JP4670006B2 - 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
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Description
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。
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。
‘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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (25)
- 大気圧下で、2000℃〜2400℃の温度まで、点欠陥から生じ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、該結晶における点欠陥から生じる深準位状態の濃度を熱力学的に増加させる工程;及び
該加熱された結晶を、30℃/分〜150℃/分の速度で、1200℃以下まで冷却して、該第一濃度に比べてより高濃度を維持している該冷却された結晶における点欠陥から生じる深準位状態の濃度を維持する工程
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。 - 該炭化珪素結晶を加熱する工程は、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である請求項1記載の方法。
- 請求項1記載の方法に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。
- 該炭化珪素結晶が補償された炭化珪素結晶である請求項1記載の方法。
- 該炭化珪素結晶が、最も濃縮されたドーパントが5E16以下の量で存在する補償された結晶である請求項1記載の方法。
- 該加熱された結晶を冷却する工程は、該結晶を室温まで冷却する工程である請求項1記載の方法。
- 該炭化珪素結晶が炭化珪素のブールである請求項1記載の方法。
- 該炭化珪素結晶が炭化珪素ウェーハである請求項1記載の方法。
- 該結晶を、少なくとも2分間加熱する工程を含む請求項1記載の方法。
- 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1記載の方法。
- 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10記載の方法。
- 請求項1記載の方法によって製造された半絶縁性炭化珪素基板上にIII族窒化物エピタキシャル層を堆積させる工程を含む請求項1記載の方法。
- 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11記載の方法。
- 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1記載の方法。
- 該加熱された結晶を冷却する工程は、70分未満で室温まで冷却する工程である請求項1記載の方法。
- 該加熱された結晶を冷却する工程は、20分未満で室温まで冷却する工程である請求項1記載の方法。
- 大気圧下で、少なくとも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30℃/分の速度で室温まで冷却する工程;
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方法。 - 該ブールを、大気圧下で、2000℃〜2400℃の温度まで加熱する工程を含む請求項17記載の方法。
- 該ブールを、30〜150℃/分の速度で冷却する工程を含む請求項17記載の方法。
- 該ブールを、1200℃以下に冷却する工程を含む請求項19記載の方法。
- 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;
大気圧下で、少なくとも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30℃/分の速度で室温まで冷却する工程;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方法。 - 該スライスされたウェーハを、大気圧下で、2000℃〜2400℃の温度まで加熱する工程を含む請求項21記載の方法。
- 該ウェーハを、30〜150℃/分の速度で冷却する工程を含む請求項21記載の方法。
- 該ウェーハを、1200℃以下に冷却する工程を含む請求項21記載の方法。
- 該ウェーハを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21記載の方法。
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