(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇華再結晶法により種結晶上に炭化珪素単結晶を成長させる工程を包含する炭化珪素単結晶の製造方法であって、結晶成長時の雰囲気圧力を低下させる際に、坩堝温度を降下させることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
【請求項２】
前記坩堝温度の降下幅が、５℃以上１００℃以下であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
【請求項３】
前記炭化珪素単結晶インゴットの製造方法において、圧力低下後に再度、降下前の結晶成長温度へ温度を上昇させることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
【請求項４】
前記圧力低下後の温度上昇を４０時間以下の時間内で行うことを特徴とする請求項３記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇華再結晶法による低欠陥かつ結晶性の良い大型炭化珪素単結晶の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素（SiC）は、半導体材料としての優れた物理特性、耐熱性及び機械的強度などから、電力用パワーデバイスを含む各種デバイス用の基板ウェハ向け材料として早くから注目されてきた。SiC単結晶は、昇華再結晶法によって製造されることが一般的であるが、半導体デバイスとしての使用に耐え得る、結晶欠陥の少ない高品質の大型単結晶を得ることが困難であったために、長年、その工業化が阻まれてきた経緯がある。近年、従来の昇華再結晶法を改善した、改良レーリー法（ Yu. M. Tairov and V.F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol.52 (1981) pp.146）が提案されるに及び、単結晶インゴットの高品質化および大型化に飛躍的進捗がもたらされた。研究開発レベルであるとはいえ、GaN系青色発光ダイオードやショットキーバリアダイオードなどのデバイス応用研究が進められると同時に、最大でも直径４インチ(100mm)に及ぶ大型単結晶ウェハが実現可能な現況に至っている （C. H. Carter, et al., FEDジャーナル, vol.11 (2000) pp.7）。
【０００３】
改良レーリー法とは、SiCの昇華・再結晶を応用して単結晶を製造するものであり、主としてSiCからなる原料を加熱、昇華させ、予め比較的低温部に設置しておいたSiC単結晶からなる種結晶上に再結晶させることにより、大型SiC単結晶インゴットを得る方法である。SiC自体の昇華温度が高いことから、一般的に、結晶成長は2000℃に及ぶ高温下で行う必要がある。このため、結晶成長用の容器には、主としてグラファイトに代表される耐熱材料で構成された坩堝が使用される。結晶欠陥等々の発生の無い良質なSiC単結晶インゴットを得るためには、坩堝内温度分布や昇華SiCガス分布等々を制御して最適成長条件を保ち、かつその条件を全成長時間に亘って維持する必要がある。しかしながら、かような高温下でグラファイト坩堝内部の様子をリアルタイムにモニタリングすることは極めて困難であるが故に、坩堝の外表面の温度測定等々などの情報から推測する以外に有効な方法は無く、かような理由から現時点においても結晶成長条件に不明な制御因子を抱えており、安定結晶成長条件を完全に確立するには至っていないのが実情である。このため、成長結晶の一部に乱れが発生して多結晶化したり、また異種ポリタイプが発生する等々の現象が頻発し、単結晶インゴットの製造歩留まりが低下するという問題が生じていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
昇華再結晶法によってSiC単結晶インゴットを製造する場合、その結晶成長時の昇温過程においては、比較的低温域で生成し易いSiCポリタイプが存在することが知られている（Knippenberg, Phillips Res. Reports, vol.18 (1963) pp.161）。例えば、３Cと称されるSiCポリタイプは、成長装置にもよるが、2000℃以下の低温域で、特に非平衡条件下で生成し易いと言われている。ところで、半導体特性が比較的良好な故に、デバイス応用として注目されているSiCポリタイプは、４Hおよび６Hである。昇華再結晶法では、これらのポリタイプからなる単結晶インゴットは、2000℃以上の高温域で安定に晶出するため、４Hおよび６Hポリタイプ単結晶を製造する場合、種結晶付近の温度が前記の温度範囲に入るように坩堝温度を制御しなければならない。このため、原料純化のための脱ガス処理などのような、別途異なる目的で減圧下加熱処理する場合を除き、基本的には低温での異種SiCポリタイプの晶出を抑制する目的から、雰囲気圧力を高くした状態で昇温し、所望の成長温度近傍に到達後に圧力を低下して、成長を開始させる手法が一般的に行われている（N. Ohtani, et al., Electronics and Communications in Japan, Part 2, vol.81 (1998) pp.8）。雰囲気圧力を高くすると、SiC昇華ガスの坩堝内での拡散速度が著しく低下することから、昇華速度が押さえられ、種結晶上での結晶成長が殆ど進展しないことが、本法の基本原理となっている。しかしながら、かような雰囲気圧力制御を行っても、依然として成長結晶が多結晶化したり、異種SiCポリタイプが混入するなどの現象が頻発しており、有効に結晶製造の歩留まりが向上している現況にあるとは言い難い。
【０００５】
発明者らは、昇温時の坩堝温度に関する詳細な調査と数値解析シミュレーション基づく解析より、例えば、グラファイト坩堝中での結晶成長の場合、雰囲気圧力低下時に、圧力降下速度にもよるが、坩堝内部の発熱部分付近でも約50〜100℃温度が上昇することを見出した。雰囲気圧力を低下させる場合、坩堝を含めた系全体の温度分布を決定している輻射や熱伝導などの熱流支配要因の中で、雰囲気ガスによる熱伝導の寄与分が寡少になり、結果として一時的に断熱性が向上するために、坩堝内の温度分布が上昇するものと考えられる。このような場合、結晶成長速度が雰囲気圧力低下時の温度変化に誘発されて安定せず、成長結晶の結晶性に乱れが発生し易くなり、場合によっては結晶方位の異なる結晶粒が生成して、多結晶化してしまう。あるいは、他の異種ポリタイプが生成し易い温度域へ成長温度が変移することにより、所望の単一ポリタイプ単結晶を得ることができなくなり、そのような場合、異種ポリタイプとの界面付近からマイクロパイプと呼ばれる中空状微小欠陥が生じてしまう（N. Ohtani, et al., 1st International Workshop on Ultra-Low-Loss Power Device Technology, (2000) ）。いずれにしても、高品質SiC単結晶インゴットの製造歩留まりの低下を引き起こすため、安定結晶成長を実現する熱処理プロセスを提案することが強く望まれていた。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、結晶性の良い大口径単結晶ウェハの安定製造を可能にするSiC単結晶インゴットの製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のSiC単結晶の製造方法は、主としてSiCからなる原材料を加熱昇華させ、その昇華ガスを予め別位置の、原料部分よりは比較的低温部に設置したSiC単結晶からなる種結晶上に供給し、本種結晶上に昇華再結晶させることによりSiC単結晶インゴットを得る方法であって、
（１）  雰囲気圧力減圧時に坩堝温度を降下させることを特徴とする炭化珪素単結晶インゴットの製造方法
（２）  前記坩堝温度の降下幅が、５℃以上１００℃以下であることを特徴とする（１）記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法
（３）  雰囲気圧力減圧時に坩堝温度を降下させ、圧力減少後に再度、結晶成長温度へ温度を上昇させることを特徴とする（１）または（２）に記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法
（４）  前記温度上昇を４０時間以下の時間内で行うことを特徴とする（３）記載の炭化珪素単結晶インゴットの製造方法
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法により、雰囲気圧力を減少させる際に生じる坩堝内の一時的な温度上昇が抑制でき、結晶成長速度等々の安定成長支配要因に不安定な擾乱をもたらす事が無く、その結果、結晶性の良い大型単結晶インゴットの安定製造が可能になり、大口径のSiC単結晶ウェハを安定に製造できるようになる。
【０００９】
図１に、発明者らの提案する基本的な成長処理パターンの一例を示す。昇温過程においては雰囲気圧力を大きくして、比較的低温で発生し易い異種SiCポリタイプの生成を抑えている。昇温前に、結晶成長が起こらない十分に低温域で減圧下で脱ガス処理を行っても良いが、成長温度へ上昇する際には雰囲気圧力を高くする必要がある。なお、昇温過程時の圧力は0.8×105Pa以上であれば十分である。所望の成長温度に到達後、雰囲気圧力の減少を開始すると同時に温度を降下させる。このときの温度降下幅は、望ましくは5℃以上100℃以下とすることが望ましい。この温度範囲よりも小さいと、坩堝内の温度上昇が抑えられず安定成長が実現できない。また、逆にこの温度範囲を超えて温度を降下させると、圧力低下時に温度が異常に降下してしまい、やはり安定成長が実現されずに多結晶化したり、あるいは異種SiCポリタイプが発生してしまう。なお、成長時の圧力は、1.3×104Pa以下であればよい。また、温度降下の速度は、圧力降下速度とほぼ同等で十分であり、特に問題にはならない。雰囲気圧力が所定の圧力に減少後、異種SiCポリタイプ混入の可能性が無ければ、その温度で成長を継続させても良いが、成長速度が低下して十分な大きさの単結晶インゴットが得られないため、速やかに降下前の成長温度近傍へ復帰させることが望ましい。このときの昇温速度であるが、40時間以下の時間内で行うことが望ましく、これを超えると高温被爆下での断熱材劣化等々の理由により、結晶成長継続が不可能になり、従って成長時間内での温度復帰ができない。
【００１０】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【００１１】
（実施例１）
図２に、種結晶を用いた改良型レーリー法によってSiC単結晶を成長させる、本発明の製造装置の概略図を示す。グラファイト坩堝中にSiC原料粉末を充填し、その上部対向面に６Hポリタイプの単結晶種結晶ウェハを据え付けた後、水冷式二重石英管内に静置した。坩堝内径は25.4ｍｍである。SiC原料粉末の不純物を除去する目的から、約10-3Pa以下の高真空下で高周波加熱方式により約500℃に加熱、保持し、脱ガス処理を行った。しかる後に、アルゴンガスを石英管内圧力が1.0×105Paになるまで充填し、その後2150℃まで約１時間かけて昇温した。なお、坩堝温度の測温方法であるが、坩堝上部の中央部分に直径2〜4mmの光路を設け、石英管外に設置した二色温度計にて測定している。引き続いて、石英管内圧力の減圧を開始すると同時に、高周波電源のパワーを低下させ、圧力1.3×103Paおよび温度2100℃の状態へ約5分で到達した。その後、2100℃の温度で20時間保持して結晶成長させた。なお、本発明の製造法による上記実施例の比較実験として、脱ガス処理後に2100℃まで約１時間で昇温し、その後圧力を1.3×103Paに降下して2100℃の温度にて20時間保持する結晶成長実験を行った。
【００１２】
成長完了後に成長結晶を取り出し、観察したところ、本発明の製造方法によって作製した結晶は、全体がほぼ完全な６Hポリタイプの単結晶インゴットであった。一方、比較例の場合では、大傾角結晶粒の無い単結晶状態は維持されているもの、成長結晶の内部に４Hポリタイプが混入しており、６Hポリタイプ部分との界面付近よりマイクロパイプ状の構造欠陥が発生して、結晶性劣化が著しいことが判明した。
【００１３】
（実施例２）
実施例１とほぼ同様な成長条件にて、４Hポリタイプの単結晶インゴット成長実験を実施した。ただし、石英管内圧力が1.3×103Paの状態で2050℃まで約１時間かけて昇温し、圧力1.3×103Paおよび温度2000℃まで約5分で到達後、減圧下で2050℃まで約１時間かけて昇温させ、さらにその温度で19時間保持した。また、比較実験として、2050℃まで約１時間で昇温し、その後1.3×103Paまで圧力を降下し、2050℃で20時間保持した実験を行った。
【００１４】
本発明の製造法によって得られた結晶は、結晶粒の発生の無い、ほぼ完全な単結晶状態のインゴットであった。このインゴットを成長方向に平行に切り出して厚さ約１ｍｍの薄板を採取し、ラマン分光法によって薄板の各部分のポリタイプを調べたところ、ほぼ全面に亘って４Hポリタイプであることを示す分光データが得られ、異種ポリタイプ発生の無い、安定な結晶成長が行われたことを示している。一方、比較例であるが、成長結晶の、特に坩堝内壁に近い結晶周辺部分に、結晶方位が大きく異なる４Hポリタイプの微小結晶粒が発生しており、結晶全面に亘って単結晶状である４Hポリタイプインゴットは得られなかった。また、上記と同様な方法によって薄板の各部分のポリタイプを調べたところ、やはり結晶周辺部分に６Hおよび１５Rポリタイプが発生しており、４Hのみからなる単一ポリタイプインゴットになっていないことが判明した。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、種結晶を用いた改良型レーリー法により、結晶性の良い良質の炭化珪素単結晶インゴットを製造できる。このような炭化珪素単結晶ウェハを用いれば、光学的特性の優れた青色発光素子、電気的特性の優れた高耐圧・耐環境性電子デバイスを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の結晶成長方法の温度パターンの一例。
【図２】  本発明の製造方法に用いられる単結晶成長装置の一例を示す構成図。
【符号の説明】
１…種結晶（SiC単結晶）
２…SiC粉末原料
３…グラファイト坩堝
４…二重石英管（水冷式）
５…断熱材
６…真空排気装置
７…高周波加熱コイル
【図１】
0004184622.tif 000002
【図２】
0004184622.tif 000003