(57)【要約】      （修正有）【課題】液相成長法により比較的少ない工数かつ比較的短時間で多形の生成を抑制しつつ貫通らせん転位の少ないＳｉＣ単結晶を製造し得るＳｉＣ種結晶の提供。【解決手段】液相法によるＳｉＣ結晶成長において用いられる種となるＳｉＣ単結晶であって、表面に、（０００１）面に対し１度以上のオフ角を有する第１の領域Ａ１と１度未満のオフ角を有する第２の領域Ａ２とを備え、第１の領域Ａ１と第２の領域Ａ２とがなす角度が鈍角であり、第２の領域Ａ２において、貫通らせん転位を１００個／ｃｍ２以上、好ましくは２００個／ｃｍ２以上、かつ８０００個／ｃｍ２未満有するＳｉＣ種結晶。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相法によるＳｉＣ結晶成長において用いられる種となるＳｉＣ単結晶であって、
表面に、（０００１）面に対し１度以上のオフ角を有する第１の領域と１度未満のオフ角を有する第２の領域とを備え、前記第１の領域と前記第２の領域とがなす角度が鈍角であり、前記第２の領域において貫通らせん転位を１００個／ｃｍ２以上有するＳｉＣ単結晶。
【請求項２】
前記第２の領域において、貫通らせん転位を２００個／ｃｍ２以上有する請求項１に記載のＳｉＣ単結晶。
【請求項３】
前記第２の領域において、貫通らせん転位を１０００個／ｃｍ２以上、かつ１００００個／ｃｍ２以下有する請求項２に記載のＳｉＣ単結晶。
【請求項４】
前記第２の領域において、貫通らせん転位を２００個／ｃｍ２以上、かつ８０００個／ｃｍ２未満有する請求項２に記載のＳｉＣ単結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ種結晶を結晶成長させてＳｉＣ単結晶を製造する方法に用いる種となるＳｉＣ単結晶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ（炭化ケイ素）は熱的および化学的に非常に安定な半導体材料である。ＳｉＣは、電子デバイスなどの基板材料として現在広く用いられているケイ素（Ｓｉ）と比較して、禁制帯幅が２〜３倍程度、絶縁破壊電圧が約１０倍である。このためＳｉＣ単結晶は、ケイ素を用いたデバイスを超えるパワーデバイスの基板材料などとして期待されている。
【０００３】
ところで、パワーデバイスを低損失化および耐高電圧化するためには、基板材料たるＳｉＣ単結晶を高品質化する必要がある。具体的には、現在広く流通しているＳｉＣ単結晶は、欠陥を高密度で含む。欠陥のうち特に貫通らせん転位はリーク電流の通路となる可能性があり、デバイス特性の向上を図るためには貫通らせん転位の数を低減する必要があった。
【０００４】
ＳｉＣ単結晶の製造方法は、種結晶を気相中で結晶成長させる方法（所謂気相成長法）と、種結晶を液相中で結晶成長させる方法（所謂液相成長法）とに大別される。液相成長法は、気相成長法に比べると熱平衡に近い状態で結晶成長をおこなうため、高品質なＳｉＣ単結晶が得られると考えられている。特に、ＳｉＣ単結晶におけるマイクロパイプおよび基底面転位に関しては、液相成長法を用いることで低減可能であることが知られている。しかし一般的な液相成長法によって得られたＳｉＣ単結晶もまた依然として多くの貫通らせん転位を含む。つまり液相成長法によっても、パワーデバイス用の基板材料として好適な程度にまでＳｉＣ単結晶の貫通らせん転位を低減するのは困難であった。
【０００５】
気相成長を用いて欠陥の少ないＳｉＣ単結晶を製造する方法も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に紹介されているＳｉＣ単結晶の製造方法はＲＡＦ法と呼ばれる方法であり、ＳｉＣ種結晶を切り出してａ軸方向に数ｍｍ結晶成長させる工程と、成長後のＳｉＣ単結晶からＳｉＣ種結晶を切り出してｃ軸方向に数ｍｍ結晶成長させる工程と、を繰り返す。このことで、ＳｉＣ単結晶がａ軸方向に結晶成長する際に受け継がれ難い欠陥と、ｃ軸方向に結晶成長する際に受け継がれ難い欠陥と、を徐々に減らすことができる。この方法によると、上述した２つの工程を数多く繰り返せば繰り返すほど種結晶の欠陥を少なくできるため、理論的には欠陥のない（あるいは、欠陥のほぼない）ＳｉＣ単結晶を得ることができると考えられる。しかしその反面、この結晶成長方法は非常に多くの工程を必要とする上、種結晶を互いに垂直な２方向（ａ軸方向およびｃ軸方向）に複数回ずつ結晶成長させる必要があるために、大きなＳｉＣ単結晶を得るのに非常に長い時間を要する問題があった。
【０００６】
また、種結晶を液相中で結晶成長させる液相成長法において、ＳｉＣ（０００１）面に１度以上のオフ角を形成した種結晶を用いて結晶成長させ、欠陥の少ないＳｉＣを製造する方法が非特許文献２、および特許文献１に開示されている。しかしこの方法においては、開示されている種結晶を使用して成長した単結晶においてその欠陥数や多形発生頻度にバラツキのあることが見出された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４-４３３６９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄ．Ｎａｋａｍｕｒａら、Ｎａｔｕｒｅ、２００４年、４３０号、ｐ．１００９
【非特許文献２】原田俊太他、「高品質4H-SiC溶液成長における多形変化抑制メカニズム」第75回応用物理学会秋季学術講演会、講演番号17a-A17-2
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、比較的少ない工数かつ比較的短時間で多形の生成を抑制しつつ貫通らせん転位の少ないＳｉＣ単結晶を製造し得る液相成長法に用いる種結晶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】
【００１０】
本発明の発明者等は、鋭意研究の結果、特定の条件を有するＳｉＣ種結晶を用いることにより、多形の生成を抑制しつつ貫通らせん転位の少ないＳｉＣ単結晶をバラツキ無く得られることを見出した。
【００１１】
すなわち、上記課題を解決する本発明のＳｉＣ単結晶は、液相法によるＳｉＣ結晶成長において用いられる種となるＳｉＣ単結晶であって、表面に、（０００１）面に対し１度以上のオフ角を有する第１の領域と１度未満のオフ角を有する第２の領域とを備え、第１の領域と第２の領域とがなす角度が鈍角であり、第２の領域において貫通らせん転位を１００個／ｃｍ２以上有するＳｉＣ単結晶である。
【００１２】
このようなＳｉＣ単結晶を種単結晶として用いることにより、液相法によるＳｉＣ結晶成長において、後述するように、多形を抑制しつつ欠陥の少ないＳｉＣ単結晶を極めて安定的に得ることができる。種結晶とは、液相法によるＳｉＣ結晶成長において用いられる種となるＳｉＣ単結晶を意味する。
【００１３】
本発明のＳｉＣ単結晶は、下記の条件（１）〜（３）のうちのいずれかを有することが望ましい。
（１）ＳｉＣ単結晶において、貫通らせん転位を２００個／ｃｍ２ 以上有するＳｉＣ単結晶。
（２）ＳｉＣ単結晶において、貫通らせん転位を１０００個／ｃｍ２ 以上で１００００個／ｃｍ２未満有するＳｉＣ単結晶。
（３）ＳｉＣ単結晶において、貫通らせん転位を２００個／ｃｍ２ 以上で１００００個／ｃｍ２未満有するＳｉＣ単結晶。
【００１４】
（１）を満たす場合、オフ角が１度未満の領域で、スパイラル成長によって結晶が成長し、常にその部分から結晶ステップが形成され、多形の変化を抑制する効果が得られる。（２）を満たす場合、より確実に、オフ角が１度未満の領域において、スパイラル成長により結晶が成長し、多形変化がほぼ１００％維持される。さらに、貫通らせん転位密度を１００００個/ｃｍ２以下とすることで、オフ角が１度以上の領域において、スパイラル成長による結晶成長を抑制し、オフ角が１度未満の領域から供給されるステップの進展により成長が生じ、オフ角が１度以上の領域における貫通らせん転位密度が低減する。（３）を満たす場合は、オフ角が１度未満の領域においても低い貫通らせん転位密度となるため、結晶全体の貫通らせん転位密度が低減される。
「貫通らせん転位の低減」
貫通らせん転位とオフ角との関係は、特許文献１にも開示されているように、既に分かっており、オフ角が大きくなる程、貫通らせん転位から積層欠陥への変換率が高くなり、貫通らせん転位は減少する。具体的にはオフ角が1度以上であることが望ましい。
【００１５】
オフ角は８度以下であることが好ましい。８度以下であることより、結晶中への不純物の取り込みが小さくなる。
「多形の抑制」
ＳｉＣ単結晶は多くの結晶多形を持つ。結晶多形とは、化学量論的には同じ組成でありながら、Ｓｉ−Ｃ結合を持つ正四面体構造からなる正四面体多構造層の積層順序の異なる結晶である。代表的な多形として、３Ｃ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣが挙げられる。ＳｉＣ単結晶の用途によっては、多形が発生すると好ましくない場合がある。ＳｉＣ単結晶が二次元核成長する場合、正四面体多構造層の積層順序が結晶成長方向、つまり、（０００１）面に対して垂直な方向に引き継がれ難い場合があることが知られている。一方、上述したようにステップの進展を伴う結晶成長が生じる場合やスパイラル成長が生じる場合には、二次元核成長する場合に比べて、正四面体多構造層の積層順序は結晶成長方向に引き継がれ易いと考えられている。また、スパイラル成長は貫通らせん転位の存在下で生じることが知られている。
【００１６】
このようなＳｉＣ単結晶を種単結晶として用いることにより、液相法によるＳｉＣ結晶成長において、オフ角を一部に形成した種単結晶を用いてＳｉＣ単結晶を結晶成長させることで、オフ角を１度未満とした部分でスパイラル成長となり、オフ角を１度以上設けた部分でマクロステップの進展による結晶成長となり、両者が組み合わさった状況で、スパイラル成長に起因する多形の抑制と、貫通らせん転位上をステップが進展することに起因する貫通らせん転位の変換と、が両立する。つまり、この場合には多形を抑止しつつエッチピットの密度および貫通らせん転位を低減できることがわかる。
【００１７】
一方で、このオフ角部分の種結晶中の貫通らせん転位密度が１００個／ｃｍ２未満の単結晶を用いると、効果的にこのスパイラル成長がなされないことが分かった。このスパイラル成長をより効果的に行わせるには１０００個／ｃｍ２以上の貫通らせん転位密度が望ましいことが分かった。また１００００個／ｃｍ２以上の単結晶を用いると、逆に成長結晶中の貫通らせん転位密度が増加することが分かった。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の単結晶を用いると、液相法によるＳｉＣ単結晶成長において、多形の発生を抑制しつつ貫通らせん転位の少ないＳｉＣ単結晶をバラツキ無く得られる。また、液相法の工数及び所要時間を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による表面の一部にオフ角を設けたＳｉＣ単結晶の模式図。
【図２】単結晶成長装置の構成を表す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明のＳｉＣ単結晶は液相成長法を用いて得たものでも気相成長法を用いて得たものでもよい。そのＳｉＣ単結晶の（０００１）面に研削や研磨により、その一部に幅１ｍｍ以上でオフ角１度以上を形成すればよい。
（実施形態）
10ｍｍ角で厚さ500μｍの大きさで、各種貫通らせん転位密度有するＳｉＣ単結晶をX線で観察しながら、種結晶全体を1度のオフ角を持つように研磨加工したものと、幅１ｍｍの領域で、オフ角が１度未満になるように研磨加工した二種類の種結晶を準備して、ＳｉＣ単結晶の成長を行った。図１は、表面の一部に[１１−２０]方向にオフ角を設けた本実施形態のＳｉＣ単結晶の模式図である。図１における１はＳｉＣ単結晶であり、Ａ１は、ＳｉＣ単結晶の表面の一部であって、（０００１）面に対し１度以上のオフ角を有する領域である。Ａ２は（０００１）面に対し１度未満のオフ角を有する領域である。また、領域Ａ１と領域Ａ２のなす角度が鈍角になるように設定されている。領域Ａ１とＡ２の全体において貫通らせん転位は３０００個／ｃｍ２である。種結晶全体を１度のオフ角を持つように研磨加工したものは、Ａ２の部分を備えていない。
【００２１】
高周波加熱グラファイトホットゾーン炉を用いて、ＳｉＣ単結晶を製造した。この単結晶成長装置を模式的に表す説明図を図２に示す。単結晶成長装置２０は、カーボン製の坩堝２１と、この坩堝２１を加熱する加熱要素２２と、坩堝２１の内部に対して進退可能である保持要素２３と、坩堝２１を回転させる坩堝駆動要素２４と、これらを収容するチャンバー（図略）とを持つ。坩堝２１の内径は４５ｍｍであり、深さは５０ｍｍである。加熱要素２２はコイル状の導線２５と導線２５と図略の電源とを接続する図略のリード線とを持つ。導線２５は坩堝２１の外側に巻回されて、坩堝２１と同軸的なコイルを形成している。保持要素２３は、ロッド状をなすディップ軸部２６とディップ軸部２６を長手方向に進退させるディップ軸駆動部２７と、を持つ。ディップ軸部２６の直径は１０ｍｍであり、ディップ軸部２６の長手方向の一端部（図２中下端部）には種結晶１を保持可能な保持部２８が形成されている。試験においては、この単結晶成長装置を用い、溶液引き上げ（ＴＳＳＧ：Ｔｏｐ  Ｓｅｅｄｅｄ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｇｒｏｗｔｈ）法に基づいて、種結晶１を坩堝２１の中のＳｉＣ溶液２９に浸すともに引き上げながら成長した。成長温度１８００℃にて単結晶を成長させ、成長した結晶の成長表面に形成される多形結晶が生成する成長長さを観察した。
【００２２】
X線トポグラフィーによる観察の結果、結晶の一部を１度のオフ角を持つように研磨加工し、幅１ｍｍ以上の領域で、オフ角が１度未満になるように研磨加工をした種用結晶上に成長した結晶において、（０００１）面上に成長した部分は、貫通らせん転位密度が１０００個／ｃｍ２以上であり、オフ角上に成長した部分には貫通らせん転位は観察されず、結晶の全面が4H多形を維持していた。一方、結晶全体を１度のオフ角を持つように研磨加工したものを種用単結晶として用いた場合、貫通らせん転位密度は１００個／ｃｍ２未満であるが、結晶の全面が異種多形に覆われていた。
【００２３】
上記の結果、結晶中の貫通らせん転位密度により成長した結晶の多形が異なることが分かった。
【符号の説明】
【００２４】
１・・・研磨加工した種用単結晶、Ａ１・・・（０００１）面に対して１度以上のオフ角を有している領域、Ａ２・・・（０００１）面に対して１度未満のオフ角を有している領域、２０・・・単結晶成長装置、２１・・・坩堝、２２・・・加熱要素、２３・・・保持要素、２４・・・坩堝駆動要素、２５・・・導線、２６・・・ディップ軸部、２７・・・ディップ軸駆動部、２８・・・保持部、２９・・・ＳｉＣ溶液
【図１】
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【図２】
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