[发明专利]碳化硅单晶制造用坩埚、以及碳化硅单晶的制造装置和制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及使碳化硅原料升华，使碳化硅结晶在籽晶上成长的碳化硅单晶制造用坩埚、以及碳化硅单晶的制造装置和制造方法。

背景技术

碳化硅(SiC)因为耐热性及机械强度良好，对于放射线也耐受性较强等的物理、化学性质，作为耐环境性半导体材料受到关注。但是，SiC是具有即使化学组成相同、也取许多不同的结晶构造的结晶多形(多型)构造的代表性的物质。该多型在结晶构造中将Si与C结合的分子作为一个单位考虑的情况下，因为该单位构造分子在结晶的C轴方向([0001]方向)上层叠时的周期构造不同而发生。这里，作为代表性的多型，有6H、4H、15R、或3C，最初的数字表示层叠的重复周期，此外，字母表示晶系(H表示六方晶系、R表示菱形晶系、C表示立方晶系)。并且，各多型的物理、电气特性分别不同，利用其差异而考虑向各种用途的应用。

以往，在研究室左右的规模中，例如通过升华再结晶法(莱利法)使SiC单晶成长，得到能够制作半导体元件的尺寸的SiC单晶。但是，在该方法中，得到的单晶的面积较小，难以高精度地控制其尺寸及形状。此外，SiC具有的结晶多形及杂质载体浓度的控制也不容易。

此外，还进行通过使用化学气相成长法(CVD法)在硅(Si)等的不同种基板上异质外延成长，使立方晶的SiC单晶成长的处理。但是，在该方法中，虽然能够得到大面积的单晶，但因为与基板的晶格不重合有约20％等，仅能够使包含许多缺陷(～10⁷cm^-2)的SiC单晶成长，不容易得到高品质的SiC单晶。

所以，为了解决这些问题，提出了以SiC单晶[0001]面基板为籽晶进行升华再结晶的、改良型的莱利法(非专利文献1)。该升华再结晶法是通过在超过2000℃的高温中使SiC粉末升华，使该升华气体在低温部再结晶化，来制造SiC结晶的方法，特别称作改良莱利法，用于大块状的SiC单晶的制造。并且，在该改良莱利法中，由于使用籽晶，所以能够控制结晶的核形成过程，此外，通过用惰性气体将气体介质压力控制为100Pa～15kPa左右，能够再现性良好地控制结晶的成长速度等。

这里，如果说明改良莱利法的原理，则如图8所示，以[0001]面为结晶成长面，将作为籽晶的SiC单晶和作为原料的SiC结晶粉末〔通常使用将通过艾奇逊(Acheson)法制作的研磨材料清洗、前处理后的物质〕收纳到坩埚(通常是石墨制，但也有部分使用高熔点材料、石墨涂层高熔点材料、高熔点材料涂层石墨等的石墨以外的材料的情况)之中，在氩等的惰性气体环境中(133～13.3kPa)加热到2000～2400℃。此时，设定温度梯度，以使得与原料粉末相比籽晶为稍稍低温(例如低100～200℃)。将原料在升华后通过浓度梯度(通过温度梯度形成)，向籽晶方向扩散、输送。单晶成长通过到达籽晶的原料气体在籽晶上再结晶化来实现。此时，结晶的体积电阻率可以通过在由惰性气体构成的气体介质中添加杂质气体、或者在SiC原料粉末中混合杂质元素或其化合物，将SiC单晶构造中的硅或碳原子的位置用杂质元素置换(掺杂)来控制。这里，作为SiC单晶中的置换型杂质代表性的物质，有氮(n型)、硼、铝(p型)。可以一边通过这些杂质控制载体型及浓度一边使SiC单晶成长。目前，从通过上述改良莱利法制作的SiC单晶切出口径2英寸(50.8mm)到4英寸(100mm)的SiC单晶基板，供外延薄膜成长、设备制作。

如上所述，在改良莱利法中，将SiC单晶在石墨制坩埚内通过浓度梯度扩散、输送而向籽晶上到达，通过在那里再结晶化而成长，该浓度梯度是在高温下升华的原料通过温度梯度而形成的。因此，结晶成长的坩埚内的升华气体的流动给结晶成长带来的影响较大。所以，在专利文献1等中示出了以为了将从原料产生的升华气体集中到籽晶基板上而控制气体流量的目的，在籽晶安装部上设置圆锥凸缘的例子。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-230846号公报

非专利文献

非专利文献1：Yu.M.Tairov and V.F.Tsvetkov，Journal of Crystal Growth，vol.52(1981)，PP.146-150

发明内容

发明要解决的课题

可是，近年来，例如关于6H多型的SiC单晶考虑作为从蓝色到紫外的短波长光设备用基板使用，此外，关于4H多型的SiC单晶考虑作为高频高耐压电子设备等的基板晶片的应用，关于该SiC单晶，也要求具有更大的面积并且为更高品质的结构。