(57)【要約】【課題】結晶品質の良い４Ｈ型炭化珪素単結晶を簡便に安定して成長する製造装置を提供する。【解決手段】黒鉛から形成された坩堝内に、炭化珪素単結晶を成長させるための原料を収容し、この原料に対向する位置に炭化珪素単結晶を成長させるための種結晶を固定する種結晶固定部を前記坩堝内に持ち、上記原料を加熱昇華させて上記種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造装置において、前記原料にスカンジウムを２．０から３．５重量％添加して結晶成長を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶を成長させるための原料を坩堝内に収容し、前記原料に対向する位置に種結晶を固定する種結晶固定部を前記坩堝内に持ち、上記原料を加熱昇華させて上記種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造装置において、前記原料にスカンジウムを２．０から３．５重量％添加したことを特徴とする炭化珪素単結晶製造装置。
【請求項２】
前記種結晶の成長面が４Ｈ型炭化珪素の（０００−１）カーボン面であることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
【請求項３】
前記炭化珪素結晶を成長させるための成長圧力は０．６乃至４ｋＰａとし、前記原料を収容した坩堝下部の温度が２２００乃至２３５０℃であり、且つ前記坩堝内の温度勾配が５〜１５℃／ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は昇華法による炭化珪素単結晶インゴットの製造技術に関する。特に、４Ｈ型炭化珪素単結晶を効率的に製造する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、大きな熱伝導率、低い誘電率、広いバンドギャップを有し、熱的、機械的に安定した特性を持っている。従って、炭化珪素を用いた半導体素子は、従来のシリコンを用いた半導体素子よりも高い性能を持つ。その利用範囲は、高温の環境で使用される耐環境デバイス材料、耐放射線デバイス材料、電力制御用パワーデバイス材料、高周波デバイス材料などが期待されている。この炭化珪素の結晶は、珪素（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）原子単位層の細密充填構造を考えたときの原子の積み重なりの違いにより、２００種類以上の結晶多形（ポリタイプ）が存在する。これらの結晶多形の中で、４Ｈ型炭化珪素は、電子移動度、バンドギャップ、絶縁破壊電界が他の結晶多形よりも大きい。従って、最も利用価値が高い。ところが、４Ｈ型炭化珪素は、結晶成長時における発生確率が低く、且つ安定して成長させることが難しい。
【０００３】
一方、炭化珪素単結晶の成長方法としては、昇華法（改良レーリー法）が知られている。これは炭化珪素原料を加熱昇華させ、この炭化珪素原料に対向させて配置した炭化珪素種結晶基板上に炭化珪素単結晶を成長させる方法である。しかし、前述のように４Ｈ型炭化珪素は発生確率が低いので、昇華法においても４Ｈ型炭化珪素が成長する確率が低いという問題があった。
【０００４】
そのため、４Ｈ型炭化珪素を成長させる方法が、幾つか提案されている。例えば、種結晶基板上に、高濃度（３×１０18〜６×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）の窒素を添加した３ｍｍ以下の４Ｈ型バッファー層を形成し、その後、所望のキャリア密度の４Ｈ型炭化珪素を成長させる方法が開示されている（特許文献１）。また、別の方法として、シリコン単結晶基板上に不純物として第３の元素をドーピングして３Ｃ型炭化珪素を成長させ、その後、シリコン基板を除去し、２０００℃以上の熱処理を行い、４Ｈ型炭化珪素単結晶を製造する方法が開示されている（特許文献２）。さらには、成長初期に、種結晶基板上に成長する炭化珪素に低濃度のスカンジウムをドーピングすることが４Ｈ型ＳｉＣ単結晶の成長に有効であるとの報告がある。
【特許文献１】特開平１０−０６７６００号公報
【特許文献２】特開平１１−２６８９９５号公報
【非特許文献１】Journal of Crystal Growth 52 (1981) 146-150
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら特許文献１の発明においては、成長初期に３ｍｍ以下のバッファー層を作成する工程が余分に必要であり、製造プロセスのコスト増加を招く。
【０００６】
また、特許文献２の発明では、シリコン単結晶基板を用いているが、シリコンの融点が１４１４℃であるため、炭化珪素原料を昇華させるために２０００℃以上の加熱が必要な昇華法は用いることができない。従って、１４００℃程度でシラン（ＳｉＨ4）とプロパン（Ｃ3Ｈ8）を反応させて種結晶基板上に炭化珪素の結晶成長を行う公知のＣＶＤ法（化学気相成長法）を用いなければならない。しかし、ＣＶＤ法による炭化珪素の結晶成長速度は、数μｍ／ｈｏｕｒ程度であり、数１００μｍ／ｈｏｕｒ以上の結晶成長速度が得られる昇華法に比べて非常に遅く、所望の膜厚（約２０μｍ）の炭化珪素を得るために非常に長時間の結晶成長を行う必要がある。更に、その後に行うシリコン単結晶基板を除去する工程、及び２０００℃以上の熱処理を行う工程が余分に必要であり、製造プロセスのコスト増加を招く。更に、この方法により得られた４Ｈ型炭化珪素単結晶膜を種結晶として用いて、昇華法により成長を行っても、４Ｈ型炭化珪素の発生確率が、炭化珪素の他の結晶多形に比べて低いため、４Ｈ型炭化珪素単結晶は安定して成長しない。
【０００７】
また、非特許文献１では、昇華法を用いた炭化珪素単結晶の成長の際に、必要な成長条件や炭化珪素原料にドープすべきスカンジウムの添加量を明示しておらず、概念的な手法を示唆しているだけである。
【０００８】
本発明は、上記のような実状を鑑みてなされたものであり、昇華法において、結晶品質の良い４Ｈ型炭化珪素を簡便に安定して成長する方法を提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の炭化珪素単結晶製造装置は、炭化珪素単結晶を成長させるための原料を坩堝内に収容し、前記原料に対向する位置に種結晶を固定する種結晶固定部を前記坩堝内に持ち、上記原料を加熱昇華させて上記種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる炭化珪素単結晶製造装置において、前記原料にスカンジウムを２．０から３．５重量％添加したことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の炭化珪素単結晶の成長方法によれば、他の結晶多形が混入すること無く、結晶性の良い４Ｈ型炭化珪素を、安定して成長させることができる。なお、特許文献１の課題に、重金属不純物を結晶に添加することはデバイス作成の観点から好ましくないとの記載があるが、スカンジウムは炭化珪素の結晶にほとんど取り込まれないので（半導体ＳｉＣ技術と応用：松波弘之編著，日刊工業新聞社，ＩＳＢＮ４−５２６−０５０９６−２に記載）、添加されたスカンジウムが、リーク電流の原因となりデバイス特性を劣化させることは無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の炭化珪素単結晶の成長方法の実施の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の炭化珪素単結晶の成長に用いる成長装置の概略図である。坩堝１内にスカンジウムを添加した炭化珪素原料２を収容し、坩堝上蓋３内側の凸部に種結晶基板４を固定する。この単結晶基板の成長面には、４Ｈ型炭化珪素結晶の（０００−１）カーボン面を用いる。もし、成長面に（０００１）シリコン面を用いると、６Ｈ型炭化珪素の成長が支配的で、４Ｈ型炭化珪素の成長が全く見られないためである。このため、４Ｈ型炭化珪素単結晶の成長を行う場合、種結晶基板の成長面には、（０００−１）カーボン面を用いる必要がある。
【００１３】
前記炭化珪素原料２を収容する前記坩堝１は、炭化珪素の昇華に必要な２０００℃以上の温度を用いる。従って、その温度に耐える材質でなければならず、例えば黒鉛製の坩堝が用いられる。また、温度の４乗に比例して輻射熱が失われるため、２０００℃以上の高温では、坩堝１および坩堝上蓋３を断熱材５で覆う必要がある。この断熱材５で覆った坩堝１及び坩堝上蓋３を、石英製の反応管６内に配置する。この反応管６は、二重管構造になっており、結晶成長中には、冷却水７を流して冷却している。また反応管６の上部にガス導入口８が、下部にはガス排気口９が設けられている。
【００１４】
その後、反応管６内部を不活性ガスで置換するが、不活性ガスは、コスト、高純度などの面から、アルゴン（Ａｒ）が適している。この不活性ガス置換は、まずガス排気口９から反応管６内を高真空排気し、その後、ガス導入口８から不活性ガスを常圧まで充填する。反応管６内部を十分にアルゴンガス置換するために、この工程を数回繰り返した方が良い。
【００１５】
その後、反応管６の周囲にらせん状に巻かれたコイル１０に高周波電流を流すことにより、坩堝１および坩堝上蓋３を高周波加熱し昇温する。昇温時には、反応管６内部は、数１０ｋＰａ程度の圧力にしておく必要がある。これは、低温時（所望の結晶成長温度以下）における炭化珪素原料２の昇華を防ぎ、結晶成長を開始させないようにするためである。
【００１６】
加熱時の温度制御は、反応管６上下部に設けられている石英製の温度測定用窓１１、及び断熱材５の上下部に設けられた温度測定用の穴を通して、放射温度計１２で、坩堝１下部の中心点（図１中のＡ点）、及び坩堝上蓋３上部の中心点（図1中のＢ点）の温度を測定し、高周波電源（図示せず）にフィードバックをかけ、コイル１０に流す高周波電流を制御して行っている。このようにして、所望の温度まで昇温した後、徐々に圧力を下げて結晶成長を開始させる。
【００１７】
炭化珪素の結晶成長速度は、炭化珪素原料２の温度（坩堝下部温度に比例する）、坩堝内の温度勾配および成長圧力により決まる。炭化珪素原料２の温度と坩堝内の温度勾配が大きく、且つ、成長圧力が低いほど成長速度が速くなる。しかし、成長速度が速過ぎると、成長する炭化珪素単結晶の結晶性は悪くなる。反対に、成長速度が遅くなると、結晶性は良いが成長が遅くなり、工業的な実用性は無い。従って、成長速度は、０．１〜１．０ｍｍ／ｈｏｕｒの範囲内にするのが好ましい。また、結晶成長中の成長圧力は０．６〜４．０ｋＰａ、坩堝１下部温度は２２００〜２３５０℃、坩堝内の温度勾配は５〜１５℃／ｃｍの範囲が良い。
【００１８】
坩堝内の温度勾配は、坩堝１下部中心点Ａと坩堝上蓋３上部中心点Ｂの温度から次のように定義している。
【００１９】
坩堝内の温度勾配＝（Ａ点の温度−Ｂ点の温度）÷坩堝の高さ
炭化珪素単結晶の成長終了時は、成長開始時とは逆の手順を行う。すなわち、反応管６内の圧力を数１０ｋＰａまで徐々に昇圧して、炭化珪素原料２からの原料の昇華を止め、その後、坩堝１下部温度を常温までゆっくりと降温する。
【００２０】
以上の装置を用いた本発明のより具体的な実施例を、図１を用いて説明する。まず、坩堝１内にスカンジウムを０〜４．０重量％添加した９種類の炭化珪素原料２（試料１〜９）を入れ、該炭化珪素原料２に対向するように坩堝上蓋３内側の凸部に種結晶基板４を固定した。該単結晶基板４の結晶成長面には、４Ｈ型炭化珪素の（０００−１）カーボン面を用いた。その後、前記炭化珪素原料２及び種結晶基板４を配置した坩堝１及び坩堝上蓋３を断熱材５で覆い、石英製の反応管６内に配置した。
【００２１】
然る後、ガス排気口９からロータリーポンプ及びターボ分子ポンプを用いて、反応管６内部を、１０-7ｋＰａ台まで高真空排気を行い、その後、ガス導入口８からアルゴンガスを常圧まで充填した。反応管６内部のアルゴンガス置換を十分に行うために、この工程を３回繰り返し、最後のアルゴンガス導入の際に、反応管６内部の圧力を８０ＫＰａに調整した。
【００２２】
その後、反応管６の周囲にらせん状に巻かれたコイル１０に高周波電流を流すことにより、坩堝１及び坩堝上蓋３の加熱を行った。加熱時の温度制御は、反応管６上下部に設けられている石英製の温度測定用窓１１、及び断熱材５の上下部に設けられた温度測定用の穴を通して、放射温度計１２で、坩堝１下部の中心点（図１中のＡ点）、及び坩堝上蓋３上部の中心点（図１中のＢ点）の温度を測定し、高周波電源（図示せず）にフィードバックをかけ、コイル１０に流す高周波電流を制御して行った。
【００２３】
このようにして、坩堝１下部中心点Ａの温度を常温から２２５０℃まで２時間３０分かけて、ゆっくりと昇温し、その後、反応管内の圧力を８０ｋＰａから４ｋＰａまで１時間かけて減圧して結晶成長を開始させた。この際、坩堝内の温度勾配を１０℃／ｃｍとなるようにコイル１０と坩堝１の位置を調整してある。この状態で４０時間の結晶成長を行った。
【００２４】
成長終了時は、成長開始時とは逆に、反応管６内の圧力を８０ｋＰａまで１時間かけて昇圧して、炭化珪素原料２からの原料の昇華を止め、その後、常温までゆっくりと冷却した。
【００２５】
上記のようにして、得られた炭化珪素単結晶の結晶多形をラマン分光法で測定し判別した。その結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１の結果より明らかなように、試料１の炭化珪素原料２を用いた場合は、全て６Ｈ型の炭化珪素単結晶が得られた。また、試料２〜４の炭化珪素原料２を用いた場合は、４Ｈ型と６Ｈ型が混在した炭化珪素単結晶が得られた。試料５〜８の炭化珪素原料２を用いた場合は、全て４Ｈ型の炭化珪素単結晶が得られた。試料９の炭化珪素原料２を用いた場合には、４Ｈ型の炭化珪素結晶が得られたが、多結晶のものが混在し、全てが単結晶となり良質な炭化珪素結晶は得られなかった。
【００２８】
以上の結果から、結晶性の良い４Ｈ型炭化珪素単結晶を成長させるためには、前記炭化珪素原料２へ２．０〜３．５重量％の範囲でスカンジウムを添加すれば良いことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明にかかる炭化珪素単結晶製造装置は、余分な工程を追加することなく、４Ｈ型の炭化珪素単結晶を選択的に製造できる製造装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例に使用した炭化珪素単結晶の成長装置の図
【符号の説明】
【００３１】
１  坩堝
２  炭化珪素原料
３  坩堝上蓋
４  種結晶基板
５  断熱材
６  反応管
７  冷却水
８  ガス導入口
９  ガス排気口
１０  コイル
１１  温度測定用窓
１２  放射温度計
【図１】
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