(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ単結晶を成長させる方法であって、
｛０００１｝面に対して角度α（２０゜＜α＜６０゜）だけずれ、且つ、その法線ベクトルを｛０００１｝面に投影したベクトルと＜１１−２０＞方向とのなす角度βが１５゜以内である面を露出させたＳｉＣ単結晶からなる種結晶上に、ＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とするＳｉＣ単結晶の成長方法。
【請求項２】
前記角度αは、２５゜以上５５゜以下であることを特徴とする請求項１記載のＳｉＣ単結晶の成長方法。
【請求項３】
前記角度βは、１０゜以内であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＳｉＣ単結晶の成長方法。
【請求項４】
黒鉛製の坩堝内に前記種結晶を設置し、前記坩堝内でＳｉＣ原料粉末を昇華させて前記種結晶上に前記ＳｉＣ単結晶を再結晶させることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項記載のＳｉＣ単結晶の成長方法。
【請求項５】
反応炉内に前記種結晶を設置し、前記反応炉内で化学気相堆積法によって前記種結晶上に前記ＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項記載のＳｉＣ単結晶の成長方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のうち何れか一項記載のＳｉＣ単結晶の成長方法により成長させられたことを特徴とするＳｉＣ単結晶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体電子部品等に適したＳｉＣ単結晶およびその成長方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、炭化珪素（ＳｉＣ）あるいは窒化ガリウム（ＧａＮ）等の軽元素で構成される化合物半導体の研究が盛んである。かかる化合物半導体は、軽元素で構成されているため結合エネルギーが強く、その結果、エネルギーの禁制帯幅（バンドギャップ）、絶縁破壊電界、熱伝導度が大きいことが特徴である。そして、特にＳｉＣは、このワイドバンドギャップの特徴を活かして、高効率・高耐圧パワーデバイス、高周波パワーデバイス、高温動作デバイス、あるいは青色から紫外発光デバイス用の材料として注目を集めている。しかしながら、結合エネルギーが強いため、ＳｉＣの化合物は、大気圧では高温にしても融解せず、シリコン（Ｓｉ）など他の半導体で用いられる融液の再結晶化によるバルク結晶の育成が困難である。
【０００３】
バルク状のＳｉＣ単結晶を成長させる方法としては、特公昭第５９−４８７９２号公報や特開平２−３０６９９号公報に掲載されたいわゆる改良型レーリー法が知られている。この改良型レーリー法は、黒鉛製のるつぼにＳｉＣ単結晶からなる種結晶を設置し、さらに減圧雰囲気下で原料ＳｉＣ粉末を昇華させて、種結晶上に目的規模のＳｉＣ単結晶を再結晶させるものである。
【０００４】
この改良型レーリー法をはじめとするいわゆる昇華法においては、その種結晶として、主として｛０００１｝面を露出させたＳｉＣ単結晶基板が使用されている。しかしながら、面方位が｛０００１｝であるＳｉＣ単結晶基板を用いてＳｉＣ単結晶を成長させる場合、マイクロパイプという＜０００１＞軸方向に延びる欠陥が単結晶の表面に到達するため、このＳｉＣ単結晶を用いて素子を作製すると、リーク電流等が発生する場合があった。
【０００５】
このマイクロパイプに関する問題を解消するための技術として、例えば特許第２８０４８６０号公報に掲載されたＳｉＣ単結晶の成長方法が知られている。この方法は、種結晶として｛０００１｝面より６０゜〜１２０゜の角度αだけずれた結晶面を露出させたＳｉＣ単結晶を使用するものであり、より好ましくは、｛１−１００｝面や｛１１−２０｝面を露出させたＳｉＣ単結晶を使用するものである。このような種結晶を使用すれば、単結晶の表面に到達するマイクロパイプを減少させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許第２８０４８６０号公報に掲載されたＳｉＣ単結晶の成長方法には、次のような問題があった。すなわち、同公報に記載された発明の発明者らがフィジカステイタスソリッド（ｂ）（２０２号１６３頁〜１７５頁１９９７年）において述べているように、｛１−１００｝面あるいは｛１１−２０｝面が露出したＳｉＣ単結晶を種結晶として使用する場合は、結晶多形の制御ができ、マイクロパイプの表面への到達を抑制できるものの、高密度の積層欠陥（スタッキングフォールト）がＳｉＣ単結晶の表面に露出するという問題があった。この積層欠陥は、結晶を成長させる際に面状に広がるものであり、かかる積層欠陥が表面に露出したＳｉＣ単結晶を用いて素子を作製すると、マイクロパイプが表面に露出したＳｉＣ単結晶を用いる場合と同様に、リーク電流等が発生するおそれがある。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、表面に露出するマイクロパイプおよび積層欠陥が低減されたＳｉＣ単結晶およびその成長方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、ＳｉＣ単結晶を成長させる方法であって、｛０００１｝面に対して角度α（２０゜＜α＜６０゜）だけずれ、且つ、その法線ベクトルを｛０００１｝面に投影したベクトルと＜１１−２０＞方向とのなす角度βが１５゜以内である面を露出させたＳｉＣ単結晶からなる種結晶上に、ＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るＳｉＣ単結晶の成長方法によれば、このような面を露出させた種結晶を用いることで、＜０００１＞方向に延びるマイクロパイプやこの＜０００１＞方向と垂直な面に広がる積層欠陥はＳｉＣ単結晶の側面に到達し、マイクロパイプ及び積層欠陥が表面に到達する事態を抑制することができる。
【００１０】
また、角度αは、２５゜以上５５゜以下であることが好ましく、角度βは、１０゜以内であることが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明に係るＳｉＣ単結晶の成長方法において、黒鉛製の坩堝内に種結晶を設置し、坩堝内でＳｉＣ原料粉末を昇華させて種結晶上にＳｉＣ単結晶を再結晶させることが好ましい。また、反応炉内に種結晶を設置し、反応炉内で化学気相堆積法によって種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係るＳｉＣ単結晶およびその成長方法の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、実施形態および実施例の説明で結晶の格子方向および格子面を使用する場合があるが、ここで、格子方向及び格子面の記号の説明をしておく。個別方位は［ ］、集合方位は＜ ＞、個別面は（ ）、集合面は｛ ｝でそれぞれ示すことにする。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、明細書作成の都合上、数字の前に負号を付けることにする。
【００１３】
図１は、本実施形態のＳｉＣ単結晶を成長させるための結晶成長装置２を示す断面図である。結晶成長装置２は、主として、内部でＳｉＣ単結晶を成長させるための黒鉛製の坩堝４と、坩堝４の熱が外部へ放出されるのを防止する熱シールド部材６と、この熱シールド部材６を包囲する水冷式の反応管８と、反応管８の周囲に巻回されるとともに坩堝４を加熱するための高周波コイル１０と、から構成されている。また、反応管８の頂上部には、アルゴンガスなどの不活性ガスを導入するためのガス導入管１２が介挿され、反応管８の底部には、不活性ガスを外部に排出するためのガス排出管１４が介挿されている。
【００１４】
坩堝４は、有底円筒形状をなしてＳｉＣ多結晶からなる原料１５を収容する収容部１６と、この収容部１６の上部開口を封止する蓋部１８と、蓋部１８に取り付けられるとともに種結晶３０が底面に固定された種結晶配置部２０と、から成る。
【００１５】
ここで、図２を参照して、本実施形態の種結晶３０について説明する。同図に示すように、種結晶３０として、(1)｛０００１｝面に対して角度α（α＝５４．７゜）だけずれ、且つ、(2)その法線ベクトルＸを｛０００１｝面に投影したベクトルＹと＜１１−２０＞の一つである［１１−２０］方向とが平行となる面３０ｕ、が露出した４Ｈ型ポリタイプ（“Ｈ”は六方晶系、“４”は原子積層が４層で一周期となる結晶構造を意味する）のＳｉＣ単結晶を用いる。
【００１６】
次に、図１〜図４を参照して、ＳｉＣ単結晶の成長方法を説明する。
【００１７】
原料１５および種結晶３０を収容した坩堝４を反応管８内に設置した後、反応管８内を約１時間ほど真空排気し、次に、ガス導入管１２より不活性ガスを導入して反応管８内を常圧（約１．０１３×１０5Ｐａ）にする。そして、再び反応管８内を約１０分ほど真空排気した後、ガス導入管１２より不活性ガスを導入して反応管８内を再度常圧（約１．０１３×１０5Ｐａ）にする。
【００１８】
以上の作業が終了した後、高周波コイル１０によって坩堝４を加熱し始める。この際、坩堝４の温度を約２０００℃にするとともに、種結晶３０の温度が原料１５の温度よりも約５０℃だけ低くなるように温度勾配をつける。同時に、反応管８内の圧力を約５．３×１０2Ｐａまで低下させる。これにより、ＳｉＣ多結晶からなる原料１５が昇華し、原料１５のガスが種結晶３０に到達して、図３に示すように、種結晶３０の表面（露出面）３０ｕ上に直径約２インチの４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶４０を成長させることができる。なお、図３においては、発明の理解を容易にするために種結晶３０の上方にＳｉＣ単結晶４０を位置させているが、実際は、図１から分かるように種結晶３０の下方にＳｉＣ単結晶４０が成長する。
【００１９】
ここで、図３を参照して、ＳｉＣ単結晶４０の成長過程を詳説する。通常、ＳｉＣ単結晶を成長させるに際して、＜０００１＞方向に延びるマイクロパイプや、＜０００１＞方向と垂直な面に広がる積層欠陥がＳｉＣ単結晶の内部に含まれることが多い。そして、多数のマイクロパイプや積層欠陥が表面に露出したＳｉＣ単結晶を用いて素子を作製すると、リーク電流等が発生するおそれがある。
【００２０】
ここで、本実施形態のように、(1)｛０００１｝面に対して角度α（α＝５４．７゜）だけずれ、且つ、(2)その法線ベクトルＸを｛０００１｝面に投影したベクトルＹと＜１１−２０＞の一つである［１１−２０］方向とが平行となる面を露出させた種結晶３０を用いると、種結晶３０の表面３０ｕは、マイクロパイプ４２（図中一点鎖線で示す）が延びる＜０００１＞方向に対して約３５．３゜の傾きを有することになる。このため、ある程度ＳｉＣ単結晶４０を成長させると、マイクロパイプ４２はＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに到達し、マイクロパイプ４２が表面４０ｕに到達する事態を抑制することができる。また、種結晶３０の表面３０ｕは、積層欠陥４４（図中破線で示す）が広がる面、すなわち＜０００１＞方向と垂直な面に対して約５４．７゜の傾きを有する。このため、ある程度ＳｉＣ単結晶４０を成長させると、積層欠陥４４はＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに到達し、積層欠陥４４が表面４０ｕに到達する事態を抑制することができる。
【００２１】
また、１９９６年に行われたマテリアル・リサーチ・ソサイアティのシンポジウムのプロシーディング４２３巻５８３頁の杉山らの論文にも示されているように、（０００１）面が表面に現れた種結晶を用いて結晶成長させる場合、＜１１−２０＞方向は＜１−１００＞方向に比べて成長速度が速く、得られた結晶は＜１１−２０＞方向が稜になった六角柱となる傾向になる。このような現象は、表面に現れるＳｉ原子及びＣ原子の結合手の相違によって生じると考えられる。そして、このようにＳｉ原子とＣ原子の結合手が相違するため、ベクトルＹを［１１−２０］方向と平行にすることで、マイクロパイプ４２及び積層欠陥４４がＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに向かって延びる速度が増加し、後述の実施例に示されるようにＳｉＣ単結晶４０の表面４０ｕに露出するマイクロパイプ４２及び積層欠陥４４が減少すると考えられる。
【００２２】
なお、角度αは５４．７゜に限られず、２０゜＜α＜６０゜を満たせばよい。後述の実施例からも分かるように、角度αが２０゜以下ではマイクロパイプ４２がＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに逃げず、角度αが６０゜以上では積層欠陥４４が側面４０ｓに逃げないためである。また、１９９７年のフィジカル・スティタス・ソリッド（ｂ）２０２巻５頁に示されているように、マイクロパイプは必ずしも＜０００１＞方向に延びるとは限らず多少傾きをもって延びる場合があるため、角度αは、好ましくは２５゜以上５５゜以下にするとよい。角度αをこのような範囲にすれば、マイクロパイプ４２及び積層欠陥４４がＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに到達する可能性を高めることができる。
【００２３】
また、図４に示すように、ベクトルＹと［１１−２０］方向とは必ずしも平行である必要はなく、両者の間の角度βが１５゜以内であればよい。角度βが１５゜以内程度であれば、マイクロパイプ４２及び積層欠陥４４がＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに向かって延びる速度が増加し、これらの欠陥がＳｉＣ単結晶４０の表面に到達する事態を効果的に防止することができる。さらに、後述の実施例からも分かるように、角度βは１０゜以内であれば、欠陥密度を一層低減させることができる。なお、本実施形態では、ベクトルＹと個別方位［１１−２０］との間を角度βとしているが、集合方位＜１１−２０＞に含まれる他の個別方位との間を角度βとしてもよい。
【００２４】
なお、上記実施形態では、いわゆる昇華法によってＳｉＣ単結晶を成長させる場合について説明したが、この他、いわゆる化学気相堆積法によって反応炉内の種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させてもよい。
【００２５】
【実施例】
本発明のＳｉＣ単結晶およびその成長方法について、さらに実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２６】
［実施例１］
実施例１では、種結晶３０として、角度α＝２４゜で、β＝０゜の４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内に不活性ガスを導入して圧力を約１．０１３×１０5Ｐａに保持し、原料１５の温度を約２３００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２１７０℃にした。このように常圧で温度設定を行うことにより、結晶性の悪い結晶が成長することを防止することができる。この後、反応管８内の圧力を５．３×１０2Ｐａまで下げて、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は、約０．７ｍｍ／ｈであった。
【００２７】
このようにして得られたＳｉＣ単結晶４０をラマン分光分析したところ、表面全体が４Ｈ型になっていることが判明した。さらに、ＳｉＣ単結晶４０のバルクを厚さ約３３０μｍのウエハ状にスライスした後、ダイヤモンド砥石によって研磨処理を施して、ウエハの表裏面を鏡面状にした。目視により、このＳｉＣ単結晶のウエハは、表面全体が均質であり、端部からの多結晶化や結晶の多形化は起こっていないことが分かった。さらに、溶融水酸化カリウムを用いてウエハにエッチング処理を施して評価したところ、ウエハの表面に、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
【００２８】
［実施例２］
実施例２では、種結晶３０として、角度α＝３０゜で、β＝５゜の６Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内の圧力を約３．９９×１０3Ｐａに保持し、原料１５の温度を約２４００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２３５０℃にして、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は、０．７ｍｍ／ｈであった。そして、実施例１と同様に、ＳｉＣ単結晶４０のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
【００２９】
さらに、角度βを一定（０゜）にしたまま、角度αを５゜ずつ変えてＳｉＣ単結晶の欠陥密度を調べたところ、以下の表１に示すような結果が得られた。欠陥密度の評価には、５００℃の溶融水酸化カリウムで１０分間エッチングして現れた穴状、筋状、及びくさび状の全ての欠陥を考慮した。なお、種結晶には４Ｈ−ＳｉＣを使用した。
【表１】
0004253974.tif 000002
【００３０】
表１から、角度αが２５゜（実験６）以上すなわち２０゜よりも大きく、５５゜（実験１２）以下すなわち６０゜未満のときに、欠陥密度を著しく低減できることが分かった。
【００３１】
次に、角度αを一定（３０゜）にしたまま、角度βを５゜ずつ変えてＳｉＣ単結晶の欠陥密度を調べたところ、以下の表２に示すような結果が得られた。なお、種結晶には４Ｈ−ＳｉＣを使用した。
【表２】
0004253974.tif 000003
【００３２】
表２から、角度βが１５゜（実験４）以内、さらには１０゜（実験３）以内のときに、欠陥密度を著しく低減できることが分かった。
【００３３】
［実施例３］
実施例３では、実施例１で得られたＳｉＣウエハを種結晶として用い、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）でこの種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させた。この種結晶は、実施例１の種結晶と同様に角度α＝２４゜、角度β＝０゜となっている。
【００３４】
まず、１３００℃でＳｉＣウエハにＨＣｌ／Ｈ2ガスによる気相エッチングを施した後、１５００℃に昇温し、原料ガス(シラン：ＳｉＨ4、プロパン：Ｃ3Ｈ8など)を導入して成長を開始した。化学気相堆積法では、実効ドナー密度３×１０17ｃｍ-3〜４×１０17ｃｍ-3のn型ＳｉＣバッファ層を４．６μｍ成長させた後、実効ドナー密度１×１０16ｃｍ-3〜２×１０16ｃｍ-3のｎ型活性層を１２μｍ成長させた。なお、成長中に窒素ガスを添加することで、ｎ型伝導性制御を行った。このときの主な成長条件は下記の通りである。なお、流量は全て標準状態に換算した値を示している。
バッファ層：    SiH4流量     0.30 cm3/min
C3H8流量     0.20 cm3/min
N2流量       6x10-2 cm3/min
H2流量       3.0 l/min
基板温度     1500℃
成長時間     110分
活性層：        SiH4流量     0.50 cm3/min
C3H8流量     0.50 cm3/min
N2流量       2x10-2 cm3/min
H2流量       3.0 l/min
基板温度     1500℃
成長時間     180分
【００３５】
この条件で成長させたＳｉＣ単結晶の表面を微分干渉光学顕微鏡で観察したところ、鏡面状態とされていることが判明した。また、ＫＯＨエッチングによって評価したところ、マイクロパイプ、積層欠陥は表面に到達していないことが分かった。
【００３６】
［実施例４］
実施例４では、実施例１と同様の種結晶（角度α＝２４゜、角度β＝０゜）をＳｉＣコーティングした支持台の上に設置し、反応管内にて化学気相堆積法（ＣＶＤ法）でこの種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させた。１８００℃で種結晶にＨ2ガスによる気相エッチングを施した後、２１００℃に昇温し、原料ガス(シラン：ＳｉＨ4、プロパン：Ｃ3Ｈ8など)を導入して成長を開始した。成長条件は下記の通りである。
SiH4流量     50 cm3/min
C3H8流量     30 cm3/min
H2流量       10.0 l/min
基板温度     2100℃
【００３７】
この条件の下で、厚さが３５ｍｍになるまでＳｉＣ単結晶を成長させた。成長させたＳｉＣ単結晶の表面を微分干渉光学顕微鏡で観察したところ、鏡面状態とされていることが判明した。また、ＫＯＨエッチングによって評価したところ、マイクロパイプ、積層欠陥は表面に到達していないことが分かった。
【００３８】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ＳｉＣ単結晶を成長させるための結晶成長装置は、図１に示すものに限られず、この他種々のものを使用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＳｉＣ単結晶は、表面にマイクロパイプおよび積層欠陥が殆ど露出しておらず、また、本発明のＳｉＣ単結晶の成長方法によれば、ＳｉＣ単結晶の表面に露出するマイクロパイプおよび積層欠陥を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＳｉＣ単結晶を成長させるための結晶成長装置を示す断面図である。
【図２】本発明で用いた種結晶の露出面を説明するために用いた図である。
【図３】ＳｉＣ単結晶内のマイクロパイプおよび積層欠陥の状態を示す図である。
【図４】角度βを説明するために用いた図である。
【符号の説明】
２…結晶成長装置、４…坩堝、６…熱シールド部材、８…反応管、１０…高周波コイル、１５…原料、２０…種結晶配置部、３０…種結晶、３０ｕ…種結晶表面（露出面）、４０ｓ…種結晶側面、４０…ＳｉＣ単結晶、４０ｕ…ＳｉＣ単結晶表面、４２…マイクロパイプ、４４…積層欠陥。
【図１】
0004253974.tif 000004
【図２】
0004253974.tif 000005
【図３】
0004253974.tif 000006
【図４】
0004253974.tif 000007