JP6183010B2 - 炭化珪素単結晶基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、炭化珪素単結晶基板およびその製造方法に関し、より特定的には、結晶品質を向上可能な炭化珪素単結晶基板およびその製造方法に関する。

近年、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体装置の高耐圧化、低損失化、高温環境下での使用などを可能とするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素の採用が進められつつある。炭化珪素は、従来から半導体装置を構成する材料として広く使用されている珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。そのため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素を採用することにより、半導体装置の高耐圧化、オン抵抗の低減などを達成することができる。また、炭化珪素を材料として採用した半導体装置は、珪素を材料として採用した半導体装置に比べて、高温環境下で使用された場合の特性の低下が小さいという利点も有している。

たとえば、特開２００１−２９４４９９号公報（特許文献１）は、炭化珪素単結晶の製造方法の一例を開示している。当該公報には、昇華再結晶法により炭化珪素単結晶を成長させる場合において、成長結晶内部の温度勾配が成長中常に１５℃以下となるように坩堝の設計および成長条件の選択が行われることにより、ウエハ面内の任意の２点間における（０００１）面方位のずれが４０秒／ｃｍ以下であるような炭化珪素単結晶ウエハを製造することができることが記載されている。

また、特開２０１０−２３５３９０号公報（特許文献２）には、転位制御種結晶を用いて、成長面上に炭化珪素単結晶を成長させると、ｃ面ファセット内に高密度の螺旋転位が導入されることが記載されている。これにより、ｃ面ファセット上において異種ポリタイプや異方位結晶の発生が抑制され、欠陥密度の低い均質な炭化珪素単結晶が得られるとされている。

さらに、特開平５−２６２５９９号公報（特許文献３）には、昇華法によって炭化珪素単結晶を製造する場合において、｛０００１｝面より約６０°〜約１２０°の角度だけずれた面を露出させた種結晶を使用することが記載されている。これにより、多形の混在のない炭化珪素単結晶が成長するとされている。

特開２００１−２９４４９９号公報 特開２０１０−２３５３９０号公報 特開平５−２６２５９９号公報

しかしながら、特開２００１−２９４４９９号公報に記載のように、単に炭化珪素単結晶の温度勾配を１５℃／ｃｍ以下とするだけでは、異種ポリタイプが発生する場合があり、炭化珪素単結晶の結晶品質を十分に向上することができない。また、特開２０１０−２３５３９０号公報に記載のように、単にｃ面ファセット内に螺旋転位を導入するだけでは、面内における面方位差を低減することはできず、炭化珪素単結晶の結晶品質を十分に向上することができない。さらに、特開平５−２６２５９９号公報に記載のように、｛０００１｝面より約６０°〜約１２０°の角度だけずれた面を露出させた種結晶を使用する場合、炭化珪素単結晶に積層欠陥が発生することにより、炭化珪素単結晶の結晶品質が劣化する。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、結晶品質を向上可能な炭化珪素単結晶基板およびその製造方法を提供することである。

本発明に係る炭化珪素単結晶基板の製造方法は以下の工程を備えている。主面を有しかつ炭化珪素からなる種結晶と、炭化珪素原料とが準備される。炭化珪素原料において、前記炭化珪素原料の表面と平行な面内における前記炭化珪素原料のあらゆる２点間、及び前記炭化珪素原料の表面と垂直な面内における前記炭化珪素原料のあらゆる２点間の温度勾配を３０℃／ｃｍ以下に維持しつつ炭化珪素原料を昇華させることにより、主面上に炭化珪素単結晶１を成長させる。種結晶の主面は、｛０００１｝面または｛０００１｝面から１０°以下オフした面であり、かつ主面における螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上である。

本発明に係る炭化珪素単結晶基板は、主面を有する。主面の最大寸法は１００ｍｍ以上である。主面内の任意の１ｃｍ離れた２点間における｛０００１｝面方位差は３５秒以下である。炭化珪素のポリタイプが４Ｈである。

本発明によれば、結晶品質を向上可能な炭化珪素単結晶基板およびその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板の構造を概略的に説明するための斜視模式図である。 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板の構造を概略的に説明するための断面模式図である。 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板の構造を概略的に説明するための平面模式図である。 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板の製造方法を概略的に説明するためのフロー図である。 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板の製造装置の構造を概略的に説明するための断面模式図である。 本発明の一実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板の製造方法を概略的に説明するための断面模式図である。 炭化珪素単結晶の螺旋成長を概念的に説明するための断面模式図である。 炭化珪素単結晶の螺旋成長を概念的に説明するための斜視模式図である。 炭化珪素原料の温度勾配を測定するための第１のステップを説明するための断面模式図である。 炭化珪素原料の温度勾配を測定するための第２のステップを説明するための断面模式図である。 炭化珪素原料の温度勾配を測定するための第３のステップを説明するための断面模式図である。 炭化珪素原料の温度勾配を測定するための第４のステップを説明するための断面模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。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、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。また角度の記載には、全方位角を３６０度とする系を用いている。

はじめに、本発明の実施の形態の概要について説明する。
発明者らは、結晶品質の良好な炭化珪素単結晶の製造方法について鋭意検討の結果、以下の知見を得て本発明を見出した。

炭化珪素の結晶成長において、ステップフロー成長と螺旋成長との２つの成長モードにより、種結晶の積層構造を成長結晶に伝えている。螺旋成長は、主にファセット部における成長であり螺旋転位を積層構造情報の供給源としている。それゆえ、螺旋転位密度が少ないと、種結晶の結晶構造を成長結晶に十分に引き継ぐことができないので、成長結晶の成長表面のファセット部において異種ポリタイプが発生しやすくなる。つまり、異種ポリタイプの発生を抑制するためには、種結晶の主面にある程度の密度の螺旋転位を有することが必要となる。特に直径が１００ｍｍ以上であるような大口径の炭化珪素単結晶基板を、異種ポリタイプの発生を抑制しつつ製造するためには、種結晶の主面における螺旋転位密度をある一定密度以上に制御することが必要である。また、直径が１００ｍｍ以上であるような炭化珪素単結晶基板の面方位差を低減するためには、炭化珪素原料内における温度分布をある一定の温度勾配以下に制御することが必要である。

発明者らは鋭意研究の結果、主面における螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上である種結晶を使用し、かつ炭化珪素原料において、前記炭化珪素原料の表面と平行な面内における前記炭化珪素原料のあらゆる２点間、及び前記炭化珪素原料の表面と垂直な面内における前記炭化珪素原料のあらゆる２点間の温度勾配を３０℃／ｃｍ以下に維持しつつ炭化珪素原料を昇華させて種結晶の主面に炭化珪素単結晶を成長させることにより、炭化珪素単結晶基板の主面内の１ｃｍ離れた任意の２点間における｛０００１｝面方位差が３５秒以下であり、異種ポリタイプの混入を抑制可能であり、かつ主面の最大寸法が１００ｍｍ以上であるような大口径の炭化珪素単結晶基板を製造可能であることを見出した。

（１）本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０の製造方法は以下の工程を備えている。主面２ａを有しかつ炭化珪素からなる種結晶２と、炭化珪素原料３とが準備される。炭化珪素原料３において、炭化珪素原料３の表面３ａと平行な面内における炭化珪素原料３のあらゆる２点間、及び炭化珪素原料３の表面３ａと垂直な面内における炭化珪素原料３のあらゆる２点間の温度勾配を３０℃／ｃｍ以下に維持しつつ炭化珪素原料３を昇華させることにより、主面２ａ上に炭化珪素単結晶１を成長させる。種結晶２の主面２ａは、｛０００１｝面または｛０００１｝面から１０°以下オフした面であり、かつ主面２ａにおける螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上である。

本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０の製造方法によれば、主面１０ａの１ｃｍ離れた任意の２点間における｛０００１｝面方位差が３５秒以下であり、異種ポリタイプの混入を抑制可能であり、かつ主面１０ａの最大寸法が１００ｍｍ以上である炭化珪素単結晶基板１０を製造することができる。

（２）本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０の製造方法において好ましくは、主面２ａにおける螺旋転位密度は１０００００／ｃｍ²以下である。これにより、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａにおける螺旋転位密度を低減することができる。

（３）本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０の製造方法において好ましくは、炭化珪素単結晶１を成長させる工程において、炭化珪素原料３の表面３ａと、炭化珪素原料３の表面３ａと対向する炭化珪素単結晶１の成長表面１ａとの間における温度勾配は、５℃／ｃｍ以上である。これにより、炭化珪素単結晶１の成長速度を向上することができる。

（４）本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０の製造方法において好ましくは、種結晶２の主面２ａの最大寸法は８０ｍｍ以上であり、かつ炭化珪素単結晶１を主面２ａと平行な面でスライスした切断面の最大寸法は１００ｍｍ以上であり、炭化珪素単結晶１の切断面の最大寸法は、種結晶２の主面２ａの最大寸法よりも大きい。これにより、主面１０ａの寸法の大きい炭化珪素単結晶基板１０を製造することができる。

（５）本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０は、主面１０ａを有する。主面１０
ａの最大寸法は１００ｍｍ以上である。主面１０ａ内の任意の１ｃｍ離れた２点間におけ
る｛０００１｝面方位差は３５秒以下である。炭化珪素のポリタイプが４Ｈである。これにより、主面１０ａの最大寸法が１００ｍｍ以上であり、かつ結晶品質の優れた炭化珪素単結晶基板１０を得ることができる。

（６）本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０において好ましくは、主面１０ａにおける螺旋転位密度は、２０／ｃｍ²以上１０００００／ｃｍ²以下である。これにより、主面１０ａにおける螺旋転位密度が低減された炭化珪素単結晶基板１０を得ることができる。

次に、本発明の実施の形態についてより詳細に説明する。
まず、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板の構成について図１〜図３を参照して説明する。

図１を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０は、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素からなり、第１の主面１０ａと、第１の主面１０ａと反対側の第２の主面１０ｂとを有している。炭化珪素単結晶基板１０の直径の最大寸法Ｄ１は、たとえば１００ｍｍ以上であり、好ましくは１５０ｍｍ以上である。炭化珪素単結晶基板１０の第１の主面１０ａは、たとえば平均的に｛０００１｝面または｛０００１｝面から１０°以下オフした面である。具体的には、第１の主面は、たとえば（０００１）面または（０００１）面から１０°以下程度オフした面であってもよいし、（０００−１）面または（０００−１）面から１０°以下程度オフした面であってもよい。

図２を参照して、炭化珪素単結晶基板１０の第１の主面１０ａにおける｛０００１｝面方位差について説明する。特開２００１−２９４４９９号公報の図１に記載のように、炭化珪素単結晶基板１０の第１の主面１０ａ付近を詳細に観察すると、炭化珪素単結晶基板１０は、微小に面方位の異なる多数のドメインから構成されていることが分かる。つまり、炭化珪素単結晶基板１０の第１の主面１０ａが平均的に見て｛０００１｝面である場合においても、第１の主面１０ａの面内における各位置の｛０００１｝面方位は、第１の主面１０ａの法線方向ｎから微小にずれている。

図２に示すように、第１の主面１０ａの任意の位置ａ１における｛０００１｝面方位ｃ１は、第１の主面１０ａの法線方向ｎから角度θ１だけ、ある一方方向にずれている。また第１の主面１０ａの任意の位置ａ１から距離Ｌだけ離れた第１の主面１０ａにおける位置ａ２における｛０００１｝面方位ｃ２は、第１の主面１０ａの法線方向ｎから角度θ２だけ、ある一方方向にずれている。距離Ｌは、たとえば１ｍｍである。本実施の形態において、｛０００１｝面方位差とは、上記角度θ１と上記角度θ２との差の絶対値である。炭化珪素単結晶基板１０の第１の主面１０ａ内における任意の１ｃｍ離れた２点間における｛０００１｝面方位差３５秒以下であり、より特定的には、第１の主面１０ａ内における任意の１ｃｍ離れた２点間における（０００１）面方位差３５秒以下である。好ましくは、第１の主面１０ａ内における任意の１ｃｍ離れた２点間における｛０００１｝面方位差は３０秒以下であり、さらに好ましくは｛０００１｝面方位差は２５秒以下である。また好ましくは、炭化珪素単結晶基板１０の第１の主面１０ａにおける螺旋転位密度は２０／ｃｍ²以上１０００００／ｃｍ²以下である。炭化珪素単結晶基板１０の第１の主面１０ａにおける螺旋転位密度は、たとえばウェハを５２０℃に加熱した溶融水酸化カリウムに５分間浸漬することでエッチングを行い、発生したエッチピットの数を数えることによって測定することができる。

図３を参照して面方位差の測定方法について説明する。第１の主面１０ａ内における任意の位置における面方位差は、たとえばＸ線回折またはＸ線トポグラフィーなどにより測定可能である。Ｘ線源として、たとえばＣｕ−Ｋα１を使用し（０００４）ピークが測定される。波長は１．５４０５オングストローム（単色化）である。たとえば、第１の主面１０ａ内の位置ａ１における｛０００１｝面方位をＸ線により測定する。Ｘ線のスポット径ｄ１、ｄ２は、たとえば１ｍｍ以上７ｍｍ以下程度であり、たとえば３ｍｍである。たとえば第１の主面１０ａの位置ａ１における｛０００１｝面方位を測定する場合、Ｘ線のスポットＳ１の中心が位置ａ１に位置するように調整される。同様に、第１の主面１０ａ内の位置ａ１から１ｍｍ離れた第１の主面１０ａ内の任意の位置ａ２における｛０００１｝面方位を測定する場合、Ｘ線のスポットＳ２の中心が位置ａ２に位置するように調整される。つまり、第１の主面１０ａ内の任意の１ｃｍ離れた２点とは、Ｘ線の第１のスポットＳ１の中心と第２のスポットＳ２の中心との距離が１ｃｍ離れていることを意味する。以上のようにして、炭化珪素単結晶基板１０の第１の主面１０ａ内における任意の１ｃｍ離れた２点の各々における面方位を測定し、当該２点間における｛０００１｝面方位差が計算される。

図４を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板の製造方法について説明する。

まず、炭化珪素単結晶の製造装置１００が準備される。図５を参照して、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶の製造装置１００は、坩堝と加熱部（図示せず）とを有している。坩堝は、たとえばグラファイトからなり、種結晶保持部４と原料収容部５とを有している。種結晶保持部４は単結晶炭化珪素からなる種結晶２を保持可能に構成されている。原料収容部５は多結晶炭化珪素からなる炭化珪素原料３を配置可能に構成されている。坩堝の外径はたとえば１６０ｍｍ程度であり、内径はたとえば１２０ｍｍ程度である。加熱部は、たとえば誘導加熱式ヒータや抵抗加熱式ヒータなどであり、坩堝の外周を囲うように配置されていている。加熱部は坩堝を炭化珪素の昇華温度まで昇温可能に構成されている。

次に、種結晶および原料準備工程（Ｓ１０：図４）が実施される。具体的には、図５を参照して、たとえばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素からなる種結晶２が種結晶保持部４に固定される。種結晶２は、第１の主面２ａと、第１の主面２ａと反対側の第２の主面２ｂとを有する。種結晶２の第２の主面２ｂは、種結晶保持部４と接し、種結晶保持部４により保持されている。炭化珪素原料３は、原料収容部５に収容されている。炭化珪素原料３は、たとえば多結晶炭化珪素からなる。種結晶２の第１の主面２ａが、炭化珪素原料３の表面３ａに対向するように、炭化珪素原料３が原料収容部５に配置される。以上のように、第１の主面１０ａを有し、かつ炭化珪素からなる種結晶２と、炭化珪素原料３とが準備される。炭化珪素原料３の表面３ａから裏面３ｂまでの距離Ｈ１はたとえば２０ｍｍであり、炭化珪素原料３の表面３ａから種結晶２の第１の主面２ａまでの距離Ｈ２が１００ｍｍ程度となるように、種結晶２と炭化珪素原料３とが坩堝に配置される。

種結晶２の第１の主面２ａの最大寸法は、たとえば８０ｍｍ以上であり、好ましくは１００ｍｍ以上である。種結晶２の第１の主面２ａはたとえば｛０００１｝面または｛０００１｝面から１０°以下程度のオフした面である。好ましくは、種結晶２の第１の主面２ａは、（０００１）面から１０°以下程度オフした面であり、より好ましくは（０００１）面から４°以下程度オフした面である。種結晶２の第１の主面２ａにおける螺旋転位密度は２０／ｃｍ²以上であり、好ましくは５００／ｃｍ²以上であり、より好ましくは１０００／ｃｍ²以上である。また好ましくは、種結晶２の第１の主面２ａにおける螺旋転位密度は１０００００／ｃｍ²以下である。

次に、炭化珪素単結晶成長工程（Ｓ２０：図４）が実施される。具体的には、図６を参照して、炭化珪素原料３および種結晶２を含む坩堝が、たとえばヘリウムガスおよび窒素ガスを含む雰囲気ガス中において、常温から炭化珪素結晶が昇華する温度（たとえば２３００℃）まで加熱される。種結晶２は、炭化珪素原料３よりも低い温度になるように加熱される。つまり、炭化珪素原料３から種結晶２に向かう方向に沿って温度が低くなるように坩堝が加熱される。次に、坩堝内の圧力をたとえば１ｋＰａにまで低減する。これにより、坩堝内の炭化珪素原料３が昇華して種結晶２の第１の主面２ａ上に再結晶することにより、種結晶２の第１の主面２ａ上に炭化珪素単結晶１が成長し始める。炭化珪素単結晶１の成長は、たとえば１００時間程度実施される。以上により、種結晶２の第１の主面２ａに炭化珪素単結晶１が成長する。

炭化珪素単結晶が成長する工程において、種結晶２の第１の主面２ａと平行な方向に沿った炭化珪素単結晶１の最大寸法Ｄ１が、種結晶２の第１の主面２ａの最大寸法Ｄ２よりも大きくなるように、炭化珪素単結晶１が成長してもよい。種結晶２の第１の主面２ａと平行な方向に沿った炭化珪素単結晶１の最大寸法Ｄ１は１００ｍｍ以上であり、種結晶２の第１の主面２ａの最大寸法Ｄ２は８０ｍｍ以上であってもよい。また、上記炭化珪素単結晶１の結晶成長により成長した炭化珪素単結晶１を切断して種結晶２とし、当該種結晶２を用いて、再度、当該種結晶２の第１の主面２ａ上に炭化珪素単結晶１を成長させてもよい。これにより、炭化珪素単結晶１の成長方向と垂直な方向の寸法Ｄ１を、結晶成長毎に増大させることが可能となる。

種結晶２の第１の主面２ａ上に炭化珪素単結晶１を成長させる工程において、炭化珪素原料３が配置されている原料領域Ｒ１の温度分布が小さく維持しながら炭化珪素原料３が加熱される。具体的には、炭化珪素原料３内における任意の２点間における温度勾配を３０℃／ｃｍ以下に維持しつつ炭化珪素原料３を昇華させる。より具体的には、炭化珪素原料３の表面３ａと平行な面内における炭化珪素原料３の任意の２点間における温度勾配が３０℃／ｃｍ以下であり、かつ炭化珪素原料３の表面３ａと垂直な面内における炭化珪素原料３の任意の２点間における温度勾配が３０℃／ｃｍ以下となるように炭化珪素原料３の温度を調整しながら、種結晶２の第１の主面２ａに炭化珪素単結晶１を成長させる。炭化珪素原料３内の温度勾配は、たとえば坩堝を覆う断熱材の厚みの調整や、加熱部の配置を変更することにより行うことができる。好ましくは、炭化珪素単結晶を成長させる工程における、炭化珪素原料３内の任意の２点間における温度勾配は２５℃／ｃｍ以下であり、より好ましくは２０℃以下であり、さらに好ましくは１５℃以下である。

好ましくは、炭化珪素単結晶１を成長させる工程において、原料領域Ｒ１における種結晶２の第１の主面２ａに垂直な方向の温度勾配は３０℃／ｃｍ以下であり、かつ炭化珪素原料３の表面３ａと、当該表面３ａに対向する炭化珪素単結晶１の成長表面１ａとの間に挟まれた成長領域Ｒ２における種結晶２の第１の主面２ａに垂直な方向の温度勾配は５℃／ｃｍ以上となるように、種結晶２および炭化珪素原料３が加熱される。成長領域Ｒ２における種結晶２の第１の主面２ａに垂直な方向の温度勾配は、たとえば１０℃／ｃｍ程度である。

図７および図８を参照して、炭化珪素単結晶１の成長メカニズムについて説明する。図７に示すように、炭化珪素単結晶１の成長表面１ａは、ファセット部Ｒ３と非ファセット部Ｒ４とからなる。炭化珪素単結晶１の成長の順番としては、最初に、種結晶２の第１の主面２ａの結晶構造を反映したファセット部Ｒ３が形成され、その後、非ファセット部Ｒ４が形成される。ファセット部Ｒ３の結晶構造が非ファセット部Ｒ４に引き継がれるように炭化珪素単結晶１は成長する。図８に示すように、ファセット部Ｒ３では、成長表面１ａに露出した螺旋転位の転位線ｅを中心として、螺旋階段上にステップ１ａ１、１ａ２、１ａ３が形成される。ファセット部Ｒ３では、螺旋転位をステップの供給源として螺旋成長により炭化珪素単結晶が成長する。非ファセット部Ｒ４ではステップフロー成長により炭化珪素単結晶が成長する。以上のように、種結晶２の第１の主面２ａ上に、炭化珪素単結晶１が成長する。

次に、スライス工程（Ｓ３０：図４）が実施される。具体的には、炭化珪素単結晶１が坩堝から取り出された後に、たとえばワイヤーソーにより炭化珪素単結晶１がスライスされる。炭化珪素単結晶１は、たとえば種結晶２の第１の主面２ａの法線に交差する面でスライスされる。以上により、図１〜図３に示す炭化珪素単結晶基板１０が得られる。

次に、本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板およびその製造方法の作用効果について説明する。

本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０の製造方法によれば、炭化珪素原料３において、炭化珪素原料３の表面３ａと平行な面内における炭化珪素原料３のあらゆる２点間、及び炭化珪素原料３の表面３ａと垂直な面内における炭化珪素原料３のあらゆる２点間の温度勾配を３０℃／ｃｍ以下に維持しつつ炭化珪素原料３を昇華させることにより、主面２ａ上に炭化珪素単結晶１を成長させる。主面２ａにおける螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上である。これにより、主面１０ａの１ｃｍ離れた任意の２点間における｛０００１｝面方位差が３５秒以下であり、異種ポリタイプの混入を抑制可能であり、かつ主面１０ａの最大寸法が１００ｍｍ以上である炭化珪素単結晶基板１０を製造することができる。また、種結晶２の主面２ａを｛０００１｝面または｛０００１｝面から１０°以下オフした面とすることにより、炭化珪素単結晶１に積層欠陥が混入することを抑制することができる。

また本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０の製造方法によれば、主面２ａにおける螺旋転位密度は１０００００／ｃｍ²以下である。これにより、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａにおける螺旋転位密度を低減することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０の製造方法によれば、炭化珪素単結晶１を成長させる工程において、炭化珪素原料３の表面３ａと、炭化珪素原料３の表面３ａと対向する炭化珪素単結晶１の成長表面１ａとの間における温度勾配は、５℃／ｃｍ以上である。これにより、炭化珪素単結晶１の成長速度を向上することができる。

さらに本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０の製造方法によれば、種結晶２の主面２ａの最大寸法は８０ｍｍ以上であり、かつ炭化珪素単結晶１を主面２ａと平行な面でスライスした切断面の最大寸法は１００ｍｍ以上であり、炭化珪素単結晶１の切断面の最大寸法は、種結晶２の主面２ａの最大寸法よりも大きい。これにより、主面１０ａの寸法の大きい炭化珪素単結晶基板１０を製造することができる。

本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０によれば、主面１０ａの最大寸法は１００ｍｍ以上である。主面１０ａ内の任意の１ｃｍ離れた２点間における｛０００１｝面方位差は３５秒以下である。これにより、主面１０ａの最大寸法が１００ｍｍ以上であり、かつ結晶品質の優れた炭化珪素単結晶基板１０を得ることができる。

また本実施の形態に係る炭化珪素単結晶基板１０によれば、主面１０ａにおける螺旋転位密度は、２０／ｃｍ²以上１０００００／ｃｍ²以下である。これにより、主面１０ａにおける螺旋転位密度が低減された炭化珪素単結晶基板１０を得ることができる。

まず、第１の主面１０ａにおける螺旋転位密度が５／ｃｍ²、１５／ｃｍ²、２０／ｃｍ²、５００／ｃｍ²および１０００／ｃｍ²である種結晶２を準備した。種結晶２の第１の主面２ａのオフ角を０°とした。上記各々の種結晶２を用いて、昇華法により種結晶２の第１の主面２ａに炭化珪素単結晶１を成長させた。炭化珪素単結晶１の成長は、上記実施の形態で説明した方法により行われた。具体的には、坩堝に種結晶２と炭化珪素原料３を配置し、坩堝を常温から２３００°まで昇温した。坩堝の温度が２３００°の温度に到達後、坩堝の圧力を約１ｋＰａまで減圧することにより、炭化珪素原料３が昇華し、種結晶２の第１の主面２ａに炭化珪素単結晶１を成長させた。１００時間程度で炭化珪素単結晶１の成長が完了した。

第１回目の炭化珪素単結晶の成長に用いた種結晶２の第１の主面２ａの寸法Ｄ２を２５．４ｍｍ（１インチ）とした。１００時間成長させた炭化珪素単結晶１の成長方向と垂直な方向における寸法Ｄ１は、種結晶２の第１の主面２ａの寸法Ｄ２よりも約１０ｍｍ大きくなった。次に、成長した炭化珪素単結晶１をスライスして、次の炭化珪素単結晶１の結晶成長に用いる種結晶２とした。当該種結晶２を用いて、第２回目の炭化珪素単結晶１の結晶成長を実施した。以上のように、炭化珪素単結晶１の結晶成長によって寸法が増大した炭化珪素単結晶１を、次の機会の炭化珪素単結晶１の結晶成長の種結晶２として使用することにより、炭化珪素単結晶１の寸法Ｄ１を１０ｍｍずつ増大させ、炭化珪素単結晶１の寸法Ｄ１が１００ｍｍになるまで炭化珪素単結晶１の結晶成長を繰り返した。

各螺旋転位密度を有する種結晶２の第１の主面２ａ上に炭化珪素単結晶１を成長させる際における炭化珪素原料２内の温度勾配を１５℃／ｃｍ以下、２５℃／ｃｍ以下、３５℃／ｃｍ以下および４５℃／ｃｍ以下とした。炭化珪素原料３の温度勾配の測定を以下のように行った。まず図９〜図１２に示すように、原料収容部５の形状の異なる４つの坩堝を用いて、種結晶２の第１の主面２ａに炭化珪素単結晶１を成長させた。炭化珪素単結晶１の成長中において炭化珪素原料３の温度を放射温度計６で測定した。図９に示すように、原料収容部５の中央付近に窪みを有し、当該窪みの底部が炭化珪素原料３の表面３ａ近くに位置する坩堝を準備した。当該坩堝を用いて炭化珪素原料３の表面３ａの中央付近における炭化珪素原料３の温度を測定した。

次に、図１０に示すように、原料収容部５の中央付近に窪みを有し、当該窪みの底部が炭化珪素原料３の表面３ａの法線方向における中央付近に位置する坩堝を準備した。当該坩堝を用いて炭化珪素原料３の表面３ａの中央付近であって、かつ表面３ａの法線方向における中央付近における炭化珪素原料３の温度を測定した。次に、図１１に示すように、原料収容部５に窪みを有しない坩堝を準備した。当該坩堝を用いて炭化珪素原料３の裏面３ｂの中央付近における炭化珪素原料３の温度を測定した。次に、図１２に示すように、原料収容部５の外周側に窪みを有し、当該窪みの底部が炭化珪素原料３の表面３ａ付近に位置する坩堝を準備した。当該坩堝を用いて炭化珪素原料３の表面３ａの外周付近における炭化珪素原料３の温度を測定した。

図９、図１０および図１１に示す坩堝を使用して測定した炭化珪素原料３の温度を比較することにより、表面３ａの法線方向に沿った炭化珪素原料３の温度勾配を測定した。また図９および図１２に示す坩堝を使用した測定した炭化珪素原料３の温度を比較することにより、炭化珪素原料３の表面３ａの面内方向における炭化珪素原料３の温度勾配を測定した。坩堝の加熱条件を調整することにより、炭化珪素原料３の表面の面内方向および法線方向の各々において、炭化珪素原料３の温度勾配が所望の値以下となる加熱条件を決定した。

次に、上記各螺旋転位密度および上記各炭化珪素原料の温度勾配において成長した炭化珪素単結晶１をスライスし、炭化珪素単結晶基板１０を切り出した。炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａにおいて１ｃｍ離れた任意の２点における面方位を測定し、当該２点間の面方位差を計算した。面方位の測定は、上記実施の形態で説明した方法によりおこなわれた。具体的には、面方位の測定は、Ｘ線回折法により行われた。Ｘ線源として、たとえばＣｕ−Ｋα１を使用し（０００４）ピークを測定した。波長は１．５４０５オングストローム（単色化）であった。

表１を参照して、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が０°の場合における炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａの面方位差について説明する。

表１に示すように、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上であり、かつ炭化珪素原料３の温度勾配が３０℃／ｃｍ以下である場合において、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ内において１ｃｍ離れた２点間における面方位差が３２秒以下となった。一方、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²未満である場合、もしくは炭化珪素原料３の温度勾配が３０℃／ｃｍより大きい場合において、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ内において１ｃｍ離れた２点間における面方位差が３８秒以上となった。

次に、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が４°であり、かつ第１の主面１０ａにおける螺旋転位密度が５／ｃｍ²、１５／ｃｍ²、２０／ｃｍ²、５００／ｃｍ²および１０００／ｃｍ²である種結晶２を準備した。また、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が１０°であり、かつ第１の主面１０ａにおける螺旋転位密度が５／ｃｍ²、１５／ｃｍ²、２０／ｃｍ²、５００／ｃｍ²および１０００／ｃｍ²である種結晶２を準備した。さらに、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が１５°であり、かつ第１の主面１０ａにおける螺旋転位密度が５／ｃｍ²、１５／ｃｍ²、２０／ｃｍ²、５００／ｃｍ²および１０００／ｃｍ²である種結晶２を準備した。

上記各々の種結晶２を用いて、オフ角が０°の場合と同様の方法で、昇華法により種結晶２の第１の主面２ａに炭化珪素単結晶１を成長させた。上記各々の種結晶２の第１の主面２ａ上に炭化珪素単結晶１を成長させる際における炭化珪素原料２内の温度勾配を１５℃／ｃｍ以下、２５℃／ｃｍ以下、３５℃／ｃｍ以下および４５℃／ｃｍ以下とした。上記各オフ角、上記各螺旋転位密度および上記各炭化珪素原料の温度勾配において成長した炭化珪素単結晶１をスライスし、炭化珪素単結晶基板１０を切り出した。炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａにおいて１ｃｍ離れた任意の２点における面方位を測定し、当該２点間の面方位差を計算した。

表２を参照して、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が４°の場合における、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａの面方位差について説明する。

表２に示すように、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上であり、かつ炭化珪素原料３の温度勾配が３０℃／ｃｍ以下である場合において、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ内において１ｃｍ離れた２点間における面方位差が１９秒以下となった。一方、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²未満である場合、もしくは炭化珪素原料３の温度勾配が３０℃／ｃｍより大きい場合において、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ内において１ｃｍ離れた２点間における面方位差が３８秒以上となった。

表３を参照して、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が１０°の場合における、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａの面方位差について説明する。

表３に示すように、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上であり、かつ炭化珪素原料３の温度勾配が３０℃／ｃｍ以下である場合において、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ内において１ｃｍ離れた２点間における面方位差が２７秒以下となった。一方、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²未満である場合、もしくは炭化珪素原料３の温度勾配が３０℃／ｃｍより大きい場合において、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ内において１ｃｍ離れた２点間における面方位差が３８秒以上となった。

表４を参照して、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が１５°の場合における、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａの面方位差について説明する。

表４に示すように、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上であり、かつ炭化珪素原料３の温度勾配が３０℃／ｃｍ以下である場合において、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ内において１ｃｍ離れた２点間における面方位差が３５秒以下となった。一方、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²未満である場合、もしくは炭化珪素原料３の温度勾配が３０℃／ｃｍより大きい場合において、炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ内において１ｃｍ離れた２点間における面方位差が３８秒以上となった。なお、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が１５°の場合にのみ、上記すべての螺旋転位密度および温度勾配の組み合わせ条件で製造した炭化珪素単結晶基板１０に積層欠陥の混入が確認された。言い換えれば、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が１０°以下の場合には、炭化珪素単結晶基板１０に積層欠陥が混入することを抑制することができた。

次に、上記各オフ角（０°、４°、１０°および１５°）、上記各螺旋転位密度（５／ｃｍ²、１５／ｃｍ²、２０／ｃｍ²、５００／ｃｍ²および１０００／ｃｍ²）および上記各温度勾配（１５℃／ｃｍ以下、２５℃／ｃｍ以下、３５℃／ｃｍ以下および４５℃／ｃｍ以下）の条件下で製造された炭化珪素単結晶基板１０に異種ポリタイプの混入が観察されるかどうかを確認した。異種ポリタイプが混入しているかどうかは、ウェハを目視で観察して、色の異なる領域の有無を確認することにより行われた。

表５〜表８を参照して、炭化珪素単結晶基板１０の異種ポリタイプの混入について説明する。表５、表６、表７および表８は、それぞれ種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が０°、４°、１０°および１５°の場合の結果である。また表５〜表８において、記号「○」は、炭化珪素単結晶１の寸法を２５．４ｍｍから１００ｍｍまで増大させる間の工程において、炭化珪素単結晶基板１０に異種ポリタイプの混入が観察されなかったことを意味し、記号「×」は、炭化珪素単結晶１の寸法を２５．４ｍｍから１００ｍｍまで増大させる間の工程において、炭化珪素単結晶基板１０に異種ポリタイプの混入が観察されたことを意味する。言い換えれば、記号「○」の条件においては、主面の最大寸法が１００ｍｍ以上であり、かつ異種ポリタイプの混入がない炭化珪素単結晶基板が得られることを意味し、記号「×」の条件においては、主面の最大寸法が１００ｍｍ以上であり、かつ異種ポリタイプの混入がない炭化珪素単結晶基板が得られなかったことを意味する。

表５〜表８に示すように、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が０°、４°、１０°および１５°のすべての場合において、炭化珪素原料３の温度勾配に関係なく、種結晶２の第１の主面２ａにおける螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上の条件において、異種ポリタイプの混入なく、主面１０ａの最大寸法が１００ｍｍ以上の炭化珪素単結晶基板１０を得ることができた。一方、種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が０°、４°、１０°および１５°のすべての場合において、炭化珪素原料３の温度勾配に関係なく、種結晶２の第１の主面２ａにおける螺旋転位密度が２０／ｃｍ²未満の条件において、炭化珪素単結晶基板１０に異種ポリタイプの混入が観察された。つまり、螺旋転位密度が２０／ｃｍ²未満の条件において、異種ポリタイプの混入がなく、かつ主面１０ａの最大寸法が１００ｍｍ以上である炭化珪素単結晶基板１０を得ることはできなかった。

以上より、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上であり、かつ炭化珪素原料３の温度勾配が３０℃／ｃｍ以下である場合において、当該螺旋転位密度条件および当該温度勾配条件により製造された炭化珪素単結晶基板１０の主面１０ａ内において１ｃｍ離れた２点間における面方位差が３５秒以下となることが確認された。また種結晶２の第１の主面２ａのオフ角が１０°以下であれば、炭化珪素単結晶基板１０において積層欠陥の混入は観察されなかった。さらに、種結晶２の第１の主面２ａの螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上の場合において、異種ポリタイプの混入が抑制され、かつ主面１０ａの最大寸法が１００ｍｍ以上である炭化珪素単結晶基板１０を得ることができた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 炭化珪素単結晶、１ａ 成長表面、２ 種結晶、２ａ 主面（第１の主面）、２ｂ 第２の主面、３ 炭化珪素原料、３ａ 表面、３ｂ 裏面、４ 種結晶保持部、５ 原料収容部、６ 放射温度計、１０ 炭化珪素単結晶基板、１００ 製造装置、Ｄ１，Ｄ２ 寸法、Ｒ１ 原料領域、Ｒ２ 成長領域、Ｒ３ ファセット部、Ｒ４ 非ファセット部、Ｓ１ 第１のスポット、Ｓ２ 第２のスポット、ａ１，ａ２ 位置、ｃ１，ｃ２ 面方位、ｄ１，ｄ２ スポット径、ｅ 転位線、ｎ 法線方向。

Claims (6)

1. 主面を有しかつ炭化珪素からなる種結晶と、炭化珪素原料とを準備する工程と、
   前記炭化珪素原料において、前記炭化珪素原料の表面と平行な面内における前記炭化珪素原料のあらゆる２点間、及び前記炭化珪素原料の表面と垂直な面内における前記炭化珪素原料のあらゆる２点間の温度勾配を３０℃／ｃｍ以下に維持しつつ前記炭化珪素原料を昇華させることにより、前記主面上に炭化珪素単結晶を成長させる工程とを備え、
   前記種結晶の前記主面は、｛０００１｝面または｛０００１｝面から１０°以下オフした面であり、かつ前記主面における螺旋転位密度が２０／ｃｍ²以上である、炭化珪素単結晶基板の製造方法。
2. 前記主面における螺旋転位密度は１０００００／ｃｍ²以下である、請求項１に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
3. 前記炭化珪素単結晶を成長させる工程において、前記炭化珪素原料の表面と、前記炭化珪素原料の前記表面と対向する前記炭化珪素単結晶の成長表面との間における温度勾配は、５℃／ｃｍ以上である、請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
4. 前記種結晶の前記主面の最大寸法は８０ｍｍ以上であり、かつ前記炭化珪素単結晶を前記主面と平行な面でスライスした切断面の最大寸法は１００ｍｍ以上であり、前記炭化珪素単結晶の前記切断面の最大寸法は、前記種結晶の前記主面の最大寸法よりも大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
5. 主面を備え、
   前記主面の最大寸法は１００ｍｍ以上であり、
   前記主面内の任意の１ｃｍ離れた２点間における｛０００１｝面方位差は３５秒以下であり、
   炭化珪素のポリタイプが４Ｈである、炭化珪素単結晶基板。
6. 前記主面における螺旋転位密度は、２０／ｃｍ²以上１０００００／ｃｍ²以下である、請求項５に記載の炭化珪素単結晶基板。
   

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