(57)【要約】【課題】転位を減少することを可能とする炭化珪素単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】炭化珪素単結晶の製造方法は、炭化珪素単結晶によって構成される種結晶２２０及び炭化珪素単結晶の原材料２１０を坩堝２０内に配置するステップＡと、種結晶２２０及び原材料２１０を加熱することによって、原材料２１０を昇華して、昇華された原材料２１０を種結晶２２０において再結晶するステップＢとを備える。ステップＢにおいて、種結晶２２０の成長応力は、１２ＭＰａ以下である。種結晶２２０には、１５００℃以上２０００℃以下の温度条件で、３００ＭＰａ以上の圧力が予め加えられている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶によって構成される種結晶及び炭化珪素単結晶の原材料を坩堝内に配置するステップＡと、
前記種結晶及び前記原材料を加熱することによって、前記原材料を昇華して、昇華された原材料を前記種結晶において再結晶するステップＢとを備え、
前記ステップＢにおいて、前記種結晶の成長応力は、１２ＭＰａ以下であり、
前記種結晶には、１５００℃以上２０００℃以下の温度条件で、３００ＭＰａ以上の圧力が予め加えられてい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】
前記３００ＭＰａ以上の圧力が加えられた後において、前記種結晶の基底面内転位が３．０×１０４／ｃｍ２以下であり、
前記３００ＭＰａ以上の圧力が加えられた後において、前記種結晶の刃状転位が３．０×１０４／ｃｍ２以下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の製造方法。
【請求項３】
前記ステップＢにおいて、前記種結晶の成長応力は、９ＭＰａ以下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の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坩堝内において、炭化珪素単結晶の原材料の昇華及び再結晶を利用して、炭化珪素単結晶を製造する炭化珪素単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化珪素単結晶を製造する方法として、坩堝内において、炭化珪素単結晶の原材料の昇華及び再結晶を利用して、炭化珪素単結晶を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
具体的には、第１に、坩堝内の下面側に、炭化珪素単結晶の原材料を配置し、坩堝内の上面側に、種結晶を配置する。第２に、坩堝内に配置される原材料及び種結晶を加熱する。これによって、昇華された原材料が種結晶において再結晶し、炭化珪素単結晶を製造することができる。
【０００４】
ところで、様々な種類の転位が低減された炭化珪素単結晶が提案されている（例えば、特許文献２−４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２８４５９９号公報
【特許文献２】特開２００９−３５４７７号公報
【特許文献３】国際公開２００９／０３５０９５号
【特許文献４】特開２００８−２９０９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、炭化珪素単結晶の製造工程において、転位が発生する要因が複雑であり、詳細には明らかになっていない。発明者らは、鋭意検討の結果、炭化珪素単結晶を構成する各面で生じる種結晶の成長応力が転位と相関を有することを見出した。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した課題を解決するあめになされたものであり、転位を減少することを可能とする炭化珪素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】
【０００８】
第１の特徴に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、炭化珪素単結晶によって構成される種結晶及び炭化珪素単結晶の原材料を坩堝内に配置するステップＡと、前記種結晶及び前記原材料を加熱することによって、前記原材料を昇華して、昇華された原材料を前記種結晶において再結晶するステップＢとを備える。前記ステップＢにおいて、前記種結晶の成長応力は、１２ＭＰａ以下である。前記種結晶には、１５００℃以上２０００℃以下の温度条件で、３００ＭＰａ以上の圧力が予め加えられている。
【０００９】
第１の特徴において、前記３００ＭＰａ以上の圧力が加えられた後において、前記種結晶の基底面内転位が３．０×１０４／ｃｍ２以下である。前記３００ＭＰａ以上の圧力が加えられた後において、前記種結晶の刃状転位が３．０×１０４／ｃｍ２以下である。
【００１０】
第１の特徴において、前記ステップＢにおいて、前記種結晶の成長応力は、９ＭＰａ以下である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、転位を減少することを可能とする炭化珪素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】
【００１２】
【図１】図１は、第１実施形態に係る製造装置１００を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の面方位等を説明するための図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の面方位等を説明するための図である。
【図４】図４は、第1実施形態に係る転位／欠陥の種類を示す図である。
【図５】図５は、第1実施形態に係る転位／欠陥の種類を示す図である。
【図６】図６は、第1実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法を示すフロー図である。
【図７】図７は、第１実施形態の評価結果について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下において、本発明の実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法について、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、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。
【００１４】
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。従って、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】
［実施形態の概要］
実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法は、炭化珪素単結晶によって構成される種結晶及び炭化珪素単結晶の原材料を坩堝内に配置するステップＡと、前記種結晶及び前記原材料を加熱することによって、前記原材料を昇華して、昇華された原材料を前記種結晶において再結晶するステップＢとを備える。前記ステップＢにおいて、前記種結晶の成長応力は、１２ＭＰａ以下である。前記種結晶には、１５００℃以上２０００℃以下の温度条件で、３００ＭＰａ以上の圧力が予め加えられている。
【００１６】
ここで、炭化珪素単結晶を構成する１つの分子は、六角柱状の形状を有する。炭化珪素単結晶の面方位は、３つの軸（ｚ軸、θ軸、ｒ軸）によって表される。ｚ軸は、Ｃ軸に沿った軸である。θ軸は、Ｃ軸を中心とする円の接線方向に沿った軸である。ｒ軸は、Ｃ軸を中心とする円の径方向に沿った軸である。また、炭化珪素単結晶の面は、３つの面（ｚ面、θ面、ｒ面）によって表される。ｚ面（ｚ−ｐｌａｎｅ）は、ｚ軸を法線とする面である。θ面（θ−ｐｌａｎｅ）は、θ軸を法線とする面である。ｒ面（ｒ−ｐｌａｎｅ）は、ｒ軸を法線とする面である。
【００１７】
このようなケースにおいて、ｚ面（ｚ−ｐｌａｎｅ）で生じる応力は、ｚ軸方向の応力σｚｚ、θ軸方向の応力σｚθ、ｒ軸方向の応力σｚｒで表される。θ面（θ−ｐｌａｎｅ）で生じる応力は、ｚ軸方向の応力σθｚ、θ軸方向の応力σθθ、ｒ軸方向の応力σθｒで表される。ｒ面（ｒ−ｐｌａｎｅ）で生じる応力は、ｚ軸方向の応力σｒｚ、θ軸方向の応力σｒθ、ｒ軸方向の応力σｒｒで表される。
【００１８】
実施形態において、“種結晶の成長応力”は、ｚ面、θ面、ｒ面のそれぞれで生じる応力（σｚｚ、σｚθ、σｚｒ、σθｚ、σθθ、σθｒ、σｒｚ、σｒθ、σｒｒ）のうち、θ軸及びｒ軸方向の応力（σｚθ、σｚｒ、σθθ、σθｒ、σｒθ、σｒｒ）の総称であることに留意すべきである。
【００１９】
なお、このような応力（σｚθ、σｚｒ、σθθ、σθｒ、σｒθ、σｒｒ）は、基底面内応力と称することもある。
【００２０】
実施形態では、種結晶の成長応力が転位と相関を有するという知見から、ステップＢにおいて、種結晶の成長応力を１２ＭＰａ以下に抑制することによって、炭化珪素単結晶の転位を減少することができる。
【００２１】
実施形態では、１５００℃以上２０００℃以下の温度条件で、３００ＭＰａ以上の圧力が予め種結晶に加えられているため、種結晶の基底面内転位及び刃状転位が低減する。これによって、基底面内転位及び刃状転位が交切する完全転位（Ｋｉｎｋ  Ｐａｉｒ）を起点として発生する積層欠陥が低減される。
【００２２】
［第１実施形態］
（製造装置の構成）
以下において、第１実施形態に係る製造装置について説明する。図１は、第１実施形態に係る製造装置１００を示す図である。
【００２３】
図１に示すように、製造装置１００は、石英管１０と、坩堝２０と、支持棒３０と、加熱部４０とを有する。
【００２４】
石英管１０は、石英によって構成されており、製造装置１００の外形を形成する。例えば、石英管１０は、円筒形状を有しており、石英管１０内の気密性が高い状態で坩堝２０を収容する。
【００２５】
坩堝２０は、坩堝本体２１と、坩堝蓋体２２とを有する。
【００２６】
坩堝本体２１は、底部及び側壁を有しており、底部及び側壁は、一体として形成されている。坩堝本体２１の底部は、原料配置面２１Ａを有しており、原料配置面２１Ａには、炭化珪素単結晶の原材料２１０が配置される。例えば、坩堝本体２１の側壁は、円筒形状を有しており、坩堝本体２１の側壁は、円形状を有する。
【００２７】
坩堝蓋体２２は、坩堝本体２１の開口を塞ぐように構成される。坩堝蓋体２２は、種結晶配置面２２Ａを有しており、種結晶配置面２２Ａには、炭化珪素単結晶の種結晶２２０が配置される。種結晶配置面２２Ａは、坩堝２０内において、原料配置面２１Ａと対向する面である。坩堝蓋体２２は、例えば、円形状を有する。
【００２８】
支持棒３０は、石英管１０内において、坩堝２０を支持する棒状部材である。詳細には、支持棒３０は、坩堝本体２１を支持しており、坩堝本体２１をＡ方向に沿って移動可能に構成される。
【００２９】
加熱部４０は、石英管１０の外周に設けられており、坩堝２０内に配置される原材料２１０及び種結晶２２０を加熱する。詳細には、加熱部４０は、複数のコイルによって構成されており、複数のコイルは、石英管１０の外周に沿って配置される。
【００３０】
（炭化珪素単結晶の面方位等）
以下において、炭化珪素単結晶の面方位等について説明する。図２及び図３は、炭化珪素単結晶の面方位等を説明するための図である。詳細には、図２は、炭化珪素単結晶の塊体を示しており、図３は、炭化珪素単結晶の塊体の一部拡大図を示している。なお、炭化珪素単結晶を構成する１つの分子は、六角柱状の形状を有するものとする。
【００３１】
図２に示すように、炭化珪素単結晶の面方位は、３つの軸（ｚ軸、θ軸、ｒ軸）によって表される。ｚ軸は、Ｃ軸に沿った軸である。θ軸は、Ｃ軸を中心とする円の接線方向に沿った軸である。ｒ軸は、Ｃ軸を中心とする円の径方向に沿った軸である。また、炭化珪素単結晶の面は、３つの面（ｚ面、θ面、ｒ面）によって表される。ｚ面（ｚ−ｐｌａｎｅ）は、ｚ軸を法線とする面である。θ面（θ−ｐｌａｎｅ）は、θ軸を法線とする面である。ｒ面（ｒ−ｐｌａｎｅ）は、ｒ軸を法線とする面である。
【００３２】
このようなケースにおいて、図３に示すように、ｚ面（ｚ−ｐｌａｎｅ）で生じる応力は、ｚ軸方向の応力σｚｚ、θ軸方向の応力σｚθ、ｒ軸方向の応力σｚｒで表される。θ面（θ−ｐｌａｎｅ）で生じる応力は、ｚ軸方向の応力σθｚ、θ軸方向の応力σθθ、ｒ軸方向の応力σθｒで表される。ｒ面（ｒ−ｐｌａｎｅ）で生じる応力は、ｚ軸方向の応力σｒｚ、θ軸方向の応力σｒθ、ｒ軸方向の応力σｒｒで表される。
【００３３】
（転位／欠陥の種類）
以下において、第１実施形態に係る転位／欠陥の種類について説明する。図４及び図５は、第1実施形態に係る転位／欠陥の種類を示す図である。詳細には、図４は、炭化珪素単結晶の塊体の一部を示しており、図５は、炭化珪素単結晶の塊体の断面を示している。ここで、転位及び欠陥は、バーカースベクトル及び伝播方向によって分類される。
【００３４】
具体的には、図４及び図５に示すように、転位／欠陥の種類は、以下に示す通りである。
【００３５】
マイクロパイプ：バーカースベクトルがＣ軸（ｚ軸）に平行であり、伝播方向がＣ軸（ｚ軸）に平行である転位
らせん転位：バーカースベクトルがＣ軸（ｚ軸）に平行であり、伝播方向がＣ軸（ｚ軸）に平行である転位
刃状転位：バーカースベクトルがＣ軸（ｚ軸）に垂直（又は、ａ軸方向に平行）であり、伝播方向がＣ軸（ｚ軸）に平行である転位
基底面内転位：バーカースベクトルがＣ軸（ｚ軸）に垂直（又は、ａ軸方向に平行）であり、伝播方向がＣ軸（ｚ軸）に垂直（又は、ａ軸方向に平行）である転位
積層欠陥：バーカースベクトルがＣ軸（ｚ軸）に垂直であり、伝播方向がＣ軸（ｚ軸）に垂直である転位
（炭化珪素単結晶の製造方法）
以下において、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法について説明する。図６は、第１実施形態に係る炭化珪素単結晶の製造方法を示すフロー図である。なお、以下においては、上述した製造装置１００を用いて炭化珪素単結晶を製造するケースについて説明する。
【００３６】
図６に示すように、ステップ１０において、炭化珪素単結晶によって構成される種結晶２２０を準備する。
【００３７】
第１実施形態では、種結晶２２０に対して、１５００℃以上２０００℃以下の温度条件で、３００ＭＰａ以上の圧力が予め加えられている。詳細には、種結晶２２０の基底面（ｚ面）に均一な応力を印加する装置を用いて、ｚ軸方向から圧力が種結晶２２０に加えられる。
【００３８】
なお、３００ＭＰａ以上の圧力が加えられた後において、種結晶の基底面内転位が３．０×１０４／ｃｍ２以下であり、種結晶の刃状転位が３．０×１０４／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【００３９】
ここで、炭化珪素単結晶が塑性変更を生じる臨界温度の下限は１３００℃である。従って、種結晶の転位を増減するためには、１５００℃以上の温度条件が必要である。また、種結晶２２０に加える圧力が３００ＭＰａ未満である場合には、種結晶２２０の転位が減少しない、或いは、種結晶２２０の転位減少に必要な時間が非常に長くなってしまうことに留意すべきである。
【００４０】
また、種結晶２２０としては、基底面内転位及び刃状転位が交切する完全転位（Ｋｉｎｋ  Ｐａｉｒ）の密度が１０／ｃｍ２以下である種結晶を用いることが好ましい。
【００４１】
ステップ２０において、炭化珪素単結晶によって構成される種結晶２２０及び炭化珪素単結晶の原材料２１０を坩堝２０内に配置する。詳細には、種結晶２２０は、坩堝蓋体２２の種結晶配置面２２Ａに配置され、原材料２１０は、坩堝本体２１の原料配置面２１Ａに配置される。
【００４２】
ステップ３０において、種結晶２２０及び原材料２１０を加熱することによって、原材料２１０を昇華して、昇華された原材料２１０を種結晶２２０において再結晶する。詳細には、石英管１０の外周に設けられる加熱部４０によって、坩堝２０内に配置される種結晶２２０及び原材料２１０を加熱する。
【００４３】
第１実施形態において、ステップ３０において、種結晶２２０の成長応力は、１２ＭＰａ以下である。また、種結晶２２０の成長応力は、９ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００４４】
ここで、種結晶２２０の成長応力は、ｚ面、θ面、ｒ面のそれぞれで生じる応力（σｚｚ、σｚθ、σｚｒ、σθｚ、σθθ、σθｒ、σｒｚ、σｒθ、σｒｒ）のうち、θ軸及びｒ軸方向の応力（σｚθ、σｚｒ、σθθ、σθｒ、σｒθ、σｒｒ）の総称であることに留意すべきである。
【００４５】
なお、このような応力（σｚθ、σｚｒ、σθθ、σθｒ、σｒθ、σｒｒ）は、基底面内応力と称することもある。
【００４６】
すなわち、ステップ３０においては、基底面内応力（σｚθ、σｚｒ、σθθ、σθｒ、σｒθ、σｒｒ）のいずれもが１２ＭＰａ以下である。また、基底面内応力（σｚθ、σｚｒ、σθθ、σθｒ、σｒθ、σｒｒ）のいずれもが９ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００４７】
なお、基底面内応力は、ｚ面内において、種結晶２２０の中心で生じる応力と種結晶２２０の端部で生じる応力との差分（せん断応力）によって生じる。従って、ｚ面内において、種結晶２２０の温度分布を均一化することによって、基底面内応力を低減することができる。
【００４８】
（作用及び効果）
第１実施形態では、種結晶２２０の成長応力が転位と相関を有するという知見から、ステップＢにおいて、種結晶２２０の成長応力（すなわち、基底面内応力）を１２ＭＰａ以下に抑制することによって、炭化珪素単結晶の転位を減少することができる。
【００４９】
第１実施形態では、１５００℃以上２０００℃以下の温度条件で、３００ＭＰａ以上の圧力が予め種結晶２２０に加えられているため、種結晶２２０の基底面内転位及び刃状転位が低減する。これによって、基底面内転位及び刃状転位が交切する完全転位（Ｋｉｎｋ  Ｐａｉｒ）を起点として発生する積層欠陥が低減される。
【００５０】
［評価結果］
以下において、第１実施形態の評価結果について説明する。図７は、第１実施形態の評価結果について説明するための図である。
【００５１】
ここでは、種結晶としては、３インチ４°オフ４Ｈ炭化珪素単結晶基板を用いた。また、種結晶の基底面内転位が２．０×１０４／ｃｍ２以下であり、種結晶の刃状転位が２．０×１０４／ｃｍ２以下であり、種結晶の完全転位（Ｋｉｎｋ  Ｐａｉｒ）の密度が５／ｃｍ２である。
【００５２】
実施例１では、上述した種結晶に対して何ら処理が行われていない種結晶を用いた。実施例２では、上述した種結晶に対して、所定温度条件（１８００℃）で所定圧力（５００ＭＰａ以上）が加えられた種結晶を用いた。実施例３では、上述した種結晶に対して、所定膜厚（５０００μｍ）のホモエピタキシャル膜が形成された種結晶を用いた。
【００５３】
このような種結晶を用いて、上述した製造装置１００によって、炭化珪素単結晶の塊体を製造して、炭化珪素単結晶の塊体をｚ面に沿ってスライスして、スライス面における積層欠陥の比率（積層欠陥面内比率）を測定した。
【００５４】
図７に示すように、実施例１〜実施例３のいずれにおいても、基底面内応力（σｚθ、σｚｒ、σθθ、σθｒ、σｒθ、σｒｒ）が１２ＭＰａ以下である場合に、積層欠陥面内比率が３０％以下になることが確認された。また、基底面内応力（σｚθ、σｚｒ、σθθ、σθｒ、σｒθ、σｒｒ）が９ＭＰａ以下である場合に、積層欠陥面内比率が５％程度になることが確認された。
【００５５】
このように、種結晶の成長応力（すなわち、基底面内応力）を１２ＭＰａ以下に抑制することによって、炭化珪素単結晶の転位（特に、積層欠陥面内比率）を減少することができることが確認された。
【００５６】
特に、実施例２では、１５００℃以上２０００℃以下の温度条件で、３００ＭＰａ以上の圧力が予め種結晶に加えられているため、種結晶の基底面内転位及び刃状転位が低減している。従って、図７に示すように、基底面内応力（σｚθ、σｚｒ、σθθ、σθｒ、σｒθ、σｒｒ）が１２ＭＰａ以下である場合に、層欠陥面内比率が１０％程度になることが確認された。
【００５７】
なお、積層欠陥の発生起点は、基底面内転位及び刃状転位が交切する完全転位（Ｋｉｎｋ  Ｐａｉｒ）である。従って、積層欠陥面内比率が減少することは、基底面内転位及び刃状転位が低減されたことを意味する。或いは、積層欠陥面内比率が減少することは、基底面内転位及び刃状転位の交切が低減されたことを意味する。
【００５８】
［その他の実施形態］
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５９】
実施形態では特に触れていないが、ステップ３０において、ｚ面、θ面、ｒ面のそれぞれで生じる応力（σｚｚ、σｚθ、σｚｒ、σθｚ、σθθ、σθｒ、σｒｚ、σｒθ、σｒｒ）のうち、ｚ軸方向の応力（σｚｚ、σθｚ、σｒｚ）の応力が１２ＭＰａ以下であってもよい。或いは、ステップ３０において、ｚ軸方向の応力（σｚｚ、σθｚ、σｒｚ）の応力が９ＭＰａ以下であってもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０…石英管、２０…坩堝、２１…坩堝本体、２１Ａ…原料配置面、２２…坩堝蓋体、２２Ａ…種結晶配置面、３０…支持棒、４０…加熱部、１００…製造装置、２１０…原材料、２２０…種結晶
【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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