特開 2023-127894 炭化珪素単結晶およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023127894

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】炭化珪素単結晶およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/36 20060101AFI20230907BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20230907BHJP

【ＦＩ】

C30B29/36 A

H01L21/205

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022031847

(22)【出願日】2022-03-02

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(71)【出願人】

【識別番号】000173809

【氏名又は名称】一般財団法人電力中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀合 慧祥

(72)【発明者】

【氏名】岡本 武志

(72)【発明者】

【氏名】神田 貴裕

(72)【発明者】

【氏名】星乃 紀博

(72)【発明者】

【氏名】別役 潔

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 功穂

(72)【発明者】

【氏名】土田 秀一

(72)【発明者】

【氏名】金村 ▲高▼司

【テーマコード（参考）】

4G077

5F045

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077AB01

4G077BE08

4G077EG22

4G077HA06

5F045AA03

5F045AB06

5F045AC01

5F045AC07

5F045AC13

5F045AC15

5F045AC16

5F045AC17

5F045AC19

5F045AD18

5F045AF02

5F045AF13

5F045DA59

5F045DA62

5F045DA67

5F045DP05

5F045DP28

5F045DQ04

5F045EB03

5F045EC02

5F045EC05

5F045EK06

5F045EK22

5F045EK26

5F045EM10

(57)【要約】

【課題】品質の良いＳｉＣデバイスの製造に適したＳｉＣ単結晶およびその製造方法を提供する。
【解決手段】加熱容器９内の少なくとも一部が２５００℃以上となる環境で、ＳｉおよびＣを含有するＳｉＣ原料ガスを供給することでＳｉＣ単結晶６を成長させる際に、径方向温度条件が温度分布ΔＴ≦１０［℃］を満たすようにする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス供給法による炭化珪素単結晶の製造方法であって、
反応室を構成する中空形状の加熱容器（９）内に種結晶（５）を配置することと、
前記種結晶の表面に炭化珪素原料ガスを含む供給ガス（３ａ）を供給すると共に、前記加熱容器内の少なくとも一部が２５００℃以上となる環境とすることで、前記種結晶の表面上に炭化珪素単結晶（６）を成長させることと、を含み、
前記炭化珪素単結晶を成長させることでは、前記炭化珪素単結晶の成長前における前記種結晶の表面および成長中における前記炭化珪素単結晶の成長面において、前記種結晶および前記炭化珪素単結晶のうち中心軸（Ｃ）を中心とした径方向での温度分布ΔＴが、ΔＴ≦１０［℃］を満たす径方向温度条件となるようにして、前記炭化珪素単結晶を成長させる、炭化珪素単結晶の製造方法。

【請求項2】

前記炭化珪素単結晶を成長させることの後の前記種結晶内の基底面転位密度が、前記炭化珪素単結晶を成長させることの前の基底面転位密度が増加しない、請求項１に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

【請求項3】

前記炭化珪素単結晶を成長させることでは、前記供給ガスにｎ型ドーパントとなるＮ源を含めることなくキャリアガスを導入して行う、請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

【請求項4】

前記炭化珪素単結晶を成長させることでは、前記供給ガスにｎ型ドーパントとなるＮ源に加えてキャリアガスを導入して行う、請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

【請求項5】

前記炭化珪素単結晶を成長させることでは、前記供給ガスにｐ型ドーパントとなるＡｌ源もしくはＢ源に加えてキャリアガスを導入して行う、請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶の製造方法。

【請求項6】

種結晶（５）と該種結晶の上に成長させた炭化珪素単結晶であって、
成長させた前記炭化珪素単結晶は、前記種結晶よりも基底面転位密度が少なく、かつ、前記種結晶から離れる方向に沿って基底面転位密度が小さくなっている、炭化珪素単結晶。

【請求項7】

一面側がＳｉ面、他面側がＣ面とされ、該Ｃ面側を成長面とする種結晶（５）の表面に成長させられた炭化珪素単結晶であって、
前記Ｃ面側の方が前記Ｓｉ面側よりも、基底面転位密度が小さくなっている、炭化珪素単結晶。

【請求項8】

５×１０^１８ｃｍ^－３以上のｎ型不純物が含まれている、請求項６または７に記載の炭化珪素単結晶。

【請求項9】

ＢＰＤ密度が１０００個／ｃｍ^２以下、キャリアライフタイムが５ｎｓ以下、金属不純物濃度となるＡｌが１×１０^１１ａｔｍ／ｃｍ^３以下、Ｂが１×１０^１１ａｔｍ／ｃｍ^３以下、Ｔｉが７×１０^１２ａｔｍ／ｃｍ^３以下、Ｖが５×１０^１２ａｔｍ／ｃｍ^３以下となっている、請求項６ないし８のいずれか１つに記載の炭化珪素単結晶。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）単結晶およびＳｉＣ単結晶の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、ＳｉＣ単結晶で構成された種結晶の成長面上にＳｉＣ原料ガスを供給し、種結晶の上にＳｉＣ単結晶を結晶成長させている。そして、このようにして得たＳｉＣ単結晶のインゴットをウェハ状にスライスして、ＳｉＣデバイスの製造に用いている。

【0003】

ＳｉＣデバイスの品質に影響を与える項目としてＳｉＣ基板の転位密度がある。上記したように、種結晶の表面上への結晶成長により長尺なＳｉＣ単結晶を得ているが、成長初期の不純物による転位生成、結晶の温度分布により発生する応力や種結晶を取付ける台座と種結晶との熱的性質の違いにより発生する応力による転位生成などが生じる。このため、成長後に得られるインゴットはＳｉＣ単結晶の成長方向に対して基底面転位（以下、ＢＰＤという）密度が増大してしまう。

【0004】

このため、従来では、ＢＰＤに転位し得る貫通転位抑制のための結晶温度分布や応力の制御を行っている。例えば、特許文献１では、種結晶の劣化が種結晶の熱分解、特に種結晶の外側周辺部の熱分解により発生するマクロ欠陥に起因することを課題として、厚さ２．０ｍｍ以上とした厚い種結晶を用いるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－６５９５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１は昇華法によりＳｉＣ単結晶を成長させるものであり、昇華法より高温でＳｉＣ単結晶を成長させるガス成長法では熱分解によるエッチングの影響が更に大きくなる。このため、種結晶の厚みを２ｍｍ以上にしただけでは、ＳｉＣ単結晶の成長条件制御のロバスト性が不十分で、所望のＢＰＤ密度のＳｉＣ単結晶を得ることができない。

【0007】

本開示は、品質の良いＳｉＣデバイスの製造に適したＳｉＣ単結晶およびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の１つの観点におけるガス供給法によるＳｉＣ単結晶の製造方法では、
反応室を構成する中空形状の加熱容器（９）内に種結晶（５）を配置することと、
種結晶の表面に炭化珪素原料ガスを含む供給ガス（３ａ）を供給すると共に、加熱容器内の少なくとも一部が２５００℃以上となる環境とすることで、種結晶の表面上に炭化珪素単結晶（６）を成長させることと、を含み、
炭化珪素単結晶を成長させることでは、炭化珪素単結晶の成長前における種結晶の表面および成長中における炭化珪素単結晶の成長面において、種結晶および炭化珪素単結晶のうち中心軸（Ｃ）を中心とした径方向での温度分布ΔＴが、ΔＴ≦１０［℃］を満たす径方向温度条件となるようにして、炭化珪素単結晶を成長させる。

【0009】

このように、加熱容器内の少なくとも一部が２５００℃以上となる環境で、ＳｉおよびＣを含有するＳｉＣ原料ガスを供給することでＳｉＣ単結晶を成長させる際に、径方向温度条件が温度分布ΔＴ≦１０［℃］を満たすようにしている。つまり、成長に伴ってＳｉＣ単結晶の厚さが変化するが、どの厚さにおいても、ＳｉＣ単結晶の径方向での温度差が１０℃以下となるようにしている。これにより、ＳｉＣ単結晶の成長中に、種結晶やＳｉＣ単結晶の基底面に発生する剪断応力τを１．４［ＭＰａ］以下にできる。よって、ＢＰＤ密度を増加させないようにすることが可能となり、品質の良いＳｉＣデバイスの製造に適したＳｉＣ単結晶にできる。

【0010】

本開示のもう１つの観点は、種結晶（５）の表面に成長させられたＳｉＣ単結晶であって、種結晶側において種結晶よりもＢＰＤ密度が少なく、かつ、種結晶から離れる方向に沿ってＢＰＤ密度が小さくなっている。

【0011】

このように、ＳｉＣ単結晶が種結晶よりもＢＰＤ密度が少なく、かつ、種結晶から離れる方向に沿ってＢＰＤ密度が小さくなっていれば、成長が進むほど、より品質の良いＳｉＣデバイスの製造に適したＳｉＣ単結晶にできる。

【0012】

本開示のさらにもう１つの観点は、種結晶（５）の表面に成長させられたＳｉＣ単結晶であって、種結晶は、一面側がＳｉ面、他面側がＣ面とされ、該Ｃ面側を成長面としてＳｉＣ単結晶が成長させられており、ＳｉＣ単結晶は、Ｃ面側の方がＳｉ面側よりも、ＢＰＤ密度が小さくなっている。

【0013】

このように、ＳｉＣ単結晶のうちＣ面側の方がＳｉ面側よりもＢＰＤ密度が小さくなっていれば、成長が進むほど、より品質の良いＳｉＣデバイスの製造に適したＳｉＣ単結晶にできる。

【0014】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態にかかるＳｉＣ単結晶の製造に用いる製造装置の概略断面図である。

【図2】種結晶およびＳｉＣ単結晶の中心軸を中心とした径方向温度分布ΔＴを示した図である。

【図3】温度分布ΔＴと種結晶もしくはＳｉＣ単結晶の基底面に発生する剪断応力τ［ＭＰａ］との関係を示した図である。

【図4】ＳｉＣ単結晶の成長の初期の段階と、成長を終えた後での種結晶中のＢＰＤ密度の変化を示した図である。

【図5】ＳｉＣ単結晶の成長方向でのＢＰＤ密度の変化を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本開示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。

【0017】

（第１実施形態）
まず、本実施形態にかかるＳｉＣ単結晶の製造に用いるＳｉＣ単結晶製造装置について説明する。

【0018】

図１に示すＳｉＣ単結晶製造装置１は、長尺成長によってＳｉＣ単結晶インゴットを製造するのに用いられるものであり、図１の紙面上下方向が天地方向に向くようにして設置される。

【0019】

具体的には、ＳｉＣ単結晶製造装置１は、ガス供給口２を通じてガス供給源３からのＳｉＣ原料ガスを含む供給ガス３ａを流入させると共に、ガス排出口４を通じて未反応ガスを排出することで、ＳｉＣ単結晶基板からなる種結晶５上にＳｉＣ単結晶６を成長させる。

【0020】

ＳｉＣ単結晶製造装置１には、ガス供給源３、真空容器７、断熱材８、加熱容器９、台座１０、回転引上機構１１および第１、第２加熱装置１２、１３が備えられている。

【0021】

ガス供給源３は、ＳｉおよびＣを含有するＳｉＣ原料ガス、例えばシラン等のシラン系ガスとプロパン等の炭化水素系ガスの混合ガスを少なくとも含む供給ガス３ａを筒状のガス供給口２より供給する。このガス供給源３等により、種結晶５に対して下方からＳｉＣ原料ガスを供給するガス供給機構が構成されている。

【0022】

ガス供給源３は、供給ガス３ａとして、少なくともＳｉＣ原料ガスの供給を行えればよいが、キャリアガスを共に供給することで、ＳｉＣ原料ガスを希釈して流速を高めたり、原料ガス濃度を調整したりすることなども可能である。また、キャリアガスに加えて、もしくはキャリアガスに代えてエッチングガスを供給することもできる。エッチングガスを供給すれば、ＳｉＣ原料ガスの流速や濃度の調整に加えて、付着させたくない場所への副生成物の付着を抑制することが可能となる。キャリアガスとしては、例えばＨｅ、Ａｒなどの不活性ガスを用いることができ、エッチングガスとしては、例えばＨ_２やＨＣｌなどを用いることができる。さらに、成長させるＳｉＣ単結晶６にドーパントを導入する場合には、例えばＮ_２（窒素）のようなｎ型ドーパントとなるＮ源を導入することもできる。勿論、Ｎ源のようなｎ型ドーパントに限らず、ｐ型ドーパントとなるＡｌ（アルミニウム）源やＢ（ホウ素）源を導入することもできる。

【0023】

真空容器７は、石英ガラスなどで構成され、中空部を有する筒形状、本実施形態の場合は円筒形状をなしており、供給ガス３ａの導入導出が行える構造とされている。また、真空容器７は、ＳｉＣ単結晶製造装置１の他の構成部品を収容すると共に、その収容している内部空間の圧力を真空引きすることにより減圧できる構造とされている。この真空容器７の底部に供給ガス３ａのガス供給口２が設けられ、側壁の上方位置にガス排出口４が設けられている。

【0024】

断熱材８は、中空部を有する筒形状、本実施形態の場合は有底円筒形状をなしており、真空容器７に対して同軸的に配置されている。断熱材８は、真空容器７よりも径が縮小された円筒形状部分を有し、真空容器７の内側に配置されることで、断熱材８の内側の空間から真空容器７側への伝熱を抑制している。断熱材８は、例えば黒鉛のみ、もしくは、表面をＴａＣ（炭化タンタル）やＮｂＣ（炭化ニオブ）などの高融点金属炭化物にてコーティングした黒鉛などで構成され、熱エッチングされにくいものとされている。

【0025】

断熱材８は、底部の中心部に、底部を貫通する導入孔８ａが形成されており、導入孔８ａがガス供給口２に繋げられ、ガス供給口２から導入された供給ガス３ａが導入孔８ａを通じて断熱材８内に導かれるようになっている。

【0026】

加熱容器９は、反応容器となる坩堝を構成するものであり、中空部を有する筒形状、本実施形態の場合は有底円筒形状で構成されている。加熱容器９の中空部により、種結晶５の表面にＳｉＣ単結晶６を成長させる反応室を構成している。加熱容器９は、例えば黒鉛のみ、もしくは、表面をＴａＣやＮｂＣなどの高融点金属炭化物にてコーティングした黒鉛などで構成され、熱エッチングされにくいものとされている。この加熱容器９は、台座１０を囲むように配置されている。この加熱容器９により、ガス供給口２からの供給ガス３ａを種結晶５に導くまでに、ＳｉＣ原料ガスを分解している。

【0027】

加熱容器９は、底部の中心部に、底部を貫通する導入孔９ａが形成されており、導入孔９ａがガス供給口２や導入孔８ａに繋げられ、ガス供給口２や導入孔８ａから導入された供給ガス３ａが導入孔９ａを通じて加熱容器９内に導かれるようになっている。

【0028】

台座１０は、種結晶５を設置するための部材である。台座１０は、種結晶５が設置される一面が種結晶５の形状と対応する形状、台座１０の中心軸が加熱容器９の中心軸や後述する回転引上機構１１のシャフト１１ａの中心軸と同軸となるように配置されている。本実施形態の場合、台座１０を種結晶５と同じ径の円柱形状部材で構成することで、種結晶５が設置される一面が円形状とされている。台座１０は、例えば黒鉛のみ、もしくは、表面をＴａＣやＮｂＣなどの高融点金属炭化物にてコーティングした黒鉛などで構成され、熱エッチングされにくいものとされている。

【0029】

この台座１０のガス供給口２側の一面に、種結晶５が貼り付けられ、種結晶５の表面にＳｉＣ単結晶６が成長させられる。また、台座１０は、種結晶５が配置される面と反対側の面においてシャフト１１ａに連結されており、シャフト１１ａの回転に伴って回転させられ、シャフト１１ａが引き上げられることに伴って紙面上方に引き上げ可能となっている。

【0030】

回転引上機構１１は、パイプ材などで構成されるシャフト１１ａを介して台座１０の回転および引上げを行う。シャフト１１ａは、本実施形態では上下に伸びる直線状で構成されており、一端が台座１０のうちの種結晶５の貼付面と反対側の面に接続されており、他端が回転引上機構１１の本体に接続されている。このシャフト１１ａも、例えば黒鉛のみ、もしくは、表面をＴａＣやＮｂＣなどの高融点金属炭化物にてコーティングした黒鉛などで構成され、熱エッチングされにくいものとされている。このような構成により、台座１０、種結晶５およびＳｉＣ単結晶６の回転および引き上げが行え、ＳｉＣ単結晶６の成長面が所望の温度分布となるようにしつつ、ＳｉＣ単結晶６の成長に伴って、その成長表面の温度を成長に適した温度に調整できるようになっている。

【0031】

第１、第２加熱装置１２、１３は、例えば誘導加熱用コイルや直接加熱用コイルなどの加熱コイルによって構成され、真空容器７の周囲を囲むように配置されていて、加熱容器９の加熱を行う。本実施形態の場合、第１、第２加熱装置１２、１３を誘導加熱用コイルによって構成している。これら第１、第２加熱装置１２、１３は、対象場所をそれぞれ独立して温度制御できるように構成されており、第１加熱装置１２は、加熱容器９に対応した位置に配置され、第２加熱装置１３は、台座１０と対応した位置に配置されている。したがって、第１加熱装置１２によって加熱容器９の下方部分の温度を制御して、ＳｉＣ原料ガスを加熱して分解することができる。また、第２加熱装置１３によって台座１０や種結晶５およびＳｉＣ単結晶６の周囲の温度をＳｉＣ単結晶６の成長に適した温度に制御することができる。なお、ここでは、加熱装置を第１、第２加熱装置１２、１３によって構成したが、第１加熱装置１２のみとしても良いし、これらの配置場所を適宜変更しても良い。

【0032】

このようにして、本実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置１が構成されている。続いて、本実施形態にかかるＳｉＣ単結晶製造装置１を用いたＳｉＣ単結晶６の製造方法について説明する。

【0033】

まず、台座１０の一面に種結晶５を貼り付ける。種結晶５としては、一面側がＳｉ面、その反対面となる他面側がＣ面、より詳しくは（０００－１）Ｃ面に対して４°もしくは８°などの所定のオフ角を有するオフ基板を用意している。そして、Ｓｉ面側を台座１０に向け、台座１０と反対側となるＳｉＣ単結晶６の成長面側をＣ面側として、台座１０に貼り付ける。

【0034】

続いて、加熱容器９内に台座１０および種結晶５を配置する。そして、第１、第２加熱装置１２、１３を制御し、加熱容器９を加熱することで所望の温度分布を付ける。すなわち、供給ガス３ａに含まれるＳｉＣ原料ガスが加熱分解されて種結晶５の表面に供給され、かつ、種結晶５の表面においてＳｉＣ原料ガスが再結晶化されつつ、加熱容器９内において再結晶化レートよりも昇華レートの方が高くなるような温度分布とする。具体的には、加熱容器９内の少なくとも一部が２５００℃以上となる環境とする。例えば、加熱容器９の底部の温度を２８００±１００℃程度、種結晶５の表面の温度を２５００±１００℃程度とする。

【0035】

さらに、真空容器７を所望圧力にしつつ、ガス供給口２を通じてＳｉＣ原料ガスを含む供給ガス３ａを導入する。シランなどのシラン系ガスや炭化水素系ガスが温度に合わせた分圧となるようにしている。また、必要に応じてＨｅやＡｒなどの不活性ガスによるキャリアガスやＨ_２やＨＣｌなどのエッチングガスを導入し、流速や原料ガス濃度を調整して、副生成物が生成し難くなる条件となるようにしている。これにより、供給ガス３ａが図１中の矢印で示したように流動して種結晶５に供給され、供給ガス３ａ中に含まれる原料ガスにより、種結晶５の表面にＳｉＣ単結晶６が成長させられる。

【0036】

そして、回転引上機構１１により、シャフト１１ａを介して台座１０や種結晶５およびＳｉＣ単結晶６を回転させつつ、ＳｉＣ単結晶６の成長レートに合せて引上げる。これにより、ＳｉＣ単結晶６の成長表面の高さがほぼ一定に保たれ、成長表面温度の温度分布を制御性良く制御することが可能となる。

【0037】

ここで、ＳｉＣ単結晶を成長させる際に、成長前の種結晶５の温度分布や成長中のＳｉＣ単結晶の成長表面での温度分布について、種結晶５やＳｉＣ単結晶６の中心軸Ｃを中心とした径方向での温度分布ΔＴが、ΔＴ≦１０℃を満たすようにしている。以下、このような種結晶５やＳｉＣ単結晶６の中心軸Ｃを中心とした径方向での温度分布ΔＴの条件を径方向温度条件という。なお、種結晶５やＳｉＣ単結晶６の中心軸Ｃとは、ＳｉＣ単結晶６の成長方向、本実施形態の場合は図１の上下方向を法線方向とする平面において種結晶５やＳｉＣ単結晶６の中心を通り、かつ、ＳｉＣ単結晶６の成長方向に沿う軸線のことを言う。

【0038】

上記したように、従来では、昇華法において種結晶の厚みを２．０ｍｍ以上とすることで熱分解による外周部での種結晶の消失を抑制しているが、昇華法よりも高温でＳｉＣ単結晶を成長させるガス成長法では成長条件制御のロバスト性が不十分である。勿論、本実施形態においても、種結晶５の厚みを２．０ｍｍ以上にすることは有効であるが、ＳｉＣ単結晶６が成長して厚さが増加していくどの段階でもＳｉＣ単結晶６に働く応力を低減することがＢＰＤ密度を減少させる上で重要である。また、ＳｉＣ単結晶６を成長させる際に発生する応力により種結晶５中のＢＰＤ密度が増加してしまい、これがＳｉＣ単結晶６のＢＰＤ密度の増加の一因になっているが、ＳｉＣ単結晶６の成長中にも種結晶５中のＢＰＤ密度の増加を抑制することが必要である。

【0039】

本発明者らの鋭意検討の結果、成長前の種結晶５の温度分布や成長中のＳｉＣ単結晶の成長表面での温度分布について、上記した径方向温度条件を満たすようにしてＳｉＣ単結晶６を成長させると、ＳｉＣ単結晶６のＢＰＤ密度の増加を抑制できることが判った。

【0040】

例えば、種結晶５の外径寸法をＲとし、温度分布ΔＴの測定対象位置での径寸法をｒとして、成長前の種結晶５の温度分布や成長中のＳｉＣ単結晶の成長表面での温度分布についてシミュレーションを行った。温度分布ΔＴは、ｒ／Ｒを底とする指数関数として、ΔＴ＝（ｒ／Ｒ）^ｍの数式で表される。実際に種結晶５の表面にＳｉＣ単結晶６を成長させたときの成長形状から算出した温度分布にフィッティングする指数ｍを求め、その指数ｍを用いて温度分布ΔＴを算出した。ここでは、実温度分布にフィッティングする指数ｍが４であったため、ｍ＝４として温度分布ΔＴを算出した。その結果、温度分布ΔＴが図２に示すグラフで表されることが確認された。なお、この温度分布ΔＴは、種結晶５の直径が１０．１６ｃｍ（４インチ）である場合の例を示したものであるが、この寸法でない場合であっても同様の分布になる。

【0041】

この図に示されるように、ＳｉＣ単結晶の成長前での種結晶５の温度分布ΔＴや成長中のＳｉＣ単結晶の成長表面での種結晶５やＳｉＣ単結晶６の中心軸Ｃを中心とした径方向での温度分布ΔＴは、中心軸Ｃからの距離に依存する。つまり、中心軸Ｃからある程度近い位置では概ね中心軸Ｃと同等の温度になるが、中心軸Ｃからずれると中心軸Ｃの温度からずれる。より詳しくは、温度分布ΔＴは、中心軸Ｃからずれるほど中心軸Ｃの温度からのずれが大きくなる。

【0042】

この温度分布ΔＴと種結晶５もしくはＳｉＣ単結晶６の基底面に発生する剪断応力τ［ＭＰａ］との関係を調べたところ、図３に示すグラフで表されることが確認された。この図に示されるように、温度分布ΔＴが１０［℃］を超えると、剪断応力τ＞１．４［ＭＰａ］になった。試作検討により、種結晶５もしくはＳｉＣ単結晶６の基底面に発生する剪断応力τが１．４［ＭＰａ］を超えると、ＢＰＤ密度が増加していくことが判った。このため、剪断応力τ≦１．４［ＭＰａ］の関係を満たすようにすること、つまり径方向温度条件が温度分布ΔＴ≦１０［℃］を満たしていることがＢＰＤ密度を増加させないようにするのに必要である。

【0043】

したがって、シミュレーションによりこの条件を満たすようにＳｉＣ単結晶製造装置１を設計することで、ＢＰＤ密度の増加を抑制してＳｉＣ単結晶６を成長させることができる。温度分布ΔＴの決定要因には、ＳｉＣ単結晶製造装置１のうち、ガス琉の方向や流速、第１、第２加熱装置１２、１３による加熱形態などもあるが、これらはあまり大きな要因ではなく、特に加熱容器９や断熱材８の形状が大きいことを確認している。このため、加熱容器９や断熱材８の形状を調整し、径方向温度条件が温度分布ΔＴ≦１０［℃］を満たすようにすることで、種結晶５やＳｉＣ単結晶６の外周部分においても剪断応力τ≦１．４［ＭＰａ］の関係を満たすことが可能となる。これにより、ＢＰＤ密度の増加を抑制してＳｉＣ単結晶６を成長させられる。

【0044】

以上説明したように、加熱容器９内の少なくとも一部が２５００℃以上となる環境で、ＳｉおよびＣを含有するＳｉＣ原料ガスを供給することでＳｉＣ単結晶６を成長させる際に、径方向温度条件が温度分布ΔＴ≦１０［℃］を満たすようにしている。つまり、成長に伴ってＳｉＣ単結晶６の厚さが変化するが、どの厚さにおいても、ＳｉＣ単結晶６の径方向での温度差が１０℃以下となるようにしている。

【0045】

これにより、ＳｉＣ単結晶６の成長中に、種結晶５やＳｉＣ単結晶６の基底面に発生する剪断応力τを１．４［ＭＰａ］以下にできる。よって、ＢＰＤ密度を増加させないようにすることが可能となり、品質の良いＳｉＣデバイスの製造に適したＳｉＣ単結晶６にできる。そして、このようにして得たＳｉＣ単結晶６をスライスすれば、ＢＰＤ密度を抑制したＳｉＣウェハを得ることができる。また、種結晶５は一面側がＳｉ面、他面側をＣ面として、Ｓｉ面が台座１０側に向けられ、Ｃ面がＳｉＣ単結晶６の成長面とされるが、得られたＳｉＣ単結晶６やＳｉＣウェハについては、Ｓｉ面よりもＣ面の方がＢＰＤ密度が減少した状態になる。つまり、種結晶５の表面から成長したＳｉＣ単結晶６は、種結晶５側となるＳｉＣ単結晶６の成長初期の位置で種結晶５よりもＢＰＤ密度が低下したのち、ＳｉＣ単結晶６の成長方向、つまり種結晶５から離れる方向に沿ってＢＰＤ密度が増加しない。そして、好ましくは、ＳｉＣ単結晶６の成長が進むにつれてＢＰＤ密度が減少し、その後もＢＰＤ密度が増加せずにＳｉＣ単結晶６を成長させられる。このような構成になっていれば、成長が進むほど、より品質の良いＳｉＣデバイスの製造に適したＳｉＣ単結晶６にできる。

【0046】

このようにしてＳｉＣ単結晶６を成長させてインゴットを得た場合において、ＳｉＣ単結晶６の成長の初期の段階と、成長を終えた後での種結晶５の変化を確認した。その結果、図４に示すように、成長を終えた後の種結晶５内のＢＰＤ密度が成長前における種結晶５内のＢＰＤ密度と同等である。このように、上記の径方向温度条件によってＳｉＣ単結晶６を成長させると、種結晶５内においてもＢＰＤ密度の増加を抑制でき、成長を終えた後の種結晶５内のＢＰＤ密度を成長前における種結晶５内のＢＰＤ密度以下にすることが可能となる。

【0047】

また、成長を終えた後に、ＳｉＣ単結晶６の成長方向でのＢＰＤ密度の変化についても確認した。その結果、図５に示すように、結晶位置が－２．８ｍｍの位置、具体的には種結晶５内の部分でＢＰＤ密度が最も大きくなっているが、成長方向に向かって位置が移動するほど、つまり成長が進むほどＢＰＤ密度が減少していた。より詳しくは、結晶位置が０．１ｍｍ、３．１ｍｍ、６ｍｍと大きくなるほど、ＢＰＤ密度が徐々に減少していた。これは、上記の径方向温度条件によってＳｉＣ単結晶６を成長させると、ＳｉＣ単結晶６中に種結晶５のＢＰＤが引き継がれず、高温によってＢＰＤが増加するのではなく消滅、変換、あるいは結晶の外に掃き出され減少していることを表している。このように、ＳｉＣ単結晶６のＢＰＤ密度の増加を抑制でき、好ましくはＢＰＤ密度を減少させることが可能となる。

【0048】

また、供給ガス３ａとしてＮ源を導入することで、ｎ型のＳｉＣ単結晶６を得ることができる。このようなｎ型のＳｉＣ単結晶６については、スライスしてＳｉＣウェハとすることでパワー素子などの製造に用いることができ、例えばｎ型ＭＯＳＦＥＴにおけるドレインを構成する基板として用いられる。

【0049】

実験により、Ｎ源をドーパントとして導入した場合とドーパントを何も導入しなかった場合それぞれについて、上記のようにして得たＳｉＣ単結晶６やそれをスライスして得たＳｉＣウェハの特性を調べた。その結果、ＢＰＤ密度が１０００個／ｃｍ^２以下、キャリアライフタイムが５ｎｓ以下であった。ドーパントを何も導入しなかった場合には、Ｎが含まれないＳｉＣ単結晶６やＳｉＣウェハとなっていた。また、Ｎ源をドーパントとして導入した場合、例えば５～９×１０^１８ｃｍ^－３もしくはそれ以上のｎ型不純物濃度のＳｉＣ単結晶６やＳｉＣウェハが得られた。また、金属不純物濃度についても調べたところ、Ａｌが１×１０^１１ａｔｍ／ｃｍ^３以下、Ｂが１×１０^１１ａｔｍ／ｃｍ^３以下、Ｔｉ（チタン）が７×１０^１２ａｔｍ／ｃｍ^３以下、Ｖ（バナジウム）が５×１０^１２ａｔｍ／ｃｍ^３以下であった。この金属不純物濃度は、ＳｉＣウェハを半導体デバイス形成に用いる場合に、良好なデバイス特性が得られるレベルの少なさになっている。

【0050】

（他の実施形態）
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【0051】

例えば、ＳｉＣ単結晶製造装置１の詳細構造については一例を示したに過ぎず、部分的に構成が異なっていても構わない。すなわち、加熱容器９や断熱材８の構造などは、一例を挙げたに過ぎず、種結晶５やＳｉＣ単結晶６の中心軸Ｃを中心とした径方向での温度分布ΔＴが１０℃以下にできる構造であれば良い。

【0052】

また、上記実施形態では、図２、図３に示した実験として、直径が１０．１６ｃｍ（４インチ）である種結晶５を用いてＳｉＣ単結晶６を成長させた場合を例に挙げたが、種結晶５の直径については一例を挙げたに過ぎない。つまり、種結晶５の直径については、１０．６ｃｍ以下であっても良いし、それ以上であっても良い。また、ＳｉＣ単結晶６を成長させる際に、種結晶５の直径と同じ直径になるようにすることもできるが、それよりも大きくすることも、小さくすることも可能である。しかしながら、ＳｉＣ単結晶６の直径に限らず、種結晶５やＳｉＣ単結晶６の中心軸Ｃを中心とした径方向での温度分布ΔＴが１０℃以下にできれば良い。

【0053】

また、図１中では、ＳｉＣ単結晶６が種結晶５の表面上に形成されたインゴットとなるものを図示してあるが、ＳｉＣ単結晶６は、インゴットであっても、切り出したウェハであっても、いずれの形態であっても良い。

【0054】

また、上記実施形態では、種結晶５に対して下方側からＳｉＣ原料ガスを含む供給ガス３ａを供給するアップフロー方式のＳｉＣ単結晶成長装置や製造方法を例に挙げた。しかしながら、これに限らず、成長中の径方向温度条件がΔＴ≦１０［℃］を満たす形態であれば、ガス供給機構の構成については、サイドフロー方式であってもダウンフロー方式であっても良い。

【符号の説明】

【0055】

１ ＳｉＣ単結晶製造装置
３ ガス供給源
３ａ 供給ガス
５ 種結晶
６ ＳｉＣ単結晶
８ 断熱材
９ 加熱容器
１０ 台座
１１ 回転引上機構
１２、１３ 第１、第２加熱装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】