(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ単結晶からなる種結晶とＳｉＣ原料粉末を黒鉛製の坩堝内に配置し、前記原料粉末を加熱昇華させ、前記原料温度よりも低い温度に保った種結晶上に再結晶化させる方法において、雰囲気ガスとして窒素ガスを使用し、前記種結晶として｛１１−２０｝面から［０００１］方向への傾き角αが−３０°≦α≦＋３０°の範囲にありかつ［０００１］軸の回りの回転角βが−１０°≦β≦＋１０°の範囲にある結晶面基板を用いることを特徴とするＳｉＣ単結晶育成方法。
【請求項２】
種結晶として、｛１１−２０｝面から［０００１］方向への傾き角αが−１０°≦α≦＋１０°の範囲にありかつ［０００１］軸の回りの回転角βが−５°≦β≦＋５°の範囲にある結晶面基板を用いる請求項１に記載の育成方法。
【請求項３】
種結晶として、｛１１−２０｝面基板を用いる請求項１に記載の育成方法。
【請求項４】
雰囲気ガスの圧力を１〜５０Ｔｏｒｒとする請求項１〜３項に記載の育成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低抵抗ＳｉＣ単結晶の育成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣ半導体は禁制帯幅がＳｉ半導体などに比べ大きく、優れた電気的特性を有することから、パワーデバイスや高温デバイス用材料としての応用が期待されている。また、ＧａＮ結晶との格子不整と熱膨張率差が小さいこと、熱伝導率が大きいこと、劈開整合性が良好であることなどからＧａＮ系薄膜デバイス用基板材料として利用されている。
【０００３】
ＳｉＣウェハは、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ  ４３（１９７８）２０９−２１２、５２（１９８１）１４６−１５０に記載されている“改良レーリー法”と呼ばれる昇華法によって育成したＳｉＣ単結晶インゴットから、切り出し得られる。改良レーリー法は、不活性ガス雰囲気中においてＳｉＣ原料粉末を加熱昇華させ、これより低い温度に保ったＳｉＣ単結晶の種結晶基板上に再結晶化させる方法である。不活性ガスとしては主にアルゴンガスが用いられ、原料ＳｉＣ昇華ガスの拡散輸送を制御するために導入されていた。また成長中、窒素ガスを成長雰囲気不活性ガスに混入させることにより、ドナー不純物である窒素ドーピングを行い、育成単結晶の抵抗率を制御していた。
【０００４】
現在、電極抵抗の低下などのデバイス応用上の理由から、より低い抵抗率を有するＳｉＣウェハが求められている。Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４（１９９５）４６９４−４６９８に記載されているように、窒素ガス流量を雰囲気不活性ガス流量に対し変化させることにより、所望の抵抗率を有する結晶を育成することができる。一般に、結晶に取り込まれる窒素量は雰囲気ガス圧力中の窒素分圧に依存する。従って、低抵抗結晶を育成するためには不活性ガスに対し非常に多量の窒素ガスを導入する必要がある。しかし、成長雰囲気中の窒素分圧を高くすると、成長中、育成結晶表面に方位の異なる結晶グレインが発生し、単結晶成長が妨げられていた。この多結晶化によって、目的とする低抵抗の単結晶ウェハの製造歩留まりが著しく低下した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、多結晶の発生を完全に防止し、低抵抗ＳｉＣ単結晶を育成する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１）ＳｉＣ単結晶からなる種結晶とＳｉＣ原料粉末を黒鉛製の坩堝内に配置し、前記原料粉末を加熱昇華させ、前記原料温度よりも低い温度に保った種結晶上に再結晶化させる方法において、雰囲気ガスとして窒素ガスを用い、前記種結晶として｛１１−２０｝面から［０００１］方向への傾き角αが−３０°≦α≦＋３０°の範囲にありかつ［０００１］軸の回りの回転角βが−１０°≦β≦＋１０°の範囲にある結晶面基板を用いることを特徴とするＳｉＣ単結晶育成方法、
（２）種結晶として、｛１１−２０｝面からの傾き角αが−１０°≦α≦＋１０°の範囲にありかつ［０００１］軸の回りの回転角βが−５°≦β≦＋５°の範囲にある結晶面基板を用いる（１）記載の育成方法、
（３）種結晶として、｛１１−２０｝面基板を用いる（１）記載の育成方法、
（４）雰囲気ガスの圧力を１〜５０Ｔｏｒｒとする（１）〜（３）記載の育成方法、
である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の内容を詳細に説明する。
【０００８】
従来の改良レーリー法では、アルゴンガスなどの不活性ガスを成長系内に導入しこの不活性ガス雰囲気圧力を変えることによりにより、ＳｉＣ原料ガスのフラックスを制御し結晶成長速度を制御していた。また、ＳｉＣ結晶中で窒素原子はドナーとして働くため、窒素ガスを成長中系内に適量導入することにより窒素ドープを行い、育成結晶の抵抗率制御を行っていたが、高濃度ドープをするために雰囲気ガス中の窒素分圧を高めると、多結晶化が頻発し、低抵抗率のＳｉＣ単結晶を歩留まり良く得ることはできなかった。
【０００９】
図1 は、本発明のＳｉＣバルク単結晶の育成方法で用いられる装置の一例を示すものである。黒鉛製の坩堝は、ＳｉＣ原料粉末２を入れた有底の坩堝本体１とＳｉＣ基板種結晶５の取り付け部４を有する前記坩堝本体１の開口部を覆う坩堝蓋３とにより構成され、周囲を黒鉛性フェルトの断熱材６により覆われており、さらに真空排気装置により高真空排気可能でかつ内部雰囲気圧力を制御可能な容器に入れられている。外部においた窒素ボンベより流量計を通し所望の流量の窒素を導入可能となっている。
【００１０】
本発明は、不活性ガスを全く使用せず、窒素ガスのみを導入し、窒素ガス雰囲気中で成長を行う。窒素ガスは▲１▼成長速度制御と▲２▼ドーパントの両方の作用を有する。そして、窒素ガス雰囲気中の成長において、種結晶としてＳｉＣ単結晶の｛１１−２０｝面を使用すると、多結晶発生を完全に抑制でき、より高いキャリア濃度（１×１０19／ｃｍ3 以上）、より低い抵抗率（２×１０-2Ωｃｍ以下）を有する単結晶を育成することができる。
【００１１】
図２は、本発明で使用する種結晶の結晶面の説明図である。図中、斜線で示された面が六方晶ＳｉＣの（１１−２０）面に相当する。この（１１−２０）面から［０００１］方向への傾き角をαとし、［０００１］軸の回りの（１１−２０）面からの回転角をβとする。この（１１−２０）面に等価な指数面は６つ存在し、これらを総称して｛１１−２０｝と表せる。本発明では等価な指数面を全て含むものとする。これらの種結晶基板は、例えば、改良レーリー法により育成したＳｉＣ単結晶インゴットから、目的の結晶面を切り出し加工したものを使用する。本発明で使用するＳｉＣ単結晶からなる種結晶としては、−３０°≦α≦＋３０°かつ−１０°≦β≦＋１０°の範囲にある結晶面基板を用いる。また、好ましくは、−１０°≦α≦＋１０°かつ−５°≦β≦＋５°の範囲にある結晶面基板を用いる。さらに、より好ましくは（１１−２０）面基板を用いる。
【００１２】
種結晶として６Ｈ−ＳｉＣのいろいろな結晶方位の基板面を用い、窒素雰囲気中で結晶成長を行い、多結晶の発生率を統計的に調べた。図３ａは（１１−２０）面から［０００１］方向に傾けた結晶面基板を種結晶として用いた結果を、図３ｂは（１１−２０）面から［０００１］軸の回りに回転角を有する結晶面基板を種結晶として用いた結果を示す。この実験では、育成結晶中に種結晶と方位の異なる結晶グレインが１個でも発生した場合は、多結晶化が起こったものとみなした。
【００１３】
−３０°≦α≦＋３０°かつ−１０°≦β≦＋１０°の範囲内では多結晶発生率は２０％以下に抑制された。また、−１０°≦α≦＋１０°かつ−５°≦β≦＋５°範囲内では多結晶発生は全く観察されなかった。
【００１４】
多結晶の多くは一般にファセット上に発生した。特に（０００１）Ｓｉ面や｛１−１００｝プリズム面上で方位の異なる結晶グレインの発生率が高くなった。さらに、窒素雰囲気中の成長ではこれら以外の面上にも多結晶発生が頻繁に起こった。｛１１−２０｝面は、｛０００１｝面や｛１−１００｝面とそれぞれ９０°、３０°傾いておりこれらの面の影響を受けにくいこと、また表面エネルギー密度が非常に大きいなど、他の面と異なる特徴を有する。これらのことから、窒素ガス雰囲気中の成長でも多結晶の発生を抑制する作用を有するものと推測される。
【００１５】
また、特に本発明においては、成長容器内の制御圧力、すなわち雰囲気圧力として１〜５０Ｔｏｒｒ範囲が好ましい。これは、窒素ガスを不活性ガスの替わりに成長速度制御ガスとして利用するため、この圧力範囲において最適な温度条件、成長速度を実現でき、良質の単結晶を育成できるためである。１Ｔｏｒｒ未満では成長を制御することが難しくなり、また５０Ｔｏｒｒを越える圧力では十分な成長速度を実現するために成長温度を上げる必要があり、結晶品質の劣化が起こる。
【００１６】
次に、本発明について、具体的な育成方法の一つを例示する。
【００１７】
加熱は、例えば高周波誘導コイルで行う。坩堝の温度計測は、例えば坩堝下部の断熱材に光路７を設け、ここから光を取り出し二色温度計などを用いて行う。この温度を原料温度とみなす。同様に、坩堝上部の光路により測定した温度を種結晶温度とみなす。
【００１８】
容器内を真空とし、原料温度を約１８００℃まで上げる。その後、窒素ガスを容器に導入し約６００Ｔｏｒｒに保ち、原料温度を上昇させる。その後、１０〜９０分かけて減圧を行い、雰囲気圧力を１〜５０Ｔｏｒｒ、より好ましくは５〜４０Ｔｏｒｒとする。また、原料温度は２１００〜２５００℃、より好ましくは２２００〜２４００℃、種結晶温度は原料温度より４０〜１２０℃、より好ましくは５０〜８０℃低く、温度勾配は５〜２５℃／ｃｍ、より好ましくは１０〜２０℃／ｃｍと設定することが望ましい。さらに、温度と圧力の関係は、結晶成長速度が０．２〜１．６ｍｍ／ｈ、より好ましくは０．５〜１．３ｍｍ／ｈとなるように設定することが好ましい。これより高速では結晶品質の低下を示すため適当ではなく、これより低速では生産性が良くない。一般に、原料温度が高いほど、温度勾配が大きいほど、また窒素ガス雰囲気圧力が高いほど、結晶成長速度は大きくなる。成長温度は育成結晶品質に影響を及ぼす原料ガス中のＳｉ／Ｃ比を決める要素となり、上記の原料温度、種結晶温度、温度勾配、雰囲気圧力は良質な結晶を効率よく育成するために適した温度・圧力の範囲である。このような温度・圧力の範囲のもとで、一定時間保持することによって単結晶育成を行う。
【００１９】
育成結晶の電気特性評価は、例えばホール効果測定により行う。育成結晶８から所望の面を出し切断することにより、所望のＳｉＣウェハが得られる。さらに｛０００１｝ウェハから正方形のサンプルを切り出し、四隅にオーミック電極を取り付け、ファンデルポー法に従って測定する。これにより、結晶の抵抗率、キャリア濃度、移動度が求められる。
【００２０】
一方、方位の異なる結晶グレインの評価、即ち多結晶化の評価としては、▲１▼育成結晶を直接観察する方法、▲２▼切り出したウェハを偏光顕微鏡で観察する方法、▲３▼溶融ＫＯＨエッチングを行い表面を観察する方法などによって容易に評価可能である。
【００２１】
【実施例】
実施例１
種結晶として６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）基板ウェハを使用し、原料温度を２３４０℃、種結晶温度を２２８０℃、窒素雰囲気圧力を１０Ｔｏｒｒとして単結晶育成を行った。育成結晶表面を観察したところ、方位の異なる結晶グレインは全く見られなかった。また、インゴットを切断し内部を偏光顕微鏡やエッチング法により調べても方位の異なる結晶グレインは全く観測されなかった。このことから、多結晶化が起こらず完全な単結晶成長が行われたと結論できる。育成結晶は完全な６Ｈ形であり、ホール効果測定により調べたキャリア濃度は１．２×１０19／ｃｍ3 と非常に高く、また抵抗率は１．１×１０-2Ωｃｍと非常に低い値を示した。同じ成長を１０回行っても多結晶化は全く見られず、同様の結果が得られた。
【００２２】
実施例２
種結晶として４Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）基板ウェハを使用し、原料温度を２３４０℃、種結晶温度を２２８０℃、窒素雰囲気圧力を１０Ｔｏｒｒとして単結晶育成を行った。育成結晶表面を観察したところ、方位の異なる結晶グレインは全く見られなかった。また、インゴットを切断し内部を偏光顕微鏡やエッチング法により調べても方位の異なる結晶グレインは全く観察されなかった。このことから、多結晶化が起こらず完全な単結晶成長が行われたと結論できる。育成結晶は完全な４Ｈ形であり、ホール効果測定により調べたキャリア濃度は１．５×１０19／ｃｍ3 と非常に高く、また抵抗率は８．９×１０-3Ωｃｍと非常に低い値を示した。同じ成長を１０回行っても多結晶化は全く見られず、同様の結果が得られた。
【００２３】
実施例３
種結晶として（１１−２０）面から傾き角α＝３０°かつ回転角β＝１０°の結晶面を有する６Ｈ−ＳｉＣ基板ウェハを使用し、原料温度を２３４０℃、種結晶温度を２２８０℃、窒素雰囲気圧力を１０Ｔｏｒｒとして単結晶育成を行った。育成結晶表面を観察したところ、方位の異なる結晶グレインは全く見られなかった。また、インゴットを切断し内部を偏光顕微鏡やエッチング法により調べても方位の異なる結晶グレインは全く観測されなかった。このことから、多結晶化が起こらず完全な単結晶成長が行われたと結論できる。育成結晶は完全な６Ｈ形であり、ホール効果測定により調べたキャリア濃度は１．２×１０19／ｃｍ3 と非常に高く、また抵抗率は１．１×１０-2Ωｃｍと低い値を示した。同じ成長を１０回行ったところ、方位の異なる結晶グレインの発生、即ち多結晶化が２回観察されたものの、抵抗率はすべて低い値を示した。
【００２４】
比較例１
種結晶として６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）基板ウェハを使用し、原料温度を２３４０℃、種結晶温度を２２８０℃、窒素雰囲気圧力を１０Ｔｏｒｒとして単結晶育成を行った。育成結晶表面は方位の異なる結晶グレインに覆われていた。切り出したウェハを偏光顕微鏡により観察すると方位の異なる結晶グレインが異なった干渉色で現れ多結晶化していることが示された。また、溶融ＫＯＨエッチングによっても、各グレインの界面が明瞭に現れ多結晶を含んでいることが示された。この多結晶はいろいろな種類のポリタイプから構成されていた。同じ成長を１０回行ったところ、方位の異なる結晶グレインの発生、即ち多結晶化がすべてに観察された。
【００２５】
比較例２
従来の改良レーリー法に従い成長雰囲気をアルゴンガスとし、窒素ガスをアルゴン流量の１／２０の割合で導入した。種結晶として６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）基板ウェハを使用し、原料温度を２３４０℃、種結晶温度を２２８０℃、雰囲気圧力を１０Ｔｏｒｒとして単結晶育成を行った。育成結晶表面には明確な（０００１）ファセットが現れ、方位の異なる結晶グレインは観察されなかった。また、結晶内部にも方位の異なる結晶グレインは発生しておらず、完全な単結晶成長が行われたことが示された。しかし、ホール効果測定により調べたキャリア濃度は６．５×１０17／ｃｍ3 と低く、抵抗率は８．０×１０-2Ωｃｍと高い値を示した。
【００２６】
比較例３
従来の改良レーリー法に従い成長雰囲気をアルゴンガスとし、窒素ガスをアルゴン流量の１／２０の割合で導入した。種結晶として６Ｈ−ＳｉＣの（１１−２０）基板ウェハを使用し、原料温度を２３４０℃、種結晶温度を２２８０℃、雰囲気圧力を１０Ｔｏｒｒとして単結晶育成を行った。育成結晶表面には方位の異なる結晶グレインは観察されず、また、結晶内部にも方位の異なる結晶グレインは発生しておらず、完全な単結晶成長が行われたことが示された。しかし、ホール効果測定により調べたキャリア濃度は２．０×１０18／ｃｍ3 と低く、抵抗率は３．２×１０-2Ωｃｍと高い値を示した。
【００２７】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、多結晶の発生を完全に抑制し、高い歩留まりで低抵抗のＳｉＣ単結晶を育成し、低抵抗ＳｉＣウェハの供給を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明のＳｉＣ単結晶育成に用いられる成長装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】は、種結晶の面方位の説明図である。
【図３】は、窒素雰囲気中の成長における多結晶発生率の種結晶基板面方位依存性を示す図である。
【符号の説明】
１…坩堝本体
２…ＳｉＣ原料粉末
３…坩堝蓋
４…種結晶取り付け部
５…種結晶基板
６…断熱材
７…光路
８…ＳｉＣ単結晶
【図１】
0003848446.tif 000002
【図２】
0003848446.tif 000003
【図３】
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