JP5419116B2 - Bulk crystal growth method - Google Patents
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Description
本発明は、昇華再結晶を利用した成長法(以下、「昇華法」と略称する)によるバルク単結晶・多結晶の成長技術に関する。 The present invention relates to a bulk single crystal / polycrystal growth technique by a growth method using sublimation recrystallization (hereinafter abbreviated as “sublimation method”).
純度の高い結晶に不純物を添加することで、例えば、電気伝導特性、光学特性、熱伝導特性、機械特性、耐薬品特性、耐環境特性、耐熱性、耐放射線特性など、その結晶材料に新たな機能性を持たせる結晶製造技術がある。
特に半導体材料においては、不純物添加による電気伝導度制御が古くから行われ、単元素半導体や化合物半導体など、それぞれの材料が持つ多様な特性を生かした電気・電子デバイスが開発・製造されてきた。
By adding impurities to crystals with high purity, for example, electrical conductivity characteristics, optical characteristics, thermal conductivity characteristics, mechanical characteristics, chemical resistance characteristics, environmental resistance characteristics, heat resistance, radiation resistance characteristics, etc. There is a crystal manufacturing technology that provides functionality.
Particularly in semiconductor materials, electrical conductivity control by adding impurities has been performed for a long time, and electrical and electronic devices that make use of various characteristics of each material such as single element semiconductors and compound semiconductors have been developed and manufactured.
例えばIV-IV族化合物半導体の炭化珪素(SiC)は、熱的・化学的特性に優れ、禁制帯幅がSi半導体などに比べて大きいなど、電気的特性も優れていることから、高出力、高温、高周波デバイス用の新しい半導体材料として注目されている。 For example, silicon carbide (SiC), a group IV-IV compound semiconductor, has excellent thermal and chemical characteristics and a large forbidden bandwidth compared to Si semiconductors. It attracts attention as a new semiconductor material for high temperature and high frequency devices.
SiCは真性半導体であり、不純物が混入されない純粋な結晶は導電性に乏しい。そこで、SiCにp型やn型の半導体特性を持たせるには、例えばIII族、V族元素を不純物として導入し、導電性を持たせることが一般的である。これらの不純物は結晶を成長後に外部から注入する方法もあるが、一般的には結晶の成長時に原料と同時に不純物を導入し、不純物混在の結晶として形成する方法が簡便でよく行われている。 SiC is an intrinsic semiconductor, and pure crystals that are not mixed with impurities have poor conductivity. Therefore, in order to give p-type and n-type semiconductor characteristics to SiC, it is common to introduce conductivity by introducing group III and group V elements as impurities, for example. There is a method of injecting these impurities from the outside after the crystal is grown, but generally, a method of introducing an impurity simultaneously with the raw material at the time of crystal growth and forming it as a crystal mixed with impurities is often carried out.
六方晶SiCウェハ製造を目的とした大型のバルク単結晶成長は、原料を加熱昇華させて種結晶上に再結晶化させ成長させる昇華法(改良レリー法:非特許文献1参照)によって行われるのが一般的である。図1は昇華法によってSiC単結晶を成長させる装置の一例である。装置は主に坩堝1、蓋体2、種結晶3、SiC原料4、単結晶5、台座6、ガス導入口7、ガス排気口8、加熱コイル9から構成されている。坩堝1は主に円柱及び円筒状の黒鉛から構成され、同じく黒鉛製の蓋体2によって坩堝上部を塞いだ準密閉空間内で行う。SiC原料4は坩堝内下部に装填し、種結晶3は蓋体2から十分に突出させた台座6に載置固着し、SiC原料4に対向した位置関係とする。
Large bulk single crystal growth for the purpose of hexagonal SiC wafer production is performed by a sublimation method (modified Lerry method: see Non-Patent Document 1) in which a raw material is heated and sublimated to recrystallize and grow on a seed crystal. Is common. FIG. 1 shows an example of an apparatus for growing a SiC single crystal by a sublimation method. The apparatus mainly includes a
SiC原料4には通常、アチソン法もしくは化学合成によって得られたSiC粉末を用いる。種結晶3にはアチソン法もしくはレリー法によって得られたSiC単結晶、又は、アチソン結晶やレリー結晶から昇華法で成長させたSiC単結晶が使用される。成長は、ガス導入口7から導入した高純度アルゴンガス(Arガス)雰囲気内で行い、不純物として例えば窒素ガス(N2ガス)を同じくガス導入口7から導入する。導入されたガスはガス排気口8から排気される。高周波炉や抵抗加熱炉、赤外炉などの加熱コイル9によって坩堝を加熱し、坩堝上端の温度(種結晶温度:Ta)と下端の温度(原料温度:Tb)を色温度計で測定しながら制御する。このとき、種結晶温度及び原料温度を2000〜2500℃、原料−種結晶間の温度勾配(Tb-Ta)を0〜20℃/cmに制御する。成長は、前記制御的温度まで加熱した後に成長装置内を減圧することで開始し、1〜100Torrに定圧保持することで行う。
The SiC
この装置により上記条件で成長を実施することにより、種結晶3上に単結晶5が成長する。結晶成長の速度は結晶装置内の圧力を下げる、あるいは成長温度を高くしたり温度勾配を大きくすることで増加させることが可能である。
ところが上記従来の昇華法では、成長した単結晶5に多数の結晶欠陥が発生し、結晶性が悪化していることが判明した。
However, in the conventional sublimation method, it has been found that a large number of crystal defects are generated in the grown
本発明は、昇華法において結晶欠陥の発生を抑制し、高品質なバルク結晶を得ることを課題とする。 An object of the present invention is to suppress generation of crystal defects in a sublimation method and obtain a high-quality bulk crystal.
昇華法では不純物をガス化した形で導入することで、成長する結晶に添加するが、添加される不純物量が多すぎると、すなわち限界不純物添加量を超えると本来の結晶組成が乱されることによって結晶品質が低下する。
結晶成長がまさに開始される時の成長速度は0であり、一方終了時はその逆となる。このように、結晶成長にはある任意の成長速度と成長速度0までの遷移領域が必ず存在する。成長結晶中の目標不純物添加濃度を達成する任意の成長条件を維持した状態で、成長速度の変化などが避けられない領域に入ると、結晶中の不純物濃度が極端に高くなって限界不純物添加量を超えてしまう。このためこういった成長速度遷移領域では、過剰な不純物によって結晶欠陥が発生することになる。
したがって本発明は上記課題を解決するために、成長速度の遷移領域において限界不純物添加量を超えないように不純物添加量を制御するものである。
In the sublimation method, impurities are introduced in a gasified form and added to the growing crystal. However, if the amount of added impurities is too large, that is, if the limit impurity addition amount is exceeded, the original crystal composition is disturbed. Crystal quality decreases.
The growth rate is just zero when crystal growth is just started, while the opposite is true at the end. In this way, crystal growth always has an arbitrary growth rate and a transition region up to zero growth rate. If you enter a region where changes in growth rate are unavoidable while maintaining any growth conditions that achieve the target impurity addition concentration in the grown crystal, the impurity concentration in the crystal becomes extremely high and the limit impurity addition amount Will be exceeded. Therefore, in such a growth rate transition region, crystal defects are generated due to excessive impurities.
Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention controls the impurity addition amount so as not to exceed the limit impurity addition amount in the growth rate transition region.
本発明によれば、成長開始直後から開始する結晶成長速度の遷移領域の間、及び成長終了直前に至る結晶成長速度の遷移領域から該成長終了直前までの間において、不純物の添加を停止することで、結晶欠陥の発生を抑制し、高品質なバルク結晶が得られる。 According to the present invention, the addition of impurities is stopped during the transition region of the crystal growth rate that starts immediately after the start of the growth and between the transition region of the crystal growth rate that reaches immediately before the end of the growth and immediately before the end of the growth. Thus, generation of crystal defects can be suppressed and a high-quality bulk crystal can be obtained.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
(実施例)
図2に示した結晶成長装置にて種結晶上にSiC単結晶の成長を行った。成長中に結晶の導電性がn型となるように窒素ガスをアルゴンガス中に混合して導入した。結晶成長速度の遷移領域である種結晶3直上の成長領域10で、窒素の不純物濃度が確実に1×1019cm-3以上とならないようにするため、窒素ガスを混合しないで厚さ100μm程度成長させた。その後、成長速度が安定してから窒素の不純物濃度が8×1018cm-3となるように窒素ガスを50%の濃度で導入した。この成長速度安定領域11で結晶を厚さ約25mm成長させたところで、成長を終了した。この時、成長終了時の成長速度遷移領域12で同じく窒素の不純物濃度が1×1019cm-3以上とならように窒素ガスの導入を停止した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples.
(Example)
A SiC single crystal was grown on the seed crystal with the crystal growth apparatus shown in FIG. Nitrogen gas was mixed with argon gas and introduced so that the conductivity of the crystal became n-type during growth. In order to ensure that the impurity concentration of nitrogen does not exceed 1 × 10 19 cm −3 in the
その後、結晶成長装置を開けて、原料を新しく入れ替え、再び成長装置へ装填し、引き続き2回目の成長を行った。この時、一回目と同様、結晶成長速度の遷移領域である成長結晶直上の成長領域13で、窒素の不純物濃度が1×1019cm-3以上とならないように、窒素ガスを混合しないで厚さ100μm程度成長させた。その後、成長速度が安定してから窒素の不純物濃度が8×1018cm-3となるように窒素ガスを50%の濃度で導入した。この成長速度安定領域14で結晶を厚さ約25mm成長させたところで、成長を終了した。この時、成長終了時の成長速度遷移領域15で同じく窒素の不純物濃度が1×1019cm-3以上とならないように窒素ガスの導入を停止した。
After that, the crystal growth apparatus was opened, the raw materials were newly replaced, and the growth apparatus was loaded again, and the second growth was continued. At this time, as in the first time, in the
この結晶を成長方向に対し、垂直及び平行方向に結晶を1mm厚の板状に切断し、評価用の試料を作成した。評価用試料は表面を平坦かつ鏡面に研磨し、加工によるダメージを表面から取り除いた。評価は溶融KOHを利用した欠陥のエッチピット観察及びX線トポグラフィーで行い、結晶欠陥を分析した。その結果、種結晶と成長結晶との界面、及び1回目の成長結晶と2回目の成長結晶との界面には欠陥の発生は見られず、転位密度の増加は見られなかった。
なお2回目の結晶成長が不要であれば、2回目以降の結晶成長を省略することができる。また必要があれば2回目の結晶成長に引き続き、3回目以降の結晶成長を同様に行うこともできる。
The crystal was cut into a plate having a thickness of 1 mm in a direction perpendicular to and parallel to the growth direction to prepare a sample for evaluation. The sample for evaluation was polished to have a flat and mirror-finished surface, and the processing damage was removed from the surface. Evaluation was performed by observation of etch pits of defects using molten KOH and X-ray topography to analyze crystal defects. As a result, no generation of defects was observed at the interface between the seed crystal and the growth crystal, and the interface between the first growth crystal and the second growth crystal, and no increase in dislocation density was observed.
If the second crystal growth is unnecessary, the second and subsequent crystal growths can be omitted. If necessary, the third and subsequent crystal growth can be performed in the same manner following the second crystal growth.
(比較例)
図2に示した結晶成長装置にて種結晶上にSiC単結晶の成長を行った。成長中には結晶の導電性がn型となるように窒素ガスを導入した。結晶成長速度の遷移領域である種結晶3直上の成長領域10では、成長速度安定領域11で結晶中の窒素不純物濃度が8×1018cm-3となるように50%の濃度で窒素ガスを導入量し、厚さ100μm程度成長させ、続けて成長速度安定領域11で結晶を厚さ約25mm成長させた。その後、成長を終了したが、成長終了時の成長速度遷移領域12でも窒素ガス導入量を変化させなかった。
(Comparative example)
A SiC single crystal was grown on the seed crystal with the crystal growth apparatus shown in FIG. During the growth, nitrogen gas was introduced so that the conductivity of the crystal was n-type. In the
その後、結晶成長装置を開けて、原料を新しく入れ替え、再び成長装置へ装填し、引き続き2回目の成長を行った。この時、一回目と同様、結晶成長速度の遷移領域である成長結晶直上の成長領域13では、成長速度遷移領域14で結晶中の窒素不純物濃度が8×1018cm-3となるように50%の濃度で窒素ガスを導入量し、厚さ100μm程度成長させ、続けて成長速度安定領域14で結晶を厚さ約25mm成長させた。その後、成長を終了したが、成長終了時の成長速度遷移領域15でも窒素ガス導入量を変化させなかった。
After that, the crystal growth apparatus was opened, the raw materials were newly replaced, and the growth apparatus was loaded again, and the second growth was continued. At this time, as in the first time, in the
この結晶を成長方向に対し、垂直及び平行方向に結晶を1mm厚の板状に切断し、評価用の試料を作成した。評価用試料は表面を平坦かつ鏡面に研磨し、加工によるダメージを表面から取り除いた。評価は溶融KOHを利用した欠陥のエッチピット観察及びX線トポグラフィーで行い、結晶欠陥を分析した。その結果、種結晶と成長結晶との界面、及び1回目の成長結晶と2回目の成長結晶との界面には基底面内転位や積層欠陥など多数の結晶欠陥が新たに発生し、結晶性が悪化していることが判明した。これらの界面近傍の不純物濃度を測定すると、成長速度遷移領域に相当する部分で窒素の不純物濃度が少なくとも1×1019cm-3以上添加されていることが判明した。これは成長速度が遅い領域で不純物の結晶中への取り込み量が増加した為、設計以上の不純物濃度が添加されたと考えられる。 The crystal was cut into a plate having a thickness of 1 mm in a direction perpendicular to and parallel to the growth direction to prepare a sample for evaluation. The sample for evaluation was polished to have a flat and mirror-finished surface to remove damage caused by processing from the surface. Evaluation was performed by observation of etch pits of defects using molten KOH and X-ray topography to analyze crystal defects. As a result, a large number of crystal defects such as dislocations within the basal plane and stacking faults are newly generated at the interface between the seed crystal and the grown crystal and the interface between the first grown crystal and the second grown crystal. It turned out to be worse. When the impurity concentration in the vicinity of these interfaces was measured, it was found that the impurity concentration of nitrogen was added at least 1 × 10 19 cm −3 or more in the portion corresponding to the growth rate transition region. This is probably because an impurity concentration higher than the design was added because the amount of impurities taken into the crystal increased in a region where the growth rate was slow.
(SiC以外への応用)
以上SiCを例に本発明を説明したが、本発明は昇華法により得られるAlNなどのIII−V族化合物、ZnSeなどのII−VI族化合物等のバルク結晶成長にも適用可能である。この場合SiCでは1×1019cm-3限界不純物添加量であるが、限界不純物添加量は結晶欠陥の発生との兼ね合いで材料に応じて適宜決定されることになる。
(Applications other than SiC)
Although the present invention has been described above by taking SiC as an example, the present invention can also be applied to bulk crystal growth of III-V group compounds such as AlN and II-VI group compounds such as ZnSe obtained by the sublimation method. In this case, the limit impurity addition amount is 1 × 10 19 cm −3 in SiC, but the limit impurity addition amount is appropriately determined according to the material in consideration of the generation of crystal defects.
1 坩堝
2 蓋体
3 種結晶
4 SiC原料
5 結晶欠陥の多い単結晶
6 台座
7 ガス導入口
8 ガス排気口
9 加熱コイル
10 成長開始時の成長速度遷移領域
11 成長速度安定領域
12 成長終了時の成長速度遷移領域
13 2回目成長開始時の成長速度遷移領域
14 成長速度安定領域
15 2回目成長終了時の成長速度遷移領域
1
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