(57)【要約】【課題】溶液成長法を行う際にＳｉＣ種結晶に取り付けられる台座であって、単結晶ＳｉＣの成長速度を向上させることが可能な構成を提供する。【解決手段】本発明の溶液成長法では、単結晶ＳｉＣからなるＳｉＣ種結晶を台座に支持させた状態かつ少なくともＳｉ及びＣを含む溶液を接触させた状態で当該ＳｉＣ種結晶にエピタキシャル層を成長させる。また、台座のうち少なくともＳｉＣ種結晶と接触する部分が黒鉛製である。これにより、例えばＳｉＣ製の台座に用いた場合と比較して、台座上にＳｉＣの微小な結晶が発生しにくくなる。従って、エピタキシャル層の成長が阻害されにくくなるため、エピタキシャル層を素早く成長させることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣからなる種結晶を台座に支持させた状態かつ少なくともＳｉ及びＣを含む溶液を接触させた状態で当該種結晶にエピタキシャル層を成長させる溶液成長法において、
前記台座のうち少なくとも前記種結晶と接触する部分が黒鉛製であることを特徴とする溶液成長法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶液成長法であって、
前記台座の黒鉛部分の熱伝導率が１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きいことを特徴とする溶液成長法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の溶液成長法であって、
前記台座のうち前記種結晶を支持する面の面積は、前記種結晶と同じか当該種結晶よりも大きいことを特徴とする溶液成長法。
【請求項４】
請求項１から３までの何れか一項に記載の溶液成長法であって、
前記溶液成長法は、前記種結晶と、当該種結晶よりも自由エネルギーが高く、少なくともＣを供給するフィード材と、の間にＳｉ融液が存在する状態で加熱することで、前記種結晶の表面にエピタキシャル層を成長させる準安定溶媒エピタキシー法であることを特徴とする溶液成長法。
【請求項５】
溶液成長法を用いて、ＳｉＣからなる種結晶にエピタキシャル層を成長させるときに当該種結晶を支持する台座において、
少なくとも前記種結晶と接触する部分が黒鉛製であることを特徴とする台座。
【請求項６】
請求項５に記載の台座であって、
黒鉛部分の熱伝導率が１３０Ｗ／（ｍ・ｋ）より大きいことを特徴とする台座。
【請求項７】
ＳｉＣからなる種結晶を、当該種結晶と接触する部分が黒鉛製である台座に支持させる工程と、
前記台座に支持させた前記種結晶を少なくともＳｉ及びＣを含む溶液を接触させた状態で、当該種結晶にエピタキシャル層を成長させる工程と、
を含むことを特徴とする単結晶ＳｉＣの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、溶液成長法を行って単結晶ＳｉＣを成長させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣは、Ｓｉ等と比較して電気的特性等に優れるため、新たな半導体材料として注目されている。半導体素子を製造する際には、初めにＳｉＣからなる種結晶（単結晶ＳｉＣ基板）を用いてＳｉＣ基板又はＳｉＣバルク結晶等が作製される。ここで、種結晶を用いて単結晶ＳｉＣを成長させる溶液成長法の１つとしてＭＳＥ法（準安定溶媒エピタキシー法）が知られている。
【０００３】
特許文献１には、ＭＳＥ法を用いて単結晶ＳｉＣを成長させる方法が開示されている。ＭＳＥ法は、単結晶ＳｉＣからなるＳｉＣ種結晶と、ＳｉＣ種結晶より自由エネルギーの高いフィード基板と、Ｓｉ融液と、を用いる。ＳｉＣ種結晶とフィード基板を対向するように配置し、その間にＳｉ融液を位置させ、真空下で加熱することにより、ＳｉＣ種結晶の表面に単結晶ＳｉＣを成長させることができる。
【０００４】
特許文献２には、昇華再結晶法を用いてＳｉＣ種結晶を成長させる方法が開示されている。特許文献２では、昇華再結晶法を用いる際にＳｉＣ種結晶に取り付けられる台座の形状等について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３０９４６号公報
【特許文献２】特開２００５−２６３５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１では、ＭＳＥ法を行う際の台座の素材等については記載されていない。また、特許文献２は、昇華再結晶法を行う際の台座についてしか記載されておらず、溶液成長法を行う際の台座については記載されていない。ここで、溶液成長法を用いて単結晶ＳｉＣを成長させる場合、台座の素材及び形状等によっては、成長速度が遅くなることが知られている。
【０００７】
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、溶液成長法を行う際にＳｉＣ種結晶に取り付けられる台座であって、単結晶ＳｉＣの成長速度を向上させることが可能な構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
【０００９】
本発明の第１の観点によれば、ＳｉＣからなる種結晶を台座に支持させた状態かつ少なくともＳｉ及びＣを含む溶液を接触させた状態で当該種結晶にエピタキシャル層を成長させる溶液成長法において、前記台座のうち少なくとも前記種結晶と接触する部分が黒鉛製である溶液成長法が提供される。
【００１０】
これにより、例えばＳｉＣ製の台座を用いた場合と比較して、台座上にＳｉＣの微小な結晶が発生しにくくなる。従って、エピタキシャル層の成長が阻害されにくくなるため、エピタキシャル層を素早く成長させることができる。
【００１１】
前記の溶液成長法においては、前記台座の黒鉛部分の熱伝導率が１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きいことが好ましい。
【００１２】
これにより、台座の素材として熱伝導率が高い黒鉛を用いることで、種結晶が高温になることを防止することができる。従って、ＳｉＣの分解よりも成長が優先的に行われるため、エピタキシャル層を素早く成長させることができる。
【００１３】
前記の溶液成長法においては、前記台座のうち前記種結晶を支持する面の面積は、前記種結晶と同じか当該種結晶よりも大きいことが好ましい。
【００１４】
これにより、種結晶の熱を効率的に台座へ伝わらせることができるので、種結晶が高温になることを防止することができる。従って、ＳｉＣの分解よりも成長が優先的に行われるため、エピタキシャル層を素早く成長させることができる。
【００１５】
前記の溶液成長法においては、前記溶液成長法は、前記種結晶と、当該種結晶よりも自由エネルギーが高く、少なくともＣを供給するフィード材と、の間にＳｉ融液が存在する状態で加熱することで、前記種結晶の表面にエピタキシャル層を成長させる準安定溶媒エピタキシー法であることが好ましい。
【００１６】
これにより、温度勾配等を付けることなく自由エネルギーの差により単結晶ＳｉＣを成長させることができる。
【００１７】
本発明の第２の観点によれば、以下の構成の台座が提供される。即ち、この台座は、溶液成長法を用いて、ＳｉＣからなる種結晶にエピタキシャル層を成長させるときに当該種結晶を支持する。また、この台座は、少なくとも前記種結晶と接触する部分が黒鉛製である。
【００１８】
これにより、例えばＳｉＣ製の台座を用いた場合と比較して、台座上にＳｉＣの微小な結晶が発生しにくくなる。従って、エピタキシャル層の成長が阻害されにくくなるため、エピタキシャル層を素早く成長させることができる。
【００１９】
前記の台座においては、黒鉛部分の熱伝導率が１３０Ｗ／（ｍ・ｋ）より大きいことが好ましい。
【００２０】
これにより、熱伝導率が高い黒鉛を用いることで、種結晶が高温になることを防止することができる。従って、ＳｉＣの分解よりも成長が優先的に行われるため、エピタキシャル層を素早く成長させることができる。
【００２１】
本発明の第３の観点によれば、ＳｉＣからなる種結晶を、当該種結晶と接触する部分が黒鉛製である台座に支持させる工程と、前記台座に支持させた前記種結晶を少なくともＳｉ及びＣを含む溶液を接触させた状態で、当該種結晶にエピタキシャル層を成長させる工程と、を含む単結晶ＳｉＣの製造方法が提供される。
【００２２】
これにより、黒鉛製の台座を用いることでエピタキシャル層の成長速度が速くなるため、単結晶ＳｉＣを効率的に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のＳｉＣ種結晶のＭＳＥ成長に用いる高温真空炉の概要を説明する図。
【図２】ＭＳＥ法によりＳｉＣ種結晶を成長させるときの構成例を示す模式図。
【図３】ＳｉＣ製の台座を用いてＭＳＥ法を行った場合と黒鉛製の台座を用いてＭＳＥ法を行った場合とで、台座の表面形状を比較する顕微鏡写真。
【図４】熱伝導率が異なる黒鉛製の台座を用いてＭＳＥ法を行った場合について、成長した単結晶ＳｉＣの表面形状を示す図。
【図５】台座の大きさと、単結晶ＳｉＣの成長速度と、を比較するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。初めに、図１を参照して、本実施形態の加熱処理で用いる高温真空炉１０について説明する。
【００２５】
図１に示すように、高温真空炉１０は、本加熱室２１と、予備加熱室２２と、を備えている。本加熱室２１は、少なくとも表面が単結晶ＳｉＣで構成されるＳｉＣ基板４０（単結晶ＳｉＣ基板）や後述のＳｉＣ種結晶４１を１０００℃以上２３００℃以下の温度に加熱することができる。予備加熱室２２は、ＳｉＣ基板４０又はＳｉＣ種結晶４１等を本加熱室２１で加熱する前に予備加熱を行うための空間である。
【００２６】
本加熱室２１には、真空形成用バルブ２３と、不活性ガス注入用バルブ２４と、真空計２５と、が接続されている。真空形成用バルブ２３は、本加熱室２１の真空度を調整することができる。不活性ガス注入用バルブ２４は、本加熱室２１内の不活性ガス（例えばＡｒガス）の圧力を調整することができる。真空計２５は、本加熱室２１内の真空度を測定することができる。
【００２７】
本加熱室２１の内部には、ヒータ２６が備えられている。また、本加熱室２１の側壁や天井には図略の熱反射金属板が固定されており、この熱反射金属板は、ヒータ２６の熱を本加熱室２１の中央部に向けて反射させるように構成されている。これにより、ＳｉＣ基板４０を強力かつ均等に加熱し、１０００℃以上２３００℃以下の温度まで昇温させることができる。なお、ヒータ２６としては、例えば、抵抗加熱式のヒータや高周波誘導加熱式のヒータを用いることができる。
【００２８】
また、ＳｉＣ基板４０は、タンタルカーバイド製の坩堝（収容容器）３０に収容された状態で加熱される。坩堝３０は、適宜の支持台等に載せられており、この支持台が動くことで、少なくとも予備加熱室から本加熱室まで移動可能に構成されている。坩堝３０は、互いに嵌合可能な上容器３１と下容器３２とを備えている。
【００２９】
ＳｉＣ基板４０又はＳｉＣ種結晶４１等を加熱処理する際には、初めに、図１の鎖線で示すように坩堝３０を高温真空炉１０の予備加熱室２２に配置して、適宜の温度（例えば約８００℃）で予備加熱する。次に、予め設定温度（例えば、約１８００℃）まで昇温させておいた本加熱室２１へ坩堝３０を移動させる。その後、圧力等を調整しつつＳｉＣ基板４０を加熱する。なお、予備加熱を省略しても良い。
【００３０】
次に、溶液成長法の１つであるＭＳＥ法を用いてＳｉＣ種結晶から単結晶ＳｉＣ（エピタキシャル層）を成長させてＳｉＣ基板を作製する方法について説明する。図２は、ＭＳＥ法により単結晶ＳｉＣを成長させるときの構成例を示す模式図である。
【００３１】
図２に示すように、坩堝３０の内部には、ＳｉＣ種結晶４１と、Ｓｉプレート４２と、炭素フィード基板（フィード材）４３と、が配置されている。また、ＳｉＣ種結晶４１は、台座３３によって支持されている。
【００３２】
ＳｉＣ種結晶４１は、液相エピタキシャル成長の基材（シード側）として使用される。ＳｉＣ種結晶４１は、例えば所定の大きさの４Ｈ−ＳｉＣをダイシング加工（切断加工）することで作製される。また、４Ｈ−ＳｉＣに代えて６Ｈ−ＳｉＣを用いることもできる。ＳｉＣ種結晶４１の上方には、Ｓｉプレート４２が配置されている。
【００３３】
Ｓｉプレート４２は、Ｓｉ製の板状の部材である。Ｓｉの融点は約１４００℃であるので、上記の高温真空炉１０で加熱を行うことでＳｉプレート４２は溶融してＳｉ融液となる。Ｓｉプレート４２の上方には、炭素フィード基板４３が配置されている。
【００３４】
炭素フィード基板４３は、炭素を供給する原料つまりフィード側として使用される。炭素フィード基板４３は、ＳｉＣ種結晶４１より自由エネルギーの高い基板である（例えば多結晶３Ｃ−ＳｉＣ製の基板）。
【００３５】
ＳｉＣ種結晶４１、Ｓｉプレート４２、及び炭素フィード基板４３を上記のように配置し、例えば１８００℃で加熱すると、ＳｉＣ種結晶４１と炭素フィード基板４３の間に配置されていたＳｉプレート４２は溶融することでＳｉ融液となる。このＳｉ融液は、炭素を移動させるための溶媒として働く。
【００３６】
具体的には、ＳｉＣ種結晶４１と、炭素フィード基板４３と、の自由エネルギーの差に基づいて、Ｓｉ融液に濃度勾配が発生し、この濃度勾配が駆動力となって、炭素フィード基板４３からＳｉ融液へＣが溶出する。Ｓｉ融液に取り込まれたＣは、下側（ＳｉＣ種結晶４１側）に移動し、そこで単結晶ＳｉＣとしてＳｉＣ種結晶４１の表面に析出する。
【００３７】
以上により、ＳｉＣ種結晶４１の表面に、ＭＳＥ法による単結晶ＳｉＣを成長させることができる。これにより、マイクロパイプや結晶欠陥が少ない原子レベルに平坦なＳｉＣ基板４０（単結晶ＳｉＣ）を作製することができる。このＳｉＣ基板に、ＣＶＤ法（化学気相成長法）又は溶液成長法（例えばＭＳＥ法）等によりエピタキシャル層を成長させる工程、イオンを注入する工程、及びイオンを活性化させるアニール工程（加熱工程）等が行われることで、半導体素子が製造される。
【００３８】
次に、ＭＳＥ法による単結晶ＳｉＣを成長させる際の台座３３の素材について図３を参照して説明する。図３は、ＳｉＣを台座に用いた場合と黒鉛を台座に用いた場合とを比較する顕微鏡写真である。
【００３９】
図３（ａ）は、ＳｉＣ製の台座３３を用いてＭＳＥ法を行った場合の当該台座３３の表面の顕微鏡写真である。図３（ａ）に示すように、ＳｉＣ製の台座３３を用いると、台座３３上にＳｉＣの微小な結晶が大量に発生する。この微小な結晶は、単結晶ＳｉＣの成長を阻害する。
【００４０】
図３（ｂ）は、黒鉛製の台座３３を用いてＭＳＥ法を行った場合の当該台座３３の表面の顕微鏡写真である。図３（ｂ）に示すように、黒鉛製の台座３３を用いると、図３（ａ）と比較して、台座３３上にＳｉＣの微小な結晶が発生しにくい。従って、ＳｉＣ製ではなく黒鉛製の台座３３を用いることで、ＭＳＥ法を行った場合の単結晶ＳｉＣの成長速度を向上させることができる。以上により、台座３３の素材としては、ＳｉＣよりも黒鉛の方が適していることが分かる。
【００４１】
次に、ＭＳＥ法による単結晶ＳｉＣを成長させる際の台座３３の熱伝導率について図４を参照して説明する。図４は、熱伝導率が異なる黒鉛製の台座３３を用いてＭＳＥ法を行った場合について、成長した単結晶ＳｉＣの表面形状を示す図である。
【００４２】
図４（ａ）は、実験に用いた黒鉛の熱伝導率を示す表である。黒鉛（１）は、熱伝導率が１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、黒鉛（２）は、熱伝導率が１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、黒鉛（３）は、熱伝導率が１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
【００４３】
図４（ｂ）は、黒鉛（２）製の台座３３を用いて、１９００℃、１３．３ｋＰａのアルゴン雰囲気下でＭＳＥ法を行って単結晶ＳｉＣを成長させた場合の当該単結晶ＳｉＣの表面形状を示す図である。図４（ｂ）の顕微鏡写真では、ＳｉＣ種結晶４１と同じ六角形を明確に確認することができるため、単結晶ＳｉＣがあまり成長していないことが分かる。
【００４４】
図４（ｃ）は、黒鉛（３）製の台座３３を用いて、上記と同様の条件で単結晶ＳｉＣを成長させた場合の当該単結晶ＳｉＣの表面形状を示す図である。図４（ｃ）の顕微鏡写真では、六角形を明確に確認できず、丸みを帯びた形状となっているため、図４（ｂ）と比較して単結晶ＳｉＣが成長していることが分かる。また、図４（ｂ）と図４（ｃ）は、尺度が同じであり、明らかに図４（ｂ）の単結晶ＳｉＣの方が大きい。以上より、黒鉛（３）を台座に用いることで、黒鉛（２）を台座に用いた場合と比較して、単結晶ＳｉＣを素早く成長させることができる。
【００４５】
熱伝導率に応じて上記の違いが生じる理由としては、以下が考えられる。即ち、黒鉛（３）は、黒鉛（２）と比較して熱伝導率が高いため、ＳｉＣ種結晶４１の熱を効率的に台座３３に伝達して排出することができる。従って、黒鉛（３）製の台座３３を用いることで、ＳｉＣ種結晶４１が高温になることを防止することができる。従って、ＳｉＣの分解よりも成長が優先的に行われるため、単結晶ＳｉＣを素早く成長させることができる。
【００４６】
なお、黒鉛（１）の表面形状の顕微鏡写真は省略するが、黒鉛（２）と同様に、単結晶ＳｉＣの成長速度が不十分である結果が得られた。以上を考慮すると、熱伝導率が１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい黒鉛製の台座３３を用いてＭＳＥ法を行うことで、単結晶ＳｉＣを良好に成長できる可能性があると考えられる。なお、台座３３の熱伝導率は、１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。
【００４７】
次に、台座３３の大きさと単結晶ＳｉＣの成長速度の関係について図５を参照して説明する。
【００４８】
図５は、ＳｉＣ種結晶４１を支持する面の面積が当該ＳｉＣ種結晶４１よりも大きい台座３３と、小さい台座３３とで、１９００℃、１３．３ｋＰａのアルゴン雰囲気下でＭＳＥ法を行って単結晶ＳｉＣを成長させた場合の成長速度を比較したグラフである。図５のグラフからは、ＳｉＣ種結晶４１より大きい台座３３を用いた場合の方が、ＳｉＣ種結晶４１より小さい台座３３を用いた場合よりも成長速度が速くなることが分かる。
【００４９】
台座３３のサイズに応じて上記の違いが生じる理由としては、以下が考えられる。即ち、台座３３のサイズが大きい場合、ＳｉＣ種結晶４１の全面から熱が伝わるため、ＳｉＣ種結晶４１が高温になることを防止できる。従って、ＳｉＣの分解よりも成長が優先的に行われるため、単結晶ＳｉＣを素早く成長させることができる。以上を考慮すると、台座３３のサイズ（詳細にはＳｉＣ種結晶４１の支持面の面積）は、ＳｉＣ種結晶４１のサイズ（詳細には台座３３に支持される面の面積）と同じか、ＳｉＣ種結晶４１のサイズよりも大きいことが好ましい。
【００５０】
以上に説明したように、本実施形態の溶液成長法では、単結晶ＳｉＣからなるＳｉＣ種結晶４１を台座３３に支持させた状態かつ少なくともＳｉ及びＣを含む溶液を接触させた状態で当該ＳｉＣ種結晶４１にエピタキシャル層を成長させる。また、台座３３のうち少なくともＳｉＣ種結晶４１と接触する部分が黒鉛製である。
【００５１】
これにより、例えばＳｉＣ製の台座３３を用いた場合と比較して、台座３３上にＳｉＣの微小な結晶が発生しにくくなる。従って、エピタキシャル層の成長が阻害されにくくなるため、エピタキシャル層（単結晶ＳｉＣ）を素早く成長させることができる。
【００５２】
また、本実施形態の溶液成長法では、台座３３の黒鉛部分の熱伝導率が１３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きい。
【００５３】
これにより、台座３３の素材として熱伝導率が高い黒鉛を用いることで、ＳｉＣ種結晶４１が高温になることを防止することができる。従って、ＳｉＣの分解よりも成長が優先的に行われるため、エピタキシャル層を素早く成長させることができる。
【００５４】
また、本実施形態の溶液成長法では、台座３３のうちＳｉＣ種結晶４１を支持する面の面積は、ＳｉＣ種結晶４１と同じか当該ＳｉＣ種結晶４１よりも大きい。
【００５５】
これにより、ＳｉＣ種結晶４１の熱を効率的に台座３３へ伝わらせることができるので、ＳｉＣ種結晶４１が高温になることを防止することができる。従って、ＳｉＣの分解よりも成長が優先的に行われるため、エピタキシャル層を素早く成長させることができる。
【００５６】
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
【００５７】
溶液成長法を行うための機器として上記で説明したものは一例であり、適宜変更することができる。例えば、上述した高温真空炉１０以外の加熱装置を用いたり、坩堝３０と異なる形状又は素材の容器を用いたりしても良い。また、台座３３の形状も任意であり、例えばＳｉＣ種結晶４１の支持面が円形であっても良いし六角状であっても良い。
【００５８】
上記の実施形態では、台座３３は１つの素材から構成されているが、少なくともＳｉＣ種結晶４１に接触する部分の素材（好ましくは熱伝導を行うために必要な厚み）が黒鉛であれば良い。
【００５９】
溶液成長法を行うための環境（温度、圧力、雰囲気）として上記で説明したものは一例であり、適宜変更することができる。
【００６０】
ＳｉＣ種結晶４１のうちエピタキシャル層の成長に用いる面は任意であり、Ｓｉ面であっても良いし、Ｃ面であっても良い。
【００６１】
上記の実施形態では、溶液成長法としてＭＳＥ法を用いたが、別の溶液成長法（例えば温度勾配を設けることにより溶液中のＣ等を移動させる方法）を用いても良い。別の溶液成長法であっても、黒鉛製の台座３３を用いることで、台座上にＳｉＣの微小な結晶を発生しにくくできるので、エピタキシャル層の成長速度を上昇させることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０  高温真空炉
３０  坩堝
３３  台座
４０  ＳｉＣ基板
４１  ＳｉＣ種結晶
４２  Ｓｉプレート
４３  炭素フィード基板（フィード材）
【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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