キャリアライフタイムが改善された基板を製造する方法
【課題】得られるコーティングが０．５マイクロ秒〜１０００マイクロ秒のキャリアライフタイムを有するように、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法を提供する。
【解決手段】ａ．ジクロロシランガス、メチルハイドロジェンジクロロシランガス、ジメチルジクロロシランガス、及びそれらの混合物から選択されるクロロシランガスと、炭素含有ガスと、水素ガスとを含む混合ガスを、単結晶シリコンカーバイド基板を含有する反応チャンバ内に導入すること、及びｂ．１２００℃より高いが１８００℃より低い温度に基板を加熱すること、を含むが、但し、反応チャンバ内の圧力は１０ｔｏｒｒ〜２５０ｔｏｒｒの範囲に維持されるものとする。
【解決手段】ａ．ジクロロシランガス、メチルハイドロジェンジクロロシランガス、ジメチルジクロロシランガス、及びそれらの混合物から選択されるクロロシランガスと、炭素含有ガスと、水素ガスとを含む混合ガスを、単結晶シリコンカーバイド基板を含有する反応チャンバ内に導入すること、及びｂ．１２００℃より高いが１８００℃より低い温度に基板を加熱すること、を含むが、但し、反応チャンバ内の圧力は１０ｔｏｒｒ〜２５０ｔｏｒｒの範囲に維持されるものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコンカーバイドエピタキシャル層の成長に関する。半導体材料として、シリコンカーバイドは高出力で高周波且つ高温の電子素子に対して特に優れている。シリコンカーバイドは極めて高い熱伝導性を有し、ブレークダウン前の高い電場及び高い電流密度の両方に耐性を有し得る。シリコンカーバイドのワイドバンドギャップは、高温であっても低い漏洩電流をもたらす。これらの理由及び他の理由から、シリコンカーバイドは、出力素子、即ち比較的高い電圧で動作するように設計されるものに至極望ましい半導体材料である。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２００６年７月１９日付で出願された米国特許仮出願第６０／８３１，８３９号の利益を主張する。米国特許仮出願第６０／８３１，８３９号は参照により本明細書に援用される。
【０００３】
本発明は、海軍研究事務所によって与えられた契約番号Ｎ０００１４−０５−Ｃ−０３２４に基づき、連邦政府による支援によって行われた。連邦政府は本発明の一定の権利を有すると考えられる。
【背景技術】
【０００４】
しかしながら、シリコンカーバイドは取扱いの難しい材料である。成長過程は、エピタキシャル成長では少なくとも約１４００℃よりも高く、昇華成長ではおよそ２０００℃よりも高い比較的高い温度で実行する必要がある。それに加えて、シリコンカーバイドは１５０を超える多型を形成する可能性があり、それらの多くはわずかな熱力学的相違によって分けられる。結果的に、エピタキシャル層又はバルク結晶のいずれかによるシリコンカーバイドの単結晶成長は困難な過程である。最終的に、シリコンカーバイドの極端な硬度（大抵の場合、研磨材として産業上使用される)は、シリコンカーバイドの取扱い難さ及び適切な半導体素子への形成し難さの一因である。
【０００５】
それにもかかわらず、過去１０年間で、シリコンカーバイドの成長技法はかなり進歩しており、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６及び特許文献７に反映されている。
【０００６】
１つの特定の成長技法は、「化学蒸着」又は「ＣＶＤ」と称される。この技法において、（シリコンカーバイド用のシランＳｉＨ4及びプロパンＣ3Ｈ8等の)原料ガスを、原料ガスを反応させてエピタキシャル層を形成させる基板表面も包含する被加熱反応チャンバに導入する。成長反応速度の制御を助けるために、原料ガスをキャリアガスと共に典型的に導入し、キャリアガスは最大容量のガスフローを形成する。
【０００７】
シリコンカーバイドの化学蒸着（ＣＶＤ）成長過程を温度プロファイル、ガス速度、ガス濃度、化学特性及び圧力について改良する。特定のエピ層を作製するのに用いられる条件の選択は多くの場合、望ましい成長速度、反応温度、サイクル時間、ガス容量、設備コスト、ドーピング均質性、及び層厚等の要素間の妥協である。
【０００８】
シリコンカーバイドは、高性能のダイオード及びトランジスタを構築する見込みを与える理論特性を有するワイドバンドギャップ半導体材料である。シリコンのような材料と比較すると、これらの半導体素子は高出力且つ高スイッチング速度で動作することができる。
【０００９】
パワーエレクトロニクス用途では多くの場合、トランジスタ又はダイオードの設計を有する回路を構築することが好まれ、これらの素子の一型は少数キャリア素子又はバイポーラ素子として知られている。これらの型の素子の動作特性は、電子−正孔対の生成速度（generation rate）及び再結合速度に依存する。この速度の逆数をライフタイムと称する。具体的なバイポーラ素子としては、ＰｉＮダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、及びバイポーラ接合トランジスタが挙げられる。
【００１０】
半導体出力素子性能の理論レベルにまで最適化しなければならない重要な材料パラメータはキャリア再結合ライフタイムである。シリコンでは、鉄等の夾雑物によってライフタイムが制限される。シリコンカーバイドでは、シリコンよりもあまり知られていないものの、今日までに知られている限り、シリコンカーバイドのライフタイムは結晶格子中の空孔及びアンチサイトの存在によって低下する。空孔はケイ素原子又は炭素原子が存在しない位置である。アンチサイトは誤った原子が配置された位置である。
【００１１】
半導体シリコンカーバイドは典型的に、ケイ素、炭素、シリコンカーバイドを含有し得る固体混合物からの物理気相輸送法（昇華としても知られている）によって、又はシラン及び炭化水素の混合ガスからの化学蒸着（ＣＶＤ）によって成長する。これらの方法によって成長するシリコンカーバイド材料は、シリコンカーバイドダイオード及びトランジスタ内の理論的な素子挙動は小さすぎて認識することができない５００ｎｓ未満のライフタイムを有する。半導体シリコンカーバイドのエピタキシャル層は多くの場合、シリコンのような材料と比べて短く、またシリコンカーバイドの予想される理論値に比べて短い２マイクロ秒よりもかなり小さいライフタイム値を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４，９１２，０６３号明細書
【特許文献２】米国特許第４，９１２，０６４号明細書
【特許文献３】米国再発行特許第３４，８６１号明細書
【特許文献４】米国特許第４，９８１，５５１号明細書
【特許文献５】米国特許第５，２００，０２２号明細書
【特許文献６】米国特許第５，４５９，１０７号明細書
【特許文献７】米国特許第６，０６３，１８６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の実施の形態において、本発明は、得られるコーティングが０．５マイクロ秒〜１０００マイクロ秒のキャリアライフタイムを有するように、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法であって、ａ．クロロシランガスと、炭素含有ガスと、水素ガスとを含む混合ガスを、基板を含有する反応チャンバ内に導入すること、及びｂ．１０００℃より高いが２０００℃より低い温度に基板を加熱することを含むが、但し、反応チャンバ内の圧力は０．１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒの範囲に維持されるものとする、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法に関する。
【００１４】
第２の実施の形態において、本発明は、得られるコーティングが０．５マイクロ秒〜１０００マイクロ秒のキャリアライフタイムを有するように、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法に関し、当該方法は、ａ．非塩素化ケイ素含有ガスと、塩化水素と、炭素含有ガスと、水素ガスとを含む混合ガスを、基板を含有する反応チャンバ内に導入すること、及びｂ．１０００℃より高いが２０００℃より低い温度に基板を加熱することを含むが、但し、反応チャンバ内の圧力は０．１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒの範囲に維持されるものとする。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の第１の実施形態において、混合ガスはドーピングガスをさらに含み得る。このドーピングガスは、窒素ガス、リンガス又はトリメチルアルミニウムガスで例示される。クロロシランガスは典型的に式ＲwＨxＳｉyＣｌz（式中、ｙ及びｚは０より大きく、ｗ及びｘは０以上であり、且つＲは炭化水素基を示す）を有する。この炭化水素基は、メチル、エチル又はプロピル等のアルキルラジカル；ビニル又はアリル等のアルケニルラジカル；３−クロロプロピル等のハロ炭化水素ラジカルで例示される、１個〜３個の炭素原子を含有する炭化水素基で例示される。Ｒ基は要望に応じて同一であっても異なっていてもよい。Ｒは、メチル、エチル又はプロピル等の１個〜３個の炭素原子を有する一価炭化水素ラジカルで例示される。ｗの値は典型的に０〜３であり、ｘの値は典型的に０〜３であり、且つｙの値は典型的に１〜３であり、ｚの値は典型的に１〜３である。クロロシランガスは、ジクロロシランガス、トリクロロシランガス、トリメチルクロロシランガス、メチルハイドロジェンジクロロシランガス、ジメチルハイドロジェンクロロシランガス、ジメチルジクロロシランガス、メチルトリクロロシランガス、又はそれらの混合物で例示される。
【００１６】
本発明の第１の実施形態における炭素含有ガスは典型的に、式ＨaＣbＣｌc（式中、ａ及びｂは０より大きく、且つｃは０以上である）を有する。この炭素含有ガスは、Ｃ3Ｈ8ガス、Ｃ2Ｈ6ガス、ＣＨ3Ｃｌガス、又はＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2Ｃｌガスで例示される。
【００１７】
本発明の第１の実施形態において、基板は典型的に１２００℃〜１８００℃の温度に加熱される。利用可能な任意の従来の手段によってこの基板を加熱してもよく、又は基板の温度を所望のレベルに上げるのに十分な温度まで、反応チャンバ自体を加熱してもよい。基板は典型的に単結晶シリコンカーバイド基板又は単結晶シリコンウエハを含む。かかる基板は市販されている。
【００１８】
第１の実施形態における反応チャンバ内のガスの全圧は、０．１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒの広い範囲にわたって変化することができ、包括的に適度な速度のエピタキシャル成長をもたらすレベルに制御される。反応チャンバ内の圧力は典型的に１０ｔｏｒｒ〜２５０ｔｏｒｒであり、代替的に、約８０ｔｏｒｒ〜２００ｔｏｒｒの範囲の圧力が用いられ得る。
【００１９】
本発明の第１の実施形態において反応チャンバ内に導入される化学物質の蒸気の量は、所望のシリコンカーバイドエピタキシャル層の成長速度、成長均質性、及びドーピングガスの取込みを可能にするものとする。全ガス流量は典型的に、反応チャンバのサイズ及び温度プロファイルに応じて１リットル／分〜１５０リットル／分の範囲である。炭素含有ガスとケイ素含有ガスとの合計流量は典型的に、全流量の０．１％〜３０％の範囲である。ドーピングガスの流量は典型的に、全流量の１％よりもはるかに小さい。ケイ素含有ガスの流量に対する炭素含有ガスの流量の比率は典型的に０．３〜３の範囲であり、所望のドーピングガスの取込み効率及び表面モルフォロジーに応じて調節され、またこの比率は反応チャンバの設計（サイズ、温度プロファイル等）に大いに影響を受ける。これらの条件下において、約１マイクロメートル／時〜１００マイクロメートル／時の範囲の成長速度が包括的に達成され得る。ガスフロー、圧力及びウエハの温度等の具体的なパラメータを実施形態毎に大きく変えることができ、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく同様又は類似の結果を依然として得ることができることは、当業者によって理解されるものとする。
【００２０】
本発明の第１の実施形態は静的条件下で実行することができるが、通常では、基板領域全体にわたって均質な上記の流れを生じさせるように、制御量の混合ガスをチャンバの一部に連続的に導入すると共に、チャンバ内の別の部分から真空引きすることが好ましい。
【００２１】
本発明の方法で用いられる反応チャンバは、化学蒸着法による膜の成長を促すいずれのチャンバであってもよい。かかるチャンバの例はNordell et al., Journal Electrochemical Soc., Vol. 143, No. 9, 1996 (page 2910)又はSteckl and Li, IEEE Transactions on Electronic Devices, Vol. 39, No. 1, Jan. 1992によって記載されている。
【００２２】
第１の実施形態の結果得られる製品は、結晶質３Ｃ、４Ｈ又は６Ｈシリコンカーバイドでコーティングされた基板である。コーティングは、約１ｎｍ〜２５ｃｍ等の多種多様な厚さで成長させることができる。コーティングを基板から分離して、必要であれば新たな基板として使用することができる。
【００２３】
本発明の第２の実施形態において、混合ガスはドーピングガスをさらに含み得る。このドーピングガスは、本発明の第１の実施形態について上に記載した通りのものである。本発明の第２の実施形態中の非塩素化ケイ素含有ガスは、式ＲwＨxＳｉy（式中、ｙは０より大きく、ｗ及びｘは０以上であり、且つＲは炭化水素基を示す）を有する。この炭化水素基は上に記載した通りのものである。非塩素化ケイ素含有ガスは、トリメチルハイドロジェンシランガス、ジメチルジハイドロジェンシランガス、メチルトリハイドロジェンシランガス、又はそれらの混合物で例示される。第２の実施形態中の炭素含有ガスは、式ＨaＣbＣｌc（式中、ａ及びｂは０より大きく、且つｃは０以上である）を有する。炭素含有ガスは、Ｃ3Ｈ8ガス、Ｃ2Ｈ6ガス、ＣＨ3Ｃｌガス又はＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2Ｃｌガスで例示される。典型的には、混合ガス中の少なくとも１つのガスが塩素原子を含有する。
【００２４】
本発明の第２の実施形態において、基板は典型的に１２００℃〜１８００℃の温度に加熱される。本発明の第２の実施形態における基板は、第１の実施形態について上に記載した通りのものである。
【００２５】
第２の実施形態における反応チャンバ内のガスの全圧は、０．１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒの広い範囲にわたって変化することができ、包括的に適度な速度のエピタキシャル成長をもたらすレベルに制御される。反応チャンバ内の圧力は典型的に１０ｔｏｒｒ〜２５０ｔｏｒｒであり、代替的に、約８０ｔｏｒｒ〜２００ｔｏｒｒの範囲の圧力が用いられ得る。
【００２６】
本発明の第２の実施形態において反応チャンバ内に導入される化学物質の蒸気の量は、所望のシリコンカーバイドエピタキシャル層の成長速度、成長均質性、及びドーピングガスの取込みを可能にするものとする。全ガス流量は典型的に、反応チャンバのサイズ及び温度プロファイルに応じて１リットル／分〜１５０リットル／分の範囲である。炭素含有ガスと非塩素化ケイ素含有ガスとの合計流量は典型的に、全流量の０．１％〜３０％の範囲である。ドーピングガスの流量は典型的に、全流量の１％よりもはるかに小さい。非塩素化ケイ素含有ガスの流量に対する炭素含有ガスの流量の比率は典型的に０．３〜３の範囲であり、所望のドーピングガスの取込み効率及び表面モルフォロジーに応じて調節され、またこの比率は反応チャンバの設計（サイズ、温度プロファイル等）に大いに影響を受ける。これらの条件下において、約１マイクロメートル／時〜１００マイクロメートル／時の範囲の成長速度が包括的に達成され得る。ガスフロー、圧力及びウエハの温度等の具体的なパラメータを実施形態毎に大きく変えることができ、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく同様又は類似の結果を依然として得ることができることは、当業者によって理解されるものとする。
【００２７】
本発明の第２の実施形態は静的条件下で実行することができるが、通常では、基板領域全体にわたって均質な蒸気の流れを生じさせるように、制御量の混合ガスをチャンバの一部に連続的に導入すると共に、チャンバ内の別の部分から真空引きすることが好ましい。
【００２８】
本発明の第２の実施形態で用いられる反応チャンバは、第１の実施形態について上に記載した通りのものである。
【００２９】
第２の実施形態の結果得られる製品は、結晶質３Ｃ、４Ｈ又は６Ｈシリコンカーバイドでコーティングされた基板である。コーティングは、約１ｎｍ〜２５ｃｍ等の多種多様な厚さで成長させることができる。コーティングを基板から分離して、必要であれば新たな基板として使用することができる。
【００３０】
本発明の上記の実施形態における方法の製品は半導体素子に有用である。この製品はコーティングを含有する単一基板として機能し、またコーティングを基板から分離して別々の基板にすることができる。この製品を加工してトランジスタ又はダイオード又は集積半導体素子にすることもできる。このため、本発明はまた、（ｉ）少なくとも１つの半導体素子要素と、（ｉｉ）０．５マイクロ秒〜１０００マイクロ秒のキャリアライフタイムを有するシリコンカーバイド領域を含む基板とを含む半導体素子に関する。半導体素子要素は、トランジスタ、及びＰｉＮダイオード等のダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、並びにバイポーラ接合トランジスタで例示される。基板は本発明の２つの実施形態で上に記載した通りのものである。
【実施例】
【００３１】
以下の実施例は本発明の好ましい実施形態を示すように包含される。当業者に理解されるように、以下の実施例に開示する技法は、本発明の実施に際して十分に機能する本発明者が開発した技法を示しており、それゆえ実施の好ましい形態を構成するものであるとみなすことができる。しかしながら、本発明の開示を鑑みて、開示される具体的な実施形態における多くの変更が可能であり、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく同様又は類似の結果を依然として得ることができることは、当業者によって理解されるものとする。
【００３２】
マイクロ波光伝導減衰法を用いてキャリアライフタイムの測定を行った。この技法から得たライフタイム値は、表面再結合速度と、バルク再結合速度又はライフタイムとの組合せである。
【００３３】
（実施例１）
５つのシリコンカーバイドウエハ（４Ｈ ｎ＋ ＳｉＣ、７６ｍｍ直径、＜１１２０＞方向に８度傾斜）を反応チャンバに設け、およそ１５７０℃〜１６００℃に加熱した。反応チャンバ内の圧力を９５ｔｏｒｒに維持した。水素ガスと、プロパンガスと、ジクロロシランガスと、窒素ガスとを含有する混合ガスを反応チャンバ内に導入すると共に、上記圧力を維持した。得られた製品は５つのシリコンカーバイドウエハであり、ウエハはそれぞれ３０μｍの４Ｈ ＳｉＣエピタキシャル層を含有する。窒素流を用いて達成されるｎ型ドーピングは、約６×１０14／ｃｍ3の正味キャリア濃度に相当する。マイクロ波光伝導減衰法を用いて再結合ライフタイム測定を行った。５つのウエハについて測定した個々のライフタイム中央値は１．０マイクロ秒〜６．０マイクロ秒の範囲であった。５つのウエハについて測定した個々の平均ライフタイムは１．２マイクロ秒〜１２．０マイクロ秒の範囲であった。
【００３４】
（実施例２）
実施例１によるシリコンカーバイドウエハ（４Ｈ ｎ＋ ＳｉＣ、７６ｍｍ直径、＜１１２０＞方向に８度傾斜）を、時間分解フォトルミネッセンス分光法を用いて別個に試験し、フォトルミネッセンスシグナルの減衰からライフタイムを求めた。ｘ軸直径及びｙ軸直径の両方に沿って材料を走査することによってライフタイムを評価した。マイクロ波光伝導減衰法によって測定した場合、サンプルは５マイクロ秒〜１２マイクロ秒のライフタイム値範囲を有し、時間分解フォトルミネッセンス分光法によって測定した場合、ライフタイム値範囲は２マイクロ秒〜４マイクロ秒であった。
【００３５】
（実施例３）
５つのシリコンカーバイドウエハ（４Ｈ ｎ＋ ＳｉＣ、７６ｍｍ直径、＜１１２０＞方向に８度傾斜）を反応チャンバに設け、およそ１５７０℃〜１６００℃に加熱した。反応チャンバ内の圧力を９５ｔｏｒｒに維持した。水素ガスと、プロパンガスと、トリクロロシランガスと、窒素ガスとを含む混合ガスを反応チャンバ内に導入すると共に、上記圧力を維持した。得られた製品は５つのシリコンカーバイドウエハであり、ウエハはそれぞれ３０μｍの４Ｈ ＳｉＣエピタキシャル層を含有する。窒素流を用いて達成されるｎ型ドーピングは、約５×１０15／ｃｍ3の正味キャリア濃度に相当する。マイクロ波光伝導減衰法を用いて再結合ライフタイム測定を行った。５つのウエハについて測定した個々のライフタイム中央値は０．９マイクロ秒〜１．２マイクロ秒の範囲であった。５つのウエハについて測定した個々の平均ライフタイムは０．９マイクロ秒〜１．６マイクロ秒の範囲であった。
【００３６】
したがって、本発明の方法は単結晶シリコンカーバイド材料におけるライフタイムの制限という欠点を最小限に抑える。本発明は、シリコンカーバイドを成長させる当該技術分野において現在知られている他の方法よりも理論シリコンカーバイド値に近い再結合ライフタイム値を有するシリコンカーバイドの成長方法を記載している。
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコンカーバイドエピタキシャル層の成長に関する。半導体材料として、シリコンカーバイドは高出力で高周波且つ高温の電子素子に対して特に優れている。シリコンカーバイドは極めて高い熱伝導性を有し、ブレークダウン前の高い電場及び高い電流密度の両方に耐性を有し得る。シリコンカーバイドのワイドバンドギャップは、高温であっても低い漏洩電流をもたらす。これらの理由及び他の理由から、シリコンカーバイドは、出力素子、即ち比較的高い電圧で動作するように設計されるものに至極望ましい半導体材料である。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２００６年７月１９日付で出願された米国特許仮出願第６０／８３１，８３９号の利益を主張する。米国特許仮出願第６０／８３１，８３９号は参照により本明細書に援用される。
【０００３】
本発明は、海軍研究事務所によって与えられた契約番号Ｎ０００１４−０５−Ｃ−０３２４に基づき、連邦政府による支援によって行われた。連邦政府は本発明の一定の権利を有すると考えられる。
【背景技術】
【０００４】
しかしながら、シリコンカーバイドは取扱いの難しい材料である。成長過程は、エピタキシャル成長では少なくとも約１４００℃よりも高く、昇華成長ではおよそ２０００℃よりも高い比較的高い温度で実行する必要がある。それに加えて、シリコンカーバイドは１５０を超える多型を形成する可能性があり、それらの多くはわずかな熱力学的相違によって分けられる。結果的に、エピタキシャル層又はバルク結晶のいずれかによるシリコンカーバイドの単結晶成長は困難な過程である。最終的に、シリコンカーバイドの極端な硬度（大抵の場合、研磨材として産業上使用される)は、シリコンカーバイドの取扱い難さ及び適切な半導体素子への形成し難さの一因である。
【０００５】
それにもかかわらず、過去１０年間で、シリコンカーバイドの成長技法はかなり進歩しており、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６及び特許文献７に反映されている。
【０００６】
１つの特定の成長技法は、「化学蒸着」又は「ＣＶＤ」と称される。この技法において、（シリコンカーバイド用のシランＳｉＨ4及びプロパンＣ3Ｈ8等の)原料ガスを、原料ガスを反応させてエピタキシャル層を形成させる基板表面も包含する被加熱反応チャンバに導入する。成長反応速度の制御を助けるために、原料ガスをキャリアガスと共に典型的に導入し、キャリアガスは最大容量のガスフローを形成する。
【０００７】
シリコンカーバイドの化学蒸着（ＣＶＤ）成長過程を温度プロファイル、ガス速度、ガス濃度、化学特性及び圧力について改良する。特定のエピ層を作製するのに用いられる条件の選択は多くの場合、望ましい成長速度、反応温度、サイクル時間、ガス容量、設備コスト、ドーピング均質性、及び層厚等の要素間の妥協である。
【０００８】
シリコンカーバイドは、高性能のダイオード及びトランジスタを構築する見込みを与える理論特性を有するワイドバンドギャップ半導体材料である。シリコンのような材料と比較すると、これらの半導体素子は高出力且つ高スイッチング速度で動作することができる。
【０００９】
パワーエレクトロニクス用途では多くの場合、トランジスタ又はダイオードの設計を有する回路を構築することが好まれ、これらの素子の一型は少数キャリア素子又はバイポーラ素子として知られている。これらの型の素子の動作特性は、電子−正孔対の生成速度（generation rate）及び再結合速度に依存する。この速度の逆数をライフタイムと称する。具体的なバイポーラ素子としては、ＰｉＮダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、及びバイポーラ接合トランジスタが挙げられる。
【００１０】
半導体出力素子性能の理論レベルにまで最適化しなければならない重要な材料パラメータはキャリア再結合ライフタイムである。シリコンでは、鉄等の夾雑物によってライフタイムが制限される。シリコンカーバイドでは、シリコンよりもあまり知られていないものの、今日までに知られている限り、シリコンカーバイドのライフタイムは結晶格子中の空孔及びアンチサイトの存在によって低下する。空孔はケイ素原子又は炭素原子が存在しない位置である。アンチサイトは誤った原子が配置された位置である。
【００１１】
半導体シリコンカーバイドは典型的に、ケイ素、炭素、シリコンカーバイドを含有し得る固体混合物からの物理気相輸送法（昇華としても知られている）によって、又はシラン及び炭化水素の混合ガスからの化学蒸着（ＣＶＤ）によって成長する。これらの方法によって成長するシリコンカーバイド材料は、シリコンカーバイドダイオード及びトランジスタ内の理論的な素子挙動は小さすぎて認識することができない５００ｎｓ未満のライフタイムを有する。半導体シリコンカーバイドのエピタキシャル層は多くの場合、シリコンのような材料と比べて短く、またシリコンカーバイドの予想される理論値に比べて短い２マイクロ秒よりもかなり小さいライフタイム値を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４，９１２，０６３号明細書
【特許文献２】米国特許第４，９１２，０６４号明細書
【特許文献３】米国再発行特許第３４，８６１号明細書
【特許文献４】米国特許第４，９８１，５５１号明細書
【特許文献５】米国特許第５，２００，０２２号明細書
【特許文献６】米国特許第５，４５９，１０７号明細書
【特許文献７】米国特許第６，０６３，１８６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の実施の形態において、本発明は、得られるコーティングが０．５マイクロ秒〜１０００マイクロ秒のキャリアライフタイムを有するように、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法であって、ａ．クロロシランガスと、炭素含有ガスと、水素ガスとを含む混合ガスを、基板を含有する反応チャンバ内に導入すること、及びｂ．１０００℃より高いが２０００℃より低い温度に基板を加熱することを含むが、但し、反応チャンバ内の圧力は０．１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒの範囲に維持されるものとする、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法に関する。
【００１４】
第２の実施の形態において、本発明は、得られるコーティングが０．５マイクロ秒〜１０００マイクロ秒のキャリアライフタイムを有するように、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法に関し、当該方法は、ａ．非塩素化ケイ素含有ガスと、塩化水素と、炭素含有ガスと、水素ガスとを含む混合ガスを、基板を含有する反応チャンバ内に導入すること、及びｂ．１０００℃より高いが２０００℃より低い温度に基板を加熱することを含むが、但し、反応チャンバ内の圧力は０．１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒの範囲に維持されるものとする。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の第１の実施形態において、混合ガスはドーピングガスをさらに含み得る。このドーピングガスは、窒素ガス、リンガス又はトリメチルアルミニウムガスで例示される。クロロシランガスは典型的に式ＲwＨxＳｉyＣｌz（式中、ｙ及びｚは０より大きく、ｗ及びｘは０以上であり、且つＲは炭化水素基を示す）を有する。この炭化水素基は、メチル、エチル又はプロピル等のアルキルラジカル；ビニル又はアリル等のアルケニルラジカル；３−クロロプロピル等のハロ炭化水素ラジカルで例示される、１個〜３個の炭素原子を含有する炭化水素基で例示される。Ｒ基は要望に応じて同一であっても異なっていてもよい。Ｒは、メチル、エチル又はプロピル等の１個〜３個の炭素原子を有する一価炭化水素ラジカルで例示される。ｗの値は典型的に０〜３であり、ｘの値は典型的に０〜３であり、且つｙの値は典型的に１〜３であり、ｚの値は典型的に１〜３である。クロロシランガスは、ジクロロシランガス、トリクロロシランガス、トリメチルクロロシランガス、メチルハイドロジェンジクロロシランガス、ジメチルハイドロジェンクロロシランガス、ジメチルジクロロシランガス、メチルトリクロロシランガス、又はそれらの混合物で例示される。
【００１６】
本発明の第１の実施形態における炭素含有ガスは典型的に、式ＨaＣbＣｌc（式中、ａ及びｂは０より大きく、且つｃは０以上である）を有する。この炭素含有ガスは、Ｃ3Ｈ8ガス、Ｃ2Ｈ6ガス、ＣＨ3Ｃｌガス、又はＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2Ｃｌガスで例示される。
【００１７】
本発明の第１の実施形態において、基板は典型的に１２００℃〜１８００℃の温度に加熱される。利用可能な任意の従来の手段によってこの基板を加熱してもよく、又は基板の温度を所望のレベルに上げるのに十分な温度まで、反応チャンバ自体を加熱してもよい。基板は典型的に単結晶シリコンカーバイド基板又は単結晶シリコンウエハを含む。かかる基板は市販されている。
【００１８】
第１の実施形態における反応チャンバ内のガスの全圧は、０．１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒの広い範囲にわたって変化することができ、包括的に適度な速度のエピタキシャル成長をもたらすレベルに制御される。反応チャンバ内の圧力は典型的に１０ｔｏｒｒ〜２５０ｔｏｒｒであり、代替的に、約８０ｔｏｒｒ〜２００ｔｏｒｒの範囲の圧力が用いられ得る。
【００１９】
本発明の第１の実施形態において反応チャンバ内に導入される化学物質の蒸気の量は、所望のシリコンカーバイドエピタキシャル層の成長速度、成長均質性、及びドーピングガスの取込みを可能にするものとする。全ガス流量は典型的に、反応チャンバのサイズ及び温度プロファイルに応じて１リットル／分〜１５０リットル／分の範囲である。炭素含有ガスとケイ素含有ガスとの合計流量は典型的に、全流量の０．１％〜３０％の範囲である。ドーピングガスの流量は典型的に、全流量の１％よりもはるかに小さい。ケイ素含有ガスの流量に対する炭素含有ガスの流量の比率は典型的に０．３〜３の範囲であり、所望のドーピングガスの取込み効率及び表面モルフォロジーに応じて調節され、またこの比率は反応チャンバの設計（サイズ、温度プロファイル等）に大いに影響を受ける。これらの条件下において、約１マイクロメートル／時〜１００マイクロメートル／時の範囲の成長速度が包括的に達成され得る。ガスフロー、圧力及びウエハの温度等の具体的なパラメータを実施形態毎に大きく変えることができ、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく同様又は類似の結果を依然として得ることができることは、当業者によって理解されるものとする。
【００２０】
本発明の第１の実施形態は静的条件下で実行することができるが、通常では、基板領域全体にわたって均質な上記の流れを生じさせるように、制御量の混合ガスをチャンバの一部に連続的に導入すると共に、チャンバ内の別の部分から真空引きすることが好ましい。
【００２１】
本発明の方法で用いられる反応チャンバは、化学蒸着法による膜の成長を促すいずれのチャンバであってもよい。かかるチャンバの例はNordell et al., Journal Electrochemical Soc., Vol. 143, No. 9, 1996 (page 2910)又はSteckl and Li, IEEE Transactions on Electronic Devices, Vol. 39, No. 1, Jan. 1992によって記載されている。
【００２２】
第１の実施形態の結果得られる製品は、結晶質３Ｃ、４Ｈ又は６Ｈシリコンカーバイドでコーティングされた基板である。コーティングは、約１ｎｍ〜２５ｃｍ等の多種多様な厚さで成長させることができる。コーティングを基板から分離して、必要であれば新たな基板として使用することができる。
【００２３】
本発明の第２の実施形態において、混合ガスはドーピングガスをさらに含み得る。このドーピングガスは、本発明の第１の実施形態について上に記載した通りのものである。本発明の第２の実施形態中の非塩素化ケイ素含有ガスは、式ＲwＨxＳｉy（式中、ｙは０より大きく、ｗ及びｘは０以上であり、且つＲは炭化水素基を示す）を有する。この炭化水素基は上に記載した通りのものである。非塩素化ケイ素含有ガスは、トリメチルハイドロジェンシランガス、ジメチルジハイドロジェンシランガス、メチルトリハイドロジェンシランガス、又はそれらの混合物で例示される。第２の実施形態中の炭素含有ガスは、式ＨaＣbＣｌc（式中、ａ及びｂは０より大きく、且つｃは０以上である）を有する。炭素含有ガスは、Ｃ3Ｈ8ガス、Ｃ2Ｈ6ガス、ＣＨ3Ｃｌガス又はＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2Ｃｌガスで例示される。典型的には、混合ガス中の少なくとも１つのガスが塩素原子を含有する。
【００２４】
本発明の第２の実施形態において、基板は典型的に１２００℃〜１８００℃の温度に加熱される。本発明の第２の実施形態における基板は、第１の実施形態について上に記載した通りのものである。
【００２５】
第２の実施形態における反応チャンバ内のガスの全圧は、０．１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒの広い範囲にわたって変化することができ、包括的に適度な速度のエピタキシャル成長をもたらすレベルに制御される。反応チャンバ内の圧力は典型的に１０ｔｏｒｒ〜２５０ｔｏｒｒであり、代替的に、約８０ｔｏｒｒ〜２００ｔｏｒｒの範囲の圧力が用いられ得る。
【００２６】
本発明の第２の実施形態において反応チャンバ内に導入される化学物質の蒸気の量は、所望のシリコンカーバイドエピタキシャル層の成長速度、成長均質性、及びドーピングガスの取込みを可能にするものとする。全ガス流量は典型的に、反応チャンバのサイズ及び温度プロファイルに応じて１リットル／分〜１５０リットル／分の範囲である。炭素含有ガスと非塩素化ケイ素含有ガスとの合計流量は典型的に、全流量の０．１％〜３０％の範囲である。ドーピングガスの流量は典型的に、全流量の１％よりもはるかに小さい。非塩素化ケイ素含有ガスの流量に対する炭素含有ガスの流量の比率は典型的に０．３〜３の範囲であり、所望のドーピングガスの取込み効率及び表面モルフォロジーに応じて調節され、またこの比率は反応チャンバの設計（サイズ、温度プロファイル等）に大いに影響を受ける。これらの条件下において、約１マイクロメートル／時〜１００マイクロメートル／時の範囲の成長速度が包括的に達成され得る。ガスフロー、圧力及びウエハの温度等の具体的なパラメータを実施形態毎に大きく変えることができ、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく同様又は類似の結果を依然として得ることができることは、当業者によって理解されるものとする。
【００２７】
本発明の第２の実施形態は静的条件下で実行することができるが、通常では、基板領域全体にわたって均質な蒸気の流れを生じさせるように、制御量の混合ガスをチャンバの一部に連続的に導入すると共に、チャンバ内の別の部分から真空引きすることが好ましい。
【００２８】
本発明の第２の実施形態で用いられる反応チャンバは、第１の実施形態について上に記載した通りのものである。
【００２９】
第２の実施形態の結果得られる製品は、結晶質３Ｃ、４Ｈ又は６Ｈシリコンカーバイドでコーティングされた基板である。コーティングは、約１ｎｍ〜２５ｃｍ等の多種多様な厚さで成長させることができる。コーティングを基板から分離して、必要であれば新たな基板として使用することができる。
【００３０】
本発明の上記の実施形態における方法の製品は半導体素子に有用である。この製品はコーティングを含有する単一基板として機能し、またコーティングを基板から分離して別々の基板にすることができる。この製品を加工してトランジスタ又はダイオード又は集積半導体素子にすることもできる。このため、本発明はまた、（ｉ）少なくとも１つの半導体素子要素と、（ｉｉ）０．５マイクロ秒〜１０００マイクロ秒のキャリアライフタイムを有するシリコンカーバイド領域を含む基板とを含む半導体素子に関する。半導体素子要素は、トランジスタ、及びＰｉＮダイオード等のダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、並びにバイポーラ接合トランジスタで例示される。基板は本発明の２つの実施形態で上に記載した通りのものである。
【実施例】
【００３１】
以下の実施例は本発明の好ましい実施形態を示すように包含される。当業者に理解されるように、以下の実施例に開示する技法は、本発明の実施に際して十分に機能する本発明者が開発した技法を示しており、それゆえ実施の好ましい形態を構成するものであるとみなすことができる。しかしながら、本発明の開示を鑑みて、開示される具体的な実施形態における多くの変更が可能であり、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく同様又は類似の結果を依然として得ることができることは、当業者によって理解されるものとする。
【００３２】
マイクロ波光伝導減衰法を用いてキャリアライフタイムの測定を行った。この技法から得たライフタイム値は、表面再結合速度と、バルク再結合速度又はライフタイムとの組合せである。
【００３３】
（実施例１）
５つのシリコンカーバイドウエハ（４Ｈ ｎ＋ ＳｉＣ、７６ｍｍ直径、＜１１２０＞方向に８度傾斜）を反応チャンバに設け、およそ１５７０℃〜１６００℃に加熱した。反応チャンバ内の圧力を９５ｔｏｒｒに維持した。水素ガスと、プロパンガスと、ジクロロシランガスと、窒素ガスとを含有する混合ガスを反応チャンバ内に導入すると共に、上記圧力を維持した。得られた製品は５つのシリコンカーバイドウエハであり、ウエハはそれぞれ３０μｍの４Ｈ ＳｉＣエピタキシャル層を含有する。窒素流を用いて達成されるｎ型ドーピングは、約６×１０14／ｃｍ3の正味キャリア濃度に相当する。マイクロ波光伝導減衰法を用いて再結合ライフタイム測定を行った。５つのウエハについて測定した個々のライフタイム中央値は１．０マイクロ秒〜６．０マイクロ秒の範囲であった。５つのウエハについて測定した個々の平均ライフタイムは１．２マイクロ秒〜１２．０マイクロ秒の範囲であった。
【００３４】
（実施例２）
実施例１によるシリコンカーバイドウエハ（４Ｈ ｎ＋ ＳｉＣ、７６ｍｍ直径、＜１１２０＞方向に８度傾斜）を、時間分解フォトルミネッセンス分光法を用いて別個に試験し、フォトルミネッセンスシグナルの減衰からライフタイムを求めた。ｘ軸直径及びｙ軸直径の両方に沿って材料を走査することによってライフタイムを評価した。マイクロ波光伝導減衰法によって測定した場合、サンプルは５マイクロ秒〜１２マイクロ秒のライフタイム値範囲を有し、時間分解フォトルミネッセンス分光法によって測定した場合、ライフタイム値範囲は２マイクロ秒〜４マイクロ秒であった。
【００３５】
（実施例３）
５つのシリコンカーバイドウエハ（４Ｈ ｎ＋ ＳｉＣ、７６ｍｍ直径、＜１１２０＞方向に８度傾斜）を反応チャンバに設け、およそ１５７０℃〜１６００℃に加熱した。反応チャンバ内の圧力を９５ｔｏｒｒに維持した。水素ガスと、プロパンガスと、トリクロロシランガスと、窒素ガスとを含む混合ガスを反応チャンバ内に導入すると共に、上記圧力を維持した。得られた製品は５つのシリコンカーバイドウエハであり、ウエハはそれぞれ３０μｍの４Ｈ ＳｉＣエピタキシャル層を含有する。窒素流を用いて達成されるｎ型ドーピングは、約５×１０15／ｃｍ3の正味キャリア濃度に相当する。マイクロ波光伝導減衰法を用いて再結合ライフタイム測定を行った。５つのウエハについて測定した個々のライフタイム中央値は０．９マイクロ秒〜１．２マイクロ秒の範囲であった。５つのウエハについて測定した個々の平均ライフタイムは０．９マイクロ秒〜１．６マイクロ秒の範囲であった。
【００３６】
したがって、本発明の方法は単結晶シリコンカーバイド材料におけるライフタイムの制限という欠点を最小限に抑える。本発明は、シリコンカーバイドを成長させる当該技術分野において現在知られている他の方法よりも理論シリコンカーバイド値に近い再結合ライフタイム値を有するシリコンカーバイドの成長方法を記載している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
得られるコーティングが０．５マイクロ秒〜１０００マイクロ秒のキャリアライフタイムを有するように、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法であって、
ａ．ジクロロシランガス、メチルハイドロジェンジクロロシランガス、ジメチルジクロロシランガス、及びそれらの混合物から選択されるクロロシランガスと、炭素含有ガスと、水素ガスとを含む混合ガスを、単結晶シリコンカーバイド基板を含有する反応チャンバ内に導入すること、及び
ｂ．１２００℃より高いが１８００℃より低い温度に該基板を加熱すること、
を含むが、但し、該反応チャンバ内の圧力は１０ｔｏｒｒ〜２５０ｔｏｒｒの範囲に維持されるものとする、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法。
【請求項２】
前記混合ガスがドーピングガスをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ドーピングガスが、窒素ガスである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記炭素含有ガスが、Ｃ3Ｈ8ガス、Ｃ2Ｈ6ガス、ＣＨ3Ｃｌガス又はＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2Ｃｌガスである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
全ガス流量が、１リットル／分〜１５０リットル／分であり、且つ炭素含有ガスとクロロシランガスとの合計流量が、全流量の０．１％〜３０％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
制御量の混合ガスが、基板領域全体にわたって均質な上記の流れを生じさせるように、反応チャンバの一部に連続的に導入されると共に、チャンバ内の別の部分から真空引きする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法に従って製造される製品。
【請求項１】
得られるコーティングが０．５マイクロ秒〜１０００マイクロ秒のキャリアライフタイムを有するように、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法であって、
ａ．ジクロロシランガス、メチルハイドロジェンジクロロシランガス、ジメチルジクロロシランガス、及びそれらの混合物から選択されるクロロシランガスと、炭素含有ガスと、水素ガスとを含む混合ガスを、単結晶シリコンカーバイド基板を含有する反応チャンバ内に導入すること、及び
ｂ．１２００℃より高いが１８００℃より低い温度に該基板を加熱すること、
を含むが、但し、該反応チャンバ内の圧力は１０ｔｏｒｒ〜２５０ｔｏｒｒの範囲に維持されるものとする、シリコンカーバイドコーティングを基板上に堆積させる方法。
【請求項２】
前記混合ガスがドーピングガスをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ドーピングガスが、窒素ガスである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記炭素含有ガスが、Ｃ3Ｈ8ガス、Ｃ2Ｈ6ガス、ＣＨ3Ｃｌガス又はＣＨ3ＣＨ2ＣＨ2Ｃｌガスである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
全ガス流量が、１リットル／分〜１５０リットル／分であり、且つ炭素含有ガスとクロロシランガスとの合計流量が、全流量の０．１％〜３０％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
制御量の混合ガスが、基板領域全体にわたって均質な上記の流れを生じさせるように、反応チャンバの一部に連続的に導入されると共に、チャンバ内の別の部分から真空引きする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法に従って製造される製品。
【公開番号】特開２０１３−４７１８１（Ｐ２０１３−４７１８１Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２３１８９７（Ｐ２０１２−２３１８９７）
【出願日】平成２４年１０月１９日（２０１２．１０．１９）
【分割の表示】特願２００９−５２０８０６（Ｐ２００９−５２０８０６）の分割
【原出願日】平成１９年７月１７日（２００７．７．１７）
【出願人】（５９０００１４１８）ダウ コーニング コーポレーション (166)
【氏名又は名称原語表記】ＤＯＷ ＣＯＲＮＩＮＧ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１９日（２０１２．１０．１９）
【分割の表示】特願２００９−５２０８０６（Ｐ２００９−５２０８０６）の分割
【原出願日】平成１９年７月１７日（２００７．７．１７）
【出願人】（５９０００１４１８）ダウ コーニング コーポレーション (166)
【氏名又は名称原語表記】ＤＯＷ ＣＯＲＮＩＮＧ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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