JP2004533720A - 高い降伏電圧を有する半導体デバイスのための高抵抗率炭化珪素基板 - Google Patents
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Abstract
優れた高周波デバイスに必要とされる特性を有し、動作パラメータの範囲を多少広げて生産可能であり、しかもバナジウムや関連するドーパントの欠点を回避する、高抵抗率の炭化珪素単結晶を開示する。高抵抗率の炭化珪素単結晶は、少なくとも１つの較正ドーパントを含み、その電子エネルギ・レベルが、炭化珪素のバンドギャップ縁部から十分離間されて導電的挙動を回避し、一方中間ギャップからバンド縁部側に十分離間され、基板がドープ炭化珪素エピタキシャル層と接触しているとき、及び基板内に存在するドーパントの正味の量が、ドーパントの電子エネルギ・レベルにフェルミ・レベルを拘束するのに十分であるときに、中間レベル状態が生ずるよりも大きなバンド偏移を基板及びドープ領域間に生ずる。炭化珪素基板の抵抗率は、常温において少なくとも５０００Ω-ｃｍである。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波デバイスに必要な半導体物質に関し、特に高抵抗率の炭化珪素物質に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、最新の半導体電子デバイス、及びこれらデバイスに必要な半導体物質に関する。半導体物質は、その本質的な特性、及びドナー又はアクセプタ原子をドープされたときに呈する特性に基づき、有用である。加えて、他の半導体デバイスでは、絶縁性（最も良く知られているのは、シリコンを酸化した際に形成される酸化物絶縁体である）、又は半絶縁性である点も、要求されることがある。即ち、半絶縁（「高抵抗率」と呼ぶ場合もある）物質は、電界効果トランジスタ（「ＦＥＴ」）（これに限られる訳ではない）のような多数のデバイスの基板として用いられる。ＦＥＴの一例として、金属半導体電界効果トランジスタがあり、一般に「ＭＥＳＦＥＴ」と呼ばれている。「半絶縁性」及び「高抵抗率」という用語は相互交換可能に用いられることが多いが、ここで論ずる本発明は、高絶縁性に関して最も良く表されており、発明の背景及び説明全体を通じて、この慣用語(convention)を一貫して用いることとする。このような使用は、本明細書に記載し特許請求の範囲に記載する発明を機能的に限定するものではなく、記述するのに用いられることは、理解されるであろう。
【０００３】
種々の形式のＦＥＴについて、その理論、動作及び構造が、当業者には一般に周知であるので、ここでは詳細には説明しない。しかしながら、単純なモデルでは、ＭＥＳＦＥＴは高抵抗率即ち半絶縁基板上に形成され、基板上には導電性のｐ又はｎ型ドープ物質のエピタキシャル層が配置される。次いで、エピタキシャル層にソース・コンタクト、ゲート・コンタクト、及びドレイン・コンタクトが作られ、ゲートに電位（電圧）を印加すると、空乏領域が形成され、ソース及びドレイン間のチャネルがピンチオフされることにより、デバイスがオフになる。
【０００４】
したがって、ＭＥＳＦＥＴの性能は、半導体エピタキシャル層の品質及び特性、並びに高抵抗率基板の品質及び特性に左右される。
炭化珪素（ＳｉＣ）及び第３群窒化物（例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮ）のような、バンド・ギャップが広い物質の工業化の可能性が高まって来たことに連れて、より高い周波数のＭＥＳＦＥＴを生産する潜在的可能性が、現実の工業化に至ることとなった。このような高周波デバイスは、多くの用途において非常に有用であり、最も良く知られているものには、電力増幅器、セルラ電話機のようなワイヤレス送受信機、及び同様の機器がある。
【０００５】
一方、炭化珪素及び第３群窒化物のバンドギャップが広いという特性のために、より高い周波数及び電力レベルにおける動作も可能なデバイスの設計が可能となったことから、ＭＥＳＦＥＴ及び関連するデバイスに用いられる高抵抗率基板は、一般に、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）のように、狭いバンド・ギャップを有する他の物質の同様なデバイスに用いられる高抵抗率即ち半絶縁基板よりも厳格な評価基準を満たさなければならなくなった。このため、これらのより高い周波数のデバイスが開発され使用されるに連れて、広いバンド・ギャップのエピタキシャル層の電子的特性を最大限に利用することを可能にする高品質の半絶縁炭化珪素基板の要求が増々高まりつつある。
【０００６】
更に、高品質の高抵抗率基板によって生成されるエネルギ・バリアは非常に高いので、半導体デバイスの降伏電圧（ＶＢ）を高めかつ最大化する潜在的可能性も示されている。
従来の半絶縁炭化珪素基板では（そして、場合によっては、「従来の」が比較的最近の時間を表すこともある）、炭化珪素にバナジウムをドープすることによって、適切な抵抗率が得られている。バナジウムが生ずるエネルギ・レベルは、炭化珪素の価電子帯及び伝導帯のほぼ中間、即ち、２．９９ｅＶのＳｉＣバンドギャップにおけるいずれのバンド縁からも約１．５ｅＶの所にある。また、炭化珪素にバナジウムをドープすることによって、バナジウムが炭化珪素内に残留するドナー（殆ど常に窒素）及びアクセプタ（ない場合が多い）を較正し、常温ではほぼ絶縁性となる物質を生成することが多い。このような物質についての説明は、例えば、米国特許第５，６１１，９５５号に明記されている。
【０００７】
バナジウムをドープした炭化珪素は、目的によっては、半絶縁物質として有用ではあるが、特性上の欠点もいくつか持ち続けている。即ち、その両性特性のために、バナジウムは、炭化珪素内にドナー・レベル又はアクセプタ・レベルのいずれをも生成する可能性がある。更に具体的には、バナジウムのアクセプタ・レベルは、炭化珪素における伝導帯に比較的近いところに位置する。その結果、適度に高い温度において、電子の熱励起が発生する可能性があり、このために抵抗率が低下し、対応してこれらの物質で作られたデバイスの機能的特性が、このように多少高い温度において、低下する虞れがある。例えば、Mitchel, et. al. "Fermi-Level Control and Deep Levels in Semi-insulating 4H-SIC"（半絶縁４Ｈ−ＳＩＣにおけるフェルミ・レベルの制御及び深いレベル）(Journal of Applied Physics, Volume 86, No. 9, １９９９年１１月１日）（非特許文献１）を参照のこと。加えて、動作において、電子は、炭化珪素基板においてバナジウムによって高められたレベルで捕獲され、注入後に時間遅延の原因となる可能性がある。このために、半絶縁層において内部電荷が蓄積しがちとなり、対応してエピタキシャル層にもホールの蓄積が生じ（ＭＥＳＦＥＴを基準として論じている）、この蓄積電荷は、ゲートに印加される周波数には追従しない。
【０００８】
高周波の用途において、炭化珪素やその他のバンド・ギャップが広いデバイスがそのポテンシャルに到達するのを妨げるという、バナジウムによって生ずる問題を回避するために、本発明の譲受人は、バナジウムの使用を回避する半絶縁炭化珪素基板を開発した。このサブジェクト・マター（主題）の説明及び論述は、本願と共に譲渡された米国特許第６，２１８，６８０号"Semi-Insulating Silicon Carbide Without Vanadium Dominations"（バナジウムの支配を受けない半絶縁炭化珪素）、及び２００１年１月１０日に出願されたその継続出願第０９／７５７，９５０号に明記されている。これらの内容は、この言及により、全体が本願にも含まれることとする。
【０００９】
上記した’６８０特許に記載された物質は、バナジウムをドープした物質に対しては大きな利点をもたらすが、この物質の生産には、炭化珪素には殆ど常に存在する、一般的に高い自然の背景量(native background amount)の窒素を処理しなければならない。’６８０特許は、これを較正技術として行っている。このような技術で好結果が得られることが立証されていても、窒素の存在によって、なおも製造又は成長プロセスにおいて困難及び非効率性が生じがちである。即ち、炭化珪素の昇華中に（例えば、米国特許第ＲＥ３４，８６１号）、窒素の集中は時間の経過と共にばらつく傾向がある。加えて、概念的な説明よりも経験的な観察によることであるが、炭化珪素の成長結晶内における窒素の集中は、結晶の幾何学的形状に沿ってばらつく傾向がある。このように、’６８０特許の技術は大きな改善をもたらすことが立証されているが、窒素の排除、又は少なくともその注意深い制御を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、優れた高周波デバイスに必要とされる特性を有し、動作パラメータの範囲を多少広げて生産可能であり、しかもバナジウムや関連するドーパントの欠点を回避する、高抵抗率の炭化珪素基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、高抵抗率の炭化珪素単結晶によって、この目的を達成する。この炭化珪素単結晶は、少なくとも１つの較正（補償）ドーパントを含み、その電子エネルギ・レベルが、炭化珪素のバンドギャップ縁部から十分離間されているかあるいは十分低い濃度（又は双方）であって導電的挙動を回避し、一方、中間ギャップからバンド縁部側に十分離間され、基板がドープ炭化珪素エピタキシャル層と接触しているとき、及び基板内に存在するドーパントの正味の量が、ドーパントの電子エネルギ・レベルにフェルミ・レベルを拘束するのに十分であるときに、中間レベル状態（例えば、トラップ、欠陥、又はドーパント）が生ずるよりも大きなバンド偏移を生じ、炭化珪素結晶の抵抗率が、常温（２９８Ｋ）において少なくとも５０００Ω-ｃｍである。
【００１２】
好適な実施形態では、高抵抗率の結晶即ち基板は、隣接するエピタキシャル層と共に用いられ、所望のバンド屈曲効果を生成する。これについては、本明細書で後に更に詳しく説明する。更に、エピタキシャル層は、現時点において好適な実施形態を代表するが、望ましい偏移は、高抵抗率部分を適切な活性領域に隣接するときにも、得ることができる。適切な活性領域は、別個のエピタキシャル層としてではなく、打ち込み又は拡散ドーピングによって形成された領域を含む。
【００１３】
ここで用いる場合、ドーパントの正味の量とは、ドーピングとして作用する量のことを言う。即ち、他の元素や、点欠陥のような他の単位体による較正がある場合もない場合もある。
【００１４】
これに関して、当業者は、バンドギャップの縁部付近にあるドーパントの方が、中間ギャップ又はその付近でレベルを生成するドーパントよりも、伝導挙動を生ずる可能性が高いことを認めるであろう。このことは、特に、炭化珪素のようなバンドギャップが広い物質に当てはまる。
【００１５】
別の態様では、本発明は、高抵抗率の炭化珪素単結晶であって、窒素と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の（即ち、高い）電子エネルギ・レベルを有する少なくとも１つのアクセプタ元素とを有し、少なくとも１つのアクセプタ元素が、窒素を過剰較正し、炭化珪素基板のフェルミ・レベルを、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束するのに十分な量だけ存在する。
【００１６】
別の態様では、本発明は、高抵抗率の炭化珪素単結晶であって、ある量の電気的に活性な窒素と、アクセプタとして作用する、ある量の電気的に活性な点欠陥と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の電子エネルギ・レベルを有する、ある量の少なくとも１つのアクセプタ元素とを有し、アクセプタ元素及び点欠陥を合わせた量が、電気的に活性な窒素及び固有の点欠陥(intrinsic point defect)を含む他のいずれかの電気的に活性なドナーの量よりも大きい。その結果行われる較正が、炭化珪素単結晶のフェルミ・レベルを、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する。
【００１７】
別の態様では、本発明は、高抵抗率の炭化珪素のバルク単結晶であって、スカンジウムと、硼素と、意図して導入したのではない窒素（即ち、典型的に存在するが、一般に順向ドーピング工程からではない窒素）とを含み、窒素（及び固有の点欠陥を含む、他のあらゆる電気的に活性なドナー）の濃度がスカンジウムの濃度よりも高く、硼素の濃度が、硼素及びスカンジウムを合わせた濃度に対して、窒素（又は他の電気的に活性なドナー）を過剰較正し、炭化珪素のフェルミ・レベルをスカンジウムのレベルに拘束するのに十分である。
【００１８】
更に別の態様では、本発明は、高抵抗率の炭化珪素単結晶であって、電気的に活性な窒素と、ドナーとして作用する電気的に活性な固有の点欠陥と、アクセプタとして作用する電気的に活性な点欠陥と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の電子エネルギ・レベルを有する第１アクセプタ元素と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の電子エネルギ・レベルを有する第２アクセプタ元素とを有し、第１アクセプタ元素のエネルギ・レベルが、第２アクセプタ元素のエネルギ・レベルよりも深く、アクセプタ元素とアクセプタとして作用する点欠陥を合わせた量が、電気的に活性な窒素（及びドナーとして作用する点欠陥）の量よりも大きく、このため炭化珪素基板のフェルミ・レベルを第１アクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する。
【００１９】
本発明の前述の及びその他の目的並びに利点、さらにはこれらを達成する方法は、添付図面に関連付けた、以下の詳細な説明に基づくことにより、一層明白となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、少なくとも１つの較正ドーパントを含む高抵抗率の炭化珪素単結晶であり、その電子エネルギ・レベルが、炭化珪素のバンドギャップ縁部から十分離間されて導電的挙動を回避し、一方、中間ギャップからバンド縁部側に十分離間され、基板がドープ炭化珪素エピタキシャル層と接触しているとき、及び基板内に存在するドーパントの正味の量が、ドーパントの電子エネルギ・レベルにフェルミ・レベルを拘束するのに十分であるときに、中間レベル状態（例えば、トラップ、欠陥、元素）が生ずるよりも大きなバンド偏移を生じ、得られる炭化珪素結晶の抵抗率が、常温（２９８Ｋ）において、少なくとも５，０００Ω-ｃｍである。
【００２１】
本発明は、特に、エピタキシャル層、又は機能的に同等な活性領域（例えば、拡散ドープ又は打ち込みドープ領域）が基板と接触している構造において有利であり、結果として、基板とエピタキシャル層との間の相互作用によって、有利なバンド屈曲効果が生ずる。これについては、本明細書で後に説明する。適切な打ち込み及び拡散技術は、本願と同一譲受人に譲渡された米国特許第６，１０７，１４２号に明記されている。その内容は、この言及により全体が本願にも含まれることとする。
【００２２】
好適な実施形態の中には、炭化珪素の結晶が、真性窒素と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの電子エネルギ・レベルを有する少なくとも１つのアクセプタ元素とを有するものがあり、少なくとも１つのアクセプタ元素は、窒素（及びドナーとして作用する固有の点欠陥）を過剰較正し、炭化珪素基板のフェルミ・レベルを、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束するだけの量が存在する。更に別の好適な実施形態では、高抵抗率の炭化珪素単結晶は、真性電気的活性窒素の存在の下で、アクセプタとして作用するある量の電気的に活性な点欠陥も含む。この実施形態では、アクセプタ元素及び点欠陥を合わせた量が、電気的に活性な窒素の量とドナーとして作用する固有の点欠陥の量の和よりも大きく、炭化珪素単結晶のフェルミ・レベルを、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する。
【００２３】
この点について、本発明は、１つだけのアクセプタ（例えば、硼素又はスカンジウム）の使用も含み、このアクセプタは、アクセプタとして作用する固有の点欠陥の濃度と合わせて、電気的に活性な固有の点欠陥を較正（補償）するのに十分高い濃度を有するので、基板のフェルミ・レベルはこの１つのアクセプタ（硼素又はスカンジウム）又はアクセプタとして作用する固有の点欠陥に拘束される。この点欠陥も、価電子帯に対して０．３〜１．４のエネルギ・レベルを有する。
【００２４】
概念的には、価電子帯に対して０．３〜１．４のエネルギ・レベルを有する電気的に活性な中心は、アクセプタである必要はない。原理的に、この電気的に活性な中心は、ドナーとして作用する固有の点欠陥を含む、「深い」ドナーとすることができる。この場合、他の電気的に活性な中心によるこの深いドナーの較正（補償）によって、価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶのエネルギ・レベルを有するこの深いドナーのエネルギ・レベルにフェルミ・レベルが拘束されることが条件となる。しかしながら、この状況に対する具体的な深いドナーは、これまで未だ特定されていない。
【００２５】
更に好適な実施形態では、高抵抗率の炭化珪素結晶は、電気的に活性の窒素と、アクセプタとして作用する電気的に活性な点欠陥と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの電子エネルギ・レベルを有する第１アクセプタ元素と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの電子エネルギ・レベルを有する第２アクセプタ元素とを有する。この実施形態では、第１アクセプタ元素のエネルギ・レベルが、第２アクセプタ元素のエネルギ・レベルよりも深く、アクセプタ元素と点欠陥を合わせた量が、電気的に活性な窒素の量（及びドナーとして作用する固有の点欠陥の濃度の和）よりも大きく、炭化珪素基板のフェルミ・レベルを第１アクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する。
【００２６】
別の態様では、本発明による高抵抗率の炭化珪素の単結晶は、真性（intrinsic）窒素と、スカンジウムと、硼素とを有し、窒素の濃度が、スカンジウムの濃度よりも高く、硼素の濃度が、硼素及びスカンジウムの合計濃度に対して、窒素（及びドナーとして作用するあらゆる真性点結晶）を較正し、炭化珪素のフェルミ・レベルをスカンジウムのレベル（即ち、最も高い部分的占有レベル）に拘束するのに十分である。
【００２７】
最も好適な実施形態では、高抵抗率の炭化珪素のバルク単結晶は、活性化濃度が約５Ｅ１５〜３Ｅ１６立方ｃｍ（ｃｍ−３）の濃度の窒素と、１Ｅ１６ｃｍ−３の濃度の硼素と、約１Ｅ１５〜２Ｅ１６ｃｍ−３の濃度のスカンジウムと、約１Ｅ１４〜３Ｅ１６ｃｍ−３の濃度の点欠陥と、常温にて少なくとも５，０００Ω-ｃｍの抵抗率とを有する。ここで用いる場合、「５Ｅ１５」のような表現は、指数値としての通常良く知られている意味を有する。即ち、５Ｅ１５は、５×１０１５ｃｍ−３の省略である。
【００２８】
これに関して、本発明の実施形態の全ては、常温で少なくとも５，０００Ω-ｃｍの抵抗率、更に好ましくは常温で少なくとも１０，０００Ω-ｃｍの抵抗率、そして最も好ましくは常温で少なくとも５０，０００Ω-ｃｍの抵抗率を有する炭化珪素基板を含む。
【００２９】
背景技術で明記したように、そして、この明細書中の図面の説明に関して例示するように、本発明は、半導体構造全体と関連付けると最も良くわかる。一方、このような半導体構造は、半導体デバイスの一部、特にトランジスタであり、電界効果トランジスタ及び関連するデバイスであることが多い。これに関して、本発明は、更に、ここに記載したような炭化珪素基板上に、炭化珪素のエピタキシャル層を備える半導体構造も含む。更に、炭化珪素において最も一般的な真性ドーピング元素は窒素であるので、較正原子は、スカンジウム及び硼素のようなドナーであり、したがって、半絶縁炭化珪素構造は、炭化珪素のｎ型エピタキシャル層と共に用いることが多い。
【００３０】
したがって、別の態様では、本発明は、ここに記載したエピタキシャル層及び炭化珪素基板を組み込んだ半導体構造を含むトランジスタ、特に電界効果トランジスタを含む。
高抵抗率の単結晶基板に用いる炭化珪素のポリタイプは、炭化珪素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなる群から選択することが好ましい。
【００３１】
炭化珪素基板上における炭化珪素エピタキシャル層（「エピ層」）の成長は、例えば、米国特許第４，９１２，０６４号、第５，０１１，５４９号、及び第５，１１９，５４０号の開示によって例示されており、ここでは、これ以上詳細に論じない。このような成長は、当技術分野では比較的十分に知られており、当業者であれば、過度な経験がなくても、実施することができる。
【００３２】
多くの態様において、本発明は、図面と関連付けると、最も良く理解することができる。尚、明確化のために、図面は実際にはいくらか簡略化していることは理解されよう。即ち、図面は、本発明が具体的なドーパント元素を組み入れる方法を図示している。しかしながら、図面は、固有の点欠陥のバンド位置やエネルギ・レベルを図解しようとしているのではなく、このような図面は、特定のドーパントのエネルギ・レベルを図示するものと変わりないことが理解されよう。
【００３３】
図１は、炭化珪素のバンドギャップ（約３ｅＶ）の概略図であり、炭化珪素の伝導帯１０及び価電子帯１１から約１．５ｅＶ離れた所にフェルミ・レベルを形成するバナジウム（Ｖ）によって生成されるとラッピング（捕獲）レベルを示す。全体的に、図１は概略的に従来技術を示す。
【００３４】
図２は、１４で全体的に示す金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）の概略断面図である。ＭＥＳＦＥＴ１４は、半絶縁炭化珪素基板１５と、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層１６とを含む。ＭＥＳＦＥＴの設計及び目的によっては、エピタキシャル層はｐ型又はｎ型のいずれでも可能であるが、一般的にはｎ型である。ソース・コンタクトを１７で示し、ゲート・コンタクトを２０で示し、ドレイン・コンタクトを２１で示す。当業者には良くわかるであろうが、負電位をゲート２０に印加すると、破線２２で示す空乏領域が発生し、チャネルの導電性を変調する。
【００３５】
ＭＥＳＦＥＴ及び多くのその他の半導体デバイスの動作は、当技術分野では総じて良く理解されている。多種多様な資料から該当する論述が得られる。資料の一例として、Szeの Physics of Semiconductor Devices（半導体デバイスの物理学）, 2nd Ed (1981) John Wiley & Sons, Inc.、及びその参考書、Szeの Modern Semiconductor Device Physics（現在の半導体デバイス物理学）, (1998) John Wiley & Sons, Inc.をあげておく。この点について、ここではＭＥＳＦＥＴ構造に関して本発明を説明するが、本発明は他のデバイス構造にも適用可能であることは理解されるであろう。
【００３６】
本発明の利点を紹介するために、図２は、グループとして２３で示す複数の捕獲電子と、対応する１群のホール２４も概略的に示す。ホール２４は、電子２３によって引き付けられる。ＭＥＳＦＥＴの動作におけるトラッピング及び「バックゲーティング」(backgating)効果の正確な機構は、完全にはわかっていない。本発明者は、いずれの特定の理論にも縛られることを望まないが、ＳｉＣ ＭＥＳＦＥＴ動作に伴う高電界のために、バナジウムの直前の空ドナー状態において、電子がある時間トラッピングされることは、可能であろう。
【００３７】
図３及び図４は、バナジウムをドープした半絶縁炭化珪素を、窒素をドープしたｎ型炭化珪素に接触させたとき（通常、基板とエピ層の関係）に得られる特性を示すバンド図である。
【００３８】
図３は、全体的に２５で示す半絶縁炭化珪素を、その価電子帯１１、伝導帯１０、及びフェルミ・レベル１２と共に示す点で、図１といくらか似通っている。図３の右側部分は、同様に、窒素をドープしたｎ型炭化珪素エピタキシャル層の見本を示し、これも同じ価電子帯１１及び同じ伝導帯１０を同様に有するが、そのフェルミ・レベル２６は、バナジウムをドープした基板とは異なる位置にある。
【００３９】
フェルミ・レベル１２及び２６の位置、及びこのような位置の背後にある理論は、一般に、当技術分野では良く理解されており（例えば、先に提示したSzeの文献）、本発明を説明するために必要な事項以外は、ここでは詳しく説明しない。
【００４０】
図４は、エピタキシャル層２７及び半絶縁炭化珪素基板を合わせた（即ち、基板及びエピ層として）場合のバンドギャップを、典型的な電界効果トランジスタにおける場合として示す。まず、バンド理論から良くわかることだが、２つの物質を合わせると、フェルミ・レベルはこれらの間で平衡を保ち、これを図４の破線３０で示す。共通フェルミ・レベル３０のために、そしてフェルミ・レベル３０並びに伝導帯及び価電子帯間の関係が図４の半絶縁部分２５及びエピタキシャル部分２７にも同様に残っているために、伝導帯及び価電子帯が互いにずれて、エピタキシャル層から基板への電子の流れ（図４では右から左）に、図４においてＥＢで示すエネルギ・バリアが生じ、更に対応するバリアＥＨが基板２５からエピタキシャル層２７へのホールの流れ（左から右）に生ずる。
【００４１】
基礎量子機構の当業者には良くわかっているであろうが、電子が図４に示すバリアＥＢを乗り越える又は通り抜けることができる確率は、多数の要因に依存するが、その内で最も重要な１つは、バリアのサイズ（高さ）である。つまり、他の要因が全て等しければ、エネルギ・バリアＥＢ（及び対応するバリアＥＨ）が大きい程、半絶縁基板２５及びエピタキシャル層２７間で前後に移動可能な電子及びホールは少なくなる。このような現象の防止は、電界効果トランジスタに高抵抗率基板を用いる目的の１つであるので、バリアＥＢ及びＥＨを大きくすることができる程、その結果得られるデバイスの性能が一層向上することが期待される。更に、バリアＥＢ及びＥＨが大きい程、得られるデバイスの降伏電圧（ＶＢ）も高くなる。
【００４２】
図５及び図６は、概略的に図３及び図４における図に対応するバンド図であるが、図５及び図６は、本発明の作用効果を示している。まず、図５では、本発明による高抵抗率物質が全体的に３１で示されている。図１及び図３におけると同様、伝導帯を１０で示し、価電子帯を１１で示す。本発明は基板のフェルミ・レベルを変化させるので、図５ではフェルミ・レベルを３２で示す。図５の右側部分は、それ以外では、図３の右側部分と同一であり、ｎ型の窒素をドープした炭化珪素エピタキシャル層２７を、その伝導帯１０、価電子帯１１、及びフェルミ・レベル２６と共に示している。
【００４３】
図５を図３と比較すると、基板のフェルミ・レベル３２とｎ型エピタキシャル層２７のフェルミ・レベル２６との間の差が、図３に示されている、これに相当する差よりもかなり大きいことがわかる。
【００４４】
これに応じて、図６は、本発明にしたがってエピタキシャル層２７を基板３１上に配したときのバンドギャップ図を示す。その結果生じたフェルミ層を３３で示す。図４に関して説明したように、接触する物質のフェルミ・レベルが共通であるために、物質が接触すると、伝導帯及び価電子帯は互いにずれる。更に、図５及び図６のバンドは、共通のフェルミ・レベル３３を維持するためには、互いに対して更に移動しなければならないので、図６に示す電子に対するバリアＥＢは、図４における同じバリアよりも遥かに大きくなる。同様に、ホールに対するバリアＥＨも、図４に概略的に示す物質における対応するバリアよりも、同様に高くなる。したがって、予想したように、そして図４に関して論じたように、電子がバリアＥＢを交差する（そして、ホールがバリアＥＨを交差する）確率は、本発明の高抵抗率炭化珪素基板を用いると、大幅に低下する。その結果、本発明の基板上に形成される電界効果トランジスタは、図４に概略的に示した物質上に形成されるものよりも、遥かに高い性能を発揮することが予想される。
【００４５】
図７及び図８は、概略的に、明細書及び特許請求の範囲に明記した、ドナー、アクセプタ、及び、得られる状態の間における多数の関係の一部を示す。図７及び図８は双方共、概略的に、本発明による半絶縁物質３１のバンドギャップを示し、図５と同じ参照番号を用いている。同様に、図７及び図８は、基板内に窒素のみ（少なくとも結晶の特性に影響を及ぼし得るだけの量の）が存在する場合に確立するフェルミ・レベル２６を示す。また、図７及び図８は、複数の得られる状態も示すが、その一部３６はスカンジウムの存在によって得られ、別のもの３７は硼素によって得られる。
【００４６】
本発明を単刀直入に示すために、図７は、本発明によるドーピングを行わない場合に、フェルミ・レベル２６を占める電子４０を、多少簡略化して示す。本発明によるドーピングを行わないと、これらの電子は、当該物質において、最高に充填したバンド又は部分的に充填したバンドを表し、したがってフェルミ・レベルを確立する。
【００４７】
しかしながら、図８に示すように、一例として硼素及びスカンジウムが存在し、それぞれの状態３７（硼素から）及び３６（スカンジウムから）が生じた場合、元のフェルミ・レベル２６を占めるはずの電子は、代わりに、得られる最低のエネルギ・レベルを優先的に満たす。この場合、そのレベルを図８では破線４１で示す。図８は、電子４０に可能な６つの位置を例示の目的で示したが、１０個の電子の内６個がレベル４１を占める。残りの４つの電子は、スカンジウムのエネルギ・レベル４２を占める。これも図８に示すが、これを満たすことはない。したがって、部分的に満たされたスカンジウム・レベル４２が、当該物質のフェルミ・レベルを確立する。このようにすることによって、フェルミ・レベルは、炭化珪素半絶縁物質において、スカンジウム・ドーパントに「拘束された」(pinned)と称する。
【００４８】
以上、過度な経験をしなくとも本発明を実施可能とするために、ある種の好適な実施形態を参照しながら本発明について詳細に説明した。当業者であれば、構成要素及びパラメータの多くは、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、ある程度まで変更又は修正可能であることは容易に認めるであろう。更に、名称、表題などは、読者の本文書の理解を高めるために提示したのであって、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきものではないことは、当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】バナジウムを用いて製作した半絶縁炭化珪素の概略的なバンド図である。
【図２】図１に概略的に図示した形式の炭化珪素物質において、望ましくない電子の結集を概略的に示す、基本的な金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）の図である。
【図３】図１に示したようにバナジウム、及び窒素をドープしたｎ型炭化珪素を用いた半絶縁炭化珪素のバンド図である。
【図４】基板−エピ層関係におけるように、図３に示した物質が互いに隣接する場合に発生するバンドの屈曲を示す図である。
【図５】図３と同様であるが、本発明にしたがって、半絶縁炭化珪素がフェルミ・レベルを有する場合における、２種類のバンド図である。
【図６】図４と同様であるが、本発明にしたがって、窒素をドープしたｎ型炭化珪素に半絶縁炭化珪素を隣接させた場合に発生するバンドの屈曲を示すバンド図である。
【図７】炭化珪素の別のバンド図であり、本発明によるドーパントがない場合のフェルミ・レベルの位置を示し、更に本発明によるドーパントを含ませた場合に潜在的に得られる可能性がある状態も示す図である。
【図８】本発明によって得られる状態によって拘束した新たなフェルミ・レベルを示す、本発明による半絶縁炭化珪素の概略的なバンド図である。
【０００１】
本発明は、高周波デバイスに必要な半導体物質に関し、特に高抵抗率の炭化珪素物質に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、最新の半導体電子デバイス、及びこれらデバイスに必要な半導体物質に関する。半導体物質は、その本質的な特性、及びドナー又はアクセプタ原子をドープされたときに呈する特性に基づき、有用である。加えて、他の半導体デバイスでは、絶縁性（最も良く知られているのは、シリコンを酸化した際に形成される酸化物絶縁体である）、又は半絶縁性である点も、要求されることがある。即ち、半絶縁（「高抵抗率」と呼ぶ場合もある）物質は、電界効果トランジスタ（「ＦＥＴ」）（これに限られる訳ではない）のような多数のデバイスの基板として用いられる。ＦＥＴの一例として、金属半導体電界効果トランジスタがあり、一般に「ＭＥＳＦＥＴ」と呼ばれている。「半絶縁性」及び「高抵抗率」という用語は相互交換可能に用いられることが多いが、ここで論ずる本発明は、高絶縁性に関して最も良く表されており、発明の背景及び説明全体を通じて、この慣用語(convention)を一貫して用いることとする。このような使用は、本明細書に記載し特許請求の範囲に記載する発明を機能的に限定するものではなく、記述するのに用いられることは、理解されるであろう。
【０００３】
種々の形式のＦＥＴについて、その理論、動作及び構造が、当業者には一般に周知であるので、ここでは詳細には説明しない。しかしながら、単純なモデルでは、ＭＥＳＦＥＴは高抵抗率即ち半絶縁基板上に形成され、基板上には導電性のｐ又はｎ型ドープ物質のエピタキシャル層が配置される。次いで、エピタキシャル層にソース・コンタクト、ゲート・コンタクト、及びドレイン・コンタクトが作られ、ゲートに電位（電圧）を印加すると、空乏領域が形成され、ソース及びドレイン間のチャネルがピンチオフされることにより、デバイスがオフになる。
【０００４】
したがって、ＭＥＳＦＥＴの性能は、半導体エピタキシャル層の品質及び特性、並びに高抵抗率基板の品質及び特性に左右される。
炭化珪素（ＳｉＣ）及び第３群窒化物（例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮ）のような、バンド・ギャップが広い物質の工業化の可能性が高まって来たことに連れて、より高い周波数のＭＥＳＦＥＴを生産する潜在的可能性が、現実の工業化に至ることとなった。このような高周波デバイスは、多くの用途において非常に有用であり、最も良く知られているものには、電力増幅器、セルラ電話機のようなワイヤレス送受信機、及び同様の機器がある。
【０００５】
一方、炭化珪素及び第３群窒化物のバンドギャップが広いという特性のために、より高い周波数及び電力レベルにおける動作も可能なデバイスの設計が可能となったことから、ＭＥＳＦＥＴ及び関連するデバイスに用いられる高抵抗率基板は、一般に、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）のように、狭いバンド・ギャップを有する他の物質の同様なデバイスに用いられる高抵抗率即ち半絶縁基板よりも厳格な評価基準を満たさなければならなくなった。このため、これらのより高い周波数のデバイスが開発され使用されるに連れて、広いバンド・ギャップのエピタキシャル層の電子的特性を最大限に利用することを可能にする高品質の半絶縁炭化珪素基板の要求が増々高まりつつある。
【０００６】
更に、高品質の高抵抗率基板によって生成されるエネルギ・バリアは非常に高いので、半導体デバイスの降伏電圧（ＶＢ）を高めかつ最大化する潜在的可能性も示されている。
従来の半絶縁炭化珪素基板では（そして、場合によっては、「従来の」が比較的最近の時間を表すこともある）、炭化珪素にバナジウムをドープすることによって、適切な抵抗率が得られている。バナジウムが生ずるエネルギ・レベルは、炭化珪素の価電子帯及び伝導帯のほぼ中間、即ち、２．９９ｅＶのＳｉＣバンドギャップにおけるいずれのバンド縁からも約１．５ｅＶの所にある。また、炭化珪素にバナジウムをドープすることによって、バナジウムが炭化珪素内に残留するドナー（殆ど常に窒素）及びアクセプタ（ない場合が多い）を較正し、常温ではほぼ絶縁性となる物質を生成することが多い。このような物質についての説明は、例えば、米国特許第５，６１１，９５５号に明記されている。
【０００７】
バナジウムをドープした炭化珪素は、目的によっては、半絶縁物質として有用ではあるが、特性上の欠点もいくつか持ち続けている。即ち、その両性特性のために、バナジウムは、炭化珪素内にドナー・レベル又はアクセプタ・レベルのいずれをも生成する可能性がある。更に具体的には、バナジウムのアクセプタ・レベルは、炭化珪素における伝導帯に比較的近いところに位置する。その結果、適度に高い温度において、電子の熱励起が発生する可能性があり、このために抵抗率が低下し、対応してこれらの物質で作られたデバイスの機能的特性が、このように多少高い温度において、低下する虞れがある。例えば、Mitchel, et. al. "Fermi-Level Control and Deep Levels in Semi-insulating 4H-SIC"（半絶縁４Ｈ−ＳＩＣにおけるフェルミ・レベルの制御及び深いレベル）(Journal of Applied Physics, Volume 86, No. 9, １９９９年１１月１日）（非特許文献１）を参照のこと。加えて、動作において、電子は、炭化珪素基板においてバナジウムによって高められたレベルで捕獲され、注入後に時間遅延の原因となる可能性がある。このために、半絶縁層において内部電荷が蓄積しがちとなり、対応してエピタキシャル層にもホールの蓄積が生じ（ＭＥＳＦＥＴを基準として論じている）、この蓄積電荷は、ゲートに印加される周波数には追従しない。
【０００８】
高周波の用途において、炭化珪素やその他のバンド・ギャップが広いデバイスがそのポテンシャルに到達するのを妨げるという、バナジウムによって生ずる問題を回避するために、本発明の譲受人は、バナジウムの使用を回避する半絶縁炭化珪素基板を開発した。このサブジェクト・マター（主題）の説明及び論述は、本願と共に譲渡された米国特許第６，２１８，６８０号"Semi-Insulating Silicon Carbide Without Vanadium Dominations"（バナジウムの支配を受けない半絶縁炭化珪素）、及び２００１年１月１０日に出願されたその継続出願第０９／７５７，９５０号に明記されている。これらの内容は、この言及により、全体が本願にも含まれることとする。
【０００９】
上記した’６８０特許に記載された物質は、バナジウムをドープした物質に対しては大きな利点をもたらすが、この物質の生産には、炭化珪素には殆ど常に存在する、一般的に高い自然の背景量(native background amount)の窒素を処理しなければならない。’６８０特許は、これを較正技術として行っている。このような技術で好結果が得られることが立証されていても、窒素の存在によって、なおも製造又は成長プロセスにおいて困難及び非効率性が生じがちである。即ち、炭化珪素の昇華中に（例えば、米国特許第ＲＥ３４，８６１号）、窒素の集中は時間の経過と共にばらつく傾向がある。加えて、概念的な説明よりも経験的な観察によることであるが、炭化珪素の成長結晶内における窒素の集中は、結晶の幾何学的形状に沿ってばらつく傾向がある。このように、’６８０特許の技術は大きな改善をもたらすことが立証されているが、窒素の排除、又は少なくともその注意深い制御を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、優れた高周波デバイスに必要とされる特性を有し、動作パラメータの範囲を多少広げて生産可能であり、しかもバナジウムや関連するドーパントの欠点を回避する、高抵抗率の炭化珪素基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、高抵抗率の炭化珪素単結晶によって、この目的を達成する。この炭化珪素単結晶は、少なくとも１つの較正（補償）ドーパントを含み、その電子エネルギ・レベルが、炭化珪素のバンドギャップ縁部から十分離間されているかあるいは十分低い濃度（又は双方）であって導電的挙動を回避し、一方、中間ギャップからバンド縁部側に十分離間され、基板がドープ炭化珪素エピタキシャル層と接触しているとき、及び基板内に存在するドーパントの正味の量が、ドーパントの電子エネルギ・レベルにフェルミ・レベルを拘束するのに十分であるときに、中間レベル状態（例えば、トラップ、欠陥、又はドーパント）が生ずるよりも大きなバンド偏移を生じ、炭化珪素結晶の抵抗率が、常温（２９８Ｋ）において少なくとも５０００Ω-ｃｍである。
【００１２】
好適な実施形態では、高抵抗率の結晶即ち基板は、隣接するエピタキシャル層と共に用いられ、所望のバンド屈曲効果を生成する。これについては、本明細書で後に更に詳しく説明する。更に、エピタキシャル層は、現時点において好適な実施形態を代表するが、望ましい偏移は、高抵抗率部分を適切な活性領域に隣接するときにも、得ることができる。適切な活性領域は、別個のエピタキシャル層としてではなく、打ち込み又は拡散ドーピングによって形成された領域を含む。
【００１３】
ここで用いる場合、ドーパントの正味の量とは、ドーピングとして作用する量のことを言う。即ち、他の元素や、点欠陥のような他の単位体による較正がある場合もない場合もある。
【００１４】
これに関して、当業者は、バンドギャップの縁部付近にあるドーパントの方が、中間ギャップ又はその付近でレベルを生成するドーパントよりも、伝導挙動を生ずる可能性が高いことを認めるであろう。このことは、特に、炭化珪素のようなバンドギャップが広い物質に当てはまる。
【００１５】
別の態様では、本発明は、高抵抗率の炭化珪素単結晶であって、窒素と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の（即ち、高い）電子エネルギ・レベルを有する少なくとも１つのアクセプタ元素とを有し、少なくとも１つのアクセプタ元素が、窒素を過剰較正し、炭化珪素基板のフェルミ・レベルを、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束するのに十分な量だけ存在する。
【００１６】
別の態様では、本発明は、高抵抗率の炭化珪素単結晶であって、ある量の電気的に活性な窒素と、アクセプタとして作用する、ある量の電気的に活性な点欠陥と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の電子エネルギ・レベルを有する、ある量の少なくとも１つのアクセプタ元素とを有し、アクセプタ元素及び点欠陥を合わせた量が、電気的に活性な窒素及び固有の点欠陥(intrinsic point defect)を含む他のいずれかの電気的に活性なドナーの量よりも大きい。その結果行われる較正が、炭化珪素単結晶のフェルミ・レベルを、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する。
【００１７】
別の態様では、本発明は、高抵抗率の炭化珪素のバルク単結晶であって、スカンジウムと、硼素と、意図して導入したのではない窒素（即ち、典型的に存在するが、一般に順向ドーピング工程からではない窒素）とを含み、窒素（及び固有の点欠陥を含む、他のあらゆる電気的に活性なドナー）の濃度がスカンジウムの濃度よりも高く、硼素の濃度が、硼素及びスカンジウムを合わせた濃度に対して、窒素（又は他の電気的に活性なドナー）を過剰較正し、炭化珪素のフェルミ・レベルをスカンジウムのレベルに拘束するのに十分である。
【００１８】
更に別の態様では、本発明は、高抵抗率の炭化珪素単結晶であって、電気的に活性な窒素と、ドナーとして作用する電気的に活性な固有の点欠陥と、アクセプタとして作用する電気的に活性な点欠陥と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の電子エネルギ・レベルを有する第１アクセプタ元素と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の電子エネルギ・レベルを有する第２アクセプタ元素とを有し、第１アクセプタ元素のエネルギ・レベルが、第２アクセプタ元素のエネルギ・レベルよりも深く、アクセプタ元素とアクセプタとして作用する点欠陥を合わせた量が、電気的に活性な窒素（及びドナーとして作用する点欠陥）の量よりも大きく、このため炭化珪素基板のフェルミ・レベルを第１アクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する。
【００１９】
本発明の前述の及びその他の目的並びに利点、さらにはこれらを達成する方法は、添付図面に関連付けた、以下の詳細な説明に基づくことにより、一層明白となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、少なくとも１つの較正ドーパントを含む高抵抗率の炭化珪素単結晶であり、その電子エネルギ・レベルが、炭化珪素のバンドギャップ縁部から十分離間されて導電的挙動を回避し、一方、中間ギャップからバンド縁部側に十分離間され、基板がドープ炭化珪素エピタキシャル層と接触しているとき、及び基板内に存在するドーパントの正味の量が、ドーパントの電子エネルギ・レベルにフェルミ・レベルを拘束するのに十分であるときに、中間レベル状態（例えば、トラップ、欠陥、元素）が生ずるよりも大きなバンド偏移を生じ、得られる炭化珪素結晶の抵抗率が、常温（２９８Ｋ）において、少なくとも５，０００Ω-ｃｍである。
【００２１】
本発明は、特に、エピタキシャル層、又は機能的に同等な活性領域（例えば、拡散ドープ又は打ち込みドープ領域）が基板と接触している構造において有利であり、結果として、基板とエピタキシャル層との間の相互作用によって、有利なバンド屈曲効果が生ずる。これについては、本明細書で後に説明する。適切な打ち込み及び拡散技術は、本願と同一譲受人に譲渡された米国特許第６，１０７，１４２号に明記されている。その内容は、この言及により全体が本願にも含まれることとする。
【００２２】
好適な実施形態の中には、炭化珪素の結晶が、真性窒素と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの電子エネルギ・レベルを有する少なくとも１つのアクセプタ元素とを有するものがあり、少なくとも１つのアクセプタ元素は、窒素（及びドナーとして作用する固有の点欠陥）を過剰較正し、炭化珪素基板のフェルミ・レベルを、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束するだけの量が存在する。更に別の好適な実施形態では、高抵抗率の炭化珪素単結晶は、真性電気的活性窒素の存在の下で、アクセプタとして作用するある量の電気的に活性な点欠陥も含む。この実施形態では、アクセプタ元素及び点欠陥を合わせた量が、電気的に活性な窒素の量とドナーとして作用する固有の点欠陥の量の和よりも大きく、炭化珪素単結晶のフェルミ・レベルを、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する。
【００２３】
この点について、本発明は、１つだけのアクセプタ（例えば、硼素又はスカンジウム）の使用も含み、このアクセプタは、アクセプタとして作用する固有の点欠陥の濃度と合わせて、電気的に活性な固有の点欠陥を較正（補償）するのに十分高い濃度を有するので、基板のフェルミ・レベルはこの１つのアクセプタ（硼素又はスカンジウム）又はアクセプタとして作用する固有の点欠陥に拘束される。この点欠陥も、価電子帯に対して０．３〜１．４のエネルギ・レベルを有する。
【００２４】
概念的には、価電子帯に対して０．３〜１．４のエネルギ・レベルを有する電気的に活性な中心は、アクセプタである必要はない。原理的に、この電気的に活性な中心は、ドナーとして作用する固有の点欠陥を含む、「深い」ドナーとすることができる。この場合、他の電気的に活性な中心によるこの深いドナーの較正（補償）によって、価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶのエネルギ・レベルを有するこの深いドナーのエネルギ・レベルにフェルミ・レベルが拘束されることが条件となる。しかしながら、この状況に対する具体的な深いドナーは、これまで未だ特定されていない。
【００２５】
更に好適な実施形態では、高抵抗率の炭化珪素結晶は、電気的に活性の窒素と、アクセプタとして作用する電気的に活性な点欠陥と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの電子エネルギ・レベルを有する第１アクセプタ元素と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの電子エネルギ・レベルを有する第２アクセプタ元素とを有する。この実施形態では、第１アクセプタ元素のエネルギ・レベルが、第２アクセプタ元素のエネルギ・レベルよりも深く、アクセプタ元素と点欠陥を合わせた量が、電気的に活性な窒素の量（及びドナーとして作用する固有の点欠陥の濃度の和）よりも大きく、炭化珪素基板のフェルミ・レベルを第１アクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する。
【００２６】
別の態様では、本発明による高抵抗率の炭化珪素の単結晶は、真性（intrinsic）窒素と、スカンジウムと、硼素とを有し、窒素の濃度が、スカンジウムの濃度よりも高く、硼素の濃度が、硼素及びスカンジウムの合計濃度に対して、窒素（及びドナーとして作用するあらゆる真性点結晶）を較正し、炭化珪素のフェルミ・レベルをスカンジウムのレベル（即ち、最も高い部分的占有レベル）に拘束するのに十分である。
【００２７】
最も好適な実施形態では、高抵抗率の炭化珪素のバルク単結晶は、活性化濃度が約５Ｅ１５〜３Ｅ１６立方ｃｍ（ｃｍ−３）の濃度の窒素と、１Ｅ１６ｃｍ−３の濃度の硼素と、約１Ｅ１５〜２Ｅ１６ｃｍ−３の濃度のスカンジウムと、約１Ｅ１４〜３Ｅ１６ｃｍ−３の濃度の点欠陥と、常温にて少なくとも５，０００Ω-ｃｍの抵抗率とを有する。ここで用いる場合、「５Ｅ１５」のような表現は、指数値としての通常良く知られている意味を有する。即ち、５Ｅ１５は、５×１０１５ｃｍ−３の省略である。
【００２８】
これに関して、本発明の実施形態の全ては、常温で少なくとも５，０００Ω-ｃｍの抵抗率、更に好ましくは常温で少なくとも１０，０００Ω-ｃｍの抵抗率、そして最も好ましくは常温で少なくとも５０，０００Ω-ｃｍの抵抗率を有する炭化珪素基板を含む。
【００２９】
背景技術で明記したように、そして、この明細書中の図面の説明に関して例示するように、本発明は、半導体構造全体と関連付けると最も良くわかる。一方、このような半導体構造は、半導体デバイスの一部、特にトランジスタであり、電界効果トランジスタ及び関連するデバイスであることが多い。これに関して、本発明は、更に、ここに記載したような炭化珪素基板上に、炭化珪素のエピタキシャル層を備える半導体構造も含む。更に、炭化珪素において最も一般的な真性ドーピング元素は窒素であるので、較正原子は、スカンジウム及び硼素のようなドナーであり、したがって、半絶縁炭化珪素構造は、炭化珪素のｎ型エピタキシャル層と共に用いることが多い。
【００３０】
したがって、別の態様では、本発明は、ここに記載したエピタキシャル層及び炭化珪素基板を組み込んだ半導体構造を含むトランジスタ、特に電界効果トランジスタを含む。
高抵抗率の単結晶基板に用いる炭化珪素のポリタイプは、炭化珪素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなる群から選択することが好ましい。
【００３１】
炭化珪素基板上における炭化珪素エピタキシャル層（「エピ層」）の成長は、例えば、米国特許第４，９１２，０６４号、第５，０１１，５４９号、及び第５，１１９，５４０号の開示によって例示されており、ここでは、これ以上詳細に論じない。このような成長は、当技術分野では比較的十分に知られており、当業者であれば、過度な経験がなくても、実施することができる。
【００３２】
多くの態様において、本発明は、図面と関連付けると、最も良く理解することができる。尚、明確化のために、図面は実際にはいくらか簡略化していることは理解されよう。即ち、図面は、本発明が具体的なドーパント元素を組み入れる方法を図示している。しかしながら、図面は、固有の点欠陥のバンド位置やエネルギ・レベルを図解しようとしているのではなく、このような図面は、特定のドーパントのエネルギ・レベルを図示するものと変わりないことが理解されよう。
【００３３】
図１は、炭化珪素のバンドギャップ（約３ｅＶ）の概略図であり、炭化珪素の伝導帯１０及び価電子帯１１から約１．５ｅＶ離れた所にフェルミ・レベルを形成するバナジウム（Ｖ）によって生成されるとラッピング（捕獲）レベルを示す。全体的に、図１は概略的に従来技術を示す。
【００３４】
図２は、１４で全体的に示す金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）の概略断面図である。ＭＥＳＦＥＴ１４は、半絶縁炭化珪素基板１５と、ｎ型炭化珪素エピタキシャル層１６とを含む。ＭＥＳＦＥＴの設計及び目的によっては、エピタキシャル層はｐ型又はｎ型のいずれでも可能であるが、一般的にはｎ型である。ソース・コンタクトを１７で示し、ゲート・コンタクトを２０で示し、ドレイン・コンタクトを２１で示す。当業者には良くわかるであろうが、負電位をゲート２０に印加すると、破線２２で示す空乏領域が発生し、チャネルの導電性を変調する。
【００３５】
ＭＥＳＦＥＴ及び多くのその他の半導体デバイスの動作は、当技術分野では総じて良く理解されている。多種多様な資料から該当する論述が得られる。資料の一例として、Szeの Physics of Semiconductor Devices（半導体デバイスの物理学）, 2nd Ed (1981) John Wiley & Sons, Inc.、及びその参考書、Szeの Modern Semiconductor Device Physics（現在の半導体デバイス物理学）, (1998) John Wiley & Sons, Inc.をあげておく。この点について、ここではＭＥＳＦＥＴ構造に関して本発明を説明するが、本発明は他のデバイス構造にも適用可能であることは理解されるであろう。
【００３６】
本発明の利点を紹介するために、図２は、グループとして２３で示す複数の捕獲電子と、対応する１群のホール２４も概略的に示す。ホール２４は、電子２３によって引き付けられる。ＭＥＳＦＥＴの動作におけるトラッピング及び「バックゲーティング」(backgating)効果の正確な機構は、完全にはわかっていない。本発明者は、いずれの特定の理論にも縛られることを望まないが、ＳｉＣ ＭＥＳＦＥＴ動作に伴う高電界のために、バナジウムの直前の空ドナー状態において、電子がある時間トラッピングされることは、可能であろう。
【００３７】
図３及び図４は、バナジウムをドープした半絶縁炭化珪素を、窒素をドープしたｎ型炭化珪素に接触させたとき（通常、基板とエピ層の関係）に得られる特性を示すバンド図である。
【００３８】
図３は、全体的に２５で示す半絶縁炭化珪素を、その価電子帯１１、伝導帯１０、及びフェルミ・レベル１２と共に示す点で、図１といくらか似通っている。図３の右側部分は、同様に、窒素をドープしたｎ型炭化珪素エピタキシャル層の見本を示し、これも同じ価電子帯１１及び同じ伝導帯１０を同様に有するが、そのフェルミ・レベル２６は、バナジウムをドープした基板とは異なる位置にある。
【００３９】
フェルミ・レベル１２及び２６の位置、及びこのような位置の背後にある理論は、一般に、当技術分野では良く理解されており（例えば、先に提示したSzeの文献）、本発明を説明するために必要な事項以外は、ここでは詳しく説明しない。
【００４０】
図４は、エピタキシャル層２７及び半絶縁炭化珪素基板を合わせた（即ち、基板及びエピ層として）場合のバンドギャップを、典型的な電界効果トランジスタにおける場合として示す。まず、バンド理論から良くわかることだが、２つの物質を合わせると、フェルミ・レベルはこれらの間で平衡を保ち、これを図４の破線３０で示す。共通フェルミ・レベル３０のために、そしてフェルミ・レベル３０並びに伝導帯及び価電子帯間の関係が図４の半絶縁部分２５及びエピタキシャル部分２７にも同様に残っているために、伝導帯及び価電子帯が互いにずれて、エピタキシャル層から基板への電子の流れ（図４では右から左）に、図４においてＥＢで示すエネルギ・バリアが生じ、更に対応するバリアＥＨが基板２５からエピタキシャル層２７へのホールの流れ（左から右）に生ずる。
【００４１】
基礎量子機構の当業者には良くわかっているであろうが、電子が図４に示すバリアＥＢを乗り越える又は通り抜けることができる確率は、多数の要因に依存するが、その内で最も重要な１つは、バリアのサイズ（高さ）である。つまり、他の要因が全て等しければ、エネルギ・バリアＥＢ（及び対応するバリアＥＨ）が大きい程、半絶縁基板２５及びエピタキシャル層２７間で前後に移動可能な電子及びホールは少なくなる。このような現象の防止は、電界効果トランジスタに高抵抗率基板を用いる目的の１つであるので、バリアＥＢ及びＥＨを大きくすることができる程、その結果得られるデバイスの性能が一層向上することが期待される。更に、バリアＥＢ及びＥＨが大きい程、得られるデバイスの降伏電圧（ＶＢ）も高くなる。
【００４２】
図５及び図６は、概略的に図３及び図４における図に対応するバンド図であるが、図５及び図６は、本発明の作用効果を示している。まず、図５では、本発明による高抵抗率物質が全体的に３１で示されている。図１及び図３におけると同様、伝導帯を１０で示し、価電子帯を１１で示す。本発明は基板のフェルミ・レベルを変化させるので、図５ではフェルミ・レベルを３２で示す。図５の右側部分は、それ以外では、図３の右側部分と同一であり、ｎ型の窒素をドープした炭化珪素エピタキシャル層２７を、その伝導帯１０、価電子帯１１、及びフェルミ・レベル２６と共に示している。
【００４３】
図５を図３と比較すると、基板のフェルミ・レベル３２とｎ型エピタキシャル層２７のフェルミ・レベル２６との間の差が、図３に示されている、これに相当する差よりもかなり大きいことがわかる。
【００４４】
これに応じて、図６は、本発明にしたがってエピタキシャル層２７を基板３１上に配したときのバンドギャップ図を示す。その結果生じたフェルミ層を３３で示す。図４に関して説明したように、接触する物質のフェルミ・レベルが共通であるために、物質が接触すると、伝導帯及び価電子帯は互いにずれる。更に、図５及び図６のバンドは、共通のフェルミ・レベル３３を維持するためには、互いに対して更に移動しなければならないので、図６に示す電子に対するバリアＥＢは、図４における同じバリアよりも遥かに大きくなる。同様に、ホールに対するバリアＥＨも、図４に概略的に示す物質における対応するバリアよりも、同様に高くなる。したがって、予想したように、そして図４に関して論じたように、電子がバリアＥＢを交差する（そして、ホールがバリアＥＨを交差する）確率は、本発明の高抵抗率炭化珪素基板を用いると、大幅に低下する。その結果、本発明の基板上に形成される電界効果トランジスタは、図４に概略的に示した物質上に形成されるものよりも、遥かに高い性能を発揮することが予想される。
【００４５】
図７及び図８は、概略的に、明細書及び特許請求の範囲に明記した、ドナー、アクセプタ、及び、得られる状態の間における多数の関係の一部を示す。図７及び図８は双方共、概略的に、本発明による半絶縁物質３１のバンドギャップを示し、図５と同じ参照番号を用いている。同様に、図７及び図８は、基板内に窒素のみ（少なくとも結晶の特性に影響を及ぼし得るだけの量の）が存在する場合に確立するフェルミ・レベル２６を示す。また、図７及び図８は、複数の得られる状態も示すが、その一部３６はスカンジウムの存在によって得られ、別のもの３７は硼素によって得られる。
【００４６】
本発明を単刀直入に示すために、図７は、本発明によるドーピングを行わない場合に、フェルミ・レベル２６を占める電子４０を、多少簡略化して示す。本発明によるドーピングを行わないと、これらの電子は、当該物質において、最高に充填したバンド又は部分的に充填したバンドを表し、したがってフェルミ・レベルを確立する。
【００４７】
しかしながら、図８に示すように、一例として硼素及びスカンジウムが存在し、それぞれの状態３７（硼素から）及び３６（スカンジウムから）が生じた場合、元のフェルミ・レベル２６を占めるはずの電子は、代わりに、得られる最低のエネルギ・レベルを優先的に満たす。この場合、そのレベルを図８では破線４１で示す。図８は、電子４０に可能な６つの位置を例示の目的で示したが、１０個の電子の内６個がレベル４１を占める。残りの４つの電子は、スカンジウムのエネルギ・レベル４２を占める。これも図８に示すが、これを満たすことはない。したがって、部分的に満たされたスカンジウム・レベル４２が、当該物質のフェルミ・レベルを確立する。このようにすることによって、フェルミ・レベルは、炭化珪素半絶縁物質において、スカンジウム・ドーパントに「拘束された」(pinned)と称する。
【００４８】
以上、過度な経験をしなくとも本発明を実施可能とするために、ある種の好適な実施形態を参照しながら本発明について詳細に説明した。当業者であれば、構成要素及びパラメータの多くは、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、ある程度まで変更又は修正可能であることは容易に認めるであろう。更に、名称、表題などは、読者の本文書の理解を高めるために提示したのであって、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきものではないことは、当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】バナジウムを用いて製作した半絶縁炭化珪素の概略的なバンド図である。
【図２】図１に概略的に図示した形式の炭化珪素物質において、望ましくない電子の結集を概略的に示す、基本的な金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）の図である。
【図３】図１に示したようにバナジウム、及び窒素をドープしたｎ型炭化珪素を用いた半絶縁炭化珪素のバンド図である。
【図４】基板−エピ層関係におけるように、図３に示した物質が互いに隣接する場合に発生するバンドの屈曲を示す図である。
【図５】図３と同様であるが、本発明にしたがって、半絶縁炭化珪素がフェルミ・レベルを有する場合における、２種類のバンド図である。
【図６】図４と同様であるが、本発明にしたがって、窒素をドープしたｎ型炭化珪素に半絶縁炭化珪素を隣接させた場合に発生するバンドの屈曲を示すバンド図である。
【図７】炭化珪素の別のバンド図であり、本発明によるドーパントがない場合のフェルミ・レベルの位置を示し、更に本発明によるドーパントを含ませた場合に潜在的に得られる可能性がある状態も示す図である。
【図８】本発明によって得られる状態によって拘束した新たなフェルミ・レベルを示す、本発明による半絶縁炭化珪素の概略的なバンド図である。
Claims (22)
- 半導体構造において、該構造は、
炭化珪素単結晶基板と、
前記基板に隣接した炭化珪素のドープ領域と、
を備え、
前記基板が、少なくとも１つの較正ドーパントを含み、該ドーパントの電子エネルギ・レベルが、前記炭化珪素のバンドギャップ縁部から十分離間されていることによって導電的挙動を回避し、一方、中間ギャップから前記バンド縁部側に十分離間されていることによって、前記基板が前記ドープ領域と接触しているとき、及び前記基板内に存在する前記ドーパントの正味の量が、前記ドーパントの電子エネルギ・レベルに前記基板のフェルミ・レベルを拘束するのに十分であるときに、中間レベル状態で生ずるよりも大きなバンド偏移を、前記基板及び前記ドープ領域の間に生じ、
前記炭化珪素基板の抵抗率が、常温（２９８Ｋ）において少なくとも５０００Ω-ｃｍであることを特徴とする半導体構造。 - 請求項１記載の炭化珪素構造において、前記基板は、ドーパント及び固有の点欠陥によって較正されることを特徴とする炭化珪素構造。
- 請求項２記載の炭化珪素構造において、前記ドーパントは窒素であり、前記較正ドーパントはスカンジウムであることを特徴とする炭化珪素構造。
- 請求項３記載の炭化珪素構造において、該構造は更に、硼素を第２較正ドーパントとして含み、
前記硼素の濃度が前記スカンジウムの濃度よりも高く、
前記硼素、前記点欠陥及び前記スカンジウムの正味の濃度が、真性の前記窒素の存在の下で、前記フェルミ・レベルを前記スカンジウムのレベルに拘束するのに十分であることを特徴とする炭化珪素構造。 - 請求項４記載の炭化珪素構造において、前記窒素からの電子が、前記硼素のエネルギ・レベルを充填し、前記スカンジウムのエネルギ・レベルを部分的に充填することを特徴とする炭化珪素構造。
- 請求項１記載の炭化珪素構造において、前記隣接ドープ領域は、ドーパント打ち込み領域、ドーパント拡散領域、及びエピタキシャル層からなる群から選択されることを特徴とする炭化珪素構造。
- 炭化珪素単結晶において、該結晶は、
窒素と、
単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の電子エネルギ・レベルを有する少なくとも１つのアクセプタ元素と
を有し、
前記少なくとも１つのアクセプタ元素は、窒素を過剰較正し、かつ、前記炭化珪素基板のフェルミ・レベルを、前記少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束するだけの量が存在することを特徴とする炭化珪素単結晶。 - 請求項７記載の炭化珪素単結晶であって、ドナーとして作用する別の固有の点欠陥を有し、前記少なくとも１つのアクセプタ元素は、窒素及び前記ドナーとして作用する該別の固有の点欠陥を過剰較正し、かつ、前記炭化珪素基板のフェルミ・レベルを、前記少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束するだけの量が存在することを特徴とする炭化珪素単結晶。
- 請求項７記載の炭化珪素基板において、該基板は、２以上のアクセプタ元素を有することを特徴とする炭化珪素基板。
- 炭化珪素単結晶において、該結晶は、
ある量の電気的に活性の窒素と、
アクセプタとして作用する、ある量の電気的に活性な点欠陥と、
単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの間の電子エネルギ・レベルを有する、ある量の少なくとも１つのアクセプタ元素と、
を有し、
前記アクセプタ元素及び前記点欠陥を合わせた量が、前記電気的に活性な窒素の量よりも大きく、前記炭化珪素単結晶のフェルミ・レベルを、前記少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する
ことを特徴とする炭化珪素単結晶。 - 炭化珪素のバルク単結晶において、該結晶は、
意図して導入したものではない窒素と、
スカンジウムと、
硼素と
を有し、
前記窒素の濃度が前記スカンジウムの濃度よりも高く、
前記硼素の濃度が、前記硼素及びスカンジウムを合わせた濃度に対して、前記窒素を較正し、前記炭化珪素のフェルミ・レベルを前記スカンジウムのレベルに拘束するのに十分である
ことを特徴とする炭化珪素のバルク単結晶。 - 半導体構造であって、請求項７、１０及び１１のいずれかに記載の炭化珪素基板上に、炭化珪素のｎ型エピタキシャル層を備えていることを特徴とする半導体構造。
- 炭化珪素のバルク単結晶において、該結晶は、
約５Ｅ１５〜３Ｅ１６ｃｍ−３の濃度の窒素と、
１Ｅ１６ｃｍ−３の濃度の硼素と、
約１Ｅ１５〜２Ｅ１６ｃｍ−３の濃度のスカンジウムと、
約１Ｅ１４〜３Ｅ１６ｃｍ−３の濃度の点欠陥と、
常温にて少なくとも５０００Ω-ｃｍの抵抗率と
を有することを特徴とする炭化珪素のバルク単結晶。 - 金属半導体電界効果トランジスタであって、請求項１３記載の半絶縁基板結晶からなることを特徴とする金属半導体電界効果トランジスタ。
- 炭化珪素単結晶において、該結晶は、
電気的に活性な窒素と、
アクセプタとして作用する電気的に活性な点欠陥と、
単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの電子エネルギ・レベルを有する第１アクセプタ元素と、
単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４ｅＶの電子エネルギ・レベルを有する第２アクセプタ元素と
を有し、
前記第１アクセプタ元素の前記エネルギ・レベルが、前記第２アクセプタ元素の前記エネルギ・レベルよりも深く、
前記第２アクセプタ元素の濃度が、前記第１アクセプタ元素の量よりも大きく、
前記アクセプタ元素と前記点欠陥を合わせた量が、前記電気的に活性な窒素の量よりも大きく、前記炭化珪素基板のフェルミ・レベルを前記第１アクセプタ元素の電子エネルギ・レベルに拘束する
ことを特徴とする炭化珪素単結晶。 - 半導体構造であって、請求項１３又は請求項１５記載の炭化珪素基板上に、炭化珪素のｎ型エピタキシャル層を備える半導体構造。
- 電界効果トランジスタであって、請求項７、１０、１２、及び１６のいずれかに記載の半導体構造を含む電界効果トランジスタ。
- 請求項７、１０、及び１５のいずれかに記載の炭化珪素単結晶において、前記アクセプタ元素はスカンジウム及び硼素からなる群から選択されていることを特徴とする炭化珪素単結晶。
- 請求項１、７、１０、１１、１３、及び１５いずれかに記載の炭化珪素単結晶において、前記炭化珪素のポリタイプは、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなる群から選択されていることを特徴とする炭化珪素単結晶。
- 請求項７、１０、１１、１３、及び１５いずれかに記載の炭化珪素単結晶において、該結晶は、常温にて少なくとも５，０００Ω-ｃｍの抵抗率を有することを特徴とする炭化珪素単結晶。
- 請求項１、７、１０、１１、１３、及び１５いずれかに記載の炭化珪素単結晶において、該結晶は、常温にて少なくとも１０，０００Ω-ｃｍの抵抗率を有することを特徴とする炭化珪素単結晶。
- 請求項１、７、１０、１１、１３、及び１５いずれかに記載の炭化珪素単結晶において、該結晶は、常温にて少なくとも５０，０００Ω-ｃｍの抵抗率を有することを特徴とする炭化珪素単結晶。
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