JP2006124247A - 炭化珪素単結晶および炭化珪素基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定して製造することができる高抵抗率のＳｉＣ単結晶とこのＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板を提供する。
【解決手段】 タングステン、ニオブおよびモリブデンの群から選択された少なくとも１種類の金属を含有するＳｉＣ単結晶である。ここで、ＳｉＣ単結晶中におけるこれらの金属の含有量が１×１０¹⁴個／ｃｍ³以上１×１０¹⁷個／ｃｍ³以下であることが好ましい。さらに、このＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶およびＳｉＣ基板に関し、特に高抵抗率であるＳｉＣ単結晶とこのＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板に関する。

ＳｉＣは、シリコン（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが約３倍、絶縁破壊電圧が約１０倍、電子飽和速度が約２倍、さらに熱伝導率が約３倍大きく、Ｓｉにない物性を有している。また、ＳｉＣは熱的かつ化学的に安定な半導体材料であり、これらの物性を生かして、近年ではＳｉデバイスの物理的な限界を打破するパワーデバイスや高温で動作する耐環境デバイスなどへの応用が期待されている。

また、光デバイス研究においては短波長化を目指した窒化ガリウム（ＧａＮ）系の材料開発がなされているが、ＳｉＣはＧａＮに対する格子不整合が他の化合物半導体に比べて格段に小さいので、ＳｉＣ基板はＧａＮ層のエピタキシャル成長用の基板として注目されている。

このようなエレクトロニクスの分野においては、使用目的に応じて基板の電気伝導特性を制御する必要があり、例えば、半導体レーザ用の基板としては低抵抗率の基板が必要とされ、高周波デバイス用の基板としては寄生容量低減および素子分離等の理由から、高抵抗率（半絶縁性）の基板が必要とされている。

高抵抗率のＳｉＣ基板は、例えばバナジウムを含有させることによって高抵抗率化したＳｉＣ単結晶（特許文献１〜２参照）から製造される。このバナジウムを含有させた高抵抗率のＳｉＣ単結晶は、高純度のＳｉＣ結晶粉末中に高純度のバナジウムを添加し、バナジウムをＳｉＣと共に昇華させてＳｉＣ単結晶中にバナジウムを含有させることによって製造される。

しかしながら、ＳｉＣに比べてバナジウムの昇華速度が大きいため、ＳｉＣ単結晶の成長初期に多くのバナジウムがＳｉＣ単結晶中に取り込まれてしまい、ＳｉＣ単結晶中に一様にバナジウムを含有させることができなかった。また、成長初期において、ＳｉＣ単結晶中に含有されるバナジウムの量が固溶限界を超えてしまい、析出物の発生を伴って結晶性を劣化させるため、この成長初期における結晶性の劣化がその後に成長するＳｉＣ単結晶にも悪影響を及ぼしていた。その結果、高抵抗率のＳｉＣ単結晶を安定して製造することができないという問題があった。また、ＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板の抵抗率にも大きなバラツキが生じてしまうという問題があった。

そこで、特許文献３においては、バナジウムを含有するＳｉＣ結晶を予め製造しておき、これを粉末状としたものを原料として改良レーリー法を用いてバナジウムを含有するＳｉＣ単結晶を再度成長させる方法が開示されている。しかしながら、この方法においては、バナジウムを含有するＳｉＣ結晶を予め製造しておく必要があるため、高抵抗率のＳｉＣ単結晶を効率的に製造することができないという問題があった。

また、上記したバナジウム添加ではなく、ＳｉＣ単結晶の純度を向上させることによっても、高抵抗率のＳｉＣ基板を作製することができる。例えば、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法の延長である高温ＣＶＤ法を用いて作製されたＳｉＣ単結晶は高純度になりやすい。しかしながら、高純度のＳｉＣ単結晶を得るためには、その成長プロセス（原料、成長装置等）も高純度化する必要があるが、成長プロセスを安定して高純度化し続けるのは、非常に困難であった。
米国特許５６１１９５５号明細書 特表２００３−５００３２１号公報 特開２００３−１０４７９８号公報

本発明の目的は、安定して製造することができる高抵抗率のＳｉＣ単結晶とこのＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板を提供することにある。

本発明は、タングステン、ニオブおよびモリブデンの群から選択された少なくとも１種類の金属を含有するＳｉＣ単結晶である。

ここで、本発明のＳｉＣ単結晶においては、上記金属がタングステンとニオブであることが好ましい。

また、本発明のＳｉＣ単結晶においては、上記金属がタングステンとモリブデンであることが好ましい。

また、本発明のＳｉＣ単結晶においては、上記金属がニオブとモリブデンであることが好ましい。

また、本発明のＳｉＣ単結晶においては、上記金属がタングステンとニオブとモリブデンであることが好ましい。

また、本発明のＳｉＣ単結晶においては、上記金属の含有量が１×１０¹⁴個／ｃｍ³以上１×１０¹⁷個／ｃｍ³以下であることが好ましい。

また、本発明のＳｉＣ単結晶は、ホウ素および窒素の少なくとも一方を含有することが好ましい。

さらに、本発明は、上記のＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板である。

本発明によれば、安定して製造することができる高抵抗率のＳｉＣ単結晶とこのＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板を提供することができる。

本発明は、タングステン、ニオブおよびモリブデンの群から選択された少なくとも１種類の金属を含有するＳｉＣ単結晶である。これは、本発明者が鋭意検討した結果、タングステン、ニオブおよびモリブデンはバナジウムよりも融点が高く、バナジウムと比べてＳｉＣ単結晶の成長初期に多く取り込まれることなくＳｉＣ単結晶中に一様にこれらの金属を含有させることができ、安定して高抵抗率のＳｉＣ単結晶を製造することができることを見い出したものである。また、これらの金属はバナジウムと比べて蒸気圧が低いため、ＳｉＣ単結晶中における原子間の結合がより安定する。したがって、このＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板を用いて半導体デバイスを製造する工程においてＳｉＣ基板が高温に加熱された場合であっても、これらの金属はＳｉＣ基板中において拡散しにくいことから、半導体デバイスの製造後においてもＳｉＣ基板が安定して高抵抗率を示す傾向にある。さらに、これらの金属は毒性がないため、ＳｉＣ単結晶およびＳｉＣ基板を安全に製造することもできる。

本発明のＳｉＣ単結晶には、タングステン、ニオブおよびモリブデンがそれぞれ１種類ずつ含有されていてもよく、複数組み合わせて含有されていてもよい。本発明のＳｉＣ単結晶に含有される上記金属の組み合わせとしては、タングステン−ニオブ、タングステン−モリブデン、ニオブ−モリブデン、およびタングステン−ニオブ−モリブデンがある。ここで「−」は、「−」の両側にある金属が本発明のＳｉＣ単結晶中に含有されることを意味している。

また、本発明のＳｉＣ単結晶中に含まれるタングステン、ニオブおよびモリブデンの群から選択された少なくとも１種類の金属の含有量は、１×１０¹⁴個／ｃｍ³以上１×１０¹⁷個／ｃｍ³以下であることが好ましい。これらの金属の含有量が１×１０¹⁴個／ｃｍ³未満である場合には上記金属の含有量が少なすぎてＳｉＣ単結晶が高抵抗率となりにくい傾向にあり、１×１０¹⁷個／ｃｍ³よりも多い場合には上記金属の含有量が多すぎてＳｉＣ単結晶の結晶性が悪化する傾向にある。ここで、金属の含有量は、上記金属が複数組み合わされてＳｉＣ単結晶中に含有されている場合には、上記金属の総含有量のことを意味する。

また、本発明のＳｉＣ単結晶は、ホウ素および窒素の少なくとも一方を含有することが好ましい。ＳｉＣ単結晶は、一般的にＳｉＣ単結晶を構成する材料を気化させて得られた気化ガスを種基板の表面上で再結晶させることにより製造されるが、この気化ガスにホウ素または窒素が含有されている場合には、タングステン、ニオブおよびモリブデンが、ホウ素や窒素に引きずられてＳｉＣ単結晶中に入り込みやすくなるためである。

また、本発明のＳｉＣ単結晶の２５℃における抵抗率は、１×１０³Ωｃｍ以上であることが好ましく、１×１０⁷Ωｃｍ以上であることがより好ましい。本発明のＳｉＣ単結晶の２５℃における抵抗率が１×１０³Ωｃｍ以上である場合には絶縁性基板を必要とする半導体デバイスの基板に本発明のＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板を好適に利用することができる。また、２５℃における抵抗率が１×１０⁷Ωｃｍ以上である場合には絶縁性基板を必要とする半導体デバイスの基板に本発明のＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板をさらに好適に利用することができる。

このような本発明のＳｉＣ単結晶の製造方法の好ましい一例としては、改良レーリー法を用いた方法がある。図１に、本発明に用いられるＳｉＣ単結晶成長装置の一例の模式的な断面図を示す。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

図１に示す成長装置５は、石英管６の内部に設置された黒鉛製の坩堝７と、坩堝７の上端開口部を閉鎖する蓋８と、坩堝７と蓋８の周囲に設置された熱シールドのための黒鉛製のフェルト９と、石英管６の外周を取り巻くように設置されたワークコイル１０とを含む。そして、ＳｉＣからなる種結晶基板１が蓋８の下面中央に取り付けられており、原料２が坩堝７の内部に充填されている。

原料２には、ＳｉＣ結晶粉末にタングステン、ニオブおよびモリブデンの群から選択された少なくとも１種類の金属が含有されている。また、ＳｉＣ単結晶中にホウ素を含有させる場合には、さらにホウ素および／またはホウ素化合物が含有される。そして、坩堝７の内部の圧力が１０^-5Ｐａ以上１０^-3Ｐａ以下になるまで一旦減圧した後に、坩堝７にアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを導入し、坩堝７の内部を１×１０⁴Ｐａ以上１×１０⁵Ｐａ以下の圧力の不活性ガス雰囲気とする。

そして、ワークコイル１０に高周波電流を流すことによって原料２を加熱し、坩堝７の内部の圧力を１×１０³Ｐａ以上８×１０³Ｐａ以下まで減圧することによって原料２を気化させた混合ガスが得られる。ここで、ＳｉＣ単結晶中に窒素を含有させる場合には、坩堝７の混合ガス中に窒素ガスが導入される。

ワークコイル１０による加熱は、原料２からＳｉＣ種結晶基板１にかけて次第に低温となるように温度勾配をつけて行なわれているため、ＳｉＣ種結晶基板１の表面近傍に到達した混合ガスは、ＳｉＣ種結晶基板１の表面上で再結晶することによって、ＳｉＣ単結晶２ａが成長し、ＳｉＣ単結晶インゴッド３が得られる。

そして、このＳｉＣ単結晶インゴッド３を所定の厚みに切断することによって、図２に示す円板状の高抵抗率のＳｉＣ基板４が製造される。

（実施例１）
図１に示すＳｉＣ単結晶成長装置を用いてＳｉＣ単結晶を製造した。まず、ＳｉＣ結晶粉末中にタングステン（Ｗ）をＳｉＣ結晶粉末中のＳｉの物質量に対して４．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合して原料２を作製した。そして、この原料２を坩堝７に充填した後にＳｉＣからなる種結晶基板１が取り付けられている蓋８を被せ、種結晶基板１が坩堝７の内部に設置されるようにした。続いて、坩堝７の内部の圧力が１０^-5Ｐａになるまで一旦減圧した後に、坩堝７にＡｒガスを導入することによって坩堝７の内部を圧力１×１０⁵ＰａのＡｒガス雰囲気とした。

そして、ワークコイル１０に高周波電流を流すことによって原料２を加熱し、坩堝７の内部の圧力を１．３×１０³Ｐａまで減圧することによって原料２を気化させて混合ガスを得た。ここで、ワークコイル１０による加熱は、原料２から種結晶基板１にかけて次第に低温となるように温度勾配をつけて行なわれた。その後、混合ガスが、種結晶基板１の表面上で再結晶することによりＳｉＣ単結晶２ａが成長し、ＳｉＣ単結晶インゴッド３が得られた。

このＳｉＣ単結晶インゴッド３を４００μｍの厚さで切断して、口径２インチの図２に示す円板状のＳｉＣ基板４を製造した。

そして、このＳｉＣ基板４中のＷの含有量をＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）によって測定した。また、このＳｉＣ基板の抵抗率を測定した。これらの結果を表１に示す。表１に示すように、このＳｉＣ基板中のＷの含有量は１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０¹¹Ωｃｍであった。

（実施例２）
図１に示す原料２中におけるＷの混合量をＳｉＣ結晶粉末中のＳｉの物質量に対して４．０×１０^-5ｍｏｌ％としたこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＷの含有量および抵抗率を測定した。その結果を表１に示す。表１に示すように、このＳｉＣ基板中のＷの含有量は１．０×１０¹⁴個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０¹⁰Ωｃｍであった。

（実施例３）
図１に示す原料２中におけるＷの混合量をＳｉＣ結晶粉末中のＳｉの物質量に対して４．４×１０^-2ｍｏｌ％としたこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＷの含有量および抵抗率を測定した。その結果を表１に示す。表１に示すように、このＳｉＣ基板中のＷの含有量は１．１×１０¹⁷個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０⁹Ωｃｍであった。

（実施例４）
図１に示す原料２中におけるＷの混合量をＳｉＣ結晶粉末中のＳｉの物質量に対して３．９６×１０^-5ｍｏｌ％としたこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＷの含有量および抵抗率を測定した。その結果を表１に示す。表１に示すように、このＳｉＣ基板中のＷの含有量は９．９×１０¹³個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０⁹Ωｃｍであった。

表１に示すように、Ｗの含有量が１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³である実施例１のＳｉＣ基板はＷの含有量が１．１×１０¹⁷個／ｃｍ³である実施例３のＳｉＣ基板よりも高抵抗率を示した。これは、実施例１のＳｉＣ基板の結晶性が実施例３のＳｉＣ基板の結晶性よりも良好であったためと考えられる。

また、Ｗの含有量が１．０×１０¹⁴個／ｃｍ³である実施例２のＳｉＣ基板はＷの含有量が９．９×１０¹³個／ｃｍ³である実施例４のＳｉＣ基板よりも高抵抗率を示した。これは、実施例４のＳｉＣ基板のＷの含有量が１．０×１０¹⁴個／ｃｍ³に満たなかったためと考えられる。

したがって、表１の結果から、ＳｉＣ基板中におけるＷの含有量が１×１０¹⁴個／ｃｍ³以上１×１０¹⁷個／ｃｍ³以下である場合には、ＳｉＣ基板が高抵抗率となる傾向にあることが推察される。

（実施例５）
Ｗの代わりにニオブ（Ｎｂ）を図１に示す原料２中に混合したこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＮｂの含有量および抵抗率を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、このＳｉＣ基板中のＮｂの含有量は１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０¹¹Ωｃｍであった。

（実施例６）
Ｗの代わりにモリブデン（Ｍｏ）を図１に示す原料２中に混合したこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＭｏの含有量および抵抗率を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、このＳｉＣ基板中のＭｏの含有量は１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０¹¹Ωｃｍであった。

（実施例７）
図１に示す原料２中に、ＳｉＣ結晶粉末中のＳｉの物質量に対してＷを２．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合し、Ｎｂを２．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合したこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＷとＮｂの総含有量および抵抗率を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、このＳｉＣ基板中のＷとＮｂの総含有量は１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０¹¹Ωｃｍであった。

（実施例８）
図１に示す原料２中に、ＳｉＣ結晶粉末中のＳｉの物質量に対してＷを２．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合し、Ｍｏを２．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合したこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＷとＭｏの総含有量および抵抗率を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、このＳｉＣ基板中のＷとＭｏの総含有量は１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０¹¹Ωｃｍであった。

（実施例９）
図１に示す原料２中に、ＳｉＣ結晶粉末中のＳｉの物質量に対してＮｂを２．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合し、Ｍｏを２．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合したこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＮｂとＭｏの総含有量および抵抗率を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、このＳｉＣ基板中のＮｂとＭｏの総含有量は１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０¹¹Ωｃｍであった。

（実施例１０）
図１に示す原料２中に、ＳｉＣ結晶粉末中のＳｉの物質量に対してＷを２．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合し、Ｎｂを１．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合し、Ｍｏを１．０×１０^-2ｍｏｌ％となるように混合したこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＷとＮｂとＭｏの総含有量および抵抗率を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、このＳｉＣ基板中のＷとＮｂとＭｏの総含有量は１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０¹¹Ωｃｍであった。

（比較例１）
Ｗの代わりにバナジウム（Ｖ）を図１に示す原料２中に混合したこと以外は実施例１と同様にしてＳｉＣ基板を製造した。そして、実施例１と同様にして、このＳｉＣ基板中のＶの含有量および抵抗率を測定した。その結果を表２に示す。表２に示すように、このＳｉＣ基板中のＶの含有量は１．０×１０¹⁵個／ｃｍ³であり、ＳｉＣ基板の抵抗率は１．０×１０³Ωｃｍであった。

表２に示すように、Ｗ、ＮｂまたはＭｏを含有している実施例５〜１０のＳｉＣ基板は、Ｖが含有されている比較例１のＳｉＣ基板よりも高抵抗率を示した。これは比較例１においては、ＳｉＣ単結晶の成長初期に多くのバナジウムがＳｉＣ単結晶中に取り込まれてしまうことによって、ＳｉＣ単結晶中に含有されるバナジウムの量が固溶限界を超えてしまい、析出物の発生を伴ってＳｉＣ単結晶の結晶性が劣化したためと考えられる。

また、比較例１のＳｉＣ基板中のＶの含有量が少ないのは、ＳｉＣ単結晶の成長初期においてＶがＳｉＣ単結晶中に取り込まれすぎたため、ＳｉＣ基板を得るために切断したＳｉＣ単結晶の部分にＶがあまり含有されていなかったためと考えられる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

上述したように本発明によれば、安定して製造することができる高抵抗率のＳｉＣ単結晶とこのＳｉＣ単結晶からなるＳｉＣ基板を提供することができる。したがって、本発明は半導体デバイス分野における高周波デバイス、特に、動作周波数の高いスイッチング素子に好適に利用される。

本発明に用いられるＳｉＣ単結晶成長装置の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明のＳｉＣ基板の好ましい一例の模式的な斜視図である。

符号の説明

１ 種結晶基板、２ 原料、２ａ ＳｉＣ単結晶、３ ＳｉＣ単結晶インゴッド、４ ＳｉＣ基板、５ 成長装置、６ 石英管、７ 坩堝、８ 蓋、９ フェルト、１０ ワークコイル。

Claims (8)

1. タングステン、ニオブおよびモリブデンの群から選択された少なくとも１種類の金属を含有することを特徴とする、炭化珪素単結晶。
2. 前記金属がタングステンとニオブであることを特徴とする、請求項１に記載の炭化珪素単結晶。
3. 前記金属がタングステンとモリブデンであることを特徴とする、請求項１に記載の炭化珪素単結晶。
4. 前記金属がニオブとモリブデンであることを特徴とする、請求項１に記載の炭化珪素単結晶。
5. 前記金属がタングステンとニオブとモリブデンであることを特徴とする、請求項１に記載の炭化珪素単結晶。
6. 前記金属の含有量が１×１０¹⁴個／ｃｍ³以上１×１０¹⁷個／ｃｍ³以下であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の炭化珪素単結晶。
7. ホウ素および窒素の少なくとも一方を含有することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の炭化珪素単結晶。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の炭化珪素単結晶からなる、炭化珪素基板。

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