(57)【要約】【課題】積層欠陥の伸展を抑制可能な炭化珪素単結晶およびその製造方法を提供する。【解決手段】炭化珪素単結晶２の製造方法は以下の工程を有している。主面１ａを有しかつ炭化珪素からなる種結晶１が準備される。窒素を含む雰囲気ガス中において、種結晶１の主面１ａ上に炭化珪素単結晶２が成長される。炭化珪素単結晶２を成長させる工程は、窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である炭化珪素単結晶領域２ｂが形成される。炭化珪素単結晶領域２ｂの窒素濃度は、種結晶１の窒素濃度よりも低い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有しかつ炭化珪素からなる種結晶を準備する工程と、
窒素を含む雰囲気ガス中において、前記種結晶の前記主面上に炭化珪素単結晶を成長させる工程とを備え、
前記炭化珪素単結晶を成長させる工程は、窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である炭化珪素単結晶領域を形成する工程を含み、
前記炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、前記種結晶の窒素濃度よりも低い、炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、前記種結晶の窒素濃度の３分の２以下である、請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、１×１０19ｃｍ-3以下である、請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記炭化珪素単結晶の直径は、１００ｍｍ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記種結晶の前記主面は、（０００１）面に対して１０°以下の角度オフした面である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記炭化珪素単結晶は、ポリタイプ４Ｈの炭化珪素である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項７】
前記炭化珪素単結晶の内部において積層欠陥の終端部が存在する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項８】
第１の窒素濃度を有し、かつ１つ以上の積層欠陥を有する第１の炭化珪素単結晶領域と、
前記第１の炭化珪素単結晶領域と接し、かつ窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である第２の炭化珪素単結晶領域とを備え、
前記第１の炭化珪素単結晶領域と前記第２の炭化珪素単結晶領域との境界領域において前記積層欠陥の終端部が１つ以上存在している、炭化珪素単結晶。
【請求項９】
前記第２の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、前記第１の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度よりも低い、請求項８に記載の炭化珪素単結晶。
【請求項１０】
前記第２の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、前記第１の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度の３分の２以下である、請求項９に記載の炭化珪素単結晶。
【請求項１１】
前記第２の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、１×１０19ｃｍ-3以下である、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶。
【請求項１２】
前記炭化珪素単結晶の直径は、１００ｍｍ以上である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶。
【請求項１３】
前記炭化珪素単結晶は、ポリタイプ４Ｈの炭化珪素である、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素単結晶およびその製造方法に関し、より特定的には、積層欠陥の伸展を抑制可能な炭化珪素単結晶およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の製造用に炭化珪素基板が用いられ始めている。炭化珪素は珪素に比べて大きなバンドギャップを有する。そのため、炭化珪素基板を用いた半導体装置は、耐圧が高く、オン抵抗が低く、また高温環境下での特性の劣化が小さいといった利点を有する。
【０００３】
たとえば、D.  Nakamura  et  al.,  "Ultrahigh-quality  silicon  carbide  single  crystals",  Nature,  430,  1009-1012,  26  August  2004（非特許文献１）には、ａ面成長（いわゆるＲＡＦ（Repeated  a-face)法）によって、高品質の炭化珪素単結晶を製造する方法が記載されている。種結晶に積層欠陥が存在すると、種結晶上に成長する成長結晶は種結晶の結晶構造を引き継ぐステップフロー成長で成長するため、成長結晶に積層欠陥が伸展する。当該ＲＡＦ法では、積層欠陥を成長結晶の側面に抜けさせることにより、成長結晶の積層欠陥を低減している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】D. Nakamura  et  al.,  "Ultrahigh-quality  silicon  carbide  single  crystals",  Nature,  430,  1009-1012,  26 August 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、当該ＲＡＦ法においても、炭化珪素単結晶における積層欠陥の低減が十分ではなかった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、積層欠陥の伸展を抑制可能な炭化珪素単結晶およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、種結晶上に成長する炭化珪素単結晶の積層欠陥を低減する方法について鋭意研究の結果、以下の知見を得て本発明を見出した。たとえば昇華法により種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる場合、窒素ガスを含有する雰囲気下において炭化珪素単結晶を成長させる。窒素原子は炭化珪素単結晶の炭素原子と置換するため、種結晶上に成長する炭化珪素単結晶の格子は歪む。種結晶上に成長する炭化珪素単結晶に含まれる窒素濃度を低減することにより、炭化珪素単結晶の格子定数は窒素元素を含まない純粋な炭化珪素単結晶の格子定数に近づく。それゆえ、種結晶上に成長する炭化珪素単結晶に含まれる窒素濃度を低減することにより、炭化珪素単結晶に発生する積層欠陥の安定性を低下させることができる。発明者らは鋭意研究の結果、種結晶上に成長する炭化珪素単結晶の窒素濃度を２×１０19ｃｍ-3以下とすることにより、積層欠陥が種結晶から種結晶上に成長する炭化珪素単結晶に伸展することを抑制可能であることを見出した。
【０００８】
本発明に係る炭化珪素単結晶の製造方法は以下の工程を有している。主面を有しかつ炭化珪素からなる種結晶が準備される。窒素を含む雰囲気ガス中において、種結晶の主面上に炭化珪素単結晶が成長される。炭化珪素単結晶を成長させる工程は、窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である炭化珪素単結晶領域が形成される。炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、種結晶の窒素濃度よりも低い。
【０００９】
本発明に係る炭化珪素単結晶は、第１の炭化珪素単結晶領域と、第２の炭化珪素単結晶領域とを有している。第１の炭化珪素単結晶領域は、第１の窒素濃度を有し、かつ１つ以上の積層欠陥を有する。第２の炭化珪素単結晶領域は、第１の炭化珪素単結晶領域と接し、かつ窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である。第１の炭化珪素単結晶領域と第２の炭化珪素単結晶領域との境界領域において積層欠陥の終端部が１つ以上存在している。
【００１０】
本発明に係る炭化珪素単結晶および炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶領域に含まれる窒素濃度は２×１０19ｃｍ-3以下である。これにより、炭化珪素単結晶の格子歪みを低減し、積層欠陥の安定性を低下させることにより、積層欠陥が種結晶から種結晶上に成長する炭化珪素単結晶に伸展することを抑制することができる。結果として、積層欠陥の伸展を抑制可能な炭化珪素単結晶およびその製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、積層欠陥の伸展を抑制可能な炭化珪素単結晶およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置を概略的に示す断面模式図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法を概念的に説明するフロー図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第１の工程を概略的に説明するための断面模式図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２の工程の第１の例を概略的に説明するための断面模式図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第２の工程の第２の例を概略的に説明するための断面模式図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の第３の工程を概略的に説明するための断面模式図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の窒素ガス流量と時間との関係の第１の例を示す図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の窒素ガス流量と時間との関係の第２の例を示す図である。
【図９】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法の窒素ガス流量と時間との関係の第３の例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法を概略的に説明するためのフォトルミネッセンスイメージング像である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。また角度の記載には、全方位角を３６０度とする系を用いている。
【００１４】
図１を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶を製造するための装置の構成について説明する。
【００１５】
図１を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置１００は、坩堝１０と、加熱部（図示せず）と、反応容器７とを主に有している。坩堝１０は、たとえばグラファイトからなり、種結晶保持部４と原料収容部５とを有している。種結晶保持部４は単結晶炭化珪素からなる種結晶１を保持するためのものである。原料収容部５は多結晶炭化珪素からなる炭化珪素原料６を配置するためのものである。
【００１６】
坩堝１０は、反応容器７の内部に収容されている。坩堝１０の外径はたとえば１６０ｍｍ程度であり、内径はたとえば１２０ｍｍ程度であり、高さはたとえば２００ｍｍ程度である。坩堝１０の加熱部は、たとえば誘導加熱式ヒータや抵抗加熱式ヒータなどであり、坩堝１０の外周を囲うように配置されていている。加熱部は坩堝１０を炭化珪素の昇華温度まで昇温可能に構成されている。
【００１７】
反応容器７の両端部には、反応容器７の内部へ雰囲気ガスを流すためのガス導入口７ａと、反応容器７の外部へ雰囲気ガスを排出するためのガス排出口７ｂとが形成されている。炭化珪素単結晶の製造装置１００は、窒素ガスをガス導入口７ａを通して反応容器７に導入するための窒素ガス供給部と、反応容器７内の窒素ガスの流量を制御するための窒素ガス流量制御部とを有していてもよい。炭化珪素単結晶の製造装置１００は、ヘリウムガスをガス導入口７ａを通して反応容器７に導入するためのヘリウムガス供給部と、反応容器７内のヘリウムガスの流量を制御するためのヘリウムガス流量制御部とを有していてもよい。炭化珪素単結晶の製造装置１００は、アルゴンガスをガス導入口７ａを通して反応容器７に導入するためのアルゴンガス供給部と、反応容器７内のアルゴンガスの流量を制御するためのアルゴンガス流量制御部とを有していてもよい。
【００１８】
図１〜図９を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。
【００１９】
まず、炭化珪素種結晶準備工程（Ｓ１０：図２）が実施される。具体的には、図１および図３を参照して、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素からなる種結晶１が種結晶保持部４に固定される。種結晶１は主面１ａを有し、当該主面１ａが炭化珪素原料６に対向するように配置される。以上のように、主面１ａを有し炭化珪素からなる種結晶１が準備される。なお、炭化珪素原料６は、原料収容部５に収容されており、たとえば炭化珪素パウダーである。
【００２０】
図３を参照して、種結晶１は積層欠陥３を有しており、積層欠陥３は種結晶１の主面１ａに露出している。積層欠陥３の伸長方向はたとえば（０００１）面と平行な方向である。種結晶１に含まれる窒素の濃度はたとえば１×１０18ｃｍ-3以上３×１０19ｃｍ-3以下であり、好ましくは５×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である。種結晶１の直径は、たとえば１００ｍｍであり、好ましくは１００ｍｍ以上である。種結晶１の主面１ａはたとえば｛０００１｝面に対して１０°以下程度の角度オフした面である。好ましくは、当該主面１ａは、（０００１）面に対して４°以下程度の角度だけオフした面であり、より好ましくは２°以下程度の角度だけオフした面である。
【００２１】
次に、炭化珪素単結晶成長工程（Ｓ２０：図２）が実施される。炭化珪素単結晶成長工程は、坩堝昇温工程と反応容器減圧工程とを有していてもよい。具体的には、図１を参照して、種結晶１および炭化珪素原料６が配置された坩堝１０が、たとえばヘリウムガスおよび窒素ガスを含む雰囲気ガス中において、炭化珪素結晶が昇華する温度（たとえば２１００〜２３００℃）まで加熱される。次に、坩堝１０を収容している反応容器７内の圧力を低減することにより、坩堝１０内の炭化珪素原料６が昇華して種結晶１の主面１ａ上に再結晶することにより、種結晶１の主面１ａ上に炭化珪素単結晶２が成長し始める。炭化珪素単結晶２が実質的に成長する成長温度はたとえば２２００℃程度であり、成長圧力はたとえば２０Ｔｏｒｒ（約２．７ｋＰａ）程度である。
【００２２】
図４を参照して、炭化珪素単結晶成長工程では、窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶２が形成される。具体的には、炭化珪素単結晶２の窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下となるように、雰囲気ガスに含まれる窒素濃度が制御される。より具体的には、坩堝１０の温度を２２００℃程度に維持しながら、反応容器７内における窒素ガス濃度が制御される。たとえば、成長温度が２２００℃であり、成長圧力が２０Ｔｏｒｒの条件において、ヘリウムガスの流量が１．５０ｓｌｍであり、窒素ガスの流量が０．５００ｓｌｍとなるように、反応容器７内における窒素濃度が制御される。これにより、種結晶１に含まれる複数の積層欠陥３のうち、一部の積層欠陥３ａは炭化珪素単結晶２に伸展せず、他の積層欠陥３ｂは炭化珪素単結晶２に伸展する。言い換えれば、種結晶１が含む複数の積層欠陥３のうち、一部の積層欠陥３ａの終端部８は種結晶１および炭化珪素単結晶２の境界領域９（つまり種結晶１の主面１ａ）の近傍に存在する。
【００２３】
好ましくは、炭化珪素単結晶成長工程では、窒素濃度が１×１０19ｃｍ-3以下である炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶２が形成される。具体的には、炭化珪素単結晶２の窒素濃度が１×１０19ｃｍ-3以下となるように、雰囲気ガスに含まれる窒素濃度が制御される。また好ましくは、炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶２の窒素濃度が１×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である。炭化珪素単結晶２の窒素濃度が１×１０18ｃｍ-3以上とすることで、炭化珪素単結晶２のポリタイプ４Ｈを安定化させることができる。炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶の窒素濃度は９×１０18ｃｍ-3以下であってもよい。
【００２４】
炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶２の窒素濃度は、種結晶１の窒素濃度よりも低い。好ましくは、炭化珪素単結晶領域としての炭化珪素単結晶２の窒素濃度は、種結晶１の窒素濃度の３分の２以下であり、より好ましくは種結晶１の窒素濃度の３分の１以下である。具体的には、成長温度が２１００〜２３００℃であり、成長圧力が２０Ｔｏｒｒの条件において、ヘリウムガスの流量が１．５０ｓｌｍであり、窒素ガスの流量が０．０１５ｓｌｍ以上０．５００ｓｌｍ以下となるように、反応容器７内における窒素濃度が制御される。なお、種結晶１の主面１ａ上に成長する炭化珪素単結晶２の窒素濃度は、雰囲気ガス中の窒素濃度の平方根にほぼ比例する。
【００２５】
図７〜図９を参照して、炭化珪素単結晶を成長させる工程において、反応容器７内の雰囲気ガスが含む窒素ガス流量（言い換えれば窒素ガス濃度）の時間変化について説明する。図７に示すように、たとえば炭化珪素単結晶の成長が開始した時点Ｔ０における窒素ガス流量Ａ１が０．５００ｓｌｍであって、炭化珪素単結晶の成長途中の時点Ｔ１および成長終了の時点Ｔ２における窒素ガス流量Ａ１はほぼ一定の流量であってもよい。また図９に示すように、たとえば炭化珪素単結晶の成長が開始した時点Ｔ０における窒素ガス流量Ａ３が０．５００ｓｌｍよりも少なく、炭化珪素単結晶の成長途中の時点Ｔ１において窒素ガス流量Ａ１を０．５００ｓｌｍに増加させてもよい。さらに図８に示すように、炭化珪素単結晶の成長開始の時点Ｔ０における窒素ガス流量Ａ２が０．５００ｓｌｍより大きく、炭化珪素単結晶の成長途中の時点Ｔ１において窒素ガス流量Ａ１を０．５００ｓｌｍに減少させてもよい。
【００２６】
図３および図８を参照して、炭化珪素単結晶の成長開始の時点Ｔ０において、雰囲気ガスに含まれる窒素ガス流量は流量Ａ２であり、流量Ａ２の状態で種結晶１の主面１ａに炭化珪素単結晶の成長が開始する。図５および図８を参照して、炭化珪素単結晶の成長開始の時点Ｔ０から成長途中の時点Ｔ１まで、雰囲気ガスに含まれる窒素ガス流量Ａ２はたとえば１．０００ｓｌｍである。成長開始の時点Ｔ０から成長途中の時点Ｔ１までにおいて、炭化珪素単結晶２の第１の炭化珪素単結晶領域２ａが種結晶１の主面１ａ上に成長する。雰囲気ガスに含まれる窒素ガス流量が多い場合（つまり雰囲気ガスに含まれる窒素濃度が高い場合）、種結晶１の主面１ａに存在していた積層欠陥は、主面１ａ上に堆積する第１の炭化珪素単結晶領域２ａに引き継がれて伸展する。
【００２７】
図６および図８を参照して、炭化珪素単結晶の成長途中の時点Ｔ１において、雰囲気ガスの窒素濃度が低減される。具体的には、雰囲気ガスに含まれるヘリウムガスの流量をたとえば１．５０ｓｌｍ程度に保ちながら、雰囲気ガスに含まれる窒素ガスの流量をたとえば１．０００ｓｌｍから０．５００ｓｌｍにまで低減する。これにより、第１の炭化珪素単結晶領域２ａに伸展していた積層欠陥３のうちの一部の積層欠陥３ａの伸展が停止する。引き続き、雰囲気ガスに含まれる窒素ガスの流量をたとえば０．５００ｓｌｍの状態を保ったままで、炭化珪素単結晶の成長が継続される。これにより、第１の炭化珪素単結晶領域２ａに接する第２の炭化珪素単結晶領域２ｂが形成される。
【００２８】
図６に示すように、窒素ガス流量が０．５００ｓｌｍの状態で成長した炭化珪素単結晶領域（第２の炭化珪素単結晶領域２ｂ）に含まれる積層欠陥の数は、窒素ガス流量が１．０００ｓｌｍの状態で成長した炭化珪素単結晶領域（第１の炭化珪素単結晶領域２ａ）に含まれる積層欠陥の数よりも少ない。また、第１の炭化珪素単結晶領域２ａと第２の炭化珪素単結晶領域２ｂとの境界領域９に積層欠陥３の終端部８が１つ以上存在している。
【００２９】
次に、種結晶１の主面１ａ上に成長した炭化珪素単結晶２が坩堝１０から取り出される。その後、炭化珪素単結晶２をたとえばワイヤーソーによってスライスすることにより、複数の炭化珪素基板が得られる。
【００３０】
次に、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の構成について説明する。
図６を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶２は、第１の炭化珪素単結晶領域２ａと、第２の炭化珪素単結晶領域２ｂとを有している。第１の炭化珪素単結晶領域２ａの窒素濃度（第１の窒素濃度）は、たとえば３×１０19ｃｍ-3である。第１の炭化珪素単結晶領域２ａは１以上の積層欠陥３を有する。積層欠陥３はたとえば第１の炭化珪素単結晶領域２ａを構成する六方晶炭化珪素の（０００１）面と平行な方向に伸展している。
【００３１】
第２の炭化珪素単結晶領域２ｂは、第１の炭化珪素単結晶領域２ａと接して設けられている。第２の炭化珪素単結晶領域２ｂの窒素濃度は２×１０19ｃｍ-3以下であり、好ましくは１×１０19ｃｍ-3以下である。好ましくは、第２の炭化珪素単結晶領域２ｂの窒素濃度は、第１の炭化珪素単結晶領域２ａの窒素濃度よりも低い。より好ましくは、第２の炭化珪素単結晶領域２ｂの窒素濃度は、第１の炭化珪素単結晶領域２ａの窒素濃度の３分の２以下である。好ましくは、＜０００１＞軸方向に沿って炭化珪素単結晶２の窒素濃度分布を測定した場合、第１の炭化珪素単結晶領域２ａにおける窒素濃度の最大値は、第２の炭化珪素単結晶領域２ｂにおける窒素濃度の最小値の１．５倍以上である。
【００３２】
炭化珪素単結晶２の直径Ｗ１は、１００ｍｍ以上であり、好ましくは１５０ｍｍ以上である。好ましくは、炭化珪素単結晶２はポリタイプ４Ｈの炭化珪素である。なお、第１の炭化珪素単結晶領域２ａおよび第２の炭化珪素単結晶領域２ｂの各々の窒素濃度は、たとえばＳＩＭＳ（Secondary  Ion  Mass  Spectroscopy）により測定可能である。
【００３３】
本実施の形態に係る炭化珪素単結晶２は、第１の炭化珪素単結晶領域２ａと第２の炭化珪素単結晶領域２ｂとの境界領域９において積層欠陥３の終端部８が１つ以上存在している。境界領域９において積層欠陥３の終端部８が複数存在していてもよい。境界領域９は炭化珪素単結晶２に含まれる窒素濃度が急激に変化する領域であり、境界領域９において第１の炭化珪素単結晶領域２ａに含まれていた積層欠陥３の一部の伸展が停止する。第２の炭化珪素単結晶領域２ｂに含まれる積層欠陥３の数は、第１の炭化珪素単結晶領域２ａに含まれる積層欠陥３の数よりも少ない。好ましくは、第２の炭化珪素単結晶領域２ｂに含まれる積層欠陥３の数は、第１の炭化珪素単結晶領域２ａに含まれる積層欠陥３の数の５０％以下であり、より好ましくは１０％以下である。
【００３４】
なお、図４に示すように、本実施の形態の炭化珪素単結晶２の第１の炭化珪素単結晶領域２ａが種結晶１であり、第２の炭化珪素単結晶領域２ｂが炭化珪素単結晶領域２ｂであってもよい。この場合、第１の炭化珪素単結晶領域２ａと第２の炭化珪素単結晶領域２ｂとの境界領域９は、種結晶１の主面１ａとなり、当該主面１ａの近傍に積層欠陥の終端部８が１つ以上存在している。
【００３５】
次に、本実施の形態に係る炭化珪素基板の製造方法の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法は以下の工程を有している。主面１ａを有しかつ炭化珪素からなる種結晶１が準備される。窒素を含む雰囲気ガス中において、種結晶１の主面１ａ上に炭化珪素単結晶２が成長される。炭化珪素単結晶２を成長させる工程は、窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である炭化珪素単結晶領域２ｂが形成される。これにより、炭化珪素単結晶２の格子歪みを低減し、積層欠陥３の安定性を低下させることにより、積層欠陥３が種結晶１から種結晶１上に成長する炭化珪素単結晶領域２ｂに伸展することを抑制することができる。結果として、積層欠陥３の伸展が抑制された炭化珪素単結晶２を製造することができる。
【００３６】
また本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法によれば、炭化珪素単結晶領域２ｂの窒素濃度は、種結晶１の窒素濃度よりも低い。これにより、炭化珪素単結晶領域２ｂの積層欠陥３の安定性が種結晶１の積層欠陥３の安定性よりも低下するので、積層欠陥３が種結晶１から種結晶１上に成長する炭化珪素単結晶領域２ｂに伸展することを抑制することができる。
【００３７】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、種結晶の窒素濃度の３分の２以下である。これにより、積層欠陥３が種結晶１から種結晶１上に成長する炭化珪素単結晶領域２ｂに伸展することを効果的に抑制することができる。
【００３８】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、１×１０19ｃｍ-3以下である。これにより、積層欠陥３が種結晶１から種結晶１上に成長する炭化珪素単結晶領域２ｂに伸展することを効果的に抑制することができる。
【００３９】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶の直径は、１００ｍｍ以上である。これにより、直径が１００ｍｍ以上の炭化珪素単結晶を製造することができる。
【００４０】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、種結晶の主面は、（０００１）面に対して１０°以下の角度オフした面である。これにより、成長結晶において積層欠陥が新たに発生することを抑制することができる。
【００４１】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶は、ポリタイプ４Ｈの炭化珪素である。これにより、ポリタイプ４Ｈの炭化珪素単結晶基板を製造することができる。
【００４２】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶の内部において積層欠陥の終端部８が存在する。これにより、積層欠陥の伸展が停止した炭化珪素単結晶を製造することができる。
【００４３】
本実施の形態に係る炭化珪素単結晶は、第１の炭化珪素単結晶領域２ａと、第２の炭化珪素単結晶領域２ｂとを有している。第１の炭化珪素単結晶領域２ａは、第１の窒素濃度を有し、かつ１つ以上の積層欠陥を有する。第２の炭化珪素単結晶領域２ｂは、第１の炭化珪素単結晶領域と接し、かつ窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である。第１の炭化珪素単結晶領域と第２の炭化珪素単結晶領域との境界領域９において積層欠陥の終端部８が１つ以上存在している。これにより、積層欠陥３の伸展が抑制された炭化珪素単結晶２を得ることができる。
【００４４】
また本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、第２の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、第１の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度よりも低い。これにより、第２の炭化珪素単結晶領域２ｂの積層欠陥３の安定性が第１の炭化珪素単結晶領域２ａの積層欠陥３の安定性よりも低下するので、積層欠陥３が第１の炭化珪素単結晶領域２ａから炭化珪素単結晶領域２ｂに伸展することを抑制することができる。
【００４５】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、第２の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、第１の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度の３分の２以下である。これにより、積層欠陥３が第１の炭化珪素単結晶領域２ａから炭化珪素単結晶領域２ｂに伸展することを効果的に抑制することができる。
【００４６】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、第２の炭化珪素単結晶領域の窒素濃度は、１×１０19ｃｍ-3以下である。これにより、積層欠陥３が第１の炭化珪素単結晶領域２ａから第２の炭化珪素単結晶領域２ｂに伸展することを効果的に抑制することができる。
【００４７】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、炭化珪素単結晶の直径は、１００ｍｍ以上である。これにより、直径が１００ｍｍ以上の炭化珪素単結晶基板を製造することができる。
【００４８】
さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶において好ましくは、炭化珪素単結晶は、ポリタイプ４Ｈの炭化珪素である。これにより、ポリタイプ４Ｈの炭化珪素単結晶基板を得ることができる。
【実施例】
【００４９】
本実施例では、以下に説明する６種類の雰囲気ガス中において炭化珪素からなる種結晶１の主面１ａ上に炭化珪素単結晶領域２ｂを成長させ、種結晶１から炭化珪素単結晶領域２ｂに伸展しなかった積層欠陥の割合（積層欠陥の伸展が停止した割合）を調査した。まず、炭化珪素原料６および種結晶１が配置された坩堝１０を準備した。坩堝１０はグラファイト製とした。坩堝１０の外径を１６０ｍｍとし、内径を１２０ｍｍとし、高さを２００ｍｍとした。種結晶１はポリタイプ４Ｈの炭化珪素からなり、種結晶１の径を１００ｍｍとした。坩堝１０を２３００℃に加熱して種結晶１の主面１ａに炭化珪素単結晶を成長させた。種結晶１の窒素濃度を３×１０19ｃｍ-3とした。種結晶１の主面１ａを（０００１）面から２°オフした面、４°オフした面、１０°オフした面および１５°オフした面とした。
【００５０】
炭化珪素単結晶領域を形成する工程における雰囲気ガスの圧力を２０Ｔｏｒｒとし、雰囲気ガスが含むヘリウムガスの流量および窒素のガス流量を以下のようにした。比較例１のヘリウムガス流量を１．５０ｓｌｍとし、窒素ガス流量を１．０００ｓｌｍとした。本発明例１のヘリウムガス流量を１．５０ｓｌｍとし、窒素ガス流量を０．５００ｓｌｍとした。本発明例２のヘリウムガス流量を１．５０ｓｌｍとし、窒素ガス流量を０．０７５ｓｌｍとした。本発明例３のヘリウムガス流量を１．５０ｓｌｍとし、窒素ガス流量を０．０４５ｓｌｍとした。本発明例４のヘリウムガス流量を１．５０ｓｌｍとし、窒素ガス流量を０．０３０ｓｌｍとした。本発明例５のヘリウムガス流量を１．５０ｓｌｍとし、窒素ガス流量を０．０１５ｓｌｍとした。比較例１および本発明例１〜５の条件で成長した炭化珪素単結晶領域２ｂ（成長結晶）の窒素濃度は、それぞれ３×１０19ｃｍ-3、２×１０19ｃｍ-3、１×１０19ｃｍ-3、９×１０18ｃｍ-3、７×１０18ｃｍ-3、５×１０18ｃｍ-3となった。成長結晶に含まれている窒素濃度はＳＩＭＳにより測定した。なお、ＳＩＭＳでは表面から１０μｍ程度までの領域の窒素濃度が測定可能である。
【００５１】
上記条件で成長させた炭化珪素単結晶領域２ｂを種結晶１とともに坩堝１０から取り出し、当該炭化珪素単結晶領域２ｂおよび種結晶１を、種結晶１の主面１ａと垂直な断面で観察した。観察にはフォトルミネッセンスイメージング像を用いた。断面観察の例を図１０を用いて説明する。断面観察には、本発明例５の条件で成長した成長結晶を有する炭化珪素単結晶を用いた。図１０に示すように、種結晶１に存在している複数の積層欠陥群が、種結晶１と成長結晶との境界面で伸展を停止している。種結晶１に存在している積層欠陥の数に対する成長結晶に伸展している積層欠陥の数の比を積層欠陥の伸展が停止した割合として計算した。なお、成長結晶の成長方向は種結晶１の主面１ａとほぼ垂直であり、当該主面１ａは（０００１）面に対してオフした面である。
【００５２】
【表１】
2014205593.tif 000003
【００５３】
表１を参照して、積層欠陥の伸展が停止した割合の結果について説明する。なお、オフ角の違いによって積層欠陥の伸展が停止した割合にほとんど変化なかった。まず、種結晶１の窒素濃度と成長結晶の窒素濃度が同じであり、成長結晶の窒素濃度が３×１０19ｃｍ-3である場合（比較例１の場合）、種結晶１の積層欠陥の伸展が種結晶１と成長結晶の境界面において停止した割合は０％であった。つまり、種結晶１の積層欠陥の全てが成長結晶に伸展した。一方、成長結晶の窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である場合（本発明例１〜５の場合）、積層欠陥の伸展が停止した割合が０％より大きくなった。つまり、成長結晶の窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である場合、種結晶１に存在していた積層欠陥の少なくとも１つは境界面において伸展を停止した。また成長結晶の窒素濃度が種結晶の窒素濃度よりも低い場合、種結晶１に存在していた積層欠陥の少なくとも１つは境界面において伸展を停止した。
【００５４】
成長結晶の窒素濃度が１×１０19ｃｍ-3以下９×１０18ｃｍ-3以上場合（本発明例２および３の場合）、積層欠陥の伸展が停止した割合は５０％以上であった。また成長結晶の窒素濃度が７×１０18ｃｍ-3以下５×１０18ｃｍ-3以上場合（本発明例４および５の場合）、積層欠陥の伸展が停止した割合は９０％以上であった。
【００５５】
種結晶１の主面１ａが（０００１）面から１０°以下オフした面（具体的には、２°オフと４°オフと１０°オフした面）である場合、成長結晶において積層欠陥が新たに発生することを抑制することができた。一方、種結晶１の主面１ａが（０００１）面から１５°オフした面である場合、成長結晶において積層欠陥が１×１０4ｃｍ-1以上の密度で新たに発生した。
【００５６】
以上の結果より、窒素濃度が２×１０19ｃｍ-3以下である炭化珪素単結晶領域（成長結晶）を形成すると、種結晶１に存在していた積層欠陥が炭化珪素単結晶領域に伸長することを抑制することができることが確認された。また成長結晶の窒素濃度が種結晶の窒素濃度よりも低い場合、種結晶１に存在していた積層欠陥が炭化珪素単結晶領域に伸長することを抑制することができることが確認された。さらに窒素濃度が１×１０19ｃｍ-3以下である炭化珪素単結晶領域（成長結晶）を形成すると、種結晶１に存在していた積層欠陥が炭化珪素単結晶領域に伸長することを効果的に抑制することができることが確認された。
【００５７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５８】
１  種結晶、１ａ  主面、２  炭化珪素単結晶、２ａ  第１の炭化珪素単結晶領域、２ｂ  第２の炭化珪素単結晶領域（炭化珪素単結晶領域）、３，３ａ，３ｂ  積層欠陥、４  種結晶保持部、５  原料収容部、６  炭化珪素原料、７  反応容器、７ａ  ガス導入口、７ｂ  ガス排出口、８  終端部、９  境界領域、１０  坩堝、１００  製造装置、Ａ１，Ａ２，Ａ３  窒素ガス流量、Ｗ１  直径。
【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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