專利名稱：生長P型SiC半導(dǎo)體單晶的方法和P型SiC半導(dǎo)體單晶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生長P型SiC半導(dǎo)體單晶的方法，還涉及通過這種方法獲得的P型SiC 半導(dǎo)體單晶。
背景技術(shù)：
SiC半導(dǎo)體具有優(yōu)異的性質(zhì)，例如比Si半導(dǎo)體高的耐受電壓、耐高溫性和降低的 功率損失或耗散，因此已開發(fā)成實(shí)際用作適合例如逆變器的高電壓、大電流功率半導(dǎo)體。例 如，提供逆變器的開關(guān)裝置的MOSFETs (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和IGBTs (絕緣 柵雙極晶體管)被要求具有小的ON電阻和高的開關(guān)速度。在構(gòu)成這些晶體管的η型和P 型SiC半導(dǎo)體中，η型半導(dǎo)體目前處于相對先進(jìn)的開發(fā)階段，而ρ型半導(dǎo)體的發(fā)展滯后，因 此難以或不可能實(shí)現(xiàn)適合實(shí)際應(yīng)用的低電阻。制造ρ型SiC半導(dǎo)體的技術(shù)的典型實(shí)例包括例如升華法、離子注入和液相沉積或 溶液法。最廣泛使用的升華法提供例如用B或Al摻雜的6H-SiC的晶片，其具有2至10 Ω cm 的電阻率實(shí)驗(yàn)值，但通過該方法實(shí)際制成的商品具有200Qcm或更高的電阻率。盡管上述 開關(guān)裝置被要求具有的實(shí)用電阻率水平為0. 5 Ω cm或更低，但通過升華法制成的SiC半導(dǎo) 體的電阻率未達(dá)到實(shí)用水平。這可能是因?yàn)?)用雜質(zhì)(例如B或Al)摻雜SiC半導(dǎo)體 (即，將例如B或Al的雜質(zhì)引入SiC半導(dǎo)體中)是困難的，或2)4H-SiC的活化能在用B摻 雜時等于 285meV，在用 Al 摻雜時等于 190meV( “Foundations and Applications of SiC Devices”Kazuo ARAI編輯，并在2003年由Ohmsha出版)；由于這樣大的活化能，較不可能 產(chǎn)生活化載體，即活化載體的生成率低。另一方面，通過離子注入，當(dāng)以102°至IO21CnT3的雜質(zhì)濃度摻雜時，6H_SiC提供 0. 02Ωαιι 的極低電阻率(“Technology of Semiconductor SiC and Its Application”， Hiroyuki MATSUNAMI 著，2003 年由 Nikkan Kogyo Shimbun Ltd.出版)。如果使用這樣的高 雜質(zhì)濃度或大摻雜量，不可避免地產(chǎn)生晶體缺陷，且不能獲得高品質(zhì)的半導(dǎo)體單晶。4H-SiC 的活化能也在用B摻雜時等于285meV，在用Al摻雜時等于190meV( "Foundations and Applications of SiC Devices，，Kazuo ARAI 編輯，并在 2003 年由 Ohmsha 出版)；如升華 法的情況那樣，由于這樣大的活化能，較不可能產(chǎn)生活化載體，即活化載體的生成率低。液相沉積或溶液法有助于改進(jìn)多型體可控性和減少微管。因此，關(guān)于這種方法，已 有各種提議。日本專利申請公開2000-264790 (JP-A-2000-264790)公開了通過將Al或B添加 到其中C溶解于Si熔體中的溶液(該溶液簡稱為“Si-c溶液”)中而獲得的P型SiC半導(dǎo) 體單晶，和類似地通過將N添加到所述Si-C溶液中而獲得的η型SiC半導(dǎo)體單晶。但是， 該公開不特別致力于降低電阻。在日本專利申請公開2007-76986 (JP-A-2007-76986)中，提出通過將Ti和Al添 加到Si-C溶液中而使SiC半導(dǎo)體單晶生長。但是，該公開不特別致力于降低電阻。在日本專利申請公開2005-82435 (JP-A-2005-82435)中，提出通過將1至30重量％ Al添加到Si-C溶液中來改進(jìn)SiC單晶生長表面的平坦性。但是，該公開沒有提到所 得SiC單晶中所含的Al量，也不特別致力于降低電阻。在日本專利申請公開2007-153719 (JP-A-2007-153719)中，提出在多孔石墨坩鍋 上沉積N以將N添加到Si-C溶液中。由于N是η型摻雜劑，僅添加N不會產(chǎn)生ρ型SiC半 導(dǎo)體單晶。在此公開中，沒有關(guān)于電阻降低的任何建議。
發(fā)明概要本發(fā)明提供了生長P型SiC半導(dǎo)體單晶的方法，其中電阻率降至適合實(shí)際應(yīng)用的 水平；還提供了通過這種方法獲得的ρ型SiC半導(dǎo)體單晶。本發(fā)明的第一方面涉及在SiC單晶基底上生長P型SiC半導(dǎo)體單晶的方法，其中 使用C溶解于Si熔體中的第一溶液。在該方法中，將Al和N添加到所述第一溶液中，使得 添加的Al的量大于添加的N的量，由此制備第二溶液，并由該第二溶液在SiC單晶基底上 生長ρ型SiC半導(dǎo)體單晶。本發(fā)明的第二方面提供了通過上述方法生長的ρ型SiC半導(dǎo)體單晶，其含有 IX IO20CnT3 的 Al 和 2X IO18 至 7Χ IO18CnT3 的 N 作為雜質(zhì)。通過以滿足Al添加量大于N添加量的關(guān)系的量將Al和N添加到Si-C溶液中，可 以生長電阻率降至適合實(shí)際應(yīng)用的水平的ρ型SiC半導(dǎo)體單晶。在本發(fā)明的第一方面的方法中，控制添加到Si-C溶液中的Al和N的量以滿足Al 添加量大于N添加量的關(guān)系，從而在SiC單晶基底上生長ρ型SiC半導(dǎo)體單晶。在本發(fā)明的第一方面的方法中，將作為ρ型摻雜劑的Al和作為η型摻雜劑的N合 并在一起，并添加到Si-C溶液中。本領(lǐng)域公知的是，如果P型摻雜劑和η型摻雜劑共存，它 們可能相互抵消，造成電阻值提高。與常識不同，根據(jù)本發(fā)明的Al和N的共存造成電阻值 與僅添加Al的情況相比顯著降低。尚未弄清降低的原因，但電阻值的降低可能是由于1) 改變了將Al引入SiC中的方式，和2)由于N與Al—起存在而改變了電特性(如活化能)。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，P型SiC半導(dǎo)體單晶的生長可以在Ar和N2的混合氣 氛中進(jìn)行。由此將N添加到該溶液中。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，可以向溶液中進(jìn)一步添加過渡金屬。這樣，可以進(jìn)一 步降低電阻值。在這種情況下，通常使用Cr或Ti作為所述過渡金屬。該液相沉積或溶液法不僅包括如下解釋的厚度為幾百微米或幾毫米或更大的“單 晶的生長”，還包括“液相外延生長”，即形成數(shù)微米至數(shù)十微米的薄膜。附圖簡述從參照附圖的示例性實(shí)施方案的下列描述中可看出本發(fā)明的前述和其它目的、特 征和優(yōu)點(diǎn)，其中類似數(shù)字用于表示類似元件，且其中

圖1是顯示用于根據(jù)本發(fā)明的方法通過液相沉積生長ρ型SiC半導(dǎo)體單晶的裝置 的基本構(gòu)造的示意圖。優(yōu)選實(shí)施方案詳述在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，根據(jù)下列程序在下列條件下通過液相沉積生長ρ型 SiC半導(dǎo)體單晶。圖1顯示了此實(shí)施方案中所用的裝置。通過圍繞石墨坩鍋10的高頻加熱線圈加
4熱石墨坩鍋10中的源材料，并使其溶解成溶液14，使SiC單晶基底18 (其是負(fù)載在支承元 件16下端的SiC晶種)與溶液14的液面14a接觸，以便在例如Ar氣體的惰性氣氛20中 在SiC單晶基底18的下表面上生長SiC單晶。為了提供源材料，將Si、Al、Cr和Ti以表1中所示的各種量混合在一起，并將所得 混合物裝入石墨坩鍋10。第1號至第3號樣品是本發(fā)明的實(shí)施例，第4號樣品是對比例。 在所有實(shí)施例中，源材料中Al的比例(或含量)都等于10原子％的恒定值。向該裝置充入Ar+N2混合氣體氣氛20，氣氛20通過將IOOppm N2添加到Ar氣體 中而制成。在僅添加Al作為摻雜劑的第4號樣品(對比例)中，使用不與N2混合的Ar氣 氛。將源材料加熱至1700至2000°C的生長溫度并溶解成溶液14，將6H_SiC形式的 SiC單晶基底18浸入溶液14中，并保持在溶液14的液面14a處。在上述條件下，以0. 1至0.2毫米/小時的生長速率經(jīng)大約10小時生長SiC單晶。 將所得SiC單晶切成各自具有600微米厚度的薄片，并進(jìn)行霍爾效應(yīng)測量。測量結(jié)果顯示 在下表1中。表 1 Γ l)Si、Al、Cr和Ti的量以各元素在裝入坩鍋的這些元素的總量中的比例(原 子％ )表示。N的量以其在Ar氣氛中的濃度(ppm)表示。Γ 2)通過SIMS測量雜質(zhì)濃度。僅添加了 Al的第4號樣品(對比例)的電阻率為0.7 Ω cm，其低于通過傳統(tǒng)升華法實(shí)現(xiàn)的1至5 Ω cm，但仍高于作為適合實(shí)際應(yīng)用的水平的0. 5 Ω cm或更低的所需水平。另一方面，作為本發(fā)明實(shí)施例的所有第1號至第2號樣品都滿足作為實(shí)用水平的 0. 5 Ω cm或更低的所需水平。更具體地，添加了 Al和N作為摻雜劑的第1號樣品的電阻率 為0. 25 Ω cm,進(jìn)一步添加了 Cr作為摻雜劑的第2號樣品的電阻率為低至0. 03 Ω cm的水平， 而進(jìn)一步添加了 Ti作為摻雜劑的第3號樣品的電阻率為低至0. 07 Ω cm的水平。在本發(fā)明的實(shí)施例中，N以及Al的添加和Cr或Ti的進(jìn)一步添加造成電阻率降至 比僅添加Al作為摻雜劑的情況低的水平。尚未弄清電阻率降低的原因，但可以如上所述作 出下列猜測。也就是說，電阻值的降低可能是由于1)改變了將Al引入SiC中的方式，和 2)由于N禾口 Cr/Ti的添加而改變了電特性(如活化能)。盡管充入該坩鍋的N的量(即Ar氣氛中的N濃度)在本發(fā)明的實(shí)施例中為 lOOppm，但N的濃度可以改變。但是，合意的是，N在Ar氣氛中的百分比(N濃度)小于10%。 由本發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該氣氛中N的百分比為10%或更大時，在生長的Si單晶表 面上生成衍生自SiN的晶粒(外來物質(zhì))；因此，如果N的百分比等于或小于10%，可以獲得 高品質(zhì)的SiC單晶。同樣合意的是，出于下列原因，N加料量為2ppm或更大。也就是說，當(dāng) N/A1等于或大于2 % (N/A1彡2 % )且Al濃度在等于或大于1 X IO18CnT3 (Al彡1 X 1018cm_3) 的可適用的雜質(zhì)濃度范圍內(nèi)時，可確保降低電阻的效應(yīng)。因此，N濃度的下限等于或高于 2X1016cm_3，提供這種濃度的N加料量(Ar氣氛中的N濃度)等于或高于2ppm。Al-N鍵的存在可以被視為是由于添加Al和N的組合而降低電阻的機(jī)制。由于當(dāng) 相對于lX102°cm_3的Al以2 X IO18CnT3的濃度添加N時通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了降低電阻的效應(yīng)， 可能要求N濃度等于或高于IX IO18CnT3以確保降低P層(P型SiC半導(dǎo)體單晶)的電阻的 該效應(yīng)。盡管在上述實(shí)施方案和實(shí)施例中使用石墨坩鍋生長碳化硅單晶，但坩鍋可以是另 一坩鍋，如陶瓷坩鍋等。在這種情況下，向該坩鍋供應(yīng)碳。盡管已參照其示例性實(shí)施方案描述本發(fā)明，但要理解的是，本發(fā)明不限于所述實(shí) 施方案或構(gòu)造。相反，本發(fā)明旨在涵蓋各種修改和等效布置。此外，盡管示例性實(shí)施方案的 各種要素以各種組合和構(gòu)造顯示，但包括更多、更少或僅單個要素的其它組合和構(gòu)造也在 本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種在SiC單晶基底上生長p型SiC半導(dǎo)體單晶的方法，該方法使用其中C溶解在Si熔體中的第一溶液，包括將Al和N添加到所述第一溶液中，使得添加的Al的量大于添加的N的量，由此制備第二溶液；和由所述第二溶液在SiC單晶基底上生長所述p型SiC半導(dǎo)體單晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過使所述SiC單晶基底與所述第二溶液接觸而生長 所述P型SiC半導(dǎo)體單晶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中由N2的氣氛將N添加到所述第一溶液中，以提供 所述第二溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的方法，其中在Ai^PN2的混合氣氛中生長所述ρ型SiC 半導(dǎo)體單晶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述混合氣氛中N的濃度小于10%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的方法，其中所述混合氣氛中N的濃度等于或大于2ppm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述混合氣氛中N的濃度為lOOppm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)的方法，還包括 還將過渡金屬添加到所述第二溶液中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述過渡金屬是Cr。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中以Si、Al和Cr的原子百分比計(jì)，添加的Cr的量為40原子％。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述過渡金屬是Ti。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中以Si、Al和Ti的原子百分比計(jì)，添加的Ti的量為20原子％。
13.—種生長ρ型SiC半導(dǎo)體單晶的方法，包括將C、A1和N添加到Si熔體中，使得添加的Al的量大于添加的N的量，由此制備溶液；和由所述溶液在所述SiC單晶基底上生長所述ρ型SiC半導(dǎo)體單晶。
14.一種通過如權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)所述的方法生長的ρ型SiC半導(dǎo)體單晶，其含 有IX IO20CnT3的Al和2 X IO18至7 X IO1W3的N作為雜質(zhì)。
15.一種通過如權(quán)利要求9或10所述的方法生長的ρ型SiC半導(dǎo)體單晶，其含有 IXlO20Cnr3 的 Al、2X IO18 至 7X IO18CnT3 的 N 和 IX IO17CnT3 的 Cr 作為雜質(zhì)。
16.一種通過如權(quán)利要求11或12所述的方法生長的ρ型SiC半導(dǎo)體單晶，其含有 IX IO20CnT3 的 Al、2X IO18 至 7X IO18CnT3 的 N 和 4X IO1W3 的 Ti 作為雜質(zhì)。
全文摘要
在使p型SiC半導(dǎo)體單晶在SiC單晶基底上生長的方法中，使用其中C溶解在Si熔體中的第一溶液，將Al和N添加到所述第一溶液中，使得添加的Al的量大于添加的N的量，由此制備第二溶液，并由所述第二溶液在SiC單晶基底上生長所述p型SiC半導(dǎo)體單晶。提供了通過上述方法生長的p型SiC半導(dǎo)體單晶，其含有1×1020cm-3的Al和2×1018至7×1018cm-3的N作為雜質(zhì)。
文檔編號C30B29/36GK101932757SQ200980103467
公開日2010年12月29日 申請日期2009年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者關(guān)章憲, 藤原靖幸 申請人:豐田自動車株式會社