JP2005531145A - 高純度炭化珪素結晶において半絶縁性抵抗率を生成する方法 - Google Patents

Abstract

深準位トラッピング元素の適量が存在していない状態で、高品質半絶縁性炭化珪素結晶を製造する方法を開示する。本発明は、ソースガスから炭化珪素をＣＶＤ成長させるために必要とされる温度を超えているが、周囲条件下での炭化珪素の昇華温度は下回っている温度まで、点欠陥と関連がある深準位状態の第一濃度を有する炭化珪素結晶を加熱し、それによって、炭化珪素結晶における点欠陥の数及びそれから生じる状態数を熱力学的に増加させる工程、及び次に、その第一濃度に比べてより高濃度のままである冷却された結晶において点欠陥の濃度を維持するのに充分に迅速な速度で、室温まで近づける工程を含む。

Description

発明の分野
本発明は、半絶縁性炭化珪素単結晶に関するものであり、詳しくは、本発明は、任意の補償浅いドーパントの正味濃度に比べてより多くの量で（すなわち、補償されていない浅いドーパントに比べてより多くの量で）真性点欠陥を有し、そしてそれから生じる深準位電子状態を有する高純度半絶縁性炭化珪素単結晶基板を形成し、且つデバイス製造の追加のプロセス工程中において、前記炭化珪素基板の半絶縁性品質を維持する方法に関する。

発明の背景
本発明は、共通に譲渡された米国特許第６，２１８，６８０号（‘６８０特許）；第６，３９６，０８０号；第６，４０３，９８２号；及び第６，５０７，０４６号、及び同時係属出願第０９／８１０，８３０号（Ｎｏ．２００１−００１７３７４として公開された）に記載されている発明に関する。
‘６８０特許及び関連特許に記載されているように、半絶縁特性を生成する深準位状態を創出するためにドーパントとしてバナジウムを用いずに、半絶縁性炭化珪素を製造できることが発見された。

バナジウムは半絶縁性炭化珪素結晶を生成できるが、バナジウムが存在していると、バックゲーティング効果の生成が観察された；すなわち、バナジウム上のトラップされた陰電荷が、バナジウムでドープされた結晶が半絶縁性基板として用いられるデバイスにおいてグローインゲート（ｇｒｏｗｎ−ｉｎ ｇａｔｅ）として作用するのが観察された。而して、 多くのデバイスを考慮すると、バナジウムは避けたほうがよい。
‘６８０特許及び関連特許では、ドナードーパント、アクセプタードーパント、及び深準位状態を生成する真性点欠陥を含む半絶縁性炭化珪素結晶が説明されている。真性点欠陥の濃度が、ドナー濃度とアクセプター濃度との差を超えるとき、真性点欠陥から生じる深準位電子状態は、バナジウムの作用が存在しない（すなわち、結晶の電子特性に影響を及ぼし得る存在を下回る最少の存在を含む）半絶縁特性を提供できる。

デバイス、特にマイクロ波デバイスにおける半絶縁性基板に関する要求条件及び利点、及び炭化珪素半絶縁性基板に関連のある且つ特有な要求条件は、‘６８０特許及び関連特許に詳細に記載されており、また、一般的に、背景的観点から当業では充分に理解されている。而して、本願明細書では前記要求条件については繰り返さない。参照のために、それに関する考察は、‘６８０特許の１段１４行目から３段３３行目に記載されている。

しかしながら、この考察には、インターネットアクセス及び関連サービスの高帯域幅伝送を含む無線通信サービスに関する需要が増え続けていることにより、前記伝送をサポートできるデバイス及び回路に関する対応需要が促進され、そしてその結果として、要求される能力を有するデバイスを製造できる材料、例えば半絶縁性炭化珪素が求められているということを付言すべきである。

而して、‘６８０特許は、優れたマイクロ波性能は、高純度でバナジウムを含有していない半絶縁性単結晶炭化珪素基板に基づいて炭化珪素電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）及び関連デバイスを作製することにより達成できることを説明している。‘６８０特許に記載されているように、基板は、炭化珪素バンドギャップの中間近傍に存在している真性（関連のある点欠陥）深準位電子状態の存在から、基板の半絶縁特性を誘導する。真性深準位状態は、一般的に、高温における結晶ブールの成長中に発生する。基板ウェーハは、当業において一般的に充分に理解されている方法で前記結晶ブールから切断される。

これらの基板を組み込んでいるデバイスでは、また、適当な低損失ＲＦ性能を提供するために、基板は、継続的にその半絶縁特性を維持することによって、低損失誘電媒体として機能しなければならない。半絶縁性挙動を維持する能力は、基板における真性深準位状態の総数に左右される。現在の実務では、真性深準位の密度が充分に高くない場合、基板の半絶縁特性は、半絶縁性炭化珪素ウェーハに関して又は前記ウェーハを用いて次の工程が行われるときに、低減されるか又は機能的に排除され得ることが実際に観察された。前記工程は、半絶縁性炭化珪素ウェーハ上における、約１４００℃を超える温度（温度は例示である）でのエピタキシャル層の成長を含む。それにより、ウェーハ上に形成できる又はウェーハを組み込んでいる有用なデバイスの数が減少する。

発明者はいずれの特定の理論によって束縛されることを望まないが、このタイプの半絶縁性炭化珪素基板ウェーハが、ある範囲の温度に曝露されると、その後の加工は、点欠陥の数を減少させるアニールとして機能し得ると考えられる。このことは、より高品質の結晶が創出されるということで肯定的に考えることができるが、基板ウェーハの半絶縁特性が、真性点欠陥の数に基づいている場合には短所となる。

換言すれば、充分な時間、特定の温度範囲内に維持する場合、結晶の平衡又は近平衡は、点欠陥の数が減少する平衡へと移動する；すなわち、充分に理解されている熱力学的法則にしたがって予期される様式で、より高い温度のときに比べてより低い温度において、結晶は、より規則正しくなる（点欠陥がより少なくなる）。

而して、‘６８０特許に記載されている利点を取り入れていて、且つ半絶縁性炭化珪素基板ウェーハ上でのデバイス及び回路のその後の製造中に及び半絶縁特性炭化珪素基板ウェーハを組み込んでいるデバイス及び回路のその後の製造中にこれらの利点を維持できる炭化珪素基板ウェーハに関するニーズが存在している。

発明の目的及び概要
而して、本発明の目的は、高純度炭化珪素結晶において半絶縁性抵抗率を生成させることであり、また、その後のデバイス加工及び製造中に及び後にそれらの半絶縁特性を維持する炭化珪素結晶を生成させる方法に関する。

本発明は、深準位のトラッピング元素の適量が存在していない状態で、高品質半絶縁性炭化珪素結晶を製造する方法によって、目的を達成する。本方法は、ソースガスから炭化珪素をＣＶＤ成長させるために必要とされる温度は超えているが、周囲条件下で不都合なことに炭化珪素の昇華が高速で起こる温度は下回っている温度まで炭化珪素結晶を加熱し、それによって、炭化珪素結晶における点欠陥の濃度及びそれから生じる状態の濃度（すなわち、単位体積あたりの数）を熱力学的に増大させる工程；及び次に、その加熱された結晶を、結晶中へと消失される又は再アニールされるほど充分に欠陥が移動性である温度範囲における時間の経過を最少にするほど充分に迅速に室温近くまで冷却し、それによって、前記のように加熱及び冷却されなかった他の点では全く同じに成長された炭化珪素結晶における点欠陥状態の濃度を超えている点欠陥状態の濃度を有する炭化珪素結晶を製造する工程を含む。 別の面では、本発明は、本発明方法によって作られた半絶縁性炭化珪素結晶である。

更に別の面では、本発明は、半絶縁性基板上で半導体デバイス前駆体を製造する方法である。この面では、本発明は、少なくとも約２０００℃の温度まで炭化珪素基板ウェーハを加熱する工程、次に、その加熱されたウェーハを少なくとも約３０℃／分の速度で室温近くまで冷却する工程、更に次に、基板ウェーハ上に半導体材料のエピタキシャル層を堆積させる工程を含む。

本発明の上記及び他の目的と利点、及びそれらを達成する方法は、添付の図面と以下の詳細な説明から更に明確になる。
詳細な説明
発明者は、いずれの特定の理論によって束縛されたくないが、発明の性質は、熱力学的観点から最もよく理解できる。上記したように、本発明の一つの目的は、バナジウムの使用を回避して、炭化珪素において半絶縁特性を生成させることである。その代わりとして、本発明は、通常の半導体加工及びデバイス製造の後に残留している濃度が半絶縁特性を生成させるのに必要な数を超えるように、炭化珪素において充分に高濃度の点欠陥状態を創出する。

炭化珪素の性質及び半絶縁特性に関する基礎に精通している当業者は、この要求条件を満たす点欠陥の特定の数又は濃度は存在しないことを認識している。それよりも、本発明の目的は、導電特性に寄与できると考えられる格子中に存在する他のドーパント（点欠陥を含む）の濃度を最低にし、次に、所望の半絶縁特性を創出するアイテムの濃度、この場合は点欠陥及びそれらが創出する状態の濃度を前記ドーパント濃度に比べて高くすることにある。

換言すれば、補償された結晶では、所望の深準位状態及びそれから生じる半絶縁特性を生成する点欠陥の濃度は、浅い補償ドーパントの正味の濃度に比べてより高濃度でなければならない。而して、炭化珪素の半絶縁性補償結晶は、アクセプター原子及びドナー原子の両方を比較的高い濃度で有することができ、その場合、点欠陥の数は、前記２つの濃度間の差を上回っている。点欠陥の濃度は、任意の補償されていない浅いドーパントを超えるのに必要とされる濃度として表すこともできる。

しかしながら、潜在的に補償しているドナー原子及びアクセプター原子の数を最小にするのにより有効であること、而して、関連のある数的差異を超えるのに必要とされる点欠陥の数を最小にするのにより有効であることを一般的に見出した。例えば（及び考察のためのみ）、ドナー原子の濃度が２Ｅ１７（２ｘ１０^１７ｃｍ^−３）であり、及びアクセプター原子の濃度が３Ｅ１７（３ｘ１０^１７ｃｍ^−３）である場合、点欠陥の濃度は、１Ｅ１７（すなわち、３Ｅ１７〜２Ｅ１７）を超えていなければならないと考えられる。而して、ドナー原子及びアクセプター原子の数（濃度）を最小にすることは、本発明を実施する必須ではないが好ましい方法である。その理由は、それにより、結晶において半絶縁特性を生成させるために創出される必要がある状態数が低減されるからである。

本発明の最も広い面では、本発明は、深準位トラッピング元素の適量が存在していない状態で、高品質半絶縁性炭化珪素結晶を製造する方法である。
この面では、本発明は、ソースガスからの炭化珪素の化学気相堆積（ＣＶＤ）に必要とされる温度を上回っているが、周囲条件下での炭化珪素の高速昇華が不都合にも起こる温度を下回っている温度まで炭化珪素結晶を加熱し、それによって、結晶における点欠陥及びそれから生じる状態の濃度を熱力学的に増加させる工程を含む。

出発結晶は、好ましくは高純度であり、且つ米国再発行特許第３４，８６１号（第４，８６６，００５号から再発行された）に記載されているか又はＭｕｅｌｌｅｒ，Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ＳｉＣ Ｂｕｌｋ Ｇｒｏｗｔｈ ｆｒｏｍ ａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｏｉｎｔ ｏｆ Ｖｉｅｗ， Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ．Ｇｒｏｗｔｈ ｖ．２１１ Ｎｏ．１（２０００） ｐｐ３２５−３３２で考察されているような種結晶を用いた昇華法によって製造される。

次に、本方法は、冷却された結晶中の点欠陥濃度を第一濃度に比べて高濃度のに維持するのに充分に迅速な速度で、その加熱された結晶を冷却して室温に接近させる工程を含む。

表現をいくぶん変えれば、本発明は、本発明は、加熱工程によって創出された欠陥（それらに限定されない）を含む欠陥が、結晶中に再アニールされるほどに充分に移動性である温度範囲において経過する時間を短時間にするのに充分に迅速な速度で室温まで接近させるために加熱された結晶を冷却し、それによって、本方法で加熱及び冷却されなかった他の点では全く同じに成長された炭化珪素結晶における点欠陥関連深準位状態の濃度を超えている前記状態の濃度を有する炭化珪素結晶を製造する工程を含む。

炭化珪素は、単結晶炭化珪素ウェーハ又は単結晶炭化珪素ブール（ブールは典型的には単結晶構造と規定される）の形態で加熱できる。最も好ましい態様では、結晶は、炭化珪素の３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，及び１５Ｒのポリタイプから選択されるポリタイプを有する。より好ましい態様では、本方法は、補償された炭化珪素結晶を加熱し冷却する工程を含み、最も好ましい態様では、最も濃縮されたドーパントが約５Ｅ１６以下の量で存在する補償された結晶を加熱し冷却する工程を含む。上記したように、補償された結晶を用いるとき、本方法は、結晶を加熱し冷却して、点欠陥の数を、補償されていない浅いドーパントの濃度に比べてより多くする工程を含む。通常の状況下では、冷却工程は、加熱された結晶を室温まで冷却する工程を含む。而して、発明の別の面では、本発明は、本発明の方法及びその様々な態様によって作られた半絶縁性炭化珪素結晶である。

好ましい態様では、炭化珪素結晶を加熱する工程は、少なくとも約２０００℃の温度まで前記結晶を加熱することを含む。２０００℃は正確な又は必須の下限ではないが、点欠陥の発生は、熱力学的に活性化されると想定されるので、おそらくは、温度と、これらの欠陥の濃度との間の指数関数的関係を含む。好ましく且つ有用な数の点欠陥が２０００℃以上の温度で発生することが観察された。

最も好ましい態様では、結晶は、大気圧下で、約２０００℃〜約２４００℃の温度まで加熱される。これらの温度は、大気圧下で、有用な範囲を提供する。２４００℃を超える温度では、炭化珪素は、明白に高速で昇華する傾向があるので、２４００℃を超える温度は、大気圧下では、あまり好ましくないか又は不利である。

昇華は比較的広範囲な高い温度で起こり得ることは、炭化珪素の物理的性質に精通している当業者によって理解される。この範囲の低い部分では、昇華速度は、殆ど又は全く考慮する必要がないほど充分に小さい。しかしながら、この範囲の高い部分では、昇華速度は短所になるほどに充分に高速である。而して、本発明方法の上限温度は、特定の状況では面倒な問題であると認められる主観的程度の昇華によってある程度まで制限される。上記したように、大気圧下では、２４００℃は、適当な上限であると認められるが、絶対的なものではない。

温度を２０００℃以上に上げる目的は、熱力学的目的であり：通常予期される方法において、結晶のエントロピーは、温度が高くなればなるほど大きくなり、而して、半絶縁特性を生成できるより多くの点欠陥及びそれから生じる状態はより高い温度で存在する。更に、炭化珪素、及び結晶の熱力学に精通している当業者は、温度が高くなると、より低い温度では生じない追加のタイプの状態が存在し得ることを理解する。加熱された結晶が本発明にしたがって適当に冷却される場合、これらの追加のタイプの状態は、保存でき、且つ所望の半絶縁特性に寄与する。

而して、これらの温度まで結晶を加熱すると、より無秩序な結晶が創出され、且つ、本発明は、結晶が室温に戻されるときに、その結晶中にこれらの所望の状態を（相対的な意味で）凝固させる。結晶が、例えば約１４００℃を超えるような中間温度範囲において非常に長い時間滞留する場合、結晶は、上記アニールプロセスに曝露され、そして結晶が規則正しくなるにつれて状態が消失する（又は不要な数まで関数的に減少する）異なる平衡又は近平衡の状態に達することができるので、冷却工程は重要である。

好ましい上限である２４００℃に関して、この上限は、絶対圧力ではなくむしろ大気圧において実用的な制限であることは、炭化珪素及び結晶成長技術に精通している当業者によって理解される。換言すれば、２４００℃は、大気圧で動作する比較的典型的な装置を用いる場合に好ましい上限温度である。この分野で期待される通常の技術を有する当業者は、不要な実験を行わずに、より高い温度での加熱を実行できると考えられるが、被覆する珪素及び炭素雰囲気を組み込んでいるような追加の装置及び技術を加えるか又はいくつかの他の高圧技術を用いて、そのようにより高い温度で統計的に有意な量で発生し始める炭化珪素の昇華を防止しなければならないと考えられる。

而して、本発明方法は、実用的な温度と同じ温度まで結晶を加熱して、結晶の分解又は昇華を防止又は最小にしながら、結晶中にできるだけ多くの状態を生成させる。
加熱工程中に、好ましくは、結晶を、少なくとも約２分間、すなわち実用的及び機能的なことを考慮した時間、高温に維持する。実用的な観点から、殆どの状況下では、この温度まで炭化珪素結晶を加熱するには数分間掛かる。機能的な観点から、加熱工程は、結晶が、望ましく発生される状態に関して平衡又は近平衡の条件に達するのに充分な時間も提供する。加熱時間は、現在のところでは、機能的には、望ましい状態数を有する結晶において熱的平衡又は近平衡を得るのに充分な時間であると最もよく表現される。殆んどの適当な又は制限された用語の意味では、結晶は完全平衡に達する必要はないが、本願明細書で用いられる用語は、結晶が、所定の温度に達し、且つ所望の状態数を発生させるのに充分な時間、その温度に維持される条件を説明していることが理解される。

結晶を加熱する工程は、好ましくは、誘導加熱器において結晶を加熱することを含み、その場合、その結晶を冷却する工程は、誘導コイルへの電力を（少なくとも）低下させることを含む。誘導加熱器及び半導体製造におけるそれらの運転方法は、一般的に、当業において理解されており、また、不要な実験をせずに、本発明にしたがって組み込むことができる。而して、特定の誘導加熱器はクレームされる発明にとって重要ではないので、本願明細書では詳細に考察しない。更に、当業者によって、不要な実験を行わずとも、他のタイプの加熱を用いることができる。

２０００℃以上の温度で所望の時間結晶を加熱したら、欠陥が、システム中に消失又は再アニールされるほど充分に移動性である温度範囲において任意の有意な時間停止していることを防止する方法で冷却される。本発明の好ましい態様では、約３０℃／分を超える冷却速度は、好ましくは、有用な上限てあると考えられる１５０℃／分の速度であると考えられる。

冷却速度が全冷却プロセスを通じて一定であることも正確であることも要しないということは、熱力学と、材料、特に比較的高温における材料の加熱及び冷却とに精通している当業者には理解される。換言すれば、結晶を冷却している間、特に、再アニールが有意な速度で起こり得る温度範囲内で冷却している間は、冷却速度は、望ましくは、３０℃／分から、好ましい限界である１５０℃／分までの望ましい範囲であるべきである。通常の且つ充分に理解されている熱力学的な理由から、熱損失及び而して冷却速度は、結晶が最高温度から冷却されるときに最も迅速になる傾向があり、また、結晶がより低い温度に接近且つ到達するときに緩やかになる傾向がある。特に、再アニールが有意な速度で起こり得る温度範囲未満に結晶が冷却されると、冷却速度は、機能的にはなんら短所も有さずに、より遅くなることができる。而して、個々の結晶を冷却するとき、冷却速度は、本発明の方法の利点を維持しつつ、３０〜５０℃／分の好ましい範囲内で変化させることができる。

冷却速度が非常に遅いと、状態が修復され、且つ、結晶が、半絶縁特性を保持するのに要する数を下回って状態数を減少させるほど充分に規則正しくなる温度範囲に非常に長時間曝露されることになる。又は、熱応力が充分に大きい場合は、過度に速く冷却すると、断裂作用を含む結晶における機械的応力が生じることがある。

好ましい態様では、冷却工程は、受動的工程と能動的工程との両方を含む。 第一工程として、誘導加熱器への電力は誘導されるか又は完全に切られる。結晶が加熱された比較的高温では、初期の熱は放射熱損失である。温度が低くなると、伝導冷却及び対流冷却の機構が引き継ぐ。而して、冷却速度を更に促進し且つ制御するために、加熱チャンバは、不活性ガス、典型的にはアルゴンで満たすことができる。更に、結晶と、結晶と接触させて配置される材料との熱質量を用いて、冷却速度を制御するのに役立てることができる。結果として、冷却速度を制御する３つの基本的方法として、誘導コイルへの（又は抵抗加熱のような当業において充分に理解されている任意の他の適当な加熱機構への）電力を調整する方法；炭化珪素結晶の全体を覆うように冷却ガスを流す方法；及び結晶及びその周囲の熱質量を制御する方法（すなわち、例えば、ヒートシンクの使用）が挙げられる。これらは熱力学的条件であるので、請求の範囲に記載されている発明にとっては重要ではなく且つ不要な実験を行わずとも当業者によって実行できる多くの異なる方法によって取り扱うことができる。

好ましい冷却速度である３０℃／分〜１５０℃／分は、約７０分未満で、又はより迅速な速度で、すなわち約２０分未満で、ほぼ室温まで結晶を冷却するとも表現できる。
本発明は、基板ウェーハを含む有利な半絶縁性炭化珪素結晶を提供するので、本発明の方法は、炭化珪素基板ウェーハを約２０００℃（好ましくは２０００℃〜約２４００℃）まで加熱し、そしてその加熱されたウェーハを少なくとも約３０℃／分（好ましくは１５０℃／分近く）の速度で室温近くまで冷却する工程、及び次に、基板ウェーハ上に半導体材料の１つ以上のエピタキシャル層を堆積させる工程を含むこともできる。炭化珪素の利点は、しばしば（独占的ではないが）、その広いバンドギャップ特性と関連があるので、好ましい態様では、エピタキシャル層を堆積させる工程は、例えば炭化珪素又はＩＩＩ族窒化物のような他の広いバンドギャップの半導体から成る群より選択されるエピタキシャル層を、化学気相堆積（ＣＶＤ）法を用いて堆積させる工程を含む。炭化珪素の場合、エピタキシャル層を堆積させる工程は、典型的には、約１４００℃を超える温度で行われる。上記したように、従来技術では、前記温度で実行される工程は、基板がもはや適当な半絶縁特性を有していないと考えられるポイントまで欠陥の数を減少させる傾向があった。本発明は、「成長させたそのままの状態の（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）」結晶に比べて、点欠陥及びそれらから生じる深準位状態の数を制御可能に増加させる方法であるので、これらの後のプロセス工程は、たとえ点欠陥のいくつかが修復されることが予期されるとしても、結晶の半絶縁特性を損なわない。

而して、別の態様では、本発明は、本発明のこの面及び態様によって製造されるウェーハ及びエピタキシャル層（単数又は複数）を含む。
本発明は、基板ウェーハ又は単結晶ブール上で行うことができ、前記基板は、それらの大きな比表面積により、過度な又は破局的な熱応力を受けずに本発明において有用である比較的迅速な速度で冷却できるので、好ましい態様である。しかしながら、この実際的な点以外には、追加の状態がウェーハ対ブールにおいて創出できる方法との概念的差はない。而して、本発明は、炭化珪素ブールを少なくとも約２０００℃の温度まで加熱する工程、次に、その加熱されたブールを約３０℃／分の速度で室温近くまで冷却する工程、更に次に、そのブールから炭化珪素ウェーハをスライスする工程、そして次に、スライスされたウェーハ上に半導体材料の１つ以上のエピタキシャル層を堆積させる工程を含むことができる。

別の態様では、本方法は、単結晶ブールから炭化珪素ウェーハをスライスする工程、次に、そのスライスされたウェーハを、大気圧下で、少なくとも約２０００℃の温度まで加熱する工程、次に、その加熱されたウェーハを少なくとも約３０℃／分の速度で室温近くまで冷却する工程、更にその後で、スライスされたウェーハ上に半導体材料のエピタキシャル層（単数又は複数）を堆積させる工程を含むことができる。

基板ウェーハの作製及びエピタキシャル層の成長に精通している当業者には公知なように、スライスされた炭化珪素ウェーハは、一般的に、スライスされた直後には用いられないが、その代わりに、清浄にされ且つ磨かれて、エピタキシャル成長のための更に好ましい表面が作製される。一般的に半導体材料及び特に炭化珪素に関する磨き且つ清浄にする工程は、当業において充分に確立されており、不要な実験をせずに実行できるので、本願明細書では詳細に考察しない。

いずれの場合でも、更に本発明は、ウェーハ及び１つ以上のエピタキシャル層を含み、また更に、本発明の態様の方法にしたがって形成されたウェーハ及びエピタキシャル層を組み込んでいるデバイスを含むこともできる。

本発明は、特定のデバイスにおける使用に限定されないが、半絶縁性炭化珪素基板を組み込んでいる通常使用されるマイクロ波デバイスとしては、様々なタイプの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、金属半導体電界効果トランジスタ （ＭＥＳＦＥＴ）、ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴｓ）、及びＤＭＯＳトランジスタが挙げられる。半導体デバイスと、マイクロ波デバイスにとって有用なデバイスとに精通している当業者は、上記リストが限定でも排他的でもないことを認識している。しかしながら、それは、本発明によって提供され、本願明細書で説明され、そしてクレームされる利点の例示である。

図１は、本発明で用いられる温度範囲と冷却速度とを概略図示している。これらの技術に精通している当業者は、図１は、特定の実験の正確な図示というよりもむしろ本質的には説明的なものであることを認識するだろう。 図１は、時間に対する温度のプロットである。３つの一般的な温度セットが特性が図示されている。１０で示されている一番上のラインは、炭化珪素に関する温度、好ましくは２０００℃を示しており、その温度を超えると、点欠陥の所望の数が本発明による方法で生成される。換言すれば、本発明は、ライン１０によって示される温度以上に炭化珪素結晶を加熱する工程を含む。

１２で示されている二番目のラインは、その上の温度ライン１０と一緒になって、平衡又は近平衡の条件に接近するのに充分な時間、結晶が前記温度範囲に滞留できる場合、温度ライン１０を超えている温度範囲で創出される状態が修復されることが予期される温度範囲（矢印１１で示されている）を画定している（正確というよりはむしろ相対的であると理解されるが、好ましい態様では約１２００℃である）より低い温度範囲を表している。而して、本願明細書で説明している発明は、状態数が増加すると、温度範囲１１に結晶が曝露される時間を最短にする。上記したように、冷却速度を約３０℃／分〜約１５０℃／分に保つことは、特に有用であり、結晶は、図１において１１で概略図示してある温度範囲内にある。

１４で示してある第三のラインは、室温（２５℃、２９８ Ｋ）を表しており、また、室温と温度ライン１２との間の別の温度範囲（矢印１３で示してある）も規定している。矢印１３で示してある温度範囲は、室温を超える温度を表しているが、その温度範囲においては、起こり得る並べ替え量（ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒｅｏｒｄｅｒｉｎｇ）は、半絶縁特性にとっては統計的に有意ではない。

様々な理由から、結晶は、通常は、製造前、貯蔵、輸送又は使用中であろうとなかろうと、最後まで室温に冷却されていることが期待できる。しかしながら、結晶を、ライン１０で表される温度を上回る温度に加熱し、次に、ライン１２によって表される温度を下回る温度まで充分に迅速に冷却すると、室温に達するかどうかにかかわらず、本発明の利益が達成されることが理解される。

３つの冷却曲線は、１５、１６、及び１７のラインで概略示される。図１の横座標は時間を表しているので、ライン１５は、最も遅い冷却速度を表しており、一方、ライン１７は最も迅速な冷却速度を表していることが理解される。この意味において、延長曲線１５は、結晶が、ライン１６又は１７の冷却曲線後の結晶に比べて、矢印１１によって示されている温度範囲においてはるかに長時間曝露されることを図示している。而して、曲線１５は、結晶を冷却するための（意図的又は非意図的な）従来技術のアプローチを概略的に表しており、ライン１６及び１７は、本発明の更に迅速な冷却工程を概略的に表している。上記したように、冷却速度が、本願明細書で説明される機能的な面を満足するならば、冷却速度は一定である必要はない。

図２は、望ましい高濃度の深準位は、より高い成長温度と相関関係があることを示している。図２は、温度に対して、深準位過渡分光法（ＤＬＴＳ）によって測定された容量の変化をプロットしている。より高い温度（実線）で成長させた結晶サンプルのより高い振幅（例えば、３００Ｋにおける）は、より低い温度（破線）で成長させたサンプルに比べて、より高濃度の深準位の存在を表している。

深準位過渡分光学は、半導体技術において一般的に充分に理解されており、また、半導体における深準位を研究するのに用いられる高感度の方法である。前記方法は、深準位が順方向バイアスパルスによって充電された後に深準位がそれらのキャリアを放出するときの逆バイアスダイオードの容量充電に基づいている。放出速度は、温度依存性であり、また、欠陥の各タイプの特性である。放出速度の温度依存性を利用して、深準位の活性化エネルギーを決定できる。例えば、ＡＳＴＭ国際試験Ｎｏ．Ｆ９７８−０２，“Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｅｐ Ｌｅｖｅｌｓ ｂｙ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．”を参照されたい。結晶を評価するための他の技術としては、容量対電圧（ＣＶ）法、ならびに電子常磁性共鳴法（ＥＰＲ）が挙げられる。

図３は、炭化珪素結晶サンプルの電子常磁性共鳴法（ＥＰＲ）評価から得られた３つのプロットの比較セットである。ＥＰＲは、材料のある種の特性を測定するための充分に理解されている技術であり、また、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）及び電子磁気共鳴（ＥＭＲ）も公知である。ＥＰＲは、少なくとも１つの不対電子スピンを有していて且つ磁界の存在下にある常磁性イオン又は分子によるマイクロ波放射の共鳴吸収過程を表している。本発明による結晶を分析する場合、ＥＰＲを用いて、結晶バンドギャップにおいて深いトラップを占有している電荷数を測定する。連続して変化している強力な磁界内におけるマイクロ波エネルギーの吸収における変化を測定することによって、ＥＰＲは、結晶格子における様々な欠陥でトラップされた電子電荷の不対スピンの数を検出する。しかしながら、ＥＰＲ測定は、トラップから電荷を取り返すが、単に電荷の存在を検出するだけであるので、同じサンプルに関して繰り返し分析することができる。

図３の３つのプロットは、（左から右へと）従来技術で成長させた炭化珪素結晶、本発明にしたがって加熱され、そして３０℃／分の速度で冷却された炭化珪素結晶、及び本発明にしたがって加熱され、そして１５０℃／分の速度で冷却された炭化珪素結晶を表している。

図３の各セクションは、同じ寸法であり、炭素空孔（Ｖｃ）（すなわち、状態を提供し、その結果として半絶縁特性を提供する点欠陥の一つのタイプ）のＥＰＲ信号の振幅（任意の単位）は、ＥＰＲによって検出される欠陥中心の数に比例する。ＥＰＲに精通している当業者には公知なように、「ｇ因子」（又はｇ値）は、電子トラップのタイプの指標であり、また、マイクロ波周波数及び磁界強度と関連がある。而して、測定されたサンプルの大きさが、実験誤差の予期される限界内において同じであると仮定するならば、炭素空孔に関するＥＰＲラインの大きさは（底部から頂部まで）、サンプルにおける欠陥の濃度に比例する。而して、図３は、製造したそのままの状態（左の区画）から、３０℃／分の冷却速度を用いる本発明の方法（真ん中の区画）へと、また１５０℃／分の冷却速度を用いる本発明の方法（右の区画）へと炭素空孔の数が有意に増加する（それにより半絶縁特性が向上する）ことを図示している。

図面及び明細書において、本発明の好ましい態様を説明し、また、特定の用語を用いてきたが、それらの用語は単に総括的且つ説明的に使用しているだけであって、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲で規定される。

図１は、詳細な説明で言及している温度範囲と、いくつかの異なる冷却速度とを図示している概略図である。 図２は、深準位過渡分光法（ＤＬＴＳ）によって測定された、絶対温度に対する容量変化のプロットである。 図３は、炭化珪素結晶サンプルの電子常磁性共鳴法（ＥＰＲ）評価から得られた３つのプロットの比較セットである。

Claims (32)

1. 点欠陥と関連がある深準位状態の第一濃度を有する炭化珪素結晶を、ソースガスから炭化珪素をＣＶＤ成長させるために必要とされる温度は超えているが、周囲条件下での炭化珪素の昇華温度は下回っている温度まで加熱し、それによって、該結晶における点欠陥の濃度及びそれから生じる状態の濃度を熱力学的に増加させる工程；及び
   該第一濃度に比べてより高濃度のままである冷却された結晶において点欠陥の濃度を維持するのに充分に迅速な速度で室温まで近づける工程
   を含む、深準位トラッピング元素の適量が存在していない状態で高品質半絶縁性炭化珪素結晶を製造する方法。
2. 結晶を加熱し冷却して、点欠陥の数を、補償されていないドーパントの濃度を超える量まで増加させる工程を含む請求項１記載の方法。
3. 結晶は、炭化珪素の３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，及び１５Ｒのポリタイプから選択されるポリタイプを有する結晶を加熱する工程を含む請求項１記載の方法。
4. 請求項１記載の方法よって製造された半絶縁性炭化珪素基板上に炭化珪素エピタキシャル層を成長させる工程を含む半導体デバイス前駆体を製造する方法。
5. 補償された炭化珪素結晶を加熱し冷却する工程を含む請求項１記載の方法。
6. 最も濃縮されたドーパントが約５Ｅ１６以下の量で存在する補償された結晶を加熱し冷却する工程を含む請求項４記載の方法。
7. 該結晶を加熱する工程が、炭化珪素単結晶を少なくとも約２０００℃の温度まで加熱し、それによって、該結晶における点欠陥の数及びそれから生じる深準位状態の数を熱力学的に増加させる工程を含む請求項１記載の方法。
8. 該結晶を、室温まで冷却する工程を含む請求項１又は７記載の方法。
9. 該結晶を、大気圧下で、約２０００℃〜約２４００℃の温度まで加熱する工程を含む請求項７記載の方法。
10. 該結晶を、約３０〜１５０℃／分の速度で冷却する工程を含む請求項７記載の方法。
11. 該結晶を、１２００℃以下に冷却する工程を含む請求項１０記載の方法。
12. 炭化珪素のブールを加熱する工程を含む請求項１又は７記載の方法。
13. 炭化珪素ウェーハを加熱する工程を含む請求項１又は７記載の方法。
14. 該結晶を少なくとも２分間加熱する工程を含む請求項７記載の方法。
15. 該結晶を加熱する工程が、誘導加熱器において該結晶を加熱する工程を含み、また、該結晶を冷却する工程が、該誘導コイルへの電力を低下させる工程を含む請求項７記載の方法。
16. 該冷却工程が、該結晶を冷却剤と接触させる工程を更に含む請求項１５記載の方法。
17. 少なくとも約２０００℃の温度まで炭化珪素基板ウェーハを加熱する工程；
    該加熱されたウェーハを少なくとも約３０℃／分の速度で１２００℃以下まで冷却する工程；及び
    該基板ウェーハ上に半導体材料のエピタキシャル層を堆積させる工程
    を含む、半絶縁性基板上で半導体デバイス前駆体を製造するための請求項１記載の方法。
18. 該加熱されたウェーハを冷却する工程が、該加熱されたウェーハを室温近くまで冷却する工程を含む請求項１７記載の方法。
19. 該エピタキシャル層を堆積させる工程が、炭化珪素及びＩＩＩ族窒化物から成る群より選択される層を堆積させる工程を含む請求項１７記載の方法。
20. 該ウェーハを冷却する工程が、不活性ガスで周囲環境を満たす工程を含む請求項７、１６又は１７記載の方法。
21. 該冷却工程が、周囲環境において熱質量を制御する工程を含む請求項７又は１７記載の方法。
22. ７０分未満で、ほぼ室温まで冷却する工程を含む請求項９又は１７記載の方法。
23. ２０分未満で、ほぼ室温まで冷却する工程を含む請求項９又は１７記載の方法。
24. 少なくとも約２０００℃の温度まで炭化珪素ブールを加熱する工程；
    該加熱されたブールを少なくとも約３０℃／分の速度で室温近くまで冷却する工程；
    該ブールから炭化珪素ウェーハをスライスする工程；及び
    該スライスされたウェーハ上に半導体材料のエピタキシャル層を堆積させる工程
    を含む、半絶縁性基板上で半導体デバイス前駆体を製造するための請求項１記載の方法。
25. 該ブールを、大気圧下で、約２０００℃〜２４００℃の温度まで加熱する工程を含む請求項２４記載の方法。
26. 該ブールを、約３０〜１５０℃／分の速度で冷却する工程を含む請求項２４記載の方法。
27. 該ブールを、１２００℃以下に冷却する工程を含む請求項２６記載の方法。
28. 単結晶炭化珪素ブールから炭化珪素ウェーハをスライスする工程；
    少なくとも約２０００℃の温度まで該スライスされたウェーハを加熱する工程；
    該加熱されたウェーハを少なくとも約３０℃／分の速度で室温近くまで冷却する工程；及び
    該スライスされたウェーハ上に半導体材料のエピタキシャル層を堆積させる工程
    を含む、半絶縁性基板上で半導体デバイス前駆体を製造するための請求項１記載の方法。
29. 該スライスされたウェーハを、大気圧下で、約２０００℃〜２４００℃の温度まで加熱する工程を含む請求項１７又は２８記載の方法。
30. 該ウェーハを、約３０〜１５０℃／分の速度で冷却する工程を含む請求項１７又は２８記載の方法。
31. 該ウェーハを、１２００℃以下に冷却する工程を含む請求項２８記載の方法。
32. 該ウェーハを約１４００℃以上の温度に維持しながら、化学気相堆積によって、炭化珪素のエピタキシャル層を堆積させる工程を含む請求項１７、２４又は２８記載の方法。

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