(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
前記シード結晶を加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記シード結晶と前記シード・ホルダとの間の距離を低減させることによりもたらされる、前記シード結晶と前記シード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップと、
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、該方法は、シード昇華成長システムにおいて単結晶を生成するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップ
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項４】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
成長の前に、シード結晶の両面をラッピング仕上げするステップと、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
前記シード結晶を加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記シード結晶のラッピング仕上げによりもたらされる、前記シード結晶とシード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、ラッピング仕上げするステップは、シード結晶の両面を平面から１０μｍ未満だけの逸脱する表面となるように、ラッピング仕上げすることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４記載の方法において、ラッピング仕上げするステップは、シード結晶の両面を平面から５μｍ未満のだけ逸脱する表面となるように、ラッピング仕上げすることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項４記載の方法において、ラッピング仕上げするステップは、シード結晶の両面を平面から２μｍ未満だけ逸脱する表面となるようにラッピング仕上げするステップからなることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項４記載の方法において、該方法は、  
固い表面とともに研磨スラリを用いてシード結晶をラッピング仕上げして、材料の大部分を迅速に取り除くステップと、
その後にシード結晶を研磨して、最終的な半導体材料の表面を形成するステップと
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項４記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１０】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
厚みが少なくとも１．４ｍｍのシード結晶を提供するステップと、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
前記シード結晶を加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記シード結晶の前記厚みによりもたらされる、前記シード結晶とシード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶を成長させる、加熱するステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、該方法は、平面から１０μｍ未満だけ逸脱しているシード・ホルダ上に成長用のシード結晶を配置するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素基板のシード結晶上で前記バルク結晶を成長させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１３】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
高温接着剤により、シード・ホルダ上にシードを配置させるステップと、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
前記シードを加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記高温接着剤により前記シードを配置させることによりもたらされる、前記シードとシード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップと、を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、該方法は、グラファイト接着剤により、シード・ホルダ上に前記シードを配置させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１６】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
成長状態下におけるシード・ホルダの温度均一性を改善するために、有機材料をグラファイトのシード・ホルダに適用するステップと、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
前記グラファイトのシード・ホルダ上にあるシードを加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、改善された温度均一性によりもたらされる、前記シード結晶と前記シード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップと、を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の方法において、該方法は、フェノール樹脂をシード・ホルダに適用するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６記載の方法において、該方法は、アルコール及びフェノール樹脂の混合物を用いて、シード・ホルダの密度を増大させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６記載の方法において、該方法は、フルフリルアルコール及びフェノール樹脂の２．５：１混合物を用いて、シード・ホルダの密度を増大させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１６記載の方法において、該方法は、シード・ホルダの熱膨張係数を炭化珪素シードの熱膨張係数と一致させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１６記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２２】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
シード・ホルダの熱膨張係数と炭化珪素からなるシードの熱膨張係数とを選択的に合致させるステップと、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
前記炭化珪素からなるシードを加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記熱膨張係数を合致させることによりもたらされる、前記炭化珪素からなるシードと前記シード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップと、を備えていることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の方法において、該方法は、炭素のシード・ホルダを炭化珪素のシード材料と合致させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２５】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
シード・ホルダとシード結晶を、平面から１０μｍ未満だけ逸脱しているシード・ホルダに対向する表面に供給するステップと、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、  前記シード結晶を加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記平坦なシード・ホルダに対向する表面によりもたらされる、前記シード結晶と前記シード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の方法において、該方法は、シード・ホルダに対向する表面であって、平面から５μｍ未満だけ逸脱している表面を有するシード結晶からバルク単結晶を成長させるステップを備えていることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２５記載の方法において、該方法は、シード・ホルダに対向する表面であって、平面から２μｍ未満だけ逸脱している表面を有するシード結晶からバルク単結晶を成長させるステップを備えていることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２５記載の方法において、該方法は、シード・ホルダに対向する表面であって、平面から１μｍ未満だけ逸脱している表面を有するシード結晶からバルク単結晶を成長させるステップを備えていることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２５記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３０】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
シード結晶のシード・ホルダに対向する表面とシード・ホルダとを、シード結晶とシード・ホルダとの間の距離が１０μｍを超えないように、互いに適合させるステップと、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
前記シード結晶を加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記シード・ホルダに対向する表面を適合させることによりもたらされる、前記シード結晶と前記シード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップと、を備えていることを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法において、該方法は、シード結晶とシード・ホルダとの間の距離が５μｍを超えないようにするステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項３０記載の方法において、該方法は、シード結晶とシード・ホルダとの間の距離が２μｍを超えないようにするステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項３０記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項３０記載の方法において、該方法は、バルク単結晶をシード結晶とほぼ同一の直径に成長させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３０記載の方法において、シード結晶のシード・ホルダに対向する表面とシード・ホルダとを適合させるステップは、シード・ホルダに対向する表面であって、平面から１０μｍ未満だけ逸脱している表面を有するシード結晶を準備するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３０記載の方法において、シード結晶のシード・ホルダに対向する表面とシード・ホルダとを適合させるステップは、シード・ホルダに対向する表面であって、平面から５μｍ未満だけ逸脱している表面を有するシード結晶を準備するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３０記載の方法において、シード結晶のシード・ホルダに対向する表面とシード・ホルダとを適合させるステップは、シード・ホルダに対向する表面であって、平面から２μｍ未満だけ逸脱している表面を有するシード結晶を準備するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３０記載の方法において、シード結晶のシード・ホルダに対向する表面とシード・ホルダとを適合させるステップは、シードに対向する表面であって、平面から１０μｍ未満だけ逸脱している表面を有するシード・ホルダを準備するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３０記載の方法において、シード結晶のシード・ホルダに対向する表面とシード・ホルダとを適合させるステップは、シードに対向する表面であって、平面から５μｍ未満だけ逸脱している表面を有するシード・ホルダを準備するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３０記載の方法において、シード結晶のシード・ホルダに対向する表面とシード・ホルダとを適合させるステップは、シードに対向する表面であって、平面から２μｍ未満だけ逸脱している表面を有するシード・ホルダを準備するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３０記載の方法において、該方法は、少なくとも２インチの直径のシード結晶をラッピング仕上げするステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項３０記載の方法において、該方法は、少なくとも１００ｍｍの直径のシード結晶をラッピング仕上げするステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項４３】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
シード・ホルダに取り付けられたシード結晶を提供するステップと、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
前記シード結晶を加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記シード結晶と前記シード・ホルダの界面における一貫した熱状況を提供するために、結晶の有用領域を超える最初の１０ｍｍ以下の成長において、凹状表面を示す局所化された領域が生じないようにし、結晶の成長の間、平坦部をやや凸状の成長表面に保持しつつ、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップ
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項４３記載の方法において、該方法は、結晶の有用領域を超えて最初の５００μｍ未満の結晶成長の間、平坦部をやや凸状の成長表面に保持するステップを備えていることを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項４３記載の方法において、該方法は、凸状部の半径が４０ｃｍを超えない凸状表面を有するように、平坦部をやや凸状の成長表面に保持するステップを備えていることを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項４３記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項４７】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
炭化珪素のシード結晶の裏面がシード・ホルダから、放射性熱転移に十分な距離だけ離間させるステップであって、該放射性熱転移がシード結晶とシード・ホルダとの間の伝導性熱転移を上回るようにする、ステップと、
前記シード結晶を加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記炭化珪素のシード結晶の裏面を前記シード・ホルダから離間させることによりもたらされる、前記シード結晶と前記シード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップと、を備えていることを特徴とする方法。
【請求項４８】
請求項４７記載の方法において、該方法は、シード結晶と該シード結晶の直後のシード・ホルダとの間に真空状態を保持するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項４９】
請求項４７記載の方法において、該方法は、シード結晶と該シード結晶の直後のシード・ホルダとの間にガス充満の空間を保持するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項４７記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５１】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
結晶成長の間にシード・ホルダがひずみを生じないようにするために結晶成長の前にシード・ホルダをアニールするステップであって、シード内の温度差を最小化又は除去して、成長中のバルク単結晶に欠陥が生じたり伝搬することがないようにする、ステップと、
その後、シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
その後、前記アニールすることによりもたらされる、前記シードと前記シード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で前記シード結晶を用いてシード成長を開始するステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項５２】
請求項５１記載の方法において、該方法は、バルク単結晶をシード結晶とほぼ同一の直径に成長させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５３】
請求項５１記載の方法において、該方法は、少なくとも２インチの直径の炭化珪素のシード結晶を用いて成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５４】
請求項５１記載の方法において、該方法は、少なくとも１００ｍｍの直径の炭化珪素のシード結晶を用いて成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５５】
請求項５１記載の方法において、該方法は、少なくとも２５００℃で約３０分間、シード・ホルダをアニールするステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５６】
請求項５１記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５７】
高品質の炭化珪素のバルク単結晶を生成する方法であって、
シード結晶からの炭化珪素の昇華に対して蒸気バリアを提供する低多孔性の支持材料であって、シード結晶と支持材料との間の熱導電性の差を最小化し、シード結晶内の温度差を最小化又は排除し、成長中の結晶に欠陥が生じたり伝搬したりしないように、シード結晶の裏面からの蒸気移動を最小化又は排除する支持材料で、シード・ホルダ上にシード結晶を位置決めするステップと、
シード結晶とシード・ホルダは１０μｍ以下で互いに適合し、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の伝導熱伝搬が、シード・ホルダに隣接する炭化珪素シード結晶の実質的にすべての表面の上のこれらの間の放射熱伝搬よりも優勢になるまで、炭化珪素シード結晶とシード・ホルダとの間の距離を低減させるステップと、
前記シード結晶を加熱し、続いて前記バルク単結晶を加熱するステップであって、前記熱導電性の差を最小化することによりもたらされる、前記シード結晶と前記シード・ホルダの界面における一貫した熱状況の下で、前記バルク単結晶の成長の昇華を引き起こす、加熱するステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項５８】
請求項５７記載の方法において、該方法は、シード・ホルダ上のシードを、高温接着剤を用いて位置決めするステップを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項５９】
請求項５７記載の方法において、支持材料は、炭化珪素のシード結晶の熱膨張係数にほぼ同一の熱膨張係数を有していることを特徴とする方法。
【請求項６０】
請求項５７記載の方法において、該方法は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプからなるグループから選択されたポリタイプの炭化珪素のシード結晶で成長を開始するステップを含んでいることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半絶縁炭化珪素単結晶に関し、特に、直径が少なくとも１００ミリメートル（ｍｍ）の高純度半絶縁炭化珪素単結晶ウエハに関する。英国及びメートル単位間の関係（例えば、２５．４ｍｍ＝１インチ）のため、このようなウエハを「４インチ」ウエハとも呼ぶこととする。
なお、本発明は、同一譲受人に譲渡された米国特許第６，８１４，８０１号及び米国特許出願公開第２００５００２２７２７号及び第２００５０２２７２４号に関連がある。また、本発明は、同一譲受人に譲渡された米国特許第６，２１８，６８０号、第６，３９６，０８０号、第６，４０３，９８２号、第６，６３９，２４７号、及び第６，５０７，０４６号に明記されている発明にも関連がある。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、電気的特性(properties)及び物理的特性を組み合わせて有するため、高温、高電圧、高周波数、及び高電力電子デバイス用の魅力的な半導体材料である。これらの特性は、３．０電子−ボルト（ｅＶ）バンド・ギャップ（６Ｈ）、センチメートル当たり４メガボルト（ＭＶ／ｃｍ）の電界耐圧、４．９Ｗ／ｃｍＫの熱電導率、及び毎秒２×１０７センチメートルの電子ドリフト速度を含む。また、炭化珪素は、種々の処理技法によってドーピング又は半絶縁化することによって導電性を有することができることでも特に有用である。これらの品質のために、炭化珪素は多種多様の電子用途のための材料の選択肢となっている。
【０００３】
ＲＦデバイスのような多くの用途のための集積回路の生産には、半絶縁基板が必要であり、その上に電子デバイスを実装し互いに接続することができる。以前より、サファイアが、電流に対する抵抗が高いために、マイクロ波デバイスの基板材料として用いられていた。サファイアには、しかしながら、基板上に製作することができる半導体層の種類が限られており、適正なデバイス動作のためにはしかるべく結晶格子を一致させなければならないという欠点がある。
【０００４】
ここで用いる場合、「高抵抗率」及び「半絶縁」という用語は、殆どの趣旨では同義語と見なすことができるものとする。一般に、双方の用語は、抵抗率が約１５００オーム−センチメートル（オーム−ｃｍ）よりも大きい半導体材料のことを述べている。これに関して、半絶縁炭化珪素デバイスは、ＲＦ受動挙動を達成するためには、少なくとも１５００オーム−センチメートル（オーム−ｃｍ）の基板抵抗率を有していなければならない。更に、デバイスの伝送損失を容認可能な０．１ｄＢ／ｃｍ以下に極力抑えるためには、５０００オーム−ｃｍ以上の抵抗率が必要となる。デバイスの隔離のため、そしてバック・ゲーティング効果(back-gating effect)を最小に抑えるためには、半絶縁炭化珪素の抵抗率は、５０，０００オーム−ｃｍ以上の範囲に近づかなければならない。
【０００５】
この分野の研究により、炭化珪素基板の半絶縁挙動は、炭化珪素のバンド・ギャップ内の深いところ、即ち、ｐ−型及びｎ−型ドーパントによって生ずるエネルギ準位よりも価電子帯及び伝導帯双方から離れているところにおけるエネルギ準位の結果であることが示されている。これらの「深」エネルギ準位は、例えば、当技術分野における標準的な先行調査の代表である米国特許第５，６１１，９５５号から、伝導帯又は価電子帯の縁から少なくとも３００ｍｅＶ離れて位置する状態から成ると考えられる。
先に引用した特許及び出願に明記されているように、半絶縁炭化珪素は、半絶縁性を生ずる深準位の状態を得るためにバナジウムをドーパントとして用いることなく生産できることが発見されている。
【０００６】
バナジウムは半絶縁炭化珪素結晶を生成することができるが、その存在のためにバック・ゲーティング効果が生ずることが観察されている。即ち、バナジウム上で捕獲された負電荷が、バナジウムをドープした結晶が半絶縁基板として用いられるデバイス内においてグローン・イン・ゲート(grown-in gate：ゲート内成長)として作用する。このため、デバイスについてのある種の考察では、バナジウムを用いないことが最良である。
【０００７】
先に引用した発行済み特許に記載されている半絶縁炭化珪素結晶は、ドナー・ドーパント、アクセプタ・ドーパント、及び深準位状態を生成する真性点欠陥を含む。真性点欠陥の濃度が、ドナーの濃度とアクセプタの濃度との差を超過すると、真性点欠陥から生ずる状態は、バナジウムの機能がなければ、半絶縁特性を与えることができる。即ち、結晶の電子的特性に影響を及ぼす可能性がある量未満の最小限の存在を含む。
【０００８】
半絶縁基板の必要性及び利点、デバイス特にマイクロ波デバイスにおけるそれらの使用、ならびに炭化珪素半絶縁基板に伴う要件及び特有の要件については、先に引用した発行済み特許に詳細に明記されている。したがって、これらについてここでは詳細に繰り返すことはしない。参考の趣旨で、関連する論述が、米国特許第６，２１８，６８０号（「’６８０特許」）の欄１の１４行目〜欄３の３３行目に明記されている。
【０００９】
この論述に対して、しかしながら、付加すべきは、インターネット・アクセス及び関連サービスの高帯域幅配信を含む、ワイヤレス通信サービスに対する、留まることを知らずに増大し続ける要求に駆り立てられて、このような配信を支援することができるデバイスや回路も対応して要求され、要求能力を有するデバイスを製造することができる半絶縁炭化珪素のような材料が求められるようになっている。
【００１０】
これに応じて、’６８０特許は、高精度のマイクロ波性能は、高純度で、バナジウムを含有しない、半絶縁単結晶炭化珪素基板上に炭化珪素電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と関連デバイスとを製作することによって達成できることを説明している。この’６８０特許において明記されているように、基板は、その半絶縁特性を、炭化珪素バンド・ギャップの中央付近にある真性（点欠陥に関連する）深電子状態(deep electronic state)の存在から得ている。真性深状態は、一般に、高温における結晶原石(crystal boule)の成長中に発生し、基板ウエハは、この結晶原石から、当技術分野では一般に良く知られている方法で切断される。
【００１１】
これらの基板を組み込んだデバイスでは、しかるべき低損失ＲＦ性能を得るには、基板は、連続的にその半絶縁特性を維持することによって、低損失誘電体媒体として作用しなければならない。一方、半絶縁挙動を維持することができることは、基板内における真性深状態の総数に左右される。現行では、真性深準位の密度が十分に高くない場合、実際には、後続の工程を半絶縁炭化珪素ウエハ上で又はこれを用いて実行すると、基板の半絶縁特性が機能的に減少又は消滅する可能性がある。このような工程は、半絶縁炭化珪素ウエハ上における約１４００℃以上（例示の趣旨）の温度でのエピタキシャル層の成長を含む。これが転じて、ウエハ上に形成することができる、又はウエハを組み込むことができる有用なデバイスの数が減少することになる。
【００１２】
本発明者はいずれの特定の理論にも縛られることは望まないが、この種の半絶縁炭化珪素基板ウエハにある範囲の温度のプロセス工程を施すと、後続の処理がアニールとして作用することができ、点欠陥の数が減少するように思われる。積極的な意味では、品質が高い結晶が作成されるが、真性点欠陥の数が基板ウエハの半絶縁性の基礎である場合には欠点となる。
【００１３】
言い換えると、特定の温度範囲内に十分な時間中保持すると、結晶の平衡又は略平衡(near-equilibrium)が、点欠陥の数が減少する方向にずれる。即ち、周知の熱力学の原理にしたがって予期されるように、結晶は、温度が低い程、温度が高いよりも、規則正しくなる（点欠陥が少なくなる）。
【００１４】
別の要因として、殆どの技法によって成長する炭化珪素は、一般に、半絶縁の目的には導電性が高すぎる。即ち、炭化珪素における名目上の即ち無作為の窒素濃度は、昇華成長結晶(sublimation grown crystal)では、十分な導電性が得られる程に高く（≧１−２×１０１７／ｃｍ３）なる傾向があり、マイクロ波デバイスのように、半絶縁基板を必要とする基板において炭化珪素を用いるのが妨げられる。
【００１５】
電子デバイス用の炭化珪素結晶を製作する際に繰り返し発生する問題の１つは、したがって、結晶内における窒素のような元素不純物の制御である。窒素含有量は、例えば、炭化珪素結晶の色に影響を及ぼす。この色変化は、発光ダイオードや宝石用原石の製作のような、発光を必要とするある種の用途では、結晶の有用性に有害な結果をもたらす可能性がある。結晶内における窒素は、導電性を発生する場合もあり、炭化珪素が多様な電子用途においてしかるべき特性を有するためには制御しなければならない。本発明は、半絶縁炭化珪素結晶を達成する手段を含み、その一工程は、窒素含有量を低減することであり、これにより結晶固有の導電性を低下させ、水素環境雰囲気(hydrogen ambient atmosphere)における昇華成長方法を改善する。
【００１６】
したがって、研究者は、昇華成長室の雰囲気から成長する炭化珪素結晶に移転する窒素の量を制御、即ち、低減させるという問題に常に頭を痛めている。例えば、本願と同一譲受人に譲渡されたCarter et al.の米国特許第５，７１８，７６０号は、炭化珪素昇華システムの環境雰囲気において窒素濃度を低減する方法を開示している。Carterの’７６０特許は、窒素を低減するに当たり、成長室を、アルゴンのような不活性ガスで充填し、次いで成長室を超低圧に減圧する。
【００１７】
結晶成長システムにおいて環境窒素を減少させる別の技法は、機器自体における窒素含有量を極力減少させることである。Kong et al.に発行され、本願と同一譲受人に譲渡された米国特許第５，１１９，５４０号は、結晶成長システムにおいて望ましくない窒素の全てではないが殆どが、機器自体から逃げ出した窒素ガスの影響であることを開示している。例えば、グラファイト機器において捕獲された窒素は、環境雰囲気に漏れ出す可能性がある。何故なら機器にクラックが生じたり、ピン・ホールができて、非常に高い温度ではこれらを介して窒素が逃げ出すからである。Kongの’５４０特許は、目的の炭化珪素結晶に窒素が組み込まれるのを防止するに当たって、窒素濃度が低い材料で製作した製作機器を利用する。したがって、Kongの’５４０特許は、高窒素濃度がない非常に純粋な機器構成を用いれば、得られる炭化珪素結晶が望ましくないレベルの窒素で汚染される事態が減少することを教示する。Kongの’５４０特許は、化学蒸着システムにおける窒素の最少化を示すが、ここで論じている昇華システムにおいても同等に関連がある。
【００１８】
窒素濃度の低下に加えて、研究者は、炭化珪素結晶における不可避の窒素含有の影響も低減しようとしている。例えば、Carterの’７６０特許は、昇華室における背景窒素が、結晶の望ましくない色の原因になり得ることを認めている。したがって、’７６０特許は、窒素内容物(nitrogen content)を、対応するｐ−型ドーパントで補償して、窒素の望ましくない影響を最少に抑えるか、又は排除する方法を開示する。ｐ−型ドーパント及び窒素は互いに補償し合い、Carterの’７６０特許の、好ましくは無色の炭化珪素結晶における望ましくない色の原因を解消する。
【００１９】
窒素補償技法は、無作為にドープされた窒素が、炭化珪素結晶の導電性を支配することを防止するためにも用いられている。’６８０特許は、昇華によって成長した炭化珪素結晶の窒素含有量を補償する更に別の方法を開示する。Carterは、内在する窒素を補償するために、硼素を用いるとよいことを指摘している。また、Carterの’６８０は、開示した昇華プロセスにおいて温度勾配(temperature gradient)を利用して、炭化珪素結晶における点欠陥を作成する。Carterの’６８０技法は、炭化珪素結晶における望ましくない窒素濃度を、硼素のような、対応するアクセプタ・ドーパントと組み合わせて１組にする。次いで、Carterの’６８０特許は、あらゆる過剰なドーパントを、温度誘発点欠陥と組み合わせて１組にして、所望の半絶縁結晶を生成する。
【００２０】
他の研究も、無作為の窒素混入は、昇華によって成長した炭化珪素結晶にも発生することを認めている。この研究は、最初から窒素混入を防止するのではなく、望ましくない窒素濃度の影響を極力抑える手段に的を絞る傾向がある。先に引用した、Barrett et al.の’９５５特許は、この論点の一例である。Barrettの’９５５は、バナジウムのような元素を半導体材料に導入し、禁止されているエネルギ・ギャップ内において深エネルギ状態を生じさせる手段を示す。Barrettの’９５５の方法は、炭化珪素結晶における窒素含有量を考慮するに当たり、窒素を捕獲し、窒素からの電子移動度を妨げる。したがって、Barrettは、窒素の結晶における存在を防止するのではなく、窒素の影響を調節することによって、半絶縁炭化珪素基板を達成する。
【００２１】
ここに記載し特許請求する発明と同じ譲受人を有する、２件のCarter 特許において明記されている技法は、それぞれの趣旨に沿って、炭化珪素結晶における窒素混入の影響を極力抑えるのに有用である。Barrettの’９５５特許は、更に別の元素のドーピングを必要とし、対象の炭化珪素結晶において予測できない電気的応答を生ずる可能性がある。
【００２２】
したがって、初期昇華の時点において、窒素の炭化珪素結晶への混入に対する広範な制御を獲得する方法が依然として求められている。結晶の初期成長から窒素含有量を制御することにより、補償技法及びそれに伴うプロセス工程を最小限に止めることができる。また、窒素の混入を制御することにより、特殊目的用に窒素含有量を様々に変化させた結晶を含め、多様性を高めた種類の結晶の開発も可能になる。
【００２３】
しかしながら、炭化珪素は加工が難しい材料である。何故なら、これは１５０以上のポリタイプで結晶化する可能性があり、その一部は、非常に小さな熱力学差で互いに離別しているに過ぎないからである。更に、炭化珪素の融点が高い（高圧下では２７００℃以上）ために、エピタキシャル膜の堆積を含む、炭化珪素を加工する多くのプロセスは、他の半導体材料における類似の反応よりもはるかに高い温度で遂行しなければならない場合が多い。
【００２４】
ある意味では、炭化珪素の商用合成又は製造合成は、通例研磨材としての使用のためであるが、１世紀以上にわたって行われており、多結晶炭化珪素の成長は、１８８５年にAchesonによって認められた。しかしながら、電子的な目的でも成長の起源が開始されたのは遥かに遅く、一般には１９５５年における"Lely"方法（その発明者にちなんで命名された）の開発に起源がると考えられている。１９７８年に、最初のシード昇華技法(seeded sublimation technique)が遂行された。これは改良Lely技法と呼ばれている。そして１９８０年代後期までに、炭化珪素技術は、主に本発明の譲受人によって急速に商業化されてきた。
【００２５】
シード昇華技法では、坩堝をグラファイトで製作し、誘導又は抵抗によって加熱して、所望の熱勾配を確立し制御するように、付随するコイル及び絶縁体を配置する。ソース・パウダ(source powder)は、シードと同様、炭化珪素である。坩堝を垂直に配向し、ソース・パウダを下側部分に、そしてシードを上位の、通例、シード・ホルダ上に配置する。米国特許第４，８６６，００５号（第ＲＥ３４，８６１号として再発行された）を参照のこと。これらのソースは、最新のシード昇華成長技法の説明の、限定ではなく、一例である。
【００２６】
高品質の結晶成長を達成するための典型的で有用な方法の１つにエピタキシャル成長があり、半導体材料の薄膜を、同じ又は結晶格子的に同様の材料の基板上に堆積する。多くの状況では、化学蒸着（「ＣＶＤ」）を用いて、エピタキシャル成長を実行する。これは、適した基板があり、ソース・ガスが反応し基板上に所望の材料の高品質結晶を形成するのを促進する温度、圧力、及び流量の条件下において、関連する元素を含有する流動ソース・ガスを反応室に導入することを意味する。
【００２７】
多数の理由から、任意の半導体材料であっても最高品質のエピタキシャル層（即ち「エピ層」）は、一般に、同じ材料の基板、例えば、炭化珪素のエピ層は炭化珪素基板上に、最良に形成される。このようにすると、結晶格子の不整合や、非常に類似しているものの異なる２つの材料を互いに接触させるときに殆ど常に必然的に生ずる熱膨張率の差というような、その他の物理的な不調和を解消するのに役立つ。
【００２８】
したがって、エピタキシャル成長及びデバイスの双方にとって適した基板材料を得ることは、半導体デバイス製造において基本的な条件である。別の要因として、エピタキシャル成長は高品質の結晶を生成するのに資するが、進展が非常に遅い。その結果、バルクの単結晶を得るためにエピタキシャル成長技法を用いると、物理的には可能であっても商業的には魅力を失うことが多い。
したがって、炭化珪素の大きな単結晶を成長させる速度を高め、これらを成長させることができる直径を増大し、大きな結晶における欠陥密度を低下させることが、相変わらず必要であり、望ましい目標となっている。
【００２９】
炭化珪素のバルク結晶における構造的欠陥の密度は近年減少し続けているが、比較的大きな欠陥密度がそれでもなお生じており、解消するのは困難であることが分かっている。これらは、基板上に作成するデバイスの性能特性を阻害するという重大な問題の原因となる可能性があり、場合によっては有用なデバイスが全く得られない可能性もある。例えば、典型的な欠陥実度は、一部の市販されている炭化珪素ウエハでは、平方センチメートル（ｃｍ−２）当たり約１００とすることができる。しかしながら、炭化珪素内にメガワット・デバイスを形成するには、０．４ｃｍ−２程度の無欠陥面積が必要となる。つまり、高電圧、高電流用途のための、表面積が大きなデバイスを製作するために用いることができる大きな単結晶を得ることは、相変わらず困難である。
【００３０】
場合のよって異なる名称が付けられているが、炭化珪素のバルク結晶において最も共通する欠陥は、一般に、マイクロパイプ又は六角空乏と呼ばれている。マイクロパイプとは、中空核スーパー・スクリュー転位(hollow core super-screw dislocation)であり、そのバーガース・ベクトル(Burgers vector)がｃ−軸に沿って位置する。マイクロパイプの生成には、多数の原因が提案又は特定されている。これらには、シリコン又は炭素封入のような過剰材料、金属堆積のような外来性不純物、境界欠陥、及び部分的な転位の滑りが含まれる。例えば、Powell et al., Growth of Low Micropipe Density SiC Wafers（低マイクロパイプ密度ＳｉＣウエハの成長）、 Materials Science Forum, Vols. 338-340, pp 437-440 (2000)を参照のこと。
【００３１】
六角空乏は、結晶における平坦な六角形の小板状空洞であり、それらの直下に散在する中空管を有することが多い。マイクロパイプが六角空乏に伴うことが、ある証拠によって示されている。このような欠陥についての比較的新しい論述が、Kuhr et al., Hexagonal Voids and Formation of Micropipes During SiC Sublimation Growth（ＳｉＣ昇華成長における六角空乏及びマイクロパイプの形成）、Journal of Applied Physics, Volume 89, No. 8, page 4625 (April 2001)に記述されている。
【００３２】
最新の研究では、シード昇華技法において生成されるバルク結晶における問題は、シード自体、及びそれが物理的に処理される様式にその発生源がある可能性があることが指摘されている。例えば、Sanchez et al., Formation of Thermal Decomposition Cavities in Physical Vapor Transport of Silicon Carbide（炭化珪素の物理的蒸気輸送における熱分解空洞の形成）、 Journal of Electronic Materials, Volume 29, No. 3, page 347 (2000)。Sanchezは、「マイクロパイプ」という用語を用いて、「[0001]軸に平行又はほぼ平行に整列されたスーパー・スクリュー転位の中核において形成する、直径が０．１μｍ〜５μｍの範囲の近似的に円筒状の空乏」と記述している（Id. at 347）。Sanchezは、それよりも大きな空乏（直径が５μｍ〜１００μｍ）を「熱分解空洞」と呼び、マイクロパイプ及び分解空洞は異なる原因によって発生するという意見を述べている。
【００３３】
この仮説及び彼の実験成果に基づいて、Sanchezは、シード結晶の背面（成長面とは反対側）から成長システムへの「シリコン・リッチ蒸気」のマイグレーションが、熱分解空洞の原因となり、シードにおいて、次いで成長結晶においてマイクロパイプを生成することを示唆している。Sanchezは、「シリコン支持種(silicon bearing species)に対する連続拡散障壁」がこのような空洞を減少又は排除することを示唆している。Sanchezは、この目的のための炭化蔗糖障壁について記載しているが、この技法は「完全に再現可能ではない」ことを認めている。Idの252.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
したがって、単結晶炭化珪素のバルク結晶の品質を改良し続けるため、そして欠陥密度を低下させ続けるためには、シードにおける欠陥源を特定し、その取り組みに成功することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明は、直径が７５ｍｍ（３インチ）よりも大きく１２５ｍｍ（５インチ）より小さく、抵抗率が１０，０００オーム−ｃｍよりも高く、マイクロパイプ密度が２００ｃｍ−２よりも低く、浅準位のドーパントの総合濃度が５Ｅ１６ｃｍ−３未満である、単一ポリタイプ結晶炭化珪素ウエハを提供する。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明は、直径が７５ｍｍ（３インチ）よりも大きく１２５ｍｍ（５インチ）より小さく、抵抗率が１０，０００オーム・センチメートル（Ω−ｃｍ）よりも高く、マイクロパイプ密度が平方センチメートル当たり２００（ｃｍ−２）よりも低く、浅準位のドーパントの総合濃度が立方センチメートル当たり（ｃｍ−３）５Ｅ１６（５×１０１６）未満である、単一ポリタイプ結晶炭化珪素ウエハである。
当業者には十分に理解されようが、「単結晶」（又はそれと同等の「モノクリスタル」）という用語は、特にここに記載し特許請求するサイズの結晶については、これらが小面積、小領域、又は少量の他のポリタイプの炭化珪素を含有していても、このような大きな結晶に適用可能とする。つまり、単一のポリタイプが圧倒的に支配する、大きな高品質結晶ウエハを、ここでは「単結晶」と呼ぶ。
【００３７】
好適な実施形態では、ウエハの直径は約１００ｍｍ即ち４インチである。別途注記するが、メートル単位と英国単位との関係では、４インチ・ウエハは直径が１０１．６ｍｍとなる。当業者はこれらの要素を認識しており、本発明は直径が１００ｍｍ丁度のウエハだけでなく、直径が４インチ丁度のウエハにも該当することは勿論である。
本発明によるウエハは、高周波電力デバイス、高電力デバイス、高温デバイス、光電デバイス、及びＩＩＩ族窒化物堆積に適している。
【００３８】
ウエハは、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒポリタイプの炭化珪素から選択することができ、４Ｈポリタイプが現在では最も好ましい。ウエハは、３．５゜、４゜、及び８゜というような（しかし、これらに限定されるのではない）軸上方位又は種々の軸はずれ方位で使用可能である。一例として、軸はずれ、即ち、オフ−方位ウエハは、最も近い<11-20>方向の{0001}面上の投影における法線ベクトルの{0001}面上の表面への投影間の角度を指すことができる（ただし、必ずしもそうとも限らない）。
【００３９】
本発明によるウエハは、平方センチメートル（ｃｍ−２）当たりのマイクロパイプの数が２００未満であり、更に好ましくは平方センチメートル当たりのマイクロパイプが１００未満であり、更に好適な実施形態では、平方センチメートル当たりマイクロパイプは３０未満であり、低密度及び超低密度ではそれぞれ、平方センチメートル当たりマイクロパイプは１５未満及び５未満である。
【００４０】
ウエハは、単一研磨面を含み、シリコン又はカーボンのいずれかの面がエピタキシャル成長の準備ができていればよく、あるいは両面研磨し、シリコン又は炭素のいずれの面もエピタキシャル成長の準備ができていてもよい。ウエハは、化学機械式研磨で仕上げて、シリコン面をエピタキシャルに用いることができ、あるいは両面を化学機械式研磨して、シリコン面をエピタキシャルに用いることもできる。
ここで用いる場合、ウエハの直径とは、個々のウエハ各々の上でＡＮＳＩ認証のデジタル・キャリパを用いて手作業で行う幅測定法で、表面を横切る直線寸法のことである。
【００４１】
厚さは、ＡＮＳＩ認証の非接触ツールを用いて、中心点において測定する。平面性は、インゴット毎に１枚のウエハのサンプル上で、認証されたデジタル・キャリパを用いて同様に行う。１００ｍｍウエハでは、許容範囲は０．０１５インチ（０．３８ｍｍ）以内である。本発明によるウエハの標準的な厚さは、意図する最終使用に応じて、約３５０〜７００ミクロン（μｍ）の間である。
軸はずれ表面方位とは、格子構造内における結晶面に対するウエハの表面の方位のことである。表面方位は、ウエハの中心において、インゴット当たり１枚のウエハのサンプル上で、ｘ−線角度計を用いて測定する。
【００４２】
商用の目的では、主及び副双方のフラット(flat)を有するウエハが入手可能である。半導体用語では通常であるが、主フラットは、ウエハ上で最も大きな長さのフラットを表し、コート(court)が指定された低屈折率結晶面に平行となるように配向されている。主フラットは、インゴット当たり１枚のウエハ上で、角度測定を手作業で行う反射技法を用いて測定する。
副フラットは、主フラットよりも長さが短いフラットであり、主フラットに対する副フラットの位置がウエハの面を特定する。好適な実施形態では、個々のウエハ各々の炭素面に、半導体業界における定義及び特性と一致する光学キャラクタ認識互換フォントをレーザでマークする。
【００４３】
また、本発明によるウエハは、表面上に１〜５枚までのエピタキシャル層を備えることもでき、これらの層は、通常そして好ましくは、炭化珪素及びＩＩＩ族窒化物から成る群から選択される。これらの材料の各々の電子特性及び利点は、当技術分野では十分に認識されており十分に理解されているので、ここでは、これ以上詳細に論じないことにする。
本発明は、したがって、ウエハと、上述のエピタキシャル層とを組み込んだデバイスを含み、殆どの状況において、比較的大きな複数のこのようなデバイスがウエハ上に形成され、最終使用のために個々のデバイスに分離される前に、ウエハ上で検査される可能性がある。
【００４４】
本発明の半絶縁炭化珪素ウエハは、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＨＦＥＴ、ＨＥＭＴ、拡張ドレインＭＯＳＦＥＴ、及び横型ＤＭＯＳトランジスタのような、デバイスにしかるべき基板を設ける（個々の設計に応じて異なる）。
その半絶縁特性において、ウエハの窒素原子濃度は、約２×１０１５ｃｍ−３未満であり、バナジウム濃度は１×１０１４ｃｍ−３未満である。
好適な実施形態では、ウエハの抵抗率は、常温において少なくとも約５０，０００Ω−ｃｍである。
【００４５】
本明細書の別部分で明記したように、点欠陥の存在は、半絶縁特性に影響を及ぼす可能性があり、したがって、実施形態の中には、ウエハの点欠陥の濃度が５×１０１７ｃｍ−３を超過しない場合もある。
別の実施形態では、ウエハは、ドナー・ドーパントと、アクセプタ・ドーパントと、真性点欠陥とを備えることができる。一実施形態では、第１導電型のドーパント数は、別の（第２）導電型のドーパント数よりも大きく、優勢な第１の型のドーパントを補償するように作用する真性点欠陥の数は、第１の型のドーピングが第２の型のドーピングを支配する数値差よりも大きく、遷移元素の濃度は、１×１０１６ｃｍ−３である。
【００４６】
この実施形態の好適な態様では、第１型のドーパントはドナーであり、第２型のドーパントはアクセプタであり、真性点欠陥はアクセプタとして作用する。最も好ましくは、アクセプタは硼素を含む。他の実施形態におけると同様、ウエハにおけるバナジウムの濃度は、１×１０１４ｃｍ−３未満であることが好ましい。
【００４７】
別の実施形態では、本発明のウエハは、窒素と、単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４電子ボルトの電子エネルギ準位を有する少なくとも１つのアクセプタ元素とを含み、存在する１つのアクセプタ元素の量は、窒素を過剰補償し、炭化珪素基板のフェルミ準位を、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ準位に貼り付ける程度である。
【００４８】
別の実施形態では、ウエハは、ある量の電気的にアクティブな窒素、アクセプタとして作用し電気的にアクティブなある量の点欠陥、及び単結晶炭化珪素の価電子帯に対して０．３〜１．４電子ボルトの電子エネルギ準位を有する、ある量の少なくとも１つのアクセプタ元素とを含み、アクセプタ元素と点欠陥を合わせた量は、電気的にアクティブな窒素の量よりも多く、したがって炭化珪素単結晶のフェルミ準位を、少なくとも１つのアクセプタ元素の電子エネルギ準位に貼り付ける。
【００４９】
別の実施形態では、本発明によるウエハは、無作為で混入した窒素、スカンジウム、及び硼素を含み、窒素の濃度は、スカンジウムの濃度よりも高く、硼素の濃度は、硼素及びスカンジウムの総濃度に対して十分であり、窒素を過剰補償し、炭化珪素のフェルミ準位をスカンジウムの準位に貼り付ける。
【００５０】
本発明によるウエハの生産を向上させる多数の技法がある。
最初に、本発明者はいずれの特定の理論にも縛られることを望んでいないが、一態様では、熱力学的な意味で、適切な方法を最良に理解することができる。先に注記したように、本発明の目的の１つは、炭化珪素において半絶縁性を得るために、バナジウムの使用を回避することである。代わりに、本発明は、炭化珪素内に十分に大きな濃度の点欠陥状態を作成し、通常の半導体処理及びデバイス製造後に残留する濃度がなおも、半絶縁性を得るのに必要な数値を超過するようにしている。
【００５１】
炭化珪素の本質及び半絶縁特性の基礎に精通している者であれば、この要件を満たす点欠陥には具体的な数値即ち濃度がないことが明らかであろう。代わりに、目標は、導電性特性に寄与する可能性がある格子内における他のドーパント（点欠陥を含む）の濃度を極力抑え、そして、更にその濃度を、所望の半絶縁特性を生ずるアイテム、この場合、点欠陥とこれらが結果的に形成する状態の濃度が、上回ることである。
【００５２】
言い方を代えると、補償された結晶では、所望の深準位状態を生成する点欠陥の濃度、及びその結果得られる半絶縁特性は、浅補償ドーパントの正味の濃度よりも高くなければならない。したがって、炭化珪素の半絶縁補償結晶は、点欠陥の数が、アクセプタ及びドナー原子の濃度の差を上回るのであれば、これら双方の原子の濃度を比較的高くすることができる。この点欠陥の濃度は、あらゆる未補償の浅ドーパントをも超過するのに必要な濃度と表現することもできる。勿論、深「準位」自体が補償要素でない、即ち、深ドナーは浅ドナーを補償するのではないことは言外である。逆に、深アクセプタは浅ドナーを補償し、その逆も成り立つことは、当業者には認められるであろう。
【００５３】
しかしながら、一般に、潜在的に補償するドナー及びアクセプタ原子の数を最少に抑え、したがって相応する数値差を超過するのに必要な点欠陥の数を最少に抑える方が効率的であることが分かっている。例えば、（そして説明の目的でのみ）、ドナー原子の濃度が２Ｅ１７（２×１０１７ｃｍ−３）であり、アクセプタ原子の濃度が３Ｅ１７（３×１０１７ｃｍ−３）である場合、点欠陥の濃度は１Ｅ１７（即ち、３Ｅ１７−２Ｅ１７）よりも大きくなければならない。したがって、ドナー及びアクセプタ原子の数を最少に抑えることが、必ずしも本発明を実施する様式ではないが、好ましい。何故なら、これによって、結晶において半絶縁性を生ずるために発生させる必要がある状態の数が減少するからである。
【００５４】
別の態様では、本発明は、相応の量の深準位の捕獲元素がない場合に、高品質の半絶縁炭化珪素結晶を生成する方法である。この態様では、本発明は、炭化珪素結晶を、ソース・ガスからの炭化珪素の化学蒸着（ＣＶＤ）成長に必要な温度よりも高いが、環境条件(ambient condition)の下で高速の炭化珪素の昇華が発生してしまう不利な温度よりは低い温度に、炭化珪素結晶を加熱することにより、点欠陥の濃度、及びその結果生ずる結晶内の状態を熱力学的に増大させることを含む。
【００５５】
開始結晶は、純度が高いことが好ましく、米国特許第ＲＥ３４，８６１号（第４，８６６，００５号から再発行された）に記述されているように、又はMueller, Status of SiC Bulk Growth from an Industrial Point of View（産業の視点からのＳｉＣバルク成長のステータス）、 J. Crystal. Growth v.211 No. 1 (2000) pp325-332において論じられているように、シード昇華技法によって生成する。
【００５６】
次いで、本方法は、加熱した結晶を、十分に高い速度で冷却して常温に近づけ、第１濃度よりも高いままとなっている、冷却した結晶における点欠陥の濃度を維持する。
別の言い方をすれば、本方法は、加熱した結晶を、十分に高い速度で冷却して常温に近づけて、加熱工程によって生じた欠陥を含むがこれらには限定されない欠陥が十分な移動度を有し、結晶に再度アニールされる温度範囲において費やす時間を短縮することにより、このように加熱及び冷却を受けていないものと全く同じように成長した炭化珪素結晶におけるこのような状態の濃度よりも高い、点欠陥に関する深準位の濃度を有する炭化珪素結晶を生成することを含む。
【００５７】
炭化珪素は、単結晶炭化珪素ウエハ又は単結晶炭化珪素原石（原石は通例単結晶構造として定義される）の形態で加熱することができる。最も好適な実施形態では、結晶は、炭化珪素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒプロトタイプから選択したポリタイプを有する。更に好適な実施形態では、本方法は、補償した炭化珪素結晶を加熱及び冷却することを含み、最も好適な実施形態では、補償した結晶を加熱及び冷却し、最も集中したドーパントの量が約５Ｅ１６以下となる。先に明記したように、補償結晶を用いる場合、本方法は、結晶を加熱及び冷却して、点欠陥の数を、未補償の浅ドーパントの濃度よりも大きな量に増大させる。通常の状況の下では、冷却工程は、加熱した結晶を常温に冷却することを含む。したがって、別の態様では、本発明は、本発明の方法及びその種々の実施形態によって製作した半絶縁炭化珪素結晶である。
【００５８】
好適な実施形態では、炭化珪素結晶を加熱する工程は、結晶を少なくとも約２０００℃の温度に加熱することを含む。２０００℃は正確な下限でも必要な下限でもないが、点結晶の生成は、熱力学的に活性化されていると仮定され、恐らく温度とこれらの欠陥の濃度との間に指数的な関係を含む。有用な数の点欠陥は、２０００℃以上の温度において生成されることが観察されている。
好適な実施形態では、結晶を大気圧において約２，０００℃〜２，４００℃の間の温度まで加熱する。これらの温度は、大気圧において有用な範囲となる。２４００℃よりも高い温度では、炭化珪素は議論の余地がない程の高い速度で昇華することが多く、したがって２４００℃よりも高い温度は、大気圧では優位性が劣り、不利となる。
【００５９】
尚、炭化珪素の物理的特性に精通する者には理解されようが、昇華は比較的広い範囲の高温で発生する可能性がある。この範囲の低い部分では、昇華の速度は、殆ど又は全く問題にならない程低い。しかしながら、この範囲の高い部分では、昇華の速度は、不利になる程に高くなる。したがって、本発明の方法の温度上限は、ある程度、個々の状況において厄介となることがわかっている対象の昇華度によって拘束される。先に注記したように、大気圧においては、２４００℃が好都合な上限であることが分かっているが、これは絶対的なものではない。
【００６０】
温度を２０００℃以上に高くする目的は、熱力学的なものである。通常に予期される有り様では、結晶のエントロピは温度が高い程高くなり、したがって、温度が高い程、半絶縁性を生成することができる点欠陥及びその結果生ずる状態が多くなる。加えて、炭化珪素及び結晶の熱力学に精通する者であれば、温度が上昇するに連れて、低い温度では発生しない状態が存在しその数が増大する可能性がある。本発明にしたがって加熱した結晶を適正に冷却すれば、これら追加の種類の状態を保存することができ、所望の半絶縁特性に寄与する。
【００６１】
したがって、これらの温度に結晶を加熱することにより、生ずる結晶が一層不規則となり、本発明は、結晶を常温に戻すことにより、これらの望ましい状態を結晶内に（相対的な意味で）凍結する。冷却工程は重要である。何故なら、結晶が約１４００℃よりも高い温度というような中間の温度範囲で費やす時間が余りに長い場合、結晶は前述のアニーリング・プロセスを受け、異なる平衡又は略平衡状態に達する可能性があり、この状態では、結晶が規則正しく並ぶに連れて、状態が消失する（又は機能的に不相応な数に減少する）。
【００６２】
好ましい上限である２４００℃に関して、炭化珪素及び結晶成長技法に精通しているものには理解されるであろうが、これは、絶対的なものではなく、大気圧における実際上の限界である。言い方を代えると、２４００℃は、大気圧で動作する比較的典型的な機器を用いる場合に好ましい上限温度である。この分野において期待される通常の技術を有する者であれば、これよりも高い温度での加熱も、さほどの経験がなくても実行できようが、このような高温において統計的にかなりの量の炭化珪素の昇華が発生し始めるのを防止するために、重複シリコン及び炭素雰囲気(overlying silicon and carbon atmosphere)を組み込む、又は何らかの他の高圧技法を用いる、というような追加の機器及び技法を追加しなければならないであろう。
【００６３】
このため、本発明の方法は、結晶を実際と同じ位の温度まで加熱して、結晶の劣化や昇華を回避又は最小限にくい止めつつ、結晶内にできるだけ多くの状態を生成する。
加熱工程の間、結晶を少なくとも約２分の期間高温に維持することが好ましい。この間隔には、実用上及び機能的な考慮がある。実用上の観点からは、殆どの状況下では、炭化珪素結晶をこの温度まで加熱するに数分かかる。機能的な観点からは、これは、結晶が生成することが望ましい状態に対して平衡又は略平衡状態に達するのに十分な時間を与える。加熱時間は、現在では、所望の数の状態を有する結晶において熱的平衡又は略平衡を得るのに十分な時間と表現するのが、機能的には最良である。尚、結晶は、平衡という用語の最も適正な又は厳格な意味では、完全な平衡に達する必要なないが、ここでこの用語を用いるのは、結晶が所与の温度に到達し、所望数の状態を生ずるのに十分な時間その温度に維持する状態を記載するためである。
【００６４】
結晶を加熱する工程は、好ましくは、誘導型ヒータにおいて結晶を加熱することを含み、その場合、結晶を冷却する工程は（少なくとも）誘導コイルへの電力を低減することを含む。半導体製造における誘導加熱及びその動作方法は、一般に当技術分野では周知であり、特殊な実験をしなくても、本発明にしたがって組み入れることができる。このように、個々の誘導型ヒータは、特許請求の範囲に記載した発明にとっては重要ではないので、これ以上ここでは詳細に論じないことにする。加えて、他の種類の加熱も、そして特殊な実験をしなくても用いることができる。
【００６５】
一旦２０００℃以上の温度で所望の時間結晶を加熱したならば、結晶の移動性が高くなって消失したり、又はシステム内に再アニールされる温度範囲に無意味に長時間停留することを回避するように、これを冷却する。この好適な実施形態では、冷却速度が毎分約３０℃を上回ることが好ましく、毎分１５０℃の速度が有用な上限であると考えられる。
【００６６】
熱力学ならびに材料、特に比較的高温における材料の加熱及び冷却に精通する者には理解されるであろうが、冷却速度は、冷却プロセス全体にわたって一定であることも正確である必要もない。言い代えると、結晶が冷却している間、特に再アニーリングがかなりの速度で発生する可能性がある温度範囲において冷却している間、冷却速度は、好ましくは、毎分３０℃及び好ましい限度である毎分１５０℃の間の範囲であるとよい。通常のそして周知の熱力学上の理由のため、熱損失つまり冷却速度は、結晶が最高温度から冷却する際に最も速くなる傾向があり、結晶が低温に近づき到達するに連れて穏やかになる傾向がある。即ち、一旦再アニーリングがかなりの速度で発生する温度範囲よりも低く結晶を冷却したなら、冷却速度を低くしても、機能的な不利は生じない。したがって、個々の結晶を冷却する際、これを冷却する速度は、好ましい範囲である毎分３０℃〜１５０℃以内であれば変動してもよく、それでもなお本発明の方法を利用することができる。
【００６７】
冷却速度が低すぎると、状態が消滅(heal)し結晶が十分に規則正しくなって状態の数が、半絶縁特性を維持するのに必要な数未満に減少する温度範囲に、結晶を余りに長い時間停留させることになる。逆に、過剰に高い速度で冷却すると、熱応力が十分に大きい場合、破壊を含む力学的応力を結晶に生成する可能性がある。
【００６８】
好適な実施形態では、冷却工程は、受動及び能動双方の工程を含む。第１工程として、誘導型ヒータへの電力を低減するか、又は完全に遮断する。比較的高い温度に結晶を加熱した場合、初期の熱損失は放射熱損失である。温度が低下するに連れて、伝導及び対流冷却の機構が代わりに生ずる。したがって、冷却速度を更に促進し制御するためには、不活性ガス、通例、アルゴンを加熱室に注ぐことができる。加えて、結晶、及びそれが接触して置かれる材料の熱質量を用いて、冷却速度を制御するのに役立てることができる。つまり、冷却速度を制御するには基本的に３つあり、誘導コイル（又は抵抗加熱のような当技術分野において周知のその他のいずれかの相応の加熱機構）への電力を調節すること、炭化珪素結晶の周囲及び全体に冷却ガスを流すこと、ならびに、結晶及びヒート・シンクの使用のような、その周囲の熱質量を制御することが含まれる。これらは熱力学的条件であるので、これらは多数の異なる方法で対処することができるが、本発明には重要ではなく、特殊な実験をせずとも、当業者には実行可能である。
【００６９】
毎分約３０゜〜１５０℃の好ましい冷却速度は、約７０分未満で結晶を常温に冷却する、又はそれよりも速いペースで、結晶をほぼ常温に約２０分未満で冷却するというように表現することもできる。
【００７０】
本発明は、基板ウエハを含む、有益な半絶縁炭化珪素結晶を提供するので、本発明の方法は、更に、炭化珪素基板ウエハを約２０００℃（そして、好ましくは２０００゜〜２４００℃の間）に加熱する工程と、加熱したウエハ毎分少なくとも約３０℃の速度で常温に近づける（好ましくは、毎分１５０℃で近づける）工程と、次いで基板ウエハ上に１つ以上の半導体のエピタキシャル層を堆積する工程とを備えることができる。炭化珪素の利点は、多くの場合その広いバンド・ギャップ特性に関するので（これに限られる訳ではないが）、好適な実施形態では、エピタキシャル層を堆積する工程は、炭化珪素又はＩＩＩ族窒化物のような、別の広バンド・ギャップ半導体から成る群から選択したエピタキシャル層を堆積することを含む。炭化珪素の場合、エピタキシャル層を堆積する工程は、通例、約１４００℃よりも高い温度で実行する。先に注記したように、従来技術では、このような温度で実行する工程は、欠陥数が、基板がもはやしかるべき半絶縁特性を有さなくなるところまで減少する傾向があった。本発明は、「成長しつつある」結晶(as-grown crystals)と比較して、点欠陥及びその結果生ずる深準位状態の数を制御可能に増大する方法を提供するので、これら後の処理工程は、欠陥の一部が消失することが予測されても、結晶の半絶縁性を損なうことはない。
【００７１】
したがって、別の態様では、本発明は、本発明のこの態様及び実施形態によって生成したウエハ及びエピタキシャル層（複数のエピタキシャル層）を備えている。
本発明は、基板ウエハ又は単結晶原石上で実行することができ、基板は、その大きな表面対堆積比のために、当な又は破滅的な熱応力を受けることなく、本発明において有用な比較的高い速度で冷却することが可能であるので、基板の方が好ましい実施形態である。しかしながら、この実用的観点以外に、追加の状態を形成できる態様には、ウエハと原石との間には概念的な差はない。したがって、本発明は、炭化珪素原石を少なくとも約２，０００℃の温度に加熱する工程と、毎分約３０℃の速度で、加熱した原石を冷却して常温に近づける工程と、次いで原石から炭化珪素ウエハを薄切りし、次いで薄切りしたウエハ上に１つ以上の半導体のエピタキシャル層を堆積する工程を備えることもできる。
【００７２】
代替実施形態では、本方法は、単結晶原石から炭化珪素ウエハを薄切りする工程と、次いで薄切りしたウエハを大気圧にて少なくとも約２，０００℃の温度まで加熱する工程と、次いで加熱したウエハを少なくとも毎分３０℃の速度で冷却して常温に近づける工程と、その後、薄切りしたウエハ上に半導体材料のエピタキシャル層（複数の層）を堆積する工程とを備えることができる。
【００７３】
半導体ウエハの準備及びエピタキシャル層の成長に精通する者には周知のように、薄切りした炭化珪素ウエハは、一般に、薄切りした直後には用いられず、代わりに洗浄し研磨して、エピタキシャル成長に一層相応しい表面を準備する。一般に半導体材料、そして具体的には炭化珪素の研磨及び洗浄工程は、この技術分野では揺るぎ無く定着しており、特殊な実験をせずとも実施できるので、ここではこれ以上詳細には説明しない。
いずれの場合でも、本発明は更に、ウエハ及び１つ以上のエピタキシャル層を備えており、本発明の実施形態の方法にしたがって形成されたウエハ及びエピタキシャル層を組み込んだデバイスも備えることができる。
【００７４】
本発明は、いずれの特定のデバイスとの使用にも限定されず、半絶縁炭化珪素基板を組み込んだ、一般的に用いられるマイクロ波デバイスは、様々な種類の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、及びＤＭＯＳトランジスタを含む。半導体デバイス及びマイクロ波周波数動作に有用なデバイスに精通する者であれば、この一覧は限定ではなく、全てを網羅したのでもないことは認められるであろう。しかしながら、これは、ここに記載し特許請求の範囲に記載する発明が提供する利点の例示である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】明細書において言及する温度範囲、及び様々な異なる冷却速度を示す模式図である。
【図２】容量変化のケルビン単位の温度に対する変化を、深準位遷移分光分析（ＤＬＴＳ）によって測定したグラフである。
【図３】炭化珪素結晶サンプルの電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）評価から得た比較のための３つで１組のグラフである。
【図４】従来技術の従来のアルゴン雰囲気において成長した４Ｈ−炭化珪素結晶に対応する低温フォトルミネセンス・スペクトルを示す図である。
【図５】本発明による水素雰囲気において成長した４Ｈ−炭化珪素結晶に対応する低温フォトルミネセンス・スペクトルを示す図である。
【図６】この分野における科学論文から再現したマイクログラフであり、炭化珪素におけるマイクロパイプを示す図である。
【図７】この分野における科学論文から再現したマイクログラフであり、炭化珪素におけるマイクロパイプを示す図である。
【図８】炭化珪素のための従来の昇華成長システムの断面模式図である。
【図９】本発明に関係する、シード・ホルダ、シード結晶、及び成長する結晶の断面模式図である。
【図１０】本発明に関係する、シード・ホルダ、シード結晶、及び成長する結晶の断面模式図である。
【図１１】本発明によるシード・ホルダ及び炭化珪素シード結晶の断面模式図である。
【図１２】本発明に関する要素の一部の模式図である。
【発明の実施の形態】
【００７６】
図１は、本発明において用いられる温度範囲及び冷却速度を模式的に示す。１０で示す最上位の線は、炭化珪素の温度、好ましくは２，０００℃を表し、これよりも高い温度では、所望数の点欠陥が本発明による態様で生成される。言い方を代えると、本発明は、炭化珪素結晶をこの線で表す温度以上に過熱する工程を含む。
２番目に高い線は、１２で示されており、低い方の温度を表し（これは正確ではなく相対的な温度として理解すべきであるが、好適な実施形態では約１２００℃である）、高い方の温度線１０と共に、ある温度範囲（矢印１１で表す）を規定し、その範囲では、結晶をこの温度範囲内に、平衡又は略平衡状態に近づくのに十分な時間期間にわたって残留させると、温度線１０よりも高い温度で形成された状態が解消すると予測される。したがって、ここに記載する発明は、一旦多数の状態が生成されたならば、結晶が温度範囲１１内で費やす時間を最短に抑える。先に注記したように、結晶が図１において１１で模式的に示す温度範囲内にある間冷却速度を毎分約３０℃〜１５０℃の間に維持することは、特に有用である。
【００７７】
１４で示す３番目の線は、常温（２５℃、２９８Ｋ）を表し、常温と温度線１２との間に別の温度範囲（矢印１３で示す）を規定する。矢印１３によって象徴化された温度範囲が表す温度は、常温よりは高いものの発生し得る再整列の量が、半絶縁特性には統計的に無意味である範囲である。
どのような理由においても、通常、製造前、保存、出荷、又は使用中であっても、結晶は常に常温に冷却されていると予想することができる。しかしながら、線１０が表す温度よりも高く結晶が加熱され、次いで十分に速く、線１２が表す温度未満の温度に冷却されるのであれば、絶えず常温に達しているか否かには無関係に、本発明の作用効果が得られる。
【００７８】
３本の冷却線を、線１５、１６、及び１７として模式的に示す。図１の横軸は時間を表すので、線１５は最も低い冷却速度を表し、線１７は最も速い冷却速度を表すことが分かる。この意味では、長い曲線１５は、結晶が、矢印１１によって示される温度範囲で費やす時間は、線１６又は１７で示す冷却曲線を追従する結晶と比較して、遥かに長いことを示す。つまり、曲線１５は、模式的に、結晶の冷却に対する従来技術の手法（意図的又は無作為）を表し、一方線１６及び１７は、本発明の短縮した冷却工程を模式的に表す。先に注記したように、冷却速度がここに記載する機能的側面を満たすのであれば、速度は一定である必要はない。
【００７９】
図２は、深準位の所望の濃度が、成長温度が高い程、これとの相関があることを示す。図２は、深準位遷移分光分析（ＤＬＴＳ）によって測定した容量変化を温度に対してプロットしている。結晶温度（実線）が高い程成長する結晶サンプルの振幅が大きい（例えば、３００Ｋにおける）ことは、低い温度において成長したサンプル（破線）と比較して、深準位の濃度が高いことを表す。
【００８０】
一般に、深準位遷移分光分析は、半導体技術では周知であり、半導体における深準位を研究するために用いられる感度の高い方法である。この方法は、深準位がそれらのキャリアを放出するときに、これらが順方向バイアス・パルスによって荷電された後に、逆バイアスしたダイオードの容量変化に基づいている。放出速度はインドに依存し、各欠陥の種類毎に特徴的である。放出速度の温度依存性を用いると、深準位の活性化エネルギを決定することができる。例えば、ASTM International Test No. F978-02, "Standard Test Method for Characterizing Semiconductor Deep Levels by Transient Capacitance Techniques"（遷移容量技法によって半導体深準位を特徴付けるための標準的検査方法）を参照のこと。結晶を評価する他の技法には、容量対電圧（ＣＶ）技法や、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）を含むことができる。
【００８１】
図３は、炭化珪素結晶サンプルの電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）評価から得た比較のための３つで１組のグラフである。ＥＰＲは、材料のある特性を測定するための周知の技法であり、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）又は電子磁気共鳴（ＥＭＲ）としても知られている。ＥＰＲは、少なくとも１つの非対電子スピン(unpaired electron spin)を用い、磁界をかけた場合の常磁性イオン又は分子によるマイクロ波放射の共鳴吸収のプロセスを表す。本発明にしたがって結晶を分析する際、ＥＰＲを用いて、結晶バンド・ギャップにおいて深トラップ(deep trap)を占める電荷の数を測定する。連続的に可変する強い磁界内におけるマイクロ波エネルギの吸収の変化を測定することによって、ＥＰＲは、結晶格子内の種々の欠陥によって捕獲された電荷の非対スピンの数を検出する。ＥＰＲ測定は、しかしながら、トラップからの電荷を駆逐せず、単にその存在を検出するに過ぎず、したがって、同じサンプルを繰り返し分析することができる。
【００８２】
図３の３つのプロットは、（左から右に）従来と同様に成長した炭化珪素結晶、本発明にしたがって毎分３０℃の範囲で加熱及び冷却した炭化珪素結晶、及び本発明にしたがって毎分１５０℃の範囲で加熱及び冷却した結晶を表している。
【００８３】
図３の区間の各々は、同一のサイズとなっており、炭素空位のＥＰＲ信号の大きさ（任意の単位）（Ｖｃ）、即ち、半絶縁性を与える状態を与える点欠陥の種類の１つは、ＥＲＰが検出する欠陥中心の数に比例する。ＥＰＲに精通する者には周知であろうが、「ｇ−係数」（すなわち「ｇ−値」）は、電子トラップの種類に特徴的であり、マイクロ波周波数及び磁界強度に関係する。したがって、測定されたサンプル・サイズが、予期した実験誤差の枠内で同一であるとすると、炭素空位に対するＥＰＲ線の大きさ（最低値から最高値まで）は、サンプルにおける欠陥の濃度に比例する。つまり、図３は、成長したままの状態（左側のパネル）から、３０℃の冷却速度を用いた本発明のプロセス（真ん中のパネル）へ、そして１５０℃の冷却速度を用いた本発明のプロセス（右側のパネル）への、炭素空位の数の著しい増大（そして、結果的に得られる半絶縁性の改善）を示す。
【００８４】
別の態様では、本発明は、昇華によって成長した半絶縁炭化珪素結晶の窒素含有量を低減する方法、及びその結果得られる、窒素濃度を低減した高純度半絶縁炭化珪素結晶である。本発明の一実施形態は、水素又は水素含有環境雰囲気を、炭化珪素結晶を成長させる昇華成長室に導入する。これまでの標準的な昇華システムは、炭化珪素の成長においてアルゴン環境を利用する。本発明者は、窒素環境の方が、成長する結晶の窒素含有量を制御するには、その他の環境ガスよりも有用であることを発見した。
【００８５】
本発明の方法は、炭化珪素ソース・パウダ及び炭化珪素シード結晶を昇華成長室に導入することを含む。ソース・パウダは、その名称が暗示するように、成長室内に炭化珪素種のソースを与え、炭化珪素シード結晶が設ける成長面上に、炭化珪素結晶を成長させる。第１実施形態の方法は、水素環境成長室において炭化珪素ソース・パウダを昇華まで加熱することを含む。昇華成長室の水素環境を確立するには、水素ガスを、約０．１〜５０Torrの圧力、そして毎分約１０〜１０００標準立方メートル(sccm)の流速で成長室に導入する。
【００８６】
昇華プロセスは、成長室内における異なる領域の温度制御を必要とする。炭化珪素ソース・パウダを第１温度まで加熱する間、炭化珪素シード結晶が加熱され、第２温度に維持されて、ソース・パウダの温度に近づく。したがって、シード結晶の温度は、ソース・パウダの温度よりも低く、炭化珪素が昇華する温度よりも低い。シード結晶の温度を低くすることにより、ソース・パウダから昇華した種が、シード結晶上に凝縮するのを促進する。したがって、シード結晶は、所望の寸法で炭化珪素結晶を製作するための成長面を設ける。本方法は、所望量の炭化珪素結晶の成長がシード結晶上で生ずるまで、炭化珪素ソース・パウダを連続的に加熱することを含む。
シード結晶は、好ましくは、得られる成長結晶において望まれるポリタイプに応じて、炭化珪素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒポリタイプから選択したポリタイプを有する。シード結晶上に凝縮する炭化珪素の種は、シード結晶と同じポリタイプの炭化珪素結晶を成長させるのが最適である。
【００８７】
本発明は、熱勾配を、シート結晶の成長面とソース・パウダとの間に維持する。Ｒｅ３４，８６１号は、熱勾配をソース・パウダとシード結晶との間で維持するための種々の手段について記載している。勾配を達成するには、例えば、シード結晶とソース・パウダとの間に所望の幾何学的距離及び温度差を確立すればよい。あるいは、温度勾配は、炭化珪素パウダが昇華し炭化珪素結晶が成長する成長室内の各領域の温度を独立して制御することによって確立してもよい。
通例、炭化珪素ソース・パウダは、約２０００℃〜２５００℃の温度に維持する。一方、シード結晶は、ソース・パウダよりも低い温度である、約５０℃〜３５０℃の間の温度に維持する。
【００８８】
更に、本方法は、昇華成長の間、ソース・パウダ及びシード結晶を、成長する結晶において点欠陥の数が増大するのに十分高いそれぞれの温度に維持することを含む。点結晶は、窒素含有量が少ない程、得られる炭化珪素結晶が半絶縁性となる。
あるいは、点欠陥の数を増大させる工程は、ソース・ガスからの炭化珪素のＣＶＤ成長に必要な温度よりも高いが、環境条件(ambient condition)の下で高速の炭化珪素の昇華が発生してしまう不利な温度よりは低い温度に炭化珪素結晶を加熱することにより、点欠陥の濃度、及びその結果生ずる結晶内の状態を熱力学的に増大させ、次いで加熱した結晶を十分に高い速度で冷却して常温に近づけ、加熱工程によって生じた欠陥を含むがこれらには限定されない欠陥が十分な移動度を有し、結晶に再度アニールされる温度範囲において費やす時間を短縮することにより、このように加熱及び冷却を受けていないものの全く同じように成長した炭化珪素結晶におけるこのような状態の濃度よりも高い、点欠陥に関する深準位の濃度を有する炭化珪素結晶を生成する、前述の方法を採用することができる。
【００８９】
ここに記載する本発明の方法は、バナジウムのような深準位ドーピング元素を必要とせずに、半絶縁炭化珪素結晶の生産を可能にする。同一譲受人に譲渡された米国特許第６，２１８，６８０号において論じられているように、半絶縁炭化珪素を製作する従来技術の方法は、炭化珪素の価電子帯及び伝導帯間の準位においてエネルギ状態を形成するドーパントを組み込む。従来技術のこれらのエネルギ状態は、結晶の半絶縁品質を高めるには、伝導帯及び価電子帯双方から離れすぎている。炭化珪素に組み込まれる共通の深準位捕獲元素には、バナジウム及びその他の遷移金属が含まれる。本方法は、正確に制御することが非常に難しい場合もある、一層複雑なドーピング・レベルを拠り所とすることなく、半絶縁炭化珪素結晶の製作を可能にする。
【００９０】
本発明者が開発した方法は、炭化珪素ソース・パウダにおける深準位捕獲元素を、最低準位に保持することにより、製作プロセスを簡略化することも考慮する。炭化珪素ソース・パウダにおける深準位捕獲元素を、ここでは、「検出可能なレベル」未満の量で存在すると呼ぶ。これは、その元素が、最新の精巧な分析技術によっても検出できない量しか存在しないことを意味する。
【００９１】
即ち、少量の元素を検出するためのもっと一般的な技法の１つは二次イオン質量分光分析（「ＳＩＭＳ」）であるので、ここで言う検出可能な限度とは、１×１０１６（１Ｅ１６）、又は別の場合（バナジウムを含む）では、１Ｅ１４未満の量で存在するバナジウム又はその他の遷移金属のような元素のそれらの量である。これら２つの量は、ＳＩＭＳ技法を用いた場合の、殆どの元素（特に、バナジウム）に対する典型的な検出限界を表す。例えば、SIMS Theory - Sensitivity and Detection Limits（ＳＩＭＳ理論−感度及び検出限度） Charles Evans & Associates (1995), www.cea.com.参照。
【００９２】
ここに記載する本発明の方法は、成長室の環境雰囲気における水素濃度を制御することによって、成長する炭化珪素結晶に組み込まれる窒素の量を制御するのに役立つ。発明者は、いずれの特定の理論にも縛られることを望まないものであるが、結晶における窒素を抑制することに対する水素の有効性は、水素原子による炭化珪素成長面のパシベーションに帰せられる。実際、水素原子は、成長する結晶の表面における窒素原子の混入を阻止、低減、又は阻害する。
【００９３】
本発明の方法は、したがって、別の実施形態では、結晶に組み込まれる可能性がある窒素を制御するために、昇華成長室において炭化珪素結晶にパシベーションを設ける方法として記載することもできる。本発明の方法の第２実施形態は、窒素を含有する環境ガスを成長室内に導入し、炭化珪素ソース・パウダを、水素雰囲気の成長室において昇華まで加熱することを含む。ソース・パウダを加熱しつつ、同時に炭化珪素シード結晶を水素雰囲気の成長室において、ソース・パウダの温度未満の第２温度に加熱し維持する。シード結晶の温度は、ソース・パウダから昇華した種がシード結晶上に凝縮するように十分に低くする。
【００９４】
更に、水素パシベーション方法は、ソース・パウダ及びシード結晶を昇華成長の間、成長する結晶における点欠陥の数が増大するのに十分高いそれぞれの温度に維持する。点欠陥は、得られる炭化珪素結晶を半絶縁性にするのを促す。加熱、昇華、及び凝縮工程は、十分な数の点欠陥を半絶縁結晶に導入するように、十分高い温度で継続する。炭化珪素の堆積全体は、所望量の高純度半絶縁炭化珪素結晶がシード結晶上に成長するまで継続する。
【００９５】
水素の環境濃度は、成長室において、窒素の混入に対抗して、成長する炭化珪素結晶にパシベーションを与えるのに十分な程度に維持する。これによって、水素のパシベーションが、成長する炭化珪素結晶に組み込まれる窒素の量を制御する。本発明者は、いずれの特定の理論にも縛られることを望まないが、昇華成長炭化珪素結晶の分野における研究では、成長室の環境雰囲気における水素原子が、炭化珪素結晶における非対電子の数を低減することが示唆されている。Williamsに発行された米国特許第５，１５１，３８４号は、第２欄、３８〜７０行において、シリコン化合物上における窒素パシベーションの電子対形成について記載し、特許請求している。この非対電子の減少は、炭化珪素結晶が成長するに連れてこれと接合する可能性がある窒素原子の数の減少に対応する。
【００９６】
水素環境が窒素の混入を抑制する物理的機構を説明するための、代わりの説明も存在する。１つの説明では、炭化珪素結晶の水素パシベーションは、本質的に結晶成長面上の水素原子層であり、表面を窒素の混入から保護する。例えば、米国特許第５，７０９，７４５号（第２６欄、１８〜２４行）、米国特許第６，１１３，４５１号（第８欄、３８〜４４行）、及び米国特許第６，２０１，３４２号（第８欄、３３〜３９行）を参照。
【００９７】
最後に、１９９３年３月１２日に出願された公開ヨーロッパ特許出願第０５６１４６２Ａ２号（第１０欄、４２〜４８行）は、水素パシベーションを、炭化珪素結晶粒境界の間の空間に充填し、その中への窒素混入を防止することを記載している。本発明者は、炭化珪素の成長における水素の効果に関するこれらの記載のいずれも拠り所としているものではない。ここに開示する本発明の方法は、水素原子と成長する炭化珪素結晶との間の物理的及び科学的相互作用の組み合わせによって、窒素含有量の制御に成功している。本方法の結果、望ましい程に高い純度の半絶縁炭化珪素結晶の成長が得られる。
【００９８】
成長室への水素流速を、約０．１〜５０Torrの圧力において、毎分約８０〜１０００標準立方センチメートル(sccm)の間に制御することにより、成長室において十分な水素濃度が得られ、所望の結晶が生成する。本方法により、立方センチメートル（ｃｍ−３）当たり約２×１０１５未満の炭化珪素結晶を製作することに成功したことを立証することができた。好適な実施では、環境雰囲気における水素濃度により、窒素原子が約１×１０１５ｃｍ−３未満の炭化珪素結晶が得られる。得られた炭化珪素結晶の低窒素濃度は、深準位と結合され、１×１０５オーム−ｃｍ以上の抵抗率が得られる。
【００９９】
本発明の方法は、種々の別の用途においても有用である。例えば、水素含有環境において高純度の炭化珪素パウダを合成すると、ソース・パウダにおける窒素含有量が潜在的に減少する。この技法は、ほぼ無色の宝石材料の製造においても有用である。最後に、炭化珪素結晶における窒素混入の制御は、ＭＥＳＦＥＴ及びＨＥＭＴ高周波電子デバイスの製造に用いられる半絶縁結晶及び炭化珪素のウエハの製造における進歩を表す。ここに開示する技法は、炭化珪素結晶及びウエハにおいて非常に低い窒素レベルを達成する、効率的で単純な方法を提供する。実際、成長する結晶の窒素含有量を制御することによって、窒素濃度が非常に低いバルク・ウエハを生成することができる。これらの結晶から作られるウエハでは、現行の炭化珪素基板上に厚い高純度エピタキシャル層を成長させる必要がなくなる。
【０１００】
図４及び図５は、本発明が、昇華によって高純度半絶縁炭化珪素結晶を成長させる分野における著しい進歩を表すことを示すためのものである。水素環境は、結晶に組み込まれる窒素を制御し、半絶縁炭化珪素結晶の品質の信頼性を高める。図４は、従来のアルゴン環境にいて成長した４Ｈ−炭化珪素結晶に対応する低温フォトルミネセンス・スペクトルを示す。図５は、本発明にしたがって水素環境において成長した４Ｈ−炭化珪素結晶に対応する低温フォトルミネセンス・スペクトルを示す。
【０１０１】
図４及び図５に示す利点を理解する上で、背景の論述が役に立つ。これらの図は、炭化珪素結晶のフォトルミネセンス・スペクトルをプロットしており、特定の波長におけるルミネセント強度ピークを示す。これらのルミネセンスのピークは、考慮対象の炭化珪素結晶の窒素含有量に比例関係にある。Ivanov et al., Nitrogen Doping Concentration as determined by Photoluminescence in 4H- and 6H- SiC（４Ｈ−、及び６Ｈ−ＳｉＣにおいてフォトルミネセンスによって決定される窒素ドーピング濃度）、 Journal of Applied Physics, vol. 80, no. 6, September 15, 1996, pp.3504-3508を参照のこと。結晶における窒素濃度は、中性窒素中央(neutral nitrogen center)における電子及び正孔の再結合中における電子及び正孔のルミネセンスによって決定される。
【０１０２】
電子−正孔再結合の研究において、炭化珪素は、間接バンド・ギャップ半導体として知られている。電子遷移に精通する者には周知であるが、直接遷移が発生するのは、半導体において、価電子帯最大値と伝導帯最小値が同じモーメント状態を有するときである。これが意味するのは、結晶モーメントは、電子及び正孔の再結合の間容易に保存されるので、遷移によって生成されるエネルギは、大部分が効率的に光子内に行くことができる（即ち、熱ではなく光を生成する）。伝導帯最小値及び価電子帯最大値が同じモーメント状態を有していない場合、光子（即ち、振動エネルギの量子）が、結晶モーメントを保存するために必要となり、その遷移を「間接的」と呼ぶ。第３粒子、即ち、光子の必要性のため、間接的放射遷移は起こり難くなり、これによって結晶の発光効率が低下する。
【０１０３】
炭化珪素の間接バンド・ギャップは、正孔及び電子の直接的な再結合を妨げる。したがって、他の粒子とは独立した自由励起の直接非光子補助再結合は、不可能である。炭化珪素における電子及び正孔の再結合には、再結合した電子及び正孔間におけるモーメントの差を考慮するために、先に論じた光子の形成が必要となる。
【０１０４】
Ivanov et al.は、１９９６年に、モーメントの保存が必要であることを考慮するには、電子−正孔励起子を光子に結合するか、又は結晶内の不純物に結合するとよいと報告している。再結合のルミネセンス強度は、再結合した電子−正孔対を光子、又は窒素のような不純物のどちらに結合するかによって左右される。前述のIvanov et al., pp. 3504-3508を参照のこと。したがって、Ivanov et al.は、結晶における不純物の濃度は、不純物と対をなす電子−正孔再結合のルミネセンス強度と、光子と対をなす電子−正孔再結合のルミネセンス高度を比較することによって判定することができることを示す。
【０１０５】
ここで、図４及び図５は、これらの概念を示し、本発明の窒素低減方法の成功を示す。これらの図は、相対的なルミネセンス強度と、４Ｈ炭化珪素結晶の波長との関係を示す。ピーク・ルミネセンス強度をＱ０で示し、結晶における不純物としての窒素原子に結合された電子−成功再結合の強度に対応する。図において、低い方のルミネセンスの強度ピークは、光子結合再結合に対応し、その中で最も有意なのは、ここの趣旨では、Ｉ７５と印した再結合である。Ｉ７５は、最高強度の光子補助再結合であり、その対称的な線形状によって識別することができる（前述のIvanovの３５０５頁）。当技術分野の者には理解できるであろうが、Ｑ０のＩ７５に対する比率は定数となり、対象の炭化珪素結晶の窒素含有量を外挿補間するために用いることができる（前述のIvanovの３５０８頁）。
【０１０６】
図４には、従前のアルゴン環境雰囲気における昇華によって成長した４Ｈ炭化珪素結晶についてのルミネセンス強度がプロットされている。図４は、したがって、昇華によって成長した炭化珪素の面積(area)における従来技術を示す。外挿補間した窒素含有量は、得られた炭化珪素結晶の立方センチメートル当たり約３×１０１５窒素原子となる。
【０１０７】
図５は、本発明による水素環境雰囲気において成長した結晶に対応するルミネセンス・データを示す。このスペクトルに見られるように、Ｑ０のＩ７５に対する比率は０．６であり、立方センチメートル当たり３×１０１４窒素原子の結晶における窒素濃度に対応する。図５のデータは、昇華成長室における水素環境の存在により、結晶における窒素含有量がほぼ１桁減少したことを示している。図５は、したがって、成長室環境における水素濃度を用いれば、その中で成長する炭化珪素結晶の窒素濃度を低下させることができることを示す。得られる低窒素結晶は、所望通りの高純度半絶縁結晶である。
【０１０８】
更に別の態様では、本発明の方法は、成長室の環境雰囲気における水素濃度を制御することによって、成長する炭化珪素結晶に組み込まれる窒素の量を制御するのに役立つ。実際、水素は、成長する結晶の表面における窒素原子の混入を阻止、低減、あるいは阻害する。本発明者はいずれの特定の理論にも縛られることを望まないが、結晶において窒素を制御する際の水素の有効性は、２つの主要な機構に帰する。水素の存在によって誘発する第１の可能な機構は、窒素原子がＳｉＣ結晶格子内に定着(reside)することができる炭素−空位部位数の減少である。この炭素空位の減少は、ＳｉＣ昇華源から発する分子種のシリコン対炭素比に対する水素の影響によって、結晶組成が炭素濃厚に向かって移動することによって得られる。この機構は、理論的観点から、ＳｉＣ−Ｈ２系の熱力学に関する数件の論文において記載されている（例えば、Lilov et al., J. Crystal Growth 32 (1976) 170, Studies of Growth Processes in Silicon Carbide Epitaxial Layers from the Vapor Phase（気相からの炭化珪素エピタキシャル相における成長プロセスの研究）、及びRabeck et al., J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1024 Thermodynamic Considerations of the Role of Hydrogen in Sublimation Growth of Silicon Carbide（炭化珪素の昇華成長における窒素の役割の熱力学的考察）を参照）。窒素は炭素−空位部位において炭素副格子上に組み込まれるので、炭素空位の濃度を低下させれば、組み込まれる窒素の量は減少する。
【０１０９】
第２の可能な機構は、パシベーション機構であり、炭化珪素の成長面に水素原子によって直接パシベーションを設けることにより、窒素の混入を防止又は阻害することができる。
したがって、本発明の方法は、別の実施形態では、結晶内に組み込まれる可能性がある窒素を制御するために昇華成長室において成長する炭化珪素結晶にパシベーションを設ける方法として記載しても適切である。発明した方法の第２実施形態は、水素を含む環境ガスを成長室に導入し、水素環境の成長室において、炭化珪素ソース・パウダを昇華まで加熱することを含む。ソース・パウダを加熱しつつ、同時に炭化珪素シード結晶を水素雰囲気の成長室において、ソース・パウダの温度未満の第２温度に加熱し維持する。シード結晶の温度は、ソース・パウダから昇華した種がシード結晶上に凝縮するように十分に低くする。加熱、昇華、及び凝縮工程は、所望量の炭化珪素結晶の成長がシード結晶上で生ずるまで継続する。水素の環境濃度は、成長室において、窒素の混入に対抗して、成長する炭化珪素結晶にパシベーションを与え、これによって、水素のパシベーションが、成長する炭化珪素結晶に組み込まれる窒素の量を制御するのに十分な程度に維持する。
【０１１０】
本発明者は、いずれの特定の理論にも縛られることを望まないが、昇華成長炭化珪素結晶の分野における研究では、成長室の環境雰囲気における水素原子が、炭化珪素結晶における非対電子の数を低減することが示唆されている。米国特許第５，１５１，３８４号は、第２欄、３８〜７０行において、シリコン化合物上における窒素パシベーションの電子対形成について記載している。この種の非対電子の減少は、炭化珪素結晶が成長するに連れてこれと接合する可能性がある窒素原子の数の減少に対応する。
【０１１１】
先に注記したように、水素の直接流入によって成長室内に水素環境を確立することができる。あるいは、メタンのような炭化水素種を、純粋な水素の代わりに、成長室に導入してもよい。炭化水素種は、昇華の間用いられる高い成長温度においてひび割れし易いので、成長する結晶において窒素の減少に対して同様の効果が生ずる。ひび割れした炭化水素種は主に水素を生成し、これが成長室内において純粋な水素環境と同じ効果を有する。いずれの炭化水素でも、ソース・パウダ、シード、成長する結晶、成長プロセス、あるいは機器を妨害することなく水素を供給するのであれば、この目的を達成することができる。
更に別の態様では、本発明は、炭化珪素の昇華成長、限定ではないが、炭化珪素自体に関して記載することができる。
【０１１２】
本明細書の背景部分において注記したように、炭化珪素のシード昇華成長の一般的な側面は、長年の間に概ね揺るぎ無く定着している。更に、結晶の成長、特に、炭化珪素のような難しい材料系に精通する者であれば、所与の技法の詳細は、相応する状況に応じて、通常作為的に変更できることを理解するであろう。したがって、ここに行う説明は、一般的かつ概略的な意味で、当業者がここの開示に基づいて、特殊な実験を行うことなく、本発明の改良を実行できるという認識を持って行うのが最も適切である。
【０１１３】
図６は、炭化珪素デバイスにおける、マイクロパイプが原因の障害の顕微鏡写真である（V. Dmitriev et al., Large Area Silicon Carbide Devices Fabricated on SiC Wafers with Reduced Micropipe Density（マイクロパイプ密度を低下させてＳｉＣウエハ上に製作した大面積炭化珪素デバイス）、Materials Science and Engineering B61-62 (1999) 446-449）。
図７は、Bakin et al., State of the Art in Defect Control of Bulk SiC（バルクＳｉＣの欠陥制御における技術的現状）、 Invited Talk at the 1998 High Temperature Electronic Materials, Devices and Sensors Conference (1998), San Diego, Californima, pp. 2-13に明記されているような、マイクロパイプの別の顕微鏡写真である。図１及び図２は、例示の目的のため、そして本発明に対する文脈(context)を与えるために含まれている。
【０１１４】
背景技術において説明したように、最近の考えでは、シード結晶の裏面（成長面とは逆側）からの意図しない昇華がマイクロパイプ欠陥を引き起こし、シード全体に伝搬し、ついで成長する結晶内にも伝搬する。機能的な観点から、目標は、マイクロパイプのような関連する欠陥を極力抑えるか、又は排除しつつ、成長サイクル全体にわたって適正な成長形状を維持することである。
【０１１５】
ここではこのような効果について検討するが、本発明は、他の（あるいは、場合によっては殆どの）マイクロパイプ欠陥は必ずしもシード内で開始するとは限らず、むしろその成長の早期段階において成長する結晶において開始するという認識も含む。一方、本発明は、シード結晶及びシード・ホルダ間の物理的な関係が同様に、成長する結晶において欠陥が形成する又は形成するのが妨げられる度合いに影響を及ぼすという認識も組み込んでいる。
【０１１６】
一方、本発明は、シード結晶及びシード・ホルダの界面において一貫しない熱状況により、成長の変化が生ずることが多く、多くの場合成長する結晶においてマイクロパイプ欠陥となる可能性があり、多くの場合そうであり、そのように実証されるという認識も組み込んでいる。したがって、本発明は、シード結晶及びシード・ホルダ間に一貫した熱関係を確保するための種々の技法を提供する。
【０１１７】
言い換えると、シード−シード・ホルダ界面を跨ぐ温度プロファイルに一貫性がないと、このような熱の差は伝導して、シードと成長する結晶との間の成長界面に影響を及ぼす可能性がある。その結果シード−成長界面に生ずる熱的一貫性欠如が、成長するバルク結晶におけるマイクロパイプ欠陥の発生及び伝搬を促進することがわかっている。
【０１１８】
本発明の一態様では、一貫した熱状況を与えることは、シード及びシード・ホルダの分離を最小限に抑えて、伝導性熱転移が、シード及びシード・ホルダ間の実質的に区域全体における放射性熱転移を上回り、好ましくは支配することを確保することによって達成する。即ち、本発明によれば、シード結晶及びシード・ホルダが直接接触するときに至上の結果が達成されること、そしてそれぞれの接触面は常に１０μｍ以下、更に好ましくは５μｍ以下、そして最も好ましくは１μｍ未満を含む、２μｍ以下以内で、互いに一致することが発見されている。
【０１１９】
一方、このような関係は、平面からの逸脱が１０μｍ未満、更に好ましくは５μｍ未満、そして最も好ましくは２μｍ未満で潜在的には１μｍ未満であるシード結晶を用いることによって、促進することができる。
【０１２０】
更に、平面からの逸脱が１０μｍ以下であるシード・ホルダを用いることも、所望の関係を得るためには、同様に好ましい。シードの場合と同様、逸脱は、好ましくは、５μｍ以下、そして最も好ましくは２μ未満、そして潜在的に１μｍ未満であることが好ましい。加えて、シード結晶は内部では均質であるべきである。
【０１２１】
これらの許容度は、当技術分野において一般にこのような目的で必要であると認められているものよりも、少なくとも１桁精度が高い。例えば、直径７５ｍｍ（３”）のシリコン・ウエハは、厚さのばらつき合計（ＴＴＶ）が２５μｍ、最大の反りが４０μｍ、そして最大の歪みが４０μｍであれば、容認可能と考えられる（例えば、SEMI M1.2-89, "Standard for 3 inch Polished Monocrystalline Silicon Wafers（３インチ研磨単結晶シリコン・ウエハの標準規格）、 SEMI 1978, 1999）。
【０１２２】
ここで用いる場合、「反り」(bow)という用語は、ウエハが屈曲して曲線状になること、即ち、表面の平均位置からの中心点の逸脱である。多少異なるが、「歪み」(warp)という用語は、ウエハの所望の平面形状からのゆがみ(twist)又はねじれ(turm)、即ち、ウエハ全体で最大の「ピーク」から「谷」までの距離を意味する。
【０１２３】
シード及びシード・ホルダの間において所望の一致(conformity)を得ることは、多数の技法によって強化することができる。尚、理論的な観点から、シード及びシード・ホルダは、これらが１０μｍの許容範囲以内を遵守するのであれば、それぞれ任意の形状でも可能である。しかしながら、殆どの状況では、所望の一致を得る最も単純な方法は、双方のアイテムをできるだけ平面に作ることである。
【０１２４】
したがって、一態様では、本方法は、７５ｍｍ（３インチ）のシード結晶に対して、比較的厚いシード結晶、即ち、これまで用いられることが多かった６００〜７００μｍの代わりに、約１．４ｍｍ程度のシード結晶を用いることを含む。シードが厚い程、本発明の方法では、様々な利点が得られる。まず、厚さが大きいと、対応してシードの質量も増大するので、シードの総熱容量が大きくなり、シード・ホルダにおいて発生する温度差を一層効率的に和らげることができ、成長するシードに、シード−シード・ホルダ界面に存在するよりも少ない熱不一貫性を与える。また、炭化珪素の熱電導率が高いと、大きな（即ち、比例的に厚い）シードにおいて、薄いものよりも、温度差を素早くそして均一に和らげるのに役立つ。
【０１２５】
第２に、シードは厚い程、研磨し易いと言える。シードを研磨すると、本発明では少なくとも２つの利点が得られる。まず、先に記した平面性許容度に達しやすくなる。第２に、研磨は、シード結晶にある可能性がある表面下の損傷を低減又は排除するのに役立つ。本発明によれば、このような表面下の損傷がシード内に残っている場合、炭化珪素に用いられる高い成長温度が、高温においてこのような損傷をアニール（修復）することが多いことが発見されている。アニールした結晶は、常温において表面下の損傷によって生ずる力学的応力がないため、力学的に弛緩し易い。一方、弛緩した結晶は、形状が変化し易く、このため、望ましくなく問題となる熱不一貫性を生ずることが多い。
言い換えると、常温において基板欠陥によって生じた応力がありシードが平面であると、シードをアニールすることにより、応力が緩和され、ウエハが平面から逸脱することになる。
【０１２６】
第３の利点として、いずれの所与の直径でも、シードは、厚い程、成長温度を含むいずれの温度においても、他の要因が全て等しければ、単純に屈曲し難い。
【０１２７】
別の態様において、本方法は、シード・ウエハの両面ラッピングを行い、それを平面形状に加工することを含み、平面からの逸脱が１０μｍ未満、更に好ましくは５μｍ未満、そして最も好ましくは２μ以下とすることができる。あるいは、ウエハは、同じ目的のために、シード・ホルダの形状に合った形状に加工することもえきる。研削(grinding)又は研磨というような、その他の同等の方法も組み込むことができる。先に述べたように、目標は、全体的に、いずれの位置においても１０μｍよりも多い逸脱がないシードを生産することである。
【０１２８】
図８は、本発明が様々な改善をもたらす形式のシード昇華成長のための昇華システムの断面模式図である。本システムは、全体的に２０で示されている。殆どの典型的なシステムにおけると同様、システム２０は、グラファイト・サセプタ２１と、電流がコイル２２を通じて印加されたときにサセプタ２１を加熱する複数の誘導コイル２２とを含む。あるいは、システムによっては抵抗性加熱を組み込む場合もある。尚、これらの結晶成長技法に精通している者には理解されるであろうが、本システムは、更に、何らかの状況、例えば、水冷クオーツ・ベッセル(water-cooled quartz vessel)内に密閉することができる。しかしながら、このような更に別の封入体は本発明に対する関連が少なく、ここでは図や説明を明確にし易くするために省略することとする。加えて、当業者には、ここに記載する形式の炭化珪素昇華システムは、市販されており、更に必要性や適性に応じて個別に製作できることが明らかであろう。したがって、これらは、特殊な実験を行うことなく、当業者によって選択又は設計することができる。
【０１２９】
サセプタ２１は、通例、絶縁体によって包囲されており、その一部が図８において２３で示されている。図８は、絶縁体を全体的にサイズ及び配置が一貫したものとして示すが、絶縁体２３の配置及び量は、サセプタ２１に沿って所望の熱勾配（軸方向及び半径方向の双方）を設けるために用いることができることは、当業者には理解されるであろう。ここでも、簡略化の趣旨から、これら可能な変体(permutations)はここには例示していない。
【０１３０】
サセプタ２１は、炭化珪素パウダ・ソース２８を収容するための１つ以上の部分を含む。このようなパウダ・ソースを炭化珪素用のシード昇華成長技法に用いるのは、極めて一般的であるが、排他的ではない。図８は、パウダ・ソースを、サセプタ２１の下位部分に収容して示しているが、これは典型的な配置の１つである。他の珍しくない変形として、システムの中には、ソース・パウダを垂直な円筒状に分散し、ソース・パウダが包囲するサセプタの内部の部分が、図８に示す配置よりも、多くなるようにしている場合もある。ここに記載する発明は、両方の形式の機器において適宜に用いることができる。
【０１３１】
炭化珪素のシード結晶は、２４で示されており、通例サセプタ２１の上位部分に配置される。通例では、シード・ホルダ２５を用いて、シード２４を適所に保持する。シード・ホルダ２５は、しかるべき方法でサセプタに取り付けられている。これは、種々の休止(resting)又はねじ切り(threaded)構成を含むことができる。図３に示す配向では、シード・ホルダ２５の上位部分は、通例、グラファイト・サセプタ２１の最上位が含むように、ねじ切りを含み、シード・ホルダ２５をサセプタ２１の上面内にねじ込んで、シード２４を所望の位置に保持できるようにする。成長する結晶は、２６で示す点線の矩形で図示されている。
【０１３２】
昇華成長の概略的な方式については、本明細書の背景技術部分において簡単に説明しており、更にこの中で既に引用した多数の引例や、当業者には周知のその他の情報源においても記載されている。通例、サセプタ２１が応答する周波数を有する電流を誘導コイル２２に流して、グラファイト・サセプタ２１を加熱する。絶縁物２３の量及び配置は、サセプタ２１がパウダを昇華温度まで加熱するときに、パウダ・ソース２８と成長する結晶２６との間に熱勾配が生ずるように選択する。この温度は、通例、約２３００℃程度である。熱勾配を確立して、シード２４、そしてその後成長する結晶２６の温度を、炭化珪素の昇華温度付近であるがそれ未満に維持することにより、炭化珪素が昇華するときに生成する蒸発種(vaporaized species)（Ｓｉ、Ｓｉ２Ｃ、及びＳｉＣ２）が最初にシード結晶上に凝縮し、その後成長する結晶上に凝縮するのを熱力学的に促進する。一例として、米国特許第４，８６６，００５号は、シードを約２３００℃に維持することを示唆している。
【０１３３】
明確化の目的上、「熱勾配」という単独の用語をここでは用いるが、数種類の勾配がサセプタ２１内に同時に存在できることが望ましく、軸方向及び半径方向勾配のように、又は複数の等温線のように細分化できる。
温度勾配及びその他の条件（圧力、キャリア・ガス等）を適性に維持すれば、全体的な熱力学が、シード結晶２４と同じプロトタイプで、蒸発種が最初にシード結晶２４上に凝縮し、次いで成長する結晶２６上に凝縮するように促進する。
【０１３４】
図１２は、本発明に関係する要素の一部を誇張して示す模式図である。図７は、その性質上完全に模式的かつ例示的であり、倍率、正確な形状のいずれにおいても、特定の結晶を表すことも意図していない。
図１２ａは、全体的に３０で示す結晶シードを示し、３つの異なる種類の成長面が、それぞれ、３１、３２、及び３３で示されている。矢印３１で示されている成長面は凹状であり、本発明によれば、成長面が１０μｍよりも多く平面よりも逸脱している場合、過剰に凹状であると見なされる。
【０１３５】
矢印３３で示されている表面は、この場合も平面からの逸脱が１０μｍよりも多いので、過剰に凸状であると見なされる。
適切な平面が矢印３２によって示されており、結晶の使用可能な区域全体にわたって延びており、その境界が矢印３４で示されている。
【０１３６】
図１２ｂは、結晶表面の「局部」区域において発生する可能性がある問題を模式的に示しており、成長面が３６で示され、局部区域（ここではそう定義する）の寸法が水平矢印３７で示されている。矢印４０及び４１は、高局部湾曲の区域をそれぞれ示し、図１２ａに示した全体的に望ましくない成長形状と同様に、成長に不利益な影響を及ぼす可能性がある。
【０１３７】
本発明について説明するに当たり、多数の技法を開示することは言うまでもない。これらの各々には、個々の便益があり、各々を他の開示技法の１つ以上と共に、場合によっては全てと共に用いることもできる。したがって、明確化のために、この記述は、個々の工程のあらゆる可能な組み合わせを不必要に反復することを控えることとする。しかしながら、本明細書及び特許請求の範囲は、このような組み合わせが全て本発明及び特許請求の範囲に該当することとして、読むべきである。
【０１３８】
シード結晶の直径及び厚さの均衡の取れた寸法を考慮するに当たり、百分率、分数、又は比率のいずれで表すかには関係なく、本発明が提供する改善に関して、これらの割合は、ここに記載する大径シード結晶に関してそれらの発明的な意味を有することは言うまでもない。
したがって、ある実施形態では、相応の実施形態において、通常直径で表現する、結晶の絶対寸法を含むように、本発明を説明する。その中でも直径が５０ｍｍ（２インチ）、７５ｍｍ（３インチ）、及び１００ｍｍの単結晶が好ましい。
【０１３９】
本発明は、所望の直径の大きな結晶を得ることを可能にするように、成長環境におけるシード結晶の性質及び扱いの改良をもたらす。
別の意味では、ある種の電力デバイスは、デバイスが同等の従来のデバイスよりも通例物理的に遥かに小さい半導体の関連においてでも、一部のデバイスはそれでもなお比較的大きくなければならず、したがって大きな基板及び欠陥のない大きな単結晶を必要とするというような性質を有する。本発明は、このような大きなデバイスに必要な大きな結晶に関してその利点が得られる。つまり、以前の単結晶は、高品質であっても、ここに記載し本発明の結晶の絶対寸法と一致することができなければ、本発明の評価には無関係である。
【０１４０】
大型化した基板を必要としない状況又はデバイスにおいても、任意のバルク単結晶の使用可能な量を増大するという目標は、なおも存在する。本発明は、サイズに性能や商業的価値がない単なる概念的な文脈ではなく、このような大型化したバルク結晶に関してその利点をもたらすことができる。
【０１４１】
別の状況では、薄い断面形状を有するシード結晶を「厚い」と呼ぶことは、矛盾しているように見えるが、本発明の目標は、全体的な効率の目的では薄く、本発明の物理的及び熱的目的のためには十分に厚いシード結晶を提供することであることは理解されるであろう。言い換えると、他の条件全てが完全又は理想的である場合、必要なシード結晶の量は、最小以下であり、それでも尚、単一ポリタイプの成長をその表面上に促進することができる。逆の観点からは、炭化珪素が成長又は生産が容易又は安価な材料であるなら、シード結晶の厚さは効率の目的上では問題にならない。しかしながら、本発明では、目標は、各シード結晶の使用度を最大限高めることであり、薄いシードの使用を促進することになる。しかしながら、効率的に薄いシードに関しては、特許請求の範囲に記載する比率は、前述の問題を解決するのに役立つ。
【０１４２】
図９及び図１０は、本発明によるシード結晶における相対的なサイズ差を模式的に示す。双方の図において、シード・ホルダを２５で示し、シード結晶を２４で示し、成長シードを２６で示す。つまり、図９は従来の「薄い」シード結晶を（認められる程度に強調して）示し、一方図１０は本発明による、比例的に薄くした結晶を示す。
【０１４３】
別の実施形態では、本発明は、炭化珪素のシード昇華成長における改良であり、炭化珪素シード結晶の両面をラッピングして、そうしなければシード結晶の裏面からの昇華や、シード全体に及ぶ望ましくない温度差を促進する、結晶におけるあらゆる歪みや反りを極力抑えるか又は排除し、その後ラッピングした結晶を用いてシード昇華成長を開始させ、その後実質的にシードと同じ直径のバルク単結晶を成長させることを含む。好適な実施形態では、シードの直径は少なくとも５０ｍｍ（２インチ）であり、最も好ましくは、それよりも大きく、７５ｍｍ（３インチ）及び１００ｍｍの直径を含む。
【０１４４】
第１実施形態では、比例的に厚くなる結晶を得る目的は、結晶が露出される高温が、これらの高温によって発生する熱応力の下で、結晶を歪めたり又は反らせるのを防止することである。次の実施形態において、目標は同様である。即ち、望ましくない結晶成長効果がシード結晶において、特にシード結晶の裏面において又はここから行われるのを防止することである。しかしながら、この実施形態では、シード結晶をラッピング及び研磨することにより非常に滑らかで平坦な表面が得られ、成長の間シード全域において局在化した温度差や物理的な差が発生し難くなるのに役立ち、更に、実施形態の中にはシード結晶及びシード・ホルダ間にあると識別されることもある１つ又は複数の空間を最小限に抑えるか又は排除するのにも役立つ。
【０１４５】
典型的な技法では、結晶をラッピングするには、研磨スラリを硬質面と共に用い、かなり大量の材料を素早く除去し、その後同様のスラリを用いるが、以前よりも軽くそして軟らかい面を用いて研磨して、半導体材料の仕上げ面を生成する。このような技法は当技術分野分野では周知であり、当業者によって特殊な実験を行わなくても選択し用いることができ、したがってここではこれ以上詳細に説明しないこととする。
【０１４６】
別の実施形態では、本発明は、シード昇華成長における改良であり、シード結晶に対する歪み力を最小限に抑えるか又は排除しつつ、坩堝内にシード結晶を配置することにより、シード結晶の裏面からの昇華や、シード全体に及ぶ望ましくない温度差を促進するように歪み力が結晶を歪ませたり又は反らせるのを防止することを含む。
ここでも再び、目的は、昇華成長の間、シードにおける望ましくない欠陥の発生を防止するように、シード結晶の性質及び位置決めを用いることにより、これらの欠陥が成長するバルク結晶内に伝搬するのを防止することである。
【０１４７】
この実施形態では、本方法は、好ましくは、シード結晶をシード・ホルダ上に位置付け、シード・ホルダ及びシード結晶をシード昇華システムの坩堝部分内に配置する。最も好ましくは、これは、シード結晶をエッジ・リング・シード・キャップ内に実装し、エッジ・リング・シード・キャップをシード・ホルダ内に位置付け、これによってシード結晶に加えられる力学的力を最小限に抑え、更にそのシード・ホルダ上への実装によって生ずる、シード結晶におけるあらゆる歪みを最小限に抑えるか又は排除することを含む。
【０１４８】
リングに加えられる下方力は直接測定されていないが、他の測定及び技法からの推察により、この力は約１ニュートンであると推定され、リングは、この量の力をシード結晶の外側の１ｍｍに加えるような直径である。
【０１４９】
図１１は、この種のエッジ・リング・シード・キャップ２７を示している。他の共通要素は、図９及び図１０におけると同じ参照番号を付けている。つまり、エッジ・リング・シード・キャップ２７は、シード結晶２４を支持し、その後成長する結晶２６を支持する。一方、エッジ・リング・シード・キャップ２７は、シード・ホルダ２５にねじで取り付けられており、シード・ホルダは、図８に模式的に示すシステム全体に組み込まれている。
先に注記したように、この実施形態は、実施形態以前の利点を含むことができる。即ち、結晶は熱的な目的のためには十分に「厚く」することがおでき、望ましい滑らかな表面を得るために両面ラッピングを施すことができる。
【０１５０】
更に別の実施形態では、本発明による改良は、昇華成長に先だってシード・ホルダをアニールして、炭化珪素昇華温度における結晶成長の間、シード・ホルダを大きな歪みから防止することによって、欠陥を発生させ成長するバルク結晶内に伝搬させる主要因となる、シード全体にわたる温度差を最小限に抑えるか又は排除することができる。その後、本方法は、シード結晶によってシード昇華成長を開始し、次いでシード結晶と実質的に同じ直径のバルク単結晶を成長させる。
【０１５１】
シード・ホルダをアニールする時間及び温度プロファイルは、殆どの適したサセプタやシード・ホルダにおいて通例用いられているグラファイトのような材料の比較的周知な特性や特性に基づいて、特殊な実験を行うことなく当業者によって選択することができる。グラファイト製シード・ホルダを用いる特定的な実施形態では、しかしながら、本方法は、少なくとも約３０分の間、少なくとも約２５００℃の温度で、シード・ホルダをアニールする。
【０１５２】
関連用語は、当業者には理解されるであろうが、確認の目的のために、「均一」という用語は、目又は顕微鏡で観察した場合の、一貫性のある表面のことを指す。また、「均一」は、横方向寸法においてウエハの直径から僅かに１０μｍ程下までの区域の範囲に対する一貫性のことも指す。「平坦」という用語は、結晶がこのような領域において基本小平面(basal facet)を形成することを意味する。また、平坦は、１度未満の傾斜でもあり、「多少凸」という用語は、４０ｃｍ未満の曲率半径のことを言う。したがって、表面が「過度に凸」であるのは、その全体的な凸状が先に述べたレベルを超過している場合であり、表面が「過度に凹」であるのは、成長面が、先に述べた角度（好ましくは１度）よりも多く平坦から逸脱している場合である。
【０１５３】
また、炭化珪素結晶の成長に精通する者には、この望ましくない湾曲(curvature)は、シード全体ではなく局在化した区域に発生する可能性があるが、影響は同一であり、これを回避すべきことは理解されるであろう。このような局在化した領域は、直径が１０μｍ程度の小さな区域（又は、不規則な場合、その最大直径にわたって）から、通例５０ｍｍ（２インチ）、７５ｍｍ（３インチ）、又は１００ｍｍ程度であるウエハの直径全体までの区域である。
【０１５４】
この態様では、本方法は、好ましくは、結晶の使用可能な直径全域において、最初の５００μｍから１０ｍｍの結晶成長の間、平面性を多少凸な成長面に維持することを含む。この態様の一部として、成長の早期段階における成長結晶の形状は、現在まで一般に認識されているよりも重要であることが発見されている。従来、成長は、成長が完了したとき、又は観察できる程に大きくなったときに得られたバルク結晶全体が凸状の表面を有していれば満足できると見なされていた。対照的に、本発明は、早期段階における凹状の成長は、マイクロパイプを発生する要因となることが多く、最終結果がしかるべく凸状面となっているバルク結晶であっても、結晶全体に伝搬するという認識の下で成り立っている。本明細書で注記したように、従来の考え方は、マイクロパイプがシード結晶の裏面（非成長面）において発生し始めると信じている。対照的に、本発明は、マイクロパイプは前面（シード成長界面）において発生し始め、その場所及びあらゆる場所でその回避に取り組まなければならないと認識の下での発明である。
【０１５５】
「使用可能な区域」という用語は、当業者によって同様に理解され、基板を製作するために選択され用いられる結晶の区域を表す。一例として、結晶は、７５ｍｍの直径部分を切除する目的のためには、１５０ｍｍの直径に成長させ、この小さい部分からウエハを形成するという場合がある。このような場合、使用可能な区域は、この選択された７５ｍｍの部分によって表される。別の例として、１５０ｍｍ結晶を切断して直接１５０ｍｍウエハとすることもでき、その中心部の７５ｍｍ直径部分のみが高品質の材料であり、外側の部分は品質が低い材料となる。この場合、使用可能な区域は、高品質（低欠陥レベル）領域を指すことになる。
【０１５６】
５００μｍ〜１０ｍｍの早期成長厚さに対して好ましい制御は、以前の作業とは対照的に本発明を定義し、炭化珪素の原石を生産し、次いで研磨し、切断し、場合によっては成長させ、平坦な上面が得られる。対照的に、本発明は、平坦なシードで成長を開始する工程を表す。
いずれの特定の表現や承認にも捕らわれることなく、本発明者は、厚さが１０ｍｍ程度の小さい結晶では、ここに開示し特許請求の範囲に記載する形状（平面）特性を呈したことが全くなかったと確信する。５００μｍの下限に関して、これは、本発明を、５００μｍ凹状に成長を行い次いで平面化する成長プロセスから区別する、合理的な一般的境界を表す。
【０１５７】
更に、本方法は、昇華坩堝において温度分布を用いて均一な平面を生成し、多少凸状の成長面を均一にすることを含む。当技術分野では一般に周知であるが、坩堝における温度プロファイルは、様々な異なる技法を用いて制御して、所望の勾配、等温線、又はその他の温度効果を得ることができる。ある程度まで、これらのプロファイルは、シリコン及び炭素ガス種を含むソース材料を坩堝に導入する位置によっても影響を受ける可能性がある。
【０１５８】
ある実施形態では、シード・ホルダをグラファイトで作り、有機材料を加えることによってグラファイトの密度を高め、成長条件下における材料の熱均一性を高める。正確な密度測定値（及びその変化）は決定されていないが、満足のいく結果が得られることがわかっている有機材料は、フルフリル・アルコール及びフェノール（"Novalac"）樹脂の２．１：１の比率での混合物のような、アルコールと樹脂の混合物を含む。今日まで、シード・ホルダの高密度化に基づく成長の改良は、経験的な観察を表す。本発明者はいずれの特定の理論にも縛られることを望まないが、可能な説明は、多孔性グラファイトはシードの裏面から望ましくない昇華を発生させ易いという考察、又は多孔性グラファイトは一定しない熱特性を呈するという考察を含む。
【０１５９】
フェノール樹脂は、一般に化学技術では周知であり、当業者であれば、特殊な実験を行うことなく、しかるべき化合物を選択することができる。端的な概要として、フェノール樹脂は、フェノール又は置換フェノールのアルデヒドとの凝縮生成物である。フェノール樹脂は、熱硬化性であり、硫黄や窒素のような、最終シード・ホルダ内に鋳造又は成形欠陥を発生させる恐れがあり、ここに記載する昇華技法において一般に不利となる元素を含まない。
【０１６０】
別の態様では、シード・ホルダは、グラファイトであり、その熱膨張係数に関して、炭化珪素シード材料と選択的に一致させて、シード・ホルダ内のシードとのギャップが１０μｍを超過しないことを確保するのに役立てる。グラファイトは、多数の等級が市販されており、この目的に適したグラファイトは、特殊な実験を行わなくても、当業者であれば選択することができる。
【０１６１】
本発明の別の態様では、シード結晶及びシード・ホルダ間の熱一貫性を達成するに当たり、結晶の使用可能区域の実質的に全体において、放射熱移転が伝導性熱移転を上回るのを促進する配置で、シード及びシード・ホルダを分離する。この実施形態は、以前の実施形態と同じ主題、目標、及び機能を有する。即ち、シード及びシード・ホルダ間の熱不一貫性（通例、伝導性のもの）を回避することである。
【０１６２】
しかしながら、この態様では、熱一貫性を達成するには、シード及びシード結晶間に十分なギャップを設計し保持して伝導性熱移転を避けるようにして、不一貫性の伝導性熱移転の潜在性を回避し、シード又は成長する結晶における欠陥を促進する。ここで用いる場合、「ギャップ」という用語は、シード及びシード・ホルダ間の距離のことであるが、必ずしも空の空間を記述することには限定されない。
つまり、ギャップには所望の材料であれば、固体でも、液体でも、気体でも、任意のものを充填することができ、あるいは、要求される目的に適しており、特に昇華成長を妨害しないのであれば、真空であっても可能である。
【０１６３】
背景技術において記したように、シード結晶の裏面からの昇華（「熱食刻」）が観察されており、欠陥を発生させる可能性がある。したがって、別の態様では、薄膜をシードの背面に被着し、その表面の熱食刻を防止するか、又はシード及びシード・ホルダ間に望ましくない伝導性熱移転を生ずる、シードの裏面上の昇華成長を防止することができる。薄膜は、拡散障壁を形成し、炭化珪素が障壁を貫通して昇華するのを防止する。薄膜は、成長温度において昇華、溶融、又は蒸発せずに安定したままであり、昇華成長技法を特に妨害しない材料から選択する。適した材料には、必ずしも限定ではないが、グラファイト、ある種の耐熱金属、及び炭化チタンのような金属炭化物が含まれる。
【０１６４】
他の実施形態におけると同様、炭化珪素シード結晶は、好ましくは、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒポリタイプの炭化珪素から成る群から選択したポリタイプを有するように選択する。
加えて、本明細書に記載する方法は、互いに排他的ではなく相補的であり、したがって、工程のいくつかを同時に又は順次用いて所望の結果を達成することができる。更に、本方法は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム・ガリウム、及び窒化アルミニウムのようなその他の半導体材料についても同様の利点を有する。
【０１６５】
更に別の実施形態では、本発明は、シードからの炭化珪素昇華に対して蒸気障壁を与え、シード及びバッキング剤間の熱伝導率の差を最小限に抑えて、シード全域の温度差を最小限に抑えるか又は排除し、同様にシードの裏面からの、そうしなければ欠陥を発生させてシードの背面から成長面へ伝搬させる、蒸気輸送(vapor transport)を最小限に抑えるか又は排除する、低孔性バッキング材料を用いて、シード・ホルダ上にシード結晶を位置付けるシード炭化珪素成長における改良を備えている。即ち、バッキング材料は、昇華成長温度におけるその熱膨張係数が、ＳｉＣシード結晶の熱膨張係数とできるだけ近いものを選択するとよい。
【０１６６】
ここで用いる場合、シード結晶の「背面」又は「裏面」は、シード・ホルダに面する表面を指す。したがって、シード結晶の「前面」は、バルク成長が行われる表面を表す。
この場合も、本実施形態の技法は、成長の間シード結晶の利権からの昇華を防止するという目標と一貫性がある。何故なら、そのような昇華は、シード結晶内に又はこれを貫通し、その後成長するバルク単結晶内に又はこれを貫通する欠陥を発生する原因となるからである。
【０１６７】
この実施形態の別の態様では、高温接着剤を用いてシードをシード・ホルダ上に位置付けることができる。高温接着剤の一例にはグラファイト糊が含まれる。
この実施形態の更に別の実施形態では、本方法は、しかるべき材料を用いてシード結晶をシード・ホルダに接合することを含むことができる。
【０１６８】
図面及び明細書には、本発明の好適な実施形態を明記し、具体的な用語を用いたが、これらは、限定の趣旨ではなく、総括的かつ記述的な意味で用いられており、発明の技術的範囲は特許請求の範囲に規定されている。
【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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