(57)【要約】  室温で少なくとも５０００Ω−ｃｍの固有抵抗と、検出可能なレベル未満であることが望ましい、結晶の固有抵抗に影響を与える濃度に満たない、価電子帯又は導電帯から少なくとも７００ｍｅＶの状態を作り出すトラッピング元素の濃度と、を持つ炭化ケイ素の半導体バルク単結晶が開示される。また結晶を形成する方法が、本発明に従った基板を使用して形成されたデバイスのマイクロ波振動数能力を利用して生成されるいくつかのデバイスと共に、開示される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体炭化ケイ素単結晶において、
炭化ケイ素単結晶内に、ドナー・ドーパント、アクセプタ・ドーパント及び真性点欠陥を含み、
第１の導電型のドーパントの数が、第２の導電型のドーパントの数より大きく、
優位である第１の型のドーパントを補填較正するように作用する炭化ケイ素結晶内の真性点欠陥の数が、第１の型のドーパントの第２の型のドーパントを超えた分の数より大きく、
遷移元素の濃度が１Ｅ１６未満であり、
炭化ケイ素単結晶は、室温で少なくとも５０００オーム−ｃｍの抵抗を有している
ことを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項２】
炭化ケイ素からなる半導体バルク単結晶において、室温で少なくとも５０００Ω−ｃｍの抵抗と、結晶の電気特性に影響を与える量未満である価電子帯又は導電帯から少なくとも７００ｍｅＶの状態を生成するトラッピング元素の濃度とを有することを特徴とする半導体バルク単結晶。
【請求項３】
請求項１又は２記載の炭化ケイ素単結晶において、１×１０１７ｃｍ―３未満の窒素原子の濃度を持つことを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項４】
請求項１又は２記載の炭化ケイ素単結晶において、バナジウムの濃度が１×１０１６ｃｍ―３未満であることを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項５】
請求項１記載の半導体炭化ケイ素結晶において、第１の型のドーパントがドナーであり、第２の型のドーパントがアクセプタであり、真性点欠陥がアクセプタの役割をすることを特徴とする半導体炭化ケイ素結晶。
【請求項６】
請求項５記載の半導体炭化ケイ素結晶において、アクセプタがホウ素を含むことを特徴とする半導体炭化ケイ素結晶。
【請求項７】
請求項１記載の半導体炭化ケイ素結晶において、第１の型のドーパントがアクセプタであり、第２の型のドーパントがドナーであり、真性点欠陥がドナーの役割をすることを特徴とする半導体炭化ケイ素結晶。
【請求項８】
請求項１又は２記載の炭化ケイ素単結晶において、炭化ケイ素のポリタイプが、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプから成るグループから選択されることを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項９】
請求項１又は２記載の炭化ケイ素単結晶において、窒素の濃度が５×１０１６ｃｍ―３以下であることを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項１０】
請求項１又は２記載の炭化ケイ素単結晶において、バナジウムの濃度が二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって検知されることができるレベル未満であることを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項１１】
請求項１又は２記載の炭化ケイ素単結晶において、バナジウムの濃度が１×１０１４ｃｍ―３未満であることを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項１２】
請求項１又は２記載の炭化ケイ素単結晶において、室温で少なくとも１０，０００Ω−ｃｍの抵抗を持つことを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項１３】
請求項１又は２記載の炭化ケイ素単結晶において、室温で少なくとも５０，０００Ω−ｃｍ固有抵抗を持つことを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項１４】
請求項１又は２記載のバルク単結晶を含む基板を有することを特徴とするトランジスタ。
【請求項１５】
請求項１４記載のトランジスタにおいて、金属−半導体電界効果トランジスタ、金属−絶縁体電界効果トランジスタ、及び高電子移動度トランジスタからなるグループのものであることを特徴とするトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国特許６，２１８，６８０号である１９９９年５月１８日に提出された出願番号０９／３１３，８０２の継続出願である、２００１年１月１０日に提出された出願番号０９／７５７，９５０号の一部継続出願である。本発明は、特殊目的用の高品質の炭化ケイ素結晶の成長に関し、特に、マイクロ波装置において有用である高品質の半導体炭化ケイ素基板の生産に関する。本発明は、空軍契約番号Ｆ３３６１５−９５−Ｃ−５４２６の下で行われた。政府が本発明に特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
「マイクロ波」という用語は、約３００センチメートルから約０．３ミリメートルまでの波長に相当する、約０．１ギガヘルツ（ＧＨｚ）から１，０００ＧＨｚまでの範囲をカバーする周波数の電磁エネルギを意味している。調理器を持つ一般の人が最も大きく「マイクロ波」に関わっていると言うことが出できるが、電子デバイスに精通している人々であれば、マイクロ波周波数が、種々様々な電子目的用に、及び様々な通信装置とそれらを動かす関連の回路素子及び回路を含む対応する電子デバイスにおいて用いられることを理解しているであろう。他の多くの半導体電子デバイス及びそれに関連する回路と同様に、装置（又は回路）が、ある所要の又は必要な性能特性を示すことができるためには、それが作られている素材に、大いにまたは多くの場合は完全に、依存している。マイクロ波装置用の１つの適切な候補材料は、炭化ケイ素であり、この材料は、非常に高い電気的ブレイクダウンフィールドを持つマイクロ波応用例に対して、第一の利点を提供する。炭化ケイ素のこの特性によって、金属‐半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）のようなデバイスは、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）内で形成される電界効果トランジスタより１０倍高いドレイン電圧で動作することができる。
【０００３】
さらに、炭化ケイ素は、ケイ素より３．３倍高く、ガリウムヒ素又はサファイアのいずれよりも１０倍高い、４．９ワット／絶対温度−ｃｍ（Ｗ／Ｋ−ｃｍ）という熱伝導率を有し、これは有意な利点である。これらの特性は、炭化ケイ素に、ゲート外縁では、ワット／ミリメートル（Ｗ／ｍｍ）単位で測定される高いパワー密度を与え、ダイエリアでは、非常に高いパワーハンドリング能力（Ｗ／ｍｍ）を与える。ダイのサイズが波長によって制限されるようになるので、これは高パワーで高周波の用途には特に有利である。従って、いかなる所定の周波数でも、炭化ケイ素の優れた熱特性及び電子的特性のために、炭化ケイ素ＭＥＳＦＥＴは、ガリウムヒ素で作られるデバイスのパワーの少なくとも５倍の能力がある。
【０００４】
マイクロ波装置に精通している人々であれば認識できるように、導電性の基板がマイクロ波周波数で問題を引き起こす傾向があるので、多くの場合、それらは、カップリング目的のための高い抵抗（「半導体」）の基板を必要とする。ここで用いられるように、「高い抵抗」及び「半導体」という用語は、ほとんど同義であると考えることができる。一般的に、両方の用語とも、約１５００オーム−センチメートル（Ω−ｃｍより大きい抵抗を持つ半導体材料を指す。
【０００５】
そのようなマイクロ波装置は、ページャ及び携帯電話のような通信装置において広く使用され、一般に高い抵抗の基板を必要とする、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）にとって特に重要である。従って、次のような特性がマイクロ波装置の基板に望ましい、すなわち、非常に複雑なものに適する高結晶の特質、高性能回路素子、優れた熱伝導率、デバイス間の絶縁及び基板に対する優れた絶縁、低い抵抗損失特性、低い誘導雑音特性、及び大きなウエハ直径である。
【０００６】
所定の炭化ケイ素の広いバンドギャップ（３００Ｋで４Ｈ炭化ケイ素内で３．２ｅＶ）、そのような半導体特性が理論上可能であるべきである。１つの結果として、適切な高い固有抵抗炭化ケイ素基板は、その効率及び性能を増大させながら、デバイスのサイズを減少して、同じＩＣ（「チップ」）上に出力及び受動素子の両方を配置させることを可能にするだろう。また炭化ケイ素は、物理的、化学的、又は電気的な降伏現象なしで、高温で動作する性能を含む、他の好意的な特質を提供する。
【０００７】
しかしながら、炭化ケイ素に精通している人々ならば理解しているように、ほとんどの技術によって成長させられた炭化ケイ素は、これらの目的に対しては、一般にあまりにも導電性が高すぎる。特に、そのような炭化ケイ素がマイクロ波装置の中で使用される妨げとなる十分な導電性を提供する、炭化ケイ素内のわずかの又は意図しない窒素濃度が、昇華成長する結晶において十分に高くなる（１〜２×１０１７ｃｍ−３）傾向がある。
【０００８】
特に有用であるためには、炭化ケイ素デバイスは、ＲＦ受動的振る舞いを実現するために、少なくとも１５００オームセンチメートル（Ω−ｃｍ）の基板抵抗を持っているべきである。さらに、デバイスの伝送線損失を最小限にして０．１デシベル／ｃｍ以下の許容レベルにまでするためには、５０００Ω−ｃｍあるいはそれ以上の抵抗が必要とされる。デバイスを分離するために、そしてバックゲート効果を最小限にするために、半導体炭化ケイ素の抵抗は、５０，０００Ω−ｃｍ以上の範囲に近似している必要がある。現在の研究、例えば米国特許第５，６１１，９５５号は、炭化ケイ素基板の半導体作用は、炭化ケイ素のバンドギャップ内の深いエネルギレベルの結果である、言い換えると、ｐ型及びｎ型のドーパントによって生成されるエネルギレベルよりも価電子帯及び導電帯の両方からはるかに深いエネルギ順位の結果である、と断定する傾向にある。’９５５号の特許、例えばコラム３の３７〜５３行によれば、価電子帯と導電帯との間の炭化ケイ素内の深いレベルは、遷移金属のような選定された元素、あるいは、水素、塩素、又はフッ素のような不活性元素、又はこれらの元素の組合せを、炭化ケイ素内の深いレベルの中心部を形成するように、炭化ケイ素の中に制御して導入することによって、生産されることができる。以下も参照のこと。カリフォルニア州バークレーのミッチェル（Ｍｉｔｃｈｅｌ）による１９９８年６月の「Ｔｈｅ  １．１ｅＶ  Ｄｅｅｐ  Ｌｅｖｅｌ  ｉｎ  ４Ｈ−ＳｉＣ．ＳＩＭＣ−Ｘ（４Ｈ−ＳｉＣ．ＳＩＭＣ−Ｘにおける１．１ｅＶの深いレベル）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．第６６巻１１号（１９９５）のＨｏｂｇｏｏｄによる「Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  ＧＨ−ＳｉＣ  Ｇｒｏｗｎ  ｂｙ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ（物理的気相トランスポートによって成長する半導体ＧＨ−ＳｉＣ）、ＷＯ９５／０４１７１、ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ第１５巻１１号（１９９４）のＳｒｉｒａｍによる「ＲＦ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ＳｉＣ  ＭＥＳＦＥＴｓ  ｏｎ  Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ（高い固有抵抗基板上でのＳｉＣ  ＭＥＳＦＥＴのＲＦ性能）、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７６（１０）（１９９４）のＥｖｗａｒａｙｅによる「Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｖａｎａｄｉｕｍ  ｉｎ  Ｂｕｌｋ  ｎ−ｔｙｐｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ（バルクｎ型の炭化ケイ素におけるバナジウムの電気的及び光学的特性の検査）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５６（１２）（１９９０）のＳｃｈｎｅｉｄｅｒによる「Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒａ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｏｆ  Ｖａｎａｄｉｕｍ  Ｄｅｅｐ  Ｌｅｖｅｌ  Ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ  ｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ（炭化ケイ素におけるバナジウムの深いレベルの不純物の赤外線スペクトル及び電子スピン共鳴）」、及び物理学会のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １９９５（１９９５年の炭化ケイ素及び関連素材に関する国際会議の議事録）のＡｌｌｅｎによる「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ａｎｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ＳｉＣ  ＦＥＴ’ｓ（マイクロ波ＳｉＣ  ＦＥＴの周波数及び出力性能）」
上記の従来の検討に加えて、これらの深いレベルの元素の不純物（深いレベルのトラッピング元素としても知られている）は、高純度炭化ケイ素の高温昇華あるいは化学蒸着（ＣＶＤ）成長中に、それらを導入することによって、組み込ませることができる。特に、バナジウムは、この目的用の望ましい遷移金属と考えられる。’９５５号の特許及び同様の技術によれば、バナジウムが炭化ケイ素の素材を補填較正し、炭化ケイ素の高い固有抵抗（つまり半導体）特性を生成する。
【０００９】
しかしながら、半導体炭化ケイ素を生成する較正元素としてのバナジウムの導入は、一方である欠点を招く。第１に、電子的に有効な量のバナジウムを含むドーパントの存在が、生成された素材の結晶の性質にマイナスの影響を与えることがある。バナジウム又は他の元素を著しく減少させるか又は除去させることができる範囲で、生成された素材の結晶の性質及びそれに相応する電子的性質を、増大させることが可能である。特に、現在では、補填較正するバナジウムの量が、炭化ケイ素内の混在物及びマイクロパイプ（ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｓ）のような成長欠陥を引き起こすと認識されている。
【００１０】
第２の欠点として、補填較正する量のバナジウムの導入により、生産を減少させ、半導体炭化ケイ素基板の生産経費を増大させることである。第３は、炭化ケイ素又は他の半導体元素の積極的な補填較正が、ある程度複雑になり予期不能になることがあり、その結果、補填を回避できれば回避されるはずの、製造の複雑さを招いてしまう。
【００１１】
１９９９年５月１８日に提出された出願第０９／３１３，８０２号及び２００１年１月１０日に提出されたその継続出願第０９／７５７，９５０号において、バナジウムの濃度が、補填される炭化ケイ素単結晶内に検出可能な（例えば、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）で検出可能な）レベル未満に維持される、改良された半導体炭化ケイ素が開示されている。関連するドーピングを説明する際に、’８０２の出願は、特定のドーバントを、多くの従来技術と同様に、「深い」とか、又は「浅い」と形容する。「深い」及び「浅い」という用語は、特定のドーパントに関する状態及びエネルギレベルを説明する際の説明に役立つけれども、それらはむしろ、限界を示す意味よりも、比較の意味において用いられている。
【００１２】
例えば、いくつかの状況においては、バンドエッジからレベル３００ｍｅＶ以上が「深い」と呼ばれる。ところが、その範囲内のレベルを生成するある元素（例えばホウ素）が、「浅い」振る舞いをすることもある。つまり、それらは、固有抵抗を上げるレベルというのではなく、導電性のレベルを意図しているのである。さらに、ホウ素（Ｂ）の場合のように、個々の元素が、バンドギャップ内で、２つ以上のレベルを生成することがある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従って、本発明の目的は、従来の材質及び技術の欠点を回避しながら、特定のドーパントが「深い」又は「浅い」であると特徴づけない半導体炭化ケイ素基板を提供すること、及び、高周波動作に対して必要とされかつ有利である性能を提供する半導体炭化ケイ素基板を提供することである。
【００１４】
本発明は、室温で少なくとも５０００Ω−ｃｍの固有抵抗、及び１Ｅ１６未満の遷移元素濃度を有する、炭化ケイ素の半導体バルク単結晶を提供することによって、この目的を達成する。
【００１５】
別の側面で、本発明は、室温で少なくとも５０００Ω−ｃｍの固有抵抗と、結晶の電気特性に影響を与える量未満である、価電子帯又は導電帯から少なくとも７００ｍｅＶの状態を作り出すトラッピング元素の濃度と、を持つ炭化ケイ素の半導体バルク単結晶である。
【００１６】
さらに別の側面で、本発明は、ＭＥＳＦＥＴ、特定のＭＯＳＦＥＴ、及びＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）を含む、特許請求の範囲に記載された発明に従った半導体炭化ケイ素を組み込むデバイスを含む。
【００１７】
本発明の前述の及び他の目的及び利点、並びにこれらを実現するための手法が、添附図面を参照してなされる次の詳細な説明に基づいて、より明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
第１の実施例において、本発明は、所定の遷移元素の濃度を有する炭化ケイ素の半導体バルク結晶であり、該遷移元素は、結晶の固有抵抗を支配するレベル以下で、できれば１立方センチメートル（ｃｍ―３）当たり１０―１６未満、つまり１Ｅ１６の濃度である。
【００１９】
別の実施例において、本発明は、室温で少なくとも５０００Ω−ｃｍの固有抵抗、並びに結晶の電気特性に影響を与える量未満である、価電子帯又は導電帯から少なくとも７００ｍｅＶの状態をつくるトラッピング元素の濃度、を持つ炭化ケイ素の半導体バルク単結晶である。
【００２０】
ここで使用される用語「遷移元素」は、炭化ケイ素内にドーパントとして組み込まれると、炭化ケイ素の価電子帯と導電帯との間のレベルにて、汎用のｐ型又はｎ型のドーパントであるよりも、はるかに導電帯及び価電子帯の両方から移動させられる状態を形成する、周期表の元素のことである。技術分野及び背景技術で記載したように、バナジウムはそのような特性を備えた一般的な遷移元素である。
【００２１】
さらにここで使用されている、「検出可能なレベル未満」と規定される濃度は、現代の精巧な解析技法によって検知することができない量で存在する元素のことである。特に、少ない量の元素を検出するためのより一般的な技術の１つが、二次イオン質量分析（「ＳＩＭＳ」）であるので、ここで言及された検出可能な限界とは、１×１０１６ｃｍ−３（１Ｅ１６）未満、あるいは、別の場合には約１Ｅ１４未満の量で存在するバナジウム及び他の遷移金属のような元素の量のことである。これらの２つの量は、ＳＩＭＳ技術を使用する、ほとんどの微量元素（特にバナジウム）用の典型的な検出限界を表す。例えば、１９９５年のＣｈａｒｌｅｓ  Ｅｖａｎｓ  ＆  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓによる「ＳＩＭＳ  Ｔｈｅｏｒｙ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ｌｉｍｉｔｓ（ＳＩＭＳ理論−感度及び検出限界）」、ｗｗｗ．ｃｅａ．ｃｏｍを参照のこと。
【００２２】
上に言及したように、バナジウム（Ｖ）は、半導体炭化ケイ素を生成するためのより一般的な元素の１つである。従って、本発明は、バナジウムが、存在しないか、あるいは、たとえ存在しても、結晶の固有抵抗に実質的に影響を与える量未満、好適には１Ｅ１６未満の量で存在するということが特徴である。
【００２３】
他のポリタイプ（つまり結晶構造）も採用可能であるが、本発明のこの実施例に従った炭化ケイ素単結晶は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプから成るグループから選定されるポリタイプをもつことが望ましい。
【００２４】
さらに、窒素の存在及びその結果の窒素に対する補填較正を試みる必要性が生じることによる問題を回避するために、本発明のこの実施例に従った炭化ケイ素単結晶は、約１×１０１７ｃｍ―３（１Ｅ１７）未満の窒素原子の濃度を持つことが望ましい。さらに、本発明に従った炭化ケイ素半導体単結晶は、５Ｅ１６以下の窒素濃度を持つことが望ましい。バナジウムの濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１６原子未満で、１立方センチメートル当たり１Ｅ１４未満であることが最も望ましい。さらに、生成されるバルク炭化ケイ素単結晶は、室温で少なくとも１０，０００Ω−ｃｍの固有抵抗を持ち、室温で少なくとも５０，０００Ω−ｃｍの固有抵抗を持つことが最も望ましい。
【００２５】
高周波ＭＥＳＦＥＴ用に半導体炭化ケイ素基板を提供するためには、４Ｈポリタイプが、そのバルク電子移動度がより高いので、望ましい。他のデバイスについては、他のポリタイプが望ましい場合もある。従って、本発明のより望ましい実施例の１つは、室温で少なくとも１０，０００Ω−ｃｍの固有抵抗を持ち、１Ｅ１４未満のバナジウム原子濃度を持つ、４Ｈ炭化ケイ素の半導体バルク単結晶である。
【００２６】
炭化ケイ素の半導体バルク単結晶を生成する方法は、炭化ケイ素のソース・パウダ（元になる粉）を昇華するまで加熱するステップと、一方で、ソース・パウダの温度より低い温度で、かつソース・パウダから昇華された化学種が種結晶の上に凝結する温度まで炭化ケイ素の種結晶を加熱し維持するステップを含む。該方法はその後、所要の量の単結晶バルク成長が種結晶上に発生するまで、炭化ケイ素のソース・パウダを熱し続けるステップを含む。該方法は、（１）ソース・パウダ内の遷移元素の量が（上に説明されたように）該当する量未満であり、（２）ソース・パウダは、５Ｅ１６以下の窒素を含み、そして（３）昇華成長中に、ソース・パウダ及び種結晶は、種結晶上のバルク成長に組み込まれてしまうであろう窒素の量を著しく減少させるため、及び、生成される炭化ケイ素バルク単結晶半導体となる量にまで種結晶上のバルク成長内の点欠陥（真性点欠陥（intrinsic point defects）と呼ばれることもある）の数を増加させるために、それぞれ十分に高い温度に維持されるということが特徴である。窒素又は他のドーパントの量を可能な限り低く維持することによって、結晶半導体を作るのに要求される点欠陥の数を最小限にすることが望ましい。今日では、点欠陥の望ましい数は、１Ｅ１５〜５Ｅ１７の範囲の中にある。
【００２７】
本発明に従った半導体炭化ケイ素を生成するために、使用されるソース・パウダは、バナジウムを含んでいないか、又は、バナジウムが存在する場合でも、検出可能なレベル未満でなければならない。上述したように、検出可能なレベルは、ＳＩＭＳを使用して測定することができるものであると通常は見なされる。言い換えると、ソース・パウダ内のバナジウムの量は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１６原子未満であり、そして、１立方センチメートル当たり１Ｅ１４原子未満であることが最も望ましい。
【００２８】
望ましい実施例では、窒素が、リアクタ自身の中に浄化されたグラファイト部品を使用することと同様に、ＳｉＣ用の開始時の物質のうちの１つとして高優先順位でグラファイトを使用することによって最小限にされる。一般に、グラファイト（ソース・パウダあるいはリアクタ部品用の）は、ハロゲン・ガス（例えばＣｌ２）が存在している状態の中で熱することによって、また必要ならば、不活性雰囲気（例えばＡｒ）内で約２５００°Ｃにさらに加熱すること（「ベークアウト」）によって、ホウ素又はアルミニウムのような元素の添加されるポテンシャルを取り除くことができる。また適切な浄化技術が、この技術分野では知られていて（例えば、米国特許第５，３３６，５２０号、第５，５０５，９２９号、また、第５，７０５，１３９号）、過度の実験なしで必要に応じて実行される。
【００２９】
さらに、（発明技術の一部として受入可能である）従来技術において参照される高純度技術を使用することによるだけでなく、種結晶の温度及び種結晶上の任意のバルク成長の温度を、ソース・パウダの温度未満に保ちながら、より高温で昇華を実行することによっても、生成されるバルク単結晶内の窒素の量を減少させることができることを、本発明に従って発見した。（本明細書で説明される修正以外の）昇華成長用の望ましい技術が、米国特許第ＲＥ３４，８６１号の中で述べられており、その内容がすべてここに参考文献（「’８６１特許」）として組み込まれる。
【００３０】
昇華は、’８６１特許に開示されているように、通常はグラファイトから構成される適宜のるつぼ（crucible）の中で実行される。るつぼはシード・ホルダを含み、その両方が昇華炉の内部に置かれる。ＳｉＣのソース・パウダは、約１Ｅ１７未満であり、約５Ｅ１６未満の窒素濃度を持つように、必要に応じて選定され浄化される。さらに、ソース・パウダは、生成される結晶の電気特性に影響を与える量未満である濃度のバナジウム、あるいは他の重金属又は遷移元素を包含している。影響を与える量未満とは、現時点で利用可能なＳＩＭＳを使用して、少なくとも１立方センチメートル当たり１Ｅ１６原子未満、可能ならば１Ｅ１４原子未満であることを意味する、ＳＩＭＳ検出可能なレベル未満のものである。また、ソース・パウダは、’８６１特許で述べられている別の有利な特性を満たすことが望ましい。
【００３１】
小量のホウ素がアクセプタとして組み込まれる場合、それは、所要の量を含む元になる素材（パウダ）の形で加えられるのが最もよい。
実際的見地から、炭化ケイ素の昇華は、ソース温度を約２３６０℃〜約２５００℃の範囲で、種結晶の温度を相対的に低く保ちながら、実行される。ここで説明した素材については、ソースが約２３６０〜２３８０℃の間に保たれ、種が３００〜３５０℃より低く保たれた。そのような手順及び測定に精通している当業者には知られているように、上記の温度は、システムがどのようにして、そしてどこで測定されるかに依存するものであり、したがって、システム毎に少々異なるものである。
【００３２】
バナジウムは、従来の研究では、補填型タイプの半導体炭化ケイ素を生成するために選択した元素であったので、本発明は、バナジウムが上に挙げられた検出可能なレベル及び数的なレベル未満であるバルクＳｉＣ単結晶、及びそれを作る方法として表現される。しかしながら、半導体として使用されるような炭化ケイ素の成長及び炭化ケイ素の特性に精通している当業者であれば、本発明が、バナジウムと同じ機能持性（又は潜在的な欠点）を引き起こす他の任意の元素も欠如させることを意図していることが理解されるであろう。
【００３３】
そのような元素の使用を回避することによって、本発明は、同様に、他の元素でそのような元素を補填する必要を除去し、それに相応してそのような補填が結晶の成長プロセスにもたらす複雑さを減少させる。
【００３４】
図１〜１７は、従来の補填されたり補填されない炭化ケイ素の素材とのいくつかの対比に加えて、本発明に従った半導体基板上で実行された様々な測定値を示す。
図１〜３は、本発明にしたがって、ノースカロライナ州ダーラム（Ｄｕｒｈａｍ）のＣｒｅｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ社で成長させられた基板ウエハ上で得られた、対応する一組の測定値を表す。この中の「実験」の部分で述べられるように、これらの素材の特性は、オハイオ州デートン（Ｄａｙｔｏｎ）にある空軍研究所によってテストされた。図１は、本発明に従った半導体基板ウエハに対しての、逆数温度に対するキャリア濃度（対数目盛である濃度を備えた）をプロットしている。得られた線の傾きは、ほぼ１．１電子ボルト（ｅＶ）である活性化エネルギーを与える。
【００３５】
図２は、本発明による半導体素材について他に予期される特性に準拠するやり方において、温度が減少するにつれて固有抵抗が増大することを示す。
図３は、絶対温度に対してプロットされた移動度を表す。図４は、逆数温度（絶対温度）に対してプロットされたキャリア濃度の自然対数（ｌｎ）のプロットである。これらの測定に精通している当業者に知られているように、逆数温度に対するキャリア濃度の自然対数の傾きは、活性化エネルギを与える。図４の中の囲み書きに示されるように、本発明に従ったこのサンプル用の活性化エネルギは、約１．１ｅＶであり、図１の結果に準拠する。対比的に示せば、半導体炭化ケイ素に精通している当業者に知られているように、バナジウムが深いレベルトラッピング元素として使用される場合の半導体炭化ケイ素用の活性化エネルギは、同じ環境下で、約１．６ｅＶである。
【００３６】
そのデータは、０．０４５ｃｍの厚さのサンプル上で、約５６９Ｋ〜約１，０１２Ｋまでの温度範囲に渡って、４キロガウスの磁場の下で測定された。
図５は、絶対温度での逆数温度に対する固有抵抗の自然対数のプロットである。同様に、このデータ及びこのプロットを、半導体炭化ケイ素の素材の活性化エネルギを決定するために使用することができる。このプロットから決定される１．０５６６７ｅＶの値は、先に測定された１．１ｅＶの活性化エネルギの確認につながる。別の表現をすると、図４及び５に示したような測定された活性化エネルギ間の相違は、予期された実験範囲内であり、互いにデータを裏付けている。
【００３７】
図６〜１０は、図１〜５に示した場合と同タイプの測定及びプロットを表すが、異なるサンプルから得られていて、特に、図１〜５用に測定されたのと同じウエハの異なるエリアになされたものである。従って、図６〜８が、図１〜３でプロットされた結果と一致していることが理解されるであろう。より具体的には、図９は、逆数温度に対するキャリア濃度の自然対数の別のプロットであり、図９は、１．００２２７ｅＶの活性化エネルギの計算結果を示す。この場合も、先に測定された１．１ｅＶの実験範囲内である。
【００３８】
同じような手法で、図１０は、逆数温度に対する固有抵抗の自然対数をプロットした結果を示すが、同じように１．０１１５９の活性化エネルギを提供していて、同じく１．１ｅＶの実験範囲内である。図１１〜１３は、ウエハのさらに別の部分から得られた結果を示すが、それは先の測定値で見られた結果ほど、好ましくはない。特に、図１１のプロットは、所望の形である直線を形成しておらず、データは先の結果ほど好ましくない。同じように、図１４は、逆数温度に対する固有抵抗の自然対数をプロットした図であるが、計算の結果、実験の不確定要素に関係なく、１．１ｅＶからかなり離間した値である０．６３２９９の活性化エネルギを示している。
【００３９】
図１５、１６及び１７は、様々な比較サンプルの２次イオン質量スペクトル（ＳＩＭＳ）を表し、半導体炭化ケイ素基板内の、元素の不純物及び他の素材を示すのに有用である。図１５は、本発明に従った半導体炭化ケイ素の素材のＳＩＭＳスペクトルを示し、サンプル内にバナジウム又は他の遷移金属が存在していない事が確かめられる。これによって、本発明に現れる活性化エネルギ及び中間ギャップの状態が、バナジウム又は他の遷移金属の存在に起因していないことが確認される。
【００４０】
図１６は、比較の目的のために含めたものであり、半導体でもなく本発明に従って作られたものでもない炭化ケイ素のＮ形ウエハのＳＩＭＳスペクトルを示し、これが、導電性の炭化ケイ素のサンプルであることを示している。Ｎ形基板用のバナジウムを含む理由がないので、バナジウムは質量スペクトルから欠如している。
【００４１】
図１７は、比較検討のために、バナジウムが補填された半導体炭化ケイ素である先のバージョンを示している。バナジウムのピークが、スペクトル内のほぼ５１の原子質量単位に強く現れている。このバナジウムのピークは、図１５及び１６のどちらにも欠如している。
【００４２】
「検出可能な量未満」という語句は、本発明に関して適切な表現であるが、これらの量はまた、素材に精通している当業者には、炭化ケイ素結晶の電子的特性、特に固有抵抗に影響を与える量未満である量としても理解されるであろう。
【００４３】
本発明は、別の側面において、ドナー・ドーパント、アクセプタ・ドーパント及び真性点欠陥を備えた半導体炭化ケイ素単結晶を提供する。本発明のこの側面では、炭化ケイ素結晶内のドナー・ドーパント（Ｎｄ）の数が、アクセプタ・ドーパント（Ｎａ）の数より大きい、また、アクセプタの役割をする炭化ケイ素内の真性点欠陥（Ｎｄｌ）の数が、ドナー・ドーパントとアクセプタ・ドーパントとの数の相違以上に大きい。さらにこの側面について、遷移元素と重金属の濃度が、炭化ケイ素単結晶の電気的性質に影響を与える濃度、できれば１Ｅ１６未満である濃度に満たない。生成される炭化ケイ素単結晶は、室温で少なくとも５０００Ω−ｃｍの固有抵抗を持つが、できれば少なくとも１０，０００Ω−ｃｍ、そして５０，０００Ω−ｃｍが最も望ましい。
【００４４】
また本発明のこの側面は、アクセプタ・ドーパントの原子の数がドナー・ドーパントの原子の数より大きい場合の、相補的な状況にも当てはまる。その場合、ドナーの役割をする真性点欠陥の数が、ドナー不純物の数とアクセプタ不純物の数との差異より大きい。
【００４５】
別の表現をすれば、浅いｎ型及びｐ型のドーパントは、優位を占めているどちらかでもって、互いに補填する。電気的に活性化されている結晶内の真性点欠陥の数は、結晶内で他方を圧倒するｎ型又はｐ型のドーパント原子の正味量より大きい。式で表現すると、
ドナーがアクセプタを圧倒している場合は、
Ｎｄｌ＞（Ｎｄ―Ｎａ）
アクセプタがドナーを圧倒している場合は、
Ｎｄｌ＞（Ｎａ―Ｎｄ）
である。第１の場合では、結晶は、ドーパント原子に基づいて補填されるｎ型である。しかしながら、これらの正味のドナーは、半導体結晶を生成するために、アクセプタタイプの点欠陥によって、再度補填される。第２の場合では、点欠陥が、ドナータイプの役割をし、結晶内のアクセプタの正味の過剰を補填する。
【００４６】
ここで使用されるように、用語「ドーパント」は、広い意味で使われている、つまり、結晶格子の中に存在するケイ素（Ｓｉ）又は炭素（Ｃ）以外の原子を説明するために、及び追加の電子（ドナー）又は追加のホール（アクセプタ）のいずれかの提供を説明するために、使用される。本発明では、ドーパントが、受動的か能動的かのいずれかで存在することができる、つまり、用語「ドーパント」は、「ドーピング」のステップも１つの不存在も意味しない。
【００４７】
望ましい実施例では、アクセプタがホウ素である。この実施例では、ホウ素が、窒素を過補填し、点欠陥が、ホウ素を過補填するためのドナーの役割をし、その結果として、半導体炭化ケイ素結晶を生成する。アクセプタとしてのホウ素の作用は、ホウ素が深いトラッピング元素であると見なされていた（例えば、同一出願人による米国特許第５，２７０，５５４号のコラム８、第４９〜５１行）以前の概念と対照的である。確かに、ホウ素は、７００ｍｅＶでＳｉＣの中にトラッピングレベルを生成することができるが、（今日まで）さほどの再現性がない。従って、本発明において、ホウ素がここで説明されたタイプの半導体の炭化ケイ素用の適切なアクセプタ・ドーパントであることが発見されたのである。
【００４８】
好適な実施例では、比較的小量のホウ素、できれば約１Ｅ１５のホウ素が結晶をｐ型にするポイントまで、活性窒素濃度を減少させた状態で、炭化ケイ素が成長させられる。成長条件の制御によって、点欠陥濃度を約５Ｅ１５にまですることができ、その結果、ホウ素が過補填され、半導体結晶が生成される。窒素の濃度、及び対応するホウ素の補填量を減少させることによって、本発明は、先に言及された、遷移金属の優位、並びに重度のドーピング及び補填によってもたらされる欠点を回避する。ＳｉＣの結晶の成長が比較的精巧なプロセスなので、正確なパラメータが、適切な範囲内で使用される特定の温度、及び使用される機器の特性といったような、ローカルな環境又は個々の環境に依存して、異なるはずである。しかしながら、ここでの開示に基づいて、この分野の一般的な技術者が、本発明を、過度の実験なしで、首尾よく実行することが期待される。
【００４９】
上述した式に準拠する結果を達成するように点欠陥の所要数を生成するために、炭化ケイ素に中性子、高エネルギ電子、又はγ線を照射することによって、点欠陥の数を、ある程度まで制御することができる。
【００５０】
点欠陥の正確な数は測定が困難であるが、電子常磁性共振（ＥＰＲ）、深レベル一時分光学（ＤＬＴＳ）、及び位置消滅分光学のような技術によって、存在する数の利用可能な最良の目安が与られる。さらに、ここで述べられたように、ホール効果測定値によってもまた、結晶の所要の特性が確認される。
【００５１】
別の側面で、本発明は、半導体炭化ケイ素基板を利用する、能動素子、特にアクティブなマイクロ波装置に組み込まれることができる。上述したように、アクティブな半導体マイクロ波装置に精通している当業者によって認識されるように、理想的な状態に反して、キャリアが、マイクロ波装置の特定のチャネル、及び他の機能的な部分に制限される場合に、基板との間のキャリアの相互やりとりによって、マイクロ波装置が動作できる周波数が著しく妨害されることがある。
【００５２】
本発明に従った炭化ケイ素半導体素材の性質は上記したようなものであるから、適切なデバイスにおいて優れた性能特性を持つことができる。これらは、制限されるものではないが、ＭＥＳＦＥＴ、特定のＭＯＳＦＥＴＳ、及び（以下の）現在の米国特許及び審査中の出願において記述されているような他のデバイスを含む。特許第５，２７０，５５４号、第５，６８６，７３７号、第５，７１９，４０９号、第５，８３１，２８８号、いずれも「Ｌａｔｃｈｕｐ  Ｆｒｅｅ  Ｐｏｗｅｒ  ＵＭＯＳ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ラッチアップ電力フリーのＵＭＯＳバイポーラ・トランジスタ）」と題された９７年７月１０日提出の出願第０８／８９１，２２１号及び９８年５月２１日提出の出願第０９／０８２，５５４号、「Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｖｏｌｔａｇｅ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（炭化ケイ素パワートランジスタの最高電圧を増大させるための構造）」と題された９７年２月７日提出の出願第０８／７９７，５３６号、「Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｔｏ  Ｒｅｄｕｃｅ  ｔｈｅ  Ｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（パワートランジスタのｏｎ抵抗を減少させる構造）」と題された９７年２月７日提出の出願第０８／７９５，１３５号、及び「Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｉｎ  Ｗｉｄｅ  Ｂａｎｄｇａｐ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ（広いバンドギャップ半導体内の電源デバイス）」と題された９８年６月２３日（アメリカを示す）提出の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ９８／１３００３号。これらのすべての内容が、ここに完全に参考文献として組み込まれる。
実  験
半導体ＳｉＣの２つのウエハが、高温ホール効果及びＳＩＭＳでもって、オハイオ州デートン（Ｄａｙｔｏｎ）の空軍研究所（ライトパターソン空軍基地）でテストされた。ウエハのうちの１つからは、理解し得る結果は得られなかったが（恐らく不十分な抵抗接点のためであろう）、第２のウエハからの２つのホール・サンプルからは、両ホール・サンプルのテスト結果において妥当な信頼水準を与える同じ結果を得た。
【００５３】
両方のウエハは室温で絶縁であった。測定可能なウエハは、高温で熱により活性化され、キャリア濃度が測定可能であったが、その測定は、必要とされる高温が原因の低い移動度のために、半導体素材において必ずしも可能とは限らない。固有抵抗が約１０３Ω−ｃｍだった場合、キャリア濃度は１０００Ｋで約１０１５ｃｍ−３だった。そのようなキャリア濃度は、従来の半導体素材又は同じ温度でバナジウムがドープされた素材において見られるよりも、約１桁から２桁等級が低い。しかしながら、ｎ対１／Ｔの適合曲線を作ることができなかったので、アクティブ層に対する濃度の合計は利用できないままだった。活性化エネルギは約１．１ｅＶであった。
【００５４】
高解像度システムにより、ＳＩＭＳがサンプルに実行された。質量４７のピークの高さから推測される多少の水素に加えて、検出限界近くの多少の銅以外には何も見られなかった。従って、質量４７のピークは、ＳｉＯＨに起因している。相対的な２つのサンプルに対するスキャンに加えて、本発明に関する質量スキャンが含まれる。図１８〜２０参照。図１９及び図２０において、チタン（Ｔｉ）が、約１×１０１６ｃｍ−３で出現しているが、本発明（図１８）のサンプルにおいては現れていない。またバナジウムが、水素を示すＳｉＯＨの線に加えて、標準の半導体サンプル（図２０）において現われている。
【００５５】
これらの結果から、第１のウエハは、非常に高純度素材であると考えられ、そして他の欠陥が１．１ｅＶレベルを作り出すものに加えて、いくらかの残留バナジウム不純物が、浅い不純物の合計より大きな濃度で存在しており、そのため１．１ｅＶレベルが浅い不純物を補填するので、絶縁であると見なされる。フェルミレベル（準位）が、１．１ｅＶレベルで固定され、その結果、素材を半導体にしている。水素が存在する場合、水素補填が起こっていることを意味すると言えるが、より深いレベルではなく、より浅い不純物を選択的に補填するか又は中和することは考えられない。
【００５６】
図面及び明細書において、本発明の典型的な実施例が開示され、そして、特別な用語が使用されているが、それらは、限定のためではなく、一般的かつ記述的な意味で使用されている。そして、本発明の技術的範囲が特許請求の範囲に記述されている。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に従って生成されたウエハ上のホール効果測定値のプロット図である。
【図２】本発明に従って生成されたウエハ上のホール効果測定値のプロット図である。
【図３】本発明に従って生成されたウエハ上のホール効果測定値のプロット図である。
【図４】本発明による半導体炭化ケイ素に対しての、温度（絶対温度）の逆数に対するキャリア濃度の自然対数のプロット図である。
【図５】本発明による半導体炭化ケイ素に対しての、逆数温度に対する固有抵抗の自然対数のプロット図である。
【図６】図１で表されたものと同じ測定であるが、基板ウエハの異なる部分から得られた測定値の図である。
【図７】図２で表されたものと同じ測定であるが、基板ウエハの異なる部分から得られた測定値の図である。
【図８】図３で表されたものと同じ測定であるが、基板ウエハの異なる部分から得られた測定値の図である。
【図９】図６〜図８で示されたサンプルに対しての、逆数温度に対するキャリア濃度の自然対数の別のプロット図である。
【図１０】逆数温度に対する固有抵抗の自然対数の別のプロット図で、これも図６〜図８のサンプル測定値に対するものである。
【図１１】半導電性炭化ケイ素の素材の異なる部分の上になされたさらに別の測定に対しての、図１及び図６と同一の、さらに別のプロット図である。
【図１２】半導電性炭化ケイ素の素材の異なる部分の上になされたさらに別の測定に対しての、図２及び図７と同一の、さらに別のプロット図である。
【図１３】半導電性炭化ケイ素の素材の異なる部分の上になされたさらに別の測定に対しての、図３及び図８と同一の、さらに別のプロット図である。
【図１４】図１１〜図１３で示されたサンプルに対しての、逆数温度に対する固有抵抗の自然対数の別のプロット図である。
【図１５】本発明及び従来技術に従った素材の様々なサンプルに対しての、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）のプロット図である。
【図１６】本発明及び従来技術に従った素材の様々なサンプルに対しての、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）のプロット図である。
【図１７】本発明及び従来技術に従った素材の様々なサンプルに対しての、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）のプロット図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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