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KR20040012861A - 바나듐이 우세하지 않은 반절연 실리콘 카바이드 - Google Patents

바나듐이 우세하지 않은 반절연 실리콘 카바이드 Download PDF

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KR20040012861A
KR20040012861A KR10-2003-7015400A KR20037015400A KR20040012861A KR 20040012861 A KR20040012861 A KR 20040012861A KR 20037015400 A KR20037015400 A KR 20037015400A KR 20040012861 A KR20040012861 A KR 20040012861A
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KR
South Korea
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silicon carbide
single crystal
carbide single
semi
concentration
Prior art date
Application number
KR10-2003-7015400A
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English (en)
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카터칼빈에이취.주니어
브래디마크
츠베르코브발레리에프.
뮤엘러스테판
홉굳허드슨엠.
Original Assignee
크리 인코포레이티드
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Filing date
Publication date
Application filed by 크리 인코포레이티드 filed Critical 크리 인코포레이티드
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Abstract

실온에서 적어도 5000 Ω-cm의 저항률, 및 가전자대(valence band)나 전도대(conduction band)로부터 적어도 700 meV 상태를 만드는 트래핑 원소들(trapping elements)의 농도를 갖는, 실리콘 카바이드의 반절연 벌크 단결정에 대해 개시하며, 상기 가전자대나 전도대는 상기 단결정의 저항률에 영향을 미치는 양보다 낮으며, 양호하게는 검출가능한 레벨보다 낮다. 상기 단결정을 형성하는 방법도 또한, 본 발명에 따른 기판을 사용하여 형성되는 장치의 마이크로웨이브 주파수 능력의 이점을 얻는 일부의 결과적인 장치와 함께 개시된다.

Description

바나듐이 우세하지 않은 반절연 실리콘 카바이드{SEMI-INSULATING SILICON CARBIDE WITHOUT VANADIUM DOMINATION}
용어 "마이크로웨이브"는 약 0.1 기가헤르츠(GHz) 내지 1,000 GHz의 범위를 약 300 센티미터 내지 약 0.3 밀리미터까지의 대응하는 파장으로 커버하는 주파수에서의 전자기 에너지를 지칭한다. "마이크로웨이브"가 아마도 일반인에게는 요리 장치로 가장 폭넓게 연상되지만, 전자 장치에 익숙한 기술인은 다양한 전자적 목적을 위해 다양한 통신 장치를 포함하는, 대응하는 전자 장치 및 이러한 전자 장치를 동작시키는 관련 회로 소자 및 회로에서 마이크로웨이브 주파수가 사용된다는 것을 인식하고 있다. 많은 다른 반도체 전자 장치 및 결과적인 회로의 경우에서와 같이,확실히 원하는 또는 필요한 성능 특성을 표시하는 장치(또는 회로)의 능력은 범위가 넓으며, 특히 종종 전반적으로 만들어지는 재료에 따라 다르다. 마이크로웨이브 장치를 위한 적절한 후보 재료로는 실리콘 카바이드를 들 수 있으며, 이것은 매우 높은 전기 브레이크다운 분야의 마이크로웨이브 응용에 주요 이점을 제공한다. 이 실리콘 카바이드의 특성은 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET)와 같은 장치가 갈륨 비소(GaAs)에 형성되는 전계 효과 트랜지스터보다 10배 높은 드레인 전압으로 동작할 수 있게 하는 것이다.
부가적으로, 실리콘 카바이드는 절대 온도 센티미터 당 4.9 와트의 열 전도성(W/K-cm)에서 상당한 이점을 있으며, 상기 열 전도성은 실리콘 보다 3.3배 높으며 이전의 갈륨 비소 또는 사파이어보다는 10배 높다. 이러한 속성은 밀리미터 당 와트(W/mm)로 측정되는 게이트 주변과 관련해서 실리콘 카바이드에 높은 전력 밀도를 제공하며 또한 다이 영역(W/mm)과 관련해서 극단적으로 높은 전력 취급 능력을 제공한다. 이것은 특히 고전력, 고주파 응용에 이점이 있는 바, 왜냐하면 다이 크기는 파장에 의해 제한되기 때문이다. 따라서, 실리콘 카바이드의 우수한 열적 속성 그리고 전자적 속성 때문에, 어떠한 주어진 주파수에서도, 실리콘 카바이드 MESFET는 갈륨 비소로 제조되는 장치의 전력보다 적어도 5배의 능력이 있다.
마이크로웨이브 장치에 익숙한 기술인이 인식하고 있는 바와 같이, 상기 장치는 목적을 달성하기 위한 고저항률(반절연) 기판을 요구하는 바, 왜냐하면 전도성 기판은 마이크로웨이브 주파수에서 상당한 문제를 야기하는 경향이 있기 때문이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "고저항률" 및 "반절연"은 대부분의목적에 있어서 동의어인 것으로 간주될 수 있다. 일반적으로, 두 용어는 약 1500 오옴-센티미터(Ω-cm)보다 큰 저항률을 갖는 반도체 재료를 서술한다.
이와 같은 마이크로웨이브 장치는 모노리식 마이크로웨이브 집적회로(MMIC)에 특히 중요하며, 상기 마이크로웨이브 집적회로는 일반적으로 페이저 및 셀룰러 폰과 같은 통신 장치에서 넓게 사용되며 일반적으로 고저항률 기판을 요구한다. 따라서, 마이크로웨이브 장치 기판에는 이하의 특성이 요망된다. 매우 복잡하고 높은 성능의 회로 소자에 적합한 높은 결정성 품질, 양호한 열 전도성, 장치간 그리고 기판에 대한 양호한 전기 절연, 낮은 저항 손실 특성, 낮은 누화 특성, 및 큰 웨이퍼 직경.
반절연 특성과 같은 주어진 실리콘 카바이드의 넓은 밴드갭(300K에서 4H 실리콘 카바이드 내의 3.2 eV)은 이론적으로 가능하다. 하나의 결과로서, 적절한 고저항률 실리콘 카바이드 기판은 동일한 집적회로("칩") 상에 설치되는 전력 장치 및 수동 장치의 크기를 감소시키면서 그 효율성과 성능을 증가시킬 수 있다. 실리콘 카바이드는 또한 물리적, 화학적, 또는 전기적 브레이크다운 없이 고온에서 동작하는 성능을 포함하는 다른 호의적인 품질을 제공한다.
그렇지만, 실리콘 카바이드에 익숙한 기술인이 인식하고 있는 바와 같이, 대부분의 기술에 의해 성장하는 실리콘 카바이드는 일반적으로 이러한 목적을 달성하기에는 너무 전도적이다. 특히, 실리콘 카바이드 내의 정상적 또는 비의도적 질소 농도는 승화 성장 결정(1-2 ×1017cm-3)에서 충분한 전도성을 제공하기에 충분히 높게 되는 경향이 있어 그러한 실리콘 카바이드를 마이크로웨이브 장치에 사용할 수 없게 한다.
특별히 사용될 수 있도록 하기 위해, 실리콘 카바이드 장치는 적어도 1500 오옴-센티미터(Ω-cm)의 기판 저항률을 가져 RF 수동 작용을 달성해야만 한다. 게다가, 장치 송신 라인 손실을 0.1 dB/cm 미만의 수용가능한 레벨로 최소화하기 위해서는 5000 Ω-cm 또는 보다 우수한 저항률이 요구된다. 현재의 작업은 실리콘 카바이드 기판의 반절연 작용이 실리콘 카바이드의 밴드갭 내에 에너지 레벨 깊이의 결과임을 주장하는, 즉 p형 및 n형 도판트에 의해 생성되는 에너지 레벨보다 가전자대 및 전도대가 더 멀리 있다는 것을 주장하는 경향이 있으며, 예를 들면 미국특허 제5,611,955호이다. '955 특허에 따르면, 가전자대와 전도대간의 실리콘 카바이드 내의 깊이 레벨은 전이 금속의 선택된 원소 또는 수소, 염소 또는 불소와 같은 패시베이팅 원소의 제어 도입부에 의해 생성될 수 있거나 또는 이러한 원소들을 실리콘 카바이드에 결합시켜 실리콘 카바이드 내에 깊은 레벨 중심을 형성할 수 있는 바, 예를 들어 컬럼 3, 라인 37-53을 참조하라. 또한, Mitchel에 의한 1998년 6월, The 1.1 eV Deep Level in 4H-SiC, Berkley CA; Hobgood, Semi-Insulating GH-SiC Grown by Physical Vapor Transport, Appl. Phys. Lett. Vol. 66, No. 11(1995); WO 95/04171; Sriram, RF Performance of SiC MESFETs on High Resistivity Substrates, IEEE Electron Device Letters, Vol. 15, No. 11(1994); Schneider, Infrared Spectra and Electron spin Resonance of Vanadium Deep Level Impurities in Silicon Carbide, Appl. Phys. Lett. 56(12)(1990); 및 Allen,Frequency and Power Performance of Microwave SiC FET's, Proceedings of International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 1995, Institute of Physics를 참조하라.
종래의 개념에 더해, 이러한 깊은 레벨 원소 불순물(깊은 레벨 트래핑 원소라고도 알려져 있음)은 고순도 실리콘 카바이드의 고온 승화 성장 또는 화학적 증기 증착(CVD) 성장 동안 도입함으로써 통합될 수 있다. 특히, 바나듐은 이러한 목적에 적합한 전이 금속인 것으로 고려된다. 955' 특허 및 종래 기술에 따르면, 바나듐은 실리콘 카바이드 재료를 보상하고 실리콘 카바이드의 고저항률(즉, 반절연) 특성을 생성한다.
그렇지만, 반절연 실리콘 카바이드를 생성하기 위한 보상 원소로서 바나듐의 도입은 필연적인 단점을 야기한다. 첫 째, 바나듐을 포함하는, 전자적으로 상당한 양의 어떤 도판트의 존재는 결과적인 재료의 결정 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 바나듐 또는 다른 원소들이 상당히 감소되거나 제거될 수 있는 정도까지, 상기 결과적인 재료의 결정 품질과 그에 대응하는 전자적 품질이 향상될 수 있다. 특히, 바나듐의 보상량이 실리콘 카바이드 내에 산입(inclusion) 및 마이크로파이프(micropipe)와 같은 성장 결함을 야기할 수 있다는 것이다.
두 번째 단점으로는, 바나듐 보상량의 도입은 수율을 감소시키고 반절연 실리콘 카바이드 기판의 생성에 추가 비용을 유발할 수 있다는 것이다. 셋 째, 실리콘 카바이드의 사전 보상(proactive compensation)이나 임의의 다른 반도체 원소는 다소 복잡하고 예측가능하지 못하며 이에 따라 제조를 복잡하게 하는 바, 이는 보상이 회피될 수 있는 경우에는 바람직하게 회피될 수 있어야 한다.
1999년 5월 18일에 출원된 특허출원 제09/313,802호 및 이의 연속이며 2001년 1월 10일에 출원된 제09/757,950호에서, 향상된 반절연 실리콘 카바이드가 개시되어 있는 바, 이에는 바나듐의 농도가 보상 실리콘 카바이드 단결정에서 검출가능한 (예를 들어, SIMS-검출가능한) 레벨 미만으로 유지된다. 관련 도핑의 서술에 있어서, 많은 종래 기술과 함께, 802' 출원은 특별한 도판트를 "깊은" 또는 "얕은"으로 가끔 지칭하고 있다. 용어 "깊은" 또는 "얕은"은 소정의 도판트와 관련된 상황 및 에너지 레벨을 설명하는데 있어 예시적인 값을 가질 수 있으며, 이것들은 한정적 개념이 아닌 상대적인 것으로 이해하여야 한다.
예를 들어, 어떤 상황에서는, 밴드 엣지로부터 레벨 300 meV 이상을 "깊은"이라 한다. 그렇지만 그 범위에서 레벨을 생성하는 어떤 원소들(예를 들어, 붕소)도 또한 "얕은"으로서 작동할 수 있으며, 즉 그 원소들은 저항률을 증가시키는 레벨이 아닌 전도성 레벨을 생성할 수 있다. 게다가, 붕소(B)의 경우에서와 같이, 개별적인 원소는 밴드갭내에서 1레벨 이상을 생성할 수 있다.
본 발명은 2001년 1월 10일에 출원한 제09/757,950호의 부분적 연속이며, 또한 상기 문헌은 1999년 5월 18일에 출원한 09/313,802호의 연속이며, 이 문헌은 지금 미국특허 제6,218,680호로 특허되어 있다. 본 발명은 특별한 목적을 위한 고품질의 실리콘 카바이드 결정의 성장에 관한 것이며, 특히 마이크로웨이브 장치에서 유용한 고품질의 반절연 실리콘 카바이드 기판의 생성에 관한 것이다. 본 발명은 에어 포스 계약 번호 F335615-95-C-5426의 부서에서 이루어졌다. 정부는 본 발명의 소정 권리를 특정할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따라 제조된 웨이퍼 상에서 수행되는 홀 효과 측정에 대한 플롯.
도 4는 본 발명에 ㄸ른 반절연 실리콘 카바이드에 있어서 캐리어 농도 대 가역 온도(캘빈 온도)에 대한 자연 로그의 플롯.
도 5는 본 발명에 따른 반절연 실리콘 카바이드에 있어서 저항률 대 가역 온도에 대한 자연 로그의 플롯.
도 6 내지 도 8은 도 1 내지 도 3에서의 온도와 동일하지만 기판 웨이퍼의 다른 부분으로부터 취해지는 자연 로그의 플롯.
도 9는 도 6 내지 도 8의 자연 로그에 도시되어 있는 샘플에 있어서 캐리어농도 대 가역 온도에 대한 자연 로그의 다른 플롯.
도 10은 도 6 내지 도 8의 샘플 측정에 대응하는 저항률 대 가역 온도에 대한 자연 로그의 다른 플롯.
도 11 내지 도 13은 반전도 실리콘 카바이드 재료의 다른 부분에 대해 수행되는 또 다른 측정에 있어서 도 1 내지 도 3 및 도 6 내지 도 8과 동일하게 행해지는 또 다른 세트의 플롯.
도 14는 도 11 내지 도 13에 도시되어 있는 샘플에 있어서 저항률 대 가역 온도에 대한 자연 로그의 다른 플롯.
도 15, 도 16 및 도 17은 본 발명 및 종래 기술에 따른 다양한 샘플 재료에 대한 2차 이온 질량 분석법의 플롯.
그러므로, 본 발명의 목적은 일반적으로 "깊은" 또는 "얕은"과 같은 특정한 도판트로서 특징지어지지 않는 반절연 실리콘 카바이드 기판을 제공하는 것이며 또한 필요한 성능과 고주파수 동작을 위한 이점을 제공하면서, 종래의 재료 및 기술에서의 단점을 회피하는 반절연 실리콘 카바이드 기판을 제공하는 것이다.
본 발명은 실온에서 적어도 5000 Ω-cm의 저항률 및 1E16 미만인 전이 금속의 농도를 갖는 실리콘 카바이드의 반절연 벌크 단결정을 상기 목적에 일치시킨다.
다른 관점에서, 본 발명은 실온에서 적어도 5000 오옴-센티미터의 저항률 및 단결정의 전기적 틀성에 영향을 미치는 양 미만인 가전자대 또는 전도대로부터 적어도 700 meV의 상태를 생성하는 트래핑 원소들의 농도를 갖는 실리콘 카바이드의 반절연 벌크 단결정이다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 MESFET, 소정의 MOSFET, 및 HEMT(High Electron Mobility Transistors)를 포함하는, 본 발명에 따른 반절연 실리콘 카바이드를 통합하는 장치를 포함한다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적 및 이점, 및 이를 달성하는 방법은 첨부된 도면을 참조하는 이하의 상세한 설명에 기초하여 보다 분명하게 될 것이다.
제1 실시예에서, 본 발명은 전이 소자의 농도를 갖는 실리콘 카바이드의 반절연 벌크 단결정이며, 이와 같은 소자의 농도는 상기 단결정의 저항률을 좌우하는 레벨보다는 낮으며 양호하게는 입방센티미터(cm-3) 당 10-16, 즉 1E16 미만의 농도이다.
다른 실시예에서, 본 발명은 실온에서 적어도 5000 오옴-센티미터의 저항률, 및 가전자대(valence band)나 전도대(conduction band)로부터 적어도 700 meV 상태를 만드는 트래핑 원소들(trapping elements)의 농도를 갖는, 실리콘 카바이드의 반절연 벌크 단결정이며, 상기 가전자대나 전도대는 상기 단결정의 전기적 특성에영향을 미치는 양보다 낮다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "전이 원소"는, 실리콘 카바이드에 도판트로서 결합되어 있는 경우, 실리콘 카바이드의 가전자대 및 전도대 사이의 레벨에서, 종래의 p형 또는 n형 도판트보다 전도대 및 가전자대 양측으로부터 훨씬 멀리 이탈하는 상태를 형성하는, 주기율표로부터의 원소를 지칭한다. 기술분야 및 배경기술에서 언급한 바와 같이, 바나듐은 이와 같은 특성을 갖는 흔한 전이 원소이다.
본 명세서에서 더 사용되는 바와 같이, "검출가능한 레벨 미만"으로 정의되는 농도는 현대의 복잡한 분석 기술로 검출할 수 없는 양으로 제공되는 원소를 지칭한다. 특히, 소량의 원소를 검출하는 보다 흔한 기술 중 하나가 2차 이온 질량 분석법("SIMS")이기 때문에, 본 명세서에서 언급되는 검출가능한 한계는 바나듐과 같은 원소의 양 및 1 × 1016cm-3(1E16) 미만의 양으로 제공되는 다른 전이 금속과 같은 원소의 양이며, 다른 경우에는 약 1E14 미만이다. 이러한 2가지 양은 SIMS 기술, 예를 들어 SIMS 이론 - 감도 및 검출 한계, 찰스 에반스 및 어소시에이츠(1995), www.cea.com - 을 사용하는 대부분의 트레이스 원소(특히 바나듐)에 있어서는 통상적인 검출 한계를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 바나듐(V)은 반절연 실리콘 카바이드를 생성하는 보다 흔한 원소들 중 하나이다. 따라서, 본 발명은 바나듐이 없거나 또는 존재하는 경우에는, 단결정의 저항률에 실질적으로 영향을 미치는 양보다 낮은 양으로, 양호하게는1E16보다 낮은 양으로 제공되는 것을 특징으로 한다.
다른 폴리타입(즉, 결정 구조)도 가능하지만, 본 발명의 본 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정은 3C, 4H, 6H 및 15R 폴리타입으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 폴리타입을 양호하게 갖는다.
또한, 질소의 제공과 연관된 문제 및 상기 질소에 대한 보상을 시도해야 하는 결과적인 필요성을 회피하기 위해서, 본 발명의 본 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정에서는 양호하게 질소 원자의 농도가 약 1 × 1017cm-3(1E17) 미만이다. 보다 양호하게, 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 반절연 단결정에서는 질소의 농도가 5E16 이하이다. 바나듐의 농도는 입방센티미터 당 1E16 원자미만이며, 가장 양호하게는 입방센티미터 당 1E14 원자미만이다. 부가적으로, 결과적인 벌크 실리콘 카바이드 단결정은 실온에서 적어도 10,000 Ω-cm의 저항률을 가지며, 가장 양호하게는 실온에서 적어도 50,000 Ω-cm의 저항률을 갖는다.
고주파 MESFET에 반절연 실리콘 카바이드 기판을 제공하는 목적을 위해서는, 벌크 전자 이동도가 높은 4H 폴리타입이 양호하다. 다른 장치에 대해서는, 다른 폴리타입이 양호할 수 있다. 따라서, 본 발명의 보다 양호한 실시예들 중 일실시예에는 실온에서 적어도 10,000 Ω-cm의 저항률과 1E14 미만의 바나듐 원자 농도를 갖는, 4H 실리콘 카바이드의 반절연 벌크 단결정이다.
양호하게도, 실리콘 카바이드의 반절연 벌크 단결정을 생성하는 방법은 실리콘 카바이드 소스 파우더의 온도보다 낮은 온도로 실리콘 카바이드 시드결정(silicon carbide seed crystal)을 가열 및 유지하면서, 상기 실리콘 카바이드 소스 파우더를 승화시키도록 가열하며, 상기 소스 파우더의 온도보다 낮은 온도에서는 상기 소스 파우더로부터 승화된 종(species)이 상기 시드 결정 상에서 응결한다. 그후, 상기 방법은 원하는 양의 단결정 벌크 성장이 시드 결정 상에서 이루어질 때까지 상기 실리콘 카바이드 소스 파우더를 계속해서 가열한다. 상기 방법은, (1) (전술한 바와 같이) 상기 소스 파우더 내의 전이 원소의 양이 관련 양보다 적고, (2) 상기 소스 파우더는 5E16 이하의 질소를 포함하며, 그리고 (3) 승화 성장 동안, 상기 소스 파우더 및 상기 시드 결정은, 질소의 양을 현저하게 감소시키지 않는다면 상기 질소의 양이 상기 시드 결정 상의 벌크 성장에 편입되어 버리기 때문에, 상기 질소의 양을 현저하게 감소시키기에 충분히 높은 온도에서, 그리고 결과적인 실리콘 카바이드를 벌크 단결정 반절연 상태로 되게 하는 양까지 상기 시드 결정 상의 벌크 성장에서의 점결함(종종 진성 점결함이라고도 함)의 수를 증가시키는 온도에서 유지되는 것을 특징으로 한다. 양호하게 그리고 개념적으로, 상기 질소 또는 다른 도판트의 양을 가능한 낮게 유지함으로써, 반절연 결정을 제조하는 데 요구되는 점결함의 수도 최소화할 수 있다. 전술한 바와 같이, 통상적으로 상기 검출가능한 레벨은 SIMS를 사용해서 측정될 수 있는 레벨에 따라 특징지어진다. 달리 말하면, 상기 소스 파우더 내의 바나듐의 양은 양호하게는 입방센티미터 당 1E16 원자 미만이며, 가장 양호하게는, 입방센티미터 당 1E14 원자 미만이다.
양호한 실시예에서, SiC를 위한 개시 재료들 중 하나로서 높은 우선 그래파이트(high priority graphite)를 사용하고, 리액터 자체 내에 정제된 그래파이트부품을 사용하면 질소가 최소화된다. 일반적으로, (소스 파우더 또는 리액터 부품용) 그래파이트는 할로겐 가스 상태에서 가열함으로써, 필요하다면, 약 2500℃에서 비활성 대기 상태(예를 들어, Ar)에서 추가 가열함으로써, 붕소나 알루미늄과 같은 잠재적 도핑 원소로 정제될 수 있다. 적절한 정제 기술이 당기술분야(예를 들어, 미국특허 제5,336,520호, 제5,505,929호 및 제5,705,139호)에 공지되어 있으며 과도한 실험없이도 필요에 따라 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 결과적인 벌크 단결정 내의 질소 양은, 종래기술에서 언급되는 고정제 기술(high purity technique)(이 기술은 독창적인 기술의 일부로서 어느 정도 받아들여질 수 있음)을 사용하고, 뿐만 아니라 상대적으로 높은 온도에서 승화를 수행하며, 시드 결정의 온도를 유지하면서 소스 파우더의 온도보다 낮은 온도에서 상기 시드 결정 상에 임의의 벌크 성장을 수행함으로써 감소될 수 있다는 것이 추가로 밝혀졌다. (본 명세서에서 서술하는 바에 따라 변형되는 것이 아닌) 승화 성장을 위한 양호한 기술이 미국특허 제34,861호에 개시되어 있으며, 이 문헌의 내용은 모두 본 명세서에서 원용된다("'861 특허").
승화는 '861 특허에 개시된 바와 같이 통상적으로 그래파이트로 형성되는 적절한 도가니에서 수행된다. 도가니는 시드 홀더(seed holder)를 포함하며, 이들 모두는 승화로(sublimation furnace)의 내측에 위치한다. SiC 소스 파우더는 질소 농도가 약 1E17 미만이 되도록 양호하게는 약 5E16 미만이 되도록 필요에 따라 선택되어 정제된다. 게다가, 소스 파우더는 바나듐, 또는 다른 중금속 또는 전이 원소의 농도를 가지는 데, 이 농도는 그 결과적인 결정의 전기적 특성에 영향을 미칠양보다는 낮다. 이와 같은 양은 SIMS-검출가능 레벨보다 낮은 양을 포함하는 바, 현재 사용가능한 SIMS를 사용하면, 이와 같은 양은 적어도 입방센티미터 당 1E16 원자 미만 양호하게는 1E14 미만 원자이다. 소스 파우더도 또한 양호하게 '861 특허에 개시된 다른 이로운 특성에 부합한다.
소량의 붕소를 억셉터로서 첨가하는 경우, 원하는 양을 포함하는 소스 재료(파우더)의 형태로 최상으로 첨가된다.
실제적인 관점에서, 실리콘 카바이드 승화는 약 2360℃ 내지 약 2500℃의 소스 온도 범위에서 수행될 수 있으며, 시드 결정의 온도는 비례해서 낮게 유지된다. 본 명세서에서 서술하는 재료에 있어서는, 상기 소스는 약 2360℃과 2380℃ 사이에서 유지되었으며, 상기 시드 결정은 300 - 350℃에서 낮게 유지되었다. 이와 같은 과정 및 측정에 익숙한 기술인들에게 알려진 바와 같이, 상기 표시된 온도는 시스템이 어떻게 그리고 어디에서 측정되는지에 좌우될 수 있으며 시스템마다 약단 다를 수 있다.
바나듐은 보상형 반절연 실리콘 카바이드를 생성하기 위한 종래의 시도에서 선택된 원소이기 때문에, 본 발명은 벌크 SiC 단결정으로서 표현될 수 있으며, 이를 제조하는 방법에서는 바나듐이 위에서 언급한 검출가능한 레벨 및 수치 레벨보다 낮다. 그렇지만, 반도체 목적을 위해 사용되는 바와 같은 실리콘 카바이드의 성장 및 실리콘 카바이드의 특성에 익숙한 기술인들이, 바나듐과 동일한 기능적 특성 (및 잠재적 이점)을 이끌어내는 어떠한 다른 원소의 비존재도 본 발명에서 마찬가지로 고려할 수 있음은 당연하다.
이와 같은 원소의 사용을 회피함으로써, 본 발명은 마찬가지로 이와 같은 원소를 다른 원소로 보상할 필요를 제거하며 이에 따라 그러한 보상이 결정 성장 프로세스에 도입되는 복잡성이 감소한다.
도 1 내지 도 17은 많은 종래의 보상되는 그리고 보상되지 않는 실리콘 카바이드 재료와의 일부 비교와 함께, 본 발명에 따른 반절연 기판 상에서 수행되는 다양한 측정을 도시한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따라, 노쓰 캘리포니아, 더함 소재의 크리 리서치 인코포레이티드 사에서 성장시킨 기판 웨이퍼 상에서 수행한 대응하는 일련의 측정을 나타낸다. 본 명세서에서 "실험"부에 개시된 바와 같이, 이러한 재료들의 특성은 오하이오, 데이톤 소재의 에어 포스 리서치 연구소에서 테스트되었다. 도 1은 본 발명에 따른 반절연 기판 웨이퍼에 있어서 캐리어 농도 대 가역 온도를 도시한 것이다(농도는 로그 계산자로 되어 있음). 결과적인 라인의 기울기는 근사적으로 1.1 전자 볼트(eV)인 활성 에너지를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 반절연 재료의 다른 예상되는 속성과 일치하는 방식으로 온도가 감소할수록 저항률이 증가하는 것을 보이고 있다.
도 3은 절대 온도에 대한 이동도를 나타낸다. 도 4는 가역 온도(절대 온도) 대 캐리어 농도에 대한 자연 로그(ln)를 도시한 것이다. 이러한 측정에 익숙한 기술인들에게 알려진 바와 같이, 캐리어 농도 대 가역 온도에서 자연 로그의 기울기는 활성 에너지를 나타낸다. 도 4의 삽입 박스에 표시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이러한 샘플의 활성 에너지는 1.1 eV 정도이며, 이는 도 1의 결과와 일치한다.비교해 보면, 반절연 실리콘 카바이드에 익숙한 기술인들에게 마찬가지로 알려진 바와 같이, 바나듐이 깊은 레벨 트래핑 원소(deep level trapping element)로서 사용되는 경우, 반절연 실리콘 카바이드에 대한 활성 에너지는 동일한 환경 하에서 약 1.6 eV가 된다.
0.045 센티미터의 샘플 두께 상의 4 킬로가우스(kilogauss)의 자계 하에서 약 569 K 내지 약 1,012 K의 온도 범위에 걸쳐 데이터를 측정하였다.
도 5는 절대 온도의 가역 온도 대 저항률에 대한 자연 로그를 도시한 것이다. 마찬가지로 이러한 데이터 및 이러한 플롯을 이용하여 반절연 실리콘 카바이드 재료의 활성 에너지를 결정할 수 있다. 이러한 플롯으로부터 결정된 1.05667 eV의 값으로 이전에 측정된 1.1 eV의 활성 에너지를 확인할 수 있다. 달리 말하면, 도 4 및 도 5에서 측정된 바와 같은 활성 에너지의 차이는 예상된 실험적 범위 내에 있으며 데이터는 서로 확인한다.
도 6 내지 도 10은 도 1 내지 도 5에서 행하는 것과 동일한 유형의 측정 및 플롯들 나타내지만, 샘플은 상이하다. 구체적으로, 도 1 내지 도 5에서 측정된 웨이퍼와는 동일하지만 영역은 다르다. 따라서, 도 6 내지 도 8은 도 1 내지 도 3에서의 도시된 결과와 일치한다. 보다 구체적으로, 캐리어 농도 대 가역 온도에 대한 자연 로그의 다른 플롯인 도 9는 1.00227 eV의 계산된 활성 에너지를 보여준다. 다시, 이 값은 이전에 측정된 1.1 eV의 실험 한계 내에 있다.
유사한 방식으로, 도 10은 저항률 대 가역 온도에 대한 자연 로그를 나타내며 유사하게 1.01159의 활성 에너지를 제공하며, 이 값은 마찬가지로 1.1 eV의 실험 한계 내에 있다. 도 11 내지 도 13은 웨이퍼의 또 다른 부분으로부터 얻어지는 결과를 도시하며, 상기 웨이퍼의 부분은 이전의 측정에서 보여지는 결과보다는 덜 양호한 것으로 고려된다. 특히, 도 11의 플롯은 원하는 방식의 직선을 형성하지 못하고 있으며, 데이터는 이전의 결과들에서 나타난 것보다는 덜 양호하다. 유사하게, 저항률 대 가역 온도에 대한 자연 로그를 나타내는 도 14는 실험의 불확실성과는 상관없이, 1.1 eV와는 매우 떨어진 값인, 단지 0.63299의 계산된 활성 에너지를 보여준다.
도 15, 16, 17은 다양한 비교 샘플에 대한 2차 이온 질량 스펙트럼(SIMS)을 나타내며 반절연 실리콘 카바이드 기판 내의 원소의 불순물 및 다른 재료를 나타내는 경향이 있다. 도 15는 본 발명에 따른 반절연 실리콘 카바이드 재료의 SIMS 스펙트럼이며 샘플 내의 바나듐 또는 임의의 다른 전이 금속의 존재를 확인할 수 있다. 이것에 의해 본 발명이 제공하는 활성 에너지 및 중간-갭 상태는 바나듐 또는 다른 전이 금속의 존재로부터 생기는 것이 아님을 확인할 수 있다.
도 16은 비교 목적을 위해 포함된 것이며 반절연이 아니고 본 발명에 따라 만들어지지도 않은 N형 웨이퍼의 실리콘 카바이드의 SIMS 스펙트럼이지만, 그 대신에 전도성 실리콘 카바이드 샘플을 나타낸다. N형 기판을 위해 바나듐을 포함할 이유가 없기 때문에 바나듐은 질량 스펙트럼에는 존재하지 않는다.
도 17은 바나듐으로 보상되는 반절연 실리콘 카바이드에 대한 이전 버전의 대한 비교를 제공한다. 바나듐 피크는 스펙트럼에서 약 51 원자 질량 단위로 강하게 제공된다. 이 바나듐 피크는 도 15 및 도 16 모두에 확실하게 존재하지 않는다.
물론, 구문 "검출가능한 양 미만"이 본 발명에서는 전반적으로 적절한 묘사이지만, 이 양은 또한 실리콘 카바이드 결정의 전자 특성, 특히 저항률에 영향을 미치는 양보다 낮은 양임을 이해할 수 있다는 것은 이러한 재료에 익숙한 기술인에게는 당연하다.
따라서, 다른 관점에 따르면, 본 발명은 도너 도판트, 어셉터 도판트 및 고유 점결함을 가지는 반절연 실리콘 카바이드 단결정을 포함한다. 본 발명의 이러한 관점에 따르면, 실리콘 카바이드 결정 내의 도너 도판트의 수(Nd)는 어셉터 도판트의 수(Na)보다 크며, 어셉터로서 기능하는 실리콘 카바이드 내의 고유 점결함의 수(Ndl)는 이러한 도너 및 어셉터 도판트의 수치 차이보다 크다. 이러한 관점에 부가해서, 전이 원소 및 중금속의 농도는 실리콘 카바이드 단결정의 전기적 속성에 영향을 미치는 농도보다는 낮으며 양호하게는 1E16보다 낮다. 결과적인 실리콘 카바이드 단결정은 실온에서 적어도 5000 Ω-cm의 저항률을 가지며 양호하게는 적어도 10,000 Ω-cm, 가장 양호하게는 적어도 50,000 Ω-cm의 저항률을 갖는다.
본 발명의 이러한 관점은 또한 어셉터 도판트 원자의 수가 도너 도판트 원자의 수보다 큰 보조 상황에도 적용된다. 이와 같은 경우에, 도너로서 기능하는 고유 점결하의 수는 도너 불순물의 수와 어셉터 불순물의 수간의 수치 차이보다 크다.
달리 말하면, 얕은 n형 및 p형 도판트는 소정의 범위에서 우세한 n형 또는 p형을 이용해서 서로 보상한다. 전기적으로 활성화되는 결정 내의 고유 점결함의 수는 상기 결정 내에서 다른 것보다 우세한 n형 또는 p형 도판트 원자의 순수한 양보다 크다. 다음과 같은 공식으로 쓸 수 있다.
Ndl＞ (Nd- Na)
여기서 도너는 어셉터보다 우세하다.
또는
Ndl＞ (Nd- Na)
여기서 어셉터는 도너보다 우세하다. 첫 번째의 경우, 결정은 n형에 기초한 도판트 원자로 보상될 수 있다. 그렇지만, 이와 같은 순수 도너는 어셉터형 점결함에 의해 다시 보상되어 반절연 결정을 생성한다. 두 번째의 경우, 점결함은 도너형으로서 기능하며 결정 내의 순수 초과 어셉터를 보상한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "도판트"는 넓은 의미로 사용되는 바, 즉, 결정 격자 내에 존재하는 실리콘(Si) 또는 탄소(C)와는 다른 원자를 설명하거나 여분의 전자(도너) 또는 여분의 정공(어셉터)을 제공하는 용어로서 사용된다. 본 발명에 따르면, 도판트는 수동적으로 제공되거나 미리 제공될 수 있는 바, 즉 용어 "도판트"는 "도핑" 단계를 의미하지도 도핑의 부재를 의미하지도 않는다.
양호한 실시예에서, 어셉터는 붕소이다. 이 실시예에서, 붕소는 질소를 과보상하며(over-compensate), 점결함은 붕소를 과보상하기 위한 도너로서 기능하여 반절연 실리콘 카바이드 결정을 생성한다. 어셉터로서의 붕소의 작용은 깊은 트래핑 원소로 고려되었던 이전의 개념(예를 들어, 공동 양도된 미국특허 제5,270,554호의 컬럼 8 라인 49-51)과는 대조적이다. 실제로 붕소는 700 eV에서 SiC에 트래핑 레벨을 생성할 수는 있지만, (시간에 맞게) 재현되지는 않는다. 따라서, 본 발명에서, 붕소는 본 명세서에서 서술하는 유형의 반절연 실리콘 카바이드의 적절한 어셉터 도판트가 되는 것으로 판명되었다.
이와 같은 양호한 실시예에서, 실리콘 카바이드는 비교적 적은 양의 붕소, 양호하게는 약 1E15의 붕소가 p형 결정을 만드는 점까지 활성 질소 농도를 감소시키는 조건하에서 성장한다. 성장 조건을 제어함으로써, 점결함 농도를 약 5E15가 되도록 하여 붕소를 과보상하고 반절연 결정을 생성할 수 있다. 질소의 농도 및 대응하는 붕소 보상량을 감소시킴으로써, 본 발명은 전이-금속 우세 및 고도한 도핑 및 보상의 전술한 단점을 회피한다. SIC의 결정 성장은 비교적 복잡한 프로세스이기 때문에, 적절한 범위 내에서 사용되는 특별한 온도 및 사용되고 있는 장비의 특성과 같은 지역적 또는 개별적 환경에 따라 정확한 파라미터가 다를 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 명세서에서의 서술에 기초하여, 당업자는 본 발명을 성공적으로 실시할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.
중성자, 고에너지 전자, 또는 감마선으로 실리콘 카바이드를 조사함으로써 점결함의 수를 어느 정도 제어하여 원하는 수의 점결함을 생성함으로써 전술한 공식에 일치하는 결과를 달성할 수 있을 것으로 예상된다.
정확한 수의 점결함을 측정하는 것은 어렵지만, 전자 상자성 공명법(electron paramagnetic resonance)(EPR), 깊은 레벨 전이 분광법(deep level transient spectroscopy)(DLTS), 위치 소멸 분광법(position annihilation spectroscopy)과 같은 기술은 존재하는 수에 대한 가장 유용한 표시를 제공한다.본 명세서에서 추가 서술할 바와 같이, 홀 효과 측정법(Hall effect measurement)도 역시 결정에 대한 원하는 특성을 확인한다.
다른 관점에 따르면, 본 발명은 활성 장치, 특히 활성 마이크로웨이브 장치와 통합될 수 있으며, 이렇게 함으로써 반절연 실리콘 카바이드 기판의 이점을 얻을 수 있다. 전술한 바와 같이 그리고 활성 반도체 마이크로웨이브 장치에 익숙한 기술인에 인식되는 바와 같이, 마이크로웨이브 장치가 동작할 수 있는 주파수는, 캐리어가 마이크로웨이브 장치의 특별한 채널 및 다른 기능 부분에 한정될 때는, 이상적인 상황과는 반대로, 캐리어와 기판과의 임의의 상호작용에 의해 방해받을 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 카바이드 반절연 재료의 특징은 적절한 장치에서 우수한 성능 특성을 갖는다는 것이다. 이러한 재료로는 MESFET에 제한되지는 않지만, 특정한 MOSEFTS, 및 현재의 미국특허 제5,270,554호, 제5,719,409호, 제5,831,288호, 및 계류 중이고 발명의 명칭이 두 출원 모두 "Latch-up Free Power UMOS bipolar Transistor"이며, 1997년 7월 10일에 출원된 출원번호 제08/891,221호 및 1998년 5월 21일 출원된 출원번호 제09/082,554호, 및 발명의 명칭이 "Structure for Increasing the Maximum Voltage of Silicon Carbide Power Transistors"이고 1997년 2월 7일에 출원된 출원번호 제08/797,536호, 발명의 명칭이 "Structure to Reduce the On-resistance of Power Transistors"이고 1997년 2월 7일에 출원된 출원번호 08/795,135호, 및 발명의 명칭이 "Power Devices in Wide Bandgap Semiconductors"인 1998년 6월 23일에 출원된 국제특허 PCT/US98/13003에 개시된것과 같은 다른 장치를 포함하며, 이러한 모든 문헌의 내용은 그 전체가 본 명세서에 원용된다.
실험
반절연 SiC의 2장의 웨이퍼가 오하이오주(라이트-패터슨 에어 포스 베이스) 데이터 소재의 에어 포스 리서치 연구소에서 고온 홀 효과 및 SIMS를 이용하여 실험되었다. 웨이퍼 중 하나에서 이해할 수 있는 없는 결과가 나왔지만(만족스럽지 못한 오옴 접촉으로 인한 것일 가능성이 있음), 2번째 웨이퍼로부터의 2개 홀 샘플 모두가 동일한 결과가 제공되어 그 결과에 상당한 신뢰성이 부여되었다.
두 웨이퍼 모두는 실온에서 반절연이었다. 측정가능한 웨이퍼는 상승 온도에서 열적으로 활성화되었고 캐리어 농도는 측정가능하였지만, 이는 수반되는 고온으로 인한 낮은 이동성 때문에 반절연 재료에서 항상 가능한 것은 아니다. 캐리어 농도는 1000K에서 약 1015cm-3이었으며, 여기서 저항률은 약 103 Ω-cm이었다. 이와 같은 캐리어 농도는 종래의 반절연 재료 또는 동일한 온도에서 바나듐 도핑 재료에서 보여지는 것보다 크기가 약 1 내지 2 등급 정도 아래이다. 그렇지만, n 대 1/T의 적합성은 이루어질 수 없었으며, 그래서 활성층의 총 농도는 이용가능하지 못하였다. 활성 에너지는 약 1.1 eV이었다.
SIMS는 고해상 시스템을 이용하여 상기 샘플에 대해 수행되었다. 일부의 수소와 함께 검출 한계 근처에서 일부의 구리와는 다르게 보여지는 것은 없었으며, 이는 질량 47 피크의 높이로부터 추측되었다. 따라서 질량 47 피크는 SiOH에 귀착되었다. 2개 비교 샘플에 대한 스캔과 함께 본 발명에 대한 질량 스캔은 도 18-20과 같이 이로써 포함된다. 티타늄(Ti)은 도 19 및 도 20에서 약 1 × 1016cm-3에서 나타나지만 본 발명의 샘플(도 18)에서는 나타나지 않는다. 바나듐 역시 수소를 나타내는 SiOH 라인과 함께 표준 반절연 샘플(도 20)에 나타난다.
이와 같은 결과로부터, 첫 번째 웨이퍼는 매우 높은 순수 재료인 것으로 고려되었고, 절연인 것으로 고려되는 바, 그 이유는 다른 결함이 1.1 eV 레벨을 기초를 이루는 것과 함께 어떠한 잔여 바나듐 불순물이라도 얕은 불순물의 합보다 농도가 더 크게 나타나서 1.1 eV 레벨이 상기 얕은 불순물을 보상하기 때문이다. 페르미 레벨은 1.1 eV에 고정되며 그래서 금속 반절연을 이룬다. 수소의 존재는 필요하다면, 수소 보상은 발생하지만 그러한 보상은 보다 얕은 불순물을 선택적으로 보상하거나 중화시키지만 보다 깊은 레벨은 그렇게 하지 못할 것으로 예상되지 않는다는 의미할 수 있다.
도면 및 명세서에서, 본 발명의 전형적인 실시예를 개시하였으며, 특정한 용어를 사용하였지만, 그러한 용어는 단지 일반적으로 사용될 뿐이지 제한의 목적으로 사용된 것이 아니며, 본 발명의 범주는 후술되는 특허청구범위에 개시된다.

Claims (15)

  1. 반절연 실리콘 카바이드 단결정에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드 단결정 내의 도너 도판트(donor dopants), 어셉터 도판트(acceptor dopants), 및 진성 점결함(intrinsic point defects)을 포함하며,
    제1 전도형의 도판트의 수가 제2 전도형의 도판트의 수보다 크며,
    우세한 상기 제1 전도형 도판트를 보상하는 역할을 하는 상기 실리콘 카바이드 단결정 내의 상기 진성 점결함의 수는 상기 제1 전도형의 도판트가 상기 제2 전도형의 도판트보다 우세한 수치적 차이(numerical difference)보다 크며,
    전이 원소의 농도는 1E16 미만이며,
    상기 실리콘 카바이드 단결정은 실온에서 적어도 5000 Ω-cm의 저항률을 갖는
    반절연 실리콘 카바이드 단결정.
  2. 반절연 벌크 실리콘 카바이드 단결정에 있어서,
    실온에서 적어도 5000 Ω-cm의 저항률, 및 상기 단결정의 전기적 특성에 영향을 미치는 양보다 낮은 가전자대(valence band)나 전도대(conduction band)로부터 적어도 700 meV 상태를 생성하는 트래핑 원소들(trapping elements)의 농도를 갖는 반절연 벌크 실리콘 카바이드 단결정.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 1 × 1017cm-3미만의 질소 원자의 농도를 갖는 실리콘 카바이드 단결정.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 바나듐(vanadium)의 농도는 1 × 1016cm-3미만인 실리콘 카바이드 단결정.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 전도형 도판트는 도너이고, 제2 전도형 도판트는 어셉터이며, 상기 진성 점결함은 어셉터의 역할을 하는 반절연 실리콘 카바이드 단결정.
  6. 제5항에 있어서, 상기 어셉터는 붕소를 포함하는 반절연 실리콘 카바이드 단결정.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 전도형 도판트는 어셉터이고, 제2 전도형 도판트는 도너이며, 상기 진성 점결함은 도너의 역할을 하는 반절연 실리콘 카바이드 단결정.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 실리콘 카바이드의 폴리타입(polytype)은 3C, 4H, 6H 및 15R 폴리타입으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 실리콘 카바이드단결정.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질소의 농도는 1 × 1016cm-3이하인 실리콘 카바이드 단결정.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 바나듐의 농도는 2차 이온 질량분석법(SIMS)에 의해 검출될 수 있는 레벨 미만인 실리콘 카바이드 단결정.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 바나듐의 농도는 1 × 1014cm-3미만인 실리콘 카바이드 단결정.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실온에서 적어도 10,000 Ω-cm의 저항률을 갖는 실리콘 카바이드 단결정.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실온에서 적어도 50,000 Ω-cm의 저항률을 갖는 실리콘 카바이드 단결정.
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 벌크 단결정을 포함하는 기판을 구비하는 트랜지스터.
  15. 제14항에 있어서, 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-semiconductor field-effect transistors), 금속 절연체 전계 효과 트랜지스터(metal-insulator field effect transistor) 및 고 전자 이동도 트랜지스터(high electron mobility transistor)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 트랜지스터.
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