JP2021502943A - 高純度炭化ケイ素単結晶基板及びその製造方法、応用 - Google Patents

Abstract

本願は、高純度炭化ケイ素単結晶基板及びその製造方法を提供し、半導体材料分野に属する。当該高純度炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板メイン層を少なくとも含み、前記炭化ケイ素単結晶基板表層の真性点欠陥の濃度は、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度より小さく、前記炭化ケイ素単結晶基板は、半絶縁性を有する。当該製造方法は、高純度炭化ケイ素ウェハに対して高温迅速熱処理技術及び表面レーザアニール技術を用い、高純度半絶縁炭化ケイ素基板の表面の一定の領域内に導入された点欠陥を除去すると同時に、基板の表面から離れた内部点欠陥を残すことによって、欠陥なしの炭化ケイ素単結晶基板の表層のクリアな領域を実現し、炭化ケイ素単結晶基板の半絶縁の特徴を保ち、製造されたＧａＮエピタキシャル層の品質が最も良くなるようにさせる。【選択図】図３

Description

本発明は、高純度炭化ケイ素単結晶基板及びその製造方法に関し、半導体材料分野に属する。

半絶縁炭化ケイ素（炭化ケイ素）単結晶基板は、ＧａＮ高周波マイクロ波デバイスを製造するための好ましい半導体基板材料である。これは、半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の高抵抗率等の優れる性能により、性能の優れる電気デバイスを製造することができ、また、炭化ケイ素とＧａＮ格子定数の比較的高いマッチング度（整合度）により、ヘテロエピタキシャル層が比較的良い結晶品質を得ることができるからである。

実現の方法としては、半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を製造するのに、ドーピング及び高純度の２つの実現の方法がある。濃度の高いバナジウム元素をドーピングして大量の深いエネルギー準位中心に導入し、フェルミエネルギー準位を禁制帯中心に釘付けることによって、半絶縁の特徴を実現する。現在、既に研究から分かるように、濃度の高いバナジウムをドーピングすることによって、製造されたデバイスで電子を捕獲してバックゲート効果を引き起こしてしまうので、デバイスの性能を低下させ、ひいては、効力がなくなるようにさせることがある。技術の発展に伴い、結晶体の中の浅いエネルギー準位の不純物の濃度を下げることで、結晶体の中の有効キャリアの濃度を減少させ、同時に一定の数の真性点欠陥を深いエネルギー準位中心として導入して補償することによって、半絶縁の特徴の高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を実現することは、主流となっている。

高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の高抵抗の特徴を実現することは、結晶体の内部の低濃度の電場応答性不純物（「電気活性不純物」ともいう。）と、炭素空孔及びその複合体のような一定の濃度の真性点欠陥をベースとする。真性点欠陥は、高純度半絶縁結晶体の電気的特徴を実現するための必須な特徴であるが、これらの点欠陥自身は、比較的大きな結晶格子の応力を導入し、結晶格子のひずみを招いてしまうので、炭化ケイ素単結晶の結晶格子の完全性が損なわれ、炭化ケイ素単結晶の格子定数にある程度の影響を与える。ＧａＮは、炭化ケイ素単結晶基板をエピタキシャルとして用いる主な原因の一つが、両者の格子定数の比較的小さい不整合度であることを考えると、点欠陥の導入により、ＧａＮと炭化ケイ素の結晶格子の整合度が増加することを招き、ひいては、ＧａＮエピタキシャル層の品質を低下させてしまう。

上述した問題を解決するために、本願は、高純度炭化ケイ素単結晶基板を提供する。本願の高純度炭化ケイ素単結晶基板によって、ＧａＮエピタキシャル層の結晶体の品質と高純度炭化ケイ素結晶体の電気的特徴のバランスが取れ、高純度炭化ケイ素単結晶基板の品質及びＧａＮエピタキシャル層との結晶格子のマッチング度が高まり、同時に高純度炭化ケイ素単結晶基板の物理的な性能の実現に影響を与えない。

当該高純度炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶基板表層及び炭化ケイ素単結晶基板メイン層を少なくとも含み、前記炭化ケイ素単結晶基板表層の真性点欠陥の濃度は、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度より小さく、前記炭化ケイ素単結晶基板は、半絶縁性を有することを特徴としている。

前記炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板メイン層は、厚さの比が１：４〜２５であることが好ましい。

前記高純度炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板メイン層からなることが好ましい。更に、前記高純度炭化ケイ素単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶基板表面と炭化ケイ素単結晶基板メイン層からなることが好ましい。

前記炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板は、厚さの比が３１％以下であることが好ましい。更に、前記炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板は、厚さの比が９％〜３１％であることが好ましい。更に、前記炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板は、厚さの比の下限が１０％、１５％、２０％、２５％又は３０％から選択され、厚さの比の上限が１０％、１５％、２０％、２５％又は３０％から選択されることが好ましい。

前記半絶縁炭化ケイ素単結晶基板は、厚さが４９０〜５１０μｍであることが好ましい。

前記炭化ケイ素単結晶基板表層の室温での真性点欠陥の濃度は、１×１０^１３ｃｍ^−３以下であることが好ましい。前記炭化ケイ素単結晶基板表層の室温での真性点欠陥の濃度は、１×１０^１２ｃｍ^−３以下であることが好ましい。

前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１６ｃｍ^−３であることが好ましい。前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１５ｃｍ^−３であることが好ましい。

前記半絶縁炭化ケイ素単結晶基板表層は、厚さが１５０μｍ以下であることが好ましい。前記半絶縁炭化ケイ素単結晶基板表層は、厚さが２０〜１５０μｍであることが好ましい。前記高純度炭化ケイ素単結晶基板の、アニール処理が行われた後の表層の厚さは、５０〜１５０μｍであることが好ましい。更に、当該高純度炭化ケイ素単結晶基板の、アニール処理が行われた後の表層の厚さの下限は、５５μｍ、７０μｍ、９０μｍ、１１０μｍ、１３０μｍ又は１４０μｍから選択され、当該高純度炭化ケイ素単結晶基板の、アニール処理が行われた後の表層の厚さの上限は、５５μｍ、７０μｍ、９０μｍ、１１０μｍ、１３０μｍ又は１４０μｍから選択されることが好ましい。更に、前記高純度炭化ケイ素単結晶基板の、アニール処理が行われた後の表層の厚さは、８０〜１２０μｍであることが好ましい。

前記炭化ケイ素単結晶基板表層は、室温では、殆ど真性点欠陥を含まず、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度によっては、前記高純度炭化ケイ素単結晶基板が半絶縁性を有することが好ましい。

前記炭化ケイ素単結晶基板表層は、室温では、当該温度での固有の真性点欠陥しか含まず、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度によっては、前記高純度炭化ケイ素単結晶基板が半絶縁性を有することが好ましい。

一つの実施形態としては、前記炭化ケイ素単結晶基板表層は、室温では、殆ど真性点欠陥を含まず、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１６ｃｍ^−３であり、前記高濃度炭化ケイ素単結晶基板における炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板メイン層は、厚さの比は、１：４〜２５である。前記炭化ケイ素単結晶基板表層が室温で殆ど真性点欠陥を含まないことは、真性点欠陥の濃度が極めて低く、真性点欠陥が絶対零度以外でずっと結晶体に存在し、一定の厚さの中に欠陥の濃度が最も低いことである。

前記炭化ケイ素単結晶基板表層の炭化ケイ素単結晶の結晶格子は、完全的な完全性を有することが好ましい。

前記炭化ケイ素単結晶基板の中の浅いエネルギー準位の不純物の濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１６ｃｍ^−３であることが好ましい。更に、前記浅いエネルギー準位の不純物は、Ｎ、Ｂ、Ａｌの中の少なくとも１つを含むことが好ましい。

前記高純度炭化ケイ素単結晶基板は、高純度炭化ケイ素ウェハに対して高温迅速熱処理及び表面アニール処理を行うステップによって製造されることが好ましい。

前記高温迅速熱処理は、迅速温度上昇加熱段階及び迅速温度降下段階を含むことが好ましい。

前記迅速温度上昇加熱段階は、３０〜１００℃／ｓの速度で温度を１８００〜２３００℃に上昇させ、６０〜６００ｓ維持するという処理条件を含み、前記迅速温度降下段階は、５０〜１５０℃／ｓの速度で室温に迅速で冷却させるという処理条件を含むことが好ましい。

更に、前記迅速温度上昇加熱段階の温度上昇の速度は、５０〜８０℃／ｓであることが好ましい。

更に、前記迅速温度上昇加熱段階は、維持温度が２０００〜２２００℃であり、維持時間が１００ｓ〜５００ｓであることが好ましい。更に、前記迅速温度上昇加熱段階は、維持温度が２１００〜２０００℃であり、維持時間が１５０ｓ〜２００ｓであることが好ましい。

更に、前記迅速温度降下段階は、１００〜１５０℃／ｓの速度で迅速で冷却することを含むことが好ましい。更に、前記迅速温度降下段階は、１００〜１５０℃／ｓの速度で迅速で冷却することを含むことが好ましい。前記迅速温度降下段階では、迅速温度上昇加熱段階で導入された真性点欠陥を結晶体に凍結することができる。

本願の高温迅速熱処理では、炭化ケイ素ウェハに一定の数の真性点欠陥を導入することによって、後続する表面アニールのプロセスにおいて過剰な真性点欠陥が湮滅し、製造された炭化ケイ素単結晶基板の半絶縁の特徴に影響を与えることを回避する。

前記表面アニール処理で制御された炭化ケイ素ウェハは、表面温度が１２００〜１８００℃であり、アニール処理の時間が３０〜９０ｍｉｎであることが好ましい。

更に、当該表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハの表面温度の下限は、１２５０℃、１３００℃、１４００℃、１５００℃、１６００℃、１７００℃又は１７５０℃から選択され、当該表面アニール処理で制御された炭化ケイ素ウェハの表面温度の上限は、１２５０℃、１３００℃、１４００℃、１５００℃、１６００℃、１７００℃又は１７５０℃から選択されることが好ましい。

更に、当該表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハの時間の下限は、３５ｍｉｎ、４５ｍｉｎ、５５ｍｉｎ、６５ｍｉｎ、７５ｍｉｎ又は８５ｍｉｎから選択され、当該表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハの時間の上限は、３５ｍｉｎ、４５ｍｉｎ、５５ｍｉｎ、６５ｍｉｎ、７５ｍｉｎ又は８５ｍｉｎから選択されることが好ましい。

前記表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハの表面温度は、１４００〜１６００℃であり、アニール処理の時間は、４５〜６０ｍｉｎであることが好ましい。更に、表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハの表面温度は、１５００〜１６００℃であることが好ましい。

前記表面アニール処理は、表面へのレーザを用いて高温迅速熱処理が行われた炭化ケイ素ウェハの表面を加熱し、前記レーザで加熱するステップは、レーザを用いて高温迅速熱処理が行われた炭化ケイ素ウェハに対して往復の面スキャンを行うことによって、表面アニール処理を行うことを含み、なお、前記レーザの移動速度は、０．５〜３０００ｍｍ／ｓであることが好ましい。

更に、前記レーザ発生装置の移動速度の下限は、１ｍｍ／ｓ、１０００ｍｍ／ｓ、１５００ｍｍ／ｓ、２０００ｍｍ／ｓ又は２５００ｍｍ／ｓから選択され、前記レーザ発生装置の移動速度の上限は、５ｍｍ／ｓ、１０００ｍｍ／ｓ、１５００ｍｍ／ｓ、２０００ｍｍ／ｓ又は２５００ｍｍ／ｓから選択されることが好ましい。更に、前記レーザ発生装置の移動速度は、０．５〜５ｍｍ／ｓであることが好ましい。当該レーザ発生装置の移動速度によっては、レーザが基板の表面を所定の温度に加熱することができるが、温度は、炭化ケイ素単結晶基板の内部に迅速で伝達せず、よって炭化ケイ素単結晶基板の表面に対するアニール効果を実現することができる。

前記表面アニール処理は、少なくとも炭化ケイ素ウェハの１つの表面に対してアニール処理を行うことを含むことが好ましい。更に、前記表面アニール処理は、炭化ケイ素単結晶基板がＧａＮ結晶体を成長する際にＧａＮ結晶体と接触する接触面に対してアニール処理を行うことを含むことが好ましい。

前記表面アニール処理は、レーザ発生装置を用いて高温迅速熱処理が行われた後の炭化ケイ素ウェハの表面を加熱することであることが好ましい。

前記レーザ発生装置は、波長が３５２ｎｍより小さく、パルスの幅が６０ｎｓ以下であり、エネルギー密度が１５０ｍＪ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。前記レーザ発生装置は、波長が３５２ｎｍより小さく、パルスの幅が２０〜６０ｎｓであり、エネルギー密度が７０〜１１０ｍＪ／ｃｍ^２であることが好ましい。本願のレーザ発生装置のパラメータを用いて高純度炭化ケイ素ウェハの表面を処理する均一度が高い。

本願のもう１つの局面は、上述した任意の一項に記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板を含む半導体デバイスを提供する。

前記半導体デバイスは、エピタキシャルウェハ又はトランジスタであることが好ましい。

本願のもう一つの局面は、上述した任意の一項に記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板の、半導体デバイスの製造中における応用を提供する。

前記半導体デバイスは、エピタキシャルウェハ又はトランジスタであることが好ましい。

本願のもう一つの局面は、高品質の半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を製造する方法を提供する。本願の製造方法によっては、ＧａＮエピタキシャル層の結晶体の品質と高純度炭化ケイ素結晶体の電気的特徴のバランスが取れている。当該新しい高純度半絶縁炭化ケイ素基板の製造方法では、半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の品質及びＧａＮエピタキシャル層との結晶格子のマッチング度が高まり、同時に高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の物理的な性能の実現に影響を与えない。

高品質の半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を製造する方法は、高純度炭化ケイ素ウェハを選択するステップ（１）と、高純度炭化ケイ素ウェハに対して高温迅速熱処理及び表面アニール処理を行うことによって、炭化ケイ素単結晶基板表層及び炭化ケイ素単結晶基板メイン層を少なくとも含む、前記高品質の半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を製造するステップ（２）と、を備える。

前記炭化ケイ素単結晶基板表層と前記炭化ケイ素単結晶基板は、厚さの比が３１％以下であることが好ましい。更に、前記炭化ケイ素単結晶基板表層と前記炭化ケイ素単結晶基板は、厚さの比が９％〜３１％であることが好ましい。更に、前記炭化ケイ素単結晶基板表層と前記炭化ケイ素単結晶基板の厚さの比の下限は、１０％、１５％、２０％、２５％又は３０％から選択され、前記炭化ケイ素単結晶基板表層と前記炭化ケイ素単結晶基板の厚さの比の上限は、１０％、１５％、２０％、２５％又は３０％から選択されることが好ましい。

前記半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の厚さは、４９０〜５１０μｍであることが好ましい。

前記半絶縁炭化ケイ素単結晶表層の厚さは、１５０μｍ以下であることが好ましい。前記半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の、アニール処理された後の表層の厚さは、２０〜１５０μｍであることが好ましい。前記半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の、アニール処理された後の表層の厚さは、５０〜１５０μｍであることが好ましい。更に、当該半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の、アニール処理された後の表層の厚さの下限は、５５μｍ、７０μｍ、９０μｍ、１１０μｍ、１３０μｍ又は１４０μｍから選択され、当該半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の、アニール処理された後の表層の厚さの上限は、５５μｍ、７０μｍ、９０μｍ、１１０μｍ、１３０μｍ又は１４０μｍから選択されることが好ましい。更に、前記半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の、アニール処理された後の表層の厚さは、８０〜１２０μｍであることが好ましい。

前記高温迅速熱処理は、３０〜１００℃／ｓの速度で温度を１８００〜２３００℃に上昇させ、６０〜６００ｓ維持することを含む迅速温度上昇加熱段階を備えることが好ましい。

更に、前記迅速温度上昇加熱段階の温度上昇の速度は、５０〜８０℃／ｓであることが好ましい。

更に、前記迅速温度上昇加熱段階は、維持温度が２０００〜２２００℃であり、維持時間が１００〜５００ｓｅｃであることが好ましい。更に、前記迅速温度上昇加熱段階は、維持温度が２０００〜２１００℃であり、維持時間が１５０〜２００ｓｅｃであることが好ましい。

前記高温迅速熱処理は、５０〜１５０℃／ｓの速度で迅速で冷却することを含む迅速温度降下段階を更に備えることが好ましい。更に、前記迅速温度降下段階は、１００〜１５０℃／ｓの速度で迅速で冷却することを含むことが好ましい。前記迅速温度降下段階は、迅速温度上昇加熱段階で導入された真性点欠陥を結晶体に凍結することができる。

本願の高温迅速熱処理では、炭化ケイ素ウェハに一定の数の真性点欠陥を導入することによって、後続する表面アニールのプロセスにおいて過剰な真性点欠陥が湮滅し、製造された炭化ケイ素単結晶基板の半絶縁の特徴に影響を与えることを回避する。

前記表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハは、表面温度が１２００〜１８００℃であり、アニール処理の時間が３０〜９０ｍｉｎであることが好ましい。

更に、当該表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハの表面温度の下限は、１２５０℃、１３００℃、１４００℃、１５００℃、１６００℃、１７００℃又は１７５０℃から選択され、当該表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハの表面温度の上限は、１２５０℃、１３００℃、１４００℃、１５００℃、１６００℃、１７００℃又は１７５０℃から選択されることが好ましい。

更に、当該表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハの時間の下限は、３５ｍｉｎ、４５ｍｉｎ、５５ｍｉｎ、６５ｍｉｎ、７５ｍｉｎ又は８５ｍｉｎから選択され、当該表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハの時間の上限は、３５ｍｉｎ、４５ｍｉｎ、５５ｍｉｎ、６５ｍｉｎ、７５ｍｉｎ又は８５ｍｉｎから選択されることが好ましい。

前記表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハは、表面温度が１４００〜１６００℃であり、アニール処理の時間が４５〜６０ｍｉｎであることが好ましい。更に、前記表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハは、表面温度が１５００〜１６００℃であることが好ましい。

前記表面アニール処理は、少なくとも高純度炭化ケイ素ウェハの１つの表面に対してアニール処理を行うことを含むことが好ましい。更に、前記表面アニール処理は、高純度炭化ケイ素単結晶基板がＧａＮ結晶体を成長する際にＧａＮ結晶体と接触する接触面に対してアニール処理を行うことを含むことが好ましい。

前記表面アニール処理は、レーザ発生装置を用いて高温迅速熱処理が行われた後の高純度炭化ケイ素ウェハの表面を加熱することであることが好ましい。

前記レーザ発生装置により加熱するステップは、レーザ発生装置を用いて高温迅速熱処理が行われた高純度炭化ケイ素ウェハに対して往復の面スキャンを行うことによって、表面アニール処理を行うことを含み、なお、前記レーザ発生装置の移動速度は、０．５〜３０００ｍｍ／ｓであることが好ましい。更に、前記レーザ発生装置の移動速度の下限は、１ｍｍ／ｓ、１０００ｍｍ／ｓ、１５００ｍｍ／ｓ、２０００ｍｍ／ｓ又は２５００ｍｍ／ｓから選択され、前記レーザ発生装置の移動速度の上限は、５ｍｍ／ｓ、１０００ｍｍ／ｓ、１５００ｍｍ／ｓ、２０００ｍｍ／ｓ又は２５００ｍｍ／ｓから選択されることが好ましい。更に、前記レーザ発生装置の移動速度は、０．５〜５ｍｍ／ｓであることが好ましい。当該レーザ発生装置の移動速度によっては、レーザが基板の表面を所定の温度に加熱することができるが、温度は、半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の内部に迅速で伝達せず、よって半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の表面に対するアニール効果を実現することができる。

前記レーザ発生装置は、波長が３５２ｎｍより小さく、パルスの幅が６０ｎｓ以下であり、エネルギー密度が１５０ｍＪ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。前記レーザ発生装置は、波長が３５２ｎｍより小さく、パルスの幅が２０〜６０ｎｓであり、エネルギー密度が７０〜１１０ｍＪ／ｃｍ^２であることが好ましい。本願のレーザ発生装置のパラメータを用いて高純度炭化ケイ素ウェハの表面を処理する均一度が高い。

前記ステップ（１）の高純度炭化ケイ素ウェハの製造方法は、炭化ケイ素の粉材料に対して不純物を除去し、結晶を成長させることによって、高純度炭化ケイ素単結晶を製造した後、切断、研削及び研磨を行って高純度炭化ケイ素ウェハを得るステップを含むことが好ましい。

本願の有益的な効果は、以下のことを含むが、これらに限定されない。

本願の高純度炭化ケイ素単結晶基板表層の真性点欠陥の低濃度によって、炭化ケイ素単結晶をＧａＮエピタキシャルのエピタキシャル基板とする際、ＧａＮと炭化ケイ素単結晶の結晶格子のマッチング度がより高いので、製造されたＧａＮエピタキシャル層の品質がより高い。また、高純度炭化ケイ素単結晶のメイン層は、一定の濃度の内部点欠陥を有するので、高純度炭化ケイ素単結晶基板の半絶縁の特徴を保つことができる。

本願の高純度炭化ケイ素単結晶基板の製造では、高温迅速熱処理技術及び表面レーザアニール技術を用い、高純度半絶縁炭化ケイ素基板の表面の一定の領域内に導入された点欠陥を除去すると同時に、基板の表面から離れた内部点欠陥を残すことによって、欠陥なしの基板の表層のクリアな領域を実現するとともに、高純度炭化ケイ素単結晶基板の半絶縁の特徴を保つので、ＧａＮエピタキシャル層の品質が最も良くなるようにさせる。

本願の高純度炭化ケイ素基板によっては、ＧａＮエピタキシャル層の結晶体の品質と高純度炭化ケイ素結晶体の電気的特徴のバランスが取れ、高純度炭化ケイ素単結晶基板の品質及び高純度炭化ケイ素単結晶基板とＧａＮエピタキシャル層との結晶格子のマッチング度が高まり、同時に高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の物理的な性能の実現に影響を与えない。

図１は、本願による、高純度炭化ケイ素単結晶基板を製造する高温迅速熱処理の模式図である。 図２は、本願による、高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を製造する表面アニール処理の模式図である。 図３は、本願で製造された高純度炭化ケイ素ウェハ、高温迅速熱処理が行われた後の高純度炭化ケイ素ウェハ及び高純度炭化ケイ素単結晶基板に含まれる真性点欠陥の濃度の模式図である。

実施形態を用いて本願を詳しく説明するが、本願は、これらの実施形態に限定されない。

特に説明しない限り、本願の実施形態に記載の原料等は、全て商業のルートで購入されるものである。

本願の実施形態の中の分析方法は、次の通りである。

抵抗率のテストでは、Ｓｅｍｉｍａｐ会社のＣＯＲＥＭＡ−ＷＴ型非接触式半絶縁抵抗率テスタを用いる。

結晶形テストでは、Ｈｏｒｉｂａ会社のＨＲ８００型共焦点ラマン分光装置を用いる。

炭化ケイ素単結晶基板の表面形状テストでは、ＦＲＴ会社のＭｉｃｒｏｐｒｏｆ＠ＴＴＶ２００型全自動表面型テスタを用いる。

元素含有量テストでは、Ｃａｍｅｃａ会社のＩＭＳ７ｆ−Ａｕｔｏ型二次イオン質量分析計を用いる。

本願の高純度炭化ケイ素ウェハは、当分野内の方法で製造すれば良く、下記のステップ（１）、ステップ（２）、ステップ（３）、ステップ（４）及びステップ（５）を含む高純度炭化ケイ素ウェハの製造方法を用いて製造することができる。

ステップ（１）においては、一定の量の炭化ケイ素の粉材料を黒鉛の坩堝の内に置き、炭化ケイ素の粉材料の純度が９９．９９９９％以上であり、その中に含まれる、窒素のような浅いエネルギー準位のドナーの不純物の濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、ホウ素、アルミニウム等のような浅いエネルギー準位のアクセプターの不純物の濃度の合計が１×１０^１６ｃｍ^−３以下である。

ステップ（２）においては、炭化ケイ素単結晶を成長させるシード結晶を、黒鉛の坩堝の内部の炭化ケイ素の粉材料の上部に置いた後、黒鉛の坩堝を密封する。密封された黒鉛の坩堝が黒鉛の断熱フェルトの内部に置かれた後、一体として単結晶成長装置内に移され、炉を密封する。

ステップ（３）においては、炉の中の圧力を１０^−５Ｐａに真空排気し、５〜１０ｈ維持することによって、炉の中の残留の不純物を除去し、その後、炉の中にアルゴンガス又はヘリウムガスのような保護雰囲気を徐々に入れる。

ステップ（４）においては、３０〜５０ｍｂａｒ／ｈの速度で炉の圧力を１０〜１００ｍｂａｒに上昇させると同時に、１０〜２０℃／ｈの速度で炉の中の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、この温度で５０〜１００ｈ維持することによって、炭化ケイ素単結晶の成長プロセスを完成させる。

ステップ（５）においては、単結晶成長のプロセスが終わると、炉の加熱を止め、炉の温度が室温に自然に下がった後、炉を開けて黒鉛の坩堝を取り出して前記の高純度炭化ケイ素単結晶を獲得し、さらに切断及び仕上げ磨きのプロセスを続けると、高純度炭化ケイ素ウェハを得る。

（実施形態１）
高純度炭化ケイ素単結晶基板の製造
一つの実施形態としては、高純度炭化ケイ素単結晶を製造する方法は、下記のステップ（１）、ステップ（２）、ステップ（３）、ステップ（４）及びステップ（５）を含む。

ステップ（１）においては、一定の量の炭化ケイ素の粉材料を黒鉛の坩堝の内に置き、炭化ケイ素の粉材料の純度が９９．９９９９％以上であり、その中に含まれる、窒素のような浅いエネルギー準位のドナーの不純物の濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、ホウ素、アルミニウム等のような浅いエネルギー準位のアクセプターの不純物の濃度の合計が１×１０^１６ｃｍ^−３以下である。

ステップ（２）においては、炭化ケイ素単結晶を成長させるシード結晶を、黒鉛の坩堝の内部の炭化ケイ素の粉材料の上部に置いた後、黒鉛の坩堝を密封する。密封された黒鉛の坩堝が黒鉛の断熱フェルトの内部に置かれた後、一体として単結晶成長装置内に移され、炉を密封する。

ステップ（３）においては、炉の中の圧力を１０^−５Ｐａに真空排気し、８ｈ維持することによって、炉の中の残留の不純物を除去し、その後、炉の中にアルゴンガスを徐々に入れる。

ステップ（４）においては、４０ｍｂａｒ／ｈの速度で炉の圧力を５０ｍｂａｒに上昇させると同時に、１５℃／ｈの速度で炉の中の温度を２１００〜２２００℃に上昇させ、この温度で８０ｈ維持することによって、炭化ケイ素単結晶の成長プロセスを完成させる。

ステップ（５）においては、単結晶成長のプロセスが終わると、炉の加熱を止め、炉の温度が室温に自然に下がった後、炉を開けて黒鉛の坩堝を取り出して前記高純度炭化ケイ素単結晶を獲得し、さらに切断及び仕上げ磨きのプロセスを続けると、高純度炭化ケイ素ウェハ１＃を得る。

前記方法で製造された高純度炭化ケイ素ウェハ１＃を用いて高純度炭化ケイ素ウ単結晶基板を製造する。当該製造方法は、次のステップを含む。

（１）製造された高純度炭化ケイ素ウェハに対して高温迅速熱処理を行い、レーザ発生装置を用いて高純度炭化ケイ素ウェハの表面に対して往復スキャンでアニールを行うと、高純度炭化ケイ素単結晶基板が完成する。

レーザ発生装置のパワー、デフォーカス量及びレーザ熱処理面積等の値を制御することによって、高純度炭化ケイ素ウェハの表面の温度を制御する。

図１は、本実施形態による、高純度炭化ケイ素単結晶基板を製造する高温迅速熱処理の模式図であり、Ｔは、温度であり、ｔは、時間である。

図２は、本実施形態による、高純度炭化ケイ素単結晶基板を製造する表面アニール処理の模式図であり、１は、レーザ発生装置であり、２は、高純度炭化ケイ素ウェハであり、レーザ発生装置１は、高純度炭化ケイ素ウェハ２の表面において一定の速度で往復移動して高純度炭化ケイ素ウェハ２の表面を加熱する。

図３は、本願による、半絶縁炭化ケイ素ウェハから高純度炭化ケイ素単結晶基板の製品になるまでの真性点欠陥の濃度の変化の模式図である。図３ａ、図３ｂ及び図３ｃは、それぞれ高純度炭化ケイ素ウェハ、高温迅速熱処理が行われた後の高純度炭化ケイ素ウェハ及び高純度炭化ケイ素単結晶基板に含まれる真性点欠陥の濃度の模式図である。図３においては、３は、真性点欠陥であり、４は、高純度炭化ケイ素単結晶基板表層であり、５は、高純度炭化ケイ素単結晶メイン層である。本願の高温迅速熱処理は、高純度炭化ケイ素ウェハ（図３ａに示すように）に一定の数の真性点欠陥３（図３ｂに示すように）を導入することによって、後続する表面アニールのプロセスにおいて過剰な真性点欠陥が湮滅し、製造された高純度炭化ケイ素単結晶基板（図３ｃに示すように）の半絶縁の特徴に影響を与えることを回避する。本願の高純度炭化ケイ素単結晶基板（図３ｃに示すように）の製造では、高温迅速熱処理技術及び表面レーザアニール技術により、高純度半絶縁炭化ケイ素基板の表面４の一定の領域内に導入された点欠陥を除去すると同時に、基板の表面から離れた内部点欠陥である純炭化ケイ素単結晶メイン層５を残すことによって、欠陥なしの基板の表層４のクリアな領域を実現し、半絶縁炭化ケイ素基板の半絶縁の特徴を保ち、ＧａＮエピタキシャル層の品質が最も良くなるようにさせる。

ＫｒＦパルスレーザを用いて照射することで、高純度炭化ケイ素単結晶基板に対してアニール処理を行い、高純度炭化ケイ素単結晶基板のエネルギー密度が１５０ｍＪ／ｃｍ^２以下であるように制御する。

上述した方法及び表１に示される具体的なパラメータに基づき、高純度炭化ケイ素ウェハ１＃を、高純度炭化ケイ素単結晶基板１＃、高純度炭化ケイ素単結晶基板２＃、高純度炭化ケイ素単結晶基板３＃、高純度炭化ケイ素単結晶基板４＃及び高純度炭化ケイ素単結晶基板５＃にそれぞれ製造する。高純度炭化ケイ素単結晶基板１＃〜５＃の具体的な製造パラメータ及び基板の性質は、表１に示されている。

表１は、製造された高純度炭化ケイ素単結晶基板１＃、高純度炭化ケイ素単結晶基板２＃、高純度炭化ケイ素単結晶基板３＃、高純度炭化ケイ素単結晶基板４＃及び高純度炭化ケイ素単結晶基板５＃の抵抗率、浅いエネルギー準位の不純物の含有量、炭化ケイ素基板表層の真性点の濃度、炭化ケイ素基板メイン層の真性点の濃度等をそれぞれテストした結果を示している。表１のデータから分かるように、高純度炭化ケイ素単結晶基板１＃〜５＃は、抵抗率が高く、半絶縁の性質を有する。高純度炭化ケイ素単結晶基板１＃〜５＃の炭化ケイ素単結晶基板表層の真性点欠陥の濃度は、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥濃度より小さく、製造された炭化ケイ素単結晶基板１＃〜５＃は、半絶縁性を有する。なお、前記炭化ケイ素単結晶基板１＃は、表層の点欠陥の濃度が極めて低く、良好な結晶格子の完全性を有し、高純度炭化ケイ素単結晶基板１＃のメイン層の真性点欠陥の濃度により、前記高純度炭化ケイ素単結晶基板が半絶縁性を有する。炭化ケイ素単結晶基板表層の室温での真性点欠陥の濃度が極めて低く、真性点欠陥が絶対零度以外でずっと結晶体に存在し、一定の厚さ内に真性点欠陥の濃度が最も低い。

本願により製造された４〜１２インチの半絶縁炭化ケイ素単結晶基板は、抵抗率が２×１０^１１Ω・ｃｍ以上に達し、抵抗率のラジアル分布が２オーダー以内に制御されるので、半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の抵抗率の均一分布を実現することができる。４〜１２インチの半絶縁炭化ケイ素単結晶基板に対してその湾曲度及び反り返り度をテストし、その湾曲度及び反り返り度を４５μｍ以内に制御することができる。

（実施形態２）
ＧａＮ単結晶の製造及び性能テスト
実施形態１で製造された同じサイズの高純度炭化ケイ素単結晶基板１＃〜５＃及び高純度炭化ケイ素ウェハ１＃を、それぞれＧａＮ単結晶エピタキシャルを製造する基板とし、製造方法を当分野の慣用の方法とする。高純度炭化ケイ素単結晶基板１＃〜５＃により製造されたＧａＮ単結晶の結晶型品質は、高純度炭化ケイ素ウェハ１＃を基板として製造されたＧａＮ単結晶エピタキシャルの品質より高く、具体的には、表２に示されている。

上述した内容は、本願の実施形態に過ぎない。本願の保護範囲は、これらの具体的な実施形態に限定されず、本願の特許請求の範囲に決められる。当業者にとっては、本願に対して様々な変更及び変化を行うことができる。本願の技術的構想及び原理以内に行われた任意の補正、置換え、改良等は、何れも本願の保護範囲内に含まれる。

本発明は、高純度炭化ケイ素単結晶基板及びその製造方法、応用に関し、半導体材料分野に属する。

半絶縁炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶基板は、ＧａＮ高周波マイクロ波デバイスを製造するための好ましい半導体基板材料である。これは、半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の高抵抗率等の優れる性能により、性能の優れる電気デバイスを製造することができ、また、炭化ケイ素とＧａＮ格子定数の比較的高いマッチング度（整合度）により、ヘテロエピタキシャル層が比較的良い結晶品質を得ることができるからである。

高純度半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の高抵抗の特徴を実現することは、結晶体の内部の低濃度の電場応答性不純物（「電気活性不純物」ともいう。）と、炭素空孔及びその複合体のような一定の濃度の真性点欠陥をベースとする。真性点欠陥は、高純度半絶縁結晶体の電気的特徴を実現するための必須な特徴であるが、これらの点欠陥自身は、比較的大きな結晶格子の応力を導入し、結晶格子のひずみを招いてしまうので、炭化ケイ素単結晶の結晶格子の完全性が損なわれ、炭化ケイ素単結晶の格子定数にある程度の影響を与える。ＧａＮは、炭化ケイ素単結晶基板をエピタキシャルとして用いる主な原因の一つが、両者の格子定数の比較的小さい不整合度であることを考えると、点欠陥の導入により、ＧａＮと炭化ケイ素の結晶格子の不整合度が増加することを招き、ひいては、ＧａＮエピタキシャル層の品質を低下させてしまう。

更に、前記迅速温度降下段階は、５０〜１５０℃／ｓの速度で迅速で冷却することを含むことが好ましい。更に、前記迅速温度降下段階は、１００〜１５０℃／ｓの速度で迅速で冷却することを含むことが好ましい。前記迅速温度降下段階では、迅速温度上昇加熱段階で導入された真性点欠陥を結晶体に凍結することができる。

上述した内容は、本願の実施形態に過ぎない。本願の保護範囲は、これらの具体的な実施形態に限定されず、本願の特許請求の範囲に決められる。当業者にとっては、本願に対して様々な変更及び変化を行うことができる。本願の技術的構想及び原理以内に行われた任意の補正、置換え、改良等は、何れも本願の保護範囲内に含まれる。
［符号の説明］
１ レーザ発生装置、２ 高純度炭化ケイ素ウェハ、３ 真性点欠陥、４ 高純度炭化ケイ素単結晶基板表層、５ 高純度炭化ケイ素単結晶メイン層。

Claims (20)

1. 炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板メイン層を少なくとも含む高純度炭化ケイ素単結晶基板であって、
   前記炭化ケイ素単結晶基板表層の真性点欠陥の濃度は、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度より小さく、前記炭化ケイ素単結晶基板は、半絶縁性を有することを特徴とする高純度炭化ケイ素単結晶基板。
2. 前記炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板メイン層は、厚さの比が１：４〜２５であることを特徴とする請求項１に記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板。
3. 前記炭化ケイ素単結晶基板表層の真性点欠陥の室温濃度は、１×１０^１３ｃｍ^−３以下であり、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１６ｃｍ^−３であり、
   より好ましくは、前記炭化ケイ素単結晶基板表層の室温での真性点欠陥の室温濃度は、１×１０^１２ｃｍ^−３以下であり、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１５ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１に記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板。
4. 前記炭化ケイ素単結晶基板表層の厚さは、１５０μｍ以下であり、
   より好ましくは、前記炭化ケイ素単結晶基板表層の厚さは、２０〜１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板。
5. 前記炭化ケイ素単結晶基板表層は、室温では、殆ど真性点欠陥を含まず、前記炭化ケイ素単結晶基板メイン層の真性点欠陥の濃度により、前記高純度炭化ケイ素単結晶基板が半絶縁性を有することを特徴とする請求項２に記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板。
6. 高純度炭化ケイ素ウェハに対して高温迅速熱処理及び表面アニール処理を行う製造方法によって製造されることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１つに記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板。
7. 前記高温迅速熱処理は、迅速温度上昇加熱段階及び迅速温度降下段階を含み、
   より好ましくは、前記迅速温度上昇加熱段階では、３０〜１００℃／ｓの速度で温度を１８００〜２２００℃に上昇させ、６０〜６００ｓ維持するステップを含み、前記迅速温度降下段階では、５０〜１５０℃／ｓの速度で迅速で室温に冷却するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板。
8. 前記表面アニール処理で制御された炭化ケイ素ウェハは、表面温度が１２００〜１８００℃であり、アニール処理の時間が３０〜９０ｍｉｎであり、
   より好ましくは、前記表面アニール処理は、表面へのレーザを用いて高温迅速熱処理が行われた炭化ケイ素ウェハの表面を加熱することであり、
   前記レーザで加熱するステップは、レーザを用いて高温迅速熱処理が行われた炭化ケイ素ウェハに対して往復の面スキャンを行うことによって、表面アニール処理を行うことを含み、前記レーザの移動速度は、０．５〜３０００ｍｍ／ｓであることを特徴とする請求項６に記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板。
9. 請求項１〜８の何れか１つに記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板を含む半導体デバイスであって、
   前記半導体デバイスは、エピタキシャルウェハ又はトランジスタであることが好ましいことを特徴とする半導体デバイス。
10. 請求項１〜８の何れか１つに記載の高純度炭化ケイ素単結晶基板の、半導体デバイスの製造中における応用であって、
    前記半導体デバイスは、エピタキシャルウェハ又はトランジスタであることが好ましいことを特徴とする、製造中における応用。
11. 高純度炭化ケイ素ウェハを選択するステップ（１）と、
    高純度炭化ケイ素ウェハに対して高温迅速熱処理及び表面アニール処理を行うことによって、炭化ケイ素単結晶基板表層及び炭化ケイ素単結晶基板メイン層を少なくとも含む、高品質の半絶縁炭化ケイ素単結晶基板を得るステップ（２）と、を備えることを特徴とする、高品質の半絶縁炭化ケイ素単結晶基板の製造方法。
12. 前記炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板は、厚さの比が３１％以下であり、
    更に、前記炭化ケイ素単結晶基板表層と炭化ケイ素単結晶基板は、厚さの比が９％〜３１％であることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
13. 前記高温迅速熱処理は、３０〜１００℃／ｓの速度で室温から１８００〜２３００℃に上昇させ、６０〜６００ｓ維持することを含む迅速温度上昇加熱段階を備えることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
14. 前記高温迅速熱処理は、５０〜１５０℃／ｓの速度で迅速で冷却させることを含む迅速温度降下段階を更に備えることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
15. 前記迅速温度降下段階は、１００〜１５０℃／ｓの速度で室温に迅速で冷却させることを含むことを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
16. 前記表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハは、表面温度が１２００〜１８００℃であり、アニール処理の時間が３０〜９０ｍｉｎであり、
    より好ましくは、前記表面アニール処理で制御された高純度炭化ケイ素ウェハは、表面温度が１４００〜１６００℃であり、アニール処理の時間が４５〜６０ｍｉｎであることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
17. 前記表面アニール処理は、レーザ発生装置を用いて高温迅速熱処理が行われた後の高純度炭化ケイ素ウェハの表面を加熱することであることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
18. 前記レーザ発生装置で加熱するステップは、レーザ発生装置を用いて高温迅速熱処理が行われた炭化ケイ素ウェハに対して往復の面スキャンを行うことによって、表面アニール処理を行うことを含み、前記レーザ発生装置の移動速度は、０．５〜３０００ｍｍ／ｓであり、
    より好ましくは、前記レーザ発生装置の移動速度は、０．５〜５ｍｍ／ｓであることを特徴とする請求項１７に記載の製造方法。
19. 前記レーザ発生装置は、波長が３５２ｎｍより小さく、パルスの幅が６０ｎｓ以下であり、エネルギー密度が１５０ｍＪ／ｃｍ^２以下であり、
    より好ましくは、前記レーザ発生装置は、波長が３５２ｎｍより小さく、パルスの幅が２０〜６０ｎｓであり、エネルギー密度が７０〜１１０ｍＪ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１８に記載の製造方法。
20. ステップ（１）の高純度炭化ケイ素ウェハの製造方法は、炭化ケイ素の粉材料に対して不純物を除去し、結晶を成長させることによって、高純度炭化ケイ素単結晶を製造した後、切断、研削及び研磨を行って高純度炭化ケイ素ウェハを得るステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
    

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