(57)【要約】      （修正有）【課題】ａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない４Ｈ型ＳｉＣ単結晶が得られる４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】４Ｈ型ＳｉＣ単結晶から形成されてオフ角を設けて切り出された第１の種結晶６０を、Ｃ原子の数よりもＳｉ原子の数の方が多いＳｉ面が露出するように台座１３に設置する第１工程と、前記第１の種結晶６０を加熱して、初期段階で成長する４ＨＳｉＣ単結晶６２から多形変換されて、６Ｈ型ＳｉＣ単結晶６３を成長させる第２工程と、前記６Ｈ型ＳｉＣ単結晶６３から第２の種結晶６４を切り出して、Ｓｉ原子の数よりもＣ原子の数の方が多いＣ面が露出するように台座に設置する第３工程と、前記第２の種結晶６４を加熱して４Ｈ型ＳｉＣ単結晶を成長させる第４工程と、を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４Ｈ型ＳｉＣ単結晶から形成されてオフ角を設けて切り出された第１の種結晶を、Ｃ原子の数よりもＳｉ原子の数の方が多いＳｉ面が露出するように台座に設置する第１工程と、
前記第１の種結晶を加熱して６Ｈ型ＳｉＣ単結晶を成長させる第２工程と、
前記６Ｈ型ＳｉＣ単結晶から第２の種結晶を切り出して、Ｓｉ原子の数よりもＣ原子の数の方が多いＣ面が露出するように台座に設置する第３工程と、
前記第２の種結晶を加熱して４Ｈ型ＳｉＣ単結晶を成長させる第４工程と、
を有する４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記第２工程における第１の種結晶の加熱温度は、２０００〜２６００℃である請求項１に記載の４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記第４工程における第２の種結晶の加熱温度は、１９００〜２３００℃である請求項１または２に記載の４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記第３工程において、第２の種結晶にオフ角を設けて切り出す請求項１〜３のいずれか１項に記載の４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇華再結晶法を利用して４Ｈ型ＳｉＣ単結晶を製造する４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
４Ｈ型ＳｉＣ単結晶等の炭化珪素単結晶は、一般的に使われている珪素単結晶に比較して物性面で優れており、ＬＥＤや半導体デバイス等において大幅な高性能化を実現できるため、次世代材料として大いに期待されている。そして、炭化珪素を含む種結晶および昇華用原料を用いて、４Ｈ型ＳｉＣ単結晶（以下、単結晶と適宜省略する）を製造する方法が知られている。この製造方法の一例である昇華再結晶法は、炭化珪素を含む粉体状の昇華用原料を反応容器本体内に収容し、該反応容器本体の上部開口を、裏面側に炭化珪素を含む種結晶を配設した蓋体によって封鎖したのち、前記反応容器本体の外周側に配設された誘導加熱コイルに電流を流して、昇華用原料と種結晶を加熱することによって種結晶上に４Ｈ型ＳｉＣ単結晶を成長させる方法である（例えば、特許文献１等参照）。
【０００３】
この製造方法の炭化珪素単結晶では、{０００１}面方位から２°以上傾いた傾斜面を種結晶の結晶育成面として用いることによって、マイクロパイプの分解を促進させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−９９３４０号公報
【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、前述した従来の単結晶成長においては、４Ｈ成長は、６Ｈ成長よりも２００〜３００℃の低温下で成長するため、オフ成長によってｃ軸方向の欠陥抑制は可能だが、エネルギー不足のため、ジャスト成長しにくくａ軸方向の欠陥抑制は困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない４Ｈ型ＳｉＣ単結晶が得られる４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法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】
【０００７】
前述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴に係る４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法は、４Ｈ型ＳｉＣ単結晶から形成されてオフ角を設けて切り出された第１の種結晶（第１の種結晶６０）を、Ｃ原子の数よりもＳｉ原子の数の方が多いＳｉ面（Ｓｉ面６１）が露出するように台座（台座１３）に設置する第１工程と、前記第１の種結晶を加熱して６Ｈ型ＳｉＣ単結晶を成長させる第２工程と、前記６Ｈ型ＳｉＣ単結晶から第２の種結晶（第２の種結晶６４）を切り出して、Ｓｉ原子の数よりもＣ原子の数の方が多いＣ面（Ｃ面６５）が露出するように台座に設置する第３工程と、前記第２の種結晶を加熱して４Ｈ型ＳｉＣ単結晶を成長させる第４工程と、を有することを要旨とする。
【０００８】
このような４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法によれば、第１の種結晶は、４Ｈ型ＳｉＣ単結晶でありｃ軸方向の欠陥が少ないがａ軸方向の欠陥が多い。第２の種結晶は、第１の種結晶を結晶成長させて、６Ｈ多形変換時にファセット面からのスパイラル成長によってａ軸方向の欠陥を低減させた単結晶を基に作成する。このため、第２の種結晶は、ａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない６Ｈ単結晶となる。その後、第２の種結晶を結晶成長させて４Ｈ多形変換時に、ａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない４Ｈ単結晶を得ることができる。このように、本発明によれば、少ない成長量で、簡単にａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が少ない高品質の４Ｈ型単結晶を得ることができる。
【０００９】
本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記第２工程における第１の種結晶（第１の種結晶６０）の加熱温度は、２０００〜２６００℃であることを要旨とする。
【００１０】
本発明の第３の特徴は、本発明の第１または２の特徴に係り、前記第４工程における第２の種結晶（第２の種結晶６４）の加熱温度は、１４００〜２３００℃であることを要旨とする。
【００１１】
本発明の第４の特徴は、本発明の第１乃至３の特徴に係り、前記第３工程において、第２の種結晶（第２の種結晶６４）にオフ角を設けて切り出すことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない４Ｈ型ＳｉＣ単結晶が得られる４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の概略を説明する断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る第１の種結晶を台座に取り付けた状態を側方から見た概略図である。
【図３】図３は、第１の種結晶を用いて４Ｈ成長を行っている状態を側方から見た概略図である。
【図４】図３の状態から６Ｈ成長に多形変換をした状態を側方から見た概略図である。
【図５】図４の６Ｈ型単結晶インゴットから切り出した第２の種結晶を示す側面図である。
【図６】図５の第２の種結晶を台座に取り付けた状態を側方から見た概略図である。
【図７】図６の第２の種結晶を用いて６Ｈ成長を行っている状態を側方から見た概略図である。
【図８】図７の状態から４Ｈ成長に多形変換をした状態を側方から見た概略図である。
【図９】単結晶インゴット中における欠陥密度と成長回数との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１５】
（１）炭化珪素単結晶の製造装置１の全体概略
図１を用いて、本発明の実施形態として示す炭化珪素単結晶の製造装置１を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置の概略を示す断面図である。図１に示すように、炭化珪素単結晶の製造装置１は、黒鉛製坩堝１０と、黒鉛製坩堝１０の少なくとも側面を覆う石英管２０と、石英管２０の外周側に配置された誘電加熱コイル３０とを有する。
【００１６】
黒鉛製坩堝１０は、反応容器本体１１および蓋体１２からなり、支持棒４０により移動して石英管２０の内部に固定される。反応容器本体１１の底部１１ａには、炭化珪素を含む粉体である昇華用原料５０が収容される。蓋体１２は、反応容器本体１１の上部開口１１ｂを塞ぐと共に、反応容器本体１１の上端部の内周面に螺合により着脱自在に設けられる。また、蓋体１２の裏面側の中央には、円盤状に形成された台座１３が下方に向けて突設されており、該台座１３には、４Ｈ型ＳｉＣ単結晶からなる第１の種結晶６０が取り付けられている。この第１の種結晶６０の支持手段は、ネジ止め等の機械的結合でも良く、接着剤による接合でもよい。
【００１７】
昇華用原料５０は、炭化珪素を含む粉体の炭化珪素原料である。黒鉛製坩堝１０の内部が所定の温度条件及び圧力条件になると、昇華用原料５０は昇華して昇華ガスＧとなり、第１の種結晶６０上に再結晶して成長することにより、４Ｈ型や６Ｈ型ＳｉＣ単結晶などの炭化珪素単結晶が形成される。
【００１８】
また、誘電加熱コイル３０は、反応容器本体１１の底部１１ａに対応する高さ位置に配設された第１誘導加熱コイル３１と、台座１３に支持された種結晶６０に対応する高さ位置に配設された第２誘導加熱コイル３２とからなる。支持棒４０を移動させて黒鉛製坩堝１０の高さ位置を変えることにより、第１誘導加熱コイル３１の高さ位置に、反応容器本体１１の底部１１ａに収容された昇華用原料５０を対応させて配置させると共に、第２誘導加熱コイル３２の高さ位置に、蓋体１２に支持された第１の種結晶６０を対応させて配置させることができる。なお、第１誘導加熱コイル３１と第２誘導加熱コイル３２との間には、干渉防止コイル３３が設けられている。この干渉防止コイル３３は、誘導電流を通電することにより、第１誘導加熱コイル３１を流れる電流と第２誘導加熱コイル３２を流れる電流との干渉を防止することができる。
【００１９】
（２）４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法
次いで、本実施形態による４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法について説明する。ＳｉＣ単結晶の成長方法には、主として、オフ成長とジャスト成長とがある。オフ成長は、種結晶における軸面（ファセット面）から所定角度傾斜した傾斜面であるオフ面からの成長であり、ｃ軸方向の欠陥抑制に有効である。一方、ジャスト成長は、種結晶における軸面（ファセット面）であるジャスト面からの成長であり、ａ軸方向の欠陥抑制に有効であるが、ただし成長には高いエネルギーが必要である。スパイラル成長は、ジャスト成長の一種であり、螺旋状に成長する。
【００２０】
次いで、ＳｉＣ単結晶の成長方法の区分として、主に６Ｈ成長や４Ｈ成長がある。各成長方法と欠陥（転位）との関係を簡単に説明する。
【００２１】
６Ｈ成長は、２０００℃以上の高温下で成長するものであり、オフ成長とジャスト成長共にやや容易に適用できる。種結晶のＳｉ面からの成長では、６Ｈ成長になる。一方、４Ｈ成長は、６Ｈ成長よりも２００〜３００℃低温下で成長する。オフ成長は適用可能であるが、ジャスト成長は、成長に必要な熱エネルギーが不足する場合が多いため、適用が困難である。仮に適用した場合には、異種多形が入り易く、品質が低下する。種結晶のＣ面からの成長の場合は、４Ｈ成長になる。
【００２２】
また、ＳｉＣ単結晶におけるｃ軸方向の欠陥には、マイクロパイプ（ＭＰ）、貫通螺旋転位（ＴＳＤ）、貫通刃状転位（ＴＥＤ）などがあり、ａ軸方向の欠陥には、基定面転位（ＢＰＤ）や積層欠陥などがある。
【００２３】
図２は、本発明の実施形態に係る第１の種結晶を台座に取り付けた状態を側方から見た概略図である。この図２は、説明の便宜上、上下方向を図１とは逆にしており、紙面上方向に向けて単結晶が成長する。
【００２４】
前述のように、蓋体１２の裏面側（図２の紙面上側）には、円盤状の台座１３が形成されており、該台座１３には、本実施形態に係る第１の種結晶６０が設置される。この第１の種結晶６０は、４Ｈ型ＳｉＣ単結晶のインゴットからオフ角を設けて切り出されたものであり、Ｃ原子の数よりもＳｉ原子の数の方が多いＳｉ面６１が成長方向側（図２の紙面上側）に露出するように台座１３に設置する。ここで、４Ｈ型ＳｉＣ単結晶における「４」は原子積層が４層で一周期となる結晶構造を意味し、「Ｈ」は六方晶系を意味する。また、結晶方位のうち集合方位は〈  〉の記号で示す。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、本明細書では、数字の前に数字を付けることとする。
【００２５】
また、前記第１の種結晶６０は、４Ｈ〈１１−２０〉ｏｆｆ種の単結晶インゴットから切り出すことによって得られ、その切り出す際のオフ角は、１°〜１０°が好ましい。この第１の種結晶６０は、ｃ軸方向の欠陥が少ないが、ａ軸方向の欠陥がやや多くなっている。
【００２６】
図３は、第１の種結晶を用いて４Ｈ成長を行っている状態を側方から見た概略図である。第１の種結晶６０のＳｉ面６１が露出するように、第１の種結晶６０を台座１３に取り付け後、蓋体１２を反応容器本体１１に螺合させて組み付け、誘電加熱コイル３０に電流を流して黒鉛製坩堝１０内を加熱する。
【００２７】
反応容器本体１１には、昇華用原料５０が収容されているため、第１の種結晶６０と昇華用原料５０とが同時に加熱されるが、６Ｈジャスト成長が優先的になる成長条件にして多形変換させる。具体的には、成長温度は、２１００℃〜２３００℃、黒鉛製坩堝１０内における雰囲気圧は５０〜５５Ｔｏｒｒが好ましく、特に、成長温度は、２２００℃および雰囲気圧は５０Ｔｏｒｒが好ましい。また、第１の種結晶６０の温度は、成長温度よりも１００〜１５０℃程度低い２０００〜２１５０℃が好ましい。
【００２８】
これらの条件において、図３に示すように、初期段階では第１の種結晶６０における成長面であるＳｉ面６１から４ＨＳｉＣ単結晶６２が成長するが、図４に示すように、途中段階から６Ｈ成長に多形変換され、結晶多形である６ＨＳｉＣ単結晶６３が成長する。この６ＨＳｉＣ単結晶６３は、６Ｈ〈１１−２０〉ｏｆｆ種である。
【００２９】
図５は、図４の６Ｈ型単結晶インゴットから切り出した第２の種結晶を示す側面図、および、図６は、図５の第２の種結晶を台座に取り付けた状態を側方から見た概略図である。第２の種結晶６４は、図４における途中段階から６Ｈ成長して得られた６Ｈ〈１１−２０〉ｏｆｆ種のインゴットから切り出した基板（図４の一点鎖線を参照）であり、オフ角を設けて切りだすことが好ましい。このオフ角の好ましい角度範囲は、１°〜１０°である。図６に示すように、第２の種結晶６４のうち、Ｓｉ原子の数よりもＣ原子の数の方が多いＣ面６５が露出するように、第２の種結晶６４を台座１３に設置し、Ｃ面６５を結晶成長面に設定する。この第２の種結晶６４は、ｃ軸方向およびａ軸方向の双方向の欠陥が少なくなっている。
【００３０】
次に、図７に示すように、第２の種結晶６４を用いて４Ｈ成長が優先的になる条件で結晶成長させる。具体的には、成長温度は、２０００℃〜２１００℃、黒鉛製坩堝１０内における雰囲気圧は１〜４Ｔｏｒｒが好ましく、特に、成長温度は２０００℃および雰囲気圧は１Ｔｏｒｒが好ましい。また、第２の種結晶６４の温度は、成長温度よりも１００〜１５０℃程度低い１９００〜２０００℃が好ましい。
【００３１】
これらの条件において、図７に示すように、初期段階では第２の種結晶６４における成長面であるＣ面６５から６ＨＳｉＣ単結晶６６が成長するが、図８に示すように、途中段階から４Ｈ成長に多形変換され、結晶多形である４ＨＳｉＣ単結晶６７が成長する。この４ＨＳｉＣ単結晶６７は、４Ｈ〈１１−２０〉ｏｆｆ種である。そして、最終的には、図８の一点鎖線で示す基板６８を切り取って、該基板６８を厚さ方向に複数枚にスライスしてウエハとする。
【００３２】
（３）作用・効果
本発明の実施形態による作用効果を説明する。本実施形態による４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の製造方法は、４Ｈ型ＳｉＣ単結晶から形成されてオフ角を設けて切り出された第１の種結晶６０を、Ｃ原子の数よりもＳｉ原子の数の方が多いＳｉ面６１が露出するように台座１３に設置する第１工程と、前記第１の種結晶６０を加熱して６Ｈ型ＳｉＣ単結晶を成長させる第２工程と、前記６Ｈ型ＳｉＣ単結晶から第２の種結晶６４を切り出して、Ｓｉ原子の数よりもＣ原子の数の方が多いＣ面６５が露出するように台座に設置する第３工程と、前記第２の種結晶６４を加熱して４Ｈ型ＳｉＣ単結晶を成長させる第４工程と、を有する。
【００３３】
第１の種結晶６０は、４Ｈ型ＳｉＣ単結晶でありｃ軸方向の欠陥が少ないがａ軸方向の欠陥が多い。この第１の種結晶６０を結晶成長させて、６Ｈ多形変換時にファセット面からのスパイラル成長によってａ軸方向の欠陥を低減させた単結晶から第２の種結晶６４を作成するため、第２の種結晶６４はａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない６Ｈ単結晶となる。その後、第２の種結晶６４を結晶成長させて４Ｈ多形変換時に、ａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない４Ｈ単結晶を得ることができる。このように、本発明の実施形態によれば、少ない成長量で、簡単にａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が少ない高品質の４Ｈ型単結晶を得ることができる。
【００３４】
本実施形態では、前記第２工程における第１の種結晶６０の加熱温度は、２０００〜２６００℃である。この温度範囲で加熱すれば、６Ｈ型ＳｉＣ単結晶の成長が促進される。
【００３５】
本実施形態では、前記第４工程における第２の種結晶６４の加熱温度は、１９００〜２３００℃である。この温度範囲で加熱すれば、４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の成長が促進される。
【００３６】
本実施形態では、前記第３工程において、第２の種結晶６４にオフ角を設けて切り出すことにより、第４工程で、欠陥および異種多形共に発生しにくい４Ｈオフ成長となる。
【００３７】
（４）比較評価
次いで、本発明について、実施例を通じて更に具体的に説明する。図１で説明した単結晶の製造装置を用いて、台座１３上にＳｉＣ単結晶を成長させる実施例および比較例を実施した。まず、実施例を説明する。台座１３に、４Ｈ〈１１−２０〉ｏｆｆ種の単結晶インゴットから切り出した第１の種結晶６０を設置したのち、この第１の種結晶６０と昇華用原料５０を加熱した。第１の種結晶６０の加熱温度は２０８０℃とし、昇華用原料５０の加熱温度は、２１８０℃とした。また、黒鉛製坩堝１０内の雰囲気圧は５Ｔｏｒｒとした。これによって、前述した図３，４に示すような結晶成長がされた。
【００３８】
次いで、図４の６Ｈ〈１１−２０〉ｏｆｆ種の単結晶６３から切り出した基板を第２の種結晶６４として用い、図６に示すように台座１３に設置した。第２の種結晶６４の加熱温度は、１９８０℃とし、昇華用原料５０の加熱温度は、２０６０℃とした。また、黒鉛製坩堝１０内の雰囲気圧は１Ｔｏｒｒとした。これによって、前述した図７，８に示すような結晶成長がされた。そして、図８に示す４Ｈ〈１１−２０〉ｏｆｆ種の単結晶６７から基板（一点鎖線参照）を切り出して、実施例に係る基板とした。
【００３９】
これに対して、比較例に係る基板は、前述した実施例に対して、図４で得られた第１の種結晶６４を用いて、更に結晶成長させた単結晶から切り出したものである。即ち、比較例におおいては、図７，８の工程がなく、図３，４の工程を繰り返した。その結果を、図９のグラフに示した。
【００４０】
図９は、単結晶インゴット中における欠陥密度と成長回数との関係を示したグラフである。図中において、黒で塗りつぶした●と■は実施例を示し、白抜きの○と□は比較例を示す。また、●と○はｃ軸方向の欠陥を示し、■と□はａ軸方向の欠陥を示す。即ち、●は実施例のｃ軸方向の欠陥、■は実施例のａ軸方向の欠陥、○は比較例のｃ軸方向の欠陥、および、□は比較例のａ軸方向の欠陥である。
【００４１】
図９から明らかなように、実施例のａ軸方向の欠陥（■）は成長回数を２回に増やすと結晶中における欠陥密度が大幅に低減することが判明した。即ち、前述のように、実施例では、図３，４の結晶成長に加えて図７，８の結晶成長の合計２回の結晶成長させている。図３，４で得られた単結晶では、６Ｈ多形変換時にファセット面からのスパイラル成長によってａ軸方向の欠陥を低減することができるため、この時点で、ａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない６Ｈ単結晶が得られた。その後、図７，８の４Ｈ多形変換時に、ａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない４Ｈ単結晶が得られた。一方、比較例では、ａ軸方向の欠陥（□）が低減しないことが判明した。
【００４２】
以上から、実施例によれば、ａ軸およびｃ軸の双方向の欠陥が非常に少ない４Ｈ型ＳｉＣ単結晶が得られることが判明した。
【符号の説明】
【００４３】
１…炭化珪素単結晶の製造装置、  １３…台座、  ６０…第１の種結晶、  ６１…Ｓｉ面、  ６４…第２の種結晶、  ６５…Ｃ面
【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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