碳化硅單晶和碳化硅單晶晶片制造技術

本發明專利技術提供一種優質的碳化硅單晶以及碳化硅單晶晶片，所述碳化硅單晶，其位錯和微管等的晶體缺陷的密度低，在應用于器件時成品率高并可發揮高的性能，在晶種與生長晶體的界面的生長方向的前后的雜質添加元素濃度之比為５倍以內，并且，晶種附近的生長晶體的雜質添加元素濃度為２×１０１９ｃｍ－３以上、６×１０２０ｃｍ－３以下。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及位錯等的晶體缺陷少、晶體品質高的碳化硅單晶以及碳化硅單晶晶片。
技術介紹
碳化硅(SiC)是具有2. 2 3. 3eV的寬禁帶寬度的寬帶隙半導體。以往，SiC因其優異的物理、化學特性而作為耐環境性半導體材料被進行研究開發，但近年來，SiC作為面向從藍色到紫外的短波長光器件、高頻電子器件、高耐壓-高輸出電子器件的材料受到關注，正在活躍地進行研究開發。但是，迄今為止，SiC難以制造優質的大口徑單晶，這妨礙了 SiC器件的實用化。以往，在研究室程度的規模下，利用例如升華再結晶法(Lely法)獲得了可進行半導體元件制作的尺寸的SiC單晶。但是，采用這種方法獲得的單晶的面積小，其尺寸、形狀以及晶體多型(多型)、雜質載流子濃度的控制也不容易。另一方面，也曾進行通過使用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD) 在硅(Si)等的異種基板上進行異質外延生長來使立方晶的SiC單晶生長。該方法可獲得大面積的單晶，但因SiC與Si的晶格失配約有20%等，只能生長出含有較多缺陷(約107 cm2)的SiC單晶，不能獲得高品質的SiC單晶。為了解決這些問題，曾提出了使用SiC單晶晶片作為晶種來進行升華再結晶的改良型的Lely法(非專利文獻1)。若使用這種改良Lely法，就可以一邊控制SiC單晶的晶體多型(Ml型、4H型、15R型等)和形狀、載流子類型和濃度一邊使SiC單晶生長。現在，從利用改良Lely法制成的SiC單晶，切取口徑為51mnK2英寸) IOOmm的 SiC單晶晶片，被供給用于電力電子學領域的器件制作等。但是，大多情況下在這些晶體中觀察到被稱為微管(顯微縮孔；micropipe)的沿生長方向貫穿的中空孔狀缺陷為約數十個 cm-2左右、位錯缺陷密度為IO4 IO5CnT2個。這些缺陷，例如如非專利文獻2和非專利文獻 3所記載的那樣，在制作電子器件時會引起漏電流等的問題。晶體缺陷的降低是SiC器件應用上最重要的課題之一。微管處于SiC單晶的代表性晶體缺陷的位置，迄今為止有許多研究報告。大多情況下生長晶體中的微管是繼承了存在于晶種的微管的缺陷。因為晶體生長技術的進步，SiC 單晶晶片的平均的微管存在數有減少的傾向，但以在晶體生長中混入的異種多型和多晶等的第二相為起點而新產生，生長晶體的微管數比晶種多的問題現在也沒有完全解決。近年來，SiC單晶的位錯缺陷也引起了較大的關注。對于SiC單晶的位錯缺陷的產生和擴展，尚未明確的部分也較多，以下概略說明。關于穿透螺位錯或者穿透刃位錯等的穿透位錯，大多情況下與微管同樣地，原本存在于晶種的位錯也被生長晶體繼承。但是，作為SiC單晶的特性，在晶體生長中比較容易產生以基面({0001})為滑移面的位錯(基面位錯)。這是因為在作為SiC單晶的代表性制造方法的改良Lely法中，大致上不可避免地產生熱應力，作為SiC的主滑移面的{0001}面的臨界剪切應力在高溫下非常小(例如，參照非專利文獻4等)的緣故。基面位錯本身因為具有相對于生長方向大致垂直的滑移線，所以不會沿生長方向擴展。然而可認為，有時基面位錯在晶體生長過程中變化為具有在生長方向( )上貫穿的滑移線的穿透位錯從而被繼承，結果生長晶體的位錯密度增加。如上述那樣，生長晶體的品質依賴于晶種的品質的部分也較大，但另一方面，也有不少情況是即使以高品質的SiC單晶作為晶種進行晶體生長，因在晶體生長中混入的異種多型、多晶以及不可避免的熱應力等原因而新產生晶體缺陷，生長晶體的品質降低。一直以來就活躍地進行著避免這樣的問題，穩定地制造高品質的SiC單晶的技術的開發。例如，作為使作為目標的多型穩定生長的技術，專利文獻1中曾公開了在晶體中添加某種雜質的方法。該方法的目的是在生長單晶SiC時，通過在碳原子位置添加原子數密度為5X IO18CnT3以上、優選為5X IO18CnT3以上的氮，來有實效地增加晶體中的碳/硅元素比(C/Si比)，在高C/Si比的條件下穩定制造優先地進行核生成的4H多型。另外，專利文獻2中曾公開了通過下述方法來制造微管缺陷、位錯缺陷、層積缺陷等少的高品質SiC單晶的方法所述方法包括N次(N為N > 3的自然數)的生長工序，在將各生長工序作為第η生長工序(η為自然數，且為從1開始以N結束的序數)表示時，在 η = 1的笫1生長工序中，使用將從{1-100}面偏移角度士20°以下的面，或從{11-20}面偏移角度士20°以下的面作為第1生長面而露出的第1晶種，在上述第1生長面上使SiC 單晶生長以制作第1生長晶體，在第n = 2、3.....(N-I)次的中間生長工序中，由第(η-1) 生長晶體制作將從第(η-1)生長面傾斜45 90°，并且從{0001}面傾斜60 90°的面作為第η生長面的第η晶種，在該第η晶種的上述第η生長面上使SiC單晶生長以制作第 η生長晶體，在η = N的最終生長工序中，由第(N-I)生長晶體制作將從第(N-I)生長晶體的{0001}面偏移角度士20°以下的面作為最終生長面而露出的最終晶種，在該最終晶種的上述最終生長面上使塊狀的SiC晶體生長。另一方面，對SiC單晶的晶體品質給予重大影響的問題大多發生在晶體生長的初期階段。例如，已知如非專利文獻5所示，具有在晶體生長的極初期，即在晶種與生長晶體的界面大量產生位錯缺陷的現象，進一步地，例如已知如非專利文獻6等所記載，在晶體生長的初期異種多型的產生幾率也較高。雖然在晶體生長的初期產生的缺陷的一部分會在繼續的生長中消失，缺陷密度隨著趨向生長后半階段一直在減少，但是因為其一部分直到生長結束還殘存，所以無論使用多么高品質的晶種，生長晶體的缺陷密度都不會低于某個水平。因此，在謀求SiC單晶的高品質化上，抑制生長初期的晶體缺陷產生是不可欠缺的。在生長初期產生晶體缺陷的原因在現階段尚不完全明確，但認為其原因之一是在改良Lely法中不可避免地產生的熱應力在晶種與生長晶體的界面較大。另外，根據最近的研究判明，晶種與生長晶體的雜質元素的濃度差也是重大原因之一。著眼于雜質元素的濃度差，完成了專利文獻3的專利技術。該專利文獻中公開了下述方法通過將生長晶體中的添加元素濃度，在生長晶體中從與晶種中的濃度相同的濃度，在規定的濃度變化率的范圍內逐漸增加或者逐漸減少，使其變化到所希望的濃度，由此來抑制在晶種與生長晶體的界面的缺陷產生，來制造高品質的碳化硅單晶。現有技術文獻 專利文獻1 日本特開平9-157091號公報 專利文獻2 日本特開2003-119097號公報 專利文獻3 日本特開2006-290635號公報 非專利文獻 1 :Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vols. 52(1981)pp. 146-150 非專禾Ij 文獻 2 :P. G. Neudeck，et al.，IEEE Electron Device Letters, vols. 15(1994)pp. 63—65 非專利文獻 3 :H. Lendenmann, et al. , Materials Science Forum, vols.389-393(本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種碳化硅單晶，是包含晶種和在晶種上生長出的生長晶體的碳化硅單晶，其特征在于，所述生長晶體的至少晶種附近區域，雜質添加元素濃度為２×１０１９ｃｍ－３以上、６×１０２０ｃｍ－３以下，并且，在晶種與生長晶體的界面前后的雜質添加元素濃度較高者與較低者之比即高濃度側晶體的濃度／低濃度側晶體的濃度為５倍以內。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：中林正史，
申請(專利權)人：新日本制鐵株式會社，
類型：發明
國別省市：JP