JP2010202459A - ６ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】高抵抗率を有し、熱履歴の影響を受けることなく安定した比抵抗を有する６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶を提供する。
【解決手段】６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造装置によって製造される６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶は、真性点欠陥を有し、真性点欠陥のうち最も多く含まれる真性点欠陥は、容量過渡分光法によって測定されるＲセンターである。Ｒセンターの数は、ドナーとアクセプターとの数の差の絶対値よりも多くする。これにより、容量過渡分光法によって測定されるＲセンターが余剰になったドーパントを補償する。また、Ｒセンターは熱的に安定なため、炭化珪素単結晶が完成するまでの熱履歴の影響を受けにくい。したがって、炭化珪素単結晶が製造されるまでの温度条件によらず、安定して余剰ドーパントを補償することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、余剰ドーパントを真正点欠陥により補償する６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶に関する。

炭化珪素は、炭化珪素は、４Ｈ形、６Ｈ形、１５Ｒ形などの結晶多形を有している。炭化珪素は、化学的に安定で、上述の結晶多形によって特有の半導体特性を有する。

また、炭化珪素は、汎用の珪素、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などと比較して、耐熱性や絶縁破壊性などが優れていることから、パワーデバイス、高周波デバイスへの適用が注目されている。特に、６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶は、青色発光素子として用いられる。

エレクトロニクス分野では、半導体材料の電気伝導度は、用途に併せて制御されている。特に、高周波デバイスに適用される半導体材料には、寄生容量の低減効果、素子分離等の点から、高抵抗率（半絶縁性）が必要とされる。

炭化珪素単結晶の半絶縁化については、炭化珪素単結晶にドープされたドナー（例えば、窒素）とアクセプター（例えば、硼素、アルミニウム）のうち、残存するドーパントを、深い準位の不純物、または真性点欠陥によって補償する方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

ＦＥＤレビュー Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．１６、２００２年３月１４日 「大口径・高品質ＳｉＣバルク単結晶開発の現状」 大谷昇ら

まず、非特許文献１では、炭化珪素単結晶にバナジウムを添加して半絶縁化する方法では、バナジウムを均一にドープすることが困難なため、比抵抗が均一な半導体ウェハを製造することが困難であるとも報告されている。

また、従来の炭化珪素単結晶の半絶縁化の方法では、次のような問題点もあった。すなわち、浅い準位の真性点欠陥が多いと、電子デバイスが完成するまでの熱履歴により、炭化珪素単結晶の比抵抗が大きく変化する。すなわち、完成後の炭化珪素単結晶の比抵抗が製造時の熱履歴によって変動するという欠点があった。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高抵抗率を有し、熱履歴の影響を受けることなく安定した比抵抗を有する６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、ドーパントとして、ドナーである第１不純物と、アクセプターである第２不純物とがドープされる６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶であって、真性点欠陥を有し、前記真性点欠陥のうち最も多く含まれる真性点欠陥は、容量過渡分光法によって測定されるＲセンターであり、前記Ｒセンターの数は、前記第１不純物と第２不純物との差の絶対値よりも多いことを要旨とする。

本発明の第１の特徴によれば、容量過渡分光法によって測定されるＲセンターが余剰になったドーパントを補償する。Ｒセンターは、熱的に安定なため、炭化珪素単結晶が完成するまでの熱履歴の影響を受けにくい。このため、炭化珪素単結晶が製造されるまでの温度条件によらず、安定して余剰ドーパントを補償することができる。

従って、炭化珪素単結晶の高抵抗化を実現することができ、熱履歴の影響を受けることなく安定した比抵抗を有する６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶を提供することができる。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、比抵抗が１．０×１０^３Ω・ｃｍよりも大きいことを要旨とする。

ここで、容量過渡容量分光法とは、ＤＬＴＳ（深い準位過渡容量分光法）、ＩＣＴＳ（等温容量過渡分光法）である。また、Ｒセンターは、ＤＬＴＳ、またはＩＣＴＳによって測定可能な、１．２ｅＶ付近にエネルギー準位を持つ真正点欠陥である。Ｒセンターは、６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶のミッドギャップに近いエネルギー準位である。

また、６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶には、第１不純物、第２不純物、真性点欠陥のほか、深いエネルギー準位を持つ不純物が悪影響を及ぼさない程度に含まれている。

本発明の第３の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記第１不純物は、窒素、リン、砒素のうち少なくとも１つ、又はこれらの元素の組み合わせであり、前記第２不純物は、ホウ素、アルミニウムの少なくとも一方であることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、本発明の第３の特徴に係り、前記第１不純物は窒素であり、前記第２不純物はホウ素であり、前記窒素の濃度は、１立方センチあたり５．０×１０^１６個以下の値であり、前記ホウ素の濃度は、１立方センチあたり５．０×１０^１６個以下であることを要旨とする。

本発明の特徴によれば、高抵抗率を有し、熱履歴によらず安定した比抵抗を有する６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造装置の構成を説明する構成図である。

次に、本発明に係る６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の実施形態について、図面を参照しながら説明する。具体的には、（１）製造装置の構成、（２）６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造方法、（３）６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶、（４）作用・効果、（５）その他の実施形態について説明する。

（１）製造装置の構成
図１は、実施形態に係る６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造装置１の構成図である。図１に示すように、６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造装置１は、黒鉛製坩堝１０と、黒鉛製坩堝１０を覆う加熱炉２０と、加熱炉２０の外周に配置された誘電加熱コイル３０と、加熱炉２０内に供給するアルゴンガスボンベ９１と、アルゴンガスを純化した後に加熱炉２０内に供給するアルゴン（Ａｒ）ガス純化装置９０とを備える。

黒鉛製坩堝１０は、支持棒４０により、加熱炉２０の内部に固定される。

黒鉛製坩堝１０は、断熱材（不図示）で覆われている。黒鉛製坩堝１０は、反応容器本体５０と、蓋部６０とを有する。反応容器本体５０は、炭化珪素を含む種結晶７０と、種結晶７０の成長に用いられる昇華用原料８０とを収容する。

反応容器本体５０は、少なくとも内部が円筒状である。反応容器本体５０の内側には、種結晶７０が配設される。具体的に、種結晶７０は、蓋部６０の内側表面６１に接着される。蓋部６０は、反応容器本体５０に螺合により着脱自在に設けられる。

反応容器本体５０の内部は、例えば、アルゴン等の不活性ガスが充填されて、不活性雰囲気になっている。反応容器本体５０の内部の圧力及び温度は、変更可能である。

種結晶７０は、６Ｈ形の炭化珪素単結晶である。また、昇華用原料８０は、炭化珪素を含む炭化珪素原料である。黒鉛製坩堝１０の内部が所定の温度条件及び圧力条件になると、昇華用原料８０は、昇華し、種結晶７０上に再結晶し、炭化ケイ素単結晶を形成する。炭化ケイ素単結晶は、はじめは凸面状に成長し、やがて、反応容器本体５０の内壁に従って成長する。最後には円筒状の炭化珪素単結晶が形成される。

（２）６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造方法
６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造装置１を用いて、炭化珪素単結晶を製造する際には、黒鉛製坩堝１０の内部に昇華用原料８０を配置した後、種結晶７０と昇華用原料８０とが対向させる。そして、Ａｒガス純化装置９０により純化されたアルゴンガスボンベ９１内部のアルゴンガスを加熱炉２０内に供給しながら、アルゴンガス雰囲気下で昇華用原料８０が昇華する温度（２５００℃程度）に黒鉛製坩堝１０を加熱する。これにより、昇華用原料８０が昇華し、種結晶７０の表面上に炭化珪素単結晶が成長する。

６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造方法は、高純度化されたアルゴンガス雰囲気下において、炭化珪素単結晶を気相成長させる。そのため、炭化珪素単結晶の内部に含まれる窒素濃度が低く、炭化珪素単結晶の抵抗率が高い。

（３）６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶
上述した６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造装置１によって製造される６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶について説明する。

６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶は、真性点欠陥を有し、真性点欠陥のうち最も多く含まれる真性点欠陥は、容量過渡分光法によって測定されるＲセンターである。Ｒセンターの数は、ドナーとアクセプターとの数の差の絶対値よりも多い。

容量過渡容量分光法とは、ＤＬＴＳ（深い準位過渡容量分光法）、ＩＣＴＳ（等温容量過渡分光法）である。また、Ｒセンターとは、ＤＬＴＳ又はＩＣＴＳによって測定可能な１．２ｅＶ付近にエネルギー準位を持つ真正点欠陥である。Ｒセンターは、６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶のミッドギャップに近いエネルギー準位である。

６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶は、ドナーとして、窒素、リン、砒素のうち少なくとも１つ、又はこれらの元素の組み合わせを含む。また、アクセプターとしてホウ素又はアルミニウムの少なくとも一方を含む。実施形態において、ドナーは、第１不純物を構成する。また、アクセプターは、第２不純物を構成する。

本実施形態において、好ましくは、ドナーは窒素であり、アクセプターはホウ素である。窒素の濃度は、１立方センチあたり５．０×１０^１６個以下の値である。また、ホウ素の濃度は、１立方センチあたり５．０×１０^１６個以下である。すなわち、Ｒセンターの数は、窒素の濃度とホウ素の濃度との差の絶対値よりも多い。

また、上述の構成を有する６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の比抵抗は、１．０×１０^３Ω・ｃｍよりも大きい。

また、６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶には、ドナー、アクセプター、真性点欠陥のほか、深いエネルギー準位を持つ不純物が半絶縁性に対して悪影響を及ぼさない程度に含まれていてもよい。

（４）作用・効果
６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶の製造装置１は、ドナーとして、窒素、リン、砒素のうち少なくとも１つ、又はこれらの元素の組み合わせを有し、アクセプターとしてホウ素又はアルミニウムの少なくとも１つ有し、更に真性点欠陥を有する。真性点欠陥のうち最も多く含まれる真性点欠陥は、容量過渡分光法によって測定されるＲセンターであり、Ｒセンターの数は、ドナー（窒素、リン、砒素のうち少なくとも１つ、又はこれらの元素の組み合わせ）とアクセプター（ホウ素又はアルミニウムの少なくとも一つ）との差の絶対値よりも多い。

このように、製造装置１により製造された６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶では、Ｒセンターが余剰になったドーパントを補償する。Ｒセンターは、６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶のミッドギャップ付近にエネルギー準位を有し、熱的に安定なため、炭化珪素単結晶が完成するまでの熱履歴の影響を受けにくい。このため、炭化珪素単結晶が製造されるまでの温度条件によらず、安定して余剰ドーパントを補償することができる。

従って、炭化珪素単結晶の高抵抗化を実現することができ、熱履歴の影響を受けることなく安定した比抵抗を有する６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶を提供することができる。

従来の電子スピン共鳴（ＥＰＲ）では、特定の欠陥は検出できても、実効エネルギー値を正確に測定できない為、半絶縁性に有効な真性点欠陥の同定や数量の把握は困難であった。

これに対して、本実施形態では、真性点欠陥の数、すなわち容量過渡分光法によって測定されるＲセンターを、ドナー（窒素、リン、砒素のうち少なくとも１つ、又はこれらの元素の組み合わせ）とアクセプター（ホウ素又はアルミニウムの少なくとも一つ）との差の絶対値よりも多くすることにより、電子デバイスが製造されるまでの温度条件によらず、安定して余剰ドーパントを補償することができる。

（５）その他の実施形態
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…製造装置、 １０…黒鉛製坩堝、 ２０…加熱炉、 ３０…誘電加熱コイル、 ４０…支持棒、 ５０…反応容器本体、 ６０…蓋部、 ６１…内側表面、 ７０…種結晶、 ８０…昇華用原料、 ９０…アルゴンガス純化装置、 ９１…アルゴンガスボンベ

Claims (4)

1. ドーパントとして、ドナーである第１不純物と、アクセプターである第２不純物とがドープされる６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶であって、
   真性点欠陥を有し、
   前記真性点欠陥のうち最も多く含まれる真性点欠陥は、容量過渡分光法によって測定されるＲセンターであり、
   前記Ｒセンターの数は、前記第１不純物と前記第２不純物との差の絶対値よりも多い６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶。
2. 比抵抗が１．０×１０^３Ω・ｃｍよりも大きい請求項１に記載の６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶。
3. 前記第１不純物は、窒素、リン、砒素のうち少なくとも１つ、又はこれらの元素の組み合わせであり、
   前記第２不純物は、ホウ素、アルミニウムの少なくとも一方である請求項１に記載の６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶。
4. 前記第１不純物は窒素であり、前記第２不純物はホウ素であり、
   前記窒素の濃度は、１立方センチあたり５．０×１０^１６個以下の値であり、
   前記ホウ素の濃度は、１立方センチあたり５．０×１０^１６個以下である請求項３に記載の６Ｈ形半絶縁性炭化珪素単結晶。

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