(57)【要約】      （修正有）【課題】デバイス製造のために改善された特性が与えられているＳｉＣバルク単結晶を製造する方法及び単結晶ＳｉＣ基板を提供する。【解決手段】ＳｉＣバルク単結晶２を製造する方法において、成長坩堝３の結晶成長領域５にＳｉＣ成長気相９が生成され、中心縦軸１４を有するＳｉＣバルク単結晶２をＳｉＣ成長気相９からの堆積によって成長させ、このとき堆積は成長しているＳｉＣバルク単結晶２の成長境界面１６のところで行われ、ＳｉＣ成長気相９が、少なくとも部分的に、成長坩堝３の備蓄領域４にあるＳｉＣソース材料６から供給され、窒素、アルミニウム、バナジウム及びホウ素からなる群に属する少なくとも１つのドーピング物質を含んでいる。結晶成長領域５はＳｉＣ表面区画と炭素表面区画とによって区切られ、ＳｉＣ表面区画割合を炭素表面区画割合によって除算することで得られるＳｉＣ／Ｃの面積比率が常に１よりも小さい値を有するように選択される。【選択図】図１
2011256096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣバルク単結晶（２）を製造する方法において、
ａ）成長坩堝（３）の結晶成長領域（５）にＳｉＣ成長気相（７）が生成され、中央の中心縦軸（１４）を有するＳｉＣバルク単結晶（２）をＳｉＣ成長気相（９）からの堆積によって成長させ、このとき、堆積は成長しているＳｉＣバルク単結晶（２）の成長境界面（１６）のところで行われ、
ｂ）ＳｉＣ成長気相（９）が、少なくとも部分的に、前記成長坩堝（３）の備蓄領域（４）にあるＳｉＣソース材料（６）から供給され、窒素、アルミニウム、バナジウム及びホウ素からなる群に属する少なくとも１つのドーピング物質を含んでいる、そのような方法において、
ｃ）前記結晶成長領域（５）は、ＳｉＣ表面区画と炭素表面区画とによって区切られ、これらの表面区画は、ＳｉＣ表面区画割合を炭素表面区画割合によって除算することで得られるＳｉＣ／Ｃの面積比率が常に１よりも小さい値を有するように選択されることを特徴とする方法。
【請求項２】
ＳｉＣバルク単結晶（２）は、前記中心縦軸（１４）に対して垂直に、結晶直径（Ｄ）を有する円形の横断面を有しており、前記結晶成長領域（５）は前記中心縦軸（１４）の方向で成長領域長さ（Ｌ）に亘って延びており、前記成長領域長さ（Ｌ）は、前記結晶直径（Ｄ）の半分よりも長くなるように選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＳｉＣ／Ｃの面積比率について０．０１よりも小さい値が選択される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記結晶成長領域（５）を区切っている前記成長坩堝（３）の側壁は３層で構成されており、外側層（１３）については第１のグラファイト材料が、中間層（２５）については炭素粉末が、内側層（２６）については前記第１のグラファイト材料よりも多孔性である第２のグラファイト材料が、用いられる、請求項１から３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
前記内側層（２６）の前記第２のグラファイト材料について、グラファイトの理論上の最大密度２．３ｇ／ｃｍ3の６０％よりも低い密度が採用される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記中間層（２５）の炭素粉末について、少なくとも９０％が、最大で２５０μｍの平均粒度を有する粒子が使用される、請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
前記ＳｉＣソース材料（６）は、炭素粉末からなる層（２７）で被覆され、更に、この炭素粉末は、前記ＳｉＣソース材料（６）とは反対の側で、グラファイトの理論上の最大密度２．３ｇ／ｃｍ3の６０％よりも低い密度を有する多孔性のグラファイト材料で被覆される、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
最初に注入される前記ＳｉＣソース材料（６）で２０％から４０％の間の過剰炭素が供給される、請求項１から７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項９】
成長しているＳｉＣバルク単結晶（２）の前記成長境界面（１６）が、複数の局所的な成長ステップと、前記中心縦軸（１４）の方向で最も遠くまで突出する一つの成長フロント点（３０）とを有しており、前記成長境界面（１６）については前記成長フロント点（３０）の周囲の中心領域（２９）でも実質的に湾曲した形状が備えられ、それにより、前記中心領域（２９）にある局所的な前記成長ステップのうち少なくとも１つに対して垂直に向き且つ前記成長境界面（１６）に位置する、任意の長さ１ｍｍの部分区間の始点から終点の間で、前記中心縦軸（１４）の方向に測定した少なくとも１０μｍの軸方向の高低差（Δｈ）が生じる、請求項１から８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】
基板主表面（３５）と基板厚み（ｔ）とを備える単結晶ＳｉＣ基板において、前記基板主表面（３５）の広さ４ｍｍ2の正方形の任意の第１の部分面について前記基板厚み（ｔ）を基準として求めた局所的な固有電気抵抗が、広さ４ｍｍ2の正方形の任意の第２の部分面の局所的な固有電気抵抗に対して最大で４ｍΩｃｍだけ相違しているＳｉＣ基板。
【請求項１１】
任意の前記第１の部分面の局所的な固有電気抵抗が、任意の前記第２の部分面の局所的な固有電気抵抗に対して最大で２ｍΩｃｍだけ相違している、請求項１０に記載のＳｉＣ基板。
【請求項１２】
前記基板主表面（３５）が少なくとも１００ｍｍの直径（Ｄ）を有している、請求項１０又は１１に記載のＳｉＣ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣバルク単結晶を製造する方法及び単結晶ＳｉＣ基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、その卓越した物理的、化学的、電気的及び光学的な特性に基づき、特にパワーエレクトロニクス半導体デバイス、高周波デバイス及び光生成をする特殊な半導体デバイスの出発材料として利用されている。このようなデバイスのためには、できる限り広い基板直径と、できる限り高い品質と、できる限り均一な固有電気抵抗とを有するＳｉＣ基板（＝ＳｉＣウェーハ）が必要である。
【０００３】
ＳｉＣ基板のベースとなるのは高価なＳｉＣバルク単結晶であり、これは物理的気相堆積によって製作されるのが通常であり、特に、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている昇華法により製作される。このようなＳｉＣバルク単結晶から円板状の単結晶ＳｉＣ基板が切り出され、次いで、この基板にデバイス製造の一環として、特にＳｉＣからなる少なくとも１つのエピタキシャル層が設けられる。デバイスの品質及び信頼度は、特に、昇華成長中にドーピング物質添加によって生じられる局所的な電気抵抗が、どれくらい均一に分布しているかにも左右される。ＳｉＣ基板におけるドーピング物質濃度の横方向の変動は、不均一なデバイス特性につながり、当該デバイスがＳｉＣ基板のどの個所に配置されるかによって、デバイスの全面的な不具合につながることさえある。ＳｉＣ基板は、例えば裏面接触によってデバイスの能動部品の一つに含まれるので、ＳｉＣ基板に生じる欠陥及び／又は不均一性、例えばドーピング不均一性、即ち抵抗分布の変動、はデバイスの特性に影響を及ぼす。即ち、その品質は、成長したＳｉＣバルク単結晶の品質及びそこから得られたＳｉＣ基板の品質に大きく左右される。
【０００４】
従来式の昇華成長中には、成長しているＳｉＣバルク単結晶の成長境界面に様々に異なる部分領域が形成される。中央の領域又は少なくとも中央に近い領域では、結晶成長ステップのステップ高さに対するステップ奥行（又はステップ幅）の比率の非常に高い、ほぼ平坦で平滑な表面構造（＝表面モルフォロジー）が生じる。このファセット領域は、移行領域で取り囲まれており、移行領域に続いて、結晶成長ステップのステップ高さに対するステップ奥行の比率がほぼ均衡のとれた、湾曲していて粗い表面構造をもつ縁部領域がある。上述した各部分領域は、それぞれのドーピング物質濃度に関しても部分的に著しく相違しており、それに伴って、それぞれの局所的な電気抵抗に関しても相違している。縁部領域は成長境界面の最大の割合を占めているので、現在のところ、成長条件は縁部領域が所望のドーピング物質濃度を有するように選択されている。このことは、ファセット領域が強くドーピングされすぎ、そこから製作されるデバイスの品質が低くなり、最悪のケースでは使い物にならない可能性もあるという結果につながる。
【０００５】
ファセット形成の現象及びデバイス製造にとってのファセット領域の利用不能性については、例えば特許文献３の要約に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第６，７７３，５０５Ｂ２号明細書
【特許文献２】ドイツ特許第１９９３１３３２Ｃ２号明細書
【特許文献３】特開平２００８−２９０８９５Ａ号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の課題は、デバイス製造のために改善された適性が与えられている、ＳｉＣバルク単結晶を製造する方法及び単結晶ＳｉＣ基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のＳｉＣバルク単結晶を製造する方法は、
ＳｉＣバルク単結晶（２）を製造する方法において、
ａ）成長坩堝（３）の結晶成長領域（５）にＳｉＣ成長気相（７）が生成され、中央の中心縦軸（１４）を有するＳｉＣバルク単結晶（２）をＳｉＣ成長気相（９）からの堆積によって成長させ、このとき、堆積は成長しているＳｉＣバルク単結晶（２）の成長境界面（１６）のところで行われ、
ｂ）ＳｉＣ成長気相（９）が、少なくとも部分的に、前記成長坩堝（３）の備蓄領域（４）にあるＳｉＣソース材料（６）から供給され、窒素、アルミニウム、バナジウム及びホウ素からなる群に属する少なくとも１つのドーピング物質を含んでいる、そのような方法において、
ｃ）前記結晶成長領域（５）は、ＳｉＣ表面区画と炭素表面区画とによって区切られ、これらの表面区画は、ＳｉＣ表面区画割合を炭素表面区画割合によって除算することで得られるＳｉＣ／Ｃの面積比率が常に１よりも小さい値を有するように選択されることを特徴とする方法である。
本発明による方法は、成長坩堝の結晶成長領域にＳｉＣ成長気相が生成され、中央の中心縦軸を有するＳｉＣバルク単結晶をＳｉＣ成長気相からの堆積によって成長させる方法である。このとき堆積は、成長しているＳｉＣバルク単結晶の成長境界面のところで行われる。ＳｉＣ成長気相は、少なくとも部分的に、成長坩堝の備蓄領域にあるＳｉＣソース材料から供給され、窒素、アルミニウム、バナジウム及びホウ素からなる群に属する少なくとも１つのドーピング物質を含んでいる。結晶成長領域は、ＳｉＣ表面区画と炭素表面区画とによって区切られる。これらの表面区画は、ＳｉＣ表面区画割合を炭素表面区画割合によって除算することで得られるＳｉＣ／Ｃの面積比率が、常に１よりも小さい値を有するように選択される。
【０００９】
本発明では、横方向の不均一な抵抗分布につながる、従来の不都合な成長境界面のファセット領域、移行領域及び縁部領域への三分割がほぼ回避される。これに代えて、本発明による昇華成長法により、ファセット領域のない又は少なくとも重要なファセット領域のない、ＳｉＣバルク単結晶が製作される。このことは、中心縦軸のまわりの中央部でも縁部領域と類似する成長条件が整えられ又は同一の成長条件さえも整えられることによって実現される。特に、成長しているＳｉＣバルク単結晶の成長境界面は、中央部において、縁部領域のそれと少なくとも同等である結晶成長ステップのステップ形状を有している。このことは、特に、ＳｉＣバルク単結晶製造の全期間について当てはまる。中央部では、ステップ高さの大きさがステップ奥行と類似する結晶成長ステップを有する、粗い表面構造も生じているのが好ましい。特に、ステップ奥行は、ステップ高さの最大５倍の大きさである。即ち、ステップ高さに対するステップ奥行の比率は、中央部において、そのほかの成長境界面付近の全ての個所と同じく、１から５までの範囲内にあるのが好ましい。それにより、成長境界面付近の全ての個所でも、ドーピング物質の注入について同一の条件又は少なくとも類似する条件が成立するので、成長しているＳｉＣバルク単結晶では、実質的にどの個所でも均一なドーピング物質濃度が生じることになり、その結果として、事実上、どの個所でも同一又は類似する大きさの局所的な固有電気抵抗が生じることになる。横方向（及び好ましくは軸方向）における抵抗分布は非常に均一であり、特に、従来のＳｉＣバルク単結晶においてファセット領域から縁部領域への横方向の移行部で生じるような、跳躍的な変化を有していない。
【００１０】
本発明の方法では、成長途中におけるＳｉＣ成長気相へのドーピング物質添加は、成長しているＳｉＣバルク単結晶の実質的にどの個所でも所望のドーピング物質濃度が生じ、それに伴って所望の固有電気抵抗が生じるように調整される。上に説明したようにファセット領域が形成されないので、（従来はドーピングが強すぎる）ファセット領域を高価値なデバイス製造のために切り離し高価な基板面を使えなくするという、従来の非効率的な作業も不要である。
【００１１】
更に、本発明では、ファセット領域の好ましい排除は、ＳｉＣ成長気相中で調製される過剰炭素によって実現できることが見出されている。過剰炭素は、特に、ＳｉＣバルク単結晶生成の全期間に亘って生じ且つ成長境界面に直接存在するか又は成長境界面のすぐ手前に存在しているのが、好ましい。ＳｉＣ成長気相におけるケイ素（Ｓｉ）に比べて高い炭素（Ｃ）の割合は、本発明によると、ＳｉＣ表面よりも高い割合の炭素表面で結晶成長領域が区切られることによって実現される。ここで、これらの表面は普遍的に理解されるべきものであり、幾何学的な外側寸法によって把握可能な表面を含んでいるだけでなく、ＳｉＣ成長気相が同じく接触ないし相互作用することができ、特に粉末状又は著しい多孔性の材料の場合に特別に重要となる場合がある「内部の」表面も含んでいる。従って、ＳｉＣ表面区画は、特に、好ましくは粉末状のＳｉＣソース材料の、結晶成長領域との境界面を含んでおり、更に、成長しているＳｉＣバルク単結晶の成長境界面をも含んでいる。それに対して炭素表面区画は、特に、結晶成長領域を側方で区切る、好ましくはグラファイト材料からなる、成長坩堝の壁部を含むことができる。
【００１２】
全体として、本発明の成長方法により、実質的にファセットのないＳｉＣバルク単結晶を生成することができ、それにより、局所的な電気抵抗のほぼ均一な横方向分布が生じる。従来製作されているＳｉＣバルク単結晶における大きな抵抗変動は、本発明に基づいて製作されたＳｉＣバルク単結晶には存在していない。即ち、本発明に基づいて製作されたＳｉＣバルク単結晶は、高い品質を特徴としており、特に半導体デバイスを製造するために、効率的に二次利用することができる。
【００１３】
１つの好ましい側面では、ＳｉＣバルク単結晶は、中心縦軸に対して垂直に、結晶直径Ｄを有する円形の横断面を有しており、結晶成長領域は中心縦軸の方向で成長領域長さＬに亘って延びており、成長領域長さＬは、結晶直径Ｄの半分よりも長く、特に最大で２５０ｍｍであるように選択される。このとき、本発明によるＳｉＣ成長気相の過剰炭素は、結晶成長領域を区切る部分面の幾何学的観点から実質的に導き出すことができる、設計的な方策に基づいて出現させられる。このとき、ＳｉＣ表面区画は、ほぼ円形の２つの境界面によって、即ち、ＳｉＣソース材料の表面と成長境界面とによって、形成される。成長しているＳｉＣバルク単結晶の結晶直径Ｄは、成長の過程で変化する可能性、特に増える可能性、がある。軸方向では、各結晶直径Ｄは、例えば最大で約２０％だけ、変動する可能性がある。結晶直径Ｄの上限は、結晶成長領域における坩堝内部空間の断面積によって与えられる。即ち、円筒形の坩堝内部空間を想定すると、その内部空間は、ＳｉＣバルク単結晶の最大の断面積についてもＳｉＣソース材料の表面積についても、主要な幾何学パラメータとなる。それに応じて、両方の円形のＳｉＣ境界面の総面積は、π×（Ｄ／２）2＋π×（Ｄ／２）2＝２×π×（Ｄ／２）2によって与えられ、ここでＤは、一方では最大の結晶直径を表すとともに、他方では坩堝内部空間直径も表している。炭素表面区画は、グラファイト材料から製作される成長坩堝の円筒形の内壁によって規定され、２×π×（Ｄ／２）×Ｌに従って算出され、ここでＤは、やはり坩堝内部空間直径を表しており、Ｌは結晶成長領域の成長領域長さを表している。炭素表面区画がＳｉＣ表面区画よりも大きいという本発明の条件を考慮すると、これら両方の面積計算規則から条件Ｌ＞（Ｄ／２）が得られる。即ち、成長領域長さＬは、（最大の）結晶直径Ｄの半分よりも長く調整される。成長領域長さＬが増えるにつれて、それにより実現される過剰炭素も多くなる。但し、成長領域長さＬは２５０ｍｍよりも長くないのが好ましい。そうしないと、ＳｉＣソース材料から成長境界面への材料輸送が十分な規模で確保できなくなり、又は、著しい追加コストをかけないと確保できなくなるからである。
【００１４】
別の好ましい側面では、ＳｉＣ／Ｃの面積比率について０．０１よりも小さい値が選択される。その場合、炭素表面区画はＳｉＣ表面区画よりもはるかに大きくなり、それによって、特別に好ましい非常に多い過剰炭素がＳｉＣ成長気相で生じることになり、中心部の成長境界面が特別に大きく湾曲し、ないしは、特別な特徴をもつ成長ステップを含むことになる。成長中には、Ｓｉの非常に豊富な気相が高温のＳｉＣソース材料から結晶成長領域へ輸送される。ケイ素が炭素と反応してＳｉＣとして成長するためには、特に、できる限り広い炭素含有表面、例えばグラファイト表面、を、結晶成長領域の壁部で利用できるのが望ましい。このことは、特に、本来の（幾何学的な）外表面よりも広い「内部の」表面を有する、多孔性又は粉末状の材料の使用によって、具体化することができる。粒度の小さい粉末を使用する場合、「内部の」表面を特に外側表面よりも数次広くすることができ、それにより、０．０１よりも小さいＳｉＣ／Ｃの面積比率を容易に実現することができる。
【００１５】
別の好ましい側面では、結晶成長領域を区切っている成長坩堝の側壁は３層で構成されており、外側層については第１のグラファイト材料が、中間層については炭素粉末が、そして内側層については第１のグラファイト材料よりも多孔性である第２のグラファイト材料が、用いられる。それにより、特別に高い炭素表面区画割合が達成される。その理由は特に、内側の、特に中間層の広い「内部の」表面にある。内側層の第２のグラファイト材料は、外側層の第１のグラファイト材料よりも多孔性で密度が低いが、それにも拘らず、内側層は機械的に安定しており、中間層のばらばらの炭素粉末を壁部に固定する。更に、内側層は、その多孔性に基づき、Ｓｉの豊富な気相が中間層の炭素粉末へアクセスするのを可能にする。炭素粉末は、その広い「内部の」表面に基づき、Ｓｉの豊富な気相を炭素で飽和させる。
【００１６】
別の好ましい側面では、内側層の第２のグラファイト材料について、グラファイトの理論上の最大密度２．３ｇ／ｃｍ3の６０％よりも低い密度が採用される。内側層について採用される第２のグラファイト材料は、一方では、中間層の炭素粉末を固定するための十分な機械的安定性を提供するとともに、他方では、中間層から、及び中間層への物質輸送のための十分な多孔性を提供する。
【００１７】
別の好ましい側面では、中間層の炭素粉末について、少なくとも９０％が、最大で２５０μｍ、好ましくは最大で５０μｍ、の平均粒度を有する粒子が使用される。それにより、中間層の炭素粉末は、好ましい特別に小さい粒度を有している。粒度が小さいほど、Ｓｉの豊富な気相のガス種類にとって到達可能な、中間層の材料の「内部」の表面が広くなる。
【００１８】
別の好ましい側面では、ＳｉＣソース材料は、炭素粉末からなる層で被覆され、更に、この炭素粉末は、ＳｉＣソース材料とは反対の側で、特にグラファイトの理論上の最大密度２．３ｇ／ｃｍ3の６０％よりも低い密度を有する多孔性のグラファイト材料で、被覆される。即ち、ＳｉＣソース材料は炭素含有材料からなる二重層で被覆され、ばらばらの炭素粉末からなる下側の層が、その上に配置された多孔性グラファイト材料からなる層によって固定される。このような方策により、炭素表面区画割合がいっそう高くなる。
【００１９】
別の好ましい側面では、最初に注入されるＳｉＣソース材料に２０％から４０％の間の過剰炭素が供給される。かくして、既にＳｉＣソース材料において、炭素割合がケイ素割合を上回っており、特に２０モル％から４０モル％、典型的には約２５モル％だけ上回っていることによって、ＳｉＣ成長気相における過剰炭素の形成が支持される。
【００２０】
別の好ましい側面では、成長しているＳｉＣバルク単結晶の成長境界面は、複数の局所的な成長ステップと、中心縦軸の方向で最も遠くまで突出する一つの成長フロント点とを有しており、成長境界面については、成長フロント点の周囲の中心領域でも実質的に湾曲した形状が備えられ、それにより、この中心領域に存在する局所的な成長ステップのうち少なくとも１つに対して垂直に向き且つ成長境界面に位置する、任意の長さ１ｍｍの部分区間の始点から終点の間で、中心縦軸の方向に測定した少なくとも１０μｍ、好ましくは少なくとも１００μｍ、の軸方向の高低差Δｈが生じる。
【００２１】
その場合、成長境界面は特にどの個所でも実質的に均一なステップ形状を有しており、それにより、ファセット領域の形成が格別に効果的に抑制され、成長しているＳｉＣバルク単結晶への、ほぼ均一なドーピング物質の注入が行われる。
【００２２】
本発明の単結晶ＳｉＣ基板は、基板主表面（３５）と基板厚み（ｔ）とを備える単結晶ＳｉＣ基板において、前記基板主表面（３５）の広さ４ｍｍ2の正方形の任意の第１の部分面について前記基板厚み（ｔ）を基準として求めた局所的な固有電気抵抗が、広さ４ｍｍ2の正方形の任意の第２の部分面の局所的な固有電気抵抗に対して最大で４ｍΩｃｍだけ相違しているＳｉＣ基板である。
本発明による単結晶ＳｉＣ基板は、基板主表面と基板厚みｔとを備える基板であり、基板主表面の広さ４ｍｍ2の特に正方形の任意の第１の部分面について基板厚みｔを基準として求めた局所的な固有電気抵抗は、広さ４ｍｍ2の特に正方形の任意の第２の部分面の局所的な固有電気抵抗に対して、最大で４ｍΩｃｍだけ相違している。
【００２３】
特にＳｉＣ基板は、最大で２０ｍΩｃｍ、例えば１５ｍΩｃｍ又は１６ｍΩｃｍ、の基板主表面の全体を基準として求めた全般的（＝平均の）固有抵抗値を有することが可能である。そのためにＳｉＣ基板は少なくとも１つのドーピング物質でドーピングされているのが好ましく、この少なくとも１つのドーピング物質は、窒素、アルミニウム、バナジウム及びホウ素からなる群に属する元素である。
【００２４】
全体として本発明によるＳｉＣ基板は、基板面主領域における局所的な固有電気抵抗の特別に均一な分布を特徴としており、従って、低い不良率で特に高価値なデバイスを効率的に製造するのに卓越して適している。それに対して、従来のＳｉＣ基板を用いたデバイス製造では、従来式のＳｉＣ基板における不均一に分布した電気抵抗の故に、低い歩留り及び／又は高い不良率が引き起こされる。即ち、本発明によるＳｉＣ基板は、例えば半導体デバイスを製造するための基板として、特別に有利に適用することができる。
【００２５】
このように均等に分布する特に低い電気抵抗をもつ単結晶ＳｉＣ基板は、従来存在しておらず、ここで説明している本発明の方法ないしその側面に基づいて製作されたＳｉＣバルク単結晶から初めて製作することができ、例えば、そのようなＳｉＣバルク単結晶からの連続式の円板状の切断又はソーイングによって製作することができる。このようなＳｉＣ基板の基板主表面は、特に、ＳｉＣバルク単結晶の成長方向に対して実質的に垂直に向いている。
【００２６】
本発明によるＳｉＣ基板は、半導体デバイスを製造する用途に関わる産業上の要請を満たすものである。基板主表面に対して垂直に測定したこのようなＳｉＣ基板の基板厚みは、特に約１００μｍから約１，０００μｍの範囲内、好ましくは約２００μｍから約５００μｍの範囲内、であり、基板厚みは、好ましくは最大で２０μｍの、基板主表面全体に亘って観察した全般的な厚み変動を有している。更に、互いに向かい合う両方の基板主表面のうち少なくとも一方は、好ましくは最大で３ｎｍの、表面粗さを有している。このＳｉＣ基板は、ある程度の機械的な安定性を有しており、特に自立的である。実質的に丸い円板形状を有しているのが好ましく、即ち、基板主表面は事実上円形である。場合によっては、円周の縁部に設けられる少なくとも１つの識別マーキングに基づき、厳密に円形形状とは僅かな相違が生じる可能性がある。
【００２７】
１つの好ましい側面では、任意の第１の部分面の局所的な固有電気抵抗は、任意の第２の部分面の局所的な固有電気抵抗に対して最大で２ｍΩｃｍだけ相違している。その場合、極めて均一な横方向の抵抗分布が成立するので、このＳｉＣ基板は、特別に不良率の低いデバイス製造のための要求事項又は特別に高価値なデバイスの製造のための要求事項も、満たしている。
【００２８】
別の好ましい側面では、基板主表面は、特に少なくとも７６．２ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ又は２５０ｍｍの値をとることができる、特別に大きい直径Ｄを有している。基板直径が大きくなるほど、単結晶のＳｉＣ基板を、例えば半導体デバイスの製造のために、いっそう効率的に二次加工することができる。それによって半導体デバイスの製造コストが削減される。このように大きい直径をもつＳｉＣ基板は、例えば約１ｃｍ2の底面を有する比較的大型の半導体デバイスの製造にも使用できるという利点がある。但し、結晶直径ないし基板直径が増すにつれて、本発明の製造方法で意図される過剰炭素を具体化するのは難しくなる。ＳｉＣ／Ｃの面積比率は、結晶直径ないし基板直径の増加にともなって減少する。その原因は、ＳｉＣソース材料と成長境界面との間の距離、即ち結晶成長領域の成長領域長さＬ、を任意に広くすべきではないということにもある。特にこの長さは、その都度の結晶直径ないし基板直径に関わりなく、例えばＳｉＣソース材料から成長境界面への適正な輸送を確保するために、可能な限り常にほぼ同じ大きさであるのがよい。その意味で、大きい結晶直径をもつＳｉＣバルク単結晶を製作するときの過剰炭素は、成長領域長さＬの増加によってではなく、それ以外の方法での炭素面積割合の増加によって、例えば炭素材料の「内部の」表面積の増加又は追加の配置によって、行うのがよい。即ち、その意味において、できる限り均一な抵抗分布をも更に有する、ほかならぬ大型のＳｉＣ基板の場合に、上で説明したファセット領域抑圧のための方策が結晶成長プロセス中に実行されると、特別に好都合である。
【００２９】
本発明の上記以外の構成要件、利点及び具体的事項は、図面を用いた以下の実施例の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】昇華成長によってＳｉＣバルク単結晶を製作するための成長装置の一実施例である。
【図２】従来のＳｉＣバルク単結晶を示す断面図である。
【図３】従来のＳｉＣバルク単結晶を示す平面図である。
【図４】追加の炭素外装を成長坩堝に備える、ＳｉＣバルク単結晶を昇華成長させるための成長装置の実施例である。
【図５】追加の炭素外装を成長坩堝に備える、ＳｉＣバルク単結晶を昇華成長させるための成長装置の別の実施例である。
【図６】図１、図４及び図５のいずれか１つの成長装置によって製作されたＳｉＣバルク単結晶の実施例を示す断面図の部分拡大図である。
【図７】図１、図４及び図５のいずれか１つの成長装置によって製作されたＳｉＣバルク単結晶の実施例を示す平面図の部分拡大図である。
【図８】図１、図４及び図５のいずれか１つの成長装置によって製作されたＳｉＣバルク単結晶の実施例を示す中心部の部分拡大図である。
【図９】図１、図４及び図５のいずれか１つの成長装置によって製作されたＳｉＣバルク体積単結晶から製造された単結晶ＳｉＣ基板の実施例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１から図９において互いに一致する部分は、同じ符号とする。以下において詳述する実施例のそれぞれの部分は、また、それ自体が一つの発明であり、また、発明対象の部分であり得る。
【００３２】
図１には、昇華成長によってＳｉＣバルク単結晶２を製作するための成長装置１の実施例が示されている。この成長装置１は、ＳｉＣ備蓄領域４と結晶成長領域５とを含む成長坩堝３を含んでいる。ＳｉＣ備蓄領域４の中には、例えば予備製作された出発材料として成長プロセスの開始前に成長坩堝３のＳｉＣ備蓄領域４に充填される、粉末状のＳｉＣソース材料６がある。
【００３３】
ＳｉＣ備蓄領域４と向かい合う成長坩堝３の内壁、即ち、その坩堝蓋７、には、種結晶８が結晶成長領域５に取り付けられている。この種結晶８の上で、結晶成長領域５に形成されるＳｉＣ成長気相９からの堆積によって、成長するべきＳｉＣバルク単結晶２が成長する。成長しているＳｉＣバルク単結晶２と種結晶８は、ほぼ等しい直径を有している。相違がある場合には、最大で１０％の相違があり、その分だけ種結晶８の種直径がＳｉＣバルク単結晶２の単結晶直径よりも小さい。
【００３４】
坩堝蓋７を含めた成長坩堝３は、図１の実施例では、例えば少なくとも１．７５ｇ／ｃｍ3の密度をもつ、電気及び熱を伝導するグラファイト坩堝材料でできている。その周囲には熱絶縁層１０が配置されている。後者は、例えば発泡グラファイト断熱材料でできており、その多孔度は、特に、グラファイト坩堝材料の多孔度よりも明らかに高い。
【００３５】
断熱された成長坩堝３は、管状容器１１の内部に配置されており、この管状容器は、本実施例では石英ガラス管として施工され、オートクレーブ又は反応炉を構成する。成長坩堝３を加熱するために、容器１１のまわりには誘導式の加熱装置が加熱コイル１２の形態で配置されている。成長坩堝３は、加熱コイル１２によって２，０００℃を超える成長温度まで加熱され、特に約２，２００℃まで加熱される。加熱コイル１２は、成長坩堝３の導電性の坩堝壁１３へ電流を誘導式に導く。この電流は実質的に循環電流として、円筒状又は中空円筒状の坩堝壁１３の内部で円周方向に流れ、その際に成長坩堝３を加熱する。必要に応じて、加熱コイル１２と成長坩堝３との間の相対的な位置を軸方向へ、即ち、成長しているＳｉＣバルク単結晶２の中心縦軸１４の方向へ、変更することができ、それは特に、成長坩堝３の内部の温度ないし温度変化を調整、場合により変更、するためである。成長プロセス中に軸方向へ変更可能な加熱コイル１２の位置は、図１では、二重矢印１５で図示されている。特に加熱コイル１２は、成長しているＳｉＣバルク単結晶２の成長の進行に合わせて調節しながら変位する。この変位は下方に向かって、即ち、ＳｉＣソース材料６の方向へ、且つ好ましくはＳｉＣバルク単結晶２が成長したのと同じ長さだけ、例えば合計で約２０ｍｍだけ、行われるのが好ましい。そのために成長装置は、相応に構成された管理手段、制御手段及び調節手段（詳細は図示せず）を含んでいる。
【００３６】
結晶成長領域５のＳｉＣ成長気相９は、ＳｉＣソース材料６による供給をうける。ＳｉＣ成長気相９は、少なくとも、Ｓｉ、Ｓｉ2Ｃ及びＳｉＣ2（＝ＳｉＣ気体種）の形態のガス成分を含んでいる。ＳｉＣソース材料６から、成長しているＳｉＣバルク単結晶２の成長境界面１６への輸送は、軸方向の温度勾配に沿って行われる。成長境界面１６のところでは、特に、少なくとも５Ｋ／ｃｍ、好ましくは少なくとも１０Ｋ／ｃｍ、の中心縦軸１４の方向で測定された軸方向の温度勾配が形成される。
【００３７】
成長坩堝３の内部の温度は、成長しているＳｉＣバルク単結晶２に向かって低下していく。このことは、様々な方策によって実現することができる。例えば２つ又はそれ以上の軸方向の部分区域への加熱コイル１２の分割（詳細は図示せず）を通じて、軸方向で変化する加熱を実施することができる。更に成長坩堝３の下側区域では、例えば加熱コイル１２の相応の軸方向の位置決めによって、成長坩堝３の上側区域よりも強い加熱作用を発生させることができる。更に、両方の軸方向の坩堝端壁では、断熱部がそれぞれ異なる形式に構成されていてよい。そのために、図１に模式的に図示しているように、熱絶縁層１０は下側の坩堝端壁のところで上側の坩堝端壁よりも大きい厚みを有することができる。
【００３８】
ＳｉＣバルク単結晶２は、図１に示す実施例では、上から下に向く、即ち、坩堝蓋７からＳｉＣ備蓄領域４の方を向く、成長方向１８に成長する。成長方向１８は中央の中心縦軸１４と平行に延びている。成長しているＳｉＣバルク単結晶２は、図示した実施例では、成長装置１の内部で同心的に配置されているので、中央の中心縦軸１４を成長装置１の全体に割り当てることもできる。
【００３９】
更にＳｉＣ成長気相９は、図１の図面ではドーピング物質（詳細は図示せず）も含んでおり、これは、本実施例では、窒素（Ｎ2）である。特にアルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）及び／又はホウ素（Ｂ）のような、代替的又は追加的なドーピング物質も同じく可能である。ドーピング物質の供給は、気体として行われるか、又は、相応に前処理されたＳｉＣソース材料６を通じて行われる。このときＳｉＣ成長気相９における窒素割合は、成長しているＳｉＣバルク単結晶２が最大で約２０ｍΩｃｍの比較的低い平均の（＝全般的）固有電気抵抗を有する程度に、成長しているＳｉＣバルク単結晶２の窒素ドーピングが強くなるように、調整される。
【００４０】
図２及び図３には、従来のＳｉＣバルク単結晶１９が、それぞれ、断面図及び平面図として示されている。このＳｉＣバルク単結晶１９は、４Ｈモディフィケーションに基づく結晶構造を有しており、その結晶学上の［０００１］主軸は、図示した実施例では成長方向１８と平行に延びており、従って、中心縦軸１４とも平行に延びている。ＳｉＣバルク単結晶１９は、３つの部分領域２０から２２を有している。中心縦軸１４のまわりには、中央のファセット領域２０が配置されており、これが縁部領域２１で取り囲まれており、両方の部分領域２０及び２１の間には移行領域２２が形成されている。
【００４１】
ファセット領域２２は、ほぼ平坦で平滑な表面構造（＝表面モルフォロジー）を有している。図２に模式的に描き込まれている結晶成長ステップは、成長方向１８、即ち［０００１］方向で測定されたステップ高さＢを有しており、このステップ高さは、ファセット領域２０では、成長方向１８に対して垂直に測定されたステップ奥行Ａと比べて遥かに小さくなっている。即ち、ここでは商Ｎ＝Ａ／Ｂは、非常に大きい値を有している。ステップ高さＢは、典型的には１μｍよりも小さく、それに対してステップ奥行Ａは、通常、約１００μｍである。
【００４２】
それに対して縁部領域２１は、成長境界面１６の手前における、典型的には凸面状の、温度領域にほぼ相当する湾曲した表面構造を有している。湾曲した表面構造は、ステップ高さＢに対するステップ奥行Ａのほぼ均衡のとれた比率につながる。ここでは、商Ｎ＝Ａ／Ｂは、約１の値を有している。その結果として、縁部領域２１の表面は、ファセット領域２０よりも明らかに粗くなっている。ステップ高さＢ及びステップ奥行Ａは、ここでは、典型的には、それぞれ約１ｍｍである。
【００４３】
ドーピング物質の注入は、向きの異なる結晶表面について大きく変動し、ファセット領域２０では、成長方向１８に対して垂直に向く面（即ち、ステップ奥行Ａの方向の面）の占める割合が非常に優勢であるため、ファセット領域２０では、縁部領域２１よりも明らかに高い結晶組織へのドーピング物質注入が行われる。全体としてＳｉＣバルク単結晶１９では、ドーピング物質濃度及びこれに伴う局所的な固有電気抵抗は、成長方向１８に対して垂直方向で不均一に分布している。このことが不都合である理由は、ファセット領域２０又は縁部領域２１のいずれかの固有抵抗が所望の設定に一致せず、そのために、該当部分領域を、例えばデバイス製造のために、二次利用することができず又は限定的にしか利用できないからである。
【００４４】
ファセット領域２０は、必ずしも中心縦軸１４に対して同心的に配置されていなくてよい。特に、ＳｉＣバルク単結晶が結晶学上の［０００１］主軸に対して、例えば１°から１０°の、低い傾きで成長すると、その場合に生じるファセット領域は、中心縦軸１４に関して非対称ないし非同心的に配置される可能性がある。しかし、このことは、ドーピング濃度及び固有電気抵抗の不均一な分布に関しては、何ら変化をもたらさない。
【００４５】
改善された利用性を実現するために、ファセット領域２０を事実上有さないように、ＳｉＣ体積結晶２を成長させる。これを実現するために、成長境界面１６が中心縦軸１４のまわりの中央領域でも湾曲しており、そこで、特に縁部領域と少なくとも類似するステップ形状を有するように、結晶成長領域５における成長条件が調整される。そのために、成長境界面１６の手前の領域でＳｉＣ成長気相９における過剰炭素が出現させられ、このことは、結晶成長領域５を区切っている面の相応の構成によって惹起される。これらの面は、ＳｉＣ表面区画と炭素表面区画とを有している。これらの表面区画は、ＳｉＣ表面区画割合を炭素表面区画割合で割ることによって得られるＳｉＣ／Ｃの面積比率が、常に、即ち製造時間全体に亘って、１よりも小さい値を有するように寸法決めされる。
【００４６】
図１に示す成長装置１では、１未満のＳｉＣ／Ｃ面積比率は、中心縦軸１４の方向に延びる結晶成長領域５の成長領域長さＬが、成長坩堝３の円筒状の内部空間の、中心縦軸１４に対して垂直に向く半径（＝内部空間直径の半分）よりも長いことによって実現される。このとき内部空間直径は、特に、中心縦軸１４に対して垂直に実質的に丸い断面を有する、成長しているＳｉＣバルク単結晶２の最大の結晶直径に等しい。成長の進捗度が増すにつれて、成長しているＳｉＣバルク単結晶２の長さが増していくので、成長領域長さＬは減っていく。ＳｉＣ／Ｃの面積割合についての上述した条件は成長プロセスの終了まで満たされており、即ち、その場合に生じる最少の成長領域長さＬについても、満たされている。ＳｉＣ表面区画は、ＳｉＣソース材料６の表面と成長境界面１６とによって形成される。炭素表面区画は、グラファイト坩堝材料からなる坩堝壁１３の、結晶成長領域５に接している部分によって形成される。
【００４７】
それぞれ、図４及び図５に示す成長装置２３及び２４の別の実施例は、ＳｉＣ／Ｃの面積比率について、特に０．０１よりも小さい、特別に低い値を生じさせるために、改変された構造をそれぞれ含んでいる。成長装置２３及び２４は、成長装置１と類似した構成となっている。以下においては相違点だけを詳しく説明する。
【００４８】
図４の成長装置２３では、結晶成長領域５は、３層の壁構造により側方で区切られている。この３層の壁構造は、外側層としての、グラファイト坩堝材料（＝第１のグラファイト材料）からなる坩堝壁１３と、中間層２５としての炭素粉末と、内側層２６としての、グラファイト坩堝材料よりも多孔性であり、特にグラファイトの理論上の最大密度の６０％よりも低い密度を有する、グラファイト固定材料（＝第２のグラファイト材料）とを含んでいる。この最大密度は、２．３ｇ／ｃｍ3である。中間層２５の炭素粉末は、比較的小さい粉末粒子からなっている。粉末粒子の少なくとも９０％は、最大で２５０μｍ、好ましくは最大で５０μｍ、の平均粒度を有している。中空円筒として施工された内側層２６は、機械的に安定しており、中間層２５のばらばらの粉末を、３層の壁構造で所定の位置に保つ。
【００４９】
内側層２６の多孔性に基づいて、そして、特に中間層２５の炭素粉末の小さい粒度に基づいて、結晶成長領域５を区切っている炭素表面区画が劇的に増大する。即ち、炭素表面区画には、同じくＳｉＣ成長気相９と相互作用し、従って、意図される過剰炭素にも貢献する「内部の」表面も含まれる。多孔性の内側層２６及び中間層２５の炭素粉末は、このような種類の非常に広い「内部の」表面を有しているので、特別に低いＳｉＣ／Ｃ面積比率が生じることになる。
【００５０】
図５の成長装置２４では、成長装置２３のような３層の壁構造に加えて、ＳｉＣソース材料６の２層の被覆も設けられている。ここでは、ＳｉＣソース材料６は、特に３層の壁構造の中間層２５と同じ炭素粉末からなる、第１のソース被覆層２７で直接的に覆われている。更に、この炭素粉末含有のソース被覆層２７は、ＳｉＣソース材料と反対の側で、多孔性の第２のソース被覆層２８で覆われており、これは特に、３層の壁構造の内側層２６と同様の多孔性のグラファイト固定材料からなるグラファイト材料である。
【００５１】
第２のソース被覆層２８は、同じく第１のソース被覆層２７の炭素粉末を固定している。それ以外に、ＳｉＣソース材料６の被覆は、ＳｉＣ／Ｃ面積比率を二重の観点から引き下げている。第１に、追加して設けられる炭素材料からなる被覆によって、炭素表面区画面積が引き上げられる。他方では、それと同時にＳｉＣソース材料６の被覆によってＳｉＣ表面区画面積が引き下げられ、このとき２層の炭素被覆は、成長しているＳｉＣバルク単結晶２への物質輸送を引き続き確保するために、ＳｉＣソース材料６から昇華するガス種にとって通過可能である。いずれにしてもＳｉＣソース材料６の炭素被覆は、ＳｉＣ成長気相９における過剰炭素の形成に追加的に貢献する。
【００５２】
ＳｉＣ成長気相９における過剰炭素の形成に役立つ更に別の随意的な方策は、注入されたＳｉＣソース材料６に予め過剰炭素を供給することであり、この過剰炭素は、特に２０モル％から４０モル％の間であってよく、典型的には約２５モル％である。
【００５３】
図６から図８には、本発明に基づいて製造されたＳｉＣバルク単結晶２が、それぞれ、断面図、平面図及び部分拡大図として示されている。このバルク単結晶は、図２及び図３に示す従来のＳｉＣバルク単結晶１９とは異なり、ファセット領域２０を有していない。図６及び図７に示す図面では、この相違を明示するために、従来のＳｉＣバルク単結晶１９では常に存在しているファセット領域２０が破線で描き込まれている。成長境界面１６は、本発明に基づいて製造されたＳｉＣバルク単結晶２では、中心縦軸１４のまわりの中央領域２９でも、従来のＳｉＣバルク単結晶１９の場合のように平坦ではなく、湾曲している。
【００５４】
このような湾曲により、中央領域２９で縁部領域２１と似た特徴をもつ結晶成長ステップのステップ形状が生じている。特に、図６から明らかなとおり、成長境界面１６の結晶成長ステップのステップ高さＢ及びステップ高さＢに対するステップ奥行Ａの比率、即ち、商Ｎ＝Ａ／Ｂも、中央領域２９において縁部領域２１とほぼ同じ大きさとなっている。成長境界面１６は、中心縦軸１４の方向及び成長方向１８で最も大きく突出する成長フロント点３０を有しており、その周囲に、成長境界面１６の、好ましくはファセットのない、中央領域２９が配置されている。成長フロント点３０の周囲の中央領域２９でも実質的に、即ち、特にステップの形状は別として、湾曲している成長境界面１６の形状は、図８に示す図６のＶＩＩＩの部分拡大図から明らかである。中央領域２９のステップ形状は、中央領域２９にある局所的な成長ステップのうちの少なくとも１つに対して実質的に垂直に向く、即ち、特にステップ高さＢを規定するステップ側面に対して実質的に垂直に向く、どの任意の長さ１ｍｍの部分区間３１においても、成長境界面１６上に位置する部分区間３１の始点３２と終点３３との間に、中心縦軸１４の方向で測定された少なくとも１０μｍ、典型的には少なくとも１００μｍ、の軸方向の高低差Δｈが生じるように調整される。
【００５５】
中央領域２９と縁部領域２１との間で生じる場合がある、僅かな湾曲の差異又はステップ形状の差異には、副次的な意義しかない。特に、ドーピング物質を注入するときには、この差異は何の役割も果たさず、このことにより、ドーピング物質濃度及びこれに伴う電気抵抗の非常に均一な分布が得られる。このようにＳｉＣバルク単結晶２は、特に、横方向でほぼ均一な、局所的な固有電気抵抗の分布の推移を特徴としている。本実施例では、ＳｉＣバルク単結晶２は、窒素のｎドーピングを有している。更に、これは４Ｈ−ＳｉＣである。しかしながら、これ以外のドーピングや、これ以外のＳｉＣポリタイプも原則として可能である。
【００５６】
本発明に基づいて製造されたファセットのないＳｉＣバルク単結晶２から、同じくファセット領域を有さず、更には非常に好都合な機械的特性及び電気的特性を有する単結晶ＳｉＣ基板３４を製作することができる。図９にその１つの実施例が断面図で示されている、このような種類の単結晶ＳｉＣ基板３４は、全て、成長方向１８ないし中心縦軸１４に対して垂直に円板として連続して軸方向に切断ないしソーイングされることによって、ＳｉＣバルク単結晶２から得られる。ＳｉＣ基板３４は大きくて薄い。本実施例では、その基板主表面３５は、１５０ｍｍの大きい基板直径Ｄを有しており、それに対して、基板厚みｔは、僅か約５００μｍの低い値となっている。
【００５７】
更に、ＳｉＣ基板３４は、ＳｉＣバルク単結晶２と同じく、非常に均一に分布する固有電気抵抗を有しており、基板主表面３５の全体と基板厚みｔとに関して求めたその（全般的）平均値は約１６ｍΩｃｍである。基板主表面３５の広さ４ｍｍ2の任意の第１の部分面について、基板厚みｔに関して求めた局所的な固有電気抵抗は、広さ４ｍｍ2の任意の第２の部分面の局所的な固有電気抵抗に対して、最大で４ｍΩｃｍ、好ましい場合には最大で２ｍΩｃｍだけ、相違している。このように、抵抗分布は極めて均一である。ＳｉＣ基板も、本実施例では、ＳｉＣバルク単結晶２と同じくｎドーピングされており、４Ｈポリタイプである。
【００５８】
非常に均一な固有電気抵抗の故に、ＳｉＣ基板３４は、半導体デバイスの製造の一環としての二次プロセシングのために、どの個所でも同程度に良好に適している。それに応じて歩留まりが高く、不良率が低い。
【符号の説明】
【００５９】
１，２３，２４  成長装置
２  ＳｉＣバルク単結晶
３  成長坩堝
４  ＳｉＣ備蓄領域
５  結晶成長領域
６  ＳｉＣソース材料
７  坩堝蓋
８  種結晶
９  ＳｉＣ成長気相
１０  熱絶縁層
１１  管状容器
１２  加熱コイル
１３  坩堝壁、坩堝壁の外側層
１４  中心縦軸
１６  成長境界面
１８  成長方向
１９  ＳｉＣバルク単結晶
２０  ファセット領域
２１  縁部領域
２２  移行領域
２５  坩堝壁の中間層
２６  坩堝壁の内側層
２７  第１のソース被覆層
２８  第２のソース被覆層
２９  中央領域
３０  成長フロント点
３１  部分区間
３２  部分区間の始点
３３  部分区間の終点
３４  ＳｉＣ基板
３５  基板主表面
【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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