JP2001509768A - 高出力マイクロ波装置用高抵抗炭化珪素基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 炭化珪素から組み立てられ、1500Ω-cmより大きい抵抗を有する、半導体装置用の基板。この基板は、混入された深い準位の不純物を有することを特徴とし、深い準位の不純物要素は、選択される重金属、水素、塩素及びフッ素の１つからなる。選択される重金属は、周期律表のIIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB及びIIB群の金属である。

Description

【発明の詳細な説明】 高出力マイクロ波装置用高抵抗炭化珪素基板 発明の背景 １．発明の分野 本発明は、高抵抗の炭化珪素半導体基板の製造方法に関する。 ２．従来技術 炭化珪素は、マイクロ波の周波数を操作する高出力密度固相装置の製造におい て魅力的な多くの電気的及び熱物理的特性を示す。炭化珪素ベースのマイクロ波 トランジスタ及び集積回路は、Xバンドにおいてガリウム砒素MMICの約５倍、UHF からSバンド周波数においてシリコンの約10倍の出力密度を生じる。 熟成シリコン及びGaAs装置技術と比較して、炭化珪素は相対的に新しい技術で ある。しかし、より大きな直径の炭化珪素基板の発達及び炭化珪素の優れた温度 、熱伝導及び電界破壊特性の実現における近年の進歩により、炭化珪素ベースの 電気材料と装置を開発するための鋭意研究が、産業界において広く奨励されてい る。 現在製造されている炭化珪素装置は、基板中の寄生伝導及び容量ロスにより出 力増加が理論能力以下に制限されたウェルを有する。計算によると、1500Ω-cm の基板の抵抗率は、RF受動挙動を実現するための最小の感度限界値を示すことが 示されている。また、5000Ω-cmの抵抗では、装置の送伝線ロスを0.1db／cm又は それ以下の最小にする必要がある。装置単離を確実にし、バックゲート（backga ting）効果を最小限にするためには、半絶縁性の 挙動に近い抵抗率（5×104Ω-cm又はそれ以上の範囲）が目標である。 少なくとも米国特許第2,854,364号、Lelyの炭化珪素特性装置の製造に関して は、その努力が認められる。 大型で装置特性単結晶の炭化珪素を製造するために、多くの努力が近年なされ ている。昇華による成長の試みは、Davisらの米国特許第4,866,005号に記載され ている。Davisらは、高抵抗炭化珪素基板の製造を開示していない。 不純物をドーパントとして半導体材料に導入できることは、公知である。これ らの組み込まれた要素は、電気伝導性や導電型といった特定の性質をそれぞれの 半導体に付与する。また、高抵抗特性を得るために、不純物をその他の半導体材 料に添加することが当該分野で知られている。例えば、半絶縁性を得るためには 、クロムがガリウム砒素（GaAs）にドープ（導入）される。しかしながら、GaAs で半絶縁性を得るために用いられる技術は、炭化珪素には適用できない。なぜな ら、その技術は、比較的低温（SiCの成長温度と比較して2000℃高いGaAsの融点1 238℃又はそれ以下）で、ドーパント（クロム）を液体GaAsの溶融物に加えて導 入することによっているからである。クロムの導入は、液体GaAs中での不純物の 高度な拡散性、及び固化の際の固相と液相間での不純物偏析効果による。実用的 に実現可能な圧力ではSiCの液体状態は存在しないため、これらの効果はSiCには あてはまらない(SiCは、液体状態に変化せずに固相から直接昇華する)。さらに 、SiC内での極めて低い不純物の拡散係数により、SiC固体に直接拡散させること による不純物の導入が妨げられる。 発明の要約 特に基板としての使用に適した高抵抗のマイクロ波グレードの炭化珪素 材が、提供される。基板の製造プロセスは、炭化珪素のエネルギー禁止帯(バン ドキャップ)内の深さのエネルギー準位を生じることにより、基板内に電気的な 半絶縁性を生じる。この発明において、これらのエネルギー準位は深い準位とし て言及され、コンダクタ又は価電子帯の端部から離れた少なくとも300meVのエネ ルギー状態からなる。深い準位の形成をより制御し、高抵抗率とするために、極 めて高純度の炭化珪素が、原材料として利用される。禁止帯での深い準位の形成 は、選択された元素（重金属又は水素、塩素又はフッ素のような不活性元素から 選択されるいずれか）の導入の制御、又は炭化珪素中に深い準位中心を形成する ための炭化珪素への元素の組み合わせを含む。 本発明のその他の目的及び利点は、記載及び図面に示す好ましい実施態様から 明らかにされるだろう。 図面の簡単な説明 図１は、ロスが低く、高抵抗性の炭化珪素基板材の生産用炉の概略図を示す。 好ましい実施態様の詳細な説明 半導体材料の形成に関する説明は、<0001>C-方向に沿った結晶軸との昇華で成 長した単6Hポリタイプ炭化珪素結晶について行うが、そのプロセスは、2H、4Hも しくは15Rのような他のポリタイプで伝導されてもよく、a-軸<1210>のようなc- 軸以外の結晶方向に対して行ってもよいと理解される。さらに、化学的な気相成 長(CVD)又は他の公知の手段を、結晶を成長させるのに用いることができる。 高純度の炭化珪素6H単結晶の成長の制御は、図１に概略的に示されているよう な、一般的な超清浄（不純物のない）の物理的な気相輸送炉で行うこ とが好ましい。抵抗加熱要素のような何らかの加熱手段は、炉の加熱に利用する ことができる。結晶成長のための超清浄環境が、確立されることが好ましい。超 清浄環境は、超精製グラファイト及びカーボンパーツ又は他の高純度の耐火剤又 はコーティング剤からなるカーボンパーツを用いて生じるホットゾーンのコンポ ーネントを提供することにより得られる。また、高度な真空ポンプシステム（図 示せず）を、成長の前か、その間に、ホットゾーンのコンポーネントを高速で脱 気するのに用いることができる。超清浄環境に加えて、高純度のSi及びC元素（ 又はSi及びCを含む化合物）から合成した供給ストックからなる炭化珪素の昇華 源が、用いられる。さらに、成長のあいだ、炉での保護環境として、Ar又はHeの ような超純度の不活性の環境気体が用いられる。 深い準位の元素の不純物は、高純度の炭化珪素結晶の高温の昇華、又はCVD成 長のあいだに導入して組み込まれる。バナジウム及び選択される他の重金属は、 近中央バンドギャップ(near-mid-band gap)のエネルギー準位を導入する。さら に、非金属不純物（例えば水素、塩素及びフッ素）は、浅い残留不純物用の保護 (passivating)トラップとして役立てることができる。また、塩素を含む環境で の結晶の成長により、著しく高度に成長した抵抗性を導くことができる。 したがって、高抵抗性の半絶縁特性を有する炭化珪素基板材は、高純度の炭化 珪素材料に候補元素を系統的に導入するか、又は選択された有機金属化合物の形 態を用いて高純度の炭化珪素結晶の昇華成長の期間に深い準位の元素の不純物を 混入すること、および塩素、フッ素のようなハロゲン又は水素を含む保護ガス環 境で成長させることにより形成することができる。 半導体技術では、半導体材料を伝導させるためには、キャリア電子が移動 して半導体材料を走行できるように、キャリア電子が高エネルギー状態に励起さ れなければならないことが知られている。また、一定の半導体材料では、ある範 囲のエネルギーが、キャリア電子に利用されるにすぎず、利用されないエネルギ ーは、半導体のエネルギーギャップ又は禁止帯と呼ばれている。不純物は、キャ リア電子が半導体材料のエネルギーバンド内で様々な状態を占めるように、半導 体材料に導入することができる。 本発明は、半導体材料に元素を導入して、半導体の深い準位（禁止されている エネルギーギャップ内のエネルギー状態）を生じる。選択される不純物の原子は 、禁止領域内で深い準位（エネルギー状態）を生じ、半導体材料のキャリア（電 子及び正孔）用の捕獲中心及び補償中心として作用することができる。元素の不 純物は、いずれかの移動性キャリアを捕獲又は補償することによって、高抵抗性 の半絶縁体として作用する材料を生じることができる。 半導体材料に組み込まれる際に、深い準位の不純物として作用する元素は、周 期律表のIIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB及びIIB群から選択される「重金 属」元素を含む。これらの元素、つまり多くの電子殻を有する重い元素の電子構 造は、深い準位の不純物としての使用に適切である可能性がある。 基板を形成するあいだに基板での抵抗性を高くするために半導体材料に導入で きる別の群の元素は、水素、塩素及びフッ素を含む。炭化珪素の電気特性を変え る不純物としての重金属の使用とは対照的に、水素、塩素及びフッ素は、炭化珪 素に対して電気的なパッシベート不純物として作用する。それらが存在すること により、炭化珪素の伝導表面状態に関連した電気活性を補償する電気的活性が生 じる。 実施例 高抵抗炭化珪素結晶は、金属ドーパントとしてバナジウム元素を用いて実現さ れた。バナジウムを炭化珪素に導入することによりエネルギーギャップに深い準 位の電子状態が生じるという仮説に基づき、バナジウムをドーパント要素として 選択した。これらの深い準位状態は、電気的に活性の浅い不純物の補償において 深いドナー又はアクセプターとして作用する。この補償の効果は、炭化珪素中に 高い抵抗（すなわち、半絶縁性）を引き起こす。実用への適応は、以下の方法に より行った。 バナジウムをドープした6H-ポリタイプの炭化珪素単結晶は、物理的気相輸送( PVT)技術を用い、C-<0001>軸方向に直径50-mm、長さ75-mmまで成長させた。この 成長技術は、高純度のグラファイト材で炉のホットゾーンを構成した昇華炉（図 １）を利用した。PVT成長は、バナジウムでドープした炭化珪素原料（約2300℃ 〜2400℃で維持）の昇華と、高品質6H-炭化珪素単結晶種子ウェハ（2100℃〜200 0℃で維持）への気相種(vaporspecies)の蒸着により進行した。成長速度は、周 囲の分圧、原料種子の△Ｔ及び固体-気体界面での温度勾配により制御した。バ ナジウムでドープした結晶においては、成長速度は、0.75〜1.1mm-hr-1の間で変 化した。結晶は、20Torr、超高純度液体アルゴンをボイル-オフして得られた高 純度アルゴン雰囲気下で成長した。 昇華原料として用いた、バナジウムをドープした炭化珪素は、以下の方法によ り製造した。10ppm wt未満の不純物要素を有する高純度炭化珪素粉末を、昇華原 料として使用した。高純度（99.999％）のバナジウム金属を、高純度炭化珪素原 料粉末と混合した。この実験では、総重量600gの原料粉末に、約2.5gのファイブ ナイン(five nines)精製バナジウム元素を加えた。 結晶成長中、アルゴンの分圧を20Torrに維持し、種結晶の温度を2190℃ 〜2220℃に維持し、昇華するバナジウムドープ原料の温度を2300℃〜2350℃に維 持し、種結晶から原料への温度勾配△Ｔを110〜130℃の間に維持した。 得られたバナジウムドープ結晶は、グロー放電質量分析計による測定の結果、 300〜1000ppm wtのバナジウム含有量を示した。結晶の前面、中間及び後方から 薄く切りだしたウェハでの吸収量測定により、成長した結晶内（２つの要素中） において、バナジウムが均一に組み込まれたことが示された。さらに、赤外線差 吸収量測定では、フェルミ準位が伝導帯端部の約１eV下に位置するバナジウムの 深いドナー準位にあることが示された。結晶の伝導性は、従来の測定装置の検出 限界以下であった。フェルミ準位の推定位置に基づく結晶の抵抗計算によると、 バナジウムをドープすることにより105Ω-cm以上の抵抗が得られること、すなわ ち、結晶は半絶縁特性を有していることが示唆される。高インピーダンスファン デルポー(Van der Pauw)法を用いた電気測定では、本発明にしたがって製造した バナジウムをドープしたSiC結晶において、107Ω-cm以上の抵抗が確認された。 好ましい施態様を記載したが、本発明はこれに限定されず、以下の請求の範囲内 で他の方法でも具体化される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１０月２９日（１９９８．１０．２９） 【補正内容】 請求の範囲 １． 単一のポリタイプ炭化珪素から組み立てられ、少なくとも1500Ω-cmの固 有抵抗を有し、深い準位のドーパントが混入され、深い準位のドーパントは少な くとも約３００meVの深さにあり、かつ、選択された重金属からなり、選択され る重金属が、周期律表のIIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB及びIIB群に見出 される元素である ことを特徴とする半導体装置用の材料組成物。２ ． 深い準位のドーパントが、少なくとも１つの元素、元素の組合せである請 求項１に記載の基板。３ ． 選択される重金属が、バナジウムである請求項１に記載の基板。４ ． ドーパントが、炭化珪素の昇華成長のあいだに混入される請求項１に記載 の材料。５ ． ドーパントが、炭化珪素の化学的な気相堆積のあいだに混入される請求項 １に記載の材料。６ ．ポリタイプの炭化珪素が、2H、4H、6H及び15Rの１つである請求項１に記載 の材料。７．少なくとも300meVの深さにある深い準位のバナジウムからなり、かつ少なく とも1500Ω-cmの固有抵抗を有する単一のポリタイプ炭化珪素から組立てられ、 バナジウムが300〜1000重量ppm間にある半導体装置用の材料組成物。 ８．単一のポリタイプ炭化珪素から組立てられ少なくとも1500Ω-cmの固有抵抗 を有し、材料がそこに混入された深い準位のドーパントを有し、その深い準位の ドーパントが少なくとも300meVの深さに有り、かつ、補償部材と して作用する半導体装置用の材料組成物。 ９．ドーパントが炭化珪素の昇華成長中に混入される請求項８に記載の材料。 １０．ドーパントが炭化珪素の化学的気相堆積中に混入される請求項８に記載の 材料。 １１．ポリタイプの炭化珪素が2H、4H、6H及び15Rの１つである請求項８に記載 の材料。 １２．少なくとも300meVの深さの深い準位のドーパントと少なくとも５×10⁴Ω- cmの固有抵抗とを有する炭化珪素半導体材料からなり、前記ドーパントが周期律 表のIIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB及びIIB群に見出される元素である半 導体装置用の材料組成物。 １３．炭化珪素半導体材料が半絶縁である請求項１２に記載の材料組成物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホブグッド，ハドソン，エム. アメリカ合衆国 ペンシルバニア 15668, マリースヴィル，ノブ ヒル ドライブ 4751 (72)発明者 マックヒュー，ジェームス，ピー. アメリカ合衆国 ペンシルバニア 15235, ピッツバーグ，フレーザー ドライブ 308 (72)発明者 ホプキンス，リチャード，エイチ. アメリカ合衆国 ペンシルバニア 15632, エキスポート，ウォーカー ドライブ 2792

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 単一のポリタイプ炭化珪素から組み立てられ、少なくとも1500Ω-cmの固 有抵抗を有し、深い準位の不純物が混入されてなることを特徴とする半導体装置 用の材料組成物。 ２． 材料が、半導体装置で基板として用いられる請求項１に記載の材料。 ３． 深い準位の不純物が、少なくとも１つの元素、元素の組合せ、化合物及び 化合物の組合せである請求項２に記載の基板。 ４． 深い準位の不純物が、選択される重金属、水素、塩素及びフッ素の少なく とも１つを含む請求項２に記載の基板。 ５． 選択される重金属が、周期律表のIIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB 及びIIB群に見出される元素である請求項４に記載の基板。 ６． 選択される重金属が、バナジウムである請求項５に記載の基板。 ７． 不純物が、炭化珪素の昇華成長のあいだに組み込まれる請求項１に記載の 材料。 ８． 不純物が、炭化珪素の化学的な気相成長のあいだに組み込まれる請求項１ に記載の材料。 ９． ポリタイプの炭化珪素が、2H、4H、6H及び15Rのものである請求項１に記 載の材料。 １０． 基板が、結晶学的にa-軸とc-軸方向の１つを有する炭化珪素の種子結晶 から成長する請求項２に記載の基板。