(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の周壁を有する反応容器内に，炭化珪素単結晶よりなる基板結晶を支持する台座を配置し，該台座に支持された上記基板結晶に向けて珪素を含有する珪素含有ガスと炭素を含有する炭素含有ガスを供給して上記基板結晶上において炭化珪素単結晶を成長させると共に，上記台座と上記周壁の間を通過して余剰の上記珪素含有ガス及び上記炭素含有ガスを排出する炭化珪素単結晶の製造方法において，
炭化珪素をエッチングする効果のあるエッチングガスを上記台座の内部から外部へ向けて吐出することにより，当該エッチングガスを上記基板結晶と上記台座との境界面の外周近傍に導入すると共に，
上記エッチングガスを上記周壁から内方へ向けて吐出することにより当該エッチングガスを上記基板結晶上において成長した炭化珪素単結晶である成長結晶の成長端面の外周近傍に導入することにより，
上記成長結晶と上記周壁との間を通過して排気されていく余剰の上記珪素含有ガス及び上記炭素含有ガスに対して，少なくとも２段階で上記エッチングガスを混合させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項２】
請求項１において，上記エッチングガスは，水素，ハロゲンガス，ハロゲン化水素のうち１種もしくは複数のガスを含有する混合ガスであることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において，上記エッチングガスの上記台座の内部から外部へ向けて吐出させる方向は外周の接線方向であることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において，上記基板結晶と上記台座との境界面の外周近傍に導入する上記エッチングガスの導入量が，上記成長結晶の成長端面の外周近傍に導入する上記エッチングガスの導入量よりも多いことを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
【請求項５】
筒状の周壁を有する反応容器と，該反応容器内に配置された，炭化珪素単結晶よりなる基板結晶を支持する台座と，該台座に支持された上記基板結晶に向けて珪素を含有する珪素含有ガスと炭素を含有する炭素含有ガスを供給する反応ガス供給手段と，上記台座と上記周壁の間を通過して余剰の上記珪素含有ガス及び上記炭素含有ガスを排出する排気通路とを有する炭化珪素単結晶の製造装置において，
上記基板結晶と上記台座との境界面の外周近傍に，炭化珪素をエッチングする効果のあるエッチングガスを導入する第１エッチングガス導入手段と，
上記基板結晶上において成長した炭化珪素単結晶である成長結晶の端面の外周近傍に，炭化珪素をエッチングする効果のあるエッチングガスを導入する第２エッチングガス導入手段とを有し，
上記第１エッチングガス導入手段は，上記台座の外周面から外方に向かって開口する第１ガス噴出口を有し，
上記第２エッチングガス導入手段は，上記反応容器の上記周壁の内周面から内方に向かって開口する第２ガス噴出口を有しており，
上記成長結晶と上記周壁との間を通過して排気されていく余剰の上記珪素含有ガス及び上記炭素含有ガスに対して，少なくとも２段階で上記エッチングガスを混合させるよう構成されていることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，ＣＶＤ法（化学気相法）を利用して，高歩留まり，高効率で炭化珪素単結晶を成長させることができる炭化珪素単結晶の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
炭化珪素は，高耐圧，高電子移動度という特徴を有するため，パワーデバイス用半導体として期待されている。その基板となる炭化珪素単桔晶を製造する方法としては，一般に，昇華法（改良レーリー法）と呼ばれる方法と，ＣＶＤ法がある。  上記改良レーリー法では，黒鉛製るつぼ内に炭化珪素原料を挿入すると共にこの原料部と対向するように種結晶（基板結晶）を黒鉛製るつぼの内壁に装着する。そして，原料部を２２００〜２４００℃に加熱して昇華ガスを発生させ，原料部より数十〜数百℃低温にした種結晶上において再結晶させることで炭化珪素単結晶を成長させる。
【０００３】
この改良レーリー法では，炭化珪素単結晶の成長に伴って炭化珪素原料が減少するため，成長させることができる量に限界がある。そして，たとえ，成長途中に原料を追加する手段をとったとしても，ＳｉＣが昇華する際にＳｉ／Ｃ比が１を超える比で昇華するため，成長中に原料を追加するとるつぼ内の昇華ガスの濃度や昇華速度が揺らぎ，結晶を連続的に高品質に成長させることの障害となってしまう。
【０００４】
一方，上記ＣＶＤによって炭化珪素をエピタキシャル成長させるものとしては，例えば特表平１１−５０８５３１号公報に開示された方法がある。この方法は，円筒状の反応管（サセプタ）内に種結晶を配置し，ＳｉやＣを含有する原料ガスを供給して上記種結晶上において炭化珪素単結晶を成長させる方法である。
この方法によれば，上記反応ガスの供給を連続的に行うことができるので，改良レーリー法に比べて，炭化珪素単結晶を長時間成長させ続けることができる。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のＣＶＤ法では，結晶成長する箇所が，上記種結晶上に限らず，上記反応管の内周面上，あるいは上記原料ガスを排出する排出口近傍等の不要な箇所においても炭化珪素結晶が堆積し成長する。そのため，この不要な箇所での炭化珪素結晶の成長によって，原料ガスの供給が続けられず，種結晶上における炭化珪素単結晶の成長も途中で止めざるを得なくなってしまう。
【０００６】
この対策として，例えばＷＯ  ９８／１４６４４号公報に示されているように，反応容器の円周に沿って，反応には関与しないガス（Ｈｅ）を導入することによって排気口の目詰まりを防止する方法がある。しかしながら，この方法では，種結晶上で成長する炭化珪素単結晶（成長結晶）自身がエッチングされることが避けられない。そのため，成長結晶の歩留まりが低下し，生産性が低下する。
【０００７】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，成長結晶の成長端における成長を確保した上で，成長結晶の成長端面以外の不要な箇所での炭化珪素単結晶の堆積を抑制することができ，成長結晶の長時間にわたる成長が可能な炭化珪素単結晶の製造方法及び製造装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題の解決手段】
第１の発明は，筒状の周壁を有する反応容器内に，炭化珪素単結晶よりなる基板結晶を支持する台座を配置し，該台座に支持された上記基板結晶に向けて珪素を含有する珪素含有ガスと炭素を含有する炭素含有ガスを供給して上記基板結晶上において炭化珪素単結晶を成長させると共に，上記台座と上記周壁の間を通過して余剰の上記珪素含有ガス及び上記炭素含有ガスを排出する炭化珪素単結晶の製造方法において，
炭化珪素をエッチングする効果のあるエッチングガスを上記台座の内部から外部へ向けて吐出することにより，当該エッチングガスを上記基板結晶と上記台座との境界面の外周近傍に導入すると共に，
上記エッチングガスを上記周壁から内方へ向けて吐出することにより当該エッチングガスを上記基板結晶上において成長した炭化珪素単結晶である成長結晶の成長端面の外周近傍に導入することにより，
上記成長結晶と上記周壁との間を通過して排気されていく余剰の上記珪素含有ガス及び上記炭素含有ガスに対して，少なくとも２段階で上記エッチングガスを混合させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法にある（請求項１）。
【０００９】
本発明においては，上記のごとく，上記基板結晶と上記台座との境界面の外周近傍と，上記基板結晶上において成長した炭化珪素単結晶である成長結晶の成長端面の外周近傍という少なくとも２箇所に，上記エッチングガスを導入する。これにより，上記成長結晶をほとんどエッチングすることなく，上記台座や周壁及び排気系統への炭化珪素単結晶の堆積を抑制することができる。
【００１０】
すなわち，上記成長結晶の成長端面に到達した上記珪素含有ガス及び炭素含有ガスは，基板結晶あるいはその上に既に形成された成長結晶の成長端面上において炭化珪素単結晶を成長させる。そして，この結晶の成長に寄与できなかった余剰のガスは，上記成長結晶と上記周壁との間を通過して排気されていく。
このとき，本発明では，上記２箇所からのエッチングガスの導入により，上記余剰のガスの反応性を２段階で変化させることができる。
【００１１】
まず，上記基板結晶上において成長した炭化珪素単結晶である成長結晶の成長端面の外周近傍に，上記エッチングガスを導入する。これにより，未だ反応性を有する余剰の珪素含有ガス及び炭素含有ガスの混合ガスの状態が，珪素と炭素が過飽和で反応性の高い状態から，過飽和度がゼロの状態に近づくように，上記エッチングガスが作用する。これにより，上記余剰のガスとエッチングガスの混合ガスは，新たな結晶成長を抑制し，かつ，既に得られている成長結晶をエッチングしてしまうことをも抑制する状態に変化する。
【００１２】
次に，上記混合ガスは，成長結晶の側面を通過した後，上記基板結晶と上記台座との境界面の外周近傍において，さらに導入されたエッチングガスと混ざる。これにより，既に過飽和状態がゼロに近づいていた上記混合ガスは，さらに導入されたエッチングガスによって十分に未飽和の状態に変化し，また，上記エッチングガスによって炭化珪素結晶をエッチングする能力をも有するものとなる。そのため，この段階における上記混合ガスは，新たな炭化珪素結晶の成長を確実に抑制し，かつ，新たに炭化珪素結晶が成長堆積しようとしても，上記エッチングガスのエッチング力によってその堆積を妨げる性質を有するものとなる。
【００１３】
このように，本発明においては，上記２段階のエッチングガスの導入を行うことによって，珪素含有ガスと炭素含有ガスの上記過飽和度の解消と，未飽和化とを段階的に行うことができる。これにより，上記成長結晶のエッチングを防止しつつ，排気系統への炭化珪素単結晶の堆積を防止することができる。
それ故，成長結晶の長時間にわたる成長を可能にすることができる。
また，必要に応じて，多段階のエッチングガス導入を行うことによって，さらに制御性の優れた結晶成長が可能となる。
【００１４】
第２の発明は，筒状の周壁を有する反応容器と，該反応容器内に配置された，炭化珪素単結晶よりなる基板結晶を支持する台座と，該台座に支持された上記基板結晶に向けて珪素を含有する珪素含有ガスと炭素を含有する炭素含有ガスを供給する反応ガス供給手段と，上記台座と上記周壁の間を通過して余剰の上記珪素含有ガス及び上記炭素含有ガスを排出する排気通路とを有する炭化珪素単結晶の製造装置において，
上記基板結晶と上記台座との境界面の外周近傍に，炭化珪素をエッチングする効果のあるエッチングガスを導入する第１エッチングガス導入手段と，
上記基板結晶上において成長した炭化珪素単結晶である成長結晶の端面の外周近傍に，炭化珪素をエッチングする効果のあるエッチングガスを導入する第２エッチングガス導入手段とを有し，
上記第１エッチングガス導入手段は，上記台座の外周面から外方に向かって開口する第１ガス噴出口を有し，
上記第２エッチングガス導入手段は，上記反応容器の上記周壁の内周面から内方に向かって開口する第２ガス噴出口を有しており，
上記成長結晶と上記周壁との間を通過して排気されていく余剰の上記珪素含有ガス及び上記炭素含有ガスに対して，少なくとも２段階で上記エッチングガスを混合させるよう構成されていることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造装置にある（請求項５）。
【００１５】
本発明の製造装置においては，上記第１及び第２エッチングガス導入手段を有している。そのため，上記エッチングガスの導入を，２段階で行うことができる。それ故，上記のごとく優れた製造方法を実行することができ，炭化珪素単結晶の成長結晶の長時間にわたる成長を可能にすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
上記第１の発明においては，上記基板結晶と上記台座との境界面の外周近傍においては，上記台座の内部から外部へ向けて上記エッチングガスを吐出することにより当該エッチングガスを導入する。これにより，上記台座が移動する場合でも常にエッチングガスの導入位置を一定にすることができ，安定したエッチング効果が得られる。
【００１７】
また，上記成長結晶の端面の外周近傍においては，上記周壁から内方へ向けて上記エッチングガスを吐出することにより当該エッチングガスを導入する。これにより，上記成長結晶の端面の外周へのエッチングガスの供給を成長端の位置に応じて容易に調整することができる。
【００１８】
また，上記エッチングガスは，水素，ハロゲンガス，ハロゲン化水素のうち１種もしくは複数のガスを含有する混合ガスであることが好ましい（請求項２）。これらのガスを用いれば，上記珪素含有ガス及び炭素含有ガスにおける珪素と炭素の過飽和度の調整を容易に行うことができると共に，炭化珪素単結晶のエッチング効果を容易に得ることができる。
【００１９】
上記第２の発明においては，上記第１エッチングガス導入手段は，上記台座の外周面から外方に向かって開口する第１ガス噴出口を有する。これにより，エッチングガスの導入経路を上記台座の内部に設けることができ，エッチングガスの導入位置を一定にするための設備構造を簡単にすることができる。
【００２０】
また，上記第２エッチングガス導入手段は，上記反応容器の上記周壁の内周面から内方に向かって開口する第２ガス噴出口を有している。これにより，エッチングガスの導入経路を上記周壁の外方に設けることができ，エッチングガスの導入位置を一定にするための設備構造を簡単にすることができる。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
本発明の炭化珪素単結晶の製造方法及び製造装置に係る実施例につき，図１を用いて説明する。
本例の炭化珪素単結晶の製造装置１は，図１に示すごとく，円筒状の周壁２０を有する反応容器２と，該反応容器２内に配置された，炭化珪素単結晶よりなる基板結晶７を支持する台座３と，該台座３に支持された上記基板結晶７に向けて珪素を含有する珪素含有ガス８１と炭素を含有する炭素含有ガス８２を供給する反応ガス供給手段と，上記台座３と上記周壁２０の間を通過して余剰の上記珪素含有ガス及び上記炭素含有ガスを排出する排気通路２３とを有する。
【００２２】
上記基板結晶７と上記台座３との境界面３７の外周近傍に，炭化珪素をエッチングする効果のあるエッチングガス９を導入する第１エッチングガス導入手段４１と，基板結晶７上において成長した炭化珪素単結晶である成長結晶７５の端面７５０の外周近傍に，炭化珪素をエッチングする効果のあるエッチングガス９を導入する第２エッチングガス導入手段４２とを有する。
【００２３】
本例の第１エッチングガス導入手段４１は，台座３の外周面３０から外方に向かって開口する第１ガス噴出口４１０を有する。そして，この第１ガス噴出口４１０に通じるように，台座３の内部にはエッチングガス導入管４１５を設け，これに図示しないエッチングガス供給源を接続してある。
また，上記台座３は，成長結晶７５の成長に応じて上昇するように構成されている。そして上記第１ガス噴出口４１０は，もちろん，台座３の上昇と共に上昇する。
【００２４】
また，本例の第２エッチングガス導入手段４２は，反応容器２の上記周壁２０の内周面から内方に向かって開口する第２ガス噴出口４２０を有している。この第２ガス噴出口４２０は，成長結晶７５の成長端面７５０の外周に向いて開口している。上記第２ガス噴出口４２０に通じるエッチングガス導入管４２５は，図示しないエッチングガス供給源を接続されている。
【００２５】
また，本例の製造装置１は，上記反応容器２の周囲を石英管１５により覆い，さらにその外方における上記反応容器２に対応する部分には，加熱用の高周波コイル１８を設置してある。そして，上記石英管１５の下端には上記珪素含有ガス８１及び炭素含有ガス８２を供給する供給管を備えた下蓋（図示略）が設けられ，石英管１５の上端には，各種ガスを排気するための排気口を備えた上蓋（図示略）が設けられている。
【００２６】
また，本例では，上記基板結晶７として，４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用い，上記台座３の下端に配設した。また，上記珪素含有ガス８１としてはＳｉＨ4ガスを，上記炭素含有ガス８２としてはＣ3Ｈ8を用いた。そしてこれらのガス８１，８２を図１に示すごとくは反応容器２下方から導入し，基板結晶７上でＳｉＣを成長させる。
【００２７】
成長に使われなかったガス及び原料ガスが分解して生成したＨ2ガスは，成長結晶７５の側面を通過して排気口へと向かう。
ここで，本例の製造装置１は，上記第１エッチングガス導入手段４１及び第２エッチング手段４２を有している。これらを利用して，基板結晶７と台座３との境界面３７の外周近傍へは，上記第１エッチングガス導入手段４１からエッチングガス９を導入する。また，基板結晶７上において成長した炭化珪素単結晶である成長結晶７５の成長端面７５０の外周近傍には，上記第２エッチングガス導入手段４２からエッチングガス９を導入する。
【００２８】
これにより，エッチングガス９は，成長端面レベルでは外周方向から，基板結晶と台座との界面レベルでは台座から導入されるので，結晶成長とともに台座３を移動させても相対的な導入位置が変化せず，定常的なエッチングガス導入が行える。なお，エッチングガスの導入方向は中心軸方向（径方向）でも，接線方向（スワール方向）でも良い。
【００２９】
本例の成長条件は，基板温度２０００〜２５００℃，ＳｉＨ4流量＝５０〜８００ｓｃｃｍ，Ｃ3Ｈ8流量＝１０〜３００ｓｃｃｍ，ＳｉＨ4，Ｃ3Ｈ8のキャリアガスとしてのＡｒ＝１〜１０ＳＬＭ，圧力＝１００〜４００Ｔｏｒｒであり，成長速度は０．５〜３ｍｍ／ｈである。
また，上記エッチングガス９としては，Ｈ2を用い，上記第２エッチングガス導入手段４２においては５〜１０ＳＬＭ，第１エッチングガス導入手段４１においては１０〜３０ＳＬＭ導入した。
【００３０】
本例では，３０時間の成長を実施した結果，成長結晶７５の側壁における大きなエッチングは見られず，また，排気口においても結晶の堆積は見られなかったため，長時間にわたる結晶成長が可能であることが確認できた。
この結果から，上記２つのエッチングガス導入手段４１，４２を用いて２段階のエッチングガス導入を行うことが，非常に有効であることがわかる。そして，この２段階のエッチングガス導入による作用効果は次のように考えられる。
【００３１】
すなわち，基板結晶７上において成長した炭化珪素単結晶である成長結晶７５の成長端面７５０の外周近傍に，エッチングガス９を導入することにより，未だ反応性を有する余剰の珪素含有ガス８１及び炭素含有ガス８２の混合ガスの状態が，珪素と炭素の過飽和度が高く，結晶成長の進む状態から，過飽和度がゼロの状態に近づく。これにより，上記余剰のガスとエッチングガスの混合ガスは，新たな結晶成長を抑制し，かつ，既に得られている成長結晶をエッチングしてしまうことをも抑制する状態に変化する。
【００３２】
次に，上記混合ガスは，成長結晶７５の側面を通過した後，上記基板結晶７と台座３との境界面３７の外周近傍において，さらに導入されたエッチングガス９と混ざる。これにより，既に過飽和状態がゼロに近づいていた上記混合ガスは，さらに導入されたエッチングガス９によって十分に未飽和の状態に変化し，また，上記エッチングガス９によって炭化珪素結晶をエッチングする能力をも有するものとなる。そのため，この段階における上記混合ガスは，新たな炭化珪素結晶の成長を確実に抑制し，かつ，新たに炭化珪素結晶が堆積しようとしても，上記エッチングガスのエッチング力によってその堆積を確実に妨げる。
【００３３】
このように，本例においては，上記２段階のエッチングガス９の導入を行うことによって，珪素含有ガス８１と炭素含有ガス８２の上記過飽和の解消と，未飽和化とを段階的に行うことができる。これにより，上記成長結晶７５のエッチングを防止しつつ，排気系統への炭化珪素結晶の堆積を防止することができたのだと考えられる。
【００３４】
（実施例２）
本例では，実施例１と同様な構成の製造装置を用い，エッチングガス９としてＨＣｌを用いた点だけを変更した。
この場合もエッチングガスとしてＨ2を用いた場合と同様に成長結晶７５の側壁における大きなエッチングは見られず，また，排気口においても結晶の堆積は見られなかった。そのため，多段にエッチングガス９を導入することにより，長時間の成長が可能であることが確認できた。
【００３５】
（比較例）
本比較例では，実施例１における，第１エッチングガス導入手段４１によるエッチングガス９の導入を中止し，第２エッチングガス導入手段４２からのみエッチングガス９を導入し，その他は実施例１と同様にして成長実験を行った。
その結果，本比較例においては，成長時間の進行とともに台座側壁部にＳｉＣが堆積し，排気口が閉塞を始めた。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，炭化珪素単結晶の製造装置の構成を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．炭化珪素単結晶の製造装置，
１５．．．石英管，
２．．．反応容器，
２０．．．周壁，
３．．．台座，
４１．．．第１エッチングガス導入手段，
４２．．．第２エッチングガス導入手段，
７．．．基板結晶（種結晶），
８１．．．珪素含有ガス，
８２．．．炭素含有ガス，
８３．．．キャリアガス，
９．．．エッチングガス，
【図１】
0004742448.tif 000002