JP5857986B2

JP5857986B2 - 炭化珪素単結晶および炭化珪素単結晶の製造方法

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Publication number: JP5857986B2
Application number: JP2013031239A
Authority: JP
Inventors: 近藤　宏行; 宏行近藤; 正一恩田; 泰男木藤; 弘紀渡辺
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: CN105074059A; TWI499687B; DE112014000916T5; US10253431B2; WO2014129103A1; US20150361586A1; CN105074059B; TW201447016A; JP2014159351A; DE112014000916B4

Description

本発明は、高品質な炭化珪素（以下、ＳｉＣという）単結晶やＳｉＣ単結晶の製造方法に関するものである。

従来、高品質ＳｉＣ単結晶ウェハとして、特許文献１に開示されているものがある。この特許文献１に開示されているＳｉＣ単結晶ウェハにおいては、デバイス特性に悪影響を与える転位の密度を規定値以下、具体的には３インチの直径を有するウェハにおいて転位密度を２５００ｃｍ^-2以下とすることで、デバイス作製に向くようにしている。ここでいう転位とは、線状に上る結晶欠陥であり対象としている転位は、ｃ軸と平行な方向を持つ螺旋転位である。

特表２００８−５１５７４８号公報

しかしながら、本発明者らが実験などに基づいて鋭意検討を行った結果、特許文献１に示されるように、単に螺旋転位の密度を規定値以下にしても、リーク電流を抑制できるデバイス作製に好適なＳｉＣ単結晶にはならないということが判った。

本発明は上記点に鑑みて、リーク電流を抑制できるデバイス作製に好適な高品質のＳｉＣ単結晶およびＳｉＣ単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、螺旋転位（２）を含むＳｉＣ単結晶であって、螺旋転位のうちバーガースベクトルｂがｂ＞＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞を満たす転位をＬ転位（２ａ）として、該Ｌ転位の密度が３００個／ｃｍ²以下とされていることを特徴としている。好ましくは、請求項２に記載の発明のように、Ｌ転位の密度が１００個／ｃｍ²以下とされるようにする。

このように、螺旋転位の中でもリーク電流の発生要因となり得るＬ転位について、密度を３００個／ｃｍ²以下、好ましくは１００個／ｃｍ²以下にしている。これにより、リーク電流を抑制できるデバイス作製に好適な高品質のＳｉＣ単結晶とすることが可能となる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のＳｉＣ単結晶は、表面が｛０００１｝面に平行もしくは｛０００１｝面に対して所定のオフ角が設定された基板であり、該基板を種結晶として、該種結晶の表面にＳｉＣ単結晶を成長させることにより、種結晶に存在する前記Ｌ転位のバーガースベクトルｂを＜０００１＞＋＜１−１００＞から＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞に変換させることを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載のＳｉＣ単結晶は、表面が｛０００１｝面に対して＜１１−２０＞方向に１０°以内のオフ角が設定された基板であり、該基板を種結晶として、該種結晶の表面に更にＳｉＣ単結晶を成長させることにより、種結晶に存在する前記Ｌ転位のバーガースベクトルｂを＜０００１＞＋＜１−１００＞から＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞に変換させることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載のＳｉＣ単結晶の製造方法であって、第１の工程として、表面が｛０００１｝面に対して＜１１−２０＞方向に１０°以内のオフ角が設定された基板であり、該基板を種結晶として、該種結晶の前記表面にＳｉＣ単結晶を成長させる。第２の工程として、更に表面が｛０００１｝面に対して＜１１−２０＞方向に１０°以内のオフ角が設定された基板を切り出し、更に該基板を種結晶として、該種結晶の前記表面にＳｉＣ単結晶を成長させる。これら第１の工程および第２の工程を、複数回（第Ｎの工程まで（ｎ=１，２，・・Ｎ））繰り返して炭化珪素単結晶を成長させることにより、種結晶に存在する前記Ｌ転位のバーガースベクトルｂを＜０００１＞＋＜１−１００＞から＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞に変換させることを特徴としている。

このように、請求項１または２で示したようなリーク電流を抑制できる高品質なＳｉＣ単結晶を種結晶として用いて、更に昇華再結晶法やガス供給法などによって新たなＳｉＣ単結晶インゴットを成長させることができる。このようにすれば、下地となる種結晶の品質を引き継いだ高品質なＳｉＣ単結晶インゴットにできる。特に、ＳｉＣ単結晶の表面が｛０００１｝面に対して所定のオフ角を持つものとすれば、ステップフロー成長により、異種多形が形成されることを抑制しつつ、より高品質なＳｉＣ単結晶インゴットを製造できる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかるＳｉＣ単結晶の断面模式図である。図１中の領域Ｒ１におけるＬ転位２ａおよびその周囲に発生する螺旋状の歪みの様子を示した拡大模式図である。図２（ａ）に示した螺旋状の歪みの方向を示した模式図である。図２（ｂ）に示した螺旋状の歪みの方向であるバーガースベクトルの詳細を示した図である。図１中の領域Ｒ２におけるｎＬ転位２ｂおよびその周囲に発生する螺旋状の歪みの様子を示した拡大模式図である。図３（ａ）に示した螺旋状の歪みの方向を示した模式図である。図３（ｂ）に示した螺旋状の歪みの方向であるバーガースベクトルの詳細を示した図である。ＳｉＣ単結晶１の結晶方位を示した模式図である。ＳｉＣ単結晶１を用いてＰＮダイオードを構成した場合のリーク電流を調べた結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示す本実施形態にかかるＳｉＣ単結晶１は、昇華再結晶法やガス供給法などによって形成されたＳｉＣ単結晶インゴットを例えば｛０００１｝面と平行もしくは｛０００１｝面に対して所定のオフ角を設定して基板状に切り出したものである。なお、ここでは、基板状に切り出したＳｉＣ単結晶１を例に挙げて説明するが、本発明でいうＳｉＣ単結晶には、基板状に切り出したものに限らず、インゴット状のものも含むし、インゴットから不要部分を取除いた構造のものも含む。

このＳｉＣ単結晶１は、螺旋転位２を含んでいるがこの螺旋転位２の密度、つまりＳｉＣ単結晶１を螺旋転位２と垂直方向に切断したとした場合における１ｃｍ²当たりに存在する螺旋転位２の数について、後述する関係を満たす結晶とされている。この関係について、以下に説明する。

本発明者らは、様々な実験を行って螺旋転位２の密度とリーク電流との関係について調べた。例えば、リーク電流の有無を調べる際に一般的に用いられている構造、具体的にはＰＮダイオードを構成し、所望の電圧を印加したときのリーク電流の発生の有無について調べた。例えば、ＰＮダイオードについては、ＳｉＣ単結晶１に対して不純物をイオン注入することで構成し、不純物濃度が１×１０²¹ｃｍ^-3となるようにした。その結果、螺旋転位２の密度とリーク電流とは相関関係があるものの、螺旋転位２の密度が等しかったとしてもリーク電流が一定にならず、デバイス作製に向くものと向かないものがあるということが確認された。

そして、更に鋭意検討を行ったところ、螺旋転位２にも種類があり、螺旋転位２の中でも歪が大きいものと小さいものがあり、歪が小さいものについてはリーク電流の発生要因にはなり難く、歪が大きいものがリーク電流の発生要因になることも判った。

従来では、歪みの大小に関係なく同じ螺旋転位２として認識していた。従来の特許文献１では１ｃ螺旋転位密度を規定している（一般的な螺旋転位の定義では、バーガースベクトルｂ＝１ｃ＝＜０００１＞に相当）が、そのバーガースベクトルの測定手法の詳細な記述がない。このため、歪みの大小を考慮に入れずに、すべての螺旋転位２を同じものとして捉えて螺旋転位２の密度を規定していた。しかしながら、本発明者らが見出した結果に基づけば、ＳｉＣ単結晶がデバイス作製に向くか否かについて螺旋転位２の密度で規定する場合には、螺旋転位２の歪みの大きさまで考慮に入れて規定することが必要となることが判る。つまり、螺旋転位２の歪みの大きさを考慮に入れることなく、全ての螺旋転位２を一様に同じ螺旋転位２と考えて螺旋転位２の密度を規定値以下にしても、リーク電流を抑制できるデバイス作製に好適なＳｉＣ単結晶を得ることはできない。

図２（ａ）〜図２（ｃ）および図３（ａ）〜図３（ｃ）は、歪みの異なる大きさの螺旋転位２について示した図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）を参照して歪みが大きな螺旋転位２について説明し、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照して歪みが小さな螺旋転位２について説明する。なお、以下の説明では、螺旋転位２のうちリーク電流の発生要因となる歪みが大きな転位をＬ転位（Leakage dislocation）２ａといい、リーク電流の発生要因になり難い歪みが小さな転位をｎＬ転位（negligibly Leakage dislocation）２ｂという。

図２（ａ）および図３（ａ）に示すように、螺旋転位２の周囲では、螺旋転位２の転位芯を中心として螺旋状に歪みが発生している。そして、実験により確認したところ、図２（ａ）に示すＬ転位２ａでは螺旋状の歪みが大きく、それと比較して、図３（ａ）に示すｎＬ転位２ｂでは螺旋状の歪みが小さくなっていた。

これらＬ転位２ａとｎＬ転位２ｂについては、螺旋状の歪みの方向であるバーガースベクトルが図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す方向ｂ１、ｂ２として表される。また、これらのバーガースベクトルｂ１、ｂ２を模式的に表すと、Ｌ転位２ａおよびｎＬ転位２ｂのバーガースベクトルｂ１、ｂ２は、それぞれ図２（ｃ）や図３（ｃ）のように表すことができる。

基本的には、螺旋転位２は、図４に示した六方晶で構成されるＳｉＣ単結晶１の結晶方位の模式図に表されるように、ｃ軸成分［０００１］を有した転位となる。そして、様々な検討およびＳｉＣ単結晶１を解析した結果、螺旋転位２は、ｃ軸成分［０００１］に加えて、［１−１００］を伴う転位と、１／３［１１−２０］を伴う転位が存在しているものがあることが確認された。

具体的には、実験により確認されたＬ転位２ａについては、バーガースベクトルｂ１が、＜０００１＞方向のベクトルｃと＜１−１００＞方向のベクトルｍによって構成されていた。また、ｎＬ転位２ｂについては、バーガースベクトルｂ２が＜０００１＞方向のベクトルｃと１／３＜１１−２０＞方向のベクトルａによって構成されていた。

したがって、確認されたｎＬ転位２ｂよりもバーガースベクトルｂが小さい螺旋転位２については、リーク電流の発生要因になり難いｎＬ転位２ｂとして把握することができる。つまり、バーガースベクトルｂが少なくとも＜０００１＞方向のベクトルｃと１／３＜１１−２０＞方向のベクトルａとを合わせた大きさ以下であればｎＬ転位２ｂとなると言える。これは、ｂ≦＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞を満たすこと、つまりｂ²≦ｃ²＋２ａ・ｃ＋ａ²（ただし、ベクトルの内積ａ・ｃ＝ａ×ｃ×ｃｏｓ９０°＝０）の関係を満たすことを意味している。なお、各ベクトルの大きさについては、４Ｈ−ＳｉＣの場合、ベクトルｃは１．００８ｎｍ、ベクトルａは０．３０９ｎｍ、ベクトルｍは３^0.5×ａ＝０．５３５ｎｍである。

一方、バーガースベクトルｂが＜０００１＞方向のベクトルｃと１／３＜１１−２０＞方向のベクトルａとを合わせた大きさを超えている場合には、ｎＬ転位２ｂにならない可能性があるため、Ｌ転位２ａとして把握する。つまり、バーガースベクトルｂが＜０００１＞方向のベクトルｃと１／３＜１１−２０＞方向のベクトルａとを合わせた大きさを超えていれば、Ｌ転位２ａとして把握する。ｂ＞＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞を満たすこと、つまりｂ²＞ｃ²＋２ａ・ｃ＋ａ²（ただし、ベクトルの内積ａ・ｃ＝ａ×ｃ×ｃｏｓ９０°＝０）の関係を満たしていれば、Ｌ転位２ａとする。

このようにして、螺旋転位２をＬ転位２ａとｎＬ転位２ｂとに区別し、ＳｉＣ単結晶１にイオン注入を行ってＰＮダイオードを形成し、Ｌ転位２ａの密度やｎＬ転位２ｂの密度とリーク電流の発生の有無について実験により調べた。その結果、リーク電流が発生するか否かについては、主にＬ転位２ａの密度に依存しており、ｎＬ転位２ｂについては多く存在していてもリーク電流の発生要因にはあまりなっていないことが確認された。

具体的には、図５に示されるように、ダイオードを構成した場合のリーク電流を確認すると、Ｌ転位２ａの密度が１００個／ｃｍ²以下であれば殆どリーク電流が発生していなかった。また、Ｌ転位２ａの密度が３００個／ｃｍ²以下であれば若干リーク電流が発生しているものの、作製されるデバイスには殆ど影響を与えなかった。このため、この場合にも、ＳｉＣ単結晶１がデバイス作製に向いたものであると言うことができる。逆に、Ｌ転位２ａの密度が１０００個／ｃｍ²程度になると、リーク電流が発生していた。この場合には、作製されるデバイスに影響を与えることから、デバイス作製には向かないと言える。

なお、螺旋転位２がＬ転位２ａとｎＬ転位２ｂのいずれであるかは、ＬＡＣＢＥＤ（大角度収束電子回折法：Large-angle convergent-beam electron diffraction）によって確認することができる。また、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡：transmission electron microscope）観察やＸ線トポグラフなどの他の方法によっても、螺旋転位２がＬ転位２ａとｎＬ転位２ｂのいずれであるかを確認することができる。

したがって、ＳｉＣ単結晶１について、螺旋転位２のうちバーガーベクトルｂがｂ＞＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞を満たすＬ転位２ａの密度を３００個／ｃｍ²以下、好ましくは１００個／ｃｍ²以下にしている。これにより、リーク電流を抑制できるデバイス作製に好適な高品質のＳｉＣ単結晶１とすることが可能となる。

このような高品質なＳｉＣ単結晶１については、例えば次のような方法によって製造できる。まず、｛１−１００｝面を露出させた種結晶を用いて、その成長面である｛１−１００｝面上に、ＳｉＣ単結晶を成長させる。続いて、このＳｉＣ単結晶から｛１１−２０｝面を露出する種結晶を作製する。次に、この種結晶の成長面である｛１１−２０｝面上に、ＳｉＣ単結晶を成長させる。続いて、このＳｉＣ単結晶より、｛０００１｝面と平行もしくは｛０００１｝面に対して所定のオフ角を設けて切り出すことで、基板状のＳｉＣ単結晶を作製することができる。このＳｉＣ単結晶は、いわゆるａ面成長結晶から作製されたものであるため、もともと螺旋転位２をほとんど含有していない。

このような高品質なＳｉＣ単結晶を種結晶として用いて、更に昇華再結晶法やガス供給法などによって新たなＳｉＣ単結晶インゴットを成長させるようにすれば、下地となる種結晶の品質を引き継いだ高品質なＳｉＣ単結晶インゴットにできる。特に、ＳｉＣ単結晶の表面が｛０００１｝面に対して所定のオフ角を持つものとすれば、ステップフロー成長により、異種多形が形成されることを抑制しつつ、より高品質なＳｉＣ単結晶インゴットを製造できる。このＳｉＣ単結晶インゴットより、｛０００１｝面と平行もしくは｛０００１｝面に対して所定のオフ角を設けて切り出すことで、基板状のＳｉＣ単結晶１を作製することができる。この中から更にＬ転位２ａの密度が上記範囲を満たすものを選別する。これにより、本実施形態で説明したデバイス作製に向く高品質なＳｉＣ単結晶１を得ることができる。

また、｛０００１｝面からの所定のオフ角を＜１１−２０＞方向に１０°以内とすることで、種結晶に存在する螺旋転位２のＬ転位２ａのバーガースベクトルｂを＜０００１＞＋＜１−１００＞から、バーガースベクトルｂを＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞に変換しやすくなるので、Ｌ転位２ａをｎＬ転位２ｂに変換でき、より効果的である。この原理は、螺旋転位２の向きが成長により、＜１−１００＞方向から＜１１−２０＞方向に配向しやすくなるからである。

さらに、｛０００１｝面からの所定のオフ角を＜１１−２０＞方向に１０°以内の成長を繰り返せば繰り返すほど、バーガースベクトルｂを＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞に変換しやすくなり、Ｌ転位２ａをｎＬ転位２ｂに指数関数的に変換できるのでさらに効果的である。この原理も上記と同様、螺旋転位２の向きが成長により、＜１−１００＞方向から＜１１−２０＞方向に配向しやすくなるからである。

上記成長でオフ角を１０°より大きくすると、積層欠陥が発生するという問題があるので、デバイス作製に向く高品質なＳｉＣ単結晶とはならない。

以上説明したように、本実施形態では、螺旋転位２をＬ転位２ａとｎＬ転位２ｂとに区分けし、Ｌ転位２ａの密度を３００個／ｃｍ²以下、好ましくは１００個／ｃｍ²以下にしている。これにより、リーク電流を抑制できるデバイス作製に好適な高品質のＳｉＣ単結晶１とすることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記実施形態で説明したＳｉＣ単結晶１の面方位や製造方法などは任意であり、少なくともＳｉＣ単結晶１におけるＬ転位２ａの密度が上記実施形態で説明した範囲内であれば良い。また、ＳｉＣ単結晶インゴットを製造する際に、部分的に螺旋転位２を積極的に発生させる螺旋転位発生可能領域を設け、それ以外の部分において螺旋転位２の密度が小さくなる低密度螺旋転位領域が構成されるようにする場合もある。その場合には、デバイス作製に用いられる低密度螺旋転位領域について、Ｌ転位２ａの密度が上記実施形態で説明した範囲内であれば良い。

なお、上記実施形態では、ＳｉＣ単結晶１に対して形成するデバイスの一例としてＰＮダイオードを作製してリーク電流の発生の有無について調べたが、ＭＯＳＦＥＴなどの他の素子についても、リーク電流の発生の有無の関係はＰＮダイオードと同様になる。したがって、Ｌ転位２ａの密度が上記実施形態で説明した範囲内であれば、ＳｉＣ単結晶１がダイオードの他のデバイス作製にも向くものであると言える。

また、ベクトルを示す場合、本来ならば所望の英文字を太字、もしくは、英文字の上に右向き矢印（→）を付すべきであるが、電子出願に基づく表現上の制限が存在するため、所望の英文字の前にベクトルと記述するものとする。また、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー（−）を付すべきであるが、電子出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書においては、所望の数字の前にバーを付すものとする。

１ＳｉＣ単結晶
２螺旋転位
２ａＬ転位
２ｂｎＬ転位

Claims

螺旋転位（２）を含む炭化珪素単結晶であって、
前記螺旋転位のうちバーガースベクトルｂがｂ＞＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞を満たす転位をＬ転位（２ａ）として、該Ｌ転位の密度が３００個／ｃｍ²以下とされていることを特徴とする炭化珪素単結晶。
前記Ｌ転位の密度が１００個／ｃｍ²以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶。
請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶は、表面が｛０００１｝面と平行もしくは｛０００１｝面に対して所定のオフ角が設定された基板であり、該基板を種結晶として、該種結晶の前記表面に炭化珪素単結晶を成長させることにより、前記種結晶に存在する前記Ｌ転位のバーガースベクトルｂを＜０００１＞＋＜１−１００＞から＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞に変換させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶は、表面が｛０００１｝面に対して＜１１−２０＞方向に１０°以内のオフ角が設定された基板であり、該基板を種結晶として、該種結晶の前記表面に炭化珪素単結晶を成長させることにより、前記種結晶に存在する前記Ｌ転位のバーガースベクトルｂを＜０００１＞＋＜１−１００＞から＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞に変換させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。
請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法であって、第１の工程として、表面が｛０００１｝面に対して＜１１−２０＞方向に１０°以内のオフ角が設定された基板であり、該基板を種結晶として、該種結晶の前記表面に炭化珪素単結晶を成長させ、第２の工程として、更に表面が｛０００１｝面に対して＜１１−２０＞方向に１０°以内のオフ角が設定された基板を切り出し、更に該基板を種結晶として、該種結晶の前記表面に炭化珪素単結晶を成長させ、これら第１の工程および第２の工程を、複数回（第Ｎの工程まで（ｎ=１，２，・・Ｎ））繰り返して炭化珪素単結晶を成長させることにより、前記種結晶に存在する前記Ｌ転位のバーガースベクトルｂを＜０００１＞＋＜１−１００＞から＜０００１＞＋１／３＜１１−２０＞に変換させることを特徴とする炭化珪素単結晶の製造方法。