JP2009184879A - ｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実用化に必要なレベルの成長速度を実現できるｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】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、上記溶液として、上記Ｓｉ融液と下記ＣｒおよびＡｌとの合計量を基準として、３０〜７０at％のＣｒと０．１〜２０at％のＡｌとを更に添加した溶液を用いる。ＣｒはＳｉ−Ｃ溶液のＣ溶解度を高め、また、Ａｌは、ｐ型ドーパントとして機能する他、Ｃｒと同様に溶液のＣ溶解度を高めることにより結晶成長速度を高める。
【選択図】図２

Description

本発明は、ｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法に関する。

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、特に実用化に必要な成長速度でｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を製造する方法が求められていた。

溶液法によりｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させる方法が種々提案されている。

特許文献１には、Ｓｉ融液にＣを溶解させたＳｉ−Ｃ溶液にＣｒを添加したＳｉ−Ｃ−Ｃｒ３元溶液を用いる方法が開示されており、溶液組成としてＳｉ２３at％−Ｃ２３at％−Ｃｒ５４at％が例示され、更にＡｌを添加することでｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を得ることが可能なことが示唆されている。しかし、成長速度を高めるための具体的な手段については何ら示唆がない。

特許文献２には、溶液法によるｐ型ＳｉＣ半導体ＳｉＣの成長において、Ｓｉ−Ｃ溶液にＴｉとＡｌを複合添加したＳｉ−Ｃ−Ｔｉ−Ａｌ４元溶液を用いることにより、安定に単結晶成長を行なえる上限として１８０μｍ／ｈｒまで成長速度を高めることが開示されている。しかし実用化には更に成長速度を高める必要があった。

また特許文献３、４に開示されているように、Ｔｉ添加により析出するＳｉＣ量は増加するが、Ｔｉの単独添加では多結晶が生じ易く、安定的な単結晶成長は極めて困難である。また、Ｆｅ添加はＳｉ融液へのＣ溶解効果はＴｉ添加よりも更に大きいが、温度勾配により過飽和度を高めてもＳｉＣ析出量の増加作用は小さい。

その他、特許文献５、６、７には、Ｓｉ−Ｃ溶液にＡｌを添加することでｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を製造することが開示されているが、いずれも実用化に必要な成長速度を得るための具体的な手段について何ら示唆はない。

特開２０００−２６４７９０号公報 特開２００７−７６９８６号公報 特開２００４−２１７３号公報 特開２００６−１４３５５５号公報 特開２００５−８２４３５号公報 特開２００６−３４７８５２号公報 特開昭６２−６９５１４号公報

本発明は、実用化に必要なレベルの成長速度を実現できるｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法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、
上記溶液として、上記Ｓｉ融液と下記ＣｒおよびＡｌとの合計量を基準として、３０〜７０at％のＣｒと０．１〜２０at％のＡｌとを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。

本発明の方法によれば、Ｓｉ−Ｃ溶液に上記規定範囲の量のＣｒとＡｌとを複合添加することにより、従来得られた最高速度を遥かに凌ぐ高い速度でｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させることができる。

本発明においては、溶液法によりｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させるための溶液として、Ｓｉ−Ｃ−Ｃｒ−Ａｌ４元溶液を用いる。

本発明において、ＣｒおよびＡｌの添加量は、原料Ｓｉの投入量と原料Ｃｒおよび原料Ａｌ料との合計量を基準（１００at％）とした、原料Ｃｒおよび原料Ａｌの割合（at％）である。すなわち、ＣｒおよびＡｌの添加量は、Ｓｉ−Ｃ−Ｃｒ−Ａｌ４元溶液の全体組成を基準とした割合ではない。

本発明の４元溶液において、ＳｉおよびＣは成長させるＳｉＣ単結晶を構成する基本成分であり、ＣｒおよびＡｌの下記の効果を有する添加成分である。

すなわち、ＣｒはＳｉ−Ｃ溶液のＣ溶解度を高め、ＳｉＣ単結晶成長面へのＳｉ、Ｃの供給量を増加させることにより、結晶成長速度を高める。この効果を確実に得るためには、Ｃｒ添加量が３０at％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒ添加量が７０at％を超えると、成長する結晶が多結晶化し易くなり、単結晶成長に不可欠な平坦な成長面を安定して維持できなくなる。したがって、Ｃｒ添加量は３０at％〜７０at％の範囲内に限定する。

また、Ａｌは、ｐ型ドーパントとして機能する他、Ｃｒと同様に溶液のＣ溶解度を高めることにより結晶成長速度を高める。この効果は、Ａｌ添加量０．１at％以上で得られる。しかし、Ａｌ添加量が２０at％を超えると、むしろ成長速度が低下するだけでなく、成長する結晶にマクロ欠陥が顕著に発生する上、多結晶化も起き易くなる。したがって、Ａｌ添加量は０．１at％〜２０at％の範囲内に限定する。

ＣｒおよびＡｌの添加量を上記規定範囲内としたＳｉ−Ｃ−Ｃｒ−Ａｌ４元溶液を用いることにより、従来達成できなかった２００μｍ／ｈｒ程度あるいはそれ以上の高速で安定にＳｉＣ単結晶を成長させることができる。

本発明の溶液法は、図1に示すような従来の一般的なＳｉＣ単結晶成長装置を用いて実施することができる。

黒鉛坩堝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、その上方に黒鉛製支持棒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。

黒鉛坩堝１０は全体が断熱材２２で覆われている。液面Ｓの温度を放射温度計２４により非接触方式で測定すると共に、種結晶１８の裏面温度をＷ−Ｒｅ等の熱電対２６により接触方式で測定する。

放射温度計２４は、液面Ｓを直視できる液面上方の観察窓に設置し、種結晶１８を溶液１４に接触させる前後の液面温度を測定することができる。

熱電対２６は、その検知端を、種結晶１８が接着される黒鉛製支持棒１６の下端内側（種結晶１８の接着面から２ｍｍの位置）に固定し、種結晶１８を溶液１４に接触させた直後からの種結晶温度を測定することができる。

一般に、黒鉛坩堝１０内に原料としてＳｉを投入し、高周波加熱コイル１２により加熱してＳｉ融液を形成する。黒鉛坩堝１０の内壁からＣがこのＳｉ融液に溶解してＳｉ−Ｃ溶液が形成される。このようにＣの原料は基本的には黒鉛坩堝１０であるが、補助的に黒鉛ブロックを投入することもできる。また坩堝１０はＳｉＣ製であってもよく、その場合は、Ｃ源として黒鉛ブロックの投入が必須である。

本発明において、成長させるＳｉＣ単結晶の基本組成Ｓｉ−Ｃ２元溶液に対する添加成分であるＣｒ、Ａｌの原料の投入時期は、特に限定しない。種結晶１８を液面Ｓに接触させて結晶成長を開始する時点までに、Ｓｉ−Ｃ−Ｃｒ−Ａｌ４元溶液を所定の組成、温度、温度勾配で形成できればよい。

本発明の一実施形態として、原料としてＳｉの他に、Ｓｉの投入量に対して所定量のＣｒおよびＡｌを投入し、加熱することによりこれら原料を融解してＳｉ−Ｃｒ−Ａｌ溶液を形成する。これと併行して、上記のように黒鉛坩堝１０（更には黒鉛ブロック）からＣが上記Ｓｉ−Ｃｒ−Ａｌ溶液に溶解して、Ｓｉ−Ｃ−Ｃｒ−Ａｌ４元溶液が形成される。

別の実施形態として、原料としてまずＳｉのみを投入し、加熱してＳｉ融液または更にＣが溶解したＳｉ−Ｃ溶液とし、これにＣｒおよびＡｌを投入してもよい。ＣｒとＡｌは同時に添加してもよいし、順次あるいは複数回に分けて交互に添加してもよい。

更に別の実施形態として、原料としてまずＳｉとＣｒおよびＡｌのうちの一方とを投入し、加熱してＳｉ−Ｃｒ溶液またはＳｉ−Ａｌ溶液または更にＣが溶解したＳｉ−Ｃ−Ｃｒ溶液またはＳｉ−Ｃ−Ａｌ溶液とし、これにＣｒおよびＡｌのうちの他方を投入してもよい。

図１に示した装置を用い、下記の手順および条件にてｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させた。

各原料を坩堝内に装入した後、約２時間ほぼ一定の速度で、１９８０℃±２℃（液面温度）まで加熱し、保持した。これは一般的に用いられている加熱保持温度１８００℃〜２１００℃の範囲内の平均的な値である。

溶液中の温度勾配は１．５〜１．８℃／ｍｍに維持した。これは一般的に用いられている温度勾配０．８〜３．０℃／ｍｍの範囲内の平均的な値である。温度勾配は、溶液高さ方向に沿って下から上に向けて温度低下する勾配である。

〔予備実験〕
先ず、成長速度に及ぼすＣｒ添加量の影響を調べるために、Ｓｉ−Ｃ溶液にＣｒのみを添加したＳｉ−Ｃ−Ｃｒ３元溶液を用いｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させた。得られた結果を表１に示す。

表1に示したように、Ｃｒ添加量３０at％以上で顕著な成長速度の増加が認められる。特に、Ｃｒ添加量４０at％以上で成長速度２５０μｍ／ｈｒの高速化が達成されており、Ｃｒ添加量６０at％では最高値の３５０μｍ／ｈｒに達している。この成長速度は、従来Ｓｉ−Ｃ−Ｔｉ−Ａｌ溶液で達成されていた成長速度の上限である１８０μｍ／ｈｒを遥かに上回る高速である。

しかし、Ｃｒ添加量が７０at％を超えると、成長する結晶の一部または全体が多結晶化してしまった。

したがって、適切なＣｒ添加量の範囲は３０at％〜７０at％である。

〔実施例１〕
上記予備実験の結果を踏まえて、Ｃｒ添加量を４１at％で一定とし、Ａｌ添加量を０．１〜５０at％の範囲で種々に変化させたＳｉ−Ｃ−Ｃｒ−Ａｌ４元溶液を用い、ｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させた。得られた結果を表２に示す。

表２に示すように、Ｃｒ添加量４１at％とした場合、本発明範囲の下限であるＡｌ添加量０．１at％で既に２８０μｍ／ｈｒという高速化が実現されており、Ａｌ添加量５at％および７at％で最高値の３４０μｍ／ｈｒが得られている。本発明範囲の上限であるＡｌ添加量２０at％で２０２μｍ／ｈｒの高速成長が実現されているが、これを超えてＡｌ添加量３０at％に増加すると成長速度は１００μｍ／ｈｒにまで急速に低下する。これは従来Ｓｉ−Ｃ−Ｔｉ−Ａｌ溶液で達成されていた成長速度の平均的な値である。Ａｌ添加量３０at％およびそれ以上では、多結晶化が起きて平坦な結晶成長面が維持できないばかりでなく、溶液の結晶中への巻き込みやボイドといったマクロ欠陥の発生が顕著になる。

〔比較例１〕
比較のために、従来のＳｉ−Ｃ−Ｔｉ−Ａｌ溶液を用い、ｐ型ＳｉＣ半導体単結晶を成長させた。ただしＴｉ添加量を２０at％で一定とし、Ａｌ添加量を１at％〜５０at％の範囲で種々に変化させた。得られた結果を表３に示す。

表３に示すように、Ｔｉ添加量２０at％に対して、Ａｌ添加量３at％〜２０at％の範囲でほぼ１００μｍ／ｈｒを超える成長速度が得られているが、Ａｌ添加量１０at％および１５at％で得られた最高値でも１８０μｍ／ｈｒであり、同等のＡｌ添加量による成長速度は本発明が遥かに高速であることが分かる。

図２に、実施例１と比較例１との結果を比較して示す。同図から、従来のＳｉ−Ｃ−Ｔｉ−Ａｌ溶液に対する本発明のＳｉ−Ｃ−Ｃｒ−Ａｌ溶液の優位性が明らかである。

〔比較例２〕
他の条件は実施例１と同一とし、Ｃｒ添加量を本発明範囲の下限値３０at％より少ない２０at％で一定とした。得られた結果を表４に示す。

Ｃｒ添加量が不足したため、成長速度はＡｌ添加量１５at％で得られた最高値でも１２０μｍ／ｈｒに過ぎず、本発明範囲のＣｒ添加量の場合と比べて、同等のＡｌ添加量での成長速度が劣る。

〔実施例２〕
他の条件は実施例１と同一とし、Ｃｒ添加量を本発明範囲の下限値である３０at％で一定とした。得られた結果を表５に示す。

Ａｌ添加量が１at％以下と少ない領域では成長速度が１００μｍ／ｈｒをやや下回るが、それを超え、５at％以上、本発明範囲の上限である２０at％までのＡｌ添加量の領域では１６３〜１８０の高速成長が達成された。

〔実施例３〕
他の条件は実施例１と同一とし、Ｃｒ添加量を本発明範囲内の４７at％で一定とした。得られた結果を表６に示す。

本発明のＡｌ添加量の全範囲に亘って、２５６μｍ／ｈｒ〜３８７μｍ／ｈｒの高速成長が達成された。

〔実施例４〕
他の条件は実施例１と同一とし、Ｃｒ添加量を本発明範囲内の５５at％で一定とした。得られた結果を表７に示す。

本発明範囲内において実験対象としたＡｌ添加量の全範囲に亘って、２６６μｍ／ｈｒ〜３６５μｍ／ｈｒの高速成長が達成された。

〔実施例５〕
他の条件は実施例１と同一とし、Ｃｒ添加量を本発明範囲内の６０at％で一定とした。得られた結果を表８に示す。

本発明範囲内において実験対象としたＡｌ添加量の全範囲に亘って、２２６μｍ／ｈｒ〜３５０μｍ／ｈｒの高速成長が達成された。

このように実施例２〜実施例５においても、本発明範囲内のＣｒ添加量およびＡｌ添加量としたＳｉ−Ｃ−Ｃｒ−Ａｌ４元溶液を用いたことにより、ほぼ１００μｍ／ｈｒ以上、最高で３６５μｍ／ｈｒの高速成長が達成できた。

本発明によれば、実用化に必要なレベルの成長速度を実現できるｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造方法が提供される。

図１は、本発明の溶液法によるｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の製造に用いる装置の基本構成を示す断面図である。 図２は、本発明のＳｉ−Ｃ−Ｃｒ−Ａｌ４元溶液を用いた溶液法と、従来のＳｉ−Ｃ−Ｔｉ−Ａｌ４元溶液を用いた溶液法について、それぞれＣｒ添加量を４１at％で一定、Ｔｉ添加量２０at％で一定とし、Ａｌ添加量を種々に変化させた場合のｐ型ＳｉＣ半導体単結晶の成長速度を比較して示すグラフである。

符号の説明

１０ 黒鉛坩堝
１２ 高周波加熱コイル
１４ 溶液
１６ 黒鉛製支持棒
１８ ＳｉＣ種結晶
２０ 不活性雰囲気
２２ 断熱材
２４ 放射温度計
２６ 熱電対
Ｓ 溶液１４の液面

Claims (1)

1. 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、
   上記溶液として、上記Ｓｉ融液と下記ＣｒおよびＡｌとの合計量を基準として、３０〜７０at％のＣｒと０．１〜２０at％のＡｌとを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。

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