低マイクロパイプの１００ｍｍ炭化ケイ素ウェハ
【課題】種結晶を用いた昇華システムにおいて形成された結晶の欠陥レベルが低く、より大きく、高品質のＳｉＣ単結晶ウェハを製造する方法を提供する。
【解決手段】少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有し、また、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、２Ｈおよび１５Ｒポリタイプからなる群から選択されるポリタイプを有するＳｉＣ単結晶ウェハ。なお、マイクロパイプ密度は、表面上にある全マイクロパイプの総数を、ウェハの表面積で割ったものを表す。
【解決手段】少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有し、また、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、２Ｈおよび１５Ｒポリタイプからなる群から選択されるポリタイプを有するＳｉＣ単結晶ウェハ。なお、マイクロパイプ密度は、表面上にある全マイクロパイプの総数を、ウェハの表面積で割ったものを表す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低欠陥の炭化ケイ素ウェハと、半導体用の前駆体としてのその使用に関し、さらに、高品質で大きな炭化ケイ素単結晶の種晶添加昇華成長法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な電子デバイスや目的に合った半導体材料として、炭化ケイ素が使用されてきている。炭化ケイ素は、その物理的強度と化学的侵食に対する高い耐性のため非常に有用である。炭化ケイ素はまた、耐放射性、高破壊電界、比較的広いバンドキャップ、高飽和電子ドリフト速度、高温動作、並びにスペクトルの青、紫、および紫外領域における高エネルギー光子の吸収および放出といった優れた電子特性を有する。
【０００３】
種結晶を用いた昇華成長プロセスによって、単結晶炭化ケイ素が生成されることが多い。典型的な炭化ケイ素成長技術において、種結晶およびソースパウダーの両方が、ソースとわずかに温度が低い種結晶との間に熱勾配を生成するように、ソースの昇華温度に加熱される反応るつぼに配置される。熱勾配により、ソースから種結晶へ材料が気相移動した後、種結晶および結果的に得られるバルクが結晶成長すると凝縮する。この方法は、物理気相輸送法（ＰＶＴ）とも呼ばれる。
【０００４】
典型的な炭化ケイ素成長技術において、るつぼは、グラファイトから作られ、誘導または抵抗によって加熱され、関連するコイルおよび絶縁は、所望の熱勾配を確立および制御するように配置される。ソースパウダーは、種結晶と同様に炭化ケイ素である。るつぼは、垂直方向に配向され、ソースパウダーが下側部分に、種結晶が典型的に、種結晶ホルダ上の上部に位置付けられる。例えば、米国特許第４８６６００５号明細書（米国再発行特許発明第３４８６１号明細書）を参照されたい。同特許の内容全体は、本明細書の一部をなすものとする。これらのソースは、例示的なものであり、種結晶を用いた最新の昇華成長技術の記載を限定するものではない。
【０００５】
本発明はまた、以下の同時係属中の本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願、すなわち、米国特許出願公開第２００５／０１４５１６４号明細書、同第２００５／００２２７２４号明細書、同第２００５／００２２７２７号明細書、および同第２００５／０１６４４８２号明細書に関係する。
【０００６】
近年、炭化ケイ素バルク結晶の構造欠陥の低密度化は進んでいるが、それでも欠陥濃度は比較的高く、なくすことは困難であることが分かっている。例えば、Ｎａｋａｍｕｒａらの「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ」，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４３０，２００４年８月２６日，ｐ．１００９を参照されたい。これらの欠陥は、基板上に作られるデバイスの性能特性を制限するという深刻な問題を引き起こす可能性があり、場合によっては、有用なデバイス全体を排除してしまいかねない。炭化ケイ素の大きなバルク単結晶を生成するための種結晶を用いた現在の昇華技術では、典型的に、炭化ケイ素結晶の成長表面上での欠陥濃度が、所望の濃度より高くなってしまう。欠陥濃度が高いと、結晶上、ひいては、結晶から得られる基板上に作られるデバイスの性能特性を制限するという深刻な問題を引き起こす可能性がある。例えば、いくつかの市販されている炭化ケイ素ウェハの典型的なマイクロパイプ欠陥密度は、１平方センチメートル当たり１００（ｃｍ−２）程度であろう。しかしながら、炭化ケイ素に形成されたメガワットデバイスには、０．４ｃｍ−２程度の欠陥が少ない表面が必要になる。このように、高電圧高電流の応用に表面積が大きいデバイスを作製するために使用可能な大きな単結晶を獲得することは、依然として価値のある目標である。
【０００７】
低欠陥炭化ケイ素の小さなサンプルはこれまで入手可能であったが、炭化ケイ素をより広く商業的に使用するには、より大きなサンプル、特に、より大きなウェハが必要である。比較として、１００ｍｍ（４”）シリコンウェハは、１９７５年以来市販されており、１５０ｍｍ（６”）シリコンウェハは、１９８１年以来入手可能になっている。また、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）は、４”および６”ウェハの両方で市販されている。このように、５０ｍｍ（２”）および７５ｍｍ（３”）ＳｉＣウェハは、これらの他の材料に後れを取っており、より広範囲のデバイスおよび応用においてＳｉＣの採用および使用をある程度制限してしまう。
【０００８】
マイクロパイプは、種結晶を用いてＳｉＣ結晶を昇華生成している間に発展または伝播する一般的な欠陥である。他の欠陥には、貫通転位、六角形状の空隙、およびらせん転位が含まれる。これらの欠陥が、ＳｉＣ結晶に残ったままであれば、結晶上に成長させた結果的に得られるデバイスは、これらの欠陥を組み込んでしまうこともある。
【０００９】
特殊な欠陥の性質および説明については、結晶成長の分野において一般によく理解されている。マイクロパイプとは、バーガーズベクトルがｃ軸に沿った中空孔の大型らせん転位である。マイクロパイプの発生に関しては、数多くの原因の提言や特定がなされてきた。これらは、ケイ素または炭素含有物などの過剰材料、金属堆積物などの外部からの不純物、境界欠陥、および部分転位の運動またはすべりを含む。例えば、Ｐｏｗｅｌｌらの「Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｌｏｗ Ｍｉｃｒｏｐｉｐｅ Ｄｅｎｓｉｔｙ ＳｉＣ Ｗａｆｅｒｓ」，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ，Ｖｏｌｓ．３３８−３４０，ｐ．４３７−４４０（２０００）を参照されたい。
【００１０】
六角形状の空隙とは、結晶にある平坦で六角形の小板状のキャビティのことであり、これらの下方に続く中空管を有する場合が多い。ある証拠によれば、マイクロパイプは、六角形状の空隙に関連していることが示されている。Ｋｕｈｒらの「Ｈｅｘａｇｏｎａｌ Ｖｏｉｄｓ Ａｎｄ Ｔｈｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｓ Ｄｕｒｉｎｇ ＳｉＣ Ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ Ｇｒｏｗｔｈ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ８９，Ｎｏ．８，ｐ．４６２５（２００１年４月）に、このような欠陥に関する比較的最近の議論（例示的であって、制限的ではない）が示されている。
【００１１】
また、ＳｉＣのバルク単結晶に表面欠陥が存在すると、その表面欠陥が、単一ポリタイプ結晶成長を妨げてしまうこともある。ＳｉＣの１５０の利用可能なポリタイプは、特定の問題を生じる。これらのポリタイプの多くが非常に類似しており、わずかな熱力学差によってのみ分けられる場合が多い。結晶全体にわたって所望のポリタイプの同一性を維持することは、種結晶を用いた昇華システムにおいて、大きなサイズのＳｉＣ結晶を成長させる際非常に難しい。表面欠陥が存在すると、所望のポリタイプを維持するために層を堆積するための結晶表面に関するポリタイプ情報が十分にない。成長している結晶の表面でポリタイプ変化が生じると、さらなる表面欠陥が形成されてしまうことになる。
【００１２】
最近の研究では、種結晶を用いた昇華技術において製造されたバルク結晶における問題は、種結晶そのものと、種結晶の物理的な取り扱い方とに端を発している。例えば、Ｓａｎｃｈｅｚらの「Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｃａｖｉｔｉｅｓ Ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌｕｍｅ２９，Ｎｏ．３，ｐ．３４７（２０００）を参照されたい。Ｓａｎｃｈｅｚは、同文献の３４７頁で「［０００１］軸に平行またはほぼ平行に整列された大型らせん転位のコアに形成された０．１μｍ〜５μｍの範囲の直径のほぼ円筒状の空隙」について記述するのに、「マイクロパイプ」という用語を使用している。Ｓａｎｃｈｅｚは、同文献において、「熱分解空隙」として大きな空隙（「直径が５μｍ〜１００μｍ」）と呼び、マイクロパイプおよび熱分解空洞は、異なる原因から生じていると考えた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、種結晶を用いた昇華システムにおいて形成された結晶の欠陥レベルが低く、より大きく、高品質の炭化ケイ素バルク単結晶を製造することは、依然として変わらぬ技術的かつ商業的な目標である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、その一態様として、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの高品質単結晶ウェハである。
【００１５】
本発明は、別の態様として、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの半導体前駆体ウェハである。
【００１６】
本発明は、別の態様として、種結晶を用いた昇華成長システムに、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの高品質単結晶ウェハを使用する方法である。
【００１７】
本発明は、さらに別の態様として、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの種単結晶上に形成された複数のパワーデバイスである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るＳｉＣウェハの写真である。
【図２】本発明に係る半導体前駆体ウェハである。
【図３】本発明に係る複数の半導体前駆体デバイスである。
【図４】本発明に係る種結晶を用いた昇華システムの模式的な断面図である。
【図５】本発明に係る金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの模式的な断面図である。
【図６】本発明に係る金属半導体電界効果トランジスタの模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、高品質の炭化ケイ素ウェハに関する。特に、本発明では、種晶添加昇華を用いてこのようなウェハの成長を高めるためのいくつかの技術を取り入れている。
本発明は、その一態様として、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満、より好ましくは約２０ｃｍ−２未満、最も好ましくは約１０ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの高品質単結晶ウェハである。単結晶ＳｉＣのポリタイプは、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、２Ｈ、または１５Ｒであることが好ましい。
【００２０】
種結晶の直径および厚みの比例寸法について考慮する際、パーセンテージ、分数、または比率のいずれの表記であっても、本発明により提供される改良との関連で、これらの比は、本明細書に記載するより大きな直径の種結晶との関連で進歩的な意味を有することを理解されたい。
【００２１】
したがって、いくつかの実施形態において、本発明は、一般的に、２インチ、３インチ、および１００ｍｍ直径の単結晶が好ましいという直径の観点から、結晶の絶対寸法を含む方法で、関連する実施形態において本明細書に記載され請求される。
【００２２】
図１は、本発明に係るウェハ２の写真である。表面上にある黒点がマイクロパイプである。これらのマイクロパイプを適切に計数すると、この例示したウェハには、１平方センチメートル当たり２５個未満のマイクロパイプがある。
【００２３】
本発明は、別の態様として、高品質の半導体前駆体ウェハである。ウェハは、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約７〜２２ｃｍ−２の表面マイクロパイプ密度とを有する、４Ｈポリタイプの炭化ケイ素ウェハである。表面マイクロパイプ密度は、表面上の全マイクロパイプの総数をウェハの表面積で割ったものを表す。全マイクロパイプの総数は、マイクロパイプ欠陥を優先的に強調するエッチング後の表面上の全マイクロパイプの総数を表す。エッチングは、溶融水酸化カリウムエッチングであることが好ましい。本発明に係る結晶の測定可能エリアは、２２ｃｍ−２未満、場合によっては７ｃｍ−２未満、さらなる他の場合において、現時点では予測であるが、ゼロのマイクロパイプ密度を示すことを理解されたい。このように、「未満」という表現を本明細書で使用する場合、この表現は、測定された態様と、予測の態様との両方を有することを理解されたい。測定された態様（例えば、図１）の他に、さらに少ない欠陥を示す結晶もあることが予測される。その結果、本明細書において使用される「未満」という語句（例えば、「７ｃｍ−２未満」）は、７〜２２ｃｍ−２などの範囲も含む（が、これに限定されるものではない）。
【００２４】
本発明は、さらに別の態様として、４Ｈポリタイプ、少なくとも約１００ｍｍの直径、およびウェハの表面上の約５４５〜１７３０個のマイクロパイプを有する高品質の炭化ケイ素半導体前駆体ウェハである。繰り返しになるが、表面マイクロパイプは、好ましくは溶融水酸化カリウムエッチング後の表面上の全マイクロパイプの総数を表す。
【００２５】
本発明は、別の態様として、図２に模式的に示すように、４Ｈポリタイプと、少なくとも約１００ｍｍの直径と、２２ｃｍ−２未満の表面上のマイクロパイプ密度とを有する、高品質の炭化ケイ素半導体前駆体ウェハ４である。ウェハは、表面上の位置にあるＩＩＩ族窒化物層６をさらに有する。ＩＩＩ族窒化物層６は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮの１つ以上であることが好ましい。
【００２６】
ＩＩＩ族窒化物の成長および電子特性は、一般に、当技術分野でよく理解されている。炭化ケイ素基板上のＩＩＩ族窒化物層は、あるタイプの発光ダイオード（ＬＥＤ）の基本的な特徴である。他の所望の要因の中で、ＩＩＩ族元素（例えば、ＩｎｘＧａｙＮ１−ｘ−ｙ）の原子分率は、組成のバンドキャップを（制限値内で）調整することで、結果的に得られる放射周波数、ひいては、ＬＥＤの色を同様に調整する。
【００２７】
図３を参照すると、本発明は、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約７〜２２ｃｍ−２のウェハの表面上のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣ種結晶９上にある複数の炭化ケイ素半導体デバイス前駆体８である。ウェハは、ウェハのいくつかの部分上に、複数のＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１０をそれぞれさらに有する。好ましいＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮから個々に選択される。
【００２８】
本発明は、別の態様として、種結晶を用いた昇華システムで、高品質の炭化ケイ素バルク単結晶を製造する方法であり、この改良された方法は、少なくとも約１００ｍｍの直径を有し、約２０ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度を有するＳｉＣブールを成長させ、その後、好ましくは機械的に、ＳｉＣブールをウェハにスライシングすることを含み、各ウェハは、表面上に約２０ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度を有する。ウェハの厚みは、約０．５ｍｍであることが好ましい。
【００２９】
次いで、ＳｉＣウェハを研磨しエッチングすることが好ましいこともある。好ましい研磨は、化学機械研磨であり、好ましいエッチングは、溶融ＫＯＨエッチングである。エッチングは、表面上の欠陥をハイライトするために実行され、種結晶を用いた昇華の先行ステップとして不要である。このように、昇華成長は、典型的に、エッチングされていない研磨された種結晶上に実行される。
【００３０】
当技術分野で知られているように、ＳｉＣブール（ｂｏｕｌｅ）は、種結晶添加昇華システムにおいて成長されることが好ましい。ブールがウェハにスライスされた後、今度はウェハが、炭化ケイ素単結晶を種結晶添加昇華成長させる際の種結晶として使用されてもよい。
【００３１】
本明細書の背景技術の部分で述べたように、種結晶を用いて炭化ケイ素を昇華成長させる一般的態様は、一般に、長年にわたって十分に確立されてきた。さらに、特に、炭化ケイ素などの困難な材料系での結晶成長に精通した人であれば、所与の技術の詳細は、一般的に意図的に、関連する状況に応じて変動し得るし、変動するであろうことを認識するであろう。したがって、本明細書の記載は、当業者であれば、必要以上の実験を行うことなく、本明細書の開示に基づいて、本発明の改良を実行することができるであろうという認識で、一般的かつ概略的な意味で最も適切に与えられたものである。
【００３２】
本発明について記載する際、多数の技術が開示されることを理解されたい。これらの各々は、個々に有益な点を備えており、また、他の開示された技術の１つ以上、または場合によってはすべてとともに各々が使用され得る。したがって、明確に示すために、本願の記載では、個々のステップのあらゆる可能な組み合わせを不要に繰り返すことを控えている。しかしながら、本明細書および特許請求の範囲は、このような組み合わせがすべて本発明の範囲および特許請求の範囲内のものであるという理解とともに読み取られるべきものである。
【００３３】
図４は、本発明において有用であると考えられるタイプの種結晶添加昇華成長用の昇華システムの模式的な断面図である。このシステムは、符号１２で示されている。ほとんどの典型的なシステムのように、システム１２は、グラファイトサセプタ又はるつぼ１４と、コイル１６を介して電流が印加されたときにサセプタ１４を加熱する複数の誘導コイル１６とを含む。その他の形態として、抵抗加熱を組み込んだシステムもある。これらの結晶成長技術に精通した人であれば、システムがいくつかの状況、例えば、水冷式石英容器に封入され得ることを理解されたい。さらに、サセプタ１４と連通した少なくとも１つのガス入口および出口（図示省略）が、種晶添加昇華システム１２に含まれる。しかしながら、このようなさらなる封入は、本発明にはあまり関係がなく、本明細書において、図面および記述が明確になりやすいように省略している。さらに、当業者であれば、本明細書に記載するタイプの炭化ケイ素昇華システムが、商業的に、および必要または適切であり得るようにカスタム方式で作られるように入手可能であることを認識されたい。したがって、これらのシステムは、必要以上の実験を行うことなく、当業者によって選択または設計され得る。
【００３４】
サセプタ１４は、典型的に、絶縁体１８によって取り囲まれ、そのうちのいくつかの部分を図４に示す。図４は、サイズと配置が一般に一貫するように絶縁体を示しているが、当業者であれば、絶縁体１８の配置および量は、サセプタ１４に沿って所望の熱勾配（軸方向および半径方向の両方）を与えるように使用され得ることを理解するであろうし、認識されたい。繰り返しになるが、簡潔に示すために、これらの可能な入れ替えについては、本明細書において説明しない。
【００３５】
サセプタ１４は、炭化ケイ素パウダーソース２０を収容する１つ以上の部分を含む。このようなパウダーソース２０は、最も一般的に、炭化ケイ素用の種結晶を用いた昇華成長技術において使用されるが、これに限定されるものではない。図４は、サセプタ１４の下側部分に収容されているようなパウダーソース２０を示し、これは、１つの典型的な配列である。別のよく知られている変形例として、ソースパウダーが、図４に示す配設よりもサセプタ１４の内部のより広い部分を取り囲んだ垂直方向の円筒状配列にソースパウダーを分配するシステムもある。本明細書に記載する本発明は、両方のタイプの機器を使用して適切に実行され得る。
【００３６】
炭化ケイ素種結晶が符号２２で示され、典型的に、サセプタ１４の上側部分に配置される。種結晶２２は、少なくとも約１００ｍｍの直径を有し、表面上に約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度を有する単結晶ＳｉＣ種結晶であることが好ましい。種結晶を用いた昇華成長中に種結晶２２上に成長結晶２６が堆積される。
【００３７】
種結晶ホルダ２４が、典型的に、サセプタ１４に種結晶ホルダ２４を適切に取り付けた状態にして、種結晶２２を適所に保持する。これは、様々な静止またはねじ式配列を含み得る。図４に示す配向において、種結晶ホルダ２４の上側部分は、典型的に、サセプタ１４、好ましくは、グラファイトるつぼの最上部分にねじ山を含むことで、種結晶ホルダ２４をサセプタ１４の上部内に差し込んで、種結晶２２を所望の位置に保持してもよい。種結晶ホルダ２４は、グラファイト種結晶ホルダであることが好ましい。
【００３８】
種結晶２２に最小のねじり力をかけながら、種結晶２２をるつぼ１４に配置することが好ましいこともあり、このようにすることで、種結晶２２に望ましくない熱的な差をもたらしてしまうこともある結晶の反りや撓みをねじり力が生じさせなくなる。
【００３９】
いくつかの実施形態において、種結晶２２を取り付ける前に、種結晶ホルダ２４をアニールすることが望ましい場合もある。昇華成長前に種結晶ホルダ２４をアニールすることで、種結晶ホルダ２４は、ＳｉＣ昇華温度での結晶成長中に著しい歪みを受けなくなる。また、種結晶ホルダ２４をアニールすることで、種結晶２２にわたった温度差が最小限に抑えられるか、またはなくなり、このような温度差には、成長している結晶にある欠陥を引き起こし伝播してしまう傾向がある。種結晶ホルダ２４をアニールする好ましいプロセスは、少なくとも約３０分間、２５００℃程度の温度でアニールすることを含む。
【００４０】
いくつかの実施形態において、昇華システム１２にドーパント原子を含むことが好ましい場合もある。種結晶を用いた昇華システム１２にドーパントガスを導入することで、成長結晶にドーパント原子が取り込まれる。ドーパントは、アクセプタまたはドナーの能力に合わせて選択される。ドナードーパントは、ｎ型導電性を備えたものであり、アクセプタドーパントは、ｐ型導電性を備えたものである。好ましいドーパント原子は、ｎ型およびｐ型のドーパント原子を含む。特に好ましいｎ型ドーパントは、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、およびそれらの混合物を含む。特に好ましいｐ型ドーパントは、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、およびそれらの混合物を含む。
【００４１】
昇華成長の一般的なスキームは、本明細書の背景技術の部分とともに、当業者に周知の他のソースにも簡潔に示されている。典型的に、サセプタ１４が応答する周波数を有する電流が、誘導コイル１６を流れて、グラファイトサセプタ１４を加熱する。絶縁体１８の量および配置は、サセプタ１４が、典型的に、約２０００℃を超える昇華温度までパウダーソース２０を加熱すると、パウダーソース２０と成長結晶２６との間に熱勾配を生じるように選択される。熱勾配は、種結晶２２、その後、成長結晶の温度を炭化ケイ素ソースの温度付近であるが、それよりも低い温度に維持するように確立されることで、炭化ケイ素が昇華して（Ｓｉ、Ｓｉ２Ｃ、およびＳｉＣ２）、最初に種結晶の上に、その後、成長結晶の上に凝縮すると生成される蒸発した化学種を熱力学的に促進させる。例えば、米国特許第４８６６００５号明細書を参照されたい。
【００４２】
所望の結晶サイズに達した後は、システムの温度を約１９００℃より低くした後、圧力を約４００ｔｏｒｒより高い圧力まで上昇させることによって、成長を終了させる。
【００４３】
昇華成長プロセスの完了後、結晶をアニールすることがさらに望ましいこともある。結晶は、約３０分よりも長い期間、成長温度以上の温度でアニールされてもよい。
【００４４】
明確にするために、「熱勾配」という単数形の用語を本明細書において使用するが、当業者であれば、サセプタ１４にはいくつかの勾配が共存することが望ましい場合もあり、軸方向と半径方向の勾配として、または複数の等温線として細かく分類することもできることを理解されたい。
【００４５】
温度勾配および他の条件（圧力、キャリアガスなど）が適切に維持されれば、全体的な熱力学的現象により、蒸発した化学種が、最初に種結晶２２上に凝縮し、その後、種結晶２２として同じポリタイプにある成長結晶２６上に凝縮するように促進される。
【００４６】
背景技術に一般に述べたように、電子デバイスの性能特性は、典型的に、様々なデバイス部分の結晶品質が高まるにつれ向上する。このように、本発明のウェハの欠陥低減特性により、同様に、改良されたデバイスが得られる。特に、マイクロパイプ密度が２０ｃｍ−２以下まで下がると、高出力高電流デバイスをより一層利用できるようになる。
【００４７】
このように、本発明は、別の態様として、低欠陥１００ｍｍ炭化ケイ素ウェハ上に形成された複数の電界効果トランジスタである。各電界効果トランジスタは、少なくとも１００ｍｍ直径と、約７〜２２ｃｍ−２のマイクロパイプ密度を有するバルク単結晶炭化ケイ素基板ウェハを含む。
【００４８】
本発明は、別の態様として、低欠陥１００ｍｍ炭化ケイ素基板４４上に形成された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）４２である。図５は、基本的なＭＯＳＦＥＴ構造を模式的に示した断面図である。各ＭＯＳＦＥＴ４２は、少なくとも約１００ｍｍ直径と、２２ｃｍ−２、場合によっては約７〜２２ｃｍ−２、さらなる他の場合において、現時点では予測であるが７ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度のバルク単結晶炭化ケイ素基板ウェハ４４を含む。バルク単結晶基板４４は、第１の表面４８と第２の表面５０を互いに対向するように有している。基板上のエピタキシャル層が、ソース５２、チャネル５６、およびドレイン５４の各部分を有し、チャネル５６は、酸化物層６２を通ってゲートコンタクト６４によって制御される。ソースコンタクト５８およびドレインコンタクト６０はそれぞれ、ソース部分５２およびドレイン部分５４上にある。ＭＯＳＦＥＴおよびＭＯＳＦＥＴの組み合わせ並びにそれらの変形例の構造および動作は、当技術分野においてよく理解されているものであり、したがって、図５およびその記載は、特許請求された本発明を制限するものではなく、例示的なものである。
【００４９】
図６を参照すると、本発明は、別の態様として、低欠陥１００ｍｍ炭化ケイ素上に形成された複数の金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）６６である。各ＭＥＳＦＥＴ６６は、少なくとも約１００ｍｍおよび約７〜２２ｃｍ−２の間のマイクロパイプ密度を有するバルク単結晶炭化ケイ素基板ウェハ６８を含む。基板６８は、第１の表面７０と第２の表面７２を互いに対向するように有している。基板６８の第１の表面７０上に、導電チャネル７４が位置する。オームソースコンタクト７６およびドレインコンタクト７８が、導電チャネル７４上に位置する。ソース７６とドレイン７８の間の導電チャネル７４上に金属ゲートコンタクト８０が位置する。この金属ゲートコンタクト８０は、バイアスがかけられると、アクティブチャネルを形成する。
【００５０】
当技術分野で知られているように、本発明に係る炭化ケイ素ウェハ上に、２つ以上のタイプのデバイスが配置されてもよい。含まれてもよいさらなるデバイスは、接合電界効果トランジスタ、ヘテロ電界効果トランジスタ、ダイオード、および当技術分野で公知の他のデバイスである。これら（および他の）デバイスの構造および動作は、当技術分野でよく理解されているものであり、必要以上の実験を行うことなく、本明細書に記載され請求されている基板を使用して実施され得る。
【実施例】
【００５１】
本発明に係る一連のＳｉＣブールを形成した。表１に、上述した計数方法によって測定したマイクロパイプ密度を、これらのブールの各々に対して示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
本明細書および図面に、本発明の典型的な実施形態を開示してきた。特定の用語は、一般的かつ説明的な意味でのみ使用したにすぎず、限定的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲において示される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低欠陥の炭化ケイ素ウェハと、半導体用の前駆体としてのその使用に関し、さらに、高品質で大きな炭化ケイ素単結晶の種晶添加昇華成長法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な電子デバイスや目的に合った半導体材料として、炭化ケイ素が使用されてきている。炭化ケイ素は、その物理的強度と化学的侵食に対する高い耐性のため非常に有用である。炭化ケイ素はまた、耐放射性、高破壊電界、比較的広いバンドキャップ、高飽和電子ドリフト速度、高温動作、並びにスペクトルの青、紫、および紫外領域における高エネルギー光子の吸収および放出といった優れた電子特性を有する。
【０００３】
種結晶を用いた昇華成長プロセスによって、単結晶炭化ケイ素が生成されることが多い。典型的な炭化ケイ素成長技術において、種結晶およびソースパウダーの両方が、ソースとわずかに温度が低い種結晶との間に熱勾配を生成するように、ソースの昇華温度に加熱される反応るつぼに配置される。熱勾配により、ソースから種結晶へ材料が気相移動した後、種結晶および結果的に得られるバルクが結晶成長すると凝縮する。この方法は、物理気相輸送法（ＰＶＴ）とも呼ばれる。
【０００４】
典型的な炭化ケイ素成長技術において、るつぼは、グラファイトから作られ、誘導または抵抗によって加熱され、関連するコイルおよび絶縁は、所望の熱勾配を確立および制御するように配置される。ソースパウダーは、種結晶と同様に炭化ケイ素である。るつぼは、垂直方向に配向され、ソースパウダーが下側部分に、種結晶が典型的に、種結晶ホルダ上の上部に位置付けられる。例えば、米国特許第４８６６００５号明細書（米国再発行特許発明第３４８６１号明細書）を参照されたい。同特許の内容全体は、本明細書の一部をなすものとする。これらのソースは、例示的なものであり、種結晶を用いた最新の昇華成長技術の記載を限定するものではない。
【０００５】
本発明はまた、以下の同時係属中の本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願、すなわち、米国特許出願公開第２００５／０１４５１６４号明細書、同第２００５／００２２７２４号明細書、同第２００５／００２２７２７号明細書、および同第２００５／０１６４４８２号明細書に関係する。
【０００６】
近年、炭化ケイ素バルク結晶の構造欠陥の低密度化は進んでいるが、それでも欠陥濃度は比較的高く、なくすことは困難であることが分かっている。例えば、Ｎａｋａｍｕｒａらの「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ」，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４３０，２００４年８月２６日，ｐ．１００９を参照されたい。これらの欠陥は、基板上に作られるデバイスの性能特性を制限するという深刻な問題を引き起こす可能性があり、場合によっては、有用なデバイス全体を排除してしまいかねない。炭化ケイ素の大きなバルク単結晶を生成するための種結晶を用いた現在の昇華技術では、典型的に、炭化ケイ素結晶の成長表面上での欠陥濃度が、所望の濃度より高くなってしまう。欠陥濃度が高いと、結晶上、ひいては、結晶から得られる基板上に作られるデバイスの性能特性を制限するという深刻な問題を引き起こす可能性がある。例えば、いくつかの市販されている炭化ケイ素ウェハの典型的なマイクロパイプ欠陥密度は、１平方センチメートル当たり１００（ｃｍ−２）程度であろう。しかしながら、炭化ケイ素に形成されたメガワットデバイスには、０．４ｃｍ−２程度の欠陥が少ない表面が必要になる。このように、高電圧高電流の応用に表面積が大きいデバイスを作製するために使用可能な大きな単結晶を獲得することは、依然として価値のある目標である。
【０００７】
低欠陥炭化ケイ素の小さなサンプルはこれまで入手可能であったが、炭化ケイ素をより広く商業的に使用するには、より大きなサンプル、特に、より大きなウェハが必要である。比較として、１００ｍｍ（４”）シリコンウェハは、１９７５年以来市販されており、１５０ｍｍ（６”）シリコンウェハは、１９８１年以来入手可能になっている。また、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）は、４”および６”ウェハの両方で市販されている。このように、５０ｍｍ（２”）および７５ｍｍ（３”）ＳｉＣウェハは、これらの他の材料に後れを取っており、より広範囲のデバイスおよび応用においてＳｉＣの採用および使用をある程度制限してしまう。
【０００８】
マイクロパイプは、種結晶を用いてＳｉＣ結晶を昇華生成している間に発展または伝播する一般的な欠陥である。他の欠陥には、貫通転位、六角形状の空隙、およびらせん転位が含まれる。これらの欠陥が、ＳｉＣ結晶に残ったままであれば、結晶上に成長させた結果的に得られるデバイスは、これらの欠陥を組み込んでしまうこともある。
【０００９】
特殊な欠陥の性質および説明については、結晶成長の分野において一般によく理解されている。マイクロパイプとは、バーガーズベクトルがｃ軸に沿った中空孔の大型らせん転位である。マイクロパイプの発生に関しては、数多くの原因の提言や特定がなされてきた。これらは、ケイ素または炭素含有物などの過剰材料、金属堆積物などの外部からの不純物、境界欠陥、および部分転位の運動またはすべりを含む。例えば、Ｐｏｗｅｌｌらの「Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｌｏｗ Ｍｉｃｒｏｐｉｐｅ Ｄｅｎｓｉｔｙ ＳｉＣ Ｗａｆｅｒｓ」，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ，Ｖｏｌｓ．３３８−３４０，ｐ．４３７−４４０（２０００）を参照されたい。
【００１０】
六角形状の空隙とは、結晶にある平坦で六角形の小板状のキャビティのことであり、これらの下方に続く中空管を有する場合が多い。ある証拠によれば、マイクロパイプは、六角形状の空隙に関連していることが示されている。Ｋｕｈｒらの「Ｈｅｘａｇｏｎａｌ Ｖｏｉｄｓ Ａｎｄ Ｔｈｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｓ Ｄｕｒｉｎｇ ＳｉＣ Ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ Ｇｒｏｗｔｈ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ８９，Ｎｏ．８，ｐ．４６２５（２００１年４月）に、このような欠陥に関する比較的最近の議論（例示的であって、制限的ではない）が示されている。
【００１１】
また、ＳｉＣのバルク単結晶に表面欠陥が存在すると、その表面欠陥が、単一ポリタイプ結晶成長を妨げてしまうこともある。ＳｉＣの１５０の利用可能なポリタイプは、特定の問題を生じる。これらのポリタイプの多くが非常に類似しており、わずかな熱力学差によってのみ分けられる場合が多い。結晶全体にわたって所望のポリタイプの同一性を維持することは、種結晶を用いた昇華システムにおいて、大きなサイズのＳｉＣ結晶を成長させる際非常に難しい。表面欠陥が存在すると、所望のポリタイプを維持するために層を堆積するための結晶表面に関するポリタイプ情報が十分にない。成長している結晶の表面でポリタイプ変化が生じると、さらなる表面欠陥が形成されてしまうことになる。
【００１２】
最近の研究では、種結晶を用いた昇華技術において製造されたバルク結晶における問題は、種結晶そのものと、種結晶の物理的な取り扱い方とに端を発している。例えば、Ｓａｎｃｈｅｚらの「Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｃａｖｉｔｉｅｓ Ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌｕｍｅ２９，Ｎｏ．３，ｐ．３４７（２０００）を参照されたい。Ｓａｎｃｈｅｚは、同文献の３４７頁で「［０００１］軸に平行またはほぼ平行に整列された大型らせん転位のコアに形成された０．１μｍ〜５μｍの範囲の直径のほぼ円筒状の空隙」について記述するのに、「マイクロパイプ」という用語を使用している。Ｓａｎｃｈｅｚは、同文献において、「熱分解空隙」として大きな空隙（「直径が５μｍ〜１００μｍ」）と呼び、マイクロパイプおよび熱分解空洞は、異なる原因から生じていると考えた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、種結晶を用いた昇華システムにおいて形成された結晶の欠陥レベルが低く、より大きく、高品質の炭化ケイ素バルク単結晶を製造することは、依然として変わらぬ技術的かつ商業的な目標である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、その一態様として、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの高品質単結晶ウェハである。
【００１５】
本発明は、別の態様として、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの半導体前駆体ウェハである。
【００１６】
本発明は、別の態様として、種結晶を用いた昇華成長システムに、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの高品質単結晶ウェハを使用する方法である。
【００１７】
本発明は、さらに別の態様として、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの種単結晶上に形成された複数のパワーデバイスである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るＳｉＣウェハの写真である。
【図２】本発明に係る半導体前駆体ウェハである。
【図３】本発明に係る複数の半導体前駆体デバイスである。
【図４】本発明に係る種結晶を用いた昇華システムの模式的な断面図である。
【図５】本発明に係る金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの模式的な断面図である。
【図６】本発明に係る金属半導体電界効果トランジスタの模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、高品質の炭化ケイ素ウェハに関する。特に、本発明では、種晶添加昇華を用いてこのようなウェハの成長を高めるためのいくつかの技術を取り入れている。
本発明は、その一態様として、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満、より好ましくは約２０ｃｍ−２未満、最も好ましくは約１０ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣの高品質単結晶ウェハである。単結晶ＳｉＣのポリタイプは、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、２Ｈ、または１５Ｒであることが好ましい。
【００２０】
種結晶の直径および厚みの比例寸法について考慮する際、パーセンテージ、分数、または比率のいずれの表記であっても、本発明により提供される改良との関連で、これらの比は、本明細書に記載するより大きな直径の種結晶との関連で進歩的な意味を有することを理解されたい。
【００２１】
したがって、いくつかの実施形態において、本発明は、一般的に、２インチ、３インチ、および１００ｍｍ直径の単結晶が好ましいという直径の観点から、結晶の絶対寸法を含む方法で、関連する実施形態において本明細書に記載され請求される。
【００２２】
図１は、本発明に係るウェハ２の写真である。表面上にある黒点がマイクロパイプである。これらのマイクロパイプを適切に計数すると、この例示したウェハには、１平方センチメートル当たり２５個未満のマイクロパイプがある。
【００２３】
本発明は、別の態様として、高品質の半導体前駆体ウェハである。ウェハは、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約７〜２２ｃｍ−２の表面マイクロパイプ密度とを有する、４Ｈポリタイプの炭化ケイ素ウェハである。表面マイクロパイプ密度は、表面上の全マイクロパイプの総数をウェハの表面積で割ったものを表す。全マイクロパイプの総数は、マイクロパイプ欠陥を優先的に強調するエッチング後の表面上の全マイクロパイプの総数を表す。エッチングは、溶融水酸化カリウムエッチングであることが好ましい。本発明に係る結晶の測定可能エリアは、２２ｃｍ−２未満、場合によっては７ｃｍ−２未満、さらなる他の場合において、現時点では予測であるが、ゼロのマイクロパイプ密度を示すことを理解されたい。このように、「未満」という表現を本明細書で使用する場合、この表現は、測定された態様と、予測の態様との両方を有することを理解されたい。測定された態様（例えば、図１）の他に、さらに少ない欠陥を示す結晶もあることが予測される。その結果、本明細書において使用される「未満」という語句（例えば、「７ｃｍ−２未満」）は、７〜２２ｃｍ−２などの範囲も含む（が、これに限定されるものではない）。
【００２４】
本発明は、さらに別の態様として、４Ｈポリタイプ、少なくとも約１００ｍｍの直径、およびウェハの表面上の約５４５〜１７３０個のマイクロパイプを有する高品質の炭化ケイ素半導体前駆体ウェハである。繰り返しになるが、表面マイクロパイプは、好ましくは溶融水酸化カリウムエッチング後の表面上の全マイクロパイプの総数を表す。
【００２５】
本発明は、別の態様として、図２に模式的に示すように、４Ｈポリタイプと、少なくとも約１００ｍｍの直径と、２２ｃｍ−２未満の表面上のマイクロパイプ密度とを有する、高品質の炭化ケイ素半導体前駆体ウェハ４である。ウェハは、表面上の位置にあるＩＩＩ族窒化物層６をさらに有する。ＩＩＩ族窒化物層６は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮの１つ以上であることが好ましい。
【００２６】
ＩＩＩ族窒化物の成長および電子特性は、一般に、当技術分野でよく理解されている。炭化ケイ素基板上のＩＩＩ族窒化物層は、あるタイプの発光ダイオード（ＬＥＤ）の基本的な特徴である。他の所望の要因の中で、ＩＩＩ族元素（例えば、ＩｎｘＧａｙＮ１−ｘ−ｙ）の原子分率は、組成のバンドキャップを（制限値内で）調整することで、結果的に得られる放射周波数、ひいては、ＬＥＤの色を同様に調整する。
【００２７】
図３を参照すると、本発明は、少なくとも約１００ｍｍの直径と、約７〜２２ｃｍ−２のウェハの表面上のマイクロパイプ密度とを有するＳｉＣ種結晶９上にある複数の炭化ケイ素半導体デバイス前駆体８である。ウェハは、ウェハのいくつかの部分上に、複数のＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１０をそれぞれさらに有する。好ましいＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮから個々に選択される。
【００２８】
本発明は、別の態様として、種結晶を用いた昇華システムで、高品質の炭化ケイ素バルク単結晶を製造する方法であり、この改良された方法は、少なくとも約１００ｍｍの直径を有し、約２０ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度を有するＳｉＣブールを成長させ、その後、好ましくは機械的に、ＳｉＣブールをウェハにスライシングすることを含み、各ウェハは、表面上に約２０ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度を有する。ウェハの厚みは、約０．５ｍｍであることが好ましい。
【００２９】
次いで、ＳｉＣウェハを研磨しエッチングすることが好ましいこともある。好ましい研磨は、化学機械研磨であり、好ましいエッチングは、溶融ＫＯＨエッチングである。エッチングは、表面上の欠陥をハイライトするために実行され、種結晶を用いた昇華の先行ステップとして不要である。このように、昇華成長は、典型的に、エッチングされていない研磨された種結晶上に実行される。
【００３０】
当技術分野で知られているように、ＳｉＣブール（ｂｏｕｌｅ）は、種結晶添加昇華システムにおいて成長されることが好ましい。ブールがウェハにスライスされた後、今度はウェハが、炭化ケイ素単結晶を種結晶添加昇華成長させる際の種結晶として使用されてもよい。
【００３１】
本明細書の背景技術の部分で述べたように、種結晶を用いて炭化ケイ素を昇華成長させる一般的態様は、一般に、長年にわたって十分に確立されてきた。さらに、特に、炭化ケイ素などの困難な材料系での結晶成長に精通した人であれば、所与の技術の詳細は、一般的に意図的に、関連する状況に応じて変動し得るし、変動するであろうことを認識するであろう。したがって、本明細書の記載は、当業者であれば、必要以上の実験を行うことなく、本明細書の開示に基づいて、本発明の改良を実行することができるであろうという認識で、一般的かつ概略的な意味で最も適切に与えられたものである。
【００３２】
本発明について記載する際、多数の技術が開示されることを理解されたい。これらの各々は、個々に有益な点を備えており、また、他の開示された技術の１つ以上、または場合によってはすべてとともに各々が使用され得る。したがって、明確に示すために、本願の記載では、個々のステップのあらゆる可能な組み合わせを不要に繰り返すことを控えている。しかしながら、本明細書および特許請求の範囲は、このような組み合わせがすべて本発明の範囲および特許請求の範囲内のものであるという理解とともに読み取られるべきものである。
【００３３】
図４は、本発明において有用であると考えられるタイプの種結晶添加昇華成長用の昇華システムの模式的な断面図である。このシステムは、符号１２で示されている。ほとんどの典型的なシステムのように、システム１２は、グラファイトサセプタ又はるつぼ１４と、コイル１６を介して電流が印加されたときにサセプタ１４を加熱する複数の誘導コイル１６とを含む。その他の形態として、抵抗加熱を組み込んだシステムもある。これらの結晶成長技術に精通した人であれば、システムがいくつかの状況、例えば、水冷式石英容器に封入され得ることを理解されたい。さらに、サセプタ１４と連通した少なくとも１つのガス入口および出口（図示省略）が、種晶添加昇華システム１２に含まれる。しかしながら、このようなさらなる封入は、本発明にはあまり関係がなく、本明細書において、図面および記述が明確になりやすいように省略している。さらに、当業者であれば、本明細書に記載するタイプの炭化ケイ素昇華システムが、商業的に、および必要または適切であり得るようにカスタム方式で作られるように入手可能であることを認識されたい。したがって、これらのシステムは、必要以上の実験を行うことなく、当業者によって選択または設計され得る。
【００３４】
サセプタ１４は、典型的に、絶縁体１８によって取り囲まれ、そのうちのいくつかの部分を図４に示す。図４は、サイズと配置が一般に一貫するように絶縁体を示しているが、当業者であれば、絶縁体１８の配置および量は、サセプタ１４に沿って所望の熱勾配（軸方向および半径方向の両方）を与えるように使用され得ることを理解するであろうし、認識されたい。繰り返しになるが、簡潔に示すために、これらの可能な入れ替えについては、本明細書において説明しない。
【００３５】
サセプタ１４は、炭化ケイ素パウダーソース２０を収容する１つ以上の部分を含む。このようなパウダーソース２０は、最も一般的に、炭化ケイ素用の種結晶を用いた昇華成長技術において使用されるが、これに限定されるものではない。図４は、サセプタ１４の下側部分に収容されているようなパウダーソース２０を示し、これは、１つの典型的な配列である。別のよく知られている変形例として、ソースパウダーが、図４に示す配設よりもサセプタ１４の内部のより広い部分を取り囲んだ垂直方向の円筒状配列にソースパウダーを分配するシステムもある。本明細書に記載する本発明は、両方のタイプの機器を使用して適切に実行され得る。
【００３６】
炭化ケイ素種結晶が符号２２で示され、典型的に、サセプタ１４の上側部分に配置される。種結晶２２は、少なくとも約１００ｍｍの直径を有し、表面上に約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度を有する単結晶ＳｉＣ種結晶であることが好ましい。種結晶を用いた昇華成長中に種結晶２２上に成長結晶２６が堆積される。
【００３７】
種結晶ホルダ２４が、典型的に、サセプタ１４に種結晶ホルダ２４を適切に取り付けた状態にして、種結晶２２を適所に保持する。これは、様々な静止またはねじ式配列を含み得る。図４に示す配向において、種結晶ホルダ２４の上側部分は、典型的に、サセプタ１４、好ましくは、グラファイトるつぼの最上部分にねじ山を含むことで、種結晶ホルダ２４をサセプタ１４の上部内に差し込んで、種結晶２２を所望の位置に保持してもよい。種結晶ホルダ２４は、グラファイト種結晶ホルダであることが好ましい。
【００３８】
種結晶２２に最小のねじり力をかけながら、種結晶２２をるつぼ１４に配置することが好ましいこともあり、このようにすることで、種結晶２２に望ましくない熱的な差をもたらしてしまうこともある結晶の反りや撓みをねじり力が生じさせなくなる。
【００３９】
いくつかの実施形態において、種結晶２２を取り付ける前に、種結晶ホルダ２４をアニールすることが望ましい場合もある。昇華成長前に種結晶ホルダ２４をアニールすることで、種結晶ホルダ２４は、ＳｉＣ昇華温度での結晶成長中に著しい歪みを受けなくなる。また、種結晶ホルダ２４をアニールすることで、種結晶２２にわたった温度差が最小限に抑えられるか、またはなくなり、このような温度差には、成長している結晶にある欠陥を引き起こし伝播してしまう傾向がある。種結晶ホルダ２４をアニールする好ましいプロセスは、少なくとも約３０分間、２５００℃程度の温度でアニールすることを含む。
【００４０】
いくつかの実施形態において、昇華システム１２にドーパント原子を含むことが好ましい場合もある。種結晶を用いた昇華システム１２にドーパントガスを導入することで、成長結晶にドーパント原子が取り込まれる。ドーパントは、アクセプタまたはドナーの能力に合わせて選択される。ドナードーパントは、ｎ型導電性を備えたものであり、アクセプタドーパントは、ｐ型導電性を備えたものである。好ましいドーパント原子は、ｎ型およびｐ型のドーパント原子を含む。特に好ましいｎ型ドーパントは、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、およびそれらの混合物を含む。特に好ましいｐ型ドーパントは、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、およびそれらの混合物を含む。
【００４１】
昇華成長の一般的なスキームは、本明細書の背景技術の部分とともに、当業者に周知の他のソースにも簡潔に示されている。典型的に、サセプタ１４が応答する周波数を有する電流が、誘導コイル１６を流れて、グラファイトサセプタ１４を加熱する。絶縁体１８の量および配置は、サセプタ１４が、典型的に、約２０００℃を超える昇華温度までパウダーソース２０を加熱すると、パウダーソース２０と成長結晶２６との間に熱勾配を生じるように選択される。熱勾配は、種結晶２２、その後、成長結晶の温度を炭化ケイ素ソースの温度付近であるが、それよりも低い温度に維持するように確立されることで、炭化ケイ素が昇華して（Ｓｉ、Ｓｉ２Ｃ、およびＳｉＣ２）、最初に種結晶の上に、その後、成長結晶の上に凝縮すると生成される蒸発した化学種を熱力学的に促進させる。例えば、米国特許第４８６６００５号明細書を参照されたい。
【００４２】
所望の結晶サイズに達した後は、システムの温度を約１９００℃より低くした後、圧力を約４００ｔｏｒｒより高い圧力まで上昇させることによって、成長を終了させる。
【００４３】
昇華成長プロセスの完了後、結晶をアニールすることがさらに望ましいこともある。結晶は、約３０分よりも長い期間、成長温度以上の温度でアニールされてもよい。
【００４４】
明確にするために、「熱勾配」という単数形の用語を本明細書において使用するが、当業者であれば、サセプタ１４にはいくつかの勾配が共存することが望ましい場合もあり、軸方向と半径方向の勾配として、または複数の等温線として細かく分類することもできることを理解されたい。
【００４５】
温度勾配および他の条件（圧力、キャリアガスなど）が適切に維持されれば、全体的な熱力学的現象により、蒸発した化学種が、最初に種結晶２２上に凝縮し、その後、種結晶２２として同じポリタイプにある成長結晶２６上に凝縮するように促進される。
【００４６】
背景技術に一般に述べたように、電子デバイスの性能特性は、典型的に、様々なデバイス部分の結晶品質が高まるにつれ向上する。このように、本発明のウェハの欠陥低減特性により、同様に、改良されたデバイスが得られる。特に、マイクロパイプ密度が２０ｃｍ−２以下まで下がると、高出力高電流デバイスをより一層利用できるようになる。
【００４７】
このように、本発明は、別の態様として、低欠陥１００ｍｍ炭化ケイ素ウェハ上に形成された複数の電界効果トランジスタである。各電界効果トランジスタは、少なくとも１００ｍｍ直径と、約７〜２２ｃｍ−２のマイクロパイプ密度を有するバルク単結晶炭化ケイ素基板ウェハを含む。
【００４８】
本発明は、別の態様として、低欠陥１００ｍｍ炭化ケイ素基板４４上に形成された複数の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）４２である。図５は、基本的なＭＯＳＦＥＴ構造を模式的に示した断面図である。各ＭＯＳＦＥＴ４２は、少なくとも約１００ｍｍ直径と、２２ｃｍ−２、場合によっては約７〜２２ｃｍ−２、さらなる他の場合において、現時点では予測であるが７ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度のバルク単結晶炭化ケイ素基板ウェハ４４を含む。バルク単結晶基板４４は、第１の表面４８と第２の表面５０を互いに対向するように有している。基板上のエピタキシャル層が、ソース５２、チャネル５６、およびドレイン５４の各部分を有し、チャネル５６は、酸化物層６２を通ってゲートコンタクト６４によって制御される。ソースコンタクト５８およびドレインコンタクト６０はそれぞれ、ソース部分５２およびドレイン部分５４上にある。ＭＯＳＦＥＴおよびＭＯＳＦＥＴの組み合わせ並びにそれらの変形例の構造および動作は、当技術分野においてよく理解されているものであり、したがって、図５およびその記載は、特許請求された本発明を制限するものではなく、例示的なものである。
【００４９】
図６を参照すると、本発明は、別の態様として、低欠陥１００ｍｍ炭化ケイ素上に形成された複数の金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）６６である。各ＭＥＳＦＥＴ６６は、少なくとも約１００ｍｍおよび約７〜２２ｃｍ−２の間のマイクロパイプ密度を有するバルク単結晶炭化ケイ素基板ウェハ６８を含む。基板６８は、第１の表面７０と第２の表面７２を互いに対向するように有している。基板６８の第１の表面７０上に、導電チャネル７４が位置する。オームソースコンタクト７６およびドレインコンタクト７８が、導電チャネル７４上に位置する。ソース７６とドレイン７８の間の導電チャネル７４上に金属ゲートコンタクト８０が位置する。この金属ゲートコンタクト８０は、バイアスがかけられると、アクティブチャネルを形成する。
【００５０】
当技術分野で知られているように、本発明に係る炭化ケイ素ウェハ上に、２つ以上のタイプのデバイスが配置されてもよい。含まれてもよいさらなるデバイスは、接合電界効果トランジスタ、ヘテロ電界効果トランジスタ、ダイオード、および当技術分野で公知の他のデバイスである。これら（および他の）デバイスの構造および動作は、当技術分野でよく理解されているものであり、必要以上の実験を行うことなく、本明細書に記載され請求されている基板を使用して実施され得る。
【実施例】
【００５１】
本発明に係る一連のＳｉＣブールを形成した。表１に、上述した計数方法によって測定したマイクロパイプ密度を、これらのブールの各々に対して示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
本明細書および図面に、本発明の典型的な実施形態を開示してきた。特定の用語は、一般的かつ説明的な意味でのみ使用したにすぎず、限定的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲において示される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有する高品質のＳｉＣ単結晶ウェハ。
【請求項２】
前記マイクロパイプ密度が約２０ｃｍ−２未満である請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項３】
前記マイクロパイプ密度が約７ｃｍ−２未満である請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項４】
前記結晶が、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、２Ｈおよび１５Ｒポリタイプからなる群から選択されるポリタイプを有する請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項５】
４Ｈポリタイプと、７〜２２ｃｍ−２の表面上にマイクロパイプ密度とを有する請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項６】
前記ウェハが、４Ｈポリタイプを有し、その表面上に約５４５〜１７３０個のマイクロパイプを有する請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項７】
前記表面マイクロパイプ密度が、前記表面上にある全マイクロパイプの総数を、前記ウェハの表面積で割ったものを表す請求項１〜６のいずれか一項に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項８】
前記表面マイクロパイプ密度が、マイクロパイプ欠陥を優先的に強調するエッチングの後の前記表面上の全マイクロパイプの総数を表す請求項７に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項９】
前記表面マイクロパイプ密度が、溶融水酸化カリウムで表面のエッチングの後の前記表面の全マイクロパイプの総数を表す請求項８に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１０】
４Ｈポリタイプと、２５ｃｍ−２未満の表面上のマイクロパイプ密度と、前記炭化ケイ素ウェハの前記表面上のＩＩＩ族窒化物層とを有する請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ群窒化物層が、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＮおよびそれらの混合物からなる群から選択される請求項１０に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１２】
請求項１に記載の炭化ケイ素ウェハと、前記ウェハのいくつかの部分上にある複数のそれぞれのＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とを備える複数の半導体デバイス前駆体。
【請求項１３】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記炭化ケイ素基板上の複数のデバイスと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハであって、
前記デバイスの各々が、
前記基板上に位置したエピタキシャル層であって、このエピタキシャル層を第１の導電型のソース部分、チャネル部分、およびドレイン部分にするための適切なドーパント原子の濃度を有するエピタキシャル層と、
前記チャネル部分上の金属酸化物層と、
前記金属酸化物層上の金属ゲートコンタクトであって、この金属ゲートコンタクトにバイアスがかけられたときにアクティブチャネルを形成する金属ゲートコンタクトと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１４】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記炭化ケイ素基板上の複数のデバイスと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハであって、
前記デバイスの各々が、
前記基板上の導電チャネルと、
前記導電チャネル上のソースおよびドレインと、
前記ソースと前記ドレインの間の前記導電チャネル上の金属ゲートコンタクトであって、この金属ゲートコンタクトにバイアスがかけられたときにアクティブチャネルを形成する金属ゲートコンタクトと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１５】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記単結晶炭化ケイ素基板上に位置する複数の接合電界効果トランジスタと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１６】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記単結晶炭化ケイ素基板上に位置する複数のヘテロ電界効果トランジスタと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１７】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記単結晶炭化ケイ素基板上に位置する複数のダイオードと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１】
少なくとも約１００ｍｍの直径と、約２５ｃｍ−２未満のマイクロパイプ密度とを有する高品質のＳｉＣ単結晶ウェハ。
【請求項２】
前記マイクロパイプ密度が約２０ｃｍ−２未満である請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項３】
前記マイクロパイプ密度が約７ｃｍ−２未満である請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項４】
前記結晶が、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、２Ｈおよび１５Ｒポリタイプからなる群から選択されるポリタイプを有する請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項５】
４Ｈポリタイプと、７〜２２ｃｍ−２の表面上にマイクロパイプ密度とを有する請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項６】
前記ウェハが、４Ｈポリタイプを有し、その表面上に約５４５〜１７３０個のマイクロパイプを有する請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項７】
前記表面マイクロパイプ密度が、前記表面上にある全マイクロパイプの総数を、前記ウェハの表面積で割ったものを表す請求項１〜６のいずれか一項に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項８】
前記表面マイクロパイプ密度が、マイクロパイプ欠陥を優先的に強調するエッチングの後の前記表面上の全マイクロパイプの総数を表す請求項７に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項９】
前記表面マイクロパイプ密度が、溶融水酸化カリウムで表面のエッチングの後の前記表面の全マイクロパイプの総数を表す請求項８に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１０】
４Ｈポリタイプと、２５ｃｍ−２未満の表面上のマイクロパイプ密度と、前記炭化ケイ素ウェハの前記表面上のＩＩＩ族窒化物層とを有する請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ群窒化物層が、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＮおよびそれらの混合物からなる群から選択される請求項１０に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１２】
請求項１に記載の炭化ケイ素ウェハと、前記ウェハのいくつかの部分上にある複数のそれぞれのＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とを備える複数の半導体デバイス前駆体。
【請求項１３】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記炭化ケイ素基板上の複数のデバイスと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハであって、
前記デバイスの各々が、
前記基板上に位置したエピタキシャル層であって、このエピタキシャル層を第１の導電型のソース部分、チャネル部分、およびドレイン部分にするための適切なドーパント原子の濃度を有するエピタキシャル層と、
前記チャネル部分上の金属酸化物層と、
前記金属酸化物層上の金属ゲートコンタクトであって、この金属ゲートコンタクトにバイアスがかけられたときにアクティブチャネルを形成する金属ゲートコンタクトと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１４】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記炭化ケイ素基板上の複数のデバイスと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハであって、
前記デバイスの各々が、
前記基板上の導電チャネルと、
前記導電チャネル上のソースおよびドレインと、
前記ソースと前記ドレインの間の前記導電チャネル上の金属ゲートコンタクトであって、この金属ゲートコンタクトにバイアスがかけられたときにアクティブチャネルを形成する金属ゲートコンタクトと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１５】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記単結晶炭化ケイ素基板上に位置する複数の接合電界効果トランジスタと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１６】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記単結晶炭化ケイ素基板上に位置する複数のヘテロ電界効果トランジスタと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【請求項１７】
第１の表面と第２の表面が互いに対向したバルク単結晶炭化ケイ素基板と、
前記単結晶炭化ケイ素基板上に位置する複数のダイオードと
を備えた請求項１に記載のＳｉＣ結晶ウェハ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１８７０４（Ｐ２０１３−１８７０４Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１９３２９８（Ｐ２０１２−１９３２９８）
【出願日】平成２４年９月３日（２０１２．９．３）
【分割の表示】特願２００８−２４４４５９（Ｐ２００８−２４４４５９）の分割
【原出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（５９２０５４８５６）クリー インコーポレイテッド (468)
【氏名又は名称原語表記】ＣＲＥＥ ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月３日（２０１２．９．３）
【分割の表示】特願２００８−２４４４５９（Ｐ２００８−２４４４５９）の分割
【原出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（５９２０５４８５６）クリー インコーポレイテッド (468)
【氏名又は名称原語表記】ＣＲＥＥ ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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