JP2010531803A - ゆがみ及び反りの少ないＳｉＣ基質の製造 - Google Patents

Abstract

（ａ）温度勾配の存在下でＳｉＣ単結晶を種結晶上に成長させる物理的蒸気輸送（ＰＶＴ）工程であって、ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分が、ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分よりも低温下であるような工程を含むＳｉＣ単結晶の製造方法。一旦成長すると、該ＳｉＣ単結晶は、逆の温度勾配の存在下で焼きなまされ、そこでは、該ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分が、ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分よりも低温下とされる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ＳｉＣ基質、とりわけ、ＳｉＣ基質を加工する方法に関する。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）は重要な広いバンドギャップの物質であり、ＳｉＣおよびGaN半導体装置の開発や製造のために使用されており、炭化ケイ素は、ＳｉＣおよびGaNのエピタキシャル層を成長させるための格子整合系基質として使用されている。ＳｉＣ基質の高い平面性は、高いエピタキシー（epitaxy）及びデバイス処理を達成するために極めて重要である。反り（bow）及びゆがみ（warp）は、平面性からの逸脱の特性を示すために一般的に使用されるパラメータである。反りは、ゆがみが平面からのウエハの最大変位である際の、平面からウエハ中心の変位として決定される。それ故に、ゆがみは、平面性からのウエハの変位をあらわす、より一般的な用語として使用されている。

一般的な用語として、ＳｉＣウエハにおけるゆがみは、二つの起源を有している。一つは、製造プロセスの幾何学的効果である。一般に、ＳｉＣインゴッドは、マルチワイヤダイヤモンドソーを用いて複数のウエハへとスライスされる。万一、ワイヤの運動が平面状でなければ、スライスされたウエハは、円柱状の、波打った、又は他の形状に到達する。ゆがみの他の起源は、ウエハ中のひずみであり、それは、成長プロセスによって含まれる全体的なひずみであり、ウエハ表面における応力は、スライスおよび研磨によって引き起こされるダメージの要因となる。しかし、実際には、これらの要素は通常複雑に入り組んでいる。例えば、ひずんだ結晶がスライスされ、そのひずみがわずかなウエハの反りを決定した時、そのような反りはワイヤによるゆがんだウエハに影響を及ぼす。

ウエハのゆがみを低減することは、ウエハのスライスおよび研磨の最適化を通して従来より取り組まれていることである。このアプローチは、成長と関連した全体のひずみに取り組んだものではなく、したがって、そのアプローチは、特に成長と関連したひずみがウエハのゆがみに主として関与している場合において、適度に効果があるに過ぎない。

ｎ−型ＳｉＣ基質の製造のためには、ガス状の窒素が、結晶成長中でのドナーとして一般に使用される。望ましい電気抵抗である０．０２０Ω・ｃｍおよびそれ以下を達成するには、結晶中の前記窒素濃度は高く（１０¹⁸ｃｍ³およびそれ以上に）すべきである。従来、Ｒｏｓｔら（H.J. Rost et al., "Influence of Nitrogen Doping on the Properties of 4H-ＳｉＣ Single Crystals Grown by PhyＳｉＣal Vapor Transport, Journal of Crystal Growth, Vol.257(1-2), (2003), p.75）は、ＳｉＣウエハ中のゆがみは、窒素ドーピングのレベルにおける増加とともに増加する、と報告している。そのようなゆがみに対する正確なメカニズムは明確でない間、結晶中の空間的に不均一なひずみ分布と関連していると信じられていた。それゆえ、如何なる与えられたドーピングレベルにおいても、小さく且つ均一なひずみの炭化ケイ素結晶の製造が可能であるような成長方法を発展させることが好ましい。

昇華作用によるＳｉＣ単結晶の成長のために用いられる最も一般的な技術は、物理的蒸気輸送（Physical Vapor Transport（PVT））の技術である。ＰＶＴ成長の配置について一般化された概略図が、図１に示されている。好ましくは多結晶のＳｉＣ顆粒の形態である、昇華ソース２は、グラファイト成長るつぼ４の底に載置され、そして、ＳｉＣ種（seed）６は、容器の頂部８に取り付けられる。この負荷された容器４は、その技術分野で知られた方法により成長温度にまで加熱され、それは、一般に２０００℃から２４００℃の間であり、温度勾配が昇華ソース２とＳｉＣ種６との間に形成され、ここで、昇華ソース２の温度はＳｉＣ種６のそれよりも高く設定される。成長温度において、昇華ソース２は昇華し、成長コンテナ４の内側を、シリコンおよび炭素を運搬する揮発性の分子種を有する蒸気１０によって満たす。温度勾配によって推進された、これらの種は、昇華ソース２からＳｉＣ種６へ向かって蒸気相を通って拡散する。ＳｉＣ種６の温度が低下すると、過飽和状態が作り出され、蒸気１０のＳｉＣ種６上での凝縮、およびＳｉＣ種６上でのＳｉＣ単結晶ブール（boule）１２の成長を引き起こす。

昇華時の高温においては、ＳｉＣ単結晶ブール１２は、比較的低い熱伝導性を有する。それゆえ、ＳｉＣ単結晶ブール１２の成長は、成長るつぼ４からの熱損失を妨げ、ＳｉＣ単結晶ブール１２を横切る温度勾配を作り出す。この温度勾配は、ＳｉＣ単結晶ブール１２内においてバルクひずみの要因となる。さらに、成長が進むにつれ、ＳｉＣ単結晶ブール１２の厚みの増加が、ＳｉＣ単結晶ブール１２内の温度勾配を減少させる要因となる。その結果、ＳｉＣ単結晶ブール１２の最後の成長部分（last-to-grow portions）は、最初の成長部分と比較して、ＳｉＣ単結晶ブール１２のバルク内に、異なるひずみ分布を有するものとなる。

従来のＳｉＣ昇華成長においては、成長パラメータは、通常一定に保たれていた。それゆえ、成長速度は、成長の初めにおいて最も早く、その後、徐々に減少していく。成長に関連したひずみが成長速度によって影響をうけることは、一般に知られていることである。したがって、成長速度の減少は、ＳｉＣ単結晶ブール１２におけるひずみの不均一性に作用するはずである。上記のような要因の全ての結果として、ゆがんだウエハが得られることとなるＳｉＣ単結晶ブール１２となるのである。

ボダコフら（Vodakov et al）の米国特許６５０８８８０号では、発明者は、特定の結晶成長構造に対し、ＳＩＣ成長セルの熱分析を実施した。実施された計算は、成長するＳｉＣ結晶中のひずみ分布の不均一な性質を示しているが、スライスされたウエハにおけるゆがみの問題には取り組んでいない。結晶中の空間ひずみの不均一性を減らすための如何なる用意もなされていない。

沢田（Sawada）による米国特許５７２５６５８号は、ブールに対して成長後の特定の熱処理を介することで、HI-V半導体ウエハ中のひずみを低減するための方法を開示する。この処理は、相互依存する加熱および冷却の速度で一連の加熱と冷却のサイクルを行うものである。そのような熱サイクルの結果として、空間的により均一なひずみ分布を導くような、強い一時的な熱勾配がブールバルク中に生じる。しかしながら、炭化ケイ素へそのような処理を適用することは、二つの理由から、不十分なものである。第一に、ＳｉＣの熱伝導性は、GaAs又はInPのそれよりも数倍高く、それゆえ、上述のような熱サイクルに用いられるＳｉＣ中で作り出される熱勾配は、より低いこと。第二に、前記技術は、インゴッド（またはブール）に十分な長さ（例えば、１００ｍｍ）を必要とすること。特に、炭化ケイ素結晶は、より短い（例えば、１０〜２０ｍｍ）ものである。

高橋ら（Takahashi et al.）による米国特許５４４１０１１号は、種（シード）と種（シード）ホルダーとの間の界面において出現する欠陥の伝播を減らすことによって高品質のＳｉＣ結晶を得ることを目的として、成長の実行中を通して温度を変化させることを含む、炭化ケイ素の成長の方法を開示する。これを達成するために、高い初期成長温度（および高い初期成長速度）が採用され、その後は徐々に温度低下するようにされる。ひずみの観点では、この発明はひずみ分布をさらに不均一とするものであり、ウエハのゆがみを悪化させるものである。

ワングら（Wang et al.）による米国特許６７８０２４３号は、成長の初期段階で出現する結晶欠陥の減少を目的とするＳｉＣ成長方法を開示する。この特許は、初期段階の非常にゆっくりとした成長と、それに続いて、増加された成長速度へと導く成長チャンバー圧力の段階的な減少とを組み入れたような、成長プロセスを示している。ほぼ全ての成長の進行を通して、温度および圧力は一定に保たれる。しかしながら、この方法の実施は、成長する結晶中のひずみ分布の不均一性を減少させることとはならない。

開示することは、ＳｉＣ単結晶を製造する方法である。該方法は、
（ａ）ＳｉＣ単結晶の成長の初期部分が、ＳｉＣ単結晶の成長の後期部分よりも低温であるように、ＳｉＣ単結晶を温度勾配の存在下で種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる物理的蒸気移動（PVT）工程と、
（ｂ）ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分がＳｉＣ単結晶の初期の成長部分よりも低温であるように、前記ＳｉＣ単結晶を焼きなま工程、とを含む。

工程（ａ）は、１９００℃から２４５０℃の間の温度下、１から２００torrの間の圧力下、不活性ガスの存在下で、ＳｉＣ単結晶を成長させることを含むことができる。該不活性ガスは、アルゴンと窒素の混合物を含む。

工程（ａ）は、（１）１９００℃から２４５０℃の間の温度Ｔ１および１から２００torrの間の圧力Ｐ１でＳｉＣ単結晶を成長させるＰＶＴ工程；および（２）（１）のステップに続き、Ｔ１よりも高い温度Ｔ２、且つＰ１よりも低い圧力Ｐ２の下でＳｉＣ単結晶を成長させるＰＶＴ工程を含み得る。
Ｔ２は、Ｔ１より１０℃から１００℃高くし得る。Ｐ２は、Ｐ１よりも１０％から６０％低くし得る。

工程（ｂ）は、２１００℃から２５５０℃の間の温度下、３００から６００torrの間の圧力下、不活性ガスの存在下で、ＳｉＣ単結晶を焼きなましすることを含むことができる。該不活性ガスは、アルゴン、又はヘリウム、又はアルゴン＋窒素、又はヘリウム＋窒素で構成することができる。

前記ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分は、ＳｉＣ種結晶の上に成長させ得る。前記ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分は、前記ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分とは反対に、ＳｉＣ単結晶の終端又は側部に配されることができる。

工程（ａ）の温度勾配および工程（ｂ）の逆の温度勾配は、前記ＳｉＣ単結晶にわたって、実質的に、同じ温度範囲を有し得る。該温度範囲は、１０℃から５０℃の間とすることができる。

さらなる開示は、ＳｉＣ単結晶の製造の方法である。該方法は、：（ａ）ＳｉＣソース材料がるつぼの底部に備えられ、ＳｉＣ種結晶がるつぼの頂部に備えられる成長るつぼを提供する工程と；（ｂ）ＳｉＣソース材料を第一に昇華温度にし、ＳｉＣ種結晶を第二にそれより低い温度にするような温度勾配が形成され、該温度勾配が、ＳｉＣソース材料から蒸気が生成してＳｉＣ種結晶上で凝縮してＳｉＣ単結晶を形成し、ＳｉＣ単結晶の成長の際、該温度勾配が、ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分を、ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分よりも低い温度とするように、前記成長るつぼを加熱する工程と；（ｃ）工程（ｂ）に続き、ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分が、ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分よりも高い温度下となるように、ＳｉＣ単結晶がＳｉＣ単結晶を焼きなますために好ましい温度を有する逆の温度勾配に晒す工程とを備える。

前記温度勾配は、１９００℃から２４５０℃、及びより好ましくは、２０００℃から２４００℃の間の温度を含むことができる。前記逆の温度勾配は、２１００℃から２５５０℃、及びより好ましくは２２５０℃から２４５０℃の間の温度を含むことができる。

工程（ｂ）は、１から２００torrの間の圧力下、第一の不活性ガスの存在下で、ＳｉＣ単結晶を前記温度勾配に晒すことを含むことができる。工程（ｃ）は、３００から６００torrの間の圧力下、第二の不活性ガスの存在下で、前記ＳｉＣ単結晶を前記逆の温度勾配に晒すことを含むことができる。

前記第一の不活性ガスは、アルゴン、又はヘリウム、またはアルゴン＋窒素、又はヘリウム＋窒素で構成することができる。前記第二の不活性ガスは、アルゴン、又はヘリウム、又はアルゴン＋窒素、又はヘリウム＋窒素で構成することができる。

前記ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分は、ＳｉＣ種結晶の上に成長させることができる。前記ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分は、前記ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分とは反対に、ＳｉＣ単結晶の終端又は側部に配されることができる。

工程（ｂ）の温度勾配および工程（ｃ）の逆の温度勾配は、前記ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分と後期の成長部分とで、実質的に、同じ温度差を有し得る。該温度差は、１０℃から５０℃の間とすることができる。

最後に、開示は、（ａ）ＳｉＣ単結晶が成長する際に、温度勾配によって、ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分がＳｉＣ単結晶の後期の成長部分よりも低温となるような、Ｔ１の最大温度又は最小温度を有する温度勾配の存在下で第一の時間に種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる物理的蒸気移動（PVT）工程と；（ｂ）工程（ａ）にづづき、前記Ｔ１よりも高い温度Ｔ２の最大温度又は最小温度を変化させ、且つ、温度Ｔ２で温度勾配の最大温度又は最小温度で第二の時間に種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させるＰＶＴ工程、とを含む。

前記方法は、さらに、（ｃ）ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分がＳｉＣ単結晶の初期の成長部分よりも低温であるように、前記ＳｉＣ単結晶を逆の温度勾配中で焼きなます工程、を含んでもよい。

図１は、物理的蒸気輸送（PVT）成長システムの一般的な概念図である。

図２は、その方法でＳｉＣ結晶を成長させるPVTのためのPVT成長システムである。

図３は、図２に示された前記成長システムにおいて、その方法でＳｉＣ単結晶がPVT成長する際に起こる圧力および温度対時間のグラフである。

図４は、図２の成長システムのように、PVT成長したＳｉＣ単結晶ブールの焼きなましのためのシステムである。

本発明は、添付された図面を参照しながら説明され、参照番号は要素と対応している。

ＳｉＣ単結晶ブール１２の成長と関連した空間的なひずみの均一な分布が、ＳｉＣウエハのゆがみを小さくするために有用であると信じられている。 このことを達成するために、二つの部分からなる成長プロセスが提案された。第一部は、制御されたやり方で成長が実行される際に、一つ又はそれ以上の成長パラメータが変化されるような成長プロセスである。これらの一つ又はそれ以上の成長パラメータは、制限されるものではなく、温度、圧力、温度勾配およびその成長を包囲したガスの成分を含むものである。そのような変化の一つの目的は、成長の際に、その成長速度を一定又は僅かに増加するように保持することである。

第二部は、成長の後に、ＳｉＣ単結晶ブール１２を焼きなましする工程である。前記焼きなましの条件は、ＳｉＣ単結晶ブール１２を横切る温度勾配がＳｉＣ単結晶ブール１２が成長する際と比較して反対方向を有するようなものである。そのような焼きなましプロセスの利点には、(i)ＳｉＣ単結晶ブール１２の中のひずみの程度を減少させ、(ii)ＳｉＣ単結晶ブール１２の中のひずみ分布の空間的な不均一性を減少させることが含まれる。

これら二つの部分は、別々に、又は結合させて用いることができる。

図２は、例示的に、該プロセスの第一部の限定されない実施形態を示している。図２において、例えば、好ましくは多結晶のＳｉＣ顆粒の形態である昇華ソース２を備えた黒鉛成長るつぼ４、およびＳｉＣ種６が、ガス漏れのない結晶成長チャンバー１３の内側に載置される。チャンバー１３は、その後、空気を抜かれ、アルゴン、又はヘリウム、又はアルゴン＋窒素、又はヘリウム＋窒素から構成された不活性ガス１４で、好ましい圧力P1まで埋め戻される。不活性ガス１４の流れは、その内部がその好ましい圧力P1に維持される間、チャンバー１３内に生じさせられる。黒鉛成長るつぼ４の多孔質な性質のために、不活性ガス１４は成長るつぼ１３の内部へと導びかれ、その圧力は、成長るつぼ４内にほぼ瞬時に現れる。これに続き、成長るつぼ４は、限定されるわけではないが、誘電コイル又は抵抗加熱器のような好ましい加熱手段１６を介して、好ましい成長温度Ｔ１まで加熱され、るつぼ４内に好ましい温度勾配が形成され、ここで昇華ソース２はＳｉＣ種６よりも高温となる。温度Ｔ１および温度Ｔ２（後述する）は、高温測定や熱成形のような、ＳｉＣ成長技術において一般的に知られた手段を用いて測定され、また算出されることができる。これらの温度において、昇華ソース２は昇華し、成長るつぼ４の内側がSi-およびC-を運ぶ蒸気１０で満たされる。温度勾配によって推進され、蒸気１０はＳｉＣ種６へと運ばれ、その上で凝縮してＳｉＣ単結晶ブール１２を形成する。

図３を参照しつつ図２の参照を続けると、該プロセスの第一部において、適切な成長条件、即ち、Ｔ１の温度およびチャンバー１３内の圧力である圧力Ｐ１下で成長るつぼ４を備えたような条件が確立された後、成長るつぼ４は、加熱手段１６への電力が一定に保たれながら、徐々に減少される。Ｔ１は、好ましくは、１９００℃と２４５０℃との間、より好ましくは、２０００℃と２３５０℃との間である。Ｐ１は、好ましくは１と１００torrの間、より好ましくは５と４０torrの間である。好ましくは、チャンバー１３内の圧力減少速度は、時間当たり０．０１torrから１torrの間である。より好ましくは、圧力減少速度は、時間当たり０．０１torrから０．１torrの間である。圧力が減少するにつれ、加熱手段１６への同じ電力が、成長るつぼ４の昇華ソース２およびＳｉＣ単結晶ブール１２の領域をより高い温度へと導く。減少した圧力と増加した温度の双方が、ＳｉＣ単結晶ブール１２の成長速度を増加させることの要因となる。成長プロセスの最後では、温度はＴ２で、圧力はＰ２である。望ましくは、Ｔ２は、Ｔ１よりも１０℃から１００℃高く、Ｐ２は、Ｐ１よりも１０％から６０％低い。これに続き、成長チャンバー１３内の圧力が増加され、且つそれによって、成長るつぼ４が５００torrとなり、そして加熱手段１６の電力がゼロへと減少されることで、成長の実施は終結する。

それに加え又はそれに代えて、成長るつぼ４内の温度は、加熱手段１６への電力供給を徐々に変化させることにより、圧力とは独立して制御されてもよい。圧力および／又は温度の変化速度は、望ましくは、均一なひずみ分布を作り出し、それによってＳｉＣ単結晶ブール１２から切断されたウエハ中には最小のゆがみが形成されるように、最適化される。ガス混合物１０の圧力および加熱手段１６への電力に加え、限定されるものではないが、加熱手段１６の位置、つまり、るつぼ４内の望ましい温度勾配の位置、および、不活性ガス１４の組成のような、他の成長プロセスパラメータもまた、変化されるようにし得る。黒鉛成長るつぼ４の内側の温度勾配に関しては、そのような温度勾配は、るつぼ４の底部から頂部まで均一である必要はない。例えば、るつぼ４の頂部近傍では、該温度勾配は、るつぼ４の底部近傍よりも大きく（又は小さく）てもよい。このようにして、加熱手段１６の適切な設計および配置によって、るつぼ４内の全体的な温度勾配が制御されうるのみでなく、るつぼ４内の望ましい温度勾配の配置もまた、制御されうる。

図４を参照し且つ図１〜３の参照を続けると、PVTによるＳｉＣ結晶成長の技術に詳しい誰しもがよく知っているように、ＳｉＣ単結晶ブール１２の成長の過程では、ＳｉＣ単結晶ブール１２は、昇華ソース２よりも低温の状態とされる。さらに、ＳｉＣ単結晶ブール１２の初期の成長部分（すなわち、ＳｉＣ種６に近いＳｉＣ単結晶ブール１２の部分）は、ＳｉＣ単結晶ブール１２の最後の成長部分よりも低温とされる。ＳｉＣ単結晶ブール１２の最後の成長部分は、成長界面とも称される。成長したＳｉＣ単結晶ブール１２において、最後の成長部分はドーム形状の端部２４を有している。

前記プロセスの第二部は、ＳｉＣ単結晶ブール１２の成長後の熱による焼きなましで構成され、温度勾配は、ＳｉＣ単結晶ブール１２の成長の際に存在する温度勾配に対して、逆方向である。本質的には、ＳｉＣ単結晶ブール１２の早期の成長部分は、最後又は後の成長部分よりも高温に加熱される。

図４に示されているように、成長したＳｉＣ単結晶ブール１２は、ガス漏れのない、熱的焼きなましチャンバー１３’（例えば、結晶成長チャンバー１３のような）の中に載置された黒鉛成長るつぼ４’（例えば、黒鉛成長るつぼ４のような）の中に位置するようにされ得る。成長るつぼ４’は、特に限定されるわけではないが、黒鉛スペーサ２２、シールド、およびＳｉＣソース材料のような、他の部材を含めることができる。焼きなましチャンバー１３’は、その後、排気され、望ましくは３００から６００torrの圧力となるまで不活性ガス１４’（例えば、不活性ガス１４のような）で埋め戻され、ＳｉＣ単結晶ブール１２は、その後、焼きなまし温度、望ましくは前記成長温度と匹敵するか又はそれより高い温度にまで（例えば、加熱手段１６を介して）加熱される。望ましくは、前記焼きなまし温度は、２１００℃から２５５０℃の間、及びより望ましくは２２５０℃から２４５０℃の間である。

焼きなましの際の、ＳｉＣ単結晶ブール１２を横切る前記温度勾配は、結晶成長の際のそれと比較して、逆の方向である。つまり、ＳｉＣ単結晶ブール１２のＳｉＣ種端部での温度は、ＳｉＣ単結晶ブール１２のドーム状端部２４（又は、最後の成長部分）のそれよりも、高い。望ましくは、ＳｉＣ単結晶ブール１２の二つの端部の間の温度差は、成長の際のそれと類似したものとする。望ましくは、この温度差は、１０℃から５０℃の間である。熱的焼きなましは、望ましくは１から５０時間、および、より好ましくは８から２４時間実施される。例tとして、必要とされる焼きなまし温度勾配は、成長したＳｉＣ単結晶ブール１２をチャンバー１３’に、それた成長した方向とは逆の方向に裁置することによって達成され得る。図４に示したように、成長したＳｉＣ単結晶ブール１２は、最後の成長部分が上方に面し、一方ＳｉＣ種端部６が下方に向くように黒鉛の台座（スペーサ）２２上に裁置される。図４は、ただ一つのＳｉＣ単結晶ブール１２のみを示すが、複数の結晶１２がこの方法により同時に焼きなましされることもできる。

本発明の第二部の他の具体例では、前記成長したＳｉＣ単結晶ブール１２は、ＳｉＣ単結晶ブール１２の成長が完了した後すぐに、成長チャンバー１３内のそのままの位置で焼きなましされる。この実施形態では、一旦ＳｉＣ単結晶ブール１２の成長が完了すると、成長チャンバー１３内の不活性ガスの圧力を、好ましくは４００から６００torrの間の圧力へと増加させることによって、蒸気１０の輸送はゼロまで減少される。これに続いて、加熱手段１６が成長チャンバー１３内の温度勾配の方向を逆転するように制御され、それゆえ、成長したＳｉＣ単結晶ブール１２では、ＳｉＣ単結晶ブール１２の成長の際とは反対の方向に、温度勾配が形成される。例えば、加熱手段１６がRFコイルである場合には、成長したＳｉＣ単結晶ブール１２における温度勾配の方向を変えるべく、該コイルの位置は成長るつぼ１３に対して相対的に調節され得るようにされる。それに加えて又はそれに代えて、加熱手段１６が複数の独立して制御されるヒーター又はRFコイルを備えている場合には、成長するＳｉＣ単結晶ブール１２のために用いられた温度勾配の方向と逆の温度勾配に、ＳｉＣ単結晶ブール１２が晒されるように、各ヒーター又はコイルへの電力入力が調節され得るようにされる。

前述したようなＳｉＣ単結晶ブール１２の第一の成長プロセスを適用することは、連続的に減少する圧力下で且つ同時に連続的に増加する温度下で成長したＳｉＣ単結晶ブール１２が、温度および圧力が一定に保たれた従来の成長プロセスで製造されたウエハと比較して、ゆがみの少ないＳｉＣ単結晶ウエハを生じさせることを示す。上述されたような逆の温度勾配を用いて焼きなましされたＳｉＣ単結晶ブール１２もまた、ゆがみの少ないＳｉＣ単結晶ウエハを生じさせる。

本発明が以下の特徴を含むことは明らかである。

１．昇華によるＳｉＣ単結晶ブールの成長、その成長において、該ＳｉＣ単結晶ブール内における減少されたひずみ勾配を達成するために、該成長の期間を通して、成長の条件が連続的に変化される。

２．ＳｉＣ単結晶ブール成長後の焼きなまし、そこでは、温度勾配が成長の際と比較して反対の（逆の）方向となるように制御され、すなわち、ＳｉＣ単結晶ブールの初期の成長部分は、最後の又は後期の成長部分よりも高い温度で処理される。

３．＃１、又は＃２、又は＃１と＃２の両方のプロセスを用いて製造されたＳｉＣ単結晶ブールからスライスされた、湾曲およびゆがみの少ないＳｉＣ単結晶ウエハ。

４．＃１のプロセスによって成長したＳｉＣ単結晶、ここで、成長条件は、一定の成長速度が達成されるように成長期間を通して連続的に変化されるように制御される。

５．＃１のプロセスによって成長したＳｉＣ単結晶、ここで、成長条件は、徐々に増加する成長速度が達成されるように成長期間を通して連続的に変化されるように制御される。

６．＃１のプロセスによって成長したＳｉＣ単結晶、ここで、成長チャンバーの温度は、成長の際に、他のパラメータが一定に保たれる間、連続的に増加するように制御される。

７．＃１のプロセスによって成長したＳｉＣ単結晶、ここで、該ＳｉＣ単結晶ブールが成長する不活性ガス雰囲気の圧力は、成長の際に、他の成長パラメータが一定に保たれる間、連続的に増加するように制御される。

８．＃１のプロセスによって成長したＳｉＣ単結晶、ここで、成長の際に、温度増加と圧力減少とは、同時に起こる。

９．成長の後、＃２のプロセスによって焼きなましされたＳｉＣ単結晶、ここで、ＳｉＣ単結晶は、望ましくは、２１００℃から２５５０℃の間、及びより望ましくは２２５０℃から２４５０℃の間の平均温度に保持される。

１０．成長の後、＃２のプロセスによって焼きなましされたＳｉＣ単結晶、ここで、ＳｉＣ単結晶のＳｉＣ種側端部は、ＳｉＣ単結晶ブールの最後の成長末端よりも高い温度に加熱され、その温度差は、好ましくは１０℃から５０℃の間である。

上述されたようなＳｉＣ単結晶ブールの製造のためのプロセスは、湾曲とゆがみの低減されたＳｉＣ単結晶ウエハへと導くものであり、極めて高品質なＳｉＣ単結晶ウエハ、特に、パワースイッチング半導体装置のために用いられる４Hｎ−形ＳｉＣ単結晶ウエハの収率を大幅に増加させることが予測されるものである。

実施例１：第一および第二の４HＳｉＣ単結晶ブール１２が、１２torrの全初期圧力下のアルゴンおよび窒素の雰囲気中で上述したような方法で第一および第二の成長の実施によって各々成長させられた。該ＳｉＣ種６および昇華ソース２の温度は、それぞれ、２０７０℃および２１３０℃であった。成長の間、それぞれの実施のための該成長チャンバー４内の全圧力は、徐々に減少した。第一および第二の実施の最後には、成長チャンバー４内の圧力は、それぞれ、４torrおよび６torrであった。

成長したＳｉＣ単結晶ブールは、直径３インチの直径に研磨され、標準的な加工プロセスが用いられたマルチワイヤソーでスライスされた。前記第一のＳｉＣ単結晶ブールから摘出された、スライスされたウエハの平均ゆがみは３１．２μｍであり、前記第二のＳｉＣ単結晶ブールから摘出された、スライスされたウエハの平均ゆがみは２８．３μｍであり、従来法で成長したＳｉＣ単結晶ブールからスライスされたウエハにおいて一般的とされる値よりも約２５％少ないものであった。

上述した成長プロセスは、物質の固有抵抗、欠陥密度、およびX線質のような、ＳｉＣ単結晶ブールから取り出したウエハの品質における他の結晶性状に否定的な影響を及ぼすものではない。

第三のＳｉＣ単結晶ブールが、第一及び第二のＳｉＣ単結晶ブールと同じ方法で成長させられ、該第三のＳｉＣ単結晶ブールの成長の際と比較して、上述のような逆の温度勾配が用いられた成長後の熱的焼きなましに適用された。スライスによって、該第三のＳｉＣ単結晶ブールより、２２．７μｍの平均ゆがみを有するＳｉＣ単結晶ウエハが得られた。研磨の後、平均ゆがみ及び平均湾曲は、それぞれ１５．０μｍおよび６．２μｍであった。これらの値は、従来法で製造されたＳｉＣ単結晶ブールから取り出された３インチの４H ＳｉＣ単結晶ウエハにおいて一般的とされる値よりも５０％から７０％低い。

本発明は、好ましい実施形態を参照しつつ説明された。上述のような詳細な説明を読み、そして理解することで、他の者は、自明な変更および代用を生じさせるであろう。本発明は、添付されたクレームまたはその均等物の範囲であるかぎり、そのような変更や代用を全て含んでいるものと解釈されることを意図するものである。

Claims (20)

1. （ａ）温度勾配の存在下でＳｉＣ単結晶を種結晶上に成長させる物理的蒸気輸送（ＰＶＴ）工程であって、ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分が、ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分よりも低温下であるような工程と、
   （ｂ）該ＳｉＣ単結晶を逆の温度勾配の存在下で焼きなます工程であって、該ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分が、ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分よりも低温下であるような工程と
   を備えたことを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法。
2. 工程（ａ）が、１９００℃から２４５０℃の間の温度下、１から２００torrの間の圧力下、不活性ガスの存在下で、ＳｉＣ単結晶を成長させることを含む請求項１記載の方法。
3. 前記不活性ガスが、アルゴン、又はヘリウム、またはアルゴン＋窒素、又はヘリウム＋窒素を備える、請求項２記載の方法。
4. 工程（ａ）が、（１）１９００℃から２４５０℃の間の温度Ｔ１および１から２００torrの間の圧力Ｐ１でＳｉＣ単結晶を成長させるＰＶＴ工程、および（２）（１）のステップに続き、Ｔ１よりも高い温度Ｔ２、且つＰ１よりも低い圧力Ｐ２の下でＳｉＣ単結晶を成長させるＰＶＴ工程を含む請求項１記載の方法。
5. Ｔ２が、Ｔ１よりも１０℃から１００℃高く、Ｐ２が、Ｐ１よりも１０％から６０％低い、請求項４記載の方法。
6. 工程（ｂ）が、２１００℃から２５５０℃の間の温度下、３００から６００torrの間の圧力下、不活性ガスの存在下で、ＳｉＣ単結晶を焼きなましすることを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記不活性ガスが、アルゴン、又はヘリウム、またはアルゴン＋窒素、又はヘリウム＋窒素を備える、請求項６記載の方法。
8. 前記ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分がＳｉＣ種結晶上に成長し、前記ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分が、前記ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分とは反対に、ＳｉＣ単結晶の終端又は側部に配されたものである、請求項１記載の方法。
9. 工程（ａ）の前記温度勾配及び工程（ｂ）の逆の温度勾配が、前記ＳｉＣ単結晶に対して、実質的に同じ温度差を有する、請求項１記載の方法。
10. 前記温度差が、１０℃から５０℃の間である請求項９記載の方法。
11. （ａ）ＳｉＣソース材料がるつぼの底部に備えられ、ＳｉＣ種結晶がるつぼの頂部に備えられた成長るつぼを提供する工程と；
    （ｂ）ＳｉＣソース材料を第一に昇華温度にし、ＳｉＣ種結晶を第二にそれより低い温度にするような温度勾配が形成され、
    該温度勾配が、ＳｉＣソース材料から蒸気が生成してＳｉＣ種結晶上で凝縮してＳｉＣ単結晶を形成し、
    ＳｉＣ単結晶の成長の際、該温度勾配が、ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分を、ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分よりも低い温度とするように、前記成長るつぼを加熱する工程と、
    （ｃ）工程（ｂ）に続き、ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分が、ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分よりも高い温度下となるように、ＳｉＣ単結晶がＳｉＣ単結晶を焼きなますために好ましい温度を有する逆の温度勾配に晒す工程と
    を備えたことを特徴とするＳｉＣ単結晶の製造方法
12. 前記温度勾配が１９００℃と２４５０℃との間の温度を含み、前記逆の温度勾配が２１００℃と２５５０℃との間の温度を含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記温度勾配が、２０００℃と２４００℃の間の温度を含み、前記逆の温度勾配が２２５０℃と２４５０℃との間の温度を含む、請求項１２記載の方法。
14. 工程（ｂ）が、１と２００torrの間の圧力下、第一の不活性ガスの存在下で、ＳｉＣ単結晶を前記温度勾配に晒す工程を含み、工程（ｃ）が、３００と６００torrの間の圧力下、第二の不活性ガスの存在下で、ＳｉＣ単結晶を前記逆の温度勾配に晒す工程を含む、請求項１１記載の方法。
15. 前記第一不活性ガスが、アルゴン、又はヘリウム、またはアルゴン＋窒素、又はヘリウム＋窒素を備える、前記第二不活性ガスが、アルゴン、又はヘリウム、またはアルゴン＋窒素、又はヘリウム＋窒素を備える、請求項１４記載の方法。
16. 前記ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分がＳｉＣ種結晶上に成長し、前記ＳｉＣ単結晶の後期の成長部分が、前記ＳｉＣ単結晶の初期の成長部分とは反対に、ＳｉＣ単結晶の終端又は側部に配されたものである、請求項１１記載の方法。
17. 工程（ｂ）の前記温度勾配及び工程（ｃ）の逆の温度勾配が、前記ＳｉＣ単結晶に対して、実質的に同じ温度差を有する、請求項１１記載の方法。
18. 前記温度差が、１０℃から５０℃の間である請求項１７記載の方法。
19. （ａ）ＳｉＣ単結晶が成長する際に、温度勾配によって、ＳｉＣ単結晶の成長の初期部分がＳｉＣ単結晶の成長の後期部分よりも低温となるような、Ｔ１の最大温度又は最小温度を有する温度勾配の存在下で第一の時間に種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる物理的蒸気移動（PVT）工程と；
    （ｂ）、工程（ａ）にづづき、前記Ｔ１よりも高い温度Ｔ２の最大温度又は最小温度を変化させ、そして、温度Ｔ２で温度勾配の最大温度又は最小温度で第二の時間に種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させるＰＶＴ工程とを含む、ＳｉＣ単結晶の製造方法。
20. さらに、（ｃ）ＳｉＣ単結晶の成長の後期部分がＳｉＣ単結晶の成長の初期部分よりも低温であるように、前記ＳｉＣ単結晶を逆の温度勾配中で焼きなます工程を含む、請求項１９記載の方法。

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