(57)【要約】【課題】単結晶炭化珪素基板における窒素原子濃度のばらつきを抑制することができる単結晶炭化珪素基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の単結晶炭化珪素基板５０は、４Ｈのポリタイプの結晶構造を有し、１×１０16個／ｃｍ3を超える原子濃度で導電型不純物として添加された窒素原子を有し、直径５ｃｍの円を包含する主面を有する。また単結晶炭化珪素基板５０はファセット領域およびノンファセット領域のいずれかのみからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４Ｈのポリタイプの結晶構造と、
１×１０16個／ｃｍ3を超える原子濃度で導電型不純物として添加された窒素原子と、
直径５ｃｍの円を包含する主面とを備え、
ファセット領域およびノンファセット領域のいずれかのみからなる、単結晶炭化珪素基板。
【請求項２】
前記主面において前記原子濃度の最小値に対する最大値の比が１．５未満である、請求項１に記載の単結晶炭化珪素基板。
【請求項３】
前記主面において単位面積当たりの転位密度の最小値に対する最大値の比が５未満である、請求項１または２に記載の単結晶炭化珪素基板。
【請求項４】
ファセット領域のみからなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶炭化珪素基板。
【請求項５】
前記主面は円形形状を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の単結晶炭化珪素基板。
【請求項６】
４Ｈのポリタイプを有する単結晶構造を有し、１×１０16個／ｃｍ3を超える原子濃度で導電型不純物として窒素原子が添加された炭化珪素単結晶を準備する工程と、
前記炭化珪素単結晶の少なくとも一部を除去するために前記炭化珪素単結晶を研削する工程と、
前記炭化珪素単結晶を研削する工程の後に、前記炭化珪素単結晶から、直径５ｃｍの円を包含する主面を有しかつファセット領域およびノンファセット領域のいずれかのみからなる炭化珪素基板を切り出す工程とを備える、単結晶炭化珪素基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単結晶炭化珪素基板およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造に用いられる基板として、近年、単結晶炭化珪素基板が用いられている。特に結晶構造として４Ｈのポリタイプを有するものは、その電子移動度の高さから有用性が高い。そのような基板を得るために、４Ｈのポリタイプを有する単結晶炭化珪素のインゴットの製造方法が検討されている。
【０００３】
たとえば特開平０９−１５７０９１号公報（特許文献１）によって開示された一方法よれば、炭化珪素からなる原材料を加熱昇華させ、単結晶炭化珪素からなる種結晶上に供給し、この種結晶上に単結晶炭化珪素が成長させられる。この際に、炭素原子位置に不純物（窒素）が５×１０18ｃｍ-3以上導入される。またこの公報によれば、炭素原子位置を置換する不純物を導入することによって良質の４Ｈ型単結晶炭化珪素を再現性良く成長させることができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−１５７０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
種結晶上に単結晶を成長させる際には、スパイラル成長と、ステップフロー成長との両方が生じる。この結果、得られた単結晶には、スパイラル成長によって形成された領域であるファセット領域と、ステップフロー成長によって形成されたノンファセット領域とが併存する。このため、たとえファセット領域およびノンファセット領域の各々が高品質であっても、両者の間での物性の差異が大きいことで、単結晶内における物性のばらつきが大きくなってしまう。よってこの単結晶から切り出された基板における物性の面内ばらつきも大きくなってしまう。具体的には、ファセット領域は窒素原子濃度が高くなりやすく、ノンファセット領域は窒素原子濃度が低くなりやすい。よって、基板における窒素原子濃度の面内ばらつきが大きくなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、単結晶炭化珪素基板における窒素原子濃度のばらつきを抑制することができる単結晶炭化珪素基板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】
本発明の単結晶炭化珪素基板は、４Ｈのポリタイプの結晶構造を有し、１×１０16個／ｃｍ3を超える原子濃度で導電型不純物として添加された窒素原子を有し、直径５ｃｍの円を包含する主面を有する。また単結晶炭化珪素基板はファセット領域およびノンファセット領域のいずれかのみからなる。
【０００８】
本発明の単結晶炭化珪素基板によれば、窒素原子濃度が比較的高くなりやすいファセット領域と、窒素原子濃度が比較的低くなりやすいノンファセット領域とが併存しない。よって単結晶炭化珪素基板における窒素原子濃度のばらつきを抑制することができる。具体的には、主面において窒素原子濃度の最小値に対する最大値の比が１．５未満となるようにすることができる。
【０００９】
また転位密度が局所的に高まりやすい、ファセット領域およびノンファセット領域の境界が存在しない。よって、単結晶炭化珪素基板の転位密度のばらつきを抑制することができる。具体的には、主面において単位面積当たりの転位密度の最小値に対する最大値の比が５未満となるようにすることができる。
【００１０】
また窒素原子濃度が比較的高くなることで格子定数が小さくなりやすいファセット領域と、窒素原子濃度が比較的低くなることで格子定数が大きくなりやすいノンファセット領域とが併存しない。すなわち、格子定数が互いに異なるファセット領域およびノンファセット領域の境界が存在しない。これにより、単結晶炭化珪素基板の歪を抑制しやすい。
【００１１】
好ましくは上記の単結晶炭化珪素基板はファセット領域のみからなる。これにより、{０００１}面に対するオフ角が小さい種結晶から得られた炭化珪素単結晶から、効率よく単結晶炭化珪素基板を得ることができる。
【００１２】
好ましくは、単結晶炭化珪素基板の主面は円形形状を有する。これにより主面の形状の対称性が高くなるので、単結晶炭化珪素基板の歪をより抑制することができる。なお円形形状を有する単結晶炭化珪素基板には、結晶方位の識別のためのノッチまたはオリエンテーションフラットを有するものが含まれる。
【００１３】
本発明の単結晶炭化珪素基板の製造方法は、以下の工程を有する。
４Ｈのポリタイプを有する単結晶構造を有し、１×１０16個／ｃｍ3を超える原子濃度で導電型不純物として窒素原子が添加された炭化珪素単結晶が準備される。炭化珪素単結晶の少なくとも一部を除去するために炭化珪素単結晶が研削される。炭化珪素単結晶が研削された後に、炭化珪素単結晶から、直径５ｃｍの円を包含する主面を有しかつファセット領域およびノンファセット領域のいずれかのみからなる炭化珪素基板が切り出される。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように本発明によれば、単結晶炭化珪素基板における窒素原子濃度のばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における単結晶炭化珪素基板の構造を概略的に示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における単結晶炭化珪素基板の製造方法の第１工程を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における単結晶炭化珪素基板の製造方法の第２工程を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における単結晶炭化珪素基板の製造方法の第３工程を概略的に示す図であり、図５の線ＩＶ−ＩＶに沿う断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における単結晶炭化珪素基板の製造方法の第３工程を概略的に示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における単結晶炭化珪素基板の製造方法の第４工程を概略的に示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２における単結晶炭化珪素基板の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３における単結晶炭化珪素基板の構造を概略的に示す平面図である。
【図９】図８の変形例を概略的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。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、その説明は繰り返さない。また結晶学上の集合面を｛｝で示す。
【００１７】
（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態のウエハ（単結晶炭化珪素基板）５０は、直径ＤＣが５ｃｍの円を包含する主面を有し、好ましくは直径ＤＣが１０ｃｍの円を包含する主面を有する。好ましくはウエハ５０の主面は円形形状を有し、その直径ＤＳは、５ｃｍを超え、好ましくは１０ｃｍを超える。
【００１８】
またウエハ５０は単結晶炭化珪素から作られている。この単結晶は、六方晶系の結晶構造を有し、より具体的には４Ｈのポリタイプの結晶構造を有する。ウエハ５０は、ファセット領域およびノンファセット領域のいずれかのみからなり、好ましくはファセット領域のみからなる。好ましくは、主面において単位面積当たりの転位密度の最小値に対する最大値の比が５未満である。なお、転位密度は溶融アルカリを用いてウエハ表面をエッチングすることにより発現したピットを計数することで評価できる。具体的には、５２０℃に加熱した溶融水酸化カリウム中で５分エッチングすることで、ウエハ中の転位がピットとして発現する。単位面積としては、１ｃｍ2を採用するのが望ましい。
【００１９】
ここでファセット領域とはスパイラル成長によって形成された領域であり、ノンファセット領域とはステップフロー成長によって形成された領域である。
【００２０】
またウエハ５０はｎ型半導体基板である。ｎ型の導電型が付与されるよう、ウエハ５０には、１×１０16個／ｃｍ3を超える原子濃度で導電型不純物として窒素原子が添加されている。好ましくは、主面において窒素原子濃度の最小値に対する最大値の比が１．５未満である。なお、窒素原子濃度はＳＩＭＳ（Secondary Ion  Mass  Spectroscopy：二次イオン質量分析）法などで測定することが可能である。
【００２１】
次にウエハ５０の製造方法について説明する。
図２を参照して、種結晶１１が準備される。種結晶１１は、六方晶系の結晶構造を有し、より具体的には４Ｈのポリタイプの結晶構造を有する。種結晶１１の表面ＳＦの面方位は{０００１}面からオフ角を有してもよい。このオフ角は、好ましくは１°以上８°以下であり、より好ましくは、１°以上３°以下、または５°以上８°以下であり、さらに好ましくは１°以上３°以下である。種結晶１１の厚さ（図中、縦方向の寸法）は、たとえば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。また種結晶１１の平面形状は、たとえば円形であり、その直径は５ｃｍを超え、好ましくは１０ｃｍを超える。
【００２２】
また種結晶１１が取り付けられることになる取付面を有する台座４１が準備される。この取付面は、好ましくは炭素からなる面を含む。たとえば台座４１はグラファイトによって形成されている。
【００２３】
次に台座４１の取付面と種結晶１１とが接着剤１２によって接着される。
図３を参照して、グラファイト製の坩堝４２内に、炭化珪素粉末からなる原料８１が収められる。次に、坩堝４２の内部へ種結晶１１が面するように台座４１が取り付けられる。なお図４に示すように、台座４１が坩堝４２の蓋として機能してもよい。
【００２４】
次に、昇華再結晶法によって種結晶１１上に単結晶６０が成長させられる。すなわち、原料８１を昇華させることで種結晶１１上に昇華物が堆積させられる。昇華再結晶法における温度は、たとえば２１００℃以上２５００℃以下とされる。またこの昇華再結晶法における雰囲気ガスは、窒素原子を含むガスであり、具体的には窒素ガスを含有する。窒素原子を含むガスの圧力は、得られる単結晶６０中の窒素原子濃度が１×１０16個／ｃｍ3を超えるように設定される。雰囲気ガスの圧力は、好ましくは１．３ｋＰａ以上大気圧以下とされ、より好ましくは、成長速度を高めるために１３ｋＰａ以下とされる。
【００２５】
図４および図５を参照して、坩堝４２から単結晶６０が取り出される。単結晶６０は、４Ｈのポリタイプを有する単結晶構造を有する。また単結晶６０は、ファセット領域６１およびノンファセット領域６２を有する。本実施の形態においては、平面視において、単結晶６０の中央近傍がファセット領域６１、外周側がノンファセット領域６２とされる。よって単結晶６０の成長面は、中央近傍がスパイラル成長面ＦＳ、外周側がステップフロー成長面ＮＳとされる。このようにファセット領域６１が中央近傍に位置し、かつノンファセット領域６２が外周側に位置するようにするためには、種結晶１１の表面ＳＦ（図２）の面方位{０００１}面からのオフ角を１°以上３°以下とすることが好ましい。次に単結晶６０の側面ＳＤ上への研削が行われることでノンファセット領域６２が除去される。
【００２６】
図６を参照して、上記の研削によって、ファセット領域のみからなる単結晶７１が得られる。次に破線ＳＬで示すように単結晶７１からウエハ５０が切り出される。これによりウエハ５０が得られる。
【００２７】
本実施の形態のウエハ５０によれば、窒素原子濃度が比較的高くなりやすいファセット領域６１と、窒素原子濃度が比較的低くなりやすいノンファセット領域６２とが併存しない。よってウエハ５０における窒素原子濃度のばらつきを抑制することができる。具体的には、主面において窒素原子濃度の最小値に対する最大値の比が１．５未満となるようにすることができる。なお本願発明者らの検討結果によれば、窒素原子濃度が１×１０16個／ｃｍ3を超える場合、ファセット領域６１の窒素原子濃度は、ノンファセット領域６２の窒素原子濃度の２倍以上となり、よってファセット領域６１およびノンファセット領域６２が併存する限り、ウエハ５０の主面において窒素原子濃度の最小値に対する最大値の比を１．５未満とすることは困難であった。
【００２８】
また転位密度が局所的に高まりやすい、ファセット領域６１およびノンファセット領域６２の境界が存在しない。よって、ウエハ５０の転位密度のばらつきを抑制することができる。具体的には、主面において単位面積当たりの転位密度の最小値に対する最大値の比が５未満となるようにすることができる。なお本願発明者らの検討結果によれば、ファセット領域６１およびノンファセット領域６２の境界において転位密度が局所的に著しく高くなることから、ファセット領域６１およびノンファセット領域６２が併存する限り、ウエハ５０の主面において単位面積当たりの転位密度の最小値に対する最大値の比が５未満となるようにすることは困難であった。
【００２９】
また窒素原子濃度が比較的高くなることで格子定数が小さくなりやすいファセット領域６１と、窒素原子濃度が比較的低くなることで格子定数が大きくなりやすいノンファセット領域６２とが併存しない。すなわち、格子定数が互いに異なるファセット領域６１およびノンファセット領域６２の境界が存在しない。これにより、ウエハ５０の歪を抑制することができる。
【００３０】
またウエハ５０はファセット領域６１のみからなる。このようなウエハ５０は、主にファセット領域からなる単結晶から形成しやすく、特にファセット領域のみからなる単結晶７１（図６）から形成しやすい。このような単結晶は、中央近傍にファセット領域６１を有する単結晶６０（図４および図５）から得やすい。このような単結晶６０は、{０００１}面に対するオフ角が１°以上３°以下の種結晶１１から得やすい。このようにオフ角が比較的小さい種結晶１１を選択することができるので、その結果、効率よく単結晶６０を成長させることができる。
【００３１】
好ましくは、ウエハ５０の主面は円形形状を有する。これにより主面の形状の対称性が高くなるので、ウエハ５０の歪をより抑制することができる。
【００３２】
なお本実施の形態においてはファセット領域６１のみからなる単結晶７１からウエハ５０が切り出されるが、ノンファセット領域６２を一部有する単結晶からウエハが切り出されてもよく、最終的なウエハ５０がファセット領域のみからなればよい。
【００３３】
（実施の形態２）
本実施の形態のウエハは、実施の形態１のウエハ５０（図１）と異なりノンファセット領域のみからなる。これ以外の特徴はウエハ５０と同様である。
【００３４】
図７を参照して、このようなウエハを得るためには、平面視においてファセット領域６１が外周側に寄った単結晶６０Ｖが準備されることが好ましい。単結晶６０Ｖは、{０００１}面に対するオフ角が比較的大きい種結晶を用いて成長させることができる。具体的なオフ角は、たとえば５°以上８°以下である。
【００３５】
上述したように単結晶６０Ｖは外周側に寄っているファセット領域６１を有する。よって単結晶６０Ｖから、ノンファセット領域６２のみからなる単結晶７２をより少ない研削量によって得ることができる。これにより単結晶７２から、ノンファセット領域６２のみからなるウエハを切り出すことができる。
【００３６】
なお本実施の形態においてはノンファセット領域６２のみからなる単結晶７２からウエハが切り出されるが、ファセット領域６１を一部有する単結晶からウエハが切り出されてもよく、最終的なウエハがノンファセット領域６２のみからなればよい。
【００３７】
（実施の形態３）
図８を参照して、本実施の形態のウエハ５１にはオリエンテーションフラットＯＦが設けられている。オリエンテーションフラットＯＦは、ウエハ５１の方位を識別する目的でウエハ５１の一部が除去されることにより形成されている。オリエンテーションフラットＯＦの存在はウエハ５１の外周領域の一部にしか影響を及ぼさないことから、ウエハ５１が特定の直径の円を包含する主面を有するか否かを判別する際は、オリエンテーションフラットＯＦを無視するものとする。つまりウエハ５１の主面は、図８において、直径ＤＳを有する円形形状であるとみなす。
【００３８】
なおウエハ５１の上記以外の構成については、上述した実施の形態１または２のウエハの構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００３９】
図９を参照して、上述したウエハ５１の変形例であるウエハ５２は、オリエンテーションフラットＯＦの代わりにノッチＮＴを有する。ノッチＮＴは、ウエハ５２の方位を識別する目的でウエハ５２の一部が除去されることにより形成されている。ノッチＮＴの存在は、ウエハ５２の外周領域の一部にしか影響を及ぼさないことから、ウエハ５２が特定の直径の円を包含する主面を有するか否かを判別する際は、ノッチＮＴを無視するものとする。つまりウエハ５２の主面は、図８において、直径ＤＳを有する円形形状であるとみなす。
【００４０】
今回開示された実施の形態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】
【００４１】
１１  種結晶、１２  接着剤、４１  台座、４２  坩堝、５０〜５２  ウエハ（単結晶炭化珪素基板）、６０，６０Ｖ，７１，７２  単結晶、６１  ファセット領域、６２  ノンファセット領域、８１  原料、ＦＳ  スパイラル成長面、ＮＳ  ステップフロー成長面、ＮＴ  ノッチ、ＯＦ  オリエンテーションフラット、ＳＤ  側面、ＳＦ  表面。
【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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