DE112010000867B4 - Herstellungsverfahren für SiC-Einkristall vom n-Typ, dadurch erhaltener SiC-Einkristall vom n-Typ und dessen Anwendung - Google Patents

Herstellungsverfahren für SiC-Einkristall vom n-Typ, dadurch erhaltener SiC-Einkristall vom n-Typ und dessen Anwendung Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls vom n-Typ, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Zugeben von Gallium und Stickstoff, das ein Donorelement zum Erhalt eines Halbleiters vom n-Typ ist, während des Kristallwachstums eines SiC-Einkristalls derart, dass der in Atom-% dargestellte Anteil der Menge an Stickstoff zu der Menge an SiC größer ist als der in Atom-% dargestellte Anteil der Menge an Gallium zu der Menge an SiC, wobei der Anteil der Menge an Stickstoff größer als 0 und gleich oder geringer als 1,0 Atom-% ist, der Anteil der Menge an Gallium größer als 0 und gleich oder geringer als 0,06 Atom-% ist und der spezifische Widerstand des SiC-Einkristalls vom n-Typ 0,010 Ωcm oder weniger beträgt.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines SiC-Einkristalls vom n-Typ, einen durch das Verfahren erhaltenen SiC-Einkristall vom n-Typ und dessen Verwendung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren eines SiC-Einkristalls vom n-Typ, bei dem Gallium (Ga) und Stickstoff (N), welches ein Donorelement zum Erhalt eines Halbleiters vom n-Typ ist, während des Kristallwachstums zugegeben werden, einen durch das Verfahren erhaltenen SiC-Einkristall vom n-Typ und dessen Verwendung in einer Halbleitervorrichtung.
  • 2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
  • Ein SiC-Einkristall ist thermisch und chemisch extrem stabil, weist eine überragende mechanische Festigkeit auf und ist gegenüber Strahlung beständig. Darüber hinaus weist ein SiC-Einkristall im Vergleich mit einem Siliciumeinkristall (Si-Einkristall) überlegene Eigenschaften auf, einschließlich einer hohen dielektrischen Durchbruchspannung und einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Darüber hinaus kann man beim SiC-Einkristall in Abhängigkeit von der zugegebenen Verunreinigung auf einfache Weise die Art der Elektronenleitung auf entweder einen p-Typ oder einen n-Typ steuern, und weist dieser auch die Eigenschaft einer breiten Bandlücke auf (ungefähr 3,3 eV für einen 4H-SiC-Einkristall und ungefähr 3,0 eV für einen 6H-SiC-Einkristall). Demgemäß ist es mit einem SiC-Einkristall möglich, hohe Temperaturen und Frequenzen zu realisieren, einer hohen Spannung und Umwelteinflüssen zu widerstehen, was mit herkömmlichen Halbleitermaterialien wie einem Si-Einkristall oder einem Galliumarsenid-Einkristall (GaAs-Einkristall) nicht realisierbar ist, was diesen somit zum Hoffnungsträger für eine Verwendung als ein Halbleitermaterial der nächsten Generation macht.
  • Zum Erhalt eines SiC-Einkristalls mit einer Leitfähigkeit vom p-Typ und n-Typ für Halbleitermaterialien wurden Verfahren vorgeschlagen, die das Einbringen einer Verunreinigung während des Kristallwachstums (während des Züchtens des Kristalls) einschließen, und es wurden Untersuchungen durchgeführt an SiC-Einkristallen und deren Herstellungsverfahren, welche verschiedene Verunreinigungen enthalten. Die Verringerung des Widerstands bei angelegtem Strom, der einen Energieverlust bewirkt, ist ein bedeutender Faktor bei Halbleitervorrichtungen wie Schaltelementen, welche als eine der Hauptanwendungen für SiC-Einkristalle angesehen werden.
  • Die Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 6-219898 ( JP-A-6-219898 ) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines 6H-SiC-Einkristalls vom n-Typ durch ein Sublimationsverfahren, bei dem 20 bis 100 ppm an Al zu SiC-Pulver gegeben werden, gefolgt von einem Sublimieren in einer Stickstoffgasatmosphäre. Diese Veröffentlichung beschreibt auch ein spezifisches Beispiel eines 6H-SiC-Einkristalls vom n-Typ, der gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erhalten wird und einen spezifischen Widerstand von 0,1 Ωcm aufweist. Darüber hinaus beschreibt die Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-57109 ( JP-A-2002-57109 ) ein Verfahren zur Herstellung von SiC für eine Verwendung als ein Halbleiter vom p-Typ oder Haltleiter vom n-Typ, das einen Schritt des Ausbildens einer Si-Schicht auf einem Substrat, einen Schritt des Zugebens zu der Si-Schicht einer Verunreinigung, die mindestens ein Element ist, das aus der aus N, B, Al, Ga, In, P, As, Sb, Se, Zn, O, Au, V, Er, Ge und Fe bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und einen Schritt des Ausbildens einer SiC-Schicht, zu welcher eine Verunreinigung gegeben wurde, durch Karbonisieren der Si-Schicht, zu der die Verunreinigung gegeben wurde, aufweist. Darüber hinaus beschreibt die JP-A-2002-57109 auch SiC, bei dem die Verunreinigungskonzentration innerhalb des Bereichs von 1 × 1013/cm3 bis 1 × 1021/cm3 liegt, und dass der spezifische Widerstand erhöht werden kann durch gleichzeitiges Zugeben eines Donors und eines Akzeptors.
  • Darüber hinaus beschreibt die Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-73194 ( JP-A-2003-73194 ) ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls für vorzugsweise die Verwendung als ein Halbleiter vom p-Typ. Das Herstellungsverfahren umfasst ein Sublimieren eines SiC-Pulvers, in welchem der Stickstoffgehalt (N-Gehalt) 0,1 ppm oder weniger ist und der Gesamtgehalt an Elementen, die der Gruppe 13 des Periodensystems zugehören, wie B, Al, Ga, In oder Tl, gleich oder größer ist als der Stickstoffgehalt, gefolgt von einem Züchten eines SiC-Einkristalls durch Rekristallisation. Darüber hinaus beschreibt die JP-A-2003-73194 einen SiC-Einkristall, bei dem der spezifische Volumenwiderstand 1 × 101 Ωcm oder weniger beträgt. Diese Veröffentlichung beschreibt auch ein spezifisches Beispiel eines SiC-Einkristalls vom p-Typ, der gemäß diesem Verfahren erhalten wird und bei dem der Gehalt an Al, welches ein Element der Gruppe 13 des Periodensystems ist, 40 ppm beträgt und der N-Gehalt 0,05 ppm oder weniger beträgt.
  • Darüber hinaus beschreibt die Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-109408 ( JP-A-2005-109408 ) ein epitaxiales SiC-Züchtungsverfahren und einen epitaxial gezüchteten SiC-Film zur Herstellung einer Vorrichtung mit geringem Widerstand in geöffnetem Zustand und einer hohen Stehspannung, indem so gesteuert wird, dass der epitaxial gezüchtete SiC-Film mit mindestens einem von N, B, Al und P innerhalb eines Bereichs von 5 × 1023 cm–3 bis 3 × 1019 cm–3 dotiert wird. Darüber hinaus beschreibt die Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2007-320790 ( JP-A-2007-320790 ) ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls durch Dotieren eines SiC-Einkristalls mit einem Donor und einem Akzeptor, einen SiC-Einkristallbarren, der gemäß diesem Herstellungsverfahren hergestellt wird, und ein Substrat, das den SiC-Einkristallbarren verwendet. Das Herstellungsverfahren umfasst das Einleiten einer Gasquelle, welche eine als Donor fungierende Verunreinigung, welche ein Element wie N enthält, und eine als Akzeptor fungierende Verunreinigung, welche eines oder beide der Elemente wie B oder Al enthält, einschließt, in eine Kristallzüchtungsatmosphäre. Diese Veröffentlichung beschreibt auch ein spezifisches Beispiel eines SiC-Einkristalls, der gemäß dem obigen Verfahren erhalten wird und eine Stickstoffkonzentration (N-Konzentration) von 7 × 1017 cm–3 oder 9 × 1017 cm–3 aufweist.
  • In der US 2006/0174825 A1 wird ein Verfahren zur Ausbildung von semiisolierenden Siliciumcarbideinkristallen beschrieben. Dabei werden die Effekte von in dem Siliciumcarbid enthaltenen N-Verunreinigungen durch Zugabe von dreiwertigen Dotierstoffen, darunter auch Gallium, kompensiert so dass ein Siliciumcarbideinkristall mit einem Widerstand von mindestens 5000 Ωcm erhalten wird.
  • Um mit diesen herkömmlichen SiC-Einkristallherstellungsverfahren einen SiC-Einkristall vom n-Typ zu erhalten, der einen geringen spezifischen Widerstand aufweist, ist es jedoch notwendig, eine große Menge an Stickstoff (N) zuzugeben. Als Folge davon wird die Konzentration an Stickstoff (N) im SiC-Einkristall vom n-Typ übermäßig hoch und führt zu einer Verschlechterung der dem SiC-Einkristall eigenen Charakteristiken. In einem SiC-Einkristall der Stickstoff (N) als ein Donorelement enthält findet, da ein Teil des Si oder C, welche den SiC-Einkristall bilden, als Folge des Ersatzes durch Stickstoff (N) einer Änderung hinsichtlich des Atomradius unterliegt, in dem Abschnitt des SiC-Einkristalls, in dem ein Ersatz mit den obigen Elementen stattgefunden hat, eine Versetzung (Kristalldefekte, Kristallverzerrung) statt. Die Versetzung hat einen Einfluss auf die dem SiC-Einkristall eigenen Eigenschaften (zum Beispiel, indem eine Erhöhung des Leckstroms bewirkt wird), wodurch die dem SiC-Einkristall eigenen Eigenschaften verschlechtert werden. Demgemäß wird ein SiC-Einkristall vom n-Typ hergestellt, indem eine Obergrenze der Dotierungsmenge an Stickstoff (N) festgelegt wird, und weist ein SiC-Einkristall vom n-Typ, der für eine industrielle Anwendung bereitgestellt wird, einen spezifischen Widerstand von 0,015 Ωcm bis 0,028 Ωcm auf.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls vom n-Typ, der einen spezifischen Widerstand aufweist, der geringer ist als der des oben beschriebenen SiC-Einkristalls vom n-Typ, indem die Menge an Stickstoff (N) verringert wird, einen gemäß diesem Verfahren erhaltenen SiC-Einkristall der einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist und dessen Anwendung zur Verfügung.
  • Die Erfinder vervollständigten die Erfindung als ein Ergebnis der Durchführung umfangreicher Untersuchungen und stellten als Folge davon ein Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls vom n-Typ gemäß Anspruch 1, einen SiC-Einkristall vom n-Typ gemäß Anspruch 5 und dessen Verwendung in einer Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 6 zur Verfügung.
  • Die Menge des Elements Stickstoff (N) in der Erfindung betrifft je nachdem die zugegebene Menge oder die Gesamtheit aus der ursprünglich als Verunreinigung in Graphit innerhalb der Reaktionsvorrichtung enthaltenen Menge und der zugegebenen Menge. Die Menge des Elements Gallium (Ga) in der Erfindung bezieht sich auf die zugegebene Menge. Darüber hinaus werden die dem SiC-Einkristall eigenen Charakteristiken in der Erfindung basierend auf der Ladungsträgerkonzentration (n) bewertet, welche gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird: n = 1/(qμρ) (wobei n für die Ladungsträgerkonzentration steht, q für die Elementarladung steht, μ für die Beweglichkeit steht und ρ für den spezifischen Widerstand steht). Der spezifische Widerstand wird durch die Hall-Messung erhalten, wobei das später in den Beispielen ausführlich beschriebene Van der Pauw-Verfahren verwendet wird. Die Charakteristiken des SiC-Einkristalls vom n-Typ werden als gut betrachtet, wenn die Ladungsträgerkonzentration die Größenordnung von 1019 cm–3 aufweist, relativ zu einer Atomdichte eines verunreinigungsfreien SiC-Einkristalls von 1023 cm–3.
  • Gemäß der Erfindung kann ein SiC-Einkristall vom n-Typ erhalten werden, der einen geringen spezifischen Widerstand aufweist, obwohl er eine geringe Menge an Stickstoff (N) aufweist. Gemäß der Erfindung kann der SiC-Einkristall vom n-Typ, der einen geringen spezifischen Widerstand aufweist, erhalten werden, ohne dass die dem SiC-Einkristall eigenen Charakteristiken verschlechtert werden. Ferner kann gemäß der Erfindung eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, welche einen SiC-Einkristall vom n-Typ verwendet, der einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist, ohne dass die dem SiC-Einkristall eigenen Charakteristiken verschlechtert sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Merkmale, Vorteile und technischen und industriellen Besonderheiten dieser Erfindung werden in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern gleichartige Elemente bezeichnen, wobei:
  • 1 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Menge an zugegebenem Ga und dem spezifischen Widerstand eines SiC-Einkristalls vom n-Typ veranschaulicht, wenn die Zugabemenge an Stickstoff (N), welches ein Donorelement ist, konstant gehalten wird;
  • 2 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung ist, die bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens verwendet wird, bei dem ein Lösungsverfahren angewendet wird;
  • 3 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung ist, die bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens verwendet wird, bei dem ein Sublimationsverfahren angewendet wird;
  • 4 eine schematische Querschnittszeichnung einer Anwendung des gemäß den Ausführungsformen der Erfindung erhaltenen SiC-Einkristalls vom n-Typ in der Form eines Schaltelements ist;
  • 5 eine schematische Querschnittszeichnung einer weiteren Anwendung des gemäß den Ausführungsformen der Erfindung erhaltenen SiC-Einkristalls vom n-Typ in der Form einer Diode ist;
  • 6 ein schematisches Diagramm einer Probe ist für die Hall-Messung unter Verwendung des Van der Pauw-Verfahrens, welche verwendet wird zur Messung physikalischer Eigenschaften eines gemäß den Ausführungsformen der Erfindung erhaltenen SiC-Einkristalls vom n-Typ; und
  • 7A und 7B Graphen sind, welche Temperaturcharakteristiken des spezifischen Widerstands eines in Beispielen und Vergleichsbeispielen erhaltenen SiC-Einkristalls vom n-Typ darstellen.
  • Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
  • Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden Gallium (Ga) und Stickstoff (N), welches ein Donorelement zum Erhalt eines Halbleiters vom n-Typ ist, während des Kristallwachstums eines SiC-Einkristalls (während des Züchtens des SiC-Einkristalls) zugegeben, derart, dass die jeweils zugegebenen Anteile NAD und GaAD, beide in Atom-% ausgedrückt, von Stickstoff und Gallium zu SiC die Beziehung NAD > GaAD erfüllen. Das heißt, das Kristallzüchten wird durchgeführt, indem Stickstoff und Gallium derart zugegeben werden, dass das Verhältnis von GaAD zu NAD (GaAD/NAD) die Beziehung 0 < GaAD/NAD < 1 erfüllt, wie beispielsweise 1/10.000 < GaAD/NAD < 1, und insbesondere derart, dass die entsprechenden Zugabeanteile NAD und GaAD die Beziehungen 0 < NAD ≤ 1,0 Atom-% und 0 < GaAD ≤ 0,06 Atom-% erfüllen. Gemäß diesem Herstellungsverfahren kann ein SiC-Einkristall vom n-Typ erhalten werden, der einen niedrigen spezifischen Widerstand von 0,01 Ωcm oder weniger und insbesondere von 0,008 Ωcm oder weniger aufweist.
  • Darüber hinaus werden gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung Gallium (Ga) und Stickstoff (N), welches ein Donorelement zum Erhalt eines Halbleiters vom n-Typ ist, während des Kristallwachstums eines SiC-Einkristalls mittels eines Lösungsverfahrens zugegeben. Bei diesem Herstellungsverfahren wird zum Erhalt eines SiC-Einkristalls vom n-Typ der Kristall so gezüchtet, dass die Menge an Stickstoff (N), welches ein Donorelement ist, das zum Erhalt eines Halbleiters vom n-Typ verwendet wird, die in den SiC-Einkristall eingebracht wird, so weit als möglich verringert ist. Gemäß diesem Herstellungsverfahren kann ein SiC-Einkristall vom n-Typ erhalten werden, der einen geringen spezifischen Widerstand von 0,01 Ωcm oder weniger und insbesondere von 0,008 Ωcm oder weniger aufweist.
  • Das Verhältnis der Mengen an Stickstoff (N) und Gallium (Ga) zu SiC bezeichnet den Anteil der in Atom-% angegebenen Mengen an Stickstoff und Gallium zu der Menge an SiC-Pulver, welches das Rohmaterial zum Züchten des SiC-Einkristalls ist in beispielsweise dem Fall, dass das Einkristallzüchtungsverfahren ein Sublimationsverfahren ist. Darüber hinaus ist das Verhältnis der Mengen an Stickstoff (N) und Gallium (Ga) zu SiC festgelegt als den Anteil der in Atom-% angegebenen Mengen an Stickstoff und Gallium zu der Menge an SiC, die erhalten wird durch Züchten des SiC aus dem gesamten Si in einer Si-enthaltenden Schmelze in beispielsweise dem Fall, dass das Einkristallzüchtungsverfahren ein Lösungsverfahren ist.
  • Nachfolgend wird unter Bezug auf die Zeichnungen eine Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung gegeben. 1 zeigt Änderungen des spezifischen Widerstands eines durch Kristallzüchten erhaltenen SiC-Einkristalls bei Änderung des Anteils der Menge an zugegebenem Gallium (Ga), während der Anteil der Menge an Stickstoff, welches ein Donorelement zum Erhalt eines Halbleiters vom n-Typ ist, konstant gehalten wird (bei 0,1 Atom-% bezogen auf SiC). Wie in 1 dargestellt, beträgt der spezifische Widerstand des SiC-Einkristalls 0,01 Ωcm oder weniger und liegt die Ladungsträgerkonzentration (n) in der Größenordnung von 1019 cm–3 und ist der Leitungstyp der n-Typ, wenn die Menge an Ga 0,06 Atom-% oder weniger beträgt. Dieses Ergebnis zeigt an, dass, wenn das SiC-Kristallzüchten derart durchgeführt wird, dass die der Anteil NAD der Menge des Elements Stickstoff, welches ein Donorelement ist, und der Anteil GaAD der Menge des Elements Gallium, dargestellt in Atom-%, die Beziehung NAD > GaAD erfüllen, der Anteil NAD 1,0 Atom-% oder weniger beträgt und der Anteil GaAD 0,06 Atom-% oder weniger beträgt, ein SiC-Einkristall vom n-Typ erhalten werden kann, bei dem der spezifische Widerstand 0,01 Ωcm oder weniger beträgt.
  • In den Ausführungsformen wird der SiC-Einkristall vom n-Typ unter Verwendung eines beliebigen SiC-Einkristallzüchtungsverfahrens hergestellt, wie eines Lösungsverfahrens, Dampfphasenverfahrens oder Sublimationsverfahrens, indem Stickstoff (N), welches ein Donorelement ist, und Gallium (Ga) während des Kristallwachstums des SiC-Einkristalls in einem Verhältnis zugegeben werden, welches die oben erwähnte Beziehung NAD > GaAD erfüllt. Als Impfkristall in dem oben beschriebenen SiC-Einkristallzüchtungsverfahren wird vorzugsweise ein SiC-Bulkeinkristall verwendet, der dieselbe Kristallstruktur wie der zu züchtende Kristall aufweist. Beispiele solcher SiC-Bulkeinkristalle umfassen 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC und 15R-SiC. Besonders bevorzugt sind 6H-SiC und 4H-SiC, und im Fall der Verwendung eines Lösungsverfahrens wird bevorzugt ein 4H-SiC-Einkristall verwendet.
  • In dem oben erwähnten Lösungsverfahren kann ein SiC-Einkristall gezüchtet werden unter Verwendung von beispielsweise einer wie in 2 aufgezeigten SiC-Einkristallzüchtungsvorrichtung für ein Lösungsverfahren. Die in 2 aufgezeigte SiC-Einkristallzüchtungsvorrichtung für ein Lösungsverfahren wird bereitgestellt mit einem Tiegel 2, der eine Si-enthaltende Schmelze 1 aufnimmt und mit einem Isolationsmaterial (nicht aufgezeigt) dazwischen innerhalb eines Züchtungsofens (nicht aufgezeigt) bereitgestellt wird, wobei um den Züchtungsofen herum Hochfrequenzspulen 3 zum Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur durch Erwärmen der Schmelze 1 bereitgestellt werden und ein Trägerteil 4, das angehoben und abgesenkt werden kann, und ein an dem Ende des Trägerteils 4 angebrachter Impfkristall 5 bereitgestellt werden.
  • Als die Si-enthaltende Schmelze kann eine beliebige Schmelze verwendet werden, welche Si zusammen mit N und Ga in den oben erwähnten Anteilen (Verhältnissen) enthält. Darüber hinaus umfassen andere Beispiele der Si-enthaltenden Schmelzen solche, die Ti und/oder Cr enthalten, wie eine Si-Cr-Schmelze, Si-Ti-Schmelze, Si-Ti-Cr-Schmelze oder Si-Cr-Ni-Schmelze. Das Element N kann in der Schmelze enthalten sein, indem alles oder ein Teil der erforderlichen Menge in Form von Stickstoffgas eingebracht wird. In dem Fall, dass das Element N in dem Tiegel der SiC-Einkristallzüchtungsvorrichtung und/oder in dem Trägerteil (wie einem Kohlenstoffstab) enthalten ist, kann die Menge an in der Form von Stickstoffgas eingebrachtem Stickstoff unter Berücksichtigung der in der Vorrichtung enthaltenen Menge bestimmt werden. Die Temperatur der Si-enthaltenden Schmelze beträgt ungefähr 1800°C bis 2100°C und insbesondere ungefähr 1850°C bis 2100°C.
  • Die Steuerung der Temperatur der Si-enthaltenden Schmelze wird durchgeführt unter Verwendung einer Temperatursteuervorrichtung, die basierend auf einer durch Temperaturmessung bestimmten gemessenen Temperatur durch ein Hochfrequenzinduktionsheizen erwärmt. Die Messung der Temperatur der Si-enthaltenden Schmelze wird durchgeführt, indem beispielsweise die Temperatur der Schmelzenoberfläche mit einem Strahlungsthermometer und/oder unter Verwendung eines Thermoelements (wie eines Wolfram/Rhenium-Thermoelements (W-Re-Thermoelements)), das in dem Trägerteil (wie einem Kohlenstoffstab) installiert ist, beobachtet wird.
  • In dem Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls, das eine SiC-Einkristallherstellungsvorrichtung für ein Lösungsverfahren verwendet, können für Lösungsverfahren übliche Bedingungen wie die Form des Graphittiegels, das Heizverfahren, die Heizzeit, die Atmosphäre, die Temperaturerhöhungsrate und -abkühlrate verwendet werden. Obwohl dies in Abhängigkeit von der Größe des Tiegels variiert, beträgt beispielsweise die Heizzeit (Zeitdauer vom Zeitpunkt des Einladens des Rohmaterials zum Zeitpunkt, wenn die SiC-Sättigungskonzentration erreicht ist) ungefähr 30 Minuten bis 200 Stunden (und beispielsweise ungefähr 3 bis 10 Stunden), wenn ein Hochfrequenzinduktionsheizen verwendet wird. Die Atmosphäre besteht aus einem Edelgas wie He, Ne, Ar oder einem anderen inerten Gas, und es kann ein Teil davon durch N2 ersetzt werden. Darüber hinaus kann ein Teil des inerten Gases auch durch Methangas ersetzt werden. Das wie oben beschriebene Kristallzüchten wird vorzugsweise in einer Schmelze durchgeführt, die auf eine Züchtungstemperatur von 1880°C bis 2100°C erwärmt ist.
  • Ein Beispiel eines Verfahrens, das für das oben erwähnte Sublimationsverfahren verwendet wird, verwendet eine Vorrichtung, bei der ein Sublimationsrohmaterial 12, das aus SiC-Pulver und Ga mit 0,06 Atom-% oder weniger bezogen auf das SiC-Pulver besteht, in den Graphittiegel gefüllt wird, der Impfkristall 13, welcher ein SiC-Einkristallsubstrat ist, an der Innenseite des Deckels des Graphittiegels angebracht wird und der Graphittiegel 11 innerhalb eines doppelwandigen Quarzrohrs installiert wird. In diesem Verfahrensbeispiel werden Ar-Gas und N2-Gas dann so in das doppelwandige Quarzrohr eingeleitet, dass die entsprechenden in Atom-% dargestellten Anteile der Mengen an N und Ga die Beziehung NAD > GaAD erfüllen, und wird die Temperatur so gesteuert, dass die Temperatur des Sublimationsrohmaterials des SiC-Pulvers und Ga 2300°C oder höher, beispielsweise 2300°C, beträgt und die Temperatur des SiC-Einkristallsubstrats 2200°C oder höher, beispielsweise 2200°C, beträgt. Anschließend wird der Druck innerhalb des doppelwandigen Quarzrohrs verringert und wird ein SiC-Einkristall 14 auf dem Impfkristall 13 gezüchtet.
  • Gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform kann trotz einer geringen Menge an Stickstoff (N) auf einfache Weise ein SiC-Einkristall vom n-Typ, der einen niedrigen spezifischen Widerstand von 0,01 Ωcm oder weniger aufweist, bei dem die Ladungsträgerkonzentration (n) in der Größenordnung von 1019 cm–3 liegt und der Leitungstyp der n-Typ ist, erhalten werden. Der gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform erhaltene SiC-Einkristall ist ein 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC oder 15R-SiC. Das Verfahren dieser Ausführungsform ist insbesondere geeignet für 6H-SiC und 4H-SiC. Von diesen kann ein 4H-SiC-Einkristall auf stabile Weise erhalten werden, wenn eine Züchtungstemperatur von 1880°C oder höher in einem Lösungsverfahren verwendet wird.
  • Der gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform erhaltene SiC-Einkristall vom n-Typ besitzt einen geringen spezifischen Widerstand von 0,01 Ωcm oder weniger über einen weiten Temperaturbereich wie einen Bereich von –55°C bis 250°C. Somit kann dieser SiC-Einkristall vom n-Typ bevorzugt als ein Halbleitermaterial verwendet werden und kann in Anwendungen wie dem in 4 aufgezeigten Schaltelement oder der in 5 aufgezeigten Diode verwendet werden. Das oben beschriebene Schaltelement oder die oben beschriebene Diode weisen aufgrund des niedrigen spezifischen Widerstands und der vorteilhaften Kristallcharakteristiken des SiC-Einkristalls vom n-Typ dieser Ausführungsform eine hohe Zuverlässigkeit auf.
  • Nachfolgend werden Beispiele der Erfindung aufgezeigt. In jedem der nachfolgenden Beispiele wurde ein SiC-Einkristall unter Verwendung der in 2 aufgezeigten SiC-Einkristallherstellungsvorrichtung für ein Lösungsverfahren gezüchtet. Darüber hinaus wurde die ungefähre Temperatur, bei der der Impfkristall die Schmelze kontaktiert, mit einem Strahlungsthermometer bei hohen Temperaturen (1880°C bis 2100°C) der Si-enthaltenden Schmelze gemessen. Das Strahlungsthermometer wurde an einem Beobachtungsfenster installiert, das oberhalb des Niveaus der Si-enthaltenden Schmelze angeordnet war, wodurch eine direkte Beobachtung der Schmelzenoberfläche ermöglicht wurde. Darüber hinaus wurde im Inneren (an einer Stelle 2 mm entfernt von dem Impfkristall) des Trägerteils (Kohlenstoffstab), an dem der Impfkristall befestigt war, ein Thermoelement installiert und wurde die Temperatur unmittelbar nach dem Kontakt mit der Schmelze gemessen.
  • Die Bestätigung, dass der resultierende SiC-Einkristall vom n-Typ ist, und die Bewertung des SiC-Einkristalls wurden auf die nachfolgend beschriebene Weise durchgeführt.
  • (1) Bewertung der Charakteristiken des SiC-Einkristalls und Bestätigung des Leitungstyps
  • Es wurde ein SiC-Einkristall mit einer Dicke von 900 μm und in der Form eines Quadrats, das an der Seite 5 mm misst, ausgeschnitten und es wurden wie in 6 aufgezeigt an den vier Ecken ohmsche Elektroden aus Ni ausgebildet, um eine SiC-Probe herzustellen. Unter Verwendung dieser SiC-Probe wurde bei Raumtemperatur (26°C) mittels der Hall-Messung gemäß dem Van der Pauw-Verfahren der spezifische Widerstand bestimmt und wurde basierend auf dem spezifischen Widerstand gemäß der nachfolgend aufgezeigten Gleichung die Ladungsträgerkonzentration bestimmt. Darüber hinaus wurde basierend auf der Polarität der Hall-Spannung während der Hall-Messung der Leitungstyp bestätigt: n = 1/(qμρ) (wobei n für die Ladungsträgerkonzentration steht, q für die Elementarladung steht, u für die Beweglichkeit steht und ρ für den spezifischen Widerstand steht).
  • (2) Temperaturcharakteristiken des spezifischen Widerstands des SiC-Einkristalls
  • Der spezifische Widerstand bei verschiedenen Temperaturen wurde bestimmt, indem die Temperatur der SiC-Probe von 80 K bis 580 K (ungefähr –190°C bis ungefähr 280°C) verändert wurde und die Hall-Messung auf dieselbe Weise wie oben unter (1) bei den entsprechenden Temperaturen durchgeführt wurde.
  • Beispiel 1
  • Unter Verwendung der in 2 aufgezeigten Vorrichtung wurde ein Kristallzüchten durchgeführt. Das Rohmaterial bestehend aus 60 Atom-% an Si, 40 Atom-% an Cr, 0,1 Atom-% an N (die gesamte Menge wurde in Form von Stickstoffgas zugeführt) und 0,05 Atom-% an Ga jeweils bezogen auf SiC wurde in einen Graphittiegel gegeben.
  • Während ungefähr 8 Stunden wurde ein Impfkristall aus 4H-SiC-Einkristall in eine auf eine Züchtungstemperatur von 2010°C erwärmte Schmelze getaucht, um ein Kristallwachstum einzuleiten. Der resultierende SiC-Einkristall wurde mittels der Hall-Messung bewertet. Die Ergebnisse sind in 1 und Tabelle 1 zusammengefasst. Darüber hinaus wurden die Temperaturcharakteristiken des spezifischen Widerstands bewertet. Diese Ergebnisse sind in den 7A und 7B zusammengefasst. 7A zeigt die Temperaturcharakteristiken des spezifischen Widerstands über einen weiten Temperaturbereich, während 7B die Temperaturcharakteristiken des spezifischen Widerstands über einen engen Temperaturbereich aufzeigt.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Indem auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 das Kristallzüchten durchgeführt wurde, mit der Ausnahme, dass kein Ga zugegeben wurde, wurde ein SiC-Einkristall erhalten. Der resultierende SiC-Einkristall wurde mittels der Hall-Messung bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Darüber hinaus wurden die Temperaturcharakteristiken des spezifischen Widerstands bestimmt. Diese Ergebnisse sind in den 7A und 7B zusammengefasst. [Tabelle 1]
    Menge an zugegebenem Ga (Atom-%) 0,05 0
    Leitungstyp n n
    Spezifischer Widerstand (Ωcm) 0,008 0,011
    Ladungsträgerkonzentration (cm–3) 2,2 × 1019 2,2 × 1019
  • Wie in 1 und Tabelle 1 aufgezeigt, wurde in Beispiel 1, in welchem ein Kristall aus einer Si-enthaltenden Schmelze, zu welcher N mit 0,1 Atom-% und Ga mit 0,05 Atom-% bezogen auf SiC gegeben wurden, gezüchtet wurde, ein SiC-Einkristall mit einem Leitungstyp von n-Typ erhalten, bei dem der spezifische Widerstand geringer als 0,01 Ωcm betrug und die Ladungsträgerkonzentration gleich der eines SiC-Einkristalls war, welcher ohne eine Zugabe von Ga erhalten wurde. Im Vergleichsbeispiel 1, in welchem ein Kristall ohne die Zugabe von Ga gezüchtet wurde, überstieg demgegenüber der spezifische Widerstand 0,01 Ωcm. Wie in den 7A und 7B aufgezeigt, zeigte ein SiC-Einkristall vom n-Typ, der aus einer Si-enthaltenden Schmelze, zu welcher N und Ga gegeben wurden, gezüchtet wurde, einen spezifischen Widerstand von weniger als 0,015 Ωcm bei 80 K bis 580 K (ungefähr –190°C bis ungefähr 280°C). Der spezifische Widerstand betrugt weniger als 0,01 Ωcm über einen weiten Temperaturbereich von insbesondere –50 bis 280°C, wodurch somit günstige Temperaturcharakteristiken des spezifischen Widerstands belegt werden. Der spezifische Widerstand des SiC-Einkristalls vom n-Typ, welcher ohne eine Zugabe von Ga erhalten wurde, überstieg demgegenüber 0,01 Ωcm bei Temperaturen von 300 K oder weniger, und die Temperaturcharakteristiken des spezifischen Widerstands waren ungünstig.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Indem auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 ein Kristall gezüchtet wurde, mit der Ausnahme, dass der Anteil der Menge an Ga von 0,06 Atom-% auf 0,6 Atom-% geändert wurde, wurde ein SiC-Einkristall erhalten. Der erhaltene SiC-Einkristall wurde durch die Messung des Hall-Effekts bewertet. Die Ergebnisse sind in 1 zusammengefasst.
  • Vergleichsbeispiel 3
  • Indem auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 ein Kristall gezüchtet wurde, mit der Ausnahme, dass der Anteil der Menge an Ga von 0,06 Atom-% auf 6 Atom-% geändert wurde, wurde ein SiC-Einkristall erhalten. Der erhaltene SiC-Einkristall wurde durch die Messung des Hall-Effekts bewertet. Die Ergebnisse sind in 1 zusammengefasst.
  • Wie in 1 aufgezeigt, kann gemäß dem Herstellungsverfahren der Erfindung ein SiC-Einkristall mit einem Leitungstyp vom n-Typ erhalten werden, der bei einer Bewertung auf Basis der Ladungsträgerkonzentration und des geringen spezifischen Widerstands äquivalente Kristallcharakteristiken aufzeigt wie vergleichsweise, wenn der Kristall unter Zugabe von N mit 0,1 Atom-%, aber ohne eine Zugabe von Ga gezüchtet wird. Da darüber hinaus der gemäß dem Herstellungsverfahren der Erfindung erhaltene SiC-Einkristall vom n-Typ günstige Temperaturcharakteristiken hinsichtlich des spezifischen Widerstands aufzeigt, kann er bevorzugt in Schaltelementen oder Dioden für eine Verwendung in in Fahrzeugen montierten Invertern und dergleichen verwendet werden, welche einen geringen spezifischen Widerstand über einen breiten Arbeitstemperaturbereich (wie –55°C bis 120°C) erfordern.
  • Beispiel 2
  • In 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Schaltelements aufgezeigt, in welchem ein gemäß der Erfindung erhaltener SiC-Einkristall vom n-Typ als einen n+-Wafer verwendet wird. In 4 bezeichnet „n+”, dass der Wafer einen Leitungstyp vom n-Typ aufweist und eine hohe Konzentration an Dotiermittel aufweist.
  • Beispiel 3
  • In 5 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Schottky-Barriere-Diode (SBD) aufgezeigt, in welcher einen gemäß der Erfindung erhaltener SiC-Einkristall vom n-Typ als einen n+-Wafer verwendet wird. In 5 bezeichnet „n+”, dass der Wafer einen Leitungstyp vom n-Typ aufweist und eine hohe Konzentration an Dotiermittel aufweist.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für einen SiC-Einkristall kann ein SiC-Einkristall vom n-Typ erhalten werden, der einen geringen spezifischen Widerstand ebenso wie eine niedrige Ladungsträgerkonzentration aufweist, was bisher nicht realisierbar war, wodurch die Herstellung eines SiC-Einkristalls vom n-Typ bei guter Reproduzierbarkeit ermöglicht wird.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls vom n-Typ, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Zugeben von Gallium und Stickstoff, das ein Donorelement zum Erhalt eines Halbleiters vom n-Typ ist, während des Kristallwachstums eines SiC-Einkristalls derart, dass der in Atom-% dargestellte Anteil der Menge an Stickstoff zu der Menge an SiC größer ist als der in Atom-% dargestellte Anteil der Menge an Gallium zu der Menge an SiC, wobei der Anteil der Menge an Stickstoff größer als 0 und gleich oder geringer als 1,0 Atom-% ist, der Anteil der Menge an Gallium größer als 0 und gleich oder geringer als 0,06 Atom-% ist und der spezifische Widerstand des SiC-Einkristalls vom n-Typ 0,010 Ωcm oder weniger beträgt.
  2. Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls vom n-Typ nach Anspruch 1, wobei der SiC-Einkristall vom n-Typ ein 4H-SiC-Einkristall vom n-Typ oder ein 6H-SiC-Einkristall vom n-Typ ist.
  3. Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls vom n-Typ nach Anspruch 1 oder 2, wobei der SiC-Einkristall mittels eines Lösungsverfahrens gezüchtet wird.
  4. Verfahren zur Herstellung eines SiC-Einkristalls vom n-Typ nach Anspruch 3, wobei ein 4H-SiC-Einkristall vom n-Typ bei einer Züchtungstemperatur von 1880°C oder höher gezüchtet wird.
  5. SiC-Einkristall vom n-Typ, der gemäß dem Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 erhalten wird.
  6. Verwendung des SiC-Einkristalls vom n-Typ gemäß Anspruch 5 in einer Halbleitervorrichtung.
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