JPH04193799A

JPH04193799A - 炭化珪素単結晶の製造方法

Info

Publication number: JPH04193799A
Application number: JP32642590A
Authority: JP
Inventors: Masaki Furukawa; 勝紀古川; Akira Suzuki; 彰鈴木; Yoshihisa Fujii; 藤井　良久
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-11-27
Filing date: 1990-11-27
Publication date: 1992-07-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は昇華再結晶法を用いて炭化珪素単結晶を成長さ
せる方法に関する。

（従来の技術）炭化珪素は広い禁制帯幅（２，２〜３．３ｅＶ）を有す
る半導体材料である。また、熱的、化学的、および機械
的に極めて安定であり、放射線損傷にも強いという優れ
た特徴を持っている。他方、珪素のような従来の半導体
材料を用いた素子は、特に高温、高出力駆動、放射線照
射などの苛酷な条件下では使用が困難である。したがっ
て、炭化珪素を用いた半導体素子は、このような苛酷な
条件下でも使用し得る半導体素子として広範な分野での
応用が期待されている。

しかしながら、大きい面積を有する高品質の炭化珪素単
結晶を、生産性を考慮した工業的規模で安定に供給し得
る結晶成長技術は、いまだ確立されていない。それゆえ
、炭化珪素は、上述のような多くの利点および可能性を
有する半導体材料であるにもかかわらず、その実用化が
阻まれている。

従来、研究室程度の規模では２例えば昇華再結晶法（レ
ーリー法）で炭化珪素単結晶を成長させるか、あるいは
この方法により得られた炭化珪素単結晶を基板として用
い、気相エピタキシャル成長法または液相エピタキシャ
ル成長法により、この基板上に、さらに炭化珪素単結晶
層を成長させて、半導体素子の試作が可能なサイズの炭
化珪素単結晶を得ていた。

しかしながら、これらの方法では、得られた単結晶の面
積が小さく、その寸法および形状を高精度に制御するこ
とは困難である。また、炭化珪素が有する結晶多形およ
び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。

これらの問題点を解決するために１種結晶を用いて昇華
再結晶を行う改良型のレーリー法が提案されている（Ｙ
ｕ、Ｍ、Ｔａ１ｒｏｖ　ａｎｄ　Ｖ、Ｆ、Ｔｓｖｅｔｋ
ｏｖ、　Ｊ。

Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ、　　５２（１９８１）
、　ｐｐ、１４６−１５０）。この方法を用いれば、結
晶多形および形状を制御しながら、炭化珪素単結晶を成
長させることができる。

（発明が解決しようとする課題）通常２種結晶を用いた昇華再結晶法では、不純物を添加
しなければ、ｎ型の炭化珪素単結晶が得られる。しかも
、成長雰囲気中に窒素（Ｎ２）ガスを導入すれば、ｎ型
不純物キャリア濃度を制御することができる。

他方、ｐ型の炭化珪素単結晶を得る場合には、原−３＝料となる多結晶炭化珪素粉末に、不純物として。

アルミニウム（ＡＩ）またはガリウム（Ｇａ）などの粉
末を混合することによって、不純物添加が行われている
。

しかしながら、不純物を粉末状態で原料に混合した状態
で炭化珪素単結晶の昇華再結晶を行うと。

炭化珪素と不純物との昇華温度お゛よび蒸気圧の違いか
ら、炭化珪素単結晶中に不純物を均一な濃度で添加する
ことが困難であり、不純物キャリア濃度の不均一な炭化
珪素単結晶しか得られない。したがって、このような炭
化珪素単結晶を用いて半導体装置を作製しても、得られ
た半導体装置の電気特性にはバラツキが見られ、均一な
動作特性を得ることは困難である。

また、粉末添加による不純物添加法では、成長初期より
不純物が添加されるので、また成長途中で不純物源を原
料に添加するのが困難であるので。

例えばｎ型伝導層上にｐ型伝導層を形成した積層構造を
得ることが困難である。たとえ得られたとしても、急峻
なｐｎ接合が得られず、接合部分での電気的特性が劣る
ので１作製された半導体装置に悪影響を及ぼすことにな
る。

本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、その
目的とするところは、均一な不純物キャリア濃度を有す
る炭化珪素単結晶（特に、ｐ型の炭化珪素単結晶）を、
昇華再結晶法により、再現性よく製造し得る炭化珪素単
結晶の製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段および作用）本発明による
炭化珪素単結晶の製造方法は１種結晶を用いた昇華再結
晶法によって炭化珪素の単結晶を成長させる工程を包含
し、該炭化珪素単結晶に不純物を添加するための不純物
源として有機金属が用いられ、そのことにより上記目的
が達成される。

本発明の製造方法では、炭化珪素の単結晶を成長させる
のに、有機金属を不純物源として用いた改良型レーリー
法を採用している。不純物源として用いられる有機金属
としては２例えば、アルミニウム（ＡＩ）を添加する場
合には、トリメチルアルミニウム（（ＣＨｓ）３Ａ１；
ＴＭＡ）または　トリエチルアルミニウム　（（Ｃ２Ｈ
６）３Ａ１；ＴＥＡ）などが用いられる。ガリウム（Ｇ
ａ）を添加する場合には、トリメチルガリウム（（ＣＨ
３）３Ｇａ：ＴＭＧ）または　トリエチルガリウム（（
Ｃ２Ｈｓ）３Ｇａ；ＴＥＧ）などが挙げられる。アルミ
ニウムおよびガリウムは、いずれも■族元素であるので
。

得られた炭化珪素単結晶の導電型はｐ型になる。

上記の有機金属は、いずれも室温付近の温度で適当な蒸
気圧をもつ液体である。しかし２分解温度が低いので、
昇華再結晶法に用いる黒鉛製坩堝の外部から雰囲気ガス
とともに添加することは困難である。したがって、ガス
状の有機金属を黒鉛製坩堝内に直接導入することが望ま
しい。

（作用）本発明の製造方法では、不純物源として有機金属を用い
ているので、均一な不純物キャリア濃度を有する炭化珪
素単結晶、特に従来の昇華再結晶法では得られなかった
ｐ型の炭化珪素単結晶が再現よく得られる。また２本発
明の製造方法によれば。

良好な整流特性を有するｐｎ接合を炭化珪素単結晶で形
成することが可能になる。

（実施例）以下に本発明の実施例について述べる。

第１図は２本発明の製造方法に従い９種結晶を用いた改
良型のレーリー法によって炭化珪素単結晶を成長させる
装置の一例である。まず、この結晶成長装置について簡
単に説明する。

結晶成長は２種結晶として用いた炭化珪素単結晶基板１
の上に、原料である炭化珪素粉末２を昇華再結晶させる
ことにより行われる。種結晶の炭化珪素単結晶基板１は
、黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けられる。原料の
炭化珪素粉末２は黒鉛製坩堝３の内部に充填されている
。このような黒鉛製坩堝３は、二重石英管５の内部に、
黒鉛製の不純物ガス導入管６によって設置される。黒鉛
製坩堝３の周囲には、熱シールドのための黒鉛製フェー
ルドアが設置されている。また、二重石英管５の外周囲
にはワークコイル８が巻回されており、高周波電流を流
すことにより黒鉛製坩堝３を所望の温度に加熱すること
ができる。

二重石英管５の上端には、雰囲気ガスの流入口となる枝
管９を備えたステンレス製チャンバー１０が設けられて
いる。他方、二重石英管５の下端には、雰囲気ガスの排
出口となる枝管１１および不純物ガスの導入口となる枝
管１５を備えたステンレス製チャンバー１２が設けられ
ている。ステンレス製チャンバー１２には、真空ロータ
リーポンプ１３が接続されており、二重石英管５の内部
を所望の真空度に排気することができる。

黒鉛製坩堝３の底部には、不純物ガスの導入口１６が設
けられており、不純物ガスは枝管１５より導入管６を通
って導入口１６から黒鉛製坩堝３の内部に供給される。

なお、黒鉛製坩堝３の内側底部には、炭化珪素粉末２が
導入管６へ落下することを防止するために黒鉛製の多孔
質板１４が取り付けられている。

（実施例１）本実施例では、上記のような結晶成長装置を用いた炭化
珪素単結晶の製造について具体的に説明する。

まず１種結晶として、成長面方位が［０００１］方向か
ら［１１２０］方向に５度傾斜した六方晶系の炭化珪素
単結晶からなる基板１を用意した。そして、この基板１
を黒鉛製坩堝３の蓋４の内面に取り付けた。また、黒鉛
製坩堝３の内部には、原料となる高純度の炭化珪素粉末
２を充填した。炭化珪素粉末２としては、最大粒径が１
５０μｍであり、　　ＪＩＳ粒度が＃２５０のものを使
用した。

次いで、原料を充填した黒鉛製坩堝３を２種結晶を取り
付けた蓋４で閉じ、黒鉛製の導入管６によって二重石英
管５の内部に設置した。黒鉛製坩堝３の周囲は黒鉛製フ
ェールドアで被覆した。そして、雰囲気ガスとしてアル
ゴン（Ａｒ）ガスを、ステンレス製チャンバー１０の枝
管９から二重石英管５の内部へ流した。Ａｒガスの流量
はＩＩｌ／分に設定した。また、ワークコイル８に高周
波電流を流して黒鉛製坩堝３を加熱し、基板１の温度が
２，２００’Ｃになるように調節した。

Ａｒガスを流しながら、この温度を１ｏ分間保持した後
、　　Ａｒガスの流量を調整すると共に、　トリメチル
アルミニウム（ＴＭＡ）ガスを、枝管１５より不純物ガ
スの導入管６および導入口１６を経て、さらに黒鉛製の
多孔質板１４を介して、黒鉛製坩堝３の内部に導入しな
がら、真空ロータリーポンプ１３を用いて。

二重石英管５の内部を減圧した。この減圧は大気圧から
１〜１００Ｔｏｒｒの真空度まで１０分間かけて徐々に
行った。

そして、黒鉛製坩堝３を、　　２，２００°Ｃの温度に
て。

１〜１００Ｔｏｒｒの減圧下、４時間保持することによ
り。

基板１上に約１０ｍｍの厚さの炭化珪素単結晶が成長し
た。なお、成長速度は約２．５ｍｍ／時間であった。

このようにして得られた炭化珪素単結晶の電気的特性を
評価したところ、ｐ型の炭化珪素単結晶が得られている
ことがわかった。また、添加するＴＭＡガスの流量を調
節することにより、第２図に示すように、不純物キャリ
ア濃度を約１０１６〜１０”ｃｍ−３まで制御すること
が可能であった。

第３図は、上記実施例で得られた炭化珪素単結晶の断面
図を示す。各成長部分における不純物キャリア濃度のプ
ロファイルを調べたところ２種結晶である基板１付近の
初期成長部分Ａと、中期成長部分Ｂと、成長表面り付近
の後期成長部分Ｃとにおいて、不純物キャリア濃度の差
は、はとんど認められなかった。

比較のために、原料である炭化珪素粉末２にアルミニウ
ム（ＡＩ）粉末を添加することによって、炭化珪素単結
晶の昇華再結晶を行った。得られた炭化珪素単結晶の初
期成長部分では導電型がｐ型で不純物キャリア濃度が約
１０１８ｃｍ−３であるのに対し。

中期成長部分では導電型がｐ型ではあるものの、不純物
キャリア濃度は約１０１６ｃｍ−３に低下していた。

しかも、後期成長部分には不純物が実質的に添加されて
おらず、ｎ型の導電型を示した。このように。

従来の昇華再結晶法では、得られた炭化珪素単結晶の不
純物キャリア濃度が各成長部分によって異なり、単結晶
全体として不均一になることがわかった。

さらに、　　ＴＭＡガスを枝管１５からではなく枝管９
から雰囲気ガスと共に二重石英管５の内部に導入しなが
ら、炭化珪素単結晶の昇華再結晶を行ったところ、得ら
れた炭化珪素単結晶はｎ型の導電型を示し、不純物がほ
とんど添加されないことがわかった。

実温ｆｆｉ本実施例では、炭化珪素単結晶からなるｐｎ接合の形成
について説明する。

まず、実施例１と同様に、第１図に示す結晶成長装置の
設定を行い、　　Ａｒガスを流しながら、基板１を２，
２００’Ｃまで昇温した。

Ａｒガスを流し続けながら、この温度を１０分間保持し
た後、　　Ａｒガスの流量を調整すると共に、真空ロー
タリーポンプ１３を用いて、二重石英管５の内部を減圧
した。この減圧は大気圧から１〜１００Ｔｏｒｒの真空
度まで１０分間かけて徐々に行った。

そして、黒鉛製坩堝３を、　　２，２００°Ｃの温度に
て。

１〜１ｏＯＴｏｒｒの減圧下、２時間保持することによ
り。

基板１上に約５ｍｍの厚さのｎ型炭化珪素単結晶層を成
長させた。続いて、同じ条件下で、　　ＴＭＡガスを。

枝管１５より導入管６および導入口１６を経て、さらに
多孔質板１４を介して、黒鉛製坩堝３の内部に導入しな
がら、２時間保持することにより、ｎ型炭化珪素単結晶
層上に、約５ｍｍの厚さのｐ製炭化珪素単結晶層を成長
させた。

このようにして得られた炭化珪素単結晶からなるｐｎ接
合の整流特性を評価したところ、逆方向の漏れ電流が極
めて少ない良好な特性を示すｐｎ接合が得られているこ
とがわかった。

なお、上記の実施例１および２では、不純物源としてＴ
ＭＡを用いたが、不純物添加量によっては。

ＴＭＡに代えて、　　ＴＥＡなどを用いてもよく、また
、　　Ｇａを添加する場合には、　　ＴＭＡに代えて、
　　ＴＥＡ、ＴＭＧ、ＴＥＧなどを用いてもよい。

（発明の効果）本発明の製造方法によれば９種結晶を用いた改良型レー
リー法により、良質の炭化珪素単結晶。

特に従来の昇華再結晶法では得られなかったｐ型の炭化
珪素単結晶を再現性よく成長させることができる。また
、不純物キャリア濃度の制御が容易であり、均一なプロ
ファイルを有する炭化珪素単結晶が得られる。しかも、
不純物キャリア濃度を急峻に変化させ得るので、良好な
整流特性を示すｐｎ接合を炭化珪素単結晶で形成するこ
とができる。

このような炭化珪素単結晶を成長用基板として用い、気
相エピタキシャル成長法または液相エピタキシャル成長
法により、この基板上に炭化珪素単結晶層を成長させれ
ば、電気的特性に優れた炭化珪素半導体装置（例えば、
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、　　相補性モス集積
回路（Ｃ−ＭＯＳ）　、　　および各種パワー素子など
）を作製することが可能となる。しかも、上記のような
炭化珪素単結晶が再現性よく得られるので、良質の炭化
珪素単結晶を安定に供給し得る。したがって、電気的特
性に優れた上記の各種炭化珪素半導体装置を工業的規模
で歩留まりよく生産することが可能となる。

４、゛　　の。　な言口第１図は本発明の製造方法に用いられる結晶成長装置の
一例を示す構成断面図、第２図は添加するＴＭＡガスの
流量に対する不純物キャリア濃度の依存性を示すグラフ
図、第３図は本発明の製造方法の一実施例によって得ら
れた炭化珪素単結晶の断面図である。

１・・・炭化珪素単結晶基板（種結晶）、２・・・炭化
珪素粉末（原料）、３・・・黒鉛製坩堝、５・・・二重
石英管、６・・・不純物導入管、１４・・・黒鉛製多孔
質板。

１６・・・不純物導入口。

以上

Claims

【特許請求の範囲】１、種結晶を用いた昇華再結晶法によって炭化珪素の単
結晶を成長させる工程を包含する、炭化珪素単結晶の製
造方法であって、炭化珪素単結晶に不純物を添加するた
めの不純物源として有機金属が用いられる、炭化珪素単
結晶の製造方法。２、前記有機金属が、トリメチルアルミニウム、トリエ
チルアルミニウム、トリメチルガリウム、およびトリエ
チルガリウムからなる群から選択される、請求項１に記
載の製造方法。