特開 2023-90432 炭化珪素インゴット、炭化珪素インゴットの製造方法及び炭化珪素ウェハの製造方法

(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】P2023090432

(43)【公開日】2023-06-29

(54)【発明の名称】炭化珪素インゴット、炭化珪素インゴットの製造方法及び炭化珪素ウェハの製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/36 20060101AFI20230622BHJP

   C30B 25/20 20060101ALI20230622BHJP

   C30B 23/06 20060101ALI20230622BHJP

【ＦＩ】

C30B29/36 A

C30B25/20

C30B23/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021205391

(22)【出願日】2021-12-17

(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

(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】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

(74)【代理人】

【識別番号】100101236

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100166914

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 功穂

(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】土田 秀一

(72)【発明者】

【氏名】岡本 武志

(72)【発明者】

【氏名】堀合 慧祥

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077AB01

4G077BE08

4G077DA02

4G077DA18

4G077DB30

4G077EC09

4G077ED01

4G077ED06

4G077EF03

4G077FG11

4G077HA12

4G077SA04

4G077TA04

4G077TJ05

4G077TK01

4G077TK08

4G077TK13

(57)【要約】

【課題】種結晶中のマイクロパイプを閉塞するとともに螺旋転位の凝集を低減した炭化珪素インゴット、その製造方法及び炭化珪素ウェハの製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素単結晶からなり、中空欠陥であるマイクロパイプ５を有する種結晶２と、種結晶２に設けられた炭化珪素からなるバッファー層３と、バッファー層３に設けられた炭化珪素からなるバルク結晶成長層４と、を備え、バッファー層３及びバルク結晶成長層４は、バッファー層３によって閉塞されたマイクロパイプ５に継続する複数の螺旋転位６を有し、バルク結晶成長層４においてマイクロパイプ５を共通にする複数の螺旋転位６同士の間隔は１５０μｍ以上である炭化珪素インゴットとする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化珪素単結晶からなり、中空欠陥であるマイクロパイプを有する種結晶と、
前記種結晶に設けられた炭化珪素からなるバッファー層と、
前記バッファー層に設けられた炭化珪素からなるバルク結晶成長層と、を備え、
前記バッファー層及び前記バルク結晶成長層は、前記バッファー層によって閉塞された前記マイクロパイプに継続する複数の螺旋転位を有し、
前記バルク結晶成長層において前記マイクロパイプを共通にする複数の前記螺旋転位同士の間隔は１５０μｍ以上である
ことを特徴とする炭化珪素インゴット。

【請求項2】

請求項１に記載の炭化珪素インゴットであって、
前記バッファー層は、厚さが１００μｍ以上である
ことを特徴とする炭化珪素インゴット。

【請求項3】

炭化珪素単結晶からなり、中空欠陥であるマイクロパイプを有する種結晶上に炭化珪素からなるバッファー層を形成する第１工程と、
前記バッファー層上に炭化珪素からなるバルク結晶成長層を形成する第２工程と、を備え、
前記第１工程では、炭素原子と珪素原子との原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）を０．５以上０．９以下にした原料ガスを用いたガス法により２４００℃以上の温度で厚さが１００μｍ以上の前記バッファー層を形成し、
前記第２工程では、ガス法又は昇華法により前記バルク結晶成長層を形成する
ことを特徴とする炭化珪素インゴットの製造方法。

【請求項4】

請求項３に記載の炭化珪素インゴットの製造方法であって、
前記第２工程では、前記第１工程よりもＣ／Ｓｉ比が高い原料ガスを用いたガス法により前記バルク結晶成長層を形成する
ことを特徴とする炭化珪素インゴットの製造方法。

【請求項5】

請求項３又は請求項４に記載の炭化珪素インゴットの製造方法により炭化珪素インゴットを形成し、
前記バルク結晶成長層をスライスする
ことを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化珪素インゴット、炭化珪素インゴットの製造方法及び炭化珪素ウェハの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

炭化珪素（以下、ＳｉＣとも記載する）は、Ｓｉと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているＳｉ単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。

【0003】

このような半導体素子に用いられるＳｉＣウェハの製造方法の一つとして昇華法が知られている。種結晶にマイクロパイプと呼ばれる中空欠陥が含まれる場合、昇華法によってＳｉＣからなる単結晶層（以下、バルク結晶成長層）を種結晶上に形成すると、そのマイクロパイプがバルク結晶成長層にも継続してしまう。

【0004】

このようなマイクロパイプの問題を解決するために、特許文献１には、ＣとＳｉとを含む原料ガスをＳｉリッチとし、ＣＶＤ法によるエピタキシャル成長を行うＳｉＣ単結晶膜の製造方法が開示されている。この製造方法によれば、数十μｍ／ｈの成膜レートによって、１００－１５０μｍ程度エピタキシャル膜を成長させると、マイクロパイプが複数の１ｃ螺旋転位に分解されるので、種結晶からマイクロパイプが継続することを低減したＳｉＣ単結晶膜が得られる。しかしながら、マイクロパイプが閉塞して分解した後も、複数の１ｃ螺旋転位同士が分散して十分空間的に広がっていない状態（１０μｍ程度）では局所的に螺旋転位が凝集してしまい結晶性が低いものであった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第４０４４０５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上記事情に鑑み、種結晶中のマイクロパイプを閉塞するとともに螺旋転位の凝集を低減した炭化珪素インゴット、その製造方法及び炭化珪素ウェハ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】

【0007】

上記目的を達成するための本発明の態様は、炭化珪素単結晶からなり、中空欠陥であるマイクロパイプを有する種結晶と、前記種結晶に設けられた炭化珪素からなるバッファー層と、前記バッファー層に設けられた炭化珪素からなるバルク結晶成長層と、を備え、前記バッファー層及び前記バルク結晶成長層は、前記バッファー層によって閉塞された前記マイクロパイプに継続する複数の螺旋転位を有し、前記バルク結晶成長層において前記マイクロパイプを共通にする複数の前記螺旋転位同士の間隔は１５０μｍ以上であることを特徴とする炭化珪素インゴットにある。

【0008】

上記目的を達成するための本発明の他の態様は、炭化珪素単結晶からなり、中空欠陥であるマイクロパイプを有する種結晶上に炭化珪素からなるバッファー層を形成する第１工程と、前記バッファー層上に炭化珪素からなるバルク結晶成長層を形成する第２工程と、を備え、前記第１工程では、炭素原子と珪素原子との原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）を０．５以上０．９以下にした原料ガスを用いたガス法により２４００℃以上の温度で厚さが１００μｍ以上の前記バッファー層を形成し、前記第２工程では、ガス法又は昇華法により前記バルク結晶成長層を形成することを特徴とする炭化珪素インゴットの製造方法にある。

【0009】

上記目的を達成するための本発明の他の態様は、上記炭化珪素インゴットの製造方法により炭化珪素インゴットを形成し、前記バルク結晶成長層をスライスすることを特徴とする炭化珪素ウェハの製造方法にある。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、種結晶中のマイクロパイプを閉塞するとともに螺旋転位の凝集を低減した炭化珪素インゴット、その製造方法及び炭化珪素ウェハの製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】ＳｉＣインゴットの正面図、及びＳｉＣウェハの平面図である。

【図2】ＳｉＣインゴットの製造方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１（ａ）は、本実施形態に係るＳｉＣインゴットの正面図である。ＳｉＣインゴット１は、種結晶２、種結晶２の一方面側に設けられたバッファー層３、バッファー層３の一方面側（種結晶２とは反対側）に設けられたバルク結晶成長層４を備えている。

【0013】

種結晶２は、マイクロパイプ５を有するＳｉＣ単結晶からなる。種結晶２は、特に製法に限定はないが、例えば、昇華法により形成されている。

【0014】

マイクロパイプ５は、径が数百ｎｍから数μｍの中空欠陥である。マイクロパイプ５は、バーガースベクトルがｎｃであり、大型の螺旋転位と考えられている。一方、中空でない貫通螺旋転位は、バーガースベクトルが１ｃであり、ＳｉＣ結晶のｃ軸方向に伝播しているものである。（ここでは、貫通螺旋転位として、バーガースベクトルｂがｂ＝１ｃのピュア螺旋転位に加え、ａ成分のバーガースベクトルも有するｂ＝ｃ＋ａ／３＜１１－２０＞の貫通混合転位も含んで考えることとする。）

【0015】

バッファー層３は、ＳｉＣからなる層である。バッファー層３は、厚さが１００μｍ以上であり、炭素原子と珪素原子との原子数比（以下、Ｃ／Ｓｉ比）が０．５以上０．９以下のＳｉリッチな条件で形成される。

【0016】

バッファー層３では、種結晶２にあるマイクロパイプ５が閉塞され、閉塞されたマイクロパイプ５が複数の螺旋転位６に分解されている。具体的には、バーガースベクトルがｎｃである一本のマイクロパイプ５は、ｎ本の螺旋転位６に分解される。以下、マイクロパイプ５を共通とし、センス（螺旋転位の構造であって左巻き又は右巻きがある）が同じ複数の螺旋転位６を「同じセンスの螺旋転位６」と称する。図１（ａ）には、「マイクロパイプ５を共通とする同じセンスの螺旋転位６」が２つ示されている。全てのマイクロパイプ５はバッファー層３で閉塞される。

【0017】

また、バッファー層３では、同じセンスの螺旋転位６同士は互いに反発力が働くため間隔が広がり分散している。このような螺旋転位６の分散は、後述するガス法により所定厚さ、例えば１００μｍ以上のバッファー層３を形成することにより実現される。

【0018】

バルク結晶成長層４は、バッファー層３にＳｉＣ単結晶からなる層であり、バルク成長により形成されたものである。また、バルク結晶成長層４には、バッファー層３から螺旋転位６が継続している。バルク結晶成長層４では、少なくとも同じセンスの螺旋転位６同士の間隔は１５０μｍ以上となっている。また、バルク結晶成長層４形成時のＣ／Ｓｉ比は、少なくともバッファー層３のＣ／Ｓｉ比よりも大きい。

【0019】

図１（ｂ）は、ＳｉＣインゴット１のバルク結晶成長層４をスライスして得たＳｉＣ１０ウェハの平面図である。図１（ｃ）は比較例であるＳｉＣウェハ１００の平面図である。螺旋転位６を示す丸印の内部が「＋」であるものは左巻き、「－」であるものは右巻きであることを示している。

【0020】

図１（ｂ）に示すＳｉＣウェハ１０は、ＳｉＣインゴット１のバルク結晶成長層４をスライスしたものである。点線の丸に囲まれた「＋」は、同じセンス「＋」の螺旋転位６を表している。同じセンスの螺旋転位６同士の平面視における間隔は１５０μｍ以上となっている。つまり、同じセンスの複数の螺旋転位６において一本に着目したとき、他の全ての螺旋転位６との間隔が１５０μｍ以上となっている。

【0021】

図１（ｃ）に示すＳｉＣウェハ１００は、ＣＶＤによって形成したエピタキシャル膜によってマイクロパイプを閉塞させたウェハである。ＣＶＤ法は、数十μｍ／ｈの成膜レートであり、１００－１５０μｍ程度エピタキシャル膜を成長させても、螺旋転位同士は１０μｍ程度しか分散しない。点線の丸に囲まれた同じセンス「＋」の螺旋転位６同士は、平面視における間隔が広がっておらず凝集している。このように従来のＣＶＤによるＳｉＣエピタキシャルウェハでは、種結晶２のマイクロパイプ５が閉塞されるものの、バルク結晶成長層４においては局所的に螺旋転位が凝集して結晶性が低い。

【0022】

一方、図１（ｂ）に示した本発明のＳｉＣインゴット１及びそのＳｉＣウェハ１０は、同じセンスの螺旋転位６同士は、お互いの反発力の働きによって、十分な間隔を保って分散し、均一性の高い良好な結晶となる。

【0023】

図２を用いて、上述したＳｉＣインゴット１及びＳｉＣウェハ１０の製造方法について説明する。ＳｉＣインゴット１の製造方法は、第１工程と第２工程を備えている。

【0024】

第１工程では、図２（ａ）に示したマイクロパイプ５を有する種結晶２の一方面側に、ガス法（高温ＣＶＤ法）により、図２（ｂ）に示したバッファー層３を形成させる。バッファー層３の厚さとしては、少なくとも１００μｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上形成することが好ましい。ガス法は、数ｍｍ／ｈの成長レートがあるため、ＣＶＤ法に比較して短時間に厚い結晶（バッファー層やバルク結晶）を形成することが可能である。

【0025】

第１工程のガス法で用いる原料ガスは、ＳｉＣを成長させる組成を有しており、一例としては、Ｓｉ系の反応種としてＳｉＨ_４、炭素系の反応種としてＣ_３Ｈ_８、キャリアガスとしてＨ_２やＡｒ等の各種ガスが混合されたものを用いることができる。原料ガスに含まれるＣ／Ｓｉ比としては、０．９以下とし、さらには０．５以上０．９以下とすることが好ましい。また、バッファー層３の形成中においてＣ／Ｓｉ比は固定としてもよいし、変化させてもよい。

【0026】

第１工程のガス法における原料ガスの圧力は、１．０１３×１０^２Ｐａ以上１．０１３×１０^５Ｐａ以下とする。また原料ガスの温度は２４００℃以上とし、さらには２４００℃以上２６００℃以下とすることが好ましい。

【0027】

このような第１工程によれば、Ｓｉリッチな原料ガスにより形成したバッファー層３により種結晶２のマイクロパイプが閉塞し、凝集した複数の螺旋転位６に分解される。そして、高温かつ速い結晶成長速度で成長させるガス法により形成されたバッファー層３では、同じセンスの螺旋転位６同士は、薄膜を形成するＣＶＤ法に比較して早く容易に分散する。このため、バッファー層３の厚さを数ｍｍ以上成長させると、次に形成するバルク結晶成長層４において、螺旋転位６同士は十分な間隔が保たれた分散具合となり、均一性の高い良好な結晶となる。

【0028】

図２（ｃ）に示すように、第２工程では、バッファー層３の上にバルク結晶成長層４を形成する。バルク結晶成長層４の厚さは特に限定はない。本実施形態では、第１工程と同様にガス法を用いるが、製造条件は、ＳｉＣ単結晶をバルク成長させるのに適したＣ／Ｓｉ比（少なくとも第１工程のＣ／Ｓｉ比より大きい）の原料ガスを用いる。圧力及び温度は、第１工程と同様であっても異なる条件でも構わないとする。これによりバルク結晶成長層４においては、同じセンスの螺旋転位６同士の間隔が十分に保たれ、均一性の高い良好な結晶が得られる。

【0029】

一般にガス法は結晶を成長させている最中においてもＣ／Ｓｉ比を変更可能である。このため、第２工程では、第１工程と同じガス法を用いるので、原料ガスのＣ／Ｓｉ比を変更するだけでよく、効率的にバルク結晶成長層４を形成することができる。なお、第２工程は、ガス法に限定されず、昇華法であってもよい。
このように形成されたＳｉＣインゴット１のバルク結晶成長層４をスライスすることでＳｉＣウェハ１０が得られる。ＳｉＣウェハ１０は螺旋転位６の分散が促進され、均一性の高い良好な結晶を有する。

【0030】

以上に説明したように、本発明のＳｉＣインゴット１は、マイクロパイプ５を有する種結晶２と、バッファー層３と、バルク結晶成長層４と、を備え、バッファー層３及びバルク結晶成長層４は、バッファー層３によって閉塞されたマイクロパイプ５に継続する複数の螺旋転位６を有し、バルク結晶成長層４では同じセンスの複数の螺旋転位６同士の間隔が１５０μｍ以上である。このようなＳｉＣインゴット１は、マイクロパイプ５が閉塞され、螺旋転位６が分散した高品質なものである。また、このようなＳｉＣインゴット１から形成されたＳｉＣウェハ１０は、マイクロパイプ５が無く、かつ螺旋転位６の分散が促進され、均一性の高い良好な結晶を有するものとなる。

【0031】

また、ＳｉＣインゴット１は、バッファー層３の厚さが１００μｍ以上であることが好ましい。これによれば、同じセンスの螺旋転位６同士の間隔が分散し、均一性の高い良好な結晶のＳｉＣインゴット１となる。

【0032】

また、ＳｉＣインゴット１は、バッファー層３における炭素原子と珪素原子との原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が０．５以上０．９以下であるＳｉリッチな条件で形成されたことが好ましい。これによれば、マイクロパイプ５がより確実に閉塞された良質なＳｉＣインゴットとなる。

【0033】

本発明のＳｉＣインゴット１の製造方法は、種結晶２上にバッファー層３を形成する第１工程と、バッファー層３上にバルク結晶成長層４を形成する第２工程とを備える。第１工程では、Ｃ／Ｓｉ比をＳｉリッチにした原料ガスを用いたガス法により２４００℃以上の温度で厚さが１００μｍ以上のバッファー層を形成し、第２工程では、ガス法又は昇華法によりバルク結晶成長層４を形成する。これにより、マイクロパイプ５が閉塞され、螺旋転位６が分散した高品質なＳｉＣインゴット１を製造することができる。また、このようなＳｉＣインゴット１からＳｉＣウェハ１０を形成できる。これにより、マイクロパイプ５が無く、かつ螺旋転位６の分散が促進され、均一性の高い良好な結晶を有するＳｉＣウェハ１０を製造することができる。

【0034】

また、ＳｉＣインゴット１の製造方法は、第２工程において第１工程よりもＣ／Ｓｉ比が高い原料ガスを用いたガス法によりバルク結晶成長層４を形成する。第２工程は第１工程と同じガス法である。したがって、Ｃ／Ｓｉ比を変更するだけで連続してバルク結晶成長層４を形成することができるので、効率的にＳｉＣインゴット１を製造することができる。

【符号の説明】

【0035】

１…ＳｉＣインゴット、２…種結晶、３…バッファー層、４…バルク結晶成長層、５…マイクロパイプ、６…螺旋転位、１０…ＳｉＣウェハ

【図1】

【図2】