第一回目の基準線ＡＡ′から±６０°回転した［−２１１０］もしくは［１−２１０］方向と概平行（［−２１１０］もしくは［１−２１０］方向から±１０°以内）にすること、第一回目の基準線ＡＡ′が［１−１００］方向に概略平行であった場合は、第二回目の基準線ＡＡ′は第一回目の基準線ＡＡ′から±６０°回転した［１０−１０］もしくは［０−１１０］方向と概平行（［１０−１０］もしくは［０−１１０］方向から±１０°以内）にすることが好ましい。
【０１３９】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１よりも貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハに対して、基準線ＡＡ′を５°以上、もしくは６０°±１０°回転させて再度同様な炭化珪素単結晶の製造方法を適用して作製された元の炭化珪素単結晶１よりもさらに貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、第一回目の結晶成長時に設定した基準線ＡＡ′と第二回目の結晶成長時に設定した基準線ＡＡ′とが交差する点から直径１ｃｍ２以内の領域に、単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位ＴＤの総数の５０％以上が含まれるようにするのが望ましい。
【０１４０】
＜第２の実施の形態＞
図７（ａ）は本発明の第２の実施の形態における段差形状を形成した炭化珪素単結晶の平面図、図７（ｂ）は本発明の第２の実施の形態における段差形状を形成した炭化珪素単結晶の断面図である。また、図８（ａ）は図７の段差形状を形成した炭化珪素単結晶上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合の平面図、図８（ｂ）は図７の前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合の断面図である。
【０１４１】
図７に示すように、本形態における炭化珪素単結晶１は、結晶成長主面となる基底面｛０００１｝から［１１−２０］方向にオフ角を有するものである。かかる炭化珪素単結晶１上には、［１１−２０］方向に沿った複数（本形態では２本）の基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、［１１−２０］方向と直交する［−１１００］方向と［１−１００］方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状が形成されている。なお、このときの基準線ＡＡ′、ＢＢ′の数は任意であってよい。
【０１４２】
本形態においては、図８に示すように、前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶１１には貫通転位ＴＤが含まれており、この当該炭化珪素単結晶１１において、貫通転位ＴＤの先端は炭化珪素単結晶１１の表面に現れている。また、結晶成長主面となる基底面｛０００１｝から［１１−２０］方向にオフ角を設定したことで、［１−１００］方向に概ね平行な微視的ステップが形成されている。さらに、前記段差形状を形成したことで、［１１−２０］方向に平行な高さｈを有する段差ステップ１２が、概ね間隔ｗで形成されている。
【０１４３】
本形態において、前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶１の上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合、［１−１００］方向に平行な微視的ステップが［−１−１２０］方向に進行すると同時に、［１１−２０］方向に平行な高さｈを有する段差ステップが［１−１００］方向（基準線ＡＡ′、ＢＢより反対側は［−１１００］方向；以下同じ）に進行する。
【０１４４】
基準線ＡＡ′より単結晶の外側（基準線ＡＡ′より［−１１００］方向）と、基準線ＢＢ′より単結晶の外側（基準線ＢＢ′より［１−１００］方向）においては、ほとんどの貫通転位ＴＤは段差ステップ１２によって屈折欠陥ＤＤに転換されて、それ以降においてはｃ軸方向から基底面側に大きく傾いて単結晶内を伝播するため、最終的にはウエハ端において、結晶の外部に排出される。屈折欠陥を結晶の外部に排出する上で、屈折欠陥のｃ軸から傾き角は大きい方が効率的で、４０°以上、より好ましくは４５°以上であることが好ましい。このとき、図８に示すように、基準線ＡＡ′ならびに基準線ＢＢ′付近の階段形状の最上段に位置する貫通転位ＴＤは、結晶成長時に段差ステップ１２が交差することが無いため、屈折欠陥ＤＤに転換されずに、貫通転位ＴＤのまま結晶表面に向かって伝播し続ける。
【０１４５】
一方、基準線ＡＡ′より単結晶の内側（基準線ＡＡ′より［１−１００］方向）と、基準線ＢＢ′より単結晶の内側（基準線ＢＢ′より［−１１００］方向）においては、ほとんどの貫通転位ＴＤは段差ステップ１２によって屈折欠陥ＤＤに転換されて、それ以降においてはｃ軸方向から基底面側に大きく傾いて単結晶内を伝播するため、基準線ＡＡ′と基準線ＢＢ′の中間付近に集められ、最終的には貫通転位ＴＤに再度転換されて、結晶の表面に向かって伝播し続ける。
【０１４６】
結晶成長主面は、新たな炭化珪素単結晶層の成長工程において、炭化珪素単結晶層の品質が劣化しないために、結晶成長主面は基底面｛０００１｝面より１０°以下（０．１°〜１０°）のオフ角を有することが好ましい。ここで、オフ角が大きくなるほど屈折欠陥ＤＤを排出するのに必要な結晶厚が増加するとともに、オフ角が小さくなるほど新たな結晶欠陥の生成頻度が高まるため、０．５°〜５°のオフ角を有することがより好ましい。
【０１４７】
さらに、第１方向に平行な基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状については、段差ステップ１２が貫通転位ＴＤを交差する際に、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率を高めるために、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を｛０００１｝面から４５°以上とすることが好ましい。また、階段の角度が基底面と（０３−３８）面とがなす角度に相当する５４.７°に満たない場合、段差ステップ１２が貫通転位ＴＤを交差する際における、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。さらに、階段の角度が基底面から４５°に満たない場合は、多くの貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存することになる。
【０１４８】
第１方向に平行な基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成する際に、新たな炭化珪素単結晶層の成長工程において、炭化珪素単結晶層の品質が劣化しないために、第１方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、第２方向を第１方向に直交する＜１−１００＞方向、＜−１１００＞から±１０度以内とすることが好ましい。ただし、結晶成長の状態に応じて、図５に示すように、第１方向を任意の方向にすることも可能である。
【０１４９】
また、第１方向に沿った複数の基準線から、第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、屈折欠陥ＤＤがウエハ端に排出されるまでの最長の距離を小さくするために、隣り合う２つの前記平行な基準線の中間線のうちの一つを、土台となる炭化珪素単結晶１１の中央から±１０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。ただし、結晶成長の状態に応じて、隣り合う２つの前記平行な基準線の中間線のうちの一つを土台となる炭化珪素単結晶１１の中央から任意の距離ずらして設定することも可能である。
【０１５０】
第１方向に沿った基板中心線から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状については、段差ステップが貫通転位ＴＤを交差する際に、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率を高めるために、階段高さを２μｍ以上、階段間隔を１０ｍｍ以内とすることが好ましい。階段高さが２μｍに満たない場合、段差ステップ１２が貫通転位ＴＤを交差する際における、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。階段間隔が１０ｍｍを超える場合、段差ステップ１２が貫通転位ＴＤを交差するまでの平均距離が増大し、段差ステップ１２の形状が保てなくなって、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。また、結晶成長を行う際の土台となる元の炭化珪素単結晶１１の厚みをなるべく薄くするために、階段高さを１ｍｍ以内とし、階段間隔を１０μｍ以上とすることが好ましい。このことから、階段高さは２μｍ以上、１ｍｍ以内、階段間隔は１０μｍ以上、１０ｍｍ以内が好ましい範囲となる。一般的な元の炭化珪素単結晶１１の厚みが数ｍｍ以下であること、階段形状の形成における実用的な高さは１００μｍ以下であることから、階段高さは２μｍ以上１００μｍ以内、階段間隔は１００μｍ以上、１ｍｍ以内が、より好ましい範囲となる。階段数については、基準線ＡＡ′、ＢＢ′から数えて最低では１段であるが、結晶成長を行う際の土台となる元の炭化珪素単結晶１１が直径数ｃｍ以上であるような場合で、階段間隔が１０ｍｍ以内である場合、階段数を５段以上とするのが好ましい。
【０１５１】
階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成する方法としては、第１の実施の形態と同様に、半導体プロセス等で用いられるリソグラフィーが一般的である。炭化珪素単結晶上にマスクを形成し、マスクをパターニング後、開口部である炭化珪素単結晶表面に対し、エッチング（例えば、ＣＦ４もしくはＳＦ６等のエッチングガスを用いた反応性プラズマによるドライエッチング）を行う。マスクとしては、炭化珪素単結晶面を２μｍ以上エッチング可能な選択比を有するマスク、もしくはエッチング条件であれば良く、例えば、マスクとしてレジスト膜はあらゆる形状のパターニングができるため、任意のストライプの形成が可能である。
【０１５２】
一方、ＳｉＯ２膜、アルミニウム膜、ニッケル膜等の一般に炭化珪素に対し、選択比が高い材料をマスクとして用い、階段形状の階段高さを数μｍ以上にすることができる。この他、機械加工やレーザー加工、電気化学エッチング等が適用可能であると考えられるが、原理的に本発明に記載されている貫通転位の屈折と結晶外部への排出の効果を呈するものであれば、どのような方法でも本発明に適用可能である。
【０１５３】
階段形状を形成した後の新たな炭化珪素単結晶層の結晶成長は、階段形状を形成した炭化珪素単結晶１１と同じ結晶型の単結晶成長であれば良く、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、昇華法あるいは溶液成長法も含まれる。一般的に、階段形状を形成した炭化珪素単結晶と同じ結晶型の単結晶成長を得るために、結晶成長温度は１４００〜２５００℃であることが好ましい。
【０１５４】
化学気相堆積（ＣＶＤ）法では、一般的に原料としてＳｉＨ４等のＳｉを含んだガスと、Ｃ３Ｈ８またはＣ２Ｈ4等のＣを含んだガスとを用いて、炭化珪素単結晶ウエハ上に新たな炭化珪素単結晶層を得ることができる。
【０１５５】
また、昇華法では通常、坩堝内に原料の炭化珪素粉末を入れると共に、坩堝の内側上面に炭化珪素粉末と対面する形で炭化珪素種結晶を設置する。このとき、坩堝を２２００℃以上まで加熱することで、炭化珪素粉末を昇華させる。昇華した炭化珪素粉末は、対面する炭化珪素単結晶１１上で再結晶化され、種結晶上に新たな炭化珪素単結晶が成長される。
【０１５６】
溶液成長法では、坩堝内に原料の珪素塊を入れて、珪素の融点以上の温度にして液体とするとともに、坩堝を炭素材とすることなどで炭素を珪素液体に混入させて、珪素と炭素からなる溶液をつくる。炭素の融解度を向上させるために、金属などの添加物を溶液に混入させる場合もある。このようにして出来た溶液に、炭化珪素単結晶１１を触れさせることで、炭化珪素単結晶１１上に新たな炭化珪素単結晶層が結晶成長される。
【０１５７】
結晶成長の土台となる炭化珪素単結晶１１の第１方向に平行な基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、第１方向と直交する第２方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成し、新たな炭化珪素単結晶層を十分な厚さ結晶成長させることで、結晶成長時に階段状の段差ステップ１２が貫通転位ＴＤを交差することで、元の炭化珪素単結晶１１に含まれていた貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに変換され、その屈折欠陥ＤＤが結晶端より結晶外部に排出されることで、貫通転位ＴＤの密度が低減された新たな炭化珪素単結晶層を得ることができる。
【０１５８】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１１よりも貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで、貫通転位ＴＤが低減された炭化珪素単結晶ウエハを作製することができる。また、かかる炭化珪素単結晶ウエハを用いて炭化珪素半導体素子を製造することができる。製造可能な炭化珪素半導体素子には、ショットキーバリヤダイオード（ＳＢＤ）、接合障壁型ダイオード（ＪＢＳ）、マージドピンショットキーダイオード（ＭＰＳ）ダイオード、接合電界効果トランジスタ（Ｊ−ＦＥＴ）、金属／酸化膜／半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）等のユニポーラ素子、及びｐｎダイオード、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のバイポーラ素子が含まれる。
【０１５９】
本形態にかかる炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１１よりも貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、オフ角を設定した第１方向に沿った複数（本形態では２本）の任意の基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域と、隣り合う基準線ＡＡ′、ＢＢ′の中間線から第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域に、単結晶ウエハに含まれる貫通転位ＴＤの総数の５０％以上が含まれるようにすることができる。
【０１６０】
図９は、図８に示す元の炭化珪素単結晶よりも貫通転位密度の小さい炭化珪素単結晶層をＣ−Ｃ′、Ｄ−Ｄ′に沿ってスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハの概略図である。図９に示されるように、図８に示すオフ角を設定した第１方向に沿った基準線ＡＡ′近傍と基準線ＢＢ′近傍ならびに基準線ＡＡ′と基準線ＢＢ′の中間線ＥＥ′近傍のみに貫通転位ＴＤが存在している。なお、このときの基準線ＡＡ′、ＢＢ′の数は複数であれば、任意である。
【０１６１】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１１よりも貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、オフ角を設定した第１方向に沿った複数の任意の基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域と、隣り合う基準線ＡＡ′、ＢＢ′の中間線から第１方向と直交する両側の第２方向に向かって±５ｍｍの幅の領域に、単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位ＴＤの総数の５０％以上が含まれるように構成するのが望ましい。
【０１６２】
さらに、本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１１よりも貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハに対して、再度本形態と同様な炭化珪素単結晶の製造方法を適用することで、元の炭化珪素単結晶１１よりもさらに貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層を製造することができる。このとき、一回目の結晶成長における基準線ＡＡ′、ＢＢ′と二回目の結晶成長における基準線ＡＡ′、ＢＢ′の基底面内における＜１１−２０＞方向に対する角度を回転させることで、基準線ＡＡ′、ＢＢ′の付近に残存する貫通転位ＴＤを一回目の基準線ＡＡ′と二回目の基準線ＢＢ′の交点付近を除いて排出することができる。このときの回転角は、５°以上が好ましいが、第一回目の基準線ＡＡ′が［１１−２０］方向に概略平行であった場合は、第二回目の基準線ＡＡ′、ＢＢ′は第一回目の基準線ＡＡ′、ＢＢ′から±６０°回転した［−２１１０］もしくは［１−２１０］方向と概平行（［−２１１０］もしくは［１−２１０］方向から±１０°以内）にすること、第一回目の基準線ＡＡ′、ＢＢ′が［１−１００］方向に概略平行であった場合は、第二回目の基準線ＡＡ′、ＢＢ′は第一回目の基準線ＡＡ′、ＢＢ′から±６０°回転した  ［１０−１０］もしくは［０−１１０］方向と概平行（［１０−１０］もしくは［０−１１０］方向から±１０°以内）にすることが好ましい。
【０１６３】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶１１よりも貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハに対して、中心線を５°以上、もしくは６０°±１０°回転させて再度同様な炭化珪素単結晶の製造方法を適用して作製された元の炭化珪素単結晶１１よりもさらに貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、第一回目の結晶成長時に設定した複数（本形態では２本）の基準線ＡＡ′、ＢＢ′ならびに隣り合う２つの基準線ＡＡ′、ＢＢ′の中間線と、第二回目の結晶成長時に設定した複数の基準線ＡＡ′、ＢＢ′ならびに隣り合う２つの基準線ＡＡ′、ＢＢ′の中間線とが交差する複数の点からそれぞれ直径１ｃｍ２以内の合計領域に、単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位ＴＤの総数の５０％以上が含まれるように構成するのが望ましい。
【０１６４】
＜第３の実施の形態＞
図１０、図１１に本発明の第３の実施の形態における段差形状を形成した炭化珪素単結晶の平面図と断面図を示す。本形態では、図１０および図１１に示すように、結晶成長主面となる基底面から［１１−２０］方向にオフ角を有する炭化珪素単結晶２１上に、［１１−２０］方向と直交する単一の基準線ＡＡ′、もしくは複数の基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、［１１−２０］方向とその反対の［−１−１２０］方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状が形成されている。このとき、基準線ＡＡ′、ＢＢ′の数は任意である。
【０１６５】
前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶２１には貫通転位ＴＤが含まれており、貫通転位ＴＤの先端は炭化珪素単結晶２１の表面に現れている。また、結晶成長主面となる基底面｛０００１｝から［１１−２０］方向にオフ角を設定したことで、［１−１００］方向に概ね平行な微視的ステップが形成されている。さらに、前記段差形状を形成したことで、［１−１００］方向に平行な高さｈを有する段差ステップ２２が、概ね間隔ｗで形成されている。
【０１６６】
前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶２１の上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合、［１−１００］方向に平行な段差ステップ２２が［−１−１２０］方向に進行すると同時に、［１−１００］方向に平行な高さｈを有する段差ステップが［−１−１２０］とその反対の［１１−２０］方向に進行する。
【０１６７】
図１０に示すように基準線が単一である場合においては、基準線ＡＡ′より［−１−１２０］方向側と［１１−２０］方向側においては，ほとんどの貫通転位ＴＤは段差ステップ２２によって屈折欠陥ＤＤに転換されて、それ以降においては基底面を伝播するため、最終的にはウエハ端において、結晶の外部に排出される。屈折欠陥を結晶の外部に排出する上で、屈折欠陥のｃ軸から傾き角は大きい方が効率的で、４０°以上、より好ましくは４５°以上であることが好ましい。このとき、ウエハ中心線付近の階段形状の最上段に位置する貫通転位ＴＤは、結晶成長時に段差ステップ２２が交差することが無いため、屈折欠陥ＤＤに転換されずに、貫通転位ＴＤのまま結晶表面に向かって伝播し続ける。
【０１６８】
図１１に示すように基準線が複数である場合においては、基準線ＡＡ′より炭化珪素単結晶２１の外側（基準線ＡＡ′より［１１−２０］方向）と、基準線ＢＢ′より炭化珪素単結晶２１の外側（基準線ＢＢ′より［−１−１２０］方向）においては、ほとんどの貫通転位ＴＤは段差ステップ２２によって屈折欠陥ＤＤに転換されて、それ以降においては基底面を伝播するため、最終的にはウエハ端において、結晶の外部に排出される。このとき、基準線ＡＡ′ならびに基準線ＢＢ′付近の階段形状の最上段に位置する貫通転位ＴＤは、結晶成長時に段差ステップ２２が交差することが無いため、屈折欠陥ＤＤに転換されずに、貫通転位ＴＤのまま結晶表面に向かって伝播し続ける。
【０１６９】
一方、基準線ＡＡ′より炭化珪素単結晶２１の内側（基準線ＡＡ′より［−１−１２０］方向）と、基準線ＢＢ′より単結晶の内側（基準線ＢＢ′より［１１−２０］方向）においては、ほとんどの貫通転位ＴＤは段差ステップ２２によって屈折欠陥ＤＤに転換されて、それ以降においては基底面を伝播するため、基準線ＡＡ′と基準線ＢＢ′の中間付近に集められ、最終的には貫通転位ＴＤに再度転換されて、結晶の表面に向かって伝播し続ける。
【０１７０】
ここで、基準線が単一もしくは複数である両者の場合において、結晶成長主面は、新たな炭化珪素単結晶層の成長工程において、新たな炭化珪素単結晶層の品質が劣化しないために、結晶成長主面は基底面より１０°以下（０．１°〜１０°）のオフ角を有することが好ましい。ここで、オフ角が大きくなるほど屈折欠陥ＤＤを排出するのに必要な結晶厚が増加するとともに、オフ角が小さくなるほど新たな貫通転位ＴＤの生成頻度が高まるため、０．５°〜５°のオフ角を有することがより好ましい。
【０１７１】
さらに、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状については、段差ステップ２２が貫通転位を交差する際に、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率を高めるために、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を｛０００１｝面から４５°以上、より好ましくは５５°以上とすることが好ましい。また、階段の角度が基底面と（０３−３８）面とがなす角度に相当する５４.７°に満たない場合、段差ステップ２２が貫通転位ＴＤを交差する際における、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。さらに、階段の角度が基底面から４５°に満たない場合は、多くの貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存することになる。
【０１７２】
また、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成する際に、新たな炭化珪素単結晶層の成長工程において、新たな炭化珪素単結晶層の品質が劣化しないために、階段状に結晶厚みを減少させる方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、もしくは＜１−１００＞方向から±１０度以内とすることが好ましい。ただし、結晶成長の状態に応じて、階段状に結晶厚みを減少させる方向を任意の方向にすることも可能である。
【０１７３】
また、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、屈折欠陥ＤＤがウエハ端に排出されるまでの最長の距離を小さくするために、１）基準線が単一である場合においては、階段状に結晶厚みを減少させる方向と直交する基準線ＡＡ′を土台となる炭化珪素単結晶２１の中央から±１０ｍｍの範囲、２）基準線が複数である場合においては、階段状に結晶厚みを減少させる方向と直交する基準線ＡＡ′を土台となる炭化珪素単結晶２１の中央から±１０ｍｍの範囲、に設定することが好ましい。ただし、結晶成長の状態に応じて、基準線ＡＡ′を土台となる炭化珪素単結晶２１の中央から任意の距離ずらして設定することや、炭化珪素単結晶２１の端部に設定することも可能である。
【０１７４】
基準線が単一もしくは複数である両者の場合において、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状については、段差ステップ２２が貫通転位ＴＤを交差する際に、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率を高めるために、階段高さを２μｍ以上、階段間隔を１０ｍｍ以内とすることが好ましい。階段高さが２μｍに満たない場合、段差ステップ２２が貫通転位ＴＤを交差する際における、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して新たな炭化珪素単結晶層内に残存する割合が高まる。階段間隔が１０ｍｍを超える場合、段差ステップ２２が貫通転位ＴＤを交差するまでの平均距離が増大し、段差ステップ形状が保てなくなって、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して新たな炭化珪素単結晶層内に残存する割合が高まる。また、結晶成長を行う際の土台となる元の炭化珪素単結晶２１の厚みをなるべく薄くするために、階段高さを１ｍｍ以内とし、階段間隔を１０μｍ以上とすることが好ましい。このことから、階段高さは２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔は１０μｍ以上、１０ｍｍ以内が好ましい範囲となる。一般的な元の炭化珪素単結晶２１の厚みが数ｍｍ以下であること、階段形状の形成における実用的な高さは１００μｍ以下であることから、階段高さは２μｍ以上１００μｍ以内、階段間隔は１００μｍ以上１ｍｍ以内が、より好ましい範囲となる。階段数については、基準線ＡＡ′、ＢＢ′から数えて最低では１段であるが、結晶成長を行う際の土台となる元の炭化珪素単結晶２１が直径数ｃｍ以上であるような場合で、階段間隔を１０ｍｍ以内である場合、階段数は５段以上が好ましい。
【０１７５】
階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成する方法としては、第１および第２の実施の形態と同様に、半導体プロセス等で用いられるリソグラフィーが一般的である。すなわち、炭化珪素単結晶２１上にマスクを形成し、マスクをパターニング後、開口部である炭化珪素単結晶表面に対し、エッチング（例えば、ＣＦ４もしくはＳＦ６等のエッチングガスを用いた反応性プラズマによるドライエッチング）を行う。マスクとしては、炭化珪素単結晶面を１μｍ以上エッチング可能な選択比を有するマスク、もしくはエッチング条件であれば良く、例えば、マスクとしてレジスト膜はあらゆる形状のパターニングができるため、任意のストライプの形成が可能である。
【０１７６】
一方、ＳｉＯ２膜、アルミニウム膜、ニッケル膜等の一般に炭化珪素に対し、選択比が高い材料をマスクとして用い、階段形状の階段高さを数μｍ以上にすることができる。この他、機械加工やレーザー加工、電気化学エッチング等が適用可能であると考えられるが、原理的に本発明に記載されている貫通転位ＴＤの構造転換と結晶外部への排出の効果を呈するものであれば、どのような方法でも本発明に適用可能である。
【０１７７】
階段形状を形成した後の新たな炭化珪素単結晶層の結晶成長は、階段形状を形成した炭化珪素単結晶２１と同じ結晶型の単結晶成長であれば良く、化学気相堆積(ＣＶＤ)法、昇華法あるいは溶液成長法も含まれる。一般的に、階段形状を形成した炭化珪素単結晶２１と同じ結晶型の単結晶成長を得るために、結晶成長温度は１４００〜２５００℃であることが好ましい。
【０１７８】
化学気相堆積法では、一般的に原料としてＳｉＨ４等のＳｉを含んだガスと、Ｃ３Ｈ８またはＣ２Ｈ4等のＣを含んだガスとを用いて、炭化珪素単結晶ウエハ上に新たな炭化珪素単結晶層を得ることができる。
【０１７９】
また、昇華法では通常、坩堝内に原料の炭化珪素粉末を入れると共に、坩堝の内側上面に炭化珪素粉末と対面する形で炭化珪素種結晶を設置する。このとき、坩堝を２２００℃以上まで加熱することで、炭化珪素粉末を昇華させる。昇華した炭化珪素粉末は、対面する炭化珪素種結晶上で再結晶化され、種結晶上に新たな炭化珪素単結晶が成長される。
【０１８０】
溶液成長法では、坩堝内に原料の珪素塊を入れて、珪素の融点以上の温度にして液体とするとともに、坩堝を炭素材とすることなどで炭素を珪素液体に混入させて、珪素と炭素からなる溶液をつくる。炭素の融解度を向上させるために、金属などの添加物を溶液に混入させる場合もある。このようにして出来た溶液に、炭化珪素単結晶を触れさせることで、炭化珪素単結晶上に新たな炭化珪素単結晶層が結晶成長される。
【０１８１】
結晶成長の土台となる炭化珪素単結晶２１の基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、基準線と直交する方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成し、新たな炭化珪素単結晶層を十分な厚さ結晶成長することで、結晶成長時に階段状の段差ステップ２２が貫通転位ＴＤを交差することで、元の炭化珪素単結晶２１に含まれていた貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに変換され、その屈折欠陥ＤＤが結晶端より結晶外部に排出されることで、貫通転位ＴＤの密度が低減された炭化珪素単結晶層を得ることができる。
【０１８２】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶２１よりも貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで、貫通転位ＴＤが低減された炭化珪素単結晶ウエハを作製することができる。また、かかる炭化珪素単結晶ウエハを用いて炭化珪素半導体素子を製造することができる。製造可能な炭化珪素半導体素子には、ショットキーバリヤダイオード（ＳＢＤ）、接合障壁型ダイオード（ＪＢＳ）、マージドピンショットキーダイオード（ＭＰＳ）ダイオード、接合電界効果トランジスタ（Ｊ−ＦＥＴ）、金属／酸化膜／半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）等のユニポーラ素子、及びｐｎダイオード、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のバイポーラ素子が含まれる。
【０１８３】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶２１よりも貫通転位ＴＤの小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、オフ角を設定した第１方向と直交する単一の基準線ＡＡ′から、第一方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、もしくはオフ角を設定した第１方向と直交する複数の任意の基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域と、隣り合う基準線ＡＡ′、ＢＢ′の中間線から第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域に、単結晶ウエハに含まれる貫通転位ＴＤの総数の５０％以上が含まれるように構成するのが好適である。
【０１８４】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶２１よりも貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、オフ角を設定した第１方向と直交する単一の基準線ＡＡ′から、第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域、もしくはオフ角を設定した第１方向と直交する複数の任意の基準線ＡＡ′、ＢＢ′から、第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域と、隣り合う中心線の中間線から第１方向に向かって±５ｍｍの幅の領域に、単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位の総数の５０％以上が含まれるように構成するのが好適である。
【０１８５】
このとき、ウエハの端部付近の階段形状の最上段に位置する貫通転位ＴＤは、結晶成長時に段差ステップ３２が交差することが無いため、屈折欠陥ＤＤに転換されずに、貫通転位ＴＤのまま結晶表面に向かって伝播し続ける。
【０１８６】
＜第４の実施の形態＞
図１２、図１３、図１４，図１５に本発明の第４の実施の形態における段差形状を形成した炭化珪素単結晶の平面図と断面図を示す。本形態では、図１２あるいは図１３に示すように、結晶成長主面となる基底面から［１１−２０］方向にオフ角を有する炭化珪素単結晶３１上に、単結晶の一方の端部から、［１１−２０］方向の反対方向となる［−１−１２０］方向から３０°の角度を有する［０−１−１０］方向、もしくは［−１０−１０］方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状が形成されている。また、図１４あるいは図１５に示すように、結晶成長主面となる基底面から［１１−２０］方向にオフ角を有する炭化珪素単結晶３１上に、単結晶の一方の端部から、オフ角を設定した第1方向と平行な単一もしくは複数の基準線（図１４、図１５中のＡＡ′）を境として、［１１−２０］方向の反対方向となる［−１−１２０］方向から３０°の角度を有する［０−１−１０］方向と［−１０−１０］方向の両方に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成してもよい。
【０１８７】
前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶３１には貫通転位ＴＤが含まれており、貫通転位ＴＤの先端は炭化珪素単結晶３１の表面に現れている。また、結晶成長主面となる基底面｛０００１｝から［１１−２０］方向にオフ角を設定したことで、［１１−２０］方向と直交する［１−１００］方向に概ね平行な微視的ステップが形成されている。さらに、前記段差形状を形成したことで、［２−１−１０］方向もしくは［−１２−１０］方向に平行な高さｈを有する段差ステップ３２が、概ね間隔ｗで形成されている。
【０１８８】
前記段差形状を形成した炭化珪素単結晶３１の上に新たな炭化珪素単結晶層を成長させた場合、［２−１−１０］方向もしくは［−１２−１０］方向に平行な高さｈを有する段差ステップ３２が、それぞれ［０−１−１０］方向もしくは［−１０−１０］方向に進行する。
【０１８９】
ほとんどの貫通転位ＴＤは段差ステップ３２によって屈折欠陥ＤＤに転換されて、それ以降においてはｃ軸方向から基底面側に大きく傾きながら、段差ステップの進行方向と［−１−１２０］方向の間の方向に向かって単結晶内を伝播するため、最終的にはウエハ端において、結晶の外部に排出される。屈折欠陥を結晶の外部に排出する上で、屈折欠陥のｃ軸から傾き角は大きい方が効率的で、４０°以上、より好ましくは４５°以上であることが好ましい。ここで、図１５のように、［２−１−１０］方向に平行な段差ステップと、［−１２−１０］方向に平行な段差ステップが連続的に形成されている場合には、貫通転位ＴＤは段差ステップ３２によって屈折欠陥ＤＤに転換されて、それ以降においてはｃ軸方向から基底面側に大きく傾きながら、段差ステップ３２の進行方向である［２−１−１０］方向と［−１２−１０］方向の中間方向である［−１−１２０］方向に向かって単結晶内を伝播するため、最終的にはウエハ端において、結晶の外部に排出される。このとき、ウエハの端部付近の階段形状の最上段に位置する貫通転位ＴＤは、結晶成長時に段差ステップ３２が交差することが無いため、屈折欠陥ＤＤに転換されずに、貫通転位ＴＤのまま結晶表面に向かって伝播し続ける。
【０１９０】
図１２、図１３、図１４、図１５では、結晶成長主面となる基底面から［１１−２０］方向にオフ角を有する炭化珪素単結晶３１上に、単結晶の一方の端部から、［１１−２０］方向と３０°の角度を有する［０−１−１０］方向、もしくは［−１０−１０］方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状が形成したが、単結晶の任意の場所から、［１１−２０］方向と３０°の角度を有する［０−１−１０］方向、もしくは［−１０−１０］方向、さらに同時に、それらの反対方向となる［１０−１０］方向、もしくは［０１−１０］方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状でも良い。
【０１９１】
ここで、結晶成長主面は、新たな炭化珪素単結晶層の成長工程において、新たな炭化珪素単結晶層の品質が劣化しないために、結晶成長主面は基底面より１０°以下（０．１°〜１０°）のオフ角を有することが好ましい。ここで、オフ角が大きくなるほど屈折欠陥ＤＤを排出するのに必要な結晶厚が増加するとともに、オフ角が小さくなるほど新たな貫通転位ＴＤの生成頻度が高まるため、０．５°〜５°のオフ角を有することがより好ましい。
【０１９２】
また、新たな炭化珪素単結晶層の成長工程において、新たな炭化珪素単結晶層の品質が劣化しないために、オフ角を設定する方向を＜１１−２０＞方向から±１０度以内、もしくは＜１−１００＞方向から±１０度以内とすることが好ましい。ただし、結晶成長の状態に応じて、オフ角を設定する方向を任意の方向にすることも可能である。
【０１９３】
さらに、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状については、段差ステップ３２が貫通転位を交差する際に、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率を高めるために、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成しておく際に、階段の角度を｛０００１｝面から４５°以上、より好ましくは５５°以上とすることが好ましい。また、階段の角度が基底面と（０３−３８）面とがなす角度に相当する５４.７°に満たない場合、段差ステップ３２が貫通転位ＴＤを交差する際における、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存する割合が高まる。さらに、階段の角度が基底面から４５°に満たない場合は、多くの貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して結晶内に残存することになる。
【０１９４】
階段状に結晶厚みを減少させる断面形状については、段差ステップ３２が貫通転位ＴＤを交差する際に、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率を高めるために、階段高さを２μｍ以上、階段間隔を１０ｍｍ以内とすることが好ましい。階段高さが２μｍに満たない場合、段差ステップ３２が貫通転位ＴＤを交差する際における、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して新たな炭化珪素単結晶層内に残存する割合が高まる。階段間隔が１０ｍｍを超える場合、段差ステップ３２が貫通転位ＴＤを交差するまでの平均距離が増大し、段差ステップ形状が保てなくなって、貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換される確率が低下するため、貫通転位ＴＤがｃ軸方向に伝播して新たな炭化珪素単結晶層内に残存する割合が高まる。また、結晶成長を行う際の土台となる元の炭化珪素単結晶３１の厚みをなるべく薄くするために、階段高さを１ｍｍ以内とし、階段間隔を１０μｍ以上とすることが好ましい。このことから、階段高さは２μｍ以上１ｍｍ以内、階段間隔は１０μｍ以上、１０ｍｍ以内が好ましい範囲となる。一般的な元の炭化珪素単結晶３１の厚みが数ｍｍ以下であること、階段形状の形成における実用的な高さは１００μｍ以下であることから、階段高さは２μｍ以上１００μｍ以内、階段間隔は１００μｍ以上１ｍｍ以内が、より好ましい範囲となる。階段数については、最低では１段であるが、結晶成長を行う際の土台となる元の炭化珪素単結晶３１が直径数ｃｍ以上であるような場合で、階段間隔を１０ｍｍ以内である場合、階段数は５段以上が好ましい。
【０１９５】
階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成する方法としては、第１および第２の実施の形態と同様に、半導体プロセス等で用いられるリソグラフィーが一般的である。すなわち、炭化珪素単結晶３１上にマスクを形成し、マスクをパターニング後、開口部である炭化珪素単結晶表面に対し、エッチング（例えば、ＣＦ４もしくはＳＦ６等のエッチングガスを用いた反応性プラズマによるドライエッチング）を行う。マスクとしては、炭化珪素単結晶面を１μｍ以上エッチング可能な選択比を有するマスク、もしくはエッチング条件であれば良く、例えば、マスクとしてレジスト膜はあらゆる形状のパターニングができるため、任意のストライプの形成が可能である。
【０１９６】
一方、ＳｉＯ２膜、アルミニウム膜、ニッケル膜等の一般に炭化珪素に対し、選択比が高い材料をマスクとして用い、階段形状の階段高さを数μｍ以上にすることができる。この他、機械加工やレーザー加工、電気化学エッチング等が適用可能であると考えられるが、原理的に本発明に記載されている貫通転位ＴＤの構造転換と結晶外部への排出の効果を呈するものであれば、どのような方法でも本発明に適用可能である。
【０１９７】
階段形状を形成した後の新たな炭化珪素単結晶層の結晶成長は、階段形状を形成した炭化珪素単結晶３１と同じ結晶型の単結晶成長であれば良く、化学気相堆積(ＣＶＤ)法、昇華法あるいは溶液成長法も含まれる。一般的に、階段形状を形成した炭化珪素単結晶３１と同じ結晶型の単結晶成長を得るために、結晶成長温度は１４００〜２５００℃であることが好ましい。
【０１９８】
化学気相堆積法では、一般的に原料としてＳｉＨ４等のＳｉを含んだガスと、Ｃ３Ｈ８またはＣ２Ｈ4等のＣを含んだガスとを用いて、炭化珪素単結晶ウエハ上に新たな炭化珪素単結晶層を得ることができる。
【０１９９】
また、昇華法では通常、坩堝内に原料の炭化珪素粉末を入れると共に、坩堝の内側上面に炭化珪素粉末と対面する形で炭化珪素種結晶を設置する。このとき、坩堝を２２００℃以上まで加熱することで、炭化珪素粉末を昇華させる。昇華した炭化珪素粉末は、対面する炭化珪素種結晶上で再結晶化され、種結晶上に新たな炭化珪素単結晶が成長される。
【０２００】
溶液成長法では、坩堝内に原料の珪素塊を入れて、珪素の融点以上の温度にして液体とするとともに、坩堝を炭素材とすることなどで炭素を珪素液体に混入させて、珪素と炭素からなる溶液をつくる。炭素の融解度を向上させるために、金属などの添加物を溶液に混入させる場合もある。このようにして出来た溶液に、炭化珪素単結晶を触れさせることで、炭化珪素単結晶上に新たな炭化珪素単結晶層が結晶成長される。
【０２０１】
結晶成長の土台となる炭化珪素単結晶３１の一方の端部から、オフ方向の反対方向と３０°の角度を有する方向に向かって、階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成し、新たな炭化珪素単結晶層を十分な厚さ結晶成長することで、結晶成長時に階段状の段差ステップ３２が貫通転位ＴＤを交差することで、元の炭化珪素単結晶３１に含まれていた貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに変換され、その屈折欠陥ＤＤが結晶端より結晶外部に排出されることで、貫通転位ＴＤの密度が低減された炭化珪素単結晶層を得ることができる。
【０２０２】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶３１よりも貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで、貫通転位ＴＤが低減された炭化珪素単結晶ウエハを作製することができる。また、かかる炭化珪素単結晶ウエハを用いて炭化珪素半導体素子を製造することができる。製造可能な炭化珪素半導体素子には、ショットキーバリヤダイオード（ＳＢＤ）、接合障壁型ダイオード（ＪＢＳ）、マージドピンショットキーダイオード（ＭＰＳ）ダイオード、接合電界効果トランジスタ（Ｊ−ＦＥＴ）、金属／酸化膜／半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）等のユニポーラ素子、及びｐｎダイオード、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のバイポーラ素子が含まれる。
【０２０３】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶３１よりも貫通転位ＴＤの小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、単結晶の一端から１０ｍｍ以内、より好ましくは５ｍｍ以内の領域に、もしくは任意の場所に設定した階段形状の最上段領域に、単結晶ウエハに含まれる貫通転位ＴＤの総数の５０％以上が含まれるように構成するのが好適である。
【０２０４】
本形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法により作製された元の炭化珪素単結晶３１よりも貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶層をスライスすることで得られた炭化珪素単結晶ウエハは、単結晶の一端から１０ｍｍ以内、より好ましくは５ｍｍ以内の領域に、もしくは任意の場所に設定した階段形状の最上段領域に、単結晶ウエハに含まれるバーガーズベクトルにｃ軸方向成分を有する貫通転位の総数の５０％以上が含まれるように構成するのが好適である。
【０２０５】
次に、本発明の炭化珪素単結晶の製造方法の具体的な実施例を説明する。
【０２０６】
＜実施例１＞
実施例１は、炭化珪素単結晶１中に含まれる貫通転位密度の低減方法を利用した第１の実施の形態（図１、図２、図３参照）における製造方法に係る。この製造方法によれば、炭化珪素単結晶内における貫通転位ＴＤを屈折欠陥ＤＤに転換し、屈折欠陥ＤＤを結晶外部に排出させたものである。この結果、貫通転位ＴＤの密度が小さい炭化珪素単結晶ウエハを得ることができる。これにより、貫通転位ＴＤによる素子特性への影響がない炭化珪素半導体素子を得ることができる。その結果として、当該炭化珪素半導体素子を組み込んだインバ−タ等の応用機器の信頼性を向上させることができる。
【０２０７】
以下、実施例１を工程順に具体的に説明する。
１）炭化珪素単結晶の用意
炭化珪素単結晶基板、もしくは、基板上に基板と同一の結晶型のエピタキシャル膜を成長させた炭化珪素単結晶基板を用意する。炭化珪素単結晶基板を切り出すインゴットの製法や、エピタキシャル膜の成長方法としては、既に各種の方法が開発、実用化され、市販されており、そのいずれの方法を用いて炭化珪素単結晶１を用意してもよい。
【０２０８】
製造対象の炭化珪素単結晶１におけるエピタキシャル膜や基板の結晶型としては六方晶、積層周期は４回（４Ｈ−ＳｉＣ）もしくは６回（６Ｈ−ＳｉＣ）、結晶面としては（０００−１）Ｃ面もしくは（０００１）Ｓｉ面、オフ角は基底面より０°〜１０°が望ましい。オフカット方向は＜１１−２０＞方向から±１０度以内が望ましいが、これに限定されることなく、＜１−１００＞方向もしくは任意の方向であっても良い。炭化珪素単結晶は、半導体用途のみでなく、その他の用途の炭化珪素単結晶が製造対象となる。
【０２０９】
２）炭化珪素単結晶上に対する階段状断面形状の形成
図１に示したように、炭化珪素単結晶１上に、半導体プロセスで用いられるリソグラフィーによって、基底面から５５°以上の傾斜角度αの傾斜面を保った階段断面形状を形成する。すなわち、炭化珪素単結晶１にマスクを形成し、マスクをパターニング後、開口部である炭化珪素単結晶１の表面をエッチングする。もしくは、機械加工やレーザー加工、電気化学エッチング等によって、階段断面形状を形成しても良い。
【０２１０】
階段状断面形状は、＜１１−２０＞方向に概略平行な基準線ＡＡ′を境として、基準線ＡＡ′と直交する＜１−１００＞方向、＜−１１００＞方向の両側の単結晶基板端に向かって、結晶厚みが段階的に減少するように形成する。図１に示したように、＜１１−２０＞方向に概略平行な基準線ＡＡ′を炭化珪素単結晶基板の概略中央を通るように設定するのが望ましいが、図５に示すように、基準線ＡＡ′を単結晶基板の中央からずらして設定することも可能である。階段数は、基準線ＡＡ′から最低では１段となるが、多くの場合、直径数インチ、例えば、２〜６インチの炭化珪素単結晶ウエハ上に、基準線ＡＡ′から両側にそれぞれ５〜５００段の段差を形成する。
【０２１１】
階段状断面を形成するための方法としては、一段ごとにマスク材を単結晶上に形成しテーパーターニングとエッチングを行う方法、あらかじめマスク材に複数の階段形状をパターニングにて形成しておいてエッチングを行う方法、もしくは機械加工やレーザー加工、電気化学エッチング等によって、階段断面形状を形成する方法が挙げられる。特に、多数の階段形状を形成する場合には、マスクのパターニング工程においてマスクの任意形状の制御が可能なレジスト膜を２μｍ以上塗布してレーザー描画装置によって３次元的にパターニングを行う方法、もしくは、１００ｎｍ〜数μｍ程度のＳｉＯ２膜等をマスクとして用い、ウェットエッチング等のパターニングによってテーパー角を形成する方法を好適に適用できる。
【０２１２】
また、エッチング方法としては、ＣＦ４もしくはＳＦ６等のＦを含むエッチングガスを用いた反応性プラズマによるドライエッチングが挙げられる。ドライエッチングの工程において、エッチングレートおよびエッチング選択比を安定にするために、マスクのパターニングされた炭化珪素単結晶をエッチング支持台等に貼り付ける方法、基板電極を冷却する方法が挙げられる。
【０２１３】
階段状断面の形成工程によって、段差傾斜面および表面に結晶欠陥や汚染等のダメ−ジが誘起されることがある。このため、エッチング工程中におけるアルゴンガスを用いたドライエッチングによる表面平坦化処理、エッチング工程後に１２００℃程度の温度の酸素雰囲気中にて表面を酸化し、酸化膜をエッチングによって除去する処理、もしくは、新たな炭化珪素単結晶層を結晶させる工程において、１５００℃程度の高温水素エッチングや高温塩化水素エッチング等の単結晶成長前処理を行う。これにより、段差傾斜面および表面の結晶欠陥や汚染等のダメ−ジを除去することができる。
【０２１４】
３）炭化珪素単結晶に対する新たな炭化珪素単結晶層の形成
階段状断面を形成した後の新たな炭化珪素単結晶層の結晶成長は、炭化珪素単結晶ウエハと同じ結晶型の単結晶成長を行うため、化学気相堆積法もしくは昇華法あるいは溶液成長法を用いる。このとき、図２および図３に示したように、階段状断面を形成した後の新たな炭化珪素単結晶層の結晶成長によって、炭化珪素単結晶ウエハ内の貫通転位は、ｃ軸方向から基底面側に大きく傾いて屈折欠陥ＤＤとなって、結晶外部へ排出することができる。
【０２１５】
＜実施例２＞
実施例２は、上記の炭化珪素単結晶ウエハ中に含まれる貫通転位密度の低減方法を利用した第１の実施の形態（図１、図２、図３参照）の製造方法に係る。本実施例において、炭化珪素単結晶１は、昇華法により得られた六方晶４回周期ＳｉＣ（４Ｈ−ＳｉＣ）単結晶インゴットをスライスすることによって得た。結晶面としては（０００−１）Ｃ面、オフ角は基底面より４°、オフカット向は［１１−２０］方向とした。
【０２１６】
新たな炭化珪素単結晶層を成長する（０００−１）Ｃ面は、スライスやその後の機械研磨による表面ダメ−ジを除去するために化学機械研磨（ＣＭＰ）を適用した。
【０２１７】
炭化珪素単結晶の（０００−１）Ｃ面上に、厚さ６μｍのＳｉＯ２膜を化学気相法（ＣＶＤ）法により形成した。ＣＶＤによるＳｉＯ２の堆積温度は４５０℃である。ＳｉＯ２膜の堆積後に、ＳｉＯ２膜上にレジスト膜を約１μｍ厚で塗布し、半導体プロセスで用いられるリソグラフィーによって、レジスト膜に矩形状のパターンを形成した。ここで、パターンニングによる矩形形状形成における長辺は、オフカット方向である［１１−２０］方向と概略平行となるように設定した。その後、フッ酸処理によって、レジスト膜がない領域のＳｉＯ２膜をエッチングにより除去することで、炭化珪素単結晶上に矩形状のＳｉＯ２膜を形成した。
【０２１８】
次に、矩形状のＳｉＯ２膜をマスクとして、ＳＦ６をエッチングガスとしてイオンカップリングプラズマ（ＩＣＰ）エッチングを炭化珪素単結晶に対して行い、炭化珪素単結晶の（０００−１）Ｃ面上に、［１１−２０］方向と概略平行な傾斜断面を有する段差形状を形成した。このとき、傾斜断面は、（０００−１）Ｃ面から約８０°の傾斜角度で形成された。このような、ＳｉＯ２の堆積、レジスト膜の塗布、レジスト膜のパターンニング、ＳｉＯ２エッチング、炭化珪素エッチングを繰り返すことにより、炭化珪素単結晶の概略中央を通る［１１−２０］方向に概平行な中心線から、［１１−２０］方向と直交する［−１１００］方向と［１−１００］方向に向かって、２５段の階段状に結晶厚みを減少させる断面形状を形成されている。
【０２１９】
階段状断面を形成した炭化珪素単結晶基板の詳細なパラメータは以下の通りである。
（１）  炭化珪素単結晶の種類、大きさ：４Ｈ−ＳｉＣ、直径２インチ、厚み３ｍｍ
（２）  炭化珪素単結晶基板の結晶成長主面：  （０００−１）Ｃ面
（３）  炭化珪素単結晶基板のオフカット：  ［１１−２０］方向に４°オフ
（４）  階段状断面形状の中心線：直径２インチの炭化珪素単結晶の中央から±１ｍｍ以内を通り、［１１−２０］方向に平行（［１１−２０］方向から±２°以内）
（５）  １段の階段形状の高さ、幅：高さ約１０μｍ、幅約５００μｍ
（６）  階段数：中心線から［−１１００］方向と［１−１００］方向に向かって、２５段ずつ。
【０２２０】
上記のような階段状断面を炭化珪素単結晶１の（０００−１）Ｃ面に対して形成した後に、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって、新たな４Ｈ−ＳｉＣ炭化珪素単結晶層を成長させた。化学気相堆積法による新たな４Ｈ−ＳｉＣ炭化珪素単結晶層の成長は、モノシラン（ＳｉＨ４）とプロパン（Ｃ３Ｈ８）を原料、水素（Ｈ２）をキャリアガスとして、１６００℃の成長温度、４０Ｔｏｒｒの雰囲気圧力において行った。結晶成長は、約５０時間行い、約４８０μｍの厚みの新たな炭化珪素単結晶層を形成した。
【０２２１】
図１２は、図３に対応するものである。ちなみに、図１２（ａ）は、約４８０μｍの厚みの新たな炭化珪素単結晶層を形成した後に、同炭化珪素単結晶層に対してＸ線トポグラフィ測定を行って得た欠陥像（平面像）を示す。図１２（ｂ）は、その断面模式図である。Ｘ線トポグラフィは、放射光施設においてエネルギー１７．４８ｋｅＶに単色化したＸ線を用いて、ｇ＝１１−２０の条件にて行った。図１２（ａ）において、［−１１００］方向から［−１−１２０］方向に１０°程度傾いた方向に並ぶ黒い直線状のコントラストは、元の炭化珪素単結晶内で貫通転位であったものが結晶成長時に屈折して形成された屈折欠陥（ＤＤ）に対応している。このように、本手法によって、第１方向［１１−２０］と直交する第２方向［−１１００］から第１方向の反対方向である［−１−１２０］方向に向かって１０°程度の方向に、貫通転位が屈折して、屈折欠陥ＤＤとして単結晶内を伝播させることで、結晶の外部に排出されたことが確認できる。この角度は、基底面からのオフ角や階段状段差形状、結晶成長条件によって変化するが、概ね４５°以内である。図１７は、同一の炭化珪素単結晶層の断面に対して、Ｘ線トポグラフィ測定を行って得た欠陥像（透過断面像）を示す。Ｘ線トポグラフィは、放射光施設においてエネルギー１７．４８ｋｅＶに単色化したＸ線を用いて、ｇ＝０００４の条件にて行った。このＸ線トポグラフィ測定による断面欠陥像から、元の炭化珪素単結晶内で貫通転位ＴＤであったものが、結晶成長時に屈折して、c 軸方向から基底面側に約５０°傾いた屈折欠陥となっていることが確認される。このc 軸方向から基底面側への傾き角度は、階段状段差形状、結晶成長条件によって変化するが、概ね４０°以上である。
【０２２２】
＜実施例３＞
図１３は、炭化珪素単結晶に形成した階段状段差形状の段差高さを１μｍから１０μｍまで変化させて、約４８０μｍの厚みの新たな炭化珪素単結晶層を形成した後に、同炭化珪素単結晶層対してＸ線トポグラフィ測定を行って得た欠陥像（平面像）を示す。ここで、Ｘ線トポグラフィは、放射光施設においてエネルギー１７．４８ｋｅＶに単色化したＸ線を用いて、ｇ＝１１−２８の条件にて行った。階段状段差形状の形成方法や、結晶成長方法は、実施例２と同一である。
【０２２３】
図１３（ａ）には、階段状段差形状の段差高さを１μｍであった箇所と２μｍであった箇所が撮影されている。このＸ線トポグラフィ像において、段差高さが１μｍであった箇所においては、結晶成長時に階段状段差が通り過ぎた場所においても貫通転位ＴＤが観測されており、元の炭化珪素単結晶内に含まれていた貫通転位ＴＤが転換せずに新たな結晶の表面にまで伝播していることが確認される。段差高さを１μｍであった場合には、元の炭化珪素単結晶内に含まれる貫通転位ＴＤのほぼ１００％が、転換していないことが判明した。
【０２２４】
これに対して、階段状段差形状の段差高さを２μｍとした場合には、元の炭化珪素単結晶内に含まれる貫通転位ＴＤの内の一部（２０％程度）が、新たな結晶成長時に階段状段差が通り過ぎることによって、屈折欠陥ＤＤに転換されていることが確認された。
【０２２５】
さらに、図１３（ｂ）には、階段状段差形状の段差高さを５μｍであった箇所と１０μｍであった箇所が撮影されている。このＸ線トポグラフィ像において、段差高さが５μｍもしくは１０μｍであった箇所においては、結晶成長時に階段状段差が通り過ぎた場所において、貫通転位ＴＤが大きく傾くことで生成された屈折欠陥ＤＤが観測されており、元の炭化珪素単結晶内に含まれていた貫通転位ＴＤが屈折欠陥ＤＤに転換されて欠陥の伝播方向が変化していることが確認される。元の炭化珪素単結晶内に含まれる貫通転位ＴＤの内、段差高さが５μｍであった場合にはほぼ８０％が、段差高さを１０μｍであった場合には９０％以上が、屈折欠陥ＤＤに転換されていることが判明した。
【０２２６】
以上のように、元の炭化珪素単結晶内に含まれる貫通転位ＴＤをあらたな結晶成長時に屈折欠陥ＤＤに転換するためには、階段状段差形状の段差高さが２μｍ以上であることが好ましいと判断できる。
【０２２７】
なお、上記実施の形態および実施例は、炭化珪素単結晶に関して説明したが、六方晶単結晶であれば一般に適用でき、炭化珪素単結晶に限るものではない。特に、アルミナイトライド（ＡｌＮ）やガリュウムナイトライド（ＧａＮ）には好適に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０２２８】
本発明は、炭化珪素単結晶を用いた電子デバイスを適用する産業分野で好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０２２９】
１，１１，２１        炭化珪素単結晶
２，１２，２２        段差ステップ
ＡＡ′                基準線
ＴＤ                  貫通転位
ＤＤ                  屈折欠陥
ｈ                    高さ
ｗ                    間隔
θ                    角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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