(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素の単結晶（ＳｉＣ結晶）を、昇華装置において、物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスを用いて名目Ｃ軸成長方向に成長させる方法であって、ここで前記結晶はマイクロパイプ欠陥をまったく含まず：
シード材料をシードホルダに取り付け、前記シード材料と前記シードホルダの間に均一な熱的接触を形成すること；
供給材料および前記シードホルダに取り付けられた前記シード材料を反応坩堝内に配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料、前記シードホルダ、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない；
成長温度、成長圧力、ＳｉＣ昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長する前記ＳｉＣ結晶との間の温度勾配を、前記ＰＶＴプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ欠陥をまったく含まないＳｉＣ結晶を前記シード材料上に成長させること；
供給材料、およびシード材料が取り付けられたシードホルダを反応坩堝内に配置し、昇華装置内に前記反応坩堝を配置した後、次いで前記昇華装置を排気して周囲の空気、ガス不純物および異物固体粒子を取り除くこと；
少なくとも一つの不活性ガスを用いて前記昇華装置を再充填すること；
前記昇華装置を、ＳｉＣ結晶成長を助長する温度に加熱すること；及び、
前記昇華装置の中において前記反応坩堝にかかる圧力を減少させ、ＳｉＣ結晶成長を開始すること
を含み、
ＳｉＣ結晶の成長核生成に関する開始温度を制御し、成長したＳｉＣ結晶は、少なくとも２インチ（５０ｍｍ）、少なくとも３インチ（７５ｍｍ）、及び少なくとも４インチ（１００ｍｍ）からなる径の群から選択される最小径を有し、
ＳｉＣ昇華流束を、０．３〜１０℃／時間の範囲で、成長温度を徐々に増加させることによって制御し、かつ
ＳｉＣ結晶の成長核生成に関する開始温度を２０００〜２２００℃の範囲に制御する、
前記方法。
【請求項２】
ＳｉＣ結晶成長の名目方向が、Ｃ軸方向から０〜１０°の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ＳｉＣ結晶成長の名目方向が、Ｃ軸方向から０〜４°の範囲であり、
【化１】
0005562641.tif 000012
または
【化２】
0005562641.tif 000013
方向に傾いている、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
マイクロパイプ欠陥をまったく含まないＳｉＣ結晶が、３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，および１５Ｒから成るポリタイプの群から選択されるポリタイプを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
シード材料が、２ｃｍ−２よりも小さいマイクロパイプ密度を有するＳｉＣシードウエハを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
シード材料が、１ｃｍ−２よりも小さいマイクロパイプ密度を有するＳｉＣシードウエハを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
シード材料が、５０アークセカント（２．４×１０−４ｒａｄ）よりも小さい最大半値幅を示す均一なＸ線回折によって特徴付けられるＳｉＣシードウエハを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
シード材料が、３０アークセカント（１．５×１０−４ｒａｄ）よりも小さい最大半値幅を示す均一なＸ線回折によって特徴付けられるＳｉＣシードウエハを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
シード材料が、異質なポリタイプインクルージョンを含まないＳｉＣシードウエハを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
シード材料のシードホルダへの取り付けが、前記シード材料と前記シードホルダの間に接着剤を使用するか否かに関わらず、前記シード材料と前記シードホルダの間の直接的な物理接触を用いてなされるか、または前記シード材料の熱的な裏面保護を含む制御されたギャップ構造を用いてなされる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
制御されたギャップ構造が、１０μｍまたはそれより小さい、５μｍまたはそれより小さい、２μｍまたはそれより小さい、および１μｍまたはそれより小さいものからなる群から選択される、シード材料とシードホルダの間の分離間隔を維持している、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
成長圧力が７６０〜０．１ｔｏｒｒ（１．０×１０５〜１×１０Ｐａ）の範囲に制御されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
成長圧力が３００〜０．１ｔｏｒｒ（４．０×１０４〜１×１０Ｐａ）の範囲に制御されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
成長圧力が５０〜０．１ｔｏｒｒ（６×１０３〜１×１０Ｐａ）の範囲に制御されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
成長温度が２０００〜２５００℃の範囲に制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
温度勾配が、５０〜１５０℃／ｃｍの範囲に制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
供給材料が、高純度の、固体、粉末、液体、および気体のうち少なくとも一つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
供給材料が、重量基準で１００万分の５部より少ない総濃度の金属不純物を含有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
供給材料が、重量基準で１００万分の２部より少ない総濃度の金属不純物を含有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
供給材料が、重量基準で１００万分の１部より少ない総濃度の金属不純物を含有し、前記金属不純物が、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｐｄ，Ｔａ，およびＷからなる金属の群から選択される、少なくとも一つの金属を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
昇華装置の反応坩堝に供給材料およびシード材料を配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない；
成長温度、成長圧力、ＳｉＣ昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長するＳｉＣ結晶との間の温度勾配を、物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除すること；
供給材料、およびシード材料が取り付けられたシードホルダを反応坩堝内に配置し、昇華装置内に前記反応坩堝を配置した後、次いで前記昇華装置を排気して周囲の空気、ガス不純物および異物固体粒子を取り除くこと；
少なくとも一つの不活性ガスを用いて前記昇華装置を再充填すること；
前記昇華装置を、ＳｉＣ結晶成長を助長する温度に加熱すること；及び
前記昇華装置の中において前記反応坩堝にかかる圧力を減少させ、ＳｉＣ結晶成長を開始すること
を含み、
ＳｉＣ昇華流束を、０．３〜１０℃／時間の範囲で、成長温度を徐々に増加させることによって制御し、かつ
ＳｉＣ結晶の成長核生成に関する開始温度を２０００〜２２００℃の範囲に制御する、
名目Ｃ軸方向に成長させたＳｉＣ結晶からスライスされた、少なくとも２インチ（５０ｍｍ）、少なくとも３インチ（７５ｍｍ）、及び少なくとも４インチ（１００ｍｍ）からなる径の群から選択される最小径を有する、マイクロパイプ欠陥をまったく含まない炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハを製造する方法。
【請求項２２】
ウエハの主表面にホモエピタキシャル層を形成させること含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ホモエピタキシャル層がＳｉＣである、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ウエハの主表面にヘテロエピタキシャル層を形成させること含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
ヘテロエピタキシャル層がＩＩＩ属窒化物層である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
ＩＩＩ属窒化物層が、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＩｎＧａＮ，ＩｎＮ，およびＡｌＩｎＮから成る属から選択される、少なくとも一つを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記マイクロパイプ欠陥をまったく含まないＳｉＣウエハが、３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，および１５Ｒから成るポリタイプの群から選択されるポリタイプを有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
請求項２１〜２７のいずれか１項に記載の方法に従って、対向する第一および第二の面を含むマイクロパイプ欠陥をまったく含まない炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハを製造すること；
前記ＳｉＣウエハの少なくとも第一の面にエピタキシャル層を形成すること、ここで前記エピタキシャル層は、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含む；および、
前記エピタキシャル層に、前記エピタキシャル層においてチャネル領域を定義づけているソース／ドレイン領域を含む半導体デバイスを形成すること
を含む、半導体ウエハを製造する方法。
【請求項２９】
チャネル領域にゲート誘電体層を形成すること；および、
前記チャネル領域の上の前記ゲート誘電体層に、金属ゲート構造を形成すること
を更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
半導体デバイスが、接合型電界効果トランジスタおよびヘテロ電界効果トランジスタの少なくとも一つを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
請求項２１〜２７のいずれか１項に記載の方法に従って、対向する第一および第二の面を含むマイクロパイプ欠陥をまったく含まない炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハを製造すること；
前記ＳｉＣウエハの少なくとも第一の面にエピタキシャル層を形成すること、ここで前記エピタキシャル層は、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含む；および、
少なくとも前記エピタキシャル層の一部分に、半導体デバイスを形成すること
を含む、半導体ウエハを製造する方法。
【請求項３２】
半導体デバイスが、ショットキー障壁ダイオード、接合型障壁ショットキーダイオード、サイリスター、双極接合型トランジスタ、およびＰｉＮダイオードの少なくとも一つを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
請求項２１〜２７のいずれか１項に記載の方法に従って、対向する第一および第二の面を含むマイクロパイプ欠陥をまったく含まない炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハを製造すること；および、
前記ＳｉＣウエハの少なくとも第一の面にエピタキシャル層を形成すること、ここで前記エピタキシャル層は、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義する濃度のドーパント原子を含む、
を含む、半導体ウエハを製造する方法。
【請求項３４】
エピタキシャル層に、前記エピタキシャル層においてチャネル領域を定義づけているソース／ドレイン領域を含む半導体デバイスを形成することを更に含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
半導体デバイスが、接合型電界効果トランジスタおよびヘテロ電界効果トランジスタの少なくとも一つを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
少なくともエピタキシャル層の一部分に半導体デバイスを形成することを更に含み、ここで、前記半導体デバイスが、ショットキー障壁ダイオード、接合型障壁ショットキーダイオード、サイリスター、双極接合型トランジスタ、およびＰｉＮダイオードの少なくとも一つを含む、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔０００１〕  本出願は、２００６年９月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／８４４，３６０号の利益を請求する。
【０００２】
〔０００２〕  本発明は、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素の単結晶ウエハ、およびそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
〔０００３〕  単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、種々の電子デバイスの製造において非常に有用な材料であることがわかっている。その物理的強度および多くの化学薬品に対する優れた耐性のために、ＳｉＣを用いて、半導体業界における使用に適合させ、非常に強固な基板を製作することができる。ＳｉＣは、耐放射線性、高い破壊電界強度、比較的広いバンドギャップ、高い飽和電子ドリフト速度、高温での作動性、ならびに高エネルギーフォトンの青色、紫色、および紫外の光学スペクトル領域における吸収および発光を含む、優れた電気特性を有する。
【０００４】
〔０００４〕  ＳｉＣは従来さまざまなシード昇華成長プロセスを用いて生産されている。選択されるシード昇華成長プロセスは、例えば米国特許第４，９１２，０６４号、第４，８６６，００５号（米国再発行特許第３４，８６１号）、および第５，６７９，１５３号に開示されており、これらの全体的な主題を、ここで参照により本明細書中に援用する。
【０００５】
〔０００５〕  典型的なＳｉＣ成長プロセスにおいて、シード材料および供給材料は反応坩堝に配列され、次いで供給材料の昇華温度に熱せられる。反応坩堝の周囲環境の加熱を制御することにより、昇華している供給材料と、それよりわずかに冷たいシード材料の間において、温度勾配が進展する。この温度勾配によって、気相中の供給材料はシード材料上に輸送され、そこで供給材料が凝縮してバルクの結晶ブールが成長する。この種類の結晶成長プロセスは、一般に物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスと呼ばれている。
【０００６】
〔０００６〕  従来のＳｉＣ成長プロセスにおいて、反応坩堝は炭素（例えばグラファイトおよび／または他の炭素材料を含む）で作成され、誘導加熱法または抵抗加熱法を用いて加熱される。加熱コイルおよび付随する断熱材は、望ましい温度勾配を作り出し維持するために、反応坩堝に対して注意深く位置が定められる。粉末状のＳｉＣなどの供給材料は、一般に、垂直に配向した反応坩堝とともに用いられる。粉末状のＳｉＣは反応坩堝の低部に保持され、シード材料はＰＶＴプロセスの間反応坩堝の上部に配置される。
【０００７】
〔０００７〕  ＳｉＣ基板に特有の性質により、高出力および／または高周波数の半導体デバイスアレイの設計および製作が可能となる。過去１０年間の絶え間ない開発によりＳｉＣウエハの製作に関する成熟度が上がり、そのような半導体デバイスを商業的に許容可能な販売価格で製造することが出来るようになった。しかし、材料に関連したいくつかの問題が、多くの商業的応用において選択される基板としてＳｉＣウエハをより広く使用することを妨げ続けている。これらの材料に関連した問題は、主に、従来の方法で製造されたＳｉＣの材料組成における、マイクロパイプ、転位（例えば貫通転位、刃状転位、底面転位、および／またはらせん転位）、六角形の空隙、積層欠陥などの、一定の構造的な欠陥の結果として生じる。これらの構造的な欠陥はそれぞれ、構成成分であるＳｉＣの材料の格子構造における、１またはそれより多い不連続性により生ずる。かかる構造的な欠陥は、その後にＳｉＣ基板上に形成される半導体デバイスの製作、および適切な動作にとって不都合である。デバイスの歩留まりおよび信頼性がそれによって損なわれる。
【０００８】
〔０００８〕  ＳｉＣにおける、構造的な欠陥の性質および説明はよく理解されており、そのような欠陥の密度は時を経て減少してはいるものの、比較的高い欠陥密度が今なお見られており、排除することは難しいことがわかっている。（例えば、ＮａｋａｍｕｒａらのＵｌｔｒａｈｉｇｈ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌｓ，  Ｎａｔｕｒｅ，  Ｖｏｌ．４３０，  Ｐａｇｅ１００９，  （Ａｕｇｕｓｔ  ２６，  ２００４）を参照のこと）。
【０００９】
〔０００９〕  マイクロパイプは、ＳｉＣにおいてよく見られる構造的な欠陥で、シード昇華成長プロセスの間に発達または増殖する。マイクロパイプは中空の中心部を持つ超らせん転位であり、そのバーガースベクトルは、典型的にはＣ軸に沿って位置する。ＳｉＣにおけるマイクロパイプの発生には多くの原因がある。これらの原因としては、ケイ素または炭素インクルージョンなどの余剰材料のインクルージョン、金属堆積物などの外部からの不純物、境界欠陥、および部分的な転位の移動またはずれがあげられる。（ＰｏｗｅｌｌらのＧｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｌｏｗ  ｍｉｃｒｏｐｉｐｅ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ＳｉＣ  ｗａｆｅｒｓ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｒｕｍ，  Ｖｏｌｓ．３３８−４０，  ｐｐ．４３７−４０  （２０００）を参照のこと）。
【００１０】
〔００１０〕  他の証拠は、マイクロパイプが六角形の空隙と関係していることを示唆している。六角形の空隙は、結晶中の平坦で六角形の板形状をした空洞であり、それら空洞の下方には中空の管状部が伸びていることが多い。（ＫｕｈｒらのＨｅｘａｇｏｎａｌ  ｖｏｉｄｓ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｓ  ｄｕｒｉｎｇ  ＳｉＣ  ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ  ｇｒｏｗｔｈ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．８９，  Ｎｏ．８，  ｐａｇｅ  ４６２５  （Ａｐｒｉｌ  ２００１）を参照のこと）。
【００１１】
〔００１１〕  ＳｉＣ基板およびＳｉＣ基板上に形成されたデバイスを商用化するための継続した努力に伴い、構成成分である基板材料の品質に高い重要性が置かれるようになっている。例えば、いわゆるＲＡＦ成長のアプローチ（Ｒｅｐｅａｔｅｄ  Ａ−ｆａｃｅ）によりマイクロパイプ・フリーのＳｉＣサンプルが実証されている。しかし、このプロセスはその長いプロセスサイクル時間、複雑な処理、ウエハ径拡大の難しさ、および付随する費用のために、商業的な用途において使用するのに適合させることができない。それ故に、産業界は、時を経て商業的なＳｉＣ基板においてマイクロパイプ密度を着実に減少させることが出来ている一方で、商業的に実行可能でありかつマイクロパイプをまったく含まない単結晶ＳｉＣを提供する、ＳｉＣウエハ成長プロセスが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４，９１２，０６４号
【特許文献２】米国特許第４，８６６，００５号
【特許文献２】米国特許第５，６７９，１５３号
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｎａｋａｍｕｒａら，  Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌｓ，  Ｎａｔｕｒｅ，  Ａｕｇｕｓｔ  ２６，２００４，  Ｖｏｌ．４３０，  Ｐａｇｅ１００９
【非特許文献２】Ｐｏｗｅｌｌら，  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｌｏｗ  ｍｉｃｒｏｐｉｐｅ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ＳｉＣ  ｗａｆｅｒｓ，  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｒｕｍ，  ２０００，  Ｖｏｌ．３３８−４０，Ｐａｇｅ４３７−４０
【非特許文献３】Ｋｕｈｒら，  Ｈｅｘａｇｏｎａｌ  ｖｏｉｄｓ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｓ  ｄｕｒｉｎｇ  ＳｉＣ  ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ  ｇｒｏｗｔｈ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ａｐｒｉｌ  ２００１，  Ｖｏｌ．８９，  Ｎｏ．８，  Ｐａｇｅ４６２５
【非特許文献４】Ｊ．Ｓｕｍａｋｅｒｉｓら，  ５ｔｈ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ２００４
【発明の概要】
【００１４】
〔００１２〕  本発明の各実施形態は、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素（ＳｉＣ）、マイクロパイプ・フリーの単結晶ＳｉＣウエハおよび基板、ならびにそれらの製造方法を対象にしている。
【００１５】
〔００１３〕  一の実施形態において、本発明は、マイクロパイプ欠陥をまったく含まない炭化ケイ素の単結晶（ＳｉＣ結晶）を、昇華装置において物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスを用いて、名目Ｃ軸成長方向に成長させる方法を提供する。本方法は、シード材料をシードホルダに取り付け、前記シード材料と前記シードホルダの間に均一な熱的接触を形成すること；供給材料および前記シードホルダに取り付けられた前記シード材料を反応坩堝に配置すること、ここで少なくとも前記供給材料、前記シードホルダ、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の各構成要素は意図していない不純物を実質的に含まない；および、成長温度、成長圧力、ＳｉＣ昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長する前記ＳｉＣ結晶との間の温度勾配を、ＰＶＴプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ・フリーのＳｉＣ結晶を前記シード材料上に成長させること、を含む。
【００１６】
〔００１４〕  別の実施形態において、本発明は、供給材料およびシード材料を昇華装置の反応坩堝に配置し、ここで、少なくとも前記供給材料、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の各構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まず、成長温度、成長圧力、ＳｉＣ昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長するＳｉＣ結晶との間の温度勾配を、物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除するプロセスによって名目Ｃ軸方向に成長させたＳｉＣ結晶からスライスした、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハを提供する。
【００１７】
〔００１５〕  別の実施形態において、本発明は、名目Ｃ軸方向に成長させ、マイクロパイプ密度がゼロである結晶からスライスしたバルクの単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板であって、対向する第一および第二の面を含む前記ＳｉＣ基板；前記ＳｉＣ基板の少なくとも前記第一の面上に形成され、かつその伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含むエピタキシャル層；および、前記エピタキシャル層に形成され、前記エピタキシャル層のチャネル領域を定義づけているソース／ドレイン領域を含む半導体デバイス、を含む半導体ウエハを提供する。
【００１８】
〔００１６〕  別の実施形態において、本発明は、名目Ｃ軸方向に成長させ、マイクロパイプ密度がゼロである結晶からスライスしたバルクの単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板であって、対向する第一および第二の面を含む前記ＳｉＣ基板；前記ＳｉＣ基板の少なくとも前記第一の面に形成され、かつその伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含むエピタキシャル層；および前記エピタキシャル層の少なくとも一部に形成された半導体デバイス、を含む半導体ウエハを提供する。
【００１９】
〔００１７〕  別の実施形態においては、本発明は、昇華装置において物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスを用いて名目Ｃ軸成長方向にマイクロパイプ欠陥をまったく含まないＩＩＩ属窒化物の単結晶（ＩＩＩ属窒化物結晶）を成長させる方法を提供する。本方法は、シード材料をシードホルダに取り付け、前記シード材料と前記シードホルダの間に均一な熱的接触を形成すること；供給材料および前記シードホルダに取り付けられた前記シード材料を反応坩堝に配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料、前記シードホルダ、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の各構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない；および、成長温度、成長圧力、ＩＩＩ属窒化物昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長する前記ＩＩＩ属窒化物結晶との間の温度勾配を、ＰＶＴプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ・フリーのＩＩＩ属窒化物結晶をシード材料上に成長させること、を含む。
【００２０】
〔００１８〕  別の実施形態において、本発明は、３インチ（７５ｍｍ）の最小径を有し、マイクロパイプ密度がゼロである結晶からスライスしたバルクの単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板であって、対向する第一および第二の面を含む前記ＳｉＣ基板；および、前記ＳｉＣ基板の少なくとも前記第一の面に形成され、かつその伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含むエピタキシャル層、を含む半導体ウエハを提供する。
【００２１】
〔００１９〕  図１は、本発明の実施形態に従った、シード昇華装置の概略断面図である。
【００２２】
〔００２０〕  図２（ａ）および２（ｂ）は、それぞれ、６Ｈ−ＳｉＣ結晶（成長の初期段階）のエッチングされた表面、および６Ｈ−ＳｉＣブール（バルク成長段階）におけるポリタイプインクルージョンの分布を示す写真画像である。
【００２３】
〔００２１〕  図３は、６Ｈ−１５Ｒポリタイプの境界でのマイクロパイプの形成を示す画像である。
【００２４】
〔００２２〕  図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、２インチ（５０ｍｍ）径のウエハの光学画像、２インチ（５０ｍｍ）径のウエハの交差分極画像、および３インチ（７５ｍｍ）径のウエハの交差分極画像を含む、マイクロパイプ・フリーの４Ｈ−ＳｉＣ基板を示す写真であり、本発明の多様な実施形態に従ったものである。
【００２５】
〔００２３〕  図５は、１００ｍｍ径のマイクロパイプ・フリーの４Ｈ−ＳｉＣウエハを示す写真であって、本発明の実施形態に従って製作されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従った、シード昇華装置の概略断面図である。
【図２】図２（ａ）および２（ｂ）は、それぞれ６Ｈ−ＳｉＣ結晶（成長の初期段階）のエッチングされた表面、および６Ｈ−ＳｉＣブール（バルク成長段階）におけるポリタイプインクルージョンの分布を示す写真画像である。
【図３】図３は、６Ｈ−１５Ｒポリタイプの境界でのマイクロパイプの形成を示す画像である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、２インチ（５０ｍｍ）径のウエハの光学画像、２インチ（５０ｍｍ）径のウエハの交差分極画像、および３インチ（７５ｍｍ）径のウエハの交差分極画像を含む、マイクロパイプ・フリーの４Ｈ−ＳｉＣ基板を示す写真であり、本発明の多様な実施形態に従ったものである。
【図５】図５は、１００ｍｍ径のマイクロパイプ・フリーの４Ｈ−ＳｉＣウエハを示す写真であって、本発明の実施形態に従って製作されたものである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〔００２４〕  本発明の実施形態を添付する図面に関連して以下に説明する。しかし、本発明はここに記載する実施形態だけに限定されるものではない。むしろ、選択した実施形態は、実施例を教えるものとして提示している。
【００２８】
〔００２５〕  明瞭にするために、本発明の一定の実施形態を、既知のプロセスおよび関連する設備を背景において記載している。当業者は、本発明の範囲がこれらのプロセスおよび付随する設備だけに限定されるものではないことを認識するだろう。むしろ、ＳｉＣの成長プロセスおよび付随する設備が後年変化し、発展しても、本発明の教示はこれらの新しい状況の中において容易に用途を見出すだろう。
【００２９】
〔００２６〕  従来理解されているように、ＳｉＣブールは、シード昇華装置を用いて、ＰＶＴなどの、シード昇華成長プロセスを用いて成長させることが出来る。別の態様では、シード昇華装置は高温ＣＶＤ（ＨＴ−ＣＶＤ）装置およびハライドＣＶＤ装置（Ｈ−ＣＶＤ）を含むことが出来る。結果として生じるＳｉＣブールは次いで従来の技術を用いてウエハにスライスすることができ、次いで個々のウエハは、シード昇華成長プロセスのためにシード材料として用いるか、または種々の半導体デバイスをその上に形成可能な基板として用いることが出来る。
【００３０】
〔００２７〕  既に述べたように、ＳｉＣにとってのシード昇華成長プロセスの一般的な側面は充分に確立されている。さらに、結晶成長の分野の当業者、特にＳｉＣの成長および関連する装置の分野の当業者は、所与の技術の細部を、通常は意図的に、多くの関係する環境やプロセス条件に依存して変化させることができ、そうすることがあることを認識するだろう。従って、本明細書中に与えられた記載は、一般的かつ概略的な意味においては最も適切なものであり、当業者であれば、過度の実験をすることなく、提供された開示に基づいて、本発明の種々の実施形態を実現でき、用いることが出来ると認識される。
【００３１】
〔００２８〕  図１は、本発明の一定の実施形態によって検討された種類のシード昇華成長プロセスにおける使用に適合した、昇華装置１２の断面概略図である。最も慣用的な装置におけるように、昇華装置１２は炭素反応坩堝（サセプターまたは成長セルとも呼ばれる）１４、および電流を印加すると反応坩堝１４を加熱するように適合させた複数の誘導コイル１６を含む。別の態様では、抵抗加熱法も反応坩堝１４の加熱に応用することが出来る。要求にかなう任意の加熱メカニズムおよび手法を用いて、炉一体型昇華装置（Ｔｈｅ  ｆｕｒｎａｃｅ  ｈｏｕｓｉｎｇ  ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）１２の温度を慣用的に制御する事が出来る。
【００３２】
〔００２９〕  炉一体型昇華装置１２はまた、典型的には１またはそれより多くのガス流入口部およびガス流出口部と、付随する設備を含み、反応坩堝１４の周囲環境からのガスの導入および排出の制御を可能にする。反応坩堝１４の周囲環境への／からの種々のガスの導入および排出は、種々の流入口／流出口、パイプ、バルブ、ポンプ、ガス供給源、および制御装置を用いて慣用的に成し遂げることが出来る。
【００３３】
〔００３０〕  更に、当業者であれば、昇華装置１２は、一定の実施形態においては水冷の石英管を更に組み込んでもよいことは理解するだろう。しかし、そのような更なる要素は、本発明の実施形態にあまり関係が無く、当技術分野において既知として省略する。
【００３４】
〔００３１〕  加えて、当業者は、ここに記載する種類のＳｉＣ昇華装置は、種々の標準的な構成において商業的に入手可能であることを認識するだろう。別の態様では、昇華装置は、必要に応じて、または適切な場合には、特別な構成で設計し、実現することが出来る。従って、ここに記載する方法の実施形態は、昇華装置の特定のサブセットに限定されず、またはいかなる特定の装置構成にも限定されない。むしろ、多くの異なった種類、および多くの異なった構成の昇華装置を用いて、本発明の実施形態に従って、マイクロパイプ・フリーのＳｉＣ材料を成長させることが出来る。
【００３５】
〔００３２〕  図１に戻ると、反応坩堝１４は断熱材料１８によって囲まれている。断熱材料の組成、大きさ、および配置は、反応坩堝１４に関連して、望ましい温度勾配（軸方向および半径方向の両方）を定義し、および／または維持するために、個々の昇華装置１２とともに変化する。明瞭にするために、「温度勾配」という用語は、本明細書中においては、反応坩堝１４に関連した１またはそれより多くの温度勾配を述べるために用いることとする。当業者は、本発明の実施形態において作り出された「温度勾配」は、軸方向および半径方向の勾配を含有する（またはさらに軸方向および半径方向の勾配を有すると特徴付けることが出来る）、または複数の等温線によって特徴付けることが出来ることを認識する。
【００３６】
〔００３３〕  温度勾配を作り出すのに先立って、反応坩堝１４は１またはそれより多くの供給材料により装填される。従来入手可能な反応坩堝は、１またはそれより多くの部分を含み、それらのうち少なくとも一つは、粉末状のＳｉＣ２０などの供給材料を保持可能である。粉末状の供給材料は、シード昇華成長プロセスにおいて排他的ではないが最も一般的に使用される。図１において説明したように、供給材料２０は反応坩堝１４の低部に保持されており、これは反応坩堝１４の一種として一般的である。その他の要求にかなう反応坩堝としては、供給材料を垂直方向、または円筒方向の配置に分布させ、前記供給材料が反応坩堝１４の内部の相当部分を取り囲むものがある。繰り返して言うが、反応坩堝１４は多くの異なった形状において実現することが出来、従って１またはそれより多くの供給材料を保持することが出来る。それ故に、本発明の実施形態は従来の反応坩堝の設計を用いることが出来る一方で、本発明の範囲はかかる設計に限定されず、多くの異なった種類の反応坩堝を用いる、異なった昇華装置における用途を見出すことが出来る。
【００３７】
〔００３４〕  また一方、再び図１に戻ると、シード材料２２は反応坩堝１４の上方、または上部に配置される。シード材料２２は、約２インチ（５０ｍｍ）、３インチ（７５ｍｍ）、または４インチ（１００ｍｍ）の径を有する単結晶ＳｉＣシードウエハの形をとることが出来る。ＳｉＣ単結晶ブール２６は、シード昇華成長プロセスの間、シード材料２２から成長させることが出来る。
【００３８】
〔００３５〕  図１に説明されている実施形態において、シードホルダ２４はシード材料２２を保持するために用いられる。シードホルダ２４は、従来技術を用いた適切な方式でしっかりと反応坩堝１４に取り付けられる。例えば、図１に描かれている向きにおいて、シードホルダ２４は、反応坩堝１４の最も上の部分に取り付けられ、シード材料２２を望ましい位置に保持する。一実施形態においては、シードホルダ２４は炭素から製作される。
【００３９】
〔００３６〕  本発明の一定の実施形態においては、シード昇華プロセスの間、またはその前に、１またはそれより多くの種類のドーパント原子を意図的に昇華装置１２の中に導入することが出来る。例えば、１またはそれより多くのドーパントガスをシード昇華環境中に導入し、それによって成長中のＳｉＣ結晶ブールの中に組み入れることが出来る。結果として生ずるＳｉＣブールにとって望ましい伝導特性に従って、ドーパントをそれらのアクセプター性またはドナー性を基準として選ぶことが出来る。一定の半導体デバイスにとっては、ドナードーパントはｎ型伝導性を生じ、アクセプタードーパントはｐ型伝導性を生じる。一般的に、組み入れられるｎ型ドーパントにはＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、および／またはＴｉなどがある。一般的に、組み入れられるｐ型ドーパントにはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂｅ、Ｅｒおよび／またはＳｃなどがある。
【００４０】
〔００３７〕  本発明の実施形態に従った典型的な昇華成長プロセスにおいては、反応坩堝１４を形成する材料（例えば炭素）が応答する、定義された周波数を有する電流が、誘導コイル１６を通過して、反応坩堝１４を加熱する。断熱材料１８の量および配置は、供給材料２０とシード材料２２の間の温度勾配を作り出すように選択される。反応坩堝１４は、供給材料２０とともに、約２０００℃より高く、典型的には約２１００℃〜２５００℃の範囲である昇華温度にまで加熱される。このようにして、シード材料２２およびシード材料２２上に成長するＳｉＣ結晶ブール２６の温度が供給材料２０の温度より若干低く保たれるように温度勾配が作り出される。このようにして、昇華しているＳｉＣ源から発生した一定の気化種（例えばＳｉ，Ｓｉ２Ｃおよび／またはＳｉＣ２）は、熱力学的にまずシード材料２２に輸送され、その後には成長するＳｉＣ結晶ブール２６（または「ＳｉＣ結晶」）に輸送される。
【００４１】
〔００３８〕  一度ＳｉＣ結晶２６が望ましい大きさに達したら、昇華装置１２の温度を約１９００℃より低くに減少させ、および／または反応坩堝１４の周囲環境の圧力を約４００Ｔｏｒｒ（５×１０４Ｐａ）より高く上昇させることによって、結晶成長プロセスを終了させる。
【００４２】
〔００３９〕  前述の例示的な装置およびプロセスを念頭に置き、そしてＰＶＴプロセスを用いるＳｉＣ結晶成長におけるマイクロパイプ欠陥の核生成および増殖の制御に関する近年の研究を考慮すると、ＳｉＣブールのバルク成長の間、３Ｃ−ポリタイプなどの異質なポリタイプの核生成は、成長の初期段階（核生成期間）、および／またはファセットの存在下における、後に続く成長の間で起こることが明らかにされている。これらの観測は、結晶成長の間におけるポリタイプの不安定性が、マイクロパイプ密度に不利な影響を与えていることを示唆する。この考えに基づいて、以降に記載する本発明の実施形態は、核生成および成長段階における成長条件の最適化に焦点を当てる。ＰＶＴ成長環境において実現されるこれらの最適な成長条件は、非常に効果的なポリタイプの制御を実現する成長プロセスを提供する。これらの成長条件の下では、シード材料上に誘発される、および／または成長の間に形成されるマイクロパイプは、完全にとまではいかないものの、実用的な意味においては排除される。事実、本発明の種々の実施形態を用いて、マイクロパイプ・フリーの２インチ（５０ｍｍ）、３インチ（７５ｍｍ）、および１００ｍｍ径の４Ｈ−ＳｉＣ結晶、ならびに２インチ（５０ｍｍ）および３インチ（７５ｍｍ）の６Ｈ−ＳｉＣ結晶が作り出されている。
【００４３】
〔００４０〕  図２（ａ）および２（ｂ）に示すように、上記のシード昇華プロセスを用いたＳｉＣバルク成長の間、３Ｃ−ポリタイプなどの異質なポリタイプの核生成は、典型的には初期段階（核生成期間）で起こり、成長面に（０００１）ファセットが存在する、後に続く成長段階の間でさえ核生成が起こりつづける。同様に、１５Ｒ−ポリタイプは、４Ｈ−ＳｉＣブールおよび６Ｈ−ＳｉＣブールの両方において、３Ｃ−ポリタイプインクルージョンの上に核生成することが出来る。成長の初期段階における圧力および温度などのプロセス変数の不安定性が、ポリタイプインクルージョンの原因となり得る。
【００４４】
〔００４１〕  ファセット境界の存在は、バルク成長プロセスの異なった段階で形成され得るが、それらの界面に沿って表面エネルギーが減少しているために、ポリタイプの核生成の可能性を増加させる。ステップバンチング、および高い転位密度は、一般に
【００４５】
【化１】
0005562641.tif 000002
【００４６】
方向（およびそれと同じ群）に沿って形成する。ファセット境界の近傍において、かかる欠陥の密度は更に増加する。加えて、意図していない不純物の濃度がこれらの領域において増加する傾向があり、応力の発生および格子間不整合の原因となる。ファセット境界およびポリタイプインクルージョンの存在は、原子レベルからマクロ的スケールに伸展すると、ＳｉＣ結晶において、マイクロパイプの形成を含む欠陥レベルの増加につながる。注目すべきは、ＳｉＣの供給流束の濃度および／または組成が上記で論じた欠陥の形成において決定的な役割を演ずるということである。そのため、成長プロセス変数を注意深く調査して適当な条件を見つけることで、かかるファセット境界の周囲におけるポリタイプインクルージョンおよび欠陥の形成は減少し、および／または妨げられる。
【００４７】
〔００４２〕  図２（ａ）に示すように、成長プロセスの初期段階を表す６Ｈ−ＳｉＣ結晶のエッチング表面上において、結晶の中心から結晶の端部にまで分布する成長ステップの異方性は、認識可能な相違を生み出す。結晶学上の方位
【００４８】
【化２】
0005562641.tif 000003
【００４９】
に沿って、表面の形態は、ステップフロー成長メカニズムの存在を示唆している。この結晶の
【００５０】
【化３】
0005562641.tif 000004
【００５１】
方向に沿っては、ステップバンチングの形成が観察され、おそらくこの方向における成長速度の増加を示している。
【００５２】
【化４】
0005562641.tif 000005
【００５３】
および
【００５４】
【化５】
0005562641.tif 000006
【００５５】
の結晶方位に沿った成長速度の違いは、転位が形成される原因となる、ステップの変形および多数のキンクの発生をもたらし得ることが予期される。かかる条件は、ポリタイプインクルージョンの形成を促進し、結果としてマイクロパイプの形成をもたらす。図２（ｂ）は、６Ｈ結晶において、
【００５６】
【化６】
0005562641.tif 000007
【００５７】
方向およびそれと同じ群に生じた１５Ｒポリタイプインクルージョンを示している。これは、光ルミネッセンス特性およびＵＶ吸収特性によって確かめられる。
【００５８】
〔００４３〕  １５Ｒ−ポリタイプインクルージョンを含有する６Ｈ−ＳｉＣブールの断面（Ｃ軸方向に沿って切断された）を図３に示す。マイクロパイプクラスタの形成は６Ｈ／１５Ｒ境界上に見られる。
【００５９】
〔００４４〕  例として、そして上記の研究に一致するものとして、（１）ステップバンチングは
【００６０】
【化７】
0005562641.tif 000008
【００６１】
方向においてファセットの縁で起こる；（２）ファセットの縁は新しいポリタイプの核生成にとって好ましい領域であり、生成したポリタイプは一般的に
【００６２】
【化８】
0005562641.tif 000009
【００６３】
方向に増殖する；および（３）マイクロパイプの発生は、ポリタイプ境界で核生成するポリタイプインクルージョンから始まる、ことが観測されている。
【００６４】
〔００４５〕  本出願の実施形態に従った、マイクロパイプ・フリーの単結晶ＳｉＣブールを成長させる方法において、ＳｉＣブールは名目的にＣ軸方向に成長し、ここで名目Ｃ軸方向は、Ｃ軸[０００１]方向から０〜１０°の範囲内であるとして定義される。最初に、装置内の意図していない不純物（意図して昇華装置の中に導入されたドーパントと比較して）が、マイクロパイプの核発生のための第一の有力源として排除の対象となる。特に、シードまたは成長面上の意図していない不純物により、ＳｉＣブールのいたるところで増殖する可能性のある、マイクロパイプのおよび／またはマイクロパイプクラスタの核発生が始まり得る。
【００６５】
〔００４６〕  例えば、供給材料（例えば、図１に示すように、昇華装置内の粉末状のＳｉＣ供給材料２０）中の意図していない不純物は、可能な限り不純物量の少ない超高品質ＳｉＣ供給材料を提供することで排除できる。一般に、供給材料の不純物は、例えば、鉄、ニッケル、および／またはクロムを含む。純度の証明された超高品質ＳｉＣ供給材料が得られた場合は、本発明の実施形態の中に取り入れることを保証する。また一方、１またはそれより多くの高品質供給材料（固体、粉末、液体、および／または気体の形態で供給可能である）を、本発明の一定の実施形態に一致した昇華または蒸発装置においてＳｉＣ供給材料として使用できる。ここで、かかる供給原料は総濃度で重量基準で１００万分の５部（５ｐｐｍｗｔ）より低い濃度の金属不純物、およびより好ましくは２ｐｐｍｗｔより低い濃度の金属不純物を含有する。この文脈においては、金属不純物は少なくともＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｐｄ，Ｔａ，および／またはＷなどの金属を含む。実際に、本発明の一定の実施形態は、使用されるＳｉＣ供給材料が総濃度で１ｐｐｍｗｔより低い濃度のＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｐｄ，Ｔａ，および／またはＷを含有することを提供する。
【００６６】
〔００４７〕  超高品質な供給材料の準備に加えて、本発明の一定の実施形態は、反応坩堝およびシード材料ホルダが、可能な限り金属量の少ない、高品質で非常に純粋な炭素から製作されることを要求する。この点において、供給源、反応坩堝、およびシードホルダを形成する材料における金属不純物の減少は、グロー放電質量分析法（ＧＤＭＳ）および二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて確かめることが出来る。
【００６７】
〔００４８〕  マイクロパイプ発生源としての意図していない不純物を排除するという前述の努力に続いて、ポリタイプインクルージョン（既に述べられたような）は残りのマイクロパイプ発生源として標的となる。気相組成、気相種の拡散速度、成長温度、バルク成長の間の圧力、供給源の流束、周囲のガス、および成長ゾーンの次元の、正確な、および厳重な制御により、そのようなポリタイプインクルージョンは排除できる。より特定的には、温度の急上昇、圧力変動、または成長条件におけるあらゆる変化などの、結晶成長の間の不安定性がポリタイプインクルージョンの原因となり得る。これらプロセス変数を厳重に制御して、安定な成長条件を維持することにより、ポリタイプインクルージョンは排除され、従ってマイクロパイプの形成は妨げられる。
【００６８】
〔００４９〕  これまで示したように理解されるべきことではあるが、特に炭化ケイ素などの難しい材料系における結晶成長に詳しい者であれば、所与の手法の細部は関係する環境に依存して変え得ることを認識するだろう。典型的には、適用されたＰＶＴプロセスの間の成長圧力は約０．１〜４００Ｔｏｒｒ（１×１０〜５×１０４Ｐａ）の範囲であり、およびより典型的には、０．１〜１００Ｔｏｒｒ（１×１０〜１×１０４Ｐａ）の範囲である。これまでに示したように、プロセス温度は約２０００℃〜２５００℃の範囲である。使用される昇華装置における違い、および実行されるシード昇華成長プロセスにおけるバリエーションによってこれらの条件は変えても良い。
【００６９】
〔００５０〕  しかし、装置およびプロセスの変更にかかわらず、ポリタイプインクルージョンの発生を排除し、それによってマイクロパイプの形成を妨げるために、本発明の実施形態は、望ましい成長圧力およびプロセス温度が、大きな一時変動無く厳格に制御されることを要求する。
【００７０】
〔００５１〕  本発明の種々の実施形態に従って、２インチ（５０ｍｍ）、３インチ（７５ｍｍ）、および１００ｍｍ径の伝導性４Ｈ−ＳｉＣ、ならびに２インチ（５０ｍｍ）および３インチ（７５ｍｍ）の半絶縁性の６Ｈ−ＳｉＣ単結晶が、図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）、および図５に示すように生産されている。注目すべきは、本発明の実施形態に従って形成されたこれらの結晶が、マイクロパイプをまったく含まないことである。本発明の実施形態によって得られたこれら初期の材料の実施例は、限定的でない。実際、本発明は、異なった伝導性の種類を有する種々の材料の結晶であって、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、およびより大きな径の結晶の製作に拡張出来る。
【００７１】
〔００５２〕  前述の昇華装置、またはその同等物を用いて、本発明の一定の実施形態は、マイクロパイプ欠陥をまったく含まない単結晶ＳｉＣを成長させる種々の方法を提供する。これらの方法はＳｉＣを成長させるためにＰＶＴを使用し、一般的に名目Ｃ軸方向に沿った結晶成長を提供する。また一方、本発明の実施形態は、Ｃ軸方向から０〜１０°の範囲内の名目方向へのＳｉＣの結晶成長に応用できる。もう一つの具体的な実施形態において、成長の方向はＣ軸方向から４°以内であって、
【００７２】
【化９】
0005562641.tif 000010
【００７３】
または
【００７４】
【化１０】
0005562641.tif 000011
【００７５】
方向に傾いている。
【００７６】
〔００５３〕  上記のように、結晶成長は高品質シードから進行する。本発明の一定の実施形態においては、シードは、マイクロパイプ密度が２ｃｍ−２より低い、およびより好ましくはマイクロパイプ密度が１ｃｍ−２より低いことによって特徴付けられる材料から作られる、ウエハの形態によって実現できる。
【００７７】
〔００５４〕  別の態様では、条件を満たすＳｉＣシードウエハは、５０アークセカント（２．４×１０−４ｒａｄ）より小さい、およびより好ましくは３０アークセカント（１．５×１０−４ｒａｄ）より小さい最大半値幅を示す均一なＸ線回折を有しているものとして特徴付けられる。別の態様では、条件を満たすＳｉＣシードウエハは、異質なポリタイプインクルージョンを含まないことによって特徴付けられるものである。
【００７８】
〔００５５〕  シード材料（すなわち、シードウエハ）の、昇華装置内の対応するシードホルダへの取り付けは、均一な熱的接触手段によりなされるべきである。種々の従来理解されている手法を用いて、均一な熱的接触を実現することが出来る。例えば、シード材料はシードホルダと直接物理的に接触させて配置可能であり、または、接着材を用いて、シード材料をシードホルダに固定することが出来る。結果として、伝導性および／または放射熱の伝達がシードとシードホルダの間の実質的に全ての領域にわたって均一であることが保証される。別の態様では、制御されたギャップ構造を含むウエハホルダを用いて、シード材料とシードホルダの間の望ましい分離ギャップを定義し、維持することができる。成長プロセスの間にシード材料が不注意により昇華しないように、制御されたギャップ構造は、シード材料上に（すなわち、成長表面と反対の表面上）保護用の裏面コーティングを必要とすることも、当業者は理解するであろう。本発明の種々の実施形態において、制御されたギャップ構造を用いて、シード材料とシードホルダの間の分離間隔を、１０μｍまたはそれより小さく、５μｍまたはそれより小さく、２μｍまたはそれより小さく、および実際に可能であれば１μｍより小さく形成することができる。
【００７９】
〔００５６〕  適切なシード材料を選択し（およびその組成の純度が証明されており）、シード材料を、実質的に金属不純物を含まない反応坩堝の環境において、シードホルダに適切に取り付けていることに加えて、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性の排除は、本発明の種々の実施形態における主たる焦点となっている。既知の自動、半自動、および手動による制御手法を用いて注意深くプロセス条件を制御することによって、温度、圧力、温度勾配、および結果として生ずるＳｉＣ昇華流束を、望ましいプロセス期間の間中、正確に定義し、維持することが出来る。
【００８０】
〔００５７〕  本発明の一定の実施形態において、成長圧力は約３００〜０．１ｔｏｒｒ（４×１０４〜１×１０Ｐａ）の範囲、より好ましくは約５０〜０．１ｔｏｒｒ（６×１０３〜１×１０Ｐａ）の範囲で制御される。プロセス温度は約２０００〜２５００℃の範囲で制御される。成長する結晶と供給材料の間の温度勾配は、約５０〜１５０℃／ｃｍの範囲で制御される。プロセス期間の間に昇華しているＳｉＣ種の流束は、０．３〜１０℃／時間の範囲で、成長温度を徐々に増加させることによって制御出来る。
【００８１】
〔００５８〕  いくつかのＣＶＤおよび液相ＳｉＣエピタキシャルの研究（例えば、Ｊ．Ｓｕｍａｋｅｒｉｓら，５ｔｈ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（２００４）および米国特許第５，６７９，１５３号を参照のこと）により明らかに実証されているように、単結晶ＳｉＣ基板におけるマイクロパイプは、ＳｉＣエピタキシー層の過剰成長によって、減少および／または排除することが出来る。この結果はＳｉ反応体およびＣ反応体の投入品質を制御し、これによってエピタキシャル成長の間のＳｉ／Ｃ比を制御することで達成出来る。わずかにシリコンが豊富な条件下でのかかる過剰成長は、単結晶ＳｉＣ基板における大きなバーガースベクトルのマイクロパイプを、より小さいバーガースベクトルを有する数多くの貫通らせん転位に分離し、これらは結果として生ずるエピタキシャル層において、開放されたパイプ構造を形成しない。
【００８２】
〔００５９〕  これに従って、本発明の一定の実施形態において、この特定のマイクロパイプ減少（排除）メカニズムを、エピタキシャルとは対照的な、バルクのＳｉＣ結晶のための昇華成長プロセスに拡張出来ることが見出されている。全体の成長プロセスの開始時に（すなわち、成長核生成の段階）、低いマイクロパイプ密度の、しかし必ずしもマイクロパイプ・フリーである必要はないシード材料を用い、そして成長核生成温度を制御することにより、シード材料におけるマイクロパイプを過剰成長させ得ることが、本発明による拡張により提案される。つまり、低い「開始温度」がＳｉ／Ｃ比の変更をもたらし、バルク成長の初期段階の間にシード材料に存在するあらゆるマイクロパイプの閉塞を促進する。本発明のもう一つの具体的な実施形態において、この開始温度は約２０００〜２２００℃の範囲である。
【００８３】
〔００６０〕  従来理解されているように、本発明の実施形態に一致する昇華プロセスは、周囲の空気、ガス不純物、および異物固体粒子を取り除くために、最初に反応坩堝の周りの環境を排気する工程を含むことが出来る。次いで、反応坩堝を１またはそれより多くの不活性ガスを用いた圧力下におく。次いで、昇華装置が反応坩堝の環境を加熱し、ＰＶＴによるＳｉＣ結晶成長が可能な温度にする。一度この温度に達したら、昇華装置内の圧力を、ＳｉＣ結晶成長を始めるのに十分な点まで減少させる。
【００８４】
〔００６１〕  様々なポリタイプのマイクロパイプ・フリーのＳｉＣ結晶は、少なくとも３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，および１５Ｒを含んで成長することが出来る。そのようなＳｉＣ結晶から切断されるウエハを用いて、続いて種々の基板を製作することが出来る。例えば、既知の手法を用いて、少なくともその片面上にＳｉＣなどのホモエピタキシャル層や、ＩＩＩ属窒化物などのヘテロエピタキシャル層を含む、高品質な半導体ウエハを製作することが出来る。ＩＩＩ属窒化物層は、例えば、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＩｎＧａＮ，ＩｎＮ，および／またはＡｌＩｎＮなどでよい。
【００８５】
〔００６２〕  このようにして、少なくとも２インチ（５０ｍｍ）、３インチ（７５ｍｍ）、４インチ（１００ｍｍ）またはそれより大きい径を有し、マイクロパイプ密度がゼロであるバルクの単結晶ＳｉＣ基板を含む、半導体ウエハを製作することが出来る。ＳｉＣ基板は少なくとも一つ、および可能ならば二つの主（そして対向する）表面を含む。従来理解されているように、複数の能動デバイスおよび／または受動デバイスを前記ＳｉＣ基板上に製作することが出来る。
【００８６】
〔００６３〕  一実施形態において、複数のデバイスを形成する前に、エピタキシャル層を基板の主表面に形成することが出来る。このエピタキシャル層は、エピタキシャル層にとって望ましい伝導性を定義するのに十分な濃度のドーパント原子を含むことが出来る。ソース／ドレイン領域を、デバイスのためのチャネル領域を定義するために、次いでエピタキシャル層に形成することが出来る。その後に、従来の半導体製作プロセスを続いてＳｉＣウエハ表面に適用し、定義されたチャネル領域の上に形成される従来のゲート構造（例えば、酸化物または金属ゲート構造）を有するトランジスタなどの、望ましい半導体デバイスを形成することが出来る。そのようなトランジスタの選択される実施例には、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、接合型電界効果トランジスタ、ヘテロ電界効果トランジスタ、および金属半導体電界効果トランジスタなどが挙げられる。
【００８７】
〔００６４〕  別の態様では、本発明のほかの実施形態において、半導体デバイスの形成の前に、基板の少なくとも一つの主表面にエピタキシャル層を形成する。エピタキシャル層は、エピタキシャル層にとって望ましい伝導性を定義するのに十分な、選択される濃度のドーパント原子を含むことが出来る。そのように形成されると、エピタキシャル層を用いて、１またはそれより多くのショットキー障壁ダイオード、接合型障壁ショットキーダイオード、ＰｉＮダイオード、サイリスター、および／または双極接合型トランジスタをエピタキシャル層上に製作することが出来る。
【００８８】
〔００６５〕  前述の記載を考慮すると、マイクロパイプ・フリーの基板を用いて、半導体デバイスおよび電子デバイスの製作においてＳｉＣ材料の用途を広げることが出来る。注目すべきは、前述の実施形態が、本発明の範囲を包括的に列挙することを意図していないことである。むしろ、当業者は、添付する特許請求の範囲によって定義される発明の範囲から逸脱することなく、前述の実施形態の多様な修飾および適用をなし得ることを認めるだろう。
【００８９】
〔００６６〕  例えば、１のそのような修飾において、前述した方法の実施形態のうち任意の一つを適合させて、シード材料上にＩＩＩ属窒化物を成長させることが出来る。すなわち、名目Ｃ軸成長方向を有するＩＩＩ属窒化物の単結晶（ＩＩＩ属窒化物結晶）は、昇華装置において、物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスを用いて成長させることが出来る。そのようなＩＩＩ属窒化物結晶は、マイクロパイプをまったく含まない。ＩＩＩ属窒化物結晶を成長させる一つの方法は、均一な熱的接触を用いて、シード材料をシードホルダに取り付けること；供給材料および前記シードホルダに取り付けた前記シード材料を、前記昇華装置に付随した前記反応坩堝中に配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料、前記シードホルダ、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない；および、成長温度、成長圧力、ＩＩＩ属窒化物の昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成
長する前記ＩＩＩ属窒化物結晶との間の温度勾配を、ＰＶＴプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ・フリーのＩＩＩ属窒化物結晶を、前記シード材料上に成長させること、を含む。
本願の出願時の特許請求の範囲に記載の発明を、以下に転記する。
１．炭化ケイ素の単結晶（ＳｉＣ結晶）を、昇華装置において、物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスを用いて名目Ｃ軸成長方向に成長させる方法であって、ここで前記結晶はマイクロパイプ欠陥をまったく含まず：
シード材料をシードホルダに取り付け、前記シード材料と前記シードホルダの間に均一な熱的接触を形成すること；
供給材料および前記シードホルダに取り付けられた前記シード材料を反応坩堝内に配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料、前記シードホルダ、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない；および、
成長温度、成長圧力、ＳｉＣ昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長する前記ＳｉＣ結晶との間の温度勾配を、前記ＰＶＴプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ・フリーのＳｉＣ結晶を前記シード材料上に成長させること
を含む、前記方法。
２．供給材料、およびシード材料が取り付けられたシードホルダを反応坩堝内に配置し、昇華装置内に前記反応坩堝を配置した後、次いで前記昇華装置を排気して周囲の空気、ガス不純物および異物固体粒子を取り除くこと；
少なくとも一つの不活性ガスを用いて前記昇華装置を再充填すること；
前記昇華装置を、ＳｉＣ結晶成長を助長する温度に加熱すること；
前記昇華装置の中において前記反応坩堝にかかる圧力を減少させ、ＳｉＣ結晶成長を開始すること
を更に含む、上記１に記載の方法。
３．ＳｉＣ結晶成長の名目方向が、Ｃ軸方向から０〜１０°の範囲である、上記１に記載の方法。
４．ＳｉＣ結晶成長の名目方向が、Ｃ軸方向から０〜約４°の範囲であり、［１１２０］（２の上にバー）または［１１００］（左から２番目の１の上にバー）方向に傾いている、上記３に記載の方法。
５．マイクロパイプ・フリーのＳｉＣ結晶が、３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，および１５Ｒから成るポリタイプの群から選択されるポリタイプを有する、上記１に記載の方法。
６．シード材料が、２ｃｍ−２よりも小さいマイクロパイプ密度を有するＳｉＣシードウエハを含む、上記１に記載の方法。
７．シード材料が、１ｃｍ−２よりも小さいマイクロパイプ密度を有するＳｉＣシードウエハを含む、上記１に記載の方法。
８．シード材料が、５０アークセカント（２．４×１０−４ｒａｄ）よりも小さい最大半値幅を示す均一なＸ線回折によって特徴付けられるＳｉＣシードウエハを含む、上記１に記載の方法。
９．シード材料が、３０アークセカント（１．５×１０−４ｒａｄ）よりも小さい最大半値幅を示す均一なＸ線回折によって特徴付けられるＳｉＣシードウエハを含む、上記１に記載の方法。
１０．シード材料が、異質なポリタイプインクルージョンを含まないＳｉＣシードウエハを含む、上記１に記載の方法。
１１．シード材料のシードホルダへの取り付けが、前記シード材料と前記シードホルダの間に接着剤を使用するか否かに関わらず、前記シード材料と前記シードホルダの間の直接的な物理接触を用いてなされるか、または前記シード材料の熱的な裏面保護を含む制御されたギャップ構造を用いてなされる、上記１に記載の方法。
１２．制御されたギャップ構造が、１０μｍまたはそれより小さい、５μｍまたはそれより小さい、２μｍまたはそれより小さい、および１μｍまたはそれより小さいものからなる群から選択される、シード材料とシードホルダの間の分離間隔を維持している、上記１１に記載の方法。
１３．成長圧力が約７６０〜０．１ｔｏｒｒ（１．０×１０５〜１×１０Ｐａ）の範囲に制御されている、上記１に記載の方法。
１４．成長圧力が約３００〜０．１ｔｏｒｒ（４．０×１０４〜１×１０Ｐａ）の範囲に制御されている、上記１に記載の方法。
１５．成長圧力が約５０〜０．１ｔｏｒｒ（６×１０３〜１×１０Ｐａ）の範囲に制御されている、上記１に記載の方法。
１６．成長温度が約２０００〜２５００℃の範囲に制御される、上記１に記載の方法。
１７．ＳｉＣ結晶のための成長核生成のための開始温度が、約２０００〜２２００℃の範囲に制御されている、上記１に記載の方法。
１８．温度勾配が、約５０〜１５０℃／ｃｍの範囲に制御される、上記１に記載の方法。
１９．成長温度を約０．３〜１０℃／時の範囲で傾斜上昇させることによってＳｉＣ昇華流束が制御されている、上記１に記載の方法。
２０．供給材料が、高純度の、固体、粉末、液体、および気体のうち少なくとも一つを含む、上記１に記載の方法。
２１．供給材料が、重量基準で１００万分の５部より少ない総濃度の金属不純物を含有する、上記２０に記載の方法。
２２．供給材料が、重量基準で１００万分の２部より少ない総濃度の金属不純物を含有する、上記２０に記載の方法。
２３．供給材料が、重量基準で１００万分の１部より少ない総濃度の金属不純物を含有し、前記金属不純物が、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｐｄ，Ｔａ，およびＷからなる金属の群から選択される、少なくとも一つの金属を含む、上記２０に記載の方法。
２４．昇華装置の反応坩堝に供給材料およびシード材料を配置し、ここで、少なくとも前記供給材料および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まず、そして、成長温度、成長圧力、ＳｉＣ昇華流束およびその組成、および前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長するＳｉＣ結晶との間の温度勾配を、物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除するプロセスによって名目Ｃ軸方向に成長させたＳｉＣ結晶からスライスされた、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハ。
２５．少なくとも２インチ（５０ｍｍ）、少なくとも３インチ（７５ｍｍ）、および少なくとも１００ｍｍからなる径の群から選択される最小径を有する、上記２４に記載のマイクロパイプ・フリーのＳｉＣウエハ。
２６．ウエハの主表面に形成されたホモエピタキシャル層を含む、上記２４に記載のマイクロパイプ・フリーのＳｉＣウエハ。
２７．ホモエピタキシャル層がＳｉＣである、上記２６に記載のマイクロパイプ・フリーのＳｉＣウエハ。
２８．ウエハの主表面に形成されたヘテロエピタキシャル層を含む、上記２４に記載のマイクロパイプ・フリーのＳｉＣウエハ。
２９．ヘテロエピタキシャル層がＩＩＩ属窒化物層である、上記２８に記載のマイクロパイプ・フリーのＳｉＣウエハ。
３０．ＩＩＩ属窒化物層が、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＩｎＧａＮ，ＩｎＮ，およびＡｌＩｎＮから成る属から選択される、少なくとも一つを含む、上記２９に記載のマイクロパイプ・フリーのＳｉＣウエハ。
３１．３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，および１５Ｒから成るポリタイプの群から選択されるポリタイプを有する、上記２４に記載のマイクロパイプ・フリーのＳｉＣウエハ。
３２．名目Ｃ軸方向に成長し、マイクロパイプ密度がゼロであるＳｉＣ結晶からスライスされた、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハであって、対向する第一および第二の面を含む前記ＳｉＣ基板；
前記ＳｉＣ基板の少なくとも第一の面に形成されたエピタキシャル層であって、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含む前記エピタキシャル層；および、
前記エピタキシャル層に形成され、前記エピタキシャル層においてチャネル領域を定義づけているソース／ドレイン領域を含む半導体デバイス
を含む、半導体ウエハ。
３３．チャネル領域に形成されたゲート誘電体層；および、
前記チャネル領域の上の前記ゲート誘電体層に形成された、金属ゲート構造
を更に含む、上記３２に記載の半導体ウエハ。
３４．半導体デバイスが、接合型電界効果トランジスタおよびヘテロ電界効果トランジスタの少なくとも一つを含む、上記３２に記載の半導体ウエハ。
３５．ＳｉＣ基板が、少なくとも２インチ（５０ｍｍ）、少なくとも３インチ（７５ｍｍ）、および少なくとも１００ｍｍからなる径の群から選択される最小径を有する、上記３２に記載の半導体ウエハ。
３６．名目Ｃ軸方向に成長し、マイクロパイプ密度がゼロであるＳｉＣ結晶からスライスされた、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハであって、対向する第一および第二の面を含む前記ＳｉＣ基板；
前記ＳｉＣ基板の少なくとも第一の面に形成されたエピタキシャル層であって、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含む前記エピタキシャル層；および、
少なくとも前記エピタキシャル層の一部分に形成された半導体デバイス
を含む、半導体ウエハ。
３７．半導体デバイスが、ショットキー障壁ダイオード、接合型障壁ショットキーダイオード、サイリスター、双極接合型トランジスタ、およびＰｉＮダイオードの少なくとも一つを含む、上記３６に記載の半導体ウエハ。
３８．ＳｉＣ基板が、少なくとも２インチ（５０ｍｍ）、少なくとも３インチ（７５ｍｍ）、および少なくとも１００ｍｍから成る径の群から選択される最小径を有する、上記３６に記載の半導体ウエハ。
３９．ＩＩＩ属窒化物の単結晶（ＩＩＩ属窒化物結晶）を、昇華装置において、物理的気相輸送（ＰＶＴ）プロセスを用いて名目Ｃ軸成長方向に成長させる方法であって、ここで前記ＩＩＩ属窒化物結晶はマイクロパイプ欠陥をまったく含まず：
シード材料をシードホルダに取り付け、前記シード材料とシードホルダの間に均一な熱的接触を形成すること；
供給材料および前記シードホルダに取り付けられた前記シード材料を反応坩堝に配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料、前記シードホルダ、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない；および
成長温度、成長圧力、ＩＩＩ属窒化物昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長する前記ＩＩＩ属窒化物結晶との間の温度勾配を、前記ＰＶＴプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ・フリーの前記ＩＩＩ属窒化物結晶を前記シード材料上に成長させること
を含む、前記方法。
４０．３インチ（７５ｍｍ）の最小径を有し、マイクロパイプ密度がゼロである結晶からスライスされた、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハであって、対向する第一および第二の面を含む前記ＳｉＣ基板；および、
前記ＳｉＣ基板の少なくとも第一の面に形成されたエピタキシャル層であって、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義する濃度のドーパント原子を含む前記エピタキシャル層、
を含む、半導体ウエハ。
４１．エピタキシャル層に形成され、前記エピタキシャル層においてチャネル領域を定義づけているソース／ドレイン領域を含む半導体デバイスを更に含む、上記４０に記載の半導体ウエハ。
４２．半導体デバイスが、接合型電界効果トランジスタおよびヘテロ電界効果トランジスタの少なくとも一つを含む、上記４１に記載の半導体ウエハ。
４３．少なくともエピタキシャル層の一部分に形成された半導体デバイスを更に含む、上記４０に記載の半導体ウエハであって、ここで、前記半導体デバイスが、ショットキー障壁ダイオード、接合型障壁ショットキーダイオード、サイリスター、双極接合型トランジスタ、およびＰｉＮダイオードの少なくとも一つを含む、前記半導体ウエハ。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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