JP4697235B2

JP4697235B2 - ｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法およびそれにより製造されたｐ型ＳｉＣ半導体単結晶

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Publication number: JP4697235B2
Application number: JP2008018027A
Authority: JP
Inventors: 章憲関; 靖幸藤原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2028-01-29
Also published as: WO2009095764A1; CN101932757B; DE112009000196B4; US8470698B2; KR101293157B1; CN101932757A; DE112009000196B8; WO2009095764A8; KR20100100977A; JP2009179491A; US20100308344A1; DE112009000196T5

Description

本発明は、ｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法およびそれにより製造されたｐ型ＳｉＣ半導体単結晶に関する。

ＳｉＣ半導体は、Ｓｉ半導体に比べて耐電圧性能が高く、高温に耐え、電力損失が少ないという優れた特性を備えているため、インバータ等に適した高電圧・大電流のパワー半導体として実用化が進められている。例えば、インバータのスイッチング素子を構成するＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）やＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）は、オン抵抗が小さくスイッチング速度が速いことが必要である。これらトランジスタを構成するためのｎ型とｐ型のＳｉＣ半導体のうち、ｎ型は比較的開発が進められているのに対して、ｐ型は開発が遅れており特に実用に適する低抵抗が得られていなかった。

ｐ型ＳｉＣ半導体の製造技術としては、昇華法、イオン注入法、溶液法が行なわれている。昇華法は、最も広く用いられており、６Ｈ−ＳｉＣにＢまたはＡｌをドープしたウェーハでは実験値として２〜１０Ωｃｍの比抵抗が得られているが、実際の市販品では２００Ωｃｍ以上というのが実情である。前述のスイッチング素子として必要とされる実用レベルは０．５Ωｃｍ以下であり、昇華法では達成されていない。その原因は、Ｂ、Ａｌなどの不純物の取り込みが困難であること、また４Ｈ−ＳｉＣでは活性化エネルギーがＢ：２８５ｍｅＶ、Ａｌ：１９０ｍｅＶ（非特許文献１）と大きいため、活性化したキャリアの発生率が低いこと、などが考えられる。

一方、イオン注入法では、６Ｈ−ＳｉＣの場合、１０²⁰〜１０²¹ｃｍ^-3ドープすることで、０．０２Ωｃｍという極めて低い比抵抗が得られている（非特許文献２）。しかし、このような高いドープ量を用いると、結晶欠陥の発生が避けられず、高品質の半導体単結晶が得られない。また４Ｈ−ＳｉＣでは活性化エネルギーがＢ：２８５ｍｅＶ、Ａｌ：１９０ｍｅＶ（非特許文献１）と大きいため、活性化したキャリアの発生率が低いことによる欠点は昇華法の場合と同様である。

溶液法は、ポリタイプ制御性やマイクロパイプの低減に有効であることから、種々の提案が行なわれている。

特許文献１には、Ｓｉ融液にＣを溶解させた溶液（以下「Ｓｉ−Ｃ溶液」と略称）中にＡｌやＢを添加することによりｐ型ＳｉＣ半導体単結晶が得られ、同じくＮを添加することによりｎ型ＳｉＣ半導体単結晶が得られることが開示されている。しかし、特に低抵抗化については何ら考慮されていない。

特許文献２には、Ｓｉ−Ｃ溶液中にＴｉとＡｌを添加することによりｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させることが提案されている。しかし、特に低抵抗化については何ら考慮されていない。

更に、特許文献３には、Ｓｉ−Ｃ溶液中にＡｌを１〜３０wt％添加することによりＳｉＣ単結晶の成長面の平坦性を向上させることが提案されている。しかし、得られたＳｉＣ単結晶中のＡｌ含有量については言及がなく、低抵抗化についても考慮がない。

また、特許文献４には、多孔質黒鉛坩堝にＮを吸着させておくことにより、Ｓｉ−Ｃ溶液中にＮを添加する方法が提案されている。Ｎはｎ型ドーパントであり、Ｎのみの添加ではｐ型ＳｉＣ半導体単結晶は得られないし、低抵抗化についても何ら示唆がない。

特開２０００−２６４７９０号公報特開２００７−７６９８６号公報特開２００５−８２４３５号公報特開２００７−１５３７１９号公報「ＳｉＣ素子の基礎と応用」荒井和雄編、平成１５年出版、オーム社「半導体ＳｉＣ技術と応用」松浪弘之著、２００３年出版、日刊工業新聞社

本発明は、実用レベルまで比抵抗を低減したｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法およびそれにより製造されたｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、Ｓｉ融液にＣを溶解させた溶液からＳｉＣ単結晶基板上にｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させる方法において、
成長したｐ型ＳｉＣ半導体単結晶中のＡｌ濃度とＮ濃度とがＡｌ濃度＞Ｎ濃度となるようにＡｌおよびＮを上記溶液に更に添加した溶液を用いることを特徴とする溶液法によるｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法が提供される。

更に、本発明によれば、上記の方法により製造され、不純物として１×１０²⁰ｃｍ^-3のＡｌおよび２×１０¹⁸〜７×１０¹⁸ｃｍ^-3のＮを含有することを特徴とするｐ型ＳｉＣ半導体単結晶が提供される。

Ｓｉ−Ｃ溶液中に、Ａｌ添加量＞Ｎ添加量の関係を満たす量でＡｌとＮを添加することにより、実用レベルに比抵抗を低下したｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させることができる。

本発明の方法においては、Ｓｉ−Ｃ溶液に添加するＡｌおよびＮの量を、Ａｌ添加量＞Ｎ添加量の関係を満たす量とすることにより、ｐ型のＳｉＣ半導体単結晶を成長させる。

本発明の特徴の一つは、ｐ型ドーパントであるＡｌとｎ型ドーパントであるＮとを組み合わせて添加したことである。従来の技術常識では、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントを共存させると両者が相殺して抵抗値は上昇するように思われる。しかしこのような常識に反して本発明においては、Ａｌ単独で添加した場合に比べてＮの共存によりむしろ大幅に抵抗値が低下した。その理由は未解明であるが、１つの推測としては、Ａｌと共存するＮによって、１）ＳｉＣ中へのＡｌの取り込まれ方が変わると共に、２）電気特性（活性化エネルギーなど）が変わり、それによって抵抗値が低下するのであろう。

本発明の望ましい実施形態においては、ＡｒとＮとの混合雰囲気中にて上記成長を行うことにより、溶液中へのＮ添加を行なうことができる。

本発明の別の望ましい実施形態においては、上記溶液に更に遷移金属を添加した溶液を用いることにより、更に抵抗値を低下させることができる。この遷移金属としては典型的にはＣｒまたはＴｉを用いることができる。

なお、本発明の「溶液法」には、下記の実施例において説明するように厚さ数百μmあるいは数ｍｍ以上の「単結晶成長」ばかりでなく、厚さ数μｍ〜数十μｍの薄膜を形成するいわゆる「液相エピタキシャル成長」も含む。

本発明により、溶液法にて下記の手順および条件でｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させた。

図１に、用いた装置を示す。グラファイト坩堝１０の周囲を取り巻く高周波加熱コイル１２により、坩堝１０内の原料を加熱溶解して溶液１４を形成し、その上方に支持部品１６の下端に支持したＳｉＣ種結晶１８を溶液１４の液面Ｓに接触させ、Ａｒガス等の不活性雰囲気２０中でＳｉＣ種結晶１８の下面にＳｉＣ単結晶を成長させる。

原料として、表１に示す種々の投入量でＳｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉを配合し坩堝１０内に装入した。サンプルNo.１〜３は本発明例、サンプルNo.４は比較例である。いずれもＡｌ添加量は１０at％で一定とした。

Ａｒガス中にＮ₂ガスを１００ｐｐｍ添加したＡｒ＋Ｎ₂の混合ガス雰囲気２０で装置内を封入した。ただし、ドーパントとしてＡｌのみを添加する比較例サンプルNo.４については、Ｎを混合しないＡｒガス雰囲気とした。

原料を成長温度１７００〜２０００℃に加熱して溶解し、形成された溶液１４の液面Ｓに６Ｈ−ＳｉＣ種結晶１８を浸して保持した。

成長速度０．１〜０．２ｍｍ／時間にて約１０時間の成長で得られたＳｉＣ単結晶を厚さ６００μｍに切り出し、Ｈａｌｌ測定を行なった、表１に測定結果を示す。

比較例サンプルNo.４は、Ａｌのみを添加したことにより比抵抗０．７Ωｃｍが得られており、これは従来昇華法で得られた１〜５Ωｃｍに比べて低抵抗であるが、実用レベルとして望まれる０．５Ωｃｍ以下を満たしていない。

これに対して本発明例は、サンプルNo.１〜３のいずれも実用レベルとして望まれる０．５Ωｃｍ以下を満たしている。すなわち、サンプルNo.１は、ドーパントとしてＡｌとＮを添加したことにより比抵抗０．２５Ωｃｍが得られ、サンプルNo.２、No.３は、ドーパントとして更にＣｒまたはＴｉを添加したことにより、それぞれ０．０３Ωｃｍ、０．０７ｃｍという低い比抵抗が得られた。

このように本発明において、ドーパントとしてＡｌに加えてＮを、更にはＣｒまたはＴｉとを添加したことにより、ドーパントとしてＡｌのみを添加した場合より比抵抗を低下させることができる。その理由は未解明であるが、既に述べたように次のように推測される。すなわち、１）ＳｉＣ中へのＡｌの取り込まれ方が変わると共に、２）電気特性（活性化エネルギーなど）が変わり、それによって抵抗値が低下するのであろう。

本実施例においては、Ｎの投入量（Ａｒ雰囲気中のＮ濃度）は１００ｐｐｍとしたが、もちろん種々の濃度とすることができる。ただし、Ｎの投入量（Ａｒ雰囲気中のＮ濃度）は１０％以下とすることが望ましい。本発明者の実験によれば、１０％投入時に、成長したＳｉＣ単結晶の表面にＳｉＮに起因した結晶粒（異物）が発生するため、高品質のＳｉＣ単結晶を得ることができない。一方、Ｎ投入量は、下記の理由から２ｐｐｍ以上とすることが望ましい。すなわち、Ｎ／Ａｌ≧２％の場合に本発明の低抵抗化の効果が確認できており、不純物濃度としてＡｌ濃度≧１×１０¹⁸ｃｍ^-3が適用可能範囲であるので、Ｎ濃度の下限は２×１０¹⁶以上であり、これを実現するためのＮの投入量（Ａｒ雰囲気中のＮ濃度）は２ｐｐｍ以上である。

Ａｌ＋Ｎの複合添加による低抵抗化のメカニズムとして、Ａｌ−Ｎ結合の存在が考えられる。実験的には、Ａｌ：１×１０²⁰ｃｍ^-3に対してＮ：２×１０¹⁸ｃｍ^-3で効果が確認されているので、Ｐ層の低抵抗化効果を確保するには、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上が必要であると推測される。

本発明によれば、実用レベルまで比抵抗を低減したｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法およびそれにより製造されたｐ型ＳｉＣ半導体単結晶が提供される。

本発明の溶液法によりｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させるための装置の基本的な構成を示す模式図。

符号の説明

１０グラファイト坩堝
１２高周波加熱コイル
１４溶液
１６支持部品
１８ＳｉＣ種結晶
２０不活性雰囲気
Ｓ溶液１４の液面

Claims

Ｓｉ融液にＣを溶解させた溶液からＳｉＣ単結晶基板上にｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させる方法において、
成長したｐ型ＳｉＣ半導体単結晶中のＡｌ濃度とＮ濃度とがＡｌ濃度＞Ｎ濃度となるようにＡｌおよびＮを上記溶液に更に添加した溶液を用いることを特徴とする溶液法によるｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法。
請求項１において、ＡｒとＮとの混合雰囲気中にて上記成長を行うことを特徴とするｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法。
請求項１または２において、上記溶液に更に遷移金属を添加した溶液を用いることを特徴とするｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法。
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法により製造され、不純物として１×１０²⁰ｃｍ^-3のＡｌおよび２×１０¹⁸〜７×１０¹⁸ｃｍ^-3のＮを含有することを特徴とするｐ型ＳｉＣ半導体単結晶。