(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶からなる種結晶であって、該種結晶の単結晶成長面に、幅が２〜１０ｍｍである溝を有してなる炭化珪素単結晶育成用種結晶。
【請求項２】
前記溝の幅／深さで表わされる溝のアスペクト比が、０．１〜１．５である請求項１に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶。
【請求項３】
前記種結晶の単結晶成長面における、溝の表面占有比が、０．２〜１０である請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶を用いて、昇華再結晶法により前記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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素単結晶育成用種結晶、炭化珪素単結晶インゴット、および炭化珪素単結晶ウエハ、並びに炭化珪素単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、耐熱性及び機械的強度も優れ、放射線に強い等の物理的、化学的性質から、耐環境性半導体材料として注目されている。また近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波高耐圧電子デバイス等の基板ウエハとして、ＳｉＣ単結晶ウエハの需要が高まっている。しかしながら、大面積を有する高品質のＳｉＣ単結晶を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は、未だ確立されていない。それゆえ、ＳｉＣは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にもかかわらず、その実用化が阻まれていた。
【０００３】
従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法（レーリー法）でＳｉＣ単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのＳｉＣ単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、ＳｉＣが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。
【０００４】
化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いて、珪素（Ｓｉ）等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、立方晶の炭化珪素単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約２０％もあること等により、多くの欠陥（〜１０7ｃｍ-2）を含むＳｉＣ単結晶しか成長させることができず、高品質のＳｉＣ単結晶を得ることは容易でない。
【０００５】
これらの問題点を解決するために、ＳｉＣ単結晶｛０００１｝ウエハを種結晶として用いて、昇華再結晶を行う改良型のレーリー法が提案されている（Ｙｕ．Ｍ．Ｔａｉｒｏｖ  ａｎｄ  Ｖ．Ｆ．Ｔｓｖｅｔｋｏｖ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆＣｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ．５２（１９８１）ｐｐ．１４６−１５０）。この方法では、種結晶を用いているため結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスで雰囲気圧力を１００Ｐａから１５ｋＰａ程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロ−ルできる。
【０００６】
改良レーリー法の原理を図１を用いて説明する。ＳｉＣ単結晶からなる種結晶１０１および原料となるＳｉＣ結晶粉末１０２は、坩堝（通常黒鉛）１０３の中に収納され、アルゴン等の不活性ガス１０４の雰囲気中（１３３Ｐａ〜１３．３ｋＰａ）、２０００〜２４００℃に加熱される。この際、原料のＳｉＣ結晶粉末１０２に比べ、種結晶１０１がやや低温になるように温度勾配が設定される。原料は、昇華後、濃度勾配（温度勾配により形成される）により、種結晶１０１方向へ拡散、輸送される。単結晶成長は、種結晶に到着した原料ガスが種結晶上で再結晶化することにより実現される。この際、不活性ガス１０４からなる雰囲気中に不純物ガスを添加する、または、ＳｉＣ結晶粉末１０２中に不純物元素あるいはその化合物を混合することにより、成長結晶１０５の抵抗率を制御することができる。ＳｉＣ単結晶中の置換型不純物として代表的なものに、ｎ型の窒素、ｐ型のホウ素やアルミニウムがある。改良レーリー法を用いれば、ＳｉＣ単結晶の結晶多形（６Ｈ型、４Ｈ型、１５Ｒ型、等）及び形状、キャリア型及び濃度を制御しながら、ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。
【０００７】
現在、上記の改良レーリー法で作製したＳｉＣ単結晶から、口径２インチ（約５０ｍｍ）から３インチ（約７５ｍｍ）のＳｉＣ単結晶ウエハが切り出され、エピタキシャル薄膜成長やデバイス作製に供されている。しかしながら、これらのＳｉＣ単結晶ウエハには、成長方向に貫通する直径数μｍのピンホ−ル欠陥（マイクロパイプ欠陥）が５０〜２００個／ｃｍ2程度含まれる問題があった。
【０００８】
上記したように、従来の技術で作られたＳｉＣ単結晶には、マイクロパイプ欠陥が５０〜２００個／ｃｍ2程度含まれていた。Ｔａｋａｈａｓｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ．１６７（１９９６）ｐｐ．５９６−６０６に記載されているように、マイクロパイプ欠陥の多くは、種結晶に存在していたものが成長結晶に引き継がれたものである。また、成長結晶に新たに導入されるマイクロパイプ欠陥は、Ｋｏｇａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １９９５，ｐｐ．１６６−１６７に記載されているように、そのほとんどが成長初期に発生している。さらに、Ｐ．Ｇ．Ｎｅｕｄｅｃｋ  ｅｔ  ａｌ．，ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１５（１９９４）ｐｐ．６３−６５に記載されているように、これらの欠陥は、素子を作製した際に漏れ電流等を引き起こし、その低減はＳｉＣ単結晶のデバイス応用における最重要課題とされている。
【０００９】
このマイクロパイプ欠陥を抑制するものとして、｛０００１｝面に垂直な面を種結晶として用いて、＜０００１＞ｃ軸方向と垂直方向にＳｉＣ単結晶を成長させる技術が特許第２８０４８６０号公報に開示されている。この方法では、成長されたインゴットからデバイス作製に有用な｛０００１｝面ウエハを取り出そうとした場合、インゴットを成長方向に切断する必要がある。しかしながら、古賀他、真空ｖｏｌ．３０（１９８７）ｐｐ．８８６−８９２に示されているように、通常、インゴットの成長方向への大型化は容易ではなく、成長インゴットは径方向に比べ成長方向に短い形状となっている。このため、インゴットを成長方向に切断すると大口径化の観点では極めて不利になる。さらに、Ｔａｋａｈａｓｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ．１８１（１９９７）ｐｐ．２２９−２４０に記載されているように、ｃ軸と垂直方向にＳｉＣ単結晶を成長させた場合には、成長中に発生した多量の（０００１）面積層欠陥が、ＳｉＣ単結晶中に存在する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、特許第２８０４８６０号公報に開示されている方法を用いた場合には、マイクロパイプ欠陥は発生しないものの、デバイス作製に有用な大型の｛０００１｝ウエハの作製が困難になり、さらに積層欠陥が多量に発生してしまう。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、欠陥の少ない良質の大口径ウエハを再現性良く供給するためのＳｉＣ単結晶育成用種結晶およびＳｉＣ単結晶の製造方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、従来技術の上記問題点を解決するために鋭意研究開発を行った結果、種結晶の表面形状を工夫することにより、欠陥の少ない良質の大口径単結晶が得られることを見出し、本発明を完成させたものである。
【００１３】
即ち、本願発明は、以下の構成を要旨とするものである。
【００１４】
（１）  ＳｉＣ単結晶からなる種結晶であって、該種結晶の単結晶成長面に、幅が２〜１０ｍｍである溝を有してなるＳｉＣ単結晶育成用種結晶である。
【００１６】
（２）  前記溝の幅／深さで表わされる溝のアスペクト比が、０．１〜１．５である（１）に記載のＳｉＣ単結晶育成用種結晶である。
【００１７】
（３）  前記種結晶の単結晶成長面における、溝の表面占有比が、０．２〜１０である（１）又は（２）に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶である。
【００２０】
（４）  （１）〜（３）の何れか１項に記載の炭化珪素単結晶育成用種結晶を用いて、昇華再結晶法により前記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る。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のＳｉＣ単結晶育成用種結晶は、単結晶成長表面上に溝を有した構造をとることにより、単結晶成長中のマイクロパイプ欠陥や積層欠陥の発生を防止でき、大口径のＳｉＣ単結晶インゴットを作製した場合であっても欠陥の少ない良質の単結晶を得ることができる。
【００２２】
本発明のＳｉＣ単結晶育成用種結晶による欠陥発生防止機構を、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本発明の種結晶の配置状況を示す。種結晶の溝を有する面を結晶成長方向に配置しなければならない。そして、昇華再結晶法により、この種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させると、図２（ｂ）に示すように、種結晶の溝を有する面上に結晶成長が開始する。この時、結晶成長は、種結晶のｃ軸に平行方向と垂直方向との何れの方向にも進行する。ところで、ｃ軸に平行方向の成長速度とｃ軸に垂直方向の成長速度とを比較すると、ｃ軸に垂直方向の成長速度の方が大きい（Ｔａｋａｈａｓｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ．１８１（１９９７）ｐｐ．２２９−２４０）ため、溝部側壁からの結晶成長が優先され、溝底部からの成長を遮断することになる。その結果、結晶成長により溝部が埋められた時点では、溝部以外の面でｃ軸に平行方向に成長した結晶部分と、溝部においてｃ軸に垂直方向に成長した結晶部分が混在することになる（図２（ｃ））。つまり、溝底部に存在したマイクロパイプ欠陥は、溝部側壁からの結晶成長により完全に遮断され、マイクロパイプ欠陥が成長結晶に引き継がれなくなる。一方、ｃ軸に垂直方向（溝部側壁）の結晶成長では、（０００１）面の積層欠陥が存在する（Ｔａｋａｈａｓｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ．１８１（１９９７）ｐｐ．２２９−２４０）ものの、この面欠陥は、ｃ軸に平行方向の結晶成長では引き継がれないものである。したがって、その後のｃ軸に平行方向の結晶成長においては、種結晶の溝部上には、マイクロパイプ欠陥も積層欠陥も存在しないＳｉＣ単結晶が得られることになる（図２（ｄ））。なお、溝部以外の部分に存在するマイクロパイプ欠陥は、ＳｉＣ単結晶の成長と共に従来と同様に単結晶中に存在することになるが、種結晶における溝部と溝部以外との面積比に応じて、マイクロパイプ欠陥の存在割合は著しく減少するため、結晶欠陥を大幅に減少させたＳｉＣ単結晶インゴットを得ることができる。また、マイクロパイプ欠陥が少ない種結晶であれば、該欠陥が存在する部位にのみ溝部を形成した種結晶とすれば、完全にマイクロパイプ欠陥を消滅させたＳｉＣ単結晶インゴットを作製することも可能である。
【００２３】
種結晶に形成する溝の形状としては、縞状、格子状やメッシュ状等が、溝加工の容易性の観点から好ましいが、上記のような結晶成長の形態が実現できる形状であれば、特にその形状を制限するものではない。
【００２４】
形成する溝の幅は、２〜１０ｍｍである。２ｍｍ未満の場合は、溝部壁面全体におけるｃ軸に垂直方向への結晶成長が起こり難くなる。１０ｍｍ超の場合には、溝部側壁からｃ軸に垂直方向に成長した結晶の会合部（溝の中心部にできる）にマイクロパイプ欠陥や転位欠陥が発生し易くなる。
【００２５】
また、溝の幅／深さで表わされる溝のアスペクト比は、０．１〜１．５であることが好ましい。アスペクト比が０．１未満であると、溝部壁面での均一な結晶成長が起こり難くなることがある。つまり、溝の開口部付近でのみ結晶成長が起こり易くなり、溝の底部で結晶成長が起こり難いために、溝の開口部で閉塞して、溝の底部が空洞として残存し、そこからボイド欠陥等が発生し易くなる。一方、アスペクト比が１．５超であると、溝底部からのｃ軸に平行方向の結晶成長が無視できなくなり、溝内部をｃ軸に平行方向に成長した結晶に占有され、上述したマイクロパイプ欠陥の低減効果が得られない恐れが大きくなる。
【００２６】
さらに、種結晶の結晶成長面における溝の面積と溝以外の部分の面積との比で表わされる溝の表面占有比（溝の面積／溝以外の部分の面積）が、０．２〜１０であることが好ましい。溝の表面占有比が０．２未満では、上述したマイクロパイプ欠陥の低減効果を有する面積が小さくなり、充分なマイクロパイプ欠陥低減効果を得られない恐れがある。また、溝の表面占有比が１０超では、溝以外の部分が小さくなりすぎて、結晶成長が困難になる恐れや、溝部での結晶強度を確保するために、種結晶を厚くしなければならず、製造コストの上昇を招く恐れがある。
【００２７】
次に、上述した種結晶を用いた昇華再結晶法を用いたＳｉＣ単結晶の製造方法について述べる。図３は、本発明の種結晶を用いた改良レーリー法によるＳｉＣ単結晶成長装置の構成の一例である。結晶成長面に溝を有したＳｉＣ単結晶からなる種結晶１は、黒鉛製坩堝３の蓋４内面に取り付けられる。この際、溝を有した結晶成長面は、結晶成長方向（図では下方）に配置しなければならない。黒鉛製坩堝３には、原料であるＳｉＣ粉末２が充填されている。この黒鉛製坩堝３を高周波コイル８により２３００〜２４００℃に誘導加熱すると、原料粉末２から昇華ガスが発生する。発生した昇華ガスは、不活性ガス（例えばＡｒガス）により雰囲気制御された坩堝内空間を拡散して種結晶方向に移動し、種結晶１上で再結晶化する。このプロセスを数時間から数十時間継続することにより、ＳｉＣ単結晶が製造される。通常、大口径で良質なＳｉＣ単結晶を得るには、ほぼそれと等しい口径の良質な種結晶が必要であるが、そのような種結晶を入手するのは極めて困難である。しかしながら、本発明の種結晶を用いれば、大口径でありさえすればマイクロパイプ欠陥等の欠陥を多量に含む種結晶であっても、所望の口径全域に渡って良質なＳｉＣ単結晶インゴットを簡便に作製することができる。
【００２８】
本発明の製造方法によって製造されたＳｉＣ単結晶インゴットは、５０ｍｍ以上の大口径を有することが可能であり、さらに、該インゴットを加工、研磨してなるＳｉＣ単結晶ウエハであれば、ウエハ径が５０ｍｍ以上であって、さらにマイクロパイプ欠陥を３０個／ｃｍ2以下にまで低減することができる。このようなＳｉＣ単結晶ウエハであれば、例えば、青色発光素子を制作する場合、その製造歩留を９０％以上にすることができる。
【００２９】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を述べる。図３に示すＳｉＣ単結晶成長装置を用いた。まず、この単結晶成長装置について、簡単に説明する。上述したように、結晶成長は、表面に溝を有するＳｉＣ単結晶１を種結晶として用い、該ＳｉＣ単結晶１上に原料であるＳｉＣ粉末２を昇華再結晶化させることにより行われた。種結晶のＳｉＣ単結晶１は、黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けられた。原料のＳｉＣ粉末２は、黒鉛製坩堝３の内部に充填した。このような黒鉛製坩堝３は、二重石英管５の内部に、黒鉛の支持棒６により設置された。黒鉛製坩堝３の周囲には、熱シ−ルドのための黒鉛製フェルト７が設置された。二重石英管５は、真空排気装置１１により高真空排気（１０-3Ｐａ以下）することができ、かつ内部雰囲気をＡｒガスにより圧力制御することができるものを用いた。また、二重石英管５の外周には、ワ−クコイル（高周波コイル）８が設置されており、高周波電流を流すことにより黒鉛製坩堝３を加熱し、原料及び種結晶を所望の温度に加熱することができる。坩堝温度の計測は、坩堝上部及び下部を覆うフェルトの中央部に直径２〜４ｍｍの光路を設け坩堝上部及び下部からの光を取りだし、二色温度計を用いて行った。坩堝下部の温度を原料温度、坩堝上部の温度を種温度とした。
【００３０】
次に、この結晶成長装置を用いて製造する実施例を説明する。
【００３１】
まず、種結晶として、口径５０ｍｍの（０００１）面を有した六方晶系のＳｉＣ単結晶ウエハを用意した。この種結晶のマイクロパイプ欠陥密度は５０個／ｃｍ2であった。次に、種結晶の表面に機械加工により、スリット状の溝を、幅３．０ｍｍ、アスペクト比１、表面占有比１．５で作り込んだ。この機械加工により種結晶表面に形成された加工損傷層は、薬液によるエッチングにより除去した。また、比較例として、機械加工しない種結晶（マイクロパイプ欠陥密度は５０個／ｃｍ2）も用意した。このようにして作製したそれぞれのＳｉＣ単結晶種結晶を黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けた。黒鉛製坩堝３の内部には、ＳｉＣ粉末２を充填した。次いで、原料を充填した黒鉛製坩堝３を、種結晶を取り付けた蓋４で閉じ、黒鉛製フェルト７で被覆した後、黒鉛製支持棒６の上に乗せ、二重石英管５の内部に設置した。そして、石英管の内部を真空排気した後、ワ−クコイル（高周波コイル）８に電流を流し原料温度を２０００℃まで上げた。その後、雰囲気ガスとしてＡｒガスを流入させ、石英管内圧力を約８０ｋＰａに保ちながら、原料温度を目標温度である２４００℃まで上昇させた。成長圧力である１．３ｋＰａには約３０分かけて減圧し、その後約２０時間成長を続けた。この際の坩堝内の温度勾配は１５℃／ｃｍで、成長速度は約０．７ｍｍ／ｈであった。いずれの種結晶から得られた結晶も、口径は５１．５ｍｍで、高さは１４ｍｍ程度であった。
【００３２】
こうして得られたＳｉＣ単結晶をＸ線回折及びラマン散乱により分析したところ、いずれも六方晶系のＳｉＣ単結晶が成長したことを確認できた。また、マイクロパイプ欠陥を評価する目的で、それぞれの成長した単結晶インゴットの成長後半部分を切断、研磨することにより｛０００１｝面ウェハを取り出した。その後、約５３０℃の溶融ＫＯＨでウェハ表面をエッチングし、顕微鏡によりマイクロパイプ欠陥に対応する大型の六角形エッチピットの数を調べたところ、本発明の溝付ＳｉＣ単結晶種結晶から得られたウエハでは、マイクロパイプ欠陥密度は２５個／ｃｍ2で、元の種結晶の欠陥密度から大幅に減少したのに対し、溝のない種結晶から得られたウエハでは５０個／ｃｍ2で、元の種結晶の欠陥密度と同じであった。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の種結晶を用いれば、改良型レーリー法によるＳｉＣ単結晶育成において、マイクロパイプ欠陥等の結晶欠陥が少ない良質のＳｉＣ単結晶を再現性及び均質性良く成長させることができる。このようにして育成されたＳｉＣインゴットから得られるＳｉＣ単結晶ウエハを使用すれば、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高い歩留りで製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  改良レーリー法の原理を説明する図である。
【図２】  本発明の種結晶を用いた結晶成長過程を説明する図である。
【図３】  本発明の実施例に用いた単結晶成長装置の構成概略図である。
【符号の説明】
１  種結晶（ＳｉＣ単結晶）
２  ＳｉＣ粉末
３  黒鉛製坩堝
４  黒鉛製坩堝蓋
５  二重石英管
６  支持棒
７  黒鉛製フェルト
８  高周波コイル
９  Ａｒガス配管
１０  Ａｒガス用マスフロ−コントロ−ラ
１１  真空排気装置
１０１  種結晶
１０２  ＳｉＣ結晶粉末
１０３  坩堝
１０４  不活性ガス
１０５  成長結晶
【図１】
0004224195.tif 000002
【図２】
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【図３】
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