JP5487888B2 - n型SiC単結晶の製造方法 - Google Patents
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また、SiC単結晶の主要用途の1つと考えられているスイッチング用などの半導体素子においては、電力損失をもたらす通電時の抵抗を下げることが重要課題である。そのため種々の検討がされている。
また、特許文献2には、SiC単結晶基板上に、SiC原料ガスにn型ドーパント原子又はその化合物と、砒素(As)又はAs化合物を添加するSiC単結晶の製造方法が記載されている。
また、特許文献3には、チョクラルスキー法によりP(リン)がドープされていてAl(アルミニウム)濃度を2x1012atoms/cc以上としてシリコン単結晶の成長を行うn型シリコン単結晶の製造方法およびPドープn型シリコン単結晶ウエーハが記載されている。
従って、本発明の目的は、応力を低減したn型SiC単結晶を製造する方法、前記の方法によって得られる応力を低減したn型SiC単結晶およびその用途を提供することである。
本発明は、SiCに対して、n型半導体とするためのドナー元素である窒素(N)およびアルミニウム(Al)を添加して溶液法によりn型SiC単結晶を成長させることを特徴とするn型SiC単結晶の製造方法に関する。
また、本明細書における応力とは、後述の実施例の欄に詳述される測定法によって求められるn型SiC単結晶の応力値を示す。
また、本明細書における窒素(N)およびアルミニウム(Al)の添加量とは、各々場合により元々反応装置内の黒鉛中に不純物として含まれていたものおよび添加された窒素(N)元素の合計量およびアルミニウム(Al)元素の合計量を意味する。
また、本発明によれば、従来の技術によるn型SiC単結晶に比べて応力を低減したn型SiC単結晶を得ることができる。
さらに、本発明によれば、応力を低減したn型SiC単結晶を用いた素子を得ることができる。
図1に示すように、実施例1で得られたSiC単結晶中の、N濃度[N]が2x1019(2E19とも表記する)cm−3で、Al濃度[Al]が4x1017(4E17とも表記する)cm−3であって[N]/[Al]=50であるn型SiC単結晶は、実施例2で得られたSiC単結晶中のN濃度が2x1019(2E19とも表記する)cm−3で、Al濃度が2x1017(4E17とも表記する)cm−3であって[N]/[Al]=100であるn型SiC単結晶に比較して、応力値が18MPaから5MPaに顕著に低減していることが確認される。このことから、SiC単結晶中のNおよびAlの含有量に関して、[N]/[Al]≦75、特に[N]/[Al]≦50とすることがn型SiC単結晶の応力を低減させるために効果的であることが理解され、また、n型SiC単結晶の比抵抗を低い水準にするために1≦[N]/[Al]であることが必要である。
前記のSiC単結晶成長法における種結晶としては、成長させようとする結晶と同じ結晶構造のSiCバルク単結晶を使用することが好ましく、例えば4H−SiC、6H−SiC、3C−SiC、又は15R−SiC、特に4H−SiC、6H−SiC、その中でも溶液法では4H―SiCの単結晶が挙げられる。
例えば、高周波誘導加熱による加熱時間(原料の仕込みからSiC飽和濃度に達するまでの凡その時間)としては坩堝の大きさにもよるが30分間〜200時間程度(例えば3〜10時間程度)で、雰囲気としては希ガス、例えばHe、Ne、Arなどの不活性ガスやそれらの一部をN2で置き換えたものが挙げられる。また、不活性ガスの一部をメタンガスで置き換えてもよい。
前記の結晶成長における成長温度は1800〜2100℃の温度に加熱した融液中で行うことが好ましい。
前記のMOSFETは本発明におけるn型SiC単結晶の比抵抗および応力(圧縮応力)が小さいため、信頼性の高いものとなり得る。
以下の各例において、n型SiC単結晶の成長は図2に示す溶液法によるSiC単結晶製造装置を用いて行った。また、Si含有融液の高温(1850〜2100℃)における温度確認は、Si含有融液面を直接観察可能な融液面上方の観察窓に設置した放射温度計によって、融液に種結晶を接触させる前後の温度を測定した。また、種結晶が接着された支持棒(炭素棒)内側(種結晶から2mmの位置)に熱電対を設置し融液接触直後からの温度を測定した。
1)SiC単結晶の比抵抗、キャリア濃度、特性評価および伝導型の確認
SiC単結晶を厚さ900μm、一辺が5mmの正方形に切り出し、図6に示すような4隅にNiを用いたオーミック電極を形成し、室温(26℃)Van der Pauw法(ファン デア パウ法)によるホール(Hall)測定によって求められる比抵抗値から下記式によりキャリア濃度を求めた。また、ホール測定時のホール電圧の極性によって伝導型の確認を行った。
n=1/qμρ
(式中、nはキャリア濃度、qは素電荷、μは移動度、ρは比抵抗を示す。)
得られたSiC単結晶について、SIMS(二次イオン質量分析計、Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer)を用いて測定した。
測定装置:Cameca社製 IMS−6F
3)応力値の測定
得られたSiC単結晶について、ラマン測定により、ピークシフト量から換算した応力値をアンドープの4H−SiCピーク値との比較から求めた。測定は試料の5点について行い、その平均値を応力値として示す。
顕微ラマン分光装置によりアルゴンイオン(Ar+)レーザーの光を顕微鏡のレンズを用いて試料に照射し、試料からラマン散乱された光を分光器で測定することによりラマン測定を行った。ひずみが結晶内に存在するとラマンバンドのピーク振動数は無ひずみ結晶の場合に比べシストする。このシフト量よりひずみを推定でき、ひずみと応力とが線形の関係にあるのでラマンピークのシフト量は応力に比例することが知られている(F.Cerdeira etal.Phys.Rev.B.5−2.580(1972)及び応用物理第75巻10号(2006)1224)。また、圧縮応力に起因するひずみは高周波数側にシフトすることが知られている。このため、正確な振動数の変化量から圧縮応力を求めることができる。
測定装置:Tobin Yuon社 Ramanar U−1000
図2に示すSiC単結晶製造装置を用いて、原料としてSi60atm%、Cr40atm%、SiCに対してN(全量を窒素ガスとして供給)0.1atm%、Al0.1atm%を黒鉛製の坩堝内に投入し、成長温度2010℃の温度に加熱した融液中、種結晶として4H−SiC単結晶を1〜200時間浸漬し、[N]/[Al]=50として約10時間結晶成長させた。
得られたSiC単結晶について、Al添加量(SiCに対する割合)、NおよびAl含有量、Hall測定を行って評価した。得られた結果をまとめて以下に示す。
Al添加量(atm%) 0.1
Al濃度 4x1017cm−3
N濃度 2x1019cm−3
[N]/[Al] 50
伝導型 n
比抵抗(Ωcm) 0.02
キャリア濃度(cm−3) 5x1018
応力(MPa) 5
また、応力測定結果を実施例2の結果とまとめて図1に示す。
Alの添加量をSiCに対して0.01atm%とし[N]/[Al]=100とした他は実施例1と同様にしてSiC単結晶を約10時間結晶成長させた。
実施例1と同様にして測定した結果を以下に示す。
Al添加量(atm%) 0.01
Al濃度 2x1017cm−3
N濃度 2x1019cm−3
[N]/[Al] 100
伝導型 n
比抵抗(Ωcm) 0.02
キャリア濃度(cm−3) 5x1018
応力(MPa) 18
また、応力測定結果を実施例1の結果とまとめて図1に示す。
AlおよびNの添加量を変えて、SiCに対してNを0.2atm%、Al0.2atm%とした他は実施例1と同様にして、約10時間結晶成長させた。
実施例1と同様にして測定した結果を以下に示す。
Al添加量(atm%) 0.2
Al濃度 8x1017cm−3
N濃度 4x1019cm−3
[N]/[Al] 50
伝導型 n
比抵抗(Ωcm) 0.02
キャリア濃度(cm−3) 1x1019
応力(MPa) 6
実施例1で得られたn型SiC単結晶を用いたエピタキシャル層付ウエーハの断面模式図を図4に示す。なお、図4におけるn+は、n型伝導であって高濃度ドープであることを示す。
エピタキシャル層の形成は、CVD装置により実施例1で形成したn型SiC単結晶に基づくウエーハに、以下の組成のガスおよび温度で実施した。
原料ガス:SiH4、C3H8
ドーピングガス:N2
キャリアガス:H2
成長温度:約1600℃
実施例4で得られたエピタキシャル層付ウエーハを用いて、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略で、スイッチング素子として使われる。)に適用した例を図5に示す。
2 坩堝
3 高周波コイル
4 支持棒
5 種結晶
11 坩堝
12 昇華原料
13 種結晶
14 成長結晶
15 原料蒸気
Claims (2)
- SiCに対して、n型半導体とするためのドナー元素である窒素(N)およびアルミニウム(Al)を添加して溶液法によりn型SiC単結晶を成長させることを特徴とするn型SiC単結晶の製造方法。
- SiC単結晶中のNとAlとの濃度比を、各々の濃度を[N]および[Al]で表わして、1≦[N]/[Al]≦50とすることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
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