JP6373443B2 - 大径炭化ケイ素単結晶及び装置、並びに、これらの製造方法 - Google Patents

Description

本願は、２０１６年５月６日に出願された米国仮出願第６２／３３２７３１号の利益を主張し、参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書に開示するのは、高品質大径炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶及び装置、並びに、これらの成長方法である。

ＳｉＣ単結晶は、ＳｉＣウェーハがＳｉＣ又はＧａＮのエピタキシャル層の成長用の基板として機能する様々な半導体、電子及び光電子デバイスでの使用が見出されている。そして、前記エピタキシャル層は、電源切替デバイス、ＲＦ／マイクロ波デバイス及びＬＥＤ等のデバイスに製造される。従来のＳｉ系デバイスに比べて、ＳｉＣ系及びＧａＮ系デバイスは、非常に高い温度、電力レベル、周波数で作動することができ、すべてが効率の向上に結び付く。

ＳｉＣ系及びＧａＮ系デバイスの広範な用途は、全体的なデバイスコストの主要な要因である高コストＳｉＣ基板によって妨げられる。現在、商業的に入手可能な最大の４Ｈ−ＳｉＣ及び６Ｈ−ＳｉＣ基板は、直径が１００ｍｍ及び１５０ｍｍであり、２００ｍｍＳｉＣ基板の開発が公表されている。デバイス技術における、例えば直径２００ｍｍ、２５０ｍｍ又は３００ｍｍの大型ＳｉＣ基板の実装は、ＳｉＣ系及びＧａＮ系デバイスのコストを実質的に削減することができる。

前記ＳｉＣ基板内の結晶欠陥は、特にＮ型４Ｈ−ＳｉＣ基板上に形成されたＳｉＣ系電源切替デバイスにおいて、デバイス性能に害を及ぼす。貫通転位が電荷漏れ及びデバイス劣化を引き起こし、一方で、底面転位及び積層欠陥が端末デバイスの故障を引き起こすことが知られている。前記ＳｉＣ基板の応力及び歪みは、デバイス加工において負の要因である。

例えば直径１００ｍｍ及び１５０ｍｍの工業的サイズのＳｉＣ単結晶は、物理的気相輸送（ＰＶＴ）技術によって成長させる。従来のＰＶＴ成長装置の断面を図１に模式的に示す。ＳｉＣ原料２及び単結晶ＳｉＣシード３が間隔を空けて充填されたグラファイト成長るつぼ１は、成長チャンバー２０内に配置される。るつぼ１の内側を昇華成長温度、例えば２０００℃〜２４００℃に加熱する加熱手段４は、チャンバー２０の外側の周囲に設けることができ、チャンバー２０は、水冷することができ、かつ、溶融シリカから形成することができる。この例では、加熱手段４は、外側ＲＦ加熱コイルとすることができる。しかしながら、チャンバー２０内の抵抗ヒーターの形態の加熱手段が想定される。この説明のために、加熱手段４はＲＦ加熱コイルとして説明する。しかしながら、これは限定的な意味で解釈されるべきではない。

るつぼ１は、チャンバー２０の内部で、断熱材５によって取り囲まれる。断熱材５には、比較的小さな直径を有する頂部窓５ａが設けられる。この窓５ａは、成長るつぼ１の頂部又は蓋部２２に取り付けられたＳｉＣシード３の裏側からの放熱のために設けられる。また、窓５ａは、光高温計を用いて、チャンバー２０の頂部又は蓋部２２において封止されたビューイングポート３０を介して、るつぼ頂部の温度を測定するために使用することができる。

ＳｉＣシード３上にＳｉＣ単結晶６を成長させるための準備として、チャンバー２０ひいては成長るつぼ１は、真空ポンプによって排気され、入口３６を通って供給される適切なプロセスガス、例えばアルゴン、窒素、ホウ素が所望の圧力まで充填される。ガス入口３６を通ってチャンバー２０ひいては成長るつぼ１内に導入されるプロセスガスの流れを制御すること、及び、チャンバー２０の出口３８に接続された真空ポンプの動作を制御することにより、チャンバー２０ひいては成長るつぼ１内のガス圧力を、単結晶ＳｉＣシード３上におけるＳｉＣ単結晶６の成長に適した圧力に調整することができる。一例では、この圧力は５〜３００Ｔｏｒｒとすることができる。窓５ｂは、チャンバー２０の底部２４における封止されたビューイングポート３２を介した光高温計を用いたるつぼ１の温度測定のために、成長るつぼ１の底部に隣接した断熱材に設けることができる。

使用時、るつぼ１は、加熱手段４によって、ＳｉＣ原料２を蒸発させ、チャンバー２０ひいては成長るつぼ１内のプロセスガスの適切な圧力下で、るつぼ材料をＳｉＣ_２、Ｓｉ_２Ｃ及びＳｉの蒸気種７で充填するのに充分な２０００℃〜２４００℃に加熱される。成長るつぼ１は多孔質グラファイトで形成されるので、チャンバー２０内に導入されたプロセスガスは、成長るつぼ１の内側にほぼ同時に現れる。同様に、チャンバー２０に適用された真空状態は、成長るつぼ１の内側にほぼ同時に現れる。

ＳｉＣ原料２の温度がＳｉＣシード３の温度よりも高くなるように、加熱手段４をるつぼに対して適切に配置することによって、軸方向の温度勾配がるつぼ１内に設定される。一例では、この温度勾配は、３０℃〜１５０℃とすることができる。しかしながら、これは限定的な意味で解釈されるべきではない。この温度勾配によって駆動されて、矢印７で模式的に示すように、蒸気種７がＳｉＣシード３の方へ移動し、ＳｉＣシード３上で濃縮し、ＳｉＣシード３上のＳｉＣ単結晶６の成長を引き起こす。

ＰＶＴ成長装置における熱輸送のパターンを、図１に矢印８及び９で模式的に示す。るつぼ１によって加熱手段４から吸収された熱は、水平熱流束８によって、前記るつぼの内側に輸送される。熱は、るつぼ１の頂部及び頂部窓５ａを通って、垂直熱流束９の形で、るつぼ１を逃れる。このような熱輸送パターンの結果、曲線状の等温線１０が、前記るつぼ１及び前記成長ＳｉＣ単結晶６内に現れる。

前記成長プロセスの２つの特徴は、独立したものではないが、ＰＶＴ成長ＳｉＣ結晶の品質にとって極めて重要である：（ｉ）ＳｉＣシード３上におけるＳｉＣ単結晶６の成長界面の形状、及び、（ｉｉ）前記成長ＳｉＣ単結晶６における径方向の温度勾配の大きさ。前記成長界面は前記等温線形状に従うことが知られている。大きく湾曲した成長界面は、積層欠陥、異質のポリタイプ及び他の欠陥をもたらす。前記成長ＳｉＣ単結晶６における急な径方向の温度勾配の存在は、応力、歪み、及び、底面転位のような関連する欠陥を引き起こす。結晶品質にとって最も好ましいのは、フラットな成長界面、特に大径ＳｉＣ結晶成長の場合だと認識されている。

ＵＳ６８００１３６では、ＳｉＣ昇華成長における害のある径方向の勾配を減少させることが可能なＰＶＴ成長装置及び方法が開示されている。前記装置は、前記るつぼの外側の下方及び上方に配置された２つのフラットなヒーターを利用する。この配置の欠点は、（ｉ）ＲＦ加熱の場合におけるフラットなＲＦコイルの前記るつぼへの乏しい結合、及び、（ｉｉ）抵抗加熱の場合における前記成長結晶中の凹んだ径方向の温度勾配が凹んだ成長界面をもたらすことを含む。ＵＳ６８００１３６は、参照によって、本明細書に組み込まれる。

ＵＳ８７４１４１３では、蒸気を運ぶＳｉＣの流束が前記成長結晶の中央部に限定されるＳｉＣ昇華成長装置及び方法が開示されている。この配置を用いたＳｉＣブール成長は、凸に出すぎる前記成長界面に悩まされる。ＵＳ８７４１４１３は、参照によって、本明細書に組み込まれる。

ＵＳ９２２８２７４では、加熱装置が頂部ヒーター及び底部ヒーターの２つの抵抗ヒーターの間に配置された成長るつぼを含む、他のＳｉＣ昇華成長装置及び方法が開示されている。前記ヒーターは、るつぼと同軸に配置される。頂部のリング状ヒーターは前記るつぼの上に配置され、一方で、底部のカップ状ヒーターは前記るつぼの下方及び周囲に配置される。この配置は、以下の欠点を有する。成長時に、前記ＳｉＣ源が主に前記るつぼ壁に位置する高温領域から蒸発し、よって、蒸気を主に前記成長ＳｉＣ結晶の周囲に供給する。これは、特に、ブール直径が大きい時に、凹んだ成長界面をもたらす。ＵＳ９２２８２７４は、参照によって、本明細書に組み込まれる。

大径ＳｉＣ単結晶を成長させるため、大径ＳｉＣシードウェーハが必要となる。大径ＳｉＣシードは、一般的に「拡径」と呼ばれるプロセスで製造することができる。ＵＳ２０１２／０２８５３７０及びＵＳ８３１３７２０では、成長ガイドを用いたブール径の拡大を組み合わせたＳｉＣ昇華成長が開示される。成長中、ブール形状及び拡径速度は、前記成長ガイド形状によって決定される。ＵＳ２０１２／０２８５３７０及びＵＳ８３１３７２０は、参照によって、本明細書に組み込まれる。

あるいは、ＵＳ６８０５７４５に開示されるように、大きなサイズのシードは、より小さなサイズのタイル状のシード結晶の相互成長によって製造され得る。ＵＳ６８０５７４５は、参照によって、本明細書に組み込まれる。

本明細書で開示されるのは、成長するＳｉＣブールにおいて、ゼロに近い径方向の温度勾配及びフラットな成長界面を製造し、高品質ＳｉＣ基板又は２００ｍｍ、２５０ｍｍ及び３００ｍｍの標準直径のウェーハの製造に適した高品質のＳｉＣ単結晶を産出する成長装置である。

本明細書で開示されるのは、昇華によって成長した４Ｈ及び６Ｈポリタイプの大径、高結晶品質ＳｉＣ単結晶ブール、及び、２００ｍｍ、２５０ｍｍ及び３００ｍｍの標準的な直径の基板を含む、大径、高品質ＳｉＣ単結晶基板であって、前記ブールから製造されたＮ型及び半絶縁性のものである。

さらに開示されるのは、昇華によって成長した４Ｈ及び６Ｈポリタイプの大径ＳｉＣ単結晶ブールの成長方法であり、前記ブールが２００ｍｍ、２５０ｍｍ及び３００ｍｍの標準直径を有する高結晶品質ＳｉＣ基板の製造に適する。

図１は、従来のＰＶＴ成長装置の一例（従来技術）の断面図である。 図２は、本明細書に記載する原則に従った大径ＰＶＴ成長装置の一例の断面図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、図２で示すＰＶＴ成長装置の一例で使用することができる加熱手段（例えば、抵抗ヒーター）の例であり、各加熱手段は、デルタ及びスター３相電源（図３（ａ）及び（ｂ））及び単相電源（図３（ｃ）及び（ｄ））に接続するための異なる導体パターンを有する。 図４（ａ）〜（ｅ）は、図２で示すＰＶＴ成長装置で使用することができる異なる構成の断熱インサートである。 図５は、ＳｉＣ単結晶ウェーハがスライスされ、図２のＰＶＴ成長装置において単結晶ＳｉＣシードとして使用され得るＳｉＣ単結晶ブールを拡径によって製造する方法のフロー図である。 図６は、本明細書で記載した実施例１の成長に従って成長させたＮ型４Ｈ−ＳｉＣブールの写真である。 図７は、図６に示すブールから取り出されたウェーハの交差偏光子画像である。 図８（ａ）は、図７に示すウェーハのウェーハ直径に沿った距離に対する格子曲率のグラフであり、図８（ｂ）は、図７に示すウェーハのウェーハ直径に沿った距離に対するＦＷＨＭのグラフである。 図９は、図７に示すウェーハのマイクロパイプ密度マップである。 図１０（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図７に示すウェーハ上で測定された全体の転位密度、らせん転位密度及び底面転位密度のマップである。 図１１は、本明細書で記載した実施例２の成長工程に従って成長させたバナジウムドープ、半絶縁４Ｈ−ＳｉＣブールの写真である。

添付の図面を参照して、様々な限定されない実施例を説明する。同様の符号は、同様又は機能的に等しい要素に対応する。

大径ＳｉＣ単結晶の成長のための大径ＰＶＴ成長装置の一例の断面図を図２に模式的に示す。図２のＰＶＴ成長装置は、グラファイト成長るつぼ１、断熱材１２（円筒側部断熱材１２ａ、頂部断熱材１２ｂ及び底部断熱材１２ｃを含む）、並びに、成長るつぼ１の底部２６と底部断熱材１２ｃとの間に配置された単一のフラットな抵抗ヒーター４０の形態の加熱手段を含む。一実施例では、断熱材１２は、グラファイトフェルト又はフォームのように軽い繊維状グラファイトで作ることができる。一実施例では、チャンバー２０は必要に応じて水冷することができる。この実施例では、抵抗ヒーター４０はチャンバー２０の内側で成長るつぼ１の底部２６と断熱材１２の底部との間に配置されたフラット抵抗ヒーターの形態であるから、チャンバー２０は、単結晶ＳｉＣシード３上に成長するＳｉＣ単結晶６の成長中に、抵抗ヒーター４０によって生成される熱に耐え得る任意の適した及び／又は望ましい材料で形成することができる。一実施例では、チャンバー２０は、溶融シリカ又は適した金属若しくは金属合金、例えばステンレス鋼で形成することができる。しかしながら、チャンバー２０は任意の適した及び／又は望ましい材料で形成することができると想定されるため、これは限定的な意味で解釈されるべきではない。

一実施例では、抵抗ヒーター４０は緻密なグラファイトで作ることができる。前記グラファイトは、同一成形又は押出成形することができる。抵抗ヒーター４０は、図２に示すように、フラットディスクとして形作られ、成長るつぼ１の下に配置することができる。

図３（ａ）〜（ｄ）を参照して、抵抗ヒーター４０の電気的構成は、３相“デルタ”（図３（ａ））、３相“スター”（図３（ｂ））又は単相（図３（ｃ）及び（ｄ））を含むことができる。図３（ａ）〜（ｄ）に示す抵抗ヒーター４０のパターンは、限定的な意味で解釈されるべきではない。

成長の準備において、ＳｉＣ原料２及び単結晶ＳｉＣシード３が間隔を空けて充填された成長るつぼ１は、成長チャンバー２０内に配置することができる。図２に示すように、抵抗ヒーター４０は、るつぼ底部２６の下に配置することができる。成長るつぼ１は、チャンバー２０内に配置することができ、チャンバー２０は、必要に応じて水冷し、必要に応じて溶融シリカ、金属又は金属合金から作ることができる。しかしながら、これは限定的な意味で解釈されるべきではない。

断熱材１２はるつぼ１を取り囲み、るつぼ１とチャンバー２０との間に配置することができる。図１のＰＶＴ成長装置とは対照的に、図１の断熱材５における頂部窓５ａは、図２では、るつぼ１の頂部の外側の少なくとも一部を超えて広がる断熱材１２ｂの開口部１４に配置される断熱インサート１２ｄに置き換えることができる。それから、成長るつぼ１の頂部又は蓋部の上方の断熱材は、頂部断熱材１２ｂ及び断熱インサート１２ｄを含む。断熱インサート１２ｄの厚さ及び形状は、以下に述べる。

小径窓１６及び１８は、それぞれ、底部断熱片１２ｃ及びヒーター４０内に設けることができる。これらの窓は、光高温計を用いた、るつぼ１の前記底部２６において封止されたビューイングポート３４を介した温度測定に使用する。

使用時、るつぼ１は、ＳｉＣ原料２を蒸発させ、チャンバー２０内ひいては成長るつぼ１内の適したガス圧存在下で、Ｃ及びＳｉ含有蒸気種７で前記るつぼ１を満たすために、抵抗ヒーター４０によって、ＳｉＣ昇華温度、例えば２０００℃〜２４００℃に加熱され得る。抵抗ヒーター４０によって成長るつぼ１内に形成された軸方向の温度勾配によって駆動されて、これらの蒸気種７は、単結晶ＳｉＣシード３方へ移動し、単結晶ＳｉＣシード３上で濃縮し、単結晶ＳｉＣシード３上のＳｉＣ単結晶６の成長を引き起こす。

図２に示すＰＶＴ成長装置における熱輸送パターンは、図１に示すＰＶＴ成長装置の一例とは異なる。図２に示すＰＶＴ成長装置における熱輸送は、図２に矢印８及び９で模式的に示されるように、垂直である。成長るつぼ１の前記底部２６の下に配置された抵抗ヒーター４０からの熱は、矢印８で示される前記垂直熱流束によって、るつぼ１の内側へ輸送される。熱は、矢印９で示される垂直熱流束の形で、成長るつぼ１の頂部又は蓋部２２から逃げて、断熱インサート１２ｄを超えて拡散する。このような純粋な垂直熱流束の結果、フラットな等温線１０が成長るつぼ１の内側及び前記成長ＳｉＣ単結晶６内に現れる。

断熱インサート１２ｄは、繊維状グラファイト断熱ボードで作ることができる。断熱インサート１２ｄの厚さｔの値は、ＳｉＣ成長実験から決定することができる。しかしながら、ｔ（ｍｍ）のおおよその値は、下記（１）式を用いて計算することができる。

（１）式において、λは断熱インサート１２ｄの熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、ΔＴは断熱インサート１２ｄにおける温度差（Ｋ）であり、Ａは断熱インサート１２ｄの面積（ｍ^２）であり、Ｑは断熱インサート１２ｄにおける熱流束（ｋＷ）である。λ≒０．５Ｗ／ｍＫ、ΔＴ≒２０００Ｋ、Ｑ≒０．５ｋＷ及びＡ＝０．０２ｍ^２であると、（１）式はインサート厚さｔ≒４０ｍｍをもたらす。

平坦な円盤状断熱インサート１２ｄの寸法例は、望ましくは２０〜５０ｍｍの厚さ、又は、より望ましくは２５〜４５ｍｍの厚さ、及び、前記単結晶ＳｉＣシード３の直径の９０％〜１２０％の直径を有する。

成長るつぼ１における等温線１０及び径方向の温度勾配は、さらに、非フラットな形状の断熱インサート１２ｄ１〜１２ｄ４を用いることによって調整することができる。断熱インサート１２ｄ〜１２ｄ４の構成例が、図４（ａ）〜（ｅ）に示されている。一実施例では、断熱インサート１２ｄ（図４（ａ））は、平行な頂部及び底部表面を有するフラットインサートとすることができる。断熱インサート１２ｄ１及び１２ｄ２（図４（ｂ）及び（ｃ））は、傾斜したエッジとともに、平らな頂部表面及び底部表面（使用中、成長るつぼ１に面する）を有し得る。断熱インサート１２ｄ３及び１２ｄ４は、湾曲したエッジとともに、平らな頂部表面及び底部表面（使用中、成長るつぼ１に面する）を有し得る。インサート１２ｄ１及び１２ｄ３（図４（ｂ）及び（ｄ））は、凹形状を有することができる。インサート１２ｄ２及び１２ｄ４（図４（ｃ）及び（ｅ））は、凸形状を有することができる。インサート１２ｄ１及び１２ｄ３は、フラットな中央部及び凹状の又は成長るつぼ１に向かって傾斜したエッジ領域を有することができる。これらのインサート１２ｄ１及び１２ｄ３は、ＳｉＣ単結晶６の前記成長界面が凹状で、前記結晶がるつぼ１の成長ガイド１１に付着する際、使用することができる。断熱インサート１２ｄ２及び１２ｄ４は、フラットな中央部及び凸状の成長るつぼ１から離れて傾斜したエッジ領域を有し得る。これらのインサート１２ｄ２及び１２ｄ４は、ＳｉＣ単結晶の前記成長界面が凸状であるときに、使用することができる。

一実施例では、フラット（又は実質的にフラット）な等温線１０を、前記成長ＳｉＣ単結晶６の内部で成長するＳｉＣ単結晶６の前記成長界面において存在させるために、成長るつぼ１内の凹状（１２ｄ１及び１２ｄ３）又は凸状（１２ｄ２及び１２ｄ４）のエッジ領域の曲率半径又は傾斜角度、及び／又は、断熱インサート１２ｄ１〜１２ｄ４のフラットな中央部が終わる位置及び前記曲率半径又は傾斜が開始する位置を選択又は調整することができる。

また、るつぼ１の高さに対するるつぼ１の外径（ＯＤ）の比として定義される前記成長るつぼ１のアスペクト比は、１よりも大きく、すなわち、るつぼＯＤは、るつぼの高さよりも大きくすることができる。前記るつぼＯＤの増加は、るつぼ１の中央部における望ましくない径方向の温度勾配のさらなる減少に役立つことが観察される。一実施例では、２００ｍｍ結晶成長のために、成長るつぼ１の前記アスペクト比は、望ましくは１〜３であり、より望ましくは１．５〜２．５である。他の実施例では、３００ｍｍ結晶成長のために、成長るつぼ１の前記アスペクト比は、望ましくは１．５〜４であり、より望ましくは２〜３である。

成長るつぼ１内でフラット（又は実質的にフラット）な等温線の形成を助けるために、少なくとも成長チャンバー２０の頂部又は蓋部２２の内側に面する表面を黒色にする。前記黒色は、前記熱流束のチャンバー２０の内側への反射を回避又は低減しながら、頂部２２がそれと接触する熱流束を吸収することを可能にさせる。頂部２２の内側表面は、任意の適切な又は望ましい方法、例えば、頂部又は蓋部２２を形成する材料に適合する高温黒色ペイントで黒色にすることができる。しかしながら、これは限定的な意味で解釈されるべきではない。

内側に面する表面を黒色にすることにより、チャンバー２０の頂部又は蓋部２２は、その表面上に注がれる放射線を吸収する黒体（古典物理学で知られる）にさらに近くなる。もちろん、全ての放射線を吸収する理想的な黒体は存在しない。しかしながら、チャンバー２０の頂部及び蓋部２２の少なくとも内側表面を黒色とする、又は、黒色の材料の頂部２２を形成することによって、頂部２２からチャンバー２０内へ戻る熱流束の反射を減少させ、又は、頂部若しくは蓋部２２の内側に面する表面によってチャンバー２０内へ反射される熱流束の少なくともいくらかの制御を可能にすることを避けることができる。理想的でないが、頂部又は蓋部２２の内側に面する表面の黒色は、特に、成長ＳｉＣ単結晶６の前記成長界面で、及び、前記成長ＳｉＣ単結晶６の内側で、成長るつぼ１内におけるフラットな（実質的にフラットな）等温線１０の形成に好都合であることが認められる。

ここで、実質的にフラットな等温線（有限要素解析によって決定されるように）は、前記成長るつぼ１の中心線４２と、ＳｉＣシード３上に成長する前記ＳｉＣ単結晶６の外径との間において１０℃より低い前記成長るつぼ内の径方向の温度変化に相当するとみなされる。しかしながら、これは限定的な意味で解釈されるべきではない。

前述の手がかりを用いて径方向の勾配を最適化することによって、フラットな成長界面及び低レベルの応力を有する大径ＳｉＣ結晶６ブールが成長し得る。

実施例１
工程 ＧＱ００９０：高結晶品質の直径２００ｍｍＮ型４Ｈ−ＳｉＣブールの成長

この成長工程では、高品質４Ｈ−ＳｉＣ単結晶シード３ウェーハを、２２５ｍｍの直径を有し、軸から４度外した向きに合わせて準備した。この単結晶ＳｉＣシード３ウェーハは、ＵＳ２０１２／０２８５３７０及び／又はＵＳ８３１３７２０の教示に沿った拡径によって製造された大径４ＨＳｉＣブールからスライスされた。

図５に示すフローチャートによると、ＳｉＣブール直径の拡大は、多数の連続した結晶成長工程を通して達成される。拡径は、より小さな直径の良質な単結晶ＳｉＣシード３の選択から開始される。このシードは、欠陥がない又は実質的に欠陥がない拡径を生じさせるように調整されたＰＶＴ成長プロセスで使用することができる。このようにして成長したＳｉＣ単結晶６ブールは、初期のＳｉＣシード３よりも直径が大きいウェーハにスライスすることができる。前記ウェーハは、完全に特徴付けることができ、最高品質のウェーハのみを、次の成長工程（拡大ラウンド）におけるシード３として使用することができる。ＳｉＣシード３の直径が一の成長工程（拡大ラウンド）から次の成長工程まで増加するにつれて、各工程の成長工程を、例えば、各ラウンドの拡大に対してＳｉＣ単結晶６の成長を最適化するため、調整することができる。

図２に示すＰＶＴ成長装置は、この実施例１の成長工程で使用された。このＰＶＴ成長装置のグラファイト成長るつぼ１は、ＯＤが２５０ｍｍであった。成長るつぼ１には、前記るつぼの底部に配置されるＳｉＣ原料粒２が搭載された。前述の直径２２５ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ単結晶シード３ウェーハは、成長るつぼ１の内側頂部又は蓋部２２に配置された。図３（ａ）に模式的に示される３相フラットの曲がりくねったヒーター４０は、るつぼ１の底部２６の下に配置された。

この工程では、フラットな断熱インサート１２ｄ（図２及び４（ａ）に示す）を使用した。断熱インサート１２ｄは、堅い断熱板で作られた。断熱インサート１２ｄの寸法は、直径が２２０ｍｍで、厚さが２５ｍｍであった。この工程中、従来のＰＶＴ成長に典型的な温度及び圧力を使用した。Ｎ型材料を製造するため、プロセスガスとして窒素ガス（アルゴンに対して）を成長雰囲気に加えた。

この実施例１の成長工程は、図６に示す４Ｈ−ＳｉＣブールを産出した。前記ブールは、フラットな成長界面を有し、それゆえに、ブールのごく端に小さなｃ面が見られた。前記フラットな成長界面は、フラットな等温線の影響であり、低結晶応力の表れであった。

実施例１の前記成長したままのブールは、直径２００ｍｍのウェーハに加工した。これらのウェーハのうち１つの交差偏光子画像を図７に示す。前記画像は、局所的な結晶応力も全体的な結晶応力も示さない。

実施例１の成長したままのブールからスライスされたウェーハは、研磨され、Ｘ線ロッキング曲線を用いて特徴付けられた。前記ウェーハは、２つの直交する方向：結晶学的方位＜１−２１０＞に平行な方向及び＜１０−１０＞に平行な方向に走査された。これらのウェーハの一つから得られた結果を図８（ａ）及び（ｂ）に示す。図から分かるように、このウェーハの格子曲率（図８（ａ））は０．１°未満であるが、前記ウェーハ領域全体にわたるＦＷＨＭ（図８（ｂ））は２５秒角を超えない。これは、この成長したままのＳｉＣウェーハの優れた結晶品質を保証する。

図９は、実施例１の前記４Ｈ−ＳｉＣブールからスライスされた２００ｍｍウェーハの一つで測定されたマイクロパイプ密度マップである。図に示すように、前記ウェーハは、前記ウェーハエッジの近傍に明らかなマイクロパイプがわずかにあるのみで、実質的にマイクロパイプフリーである。このウェーハにおけるウェーハ平均マイクロパイプ密度（ＭＰＤ）は、０．０９ｃｍ^−２であると測定され、したがって、非常に高い結晶品質であることを示す。

実施例１の前記４Ｈ−ＳｉＣブールからスライスされた２００ｍｍウェーハの一つで測定した転位密度マップを図１０（ａ）〜（ｃ）に示す。転位エッチピットは、溶融したＫＯＨ中でウェーハをエッチングすることによって明らかにされた。前記ウェーハは、全転位密度が２８００ｃｍ^−２（図１０（ａ））、らせん転位（ＴＳＤ）密度が６２０ｃｍ^−２（図１０（ｂ））、底面転位（ＢＰＤ）密度が１７０ｃｍ^−２（図１０（ｃ））であった。これらの結果はすべて、優れた結晶品質を示す。

実施例２
工程 ＧＰ０１０５：高結晶品質の直径２００ｍｍバナジウムドープ、半絶縁４Ｈ−ＳｉＣブールの成長

この成長工程では、直径２１０ｍｍの高品質４Ｈ−ＳｉＣ単結晶シード３ウェーハを準備した。このＳｉＣシード３ウェーハは、上述の拡径プロセスによって、大径４Ｈ−ＳｉＣブールからスライスした。前記ＳｉＣシード３ウェーハは、軸上、すなわち、基底（０００１）面に平行な面でスライスされた。

この実施例２の成長は、図２に示すＰＶＴ成長装置と同様のＰＶＴ成長装置内で行われた。半絶縁結晶を製造するため、窒素及びホウ素のバックグラウンド不純物の存在の正確な制御と組み合わせて、バナジウムドープを使用した。炭化ケイ素のバナジウム補償は、ＵＳ７６０８５２４及びＵＳ８２１６３６９の教示に従った。

この実施例２の成長は、図１１に示す直径２０９ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣブールを産出した。前記成長したままのブールは、複数の２００ｍｍウェーハに製造され、特徴付けられた。前記特徴には、電気的特性及び結晶品質の評価が含まれた。前記結果は、製造したウェーハが、室温で１×１０^１２Ω・ｃｍを超える抵抗率及び約１ｅＶの抵抗率の活性化エネルギーであるＮ型であったことを示した。

ＳＩＭＳ分析が、この実施例２の前記ブールからスライスされたウェーハの一つで行われ、バナジウム濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３、窒素濃度が６×１０^１５ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３、ホウ素濃度が３×１０^１５ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３を示した。

溶融したＫＯＨ中でのこの実施例２のブールからスライスされたウェーハのエッチングは、ウェーハ平均マイクロパイプ密度が０．１ｃｍ^−２であることを明らかにした。研磨されたウェーハのＸ線ロッキング曲線を用いた走査は、０．１°未満の格子曲率及び２５秒角未満のＸ線反射の半値全幅（ＦＷＨＭ）を示した。

本明細書で記載される装置及び方法の様々な限定されない実施例は、以下の段落で説明する特徴の１以上又は任意の組合せを含むことができる。

図から分かるように、本明細書で示すのは、成長チャンバー２０を含むＳｉＣ単結晶を成長させるＰＶＴのためのＰＶＴ成長装置である。成長るつぼ１は成長チャンバー２０内に配置される。前記成長るつぼは、前記成長るつぼ１の底部２６にＳｉＣ原料２が充填され、前記成長るつぼ１の頂部又は蓋部２８に単結晶ＳｉＣシード３が前記ＳｉＣ原料と前記単結晶ＳｉＣシードとの間隔を空けて充填されるように構成される。断熱材１２は、前記成長チャンバー２０内の前記成長るつぼ１を取り囲む。断熱材１２は、前記成長るつぼ１の側部３０と前記成長チャンバー２０の側部２５との間の側部断熱片１２ａ、前記成長るつぼ１の底部２６と前記成長チャンバー２０の底部２４との間の底部断熱片１２ｃ、前記成長るつぼ１の頂部２８と前記成長チャンバー２０の頂部２２との間の頂部断熱片１２ｂを含む。さらに、前記断熱材１２は、前記頂部断熱片１２ｂ内の開口部３２に配置された断熱インサート１２ｄも含む。前記断熱インサート１２ｄは、２０ｍｍ〜５０ｍｍの厚さ及び前記単結晶ＳｉＣシード３の最大寸法に対して９０％〜１２０％の最大寸法を有する。前記断熱インサートの形状は、前記ＰＶＴ成長装置の使用時に前記単結晶ＳｉＣシード上に成長するＳｉＣ単結晶中の熱流束を制御するように調整することができる。ヒーター４０は、前記成長るつぼ１の底部２６と前記底部断熱片１２ｃとの間に配置される。

前記成長るつぼ１の側部３０は、中心軸４２のまわりで円筒形状を有する。

一実施例では、前記成長チャンバー２０の頂部の少なくとも内側に面する表面を黒色にすることができる。前記成長チャンバー２０は、金属若しくは金属合金、例えばステンレス鋼で作ることができる。

一実施例では、前記断熱インサート１２ｄから離れて面する前記成長チャンバー２０の頂部２２の少なくとも内側に面する表面を黒色にすることができる。

一実施例では、成長ガイド１１が、前記成長るつぼ１の頂部２８から底部２６に向かって垂れ下がり、ＳｉＣ原料２の最上部よりも上で終えることができる。前記成長ガイド１１は、前記成長るつぼ１の側部３０の内側から離れて配置され得る。

一実施例では、前記側部、頂部及び底部断熱片１２ａ，１２ｂ，１２ｃが、それぞれ、前記断熱インサート１２ｄの厚さよりも大きいか、又は、前記断熱インサート１２ｄの厚さに等しい厚さを有することができる。前記側部、頂部及び底部断熱片１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、それぞれ、前記断熱インサート１２ｄの厚さの少なくとも２倍の厚さを有することができる。

一実施例では、前記ヒーター４０がフラット抵抗ヒーターを含むことができる。前記ヒーター４０は、前記成長るつぼ１の底部２６の最大寸法よりも大きな最大寸法を有することができる。

一実施例では、望ましくは、側部断熱片１２ａが占める前記成長るつぼ１の側部３０と前記成長チャンバー２０の側部２５との間の領域に、前記ヒーターの一部が存在しない。

一実施例では、前記ヒーター４０は、前記成長るつぼ１の底部２６と前記底部断熱片１２ｃとの間にのみ存在することができる。

一実施例では、前記成長るつぼ１の高さに対する前記成長るつぼ１の外径の比は、１〜３又は１．５〜４とすることができる。

また、側部３０、頂部２８及び底部２６を有し、高さに対する外径のアスペクト比が１〜４である成長るつぼ１を含む、ＳｉＣ単結晶をＰＶＴ成長させるためのＰＶＴ成長装置を開示する。前記成長るつぼ１の頂部２８は、前記成長るつぼ１の内側に単結晶ＳｉＣシード３を支持するように構成される。断熱材１２は、前記成長るつぼ１の外側を取り囲む。前記断熱材１２は、それぞれ前記成長るつぼ１の側部、頂部及び底部３０，２８，２６に隣接して配置された側部、頂部及び底部断熱片１２ａ，１２ｂ，１２ｃを含む。さらに、前記断熱材１２は、前記頂部断熱片１２ｂ内の開口部３２に配置された断熱インサート１２ｄも含む。前記断熱インサート１２ｄは、前記側部、頂部及び底部断熱片１２ａ，１２ｂ，１２ｃのいずれか一つの厚さよりも薄い。前記断熱インサートの形状は、前記ＰＶＴ成長装置の使用時に前記単結晶ＳｉＣシード上に成長するＳｉＣ単結晶中の熱流束を制御するように調整され得る。前記ヒーター４０は、前記成長るつぼ１の底部２６と前記底部断熱片１２ｃとの間にのみ配置される。

一実施例では、前記断熱インサート１２ｄは、２０ｍｍ〜５０ｍｍの厚さ及び前記単結晶ＳｉＣシード３の最大寸法に対して９０％〜１２０％の最大寸法を有することができる。

一実施例では、さらに、前記ＰＶＴ成長装置は、前記成長るつぼ１、断熱材１２及びヒーター４０が配置された成長チャンバー２０を含むことができる。前記成長チャンバー２０は、前記成長るつぼ１の頂部２８に対して離れて配置された頂部２２を含むことができる。前記成長チャンバー２０の頂部２２の少なくとも内側に面する表面は、黒色とすることができる。

一実施例では、さらに、前記ＰＶＴ成長装置は、前記底部断熱片１２ｃ内の窓５ｂ；及び前記ヒーター４０内の窓５ｃのうち少なくとも一つを含むことができる。

さらに、本明細書では、前記成長るつぼ１内で間隔を空けて配置された前記単結晶ＳｉＣシード３及びＳｉＣ原料２とともに、前記記載のＰＶＴ成長装置を提供する工程と、ＳｉＣ原料２が昇華し、前記成長るつぼ１を加熱する前記ヒーター４０に応じて前記成長るつぼ１内に形成される温度勾配によって、前記単結晶ＳｉＣシード３へ輸送されるように、前記ヒーター４０が前記成長るつぼ１を加熱する工程であって、前記単結晶ＳｉＣシード３では昇華されたＳｉＣ原料２が濃縮して成長ＳｉＣ単結晶６を形成する工程とを含む、ＳｉＣ単結晶ブールをＰＶＴ成長させる方法が開示される。

一実施例では、前記工程（ｂ）が、前記単結晶ＳｉＣシード３上の前記成長ＳｉＣ単結晶６の少なくとも成長界面でフラットな等温線を形成する前記成長るつぼ１の底部２６及び頂部２８を通過する純粋に軸方向の熱流束８，９を含むことができる。

一実施例では、本明細書で記載される成長装置及び方法は、少なくとも３０５ｍｍ、例えば２０５ｍｍ〜３０５ｍｍの第一外径、少なくとも１０ｍｍの厚さ、前記第一外径よりも小さい前記ＳｉＣ単結晶ブールの第二外径の範囲内、全厚さ変化が２０％未満、例えば１０％未満であるＳｉＣ単結晶ブールのＰＶＴ成長に利用され得る。ここで、全厚さ変化は、前記第二外径の範囲内のブールの最大値と最小値との差を平均ブール厚さで割った値として定義される。

一実施例では、前記第二外径は、前記第一外径よりも少なくとも５ｍｍ小さくすることができる。別の言い方をすれば、前記第一外径は、前記第二外径よりも少なくとも５ｍｍ大きくすることができる。

一実施例では、前記ＳｉＣ単結晶ブール及びそこから準備（スライス）されたウェーハは、４Ｈ又は６Ｈポリタイプとすることができる。

一実施例では、前記ＳｉＣ単結晶ブールは、窒素ドープＮ型ＳｉＣ単結晶ブールとすることができる。

一実施例では、前記ＳｉＣ単結晶ブールは、バナジウムドープ及び半絶縁とすることができる。

一実施例では、直径２００ｍｍのウェーハは、２０５ｍｍのＳｉＣ単結晶ブールから準備（スライス）することができる。他の実施例では、直径２５０ｍｍのウェーハは、２５５ｍｍのＳｉＣ単結晶ブールから準備（スライス）することができる。他の実施例では、直径３００ｍｍのウェーハは、３０５ｍｍのＳｉＣ単結晶ブールから準備（スライス）することができる。

一実施例では、直径２００ｍｍ、２５０ｍｍ又は３００ｍｍのＮ型４Ｈ−ＳｉＣウェーハは、本明細書に記載する原則に従って準備することができ、０．１ｃｍ^−２未満、例えば０．０５ｃｍ^−２未満のウェーハ平均マイクロパイプ密度、１０００ｃｍ^−２未満、例えば３００ｃｍ^−２未満のウェーハ平均らせん転位密度、５００ｃｍ^−２未満、例えば２００ｃｍ^−２未満のウェーハ平均底面転位密度を有することができる。

一実施例では、直径２００ｍｍ、２５０ｍｍ又は３００ｍｍのＮ型４Ｈ−ＳｉＣウェーハは、本明細書に記載する原則に従って準備することができ、０．３°未満、例えば０．１°未満の格子曲率、及び、２５秒角未満、例えば１５秒角未満のロッキング曲線の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有することができる。

一実施例では、直径２００ｍｍ、２５０ｍｍ又は３００ｍｍのＮ型４Ｈ−ＳｉＣウェーハは、本明細書に記載する原則に従って準備することができ、全ウェーハ領域に対して１０％未満、例えば２％未満の積層欠陥が存在する全領域を有することができる。

一実施例では、直径２００ｍｍの半絶縁バナジウムドープＳｉＣウェーハは、本明細書に記載する原則に従って準備することができ、０．１ｃｍ^−２未満のマイクロパイプ密度、０．３°未満、例えば０．１°未満の格子曲率、及び、２５秒角未満、例えば１５秒角未満のロッキング曲線の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有することができる。

一実施例では、直径２００ｍｍの半絶縁バナジウムドープＳｉＣウェーハは、本明細書に記載する原則に従って準備することができ、室温で１×１０^１１Ω・ｃｍより大きい抵抗率を有することができる。

一実施例では、直径２００ｍｍの半絶縁バナジウムドープＮ型６Ｈ−ＳｉＣウェーハは、本明細書に記載する原則に従って準備することができ、室温で１×１０^１１Ω・ｃｍより大きい抵抗率、少なくとも０．８ｅＶの抵抗率の活性化エネルギー、又は、その両方を有することができる。

一実施例では、直径２００ｍｍの半絶縁バナジウムドープＰ型６Ｈ−ＳｉＣウェーハは、本明細書に記載する原則に従って準備することができ、室温で１×１０^１２Ω・ｃｍより大きい抵抗率、少なくとも１．２ｅＶの抵抗率の活性化エネルギー、又は、その両方を有することができる。

一実施例では、直径２００ｍｍの半絶縁バナジウムドープＮ型４Ｈ−ＳｉＣウェーハは、本明細書に記載する原則に従って準備することができ、室温で１×１０^１２Ω・ｃｍより大きい抵抗率、少なくとも１ｅＶの抵抗率の活性化エネルギー、又は、その両方を有することができる。

一実施例では、直径２００ｍｍの半絶縁バナジウムドープＰ型４Ｈ−ＳｉＣウェーハは、本明細書に記載する原則に従って準備することができ、室温で１×１０^１２Ω・ｃｍより大きい抵抗率、少なくとも１．５ｅＶの抵抗率の活性化エネルギー、又は、その両方を有することができる。

前述の実施例は、図面を参照して説明されている。説明のために提供され、限定的な意味に解釈されるべきではない前述の実施例を読み理解した上で、改変及び変更は他人に生じるだろう。それゆえに、前述の実施例は、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (20)

1. ＳｉＣ単結晶をＰＶＴ成長させるためのＰＶＴ成長装置であって、
   成長チャンバーと、
   前記成長チャンバー内に配置された成長るつぼであって、前記成長るつぼの底部にＳｉＣ原料が充填され、前記成長るつぼの頂部又は蓋部に単結晶ＳｉＣシードが前記ＳｉＣ原料と前記単結晶ＳｉＣシードとの間隔を空けて充填されるように構成された成長るつぼと、
   前記成長チャンバー内の前記成長るつぼを取り囲む断熱材であって、前記成長るつぼの側部と前記成長チャンバーの側部との間の側部断熱片、前記成長るつぼの底部と前記成長チャンバーの底部との間の底部断熱片、前記成長るつぼの頂部と前記成長チャンバーの頂部との間の頂部断熱片、及び、前記頂部断熱片内の開口部に配置される断熱インサートを含み、前記断熱インサートが２０ｍｍ〜５０ｍｍの厚さ及び前記単結晶ＳｉＣシードの最大寸法に対して９０％〜１２０％の最大寸法を有する、断熱材と、
   前記成長るつぼの底部と前記底部断熱片との間に配置されたヒーターであって、前記断熱インサートの形状が前記ＰＶＴ成長装置の使用時に前記単結晶ＳｉＣシード上に成長するＳｉＣ単結晶中の熱流束を制御するように調整されるヒーターと、
   を含む、ＰＶＴ成長装置。
2. 前記断熱インサートに面する前記成長チャンバーの頂部の少なくとも内側に面する表面が黒色である、請求項１に記載のＰＶＴ成長装置。
3. 前記成長チャンバーが金属又は金属合金からできている、請求項２に記載のＰＶＴ成長装置。
4. 前記成長チャンバーがステンレス鋼からできている、請求項２に記載のＰＶＴ成長装置。
5. 前記断熱インサートから離れる方向に面する前記成長チャンバーの頂部の内側に面する表面が黒色である、請求項２に記載のＰＶＴ成長装置。
6. さらに、前記成長るつぼの頂部から底部に向かって垂れ下がり、前記ＳｉＣ原料の最上部よりも上で終える成長ガイドを含む、請求項１に記載のＰＶＴ成長装置。
7. 前記成長ガイドが前記成長るつぼの側部の内面から離れて配置される、請求項６に記載のＰＶＴ成長装置。
8. 前記側部、頂部及び底部断熱片が、それぞれ、前記断熱インサートの厚さよりも大きいか、又は、前記断熱インサートの厚さに等しい厚さを有する、請求項１に記載のＰＶＴ成長装置。
9. 前記側部、頂部及び底部断熱片が、それぞれ、前記断熱インサートの厚さの少なくとも２倍の厚さを有する、請求項８に記載のＰＶＴ成長装置。
10. 前記ヒーターがフラット抵抗ヒーターを含む、請求項１に記載のＰＶＴ成長装置。
11. 前記ヒーターが、前記成長るつぼの底部の最大寸法よりも大きな最大寸法を有する、請求項１に記載のＰＶＴ成長装置。
12. 前記ヒーターが、前記成長るつぼの底部と前記底部断熱片との間にのみ存在する、請求項１に記載のＰＶＴ成長装置。
13. 前記成長るつぼの高さに対する前記成長るつぼの外径の比は１〜３である、請求項１に記載のＰＶＴ成長装置。
14. 前記成長るつぼの高さに対する前記成長るつぼの外径の比は１．５〜４である、請求項１に記載のＰＶＴ成長装置。
15. ＳｉＣ単結晶をＰＶＴ成長させるためのＰＶＴ成長装置であって、
    側部、頂部及び底部を有し、高さに対する外径のアスペクト比が１〜４であり、成長るつぼの頂部が該成長るつぼの内側に単結晶ＳｉＣシードを支持するように構成される成長るつぼと、
    前記成長るつぼの外側を取り囲む断熱材であって、前記成長るつぼのそれぞれ側部、頂部及び底部に隣接して配置される側部、頂部及び底部断熱片を含み、さらに、前記頂部断熱片内の開口部に配置される断熱インサートを含み、前記断熱インサートが前記側部、頂部及び底部断熱片のいずれか一つの厚さよりも薄い、断熱材と、
    前記成長るつぼの底部と前記底部断熱片との間にのみ配置されたヒーターであって、前記断熱インサートの形状が前記ＰＶＴ成長装置の使用時に前記単結晶ＳｉＣシード上に成長するＳｉＣ単結晶中の熱流束を制御するように調整されるヒーターと、
    を含む、ＰＶＴ成長装置。
16. 前記断熱インサートが、２０ｍｍ〜５０ｍｍの厚さ及び前記単結晶ＳｉＣシードの最大寸法に対して９０％〜１２０％の最大寸法を有する、請求項１５に記載のＰＶＴ成長装置。
17. さらに、前記成長るつぼ、断熱材及びヒーターが配置された成長チャンバーを含み、前記成長チャンバーが、前記成長るつぼの頂部に対して離れて配置された頂部を含み、前記成長チャンバーの頂部の少なくとも内側に面する表面が黒色である、請求項１５に記載のＰＶＴ成長装置。
18. さらに、少なくとも以下のうち一つを含む、請求項１５に記載のＰＶＴ成長装置：
    前記底部断熱片内の窓；及び
    前記ヒーター内の窓。
19. ＳｉＣ単結晶をＰＶＴ成長させる方法であって、
    （ａ）成長るつぼ内で間隔を空けて配置された単結晶ＳｉＣシード及びＳｉＣ原料とともに、請求項１５に記載のＰＶＴ成長装置を提供する工程と、
    （ｂ）前記ＳｉＣ原料が昇華し、成長るつぼ内に形成される温度勾配によって、前記単結晶ＳｉＣシードへ輸送されるように、前記ヒーターが前記成長るつぼを加熱する工程であって、前記単結晶ＳｉＣシードでは、前記ヒーターが前記成長るつぼを加熱するのに応じて、昇華されたＳｉＣ原料が濃縮して成長ＳｉＣ単結晶を形成する工程と、
    を含む、方法。
20. 前記工程（ｂ）が、前記単結晶ＳｉＣシード上の前記成長ＳｉＣ単結晶の成長界面でフラットな等温線を形成する前記成長るつぼの底部及び頂部を通過する純粋に軸方向の熱流束を含む、請求項１９に記載の方法。