JP2013018706A - 軸オフの種結晶上での１００ミリメートル炭化ケイ素結晶の成長 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸オフのウェーハを得るための従来技術において、より大きな結晶は、一般に結晶の垂線から離れて配向され、ついで軸オフの種結晶を産生するためにウェーハが配向方向に向かって切断される。垂線から離れて結晶を配向することは、結晶と同じサイズのウェーハを切断するために利用可能な有効な層厚を低減する。
【解決手段】 半導体結晶および関連する成長方法が開示される。結晶は、種結晶部分と、種結晶部分上の成長部分とを含んでいる。種結晶部分および成長部分は、実質的に直立した円筒形の炭化ケイ素の単結晶を形成する。種結晶面は、成長部分と種結晶部分との間の界面を規定し、種結晶面は、直立した円筒形の結晶の基部に実質的に平行であり、単結晶の基底平面に関して軸オフである。成長部分は、種結晶部分のポリタイプを複製し、成長部分は、少なくとも約１００ｍｍの直径を有する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、半導体材料に関し、特に、非常に高い結晶品質（例えば、低欠陥）で大きな直径の炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶の成長に関する。

半導体の電子的性質は、それらの結晶構造を含め、それらの物理的性質から直接もたらされる。結晶構造内の欠陥は、十分に大きく集中して現れるときに、半導体材料の望ましい物理的性質および電子的性質を損ない得る。いくつかの欠陥は、直ちに問題を表すけれども、その他の欠陥は、引き続く使用の期間にわたって明らかとなる。

すべての結晶は、なんらかの構造的欠陥を含んでいる。むしろある程度まで、欠陥の存在は、結晶成長に対して基盤（ｂａｓｉｓ）を提供する。なぜなら、特定の欠陥のエッジが、連続する規則正しい成長に対する最もよい機会を、特定の条件下で提供し得るからである。従って、半導体材料およびそれらの電子デバイスへの応用に対して意味のある探究は、欠陥の基本的な存在または非存在ではなく、そのような欠陥の密度（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）（一般に、単位面積あたりの欠陥の数として表現される）と欠陥の性質とになる。本明細書中で用いられるときに、用語「欠陥」は、結晶構造内の欠陥すなわち構造的欠陥を意味しており、結晶構造内に意図的にまたは意図的でなく導入され得るドーパントなどの不純物要素を含まない。

炭化ケイ素は、それを有利な半導体材料にする多くの性質を有している。物理的に、該材料は、非常に硬く、極めて高い融点を有しており、該材料にロバストな物理特性を与えている。化学的に、炭化ケイ素は、化学的腐食に非常に抵抗力があり、従って化学的安定性および熱的安定性を提供する。しかしながら、おそらく最も重要なこととして、炭化ケイ素は、高い絶縁破壊電界、比較的広いバンドギャップ（４Ｈのポリタイプ（ｐｏｌｙｔｙｐｅ）に対して室温で約３．２ｅＶ）、および高い飽和電子ドリフト速度を含めて、優れた電子的性質を有する。これらの性質は、高電力動作、高温動作、および放射能硬度（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｈａｒｄｎｅｓｓ）に関してＳｉＣに有意な利点を与える。

しかし、その結晶形において、炭化ケイ素は、１５０を超えるポリタイプ（または結晶構造）が存在し得、それらポリタイプの多くは、比較的小さい熱力学的な差異によって分離される。従って、大型のＳｉＣ結晶を成長させながら単一のポリタイプを維持することは、根本的な難題を表している。さらに、炭化ケイ素は、高温において溶解するのではなく昇華する傾向がある（すなわち、その温度が上昇するにつれて、ＳｉＣは、固相から気相へと直接遷移する傾向がある）。昇華に起因する気相種（Ｓｉ_（ｇ）、ＳｉＣ_２（ｇ）およびＳｉ_２Ｃ_（ｇ））もまた、ポリタイプの制御における困難性を高める。別の因子として、ＳｉＣは、非化学量論的な（ｎｏｎ−ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）様態において昇華し、固体の炭素をあとに残す傾向がある。

従って、炭化ケイ素の特定の物理的および化学的性質が、炭化ケイ素の成長の間に、特にサイズ、量、および純度における成長の問題を引き起こし得る。それらサイズ、量、および純度は、ウェーハ、エピタキシャル層を有するウェーハ、および電子デバイスの商業的に存立可能な量の商用生産に対して有用である。

半導体デバイス製造における最初のステップは、最終的にデバイスを構成する半導体材料の薄い層を形成することを一般に含んでいる。多くの応用において、これは、同じまたは異なる半導体材料の大きい「バルク」基板結晶上に半導体材料の１つ以上のエピタキシャル層（「エピ層」）を成長させる形態をとる。エピタキシャル層は、化学気相堆積（ＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）および他の方法などの非常に精密で、よく理解された技術を用いて、極めて高品質に形成され得る。一般に、高品質のエピタキシャル層の成長は、相対的に遅い成長速度を必要とする。基板として用いるために適切なバルク結晶は、一般に相対的に速い速度であるが、通常エピタキシャル層より多少低い品質で成長する。それにもかかわらず、エピタキシャル層は、根本的にエピタキシャル層が形成される基板の原子パターン（ａｔｏｍｉｃ ｐａｔｔｅｒｎ）を繰り返すことから、より高品質の基板は、より高品質のエピ層を作り出すことに対して望ましく、かつ必要である。

炭化ケイ素の技術において、炭化ケイ素基板上のエピ層成長は、「軸オフ（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）」方向にエピ層を成長させることによって増強され得る。用語「軸オフ」は、「軸オン（ｏｎ−ａｘｉｓ）」の成長との比較によって最もよく理解される。軸オンの成長は、炭化ケイ素結晶の規定された面の１つに対して直角に進行する方向に起こる結晶の成長を示す。成長方向は、よく理解されている結晶のミラー−ブラベー表記法（例えば、［ｄｅｆｇ］）において与えられ、ここで角括弧は、方向が与えられていることを示し、複数の整数が、仮想の結晶軸に沿ってベクトルの投影を表す。ミラー指数が、丸括弧の中で与えられるときに、表記法は平面（ｐｌａｎｅ）を示している。従って、炭化ケイ素のシリコン面（ｆａｃｅ）と垂直の（直角をなす）方向は、炭化ケイ素の六方晶系（例えば、６Ｈ、４Ｈ）ポリタイプに対して［０００１］と表され、一方シリコン面自身は、（０００１）平面と表される。

［０００１］方向は、ｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）と称され、一方ｃ軸に垂直な平面は、ｃ面、ｃ平面または基底平面（ｂａｓａｌ ｐｌａｎｅ）と呼ばれる。ｃ平面は、時に「その（ｔｈｅ）」基底平面と称される。

図６は、単純な六方晶系の結晶構造に対する単位格子を例示する。ｃ面およびｃ軸は、図面上に示される。［０００１］方向およびその反対、

方向もまた、図６上に示される。結晶の方向が任意であるという点において、［０００１］方向および

方向は、等価な方向と考えられる。等価な方向は、山括弧の使用によって示される。従って、表記＜０００１＞は、［０００１］方向と等価な方向のファミリーを示す。平面のファミリーは、波括弧によって、例えば｛０００１｝と表される。ＳｉＣウェーハの片側は、シリコン原子によって終端され、他の側は、炭素原子によって終端される。慣例によって、シリコン側は（０００１）と表され、炭素側は

と表される。慣例および植字法に依存して、「バー」表示もまた、関連する整数に先行し得る。すなわち（０００−１）。

用語の軸オフは、結晶面とまさに直角な方向と異なる方向における成長を示し、一般に、結晶のｃ面に垂直なｃ軸に関してわずかに斜めである。これらの軸オフの方向は、基本的な方向または平面からわずかに逸脱している方向であって、微斜面（ｖｉｃｉｎａｌ）と考えられる。軸オフの成長は、ランダムな核形成を低減し、従って炭化ケイ素のエピ層が、より高い格子精度（ａｃｃｕｒａｃｙ）を有して成長することを促進し得る。これは、軸オンの面と比較して軸オフの面上で露出される、より数多くの「ステップ（ｓｔｅｐ）」からもたらされると理解されている。特定の実施例において、

方向から

または

方向のいずれかへの８°の配向が、高品質な炭化ケイ素のエピタキシャル成長を促進することに対して、特に有効であることが見出されている。

例示的な軸オフのエピタキシャル成長方法は、特許文献１に示され、該特許文献の全体は、参照によって本願明細書中に援用される。そのような成長のための基板を準備することにおいて、軸オンのバルク炭化ケイ素の比較的大きな結晶または「ブール（ｂｏｕｌｅ）」は、軸オフの面を提供するために所定の角度（例えば、８°）で切断され、通常多くのバルクウェーハは、適切な角度で切断される。

やはり、軸オフのウェーハを作成するために、軸オンで成長したＳｉＣの結晶を８°角度でスライスすることは、著しく無駄が大きい。すなわち、ブールのくさび形の部分が、エピ層成長に対して８°軸オフの基板を提供するために、頂部および底部の両方から捨てられなければならない。

基板の成長は、同一人に譲渡された特許文献２およびその再発行Ｎｏ．ＲＥ３４，８６１に示されるように、シードされた昇華成長の方法およびシステムにおいて一般的に起こる。上記特許文献の両方の内容全体は、参照によって本願明細書中に援用される。昇華成長の本質は、ブールの成長の方向が、主として供給源（必須ではないが、通常ＳｉＣ粉末）と種結晶との間の温度勾配によって決定されることである。従って、８°軸オフの表面を有するシードされた結晶は、温度勾配（種結晶より暖かい粉末による）の方向に成長する。

炭化ケイ素の使用を促進することにおける今日までの制限の１つは、サイズ因子である。比較として、シリコン（Ｓｉ）およびヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの他の半導体材料において、直径６インチのウェーハが一般的であり、いくつかのシリコンウェーハは、３００ミリメートル（ｍｍ）の直径が利用可能である。

対照的に、炭化ケイ素によって提供される物理的成長の努力目標は、２インチおよび３インチのウェーハ（５０．８ｍｍおよび７６．２ｍｍ）が、商業的に代表的であると考えられるけれども、一方で１００ｍｍまたはより大きいウェーハは、広く利用可能ではない。炭化ケイ素の成長における最近の研究は、これらの典型的なサイズを追認している。例えば、非特許文献１は、直径２５ミリメートルおよび４５ミリメートルの結晶成長を報告している。非特許文献２は、基板ウェーハそれ自身の成長またはサイズを拡大するのではなく、商業的に利用可能なウェーハ上のエピタキシャル成長を実施した。非特許文献３は、同様に３５ｍｍの単結晶を示している。非特許文献４は、直径３０ミリメートルの結晶を報告している。非特許文献５は、２インチおよび３インチの炭化ケイ素基板の使用を報告している。

円形（典型的な半導体ウェーハは、標準化およびアラインメント目的のために規定された「扁平な（ｆｌａｔ）」エッジ部分を有する円形である）の面積は、当然、その半径の二乗に正比例する。従って、適切なＳｉＣ種結晶、種結晶上で成長したバルク結晶、およびバルク結晶から切断されたウェーハの直径を増大させることは、適切な最小の欠陥密度（すなわち、高い品質）が保たれ得るとすれば、単に二義的でない幾何学的な利点を潜在的に提供する。例えば、直径４５ｍｍのウェーハは、約１５９０ｍｍ^２の面積を有し、一方９０ｍｍウェーハ（すなわち、２倍の直径）は、約６３６０ｍｍ^２の面積を有する。

米国特許第４，９１２，０６４号明細書 米国特許第４，８６６，００５号明細書

Ｄｅｄｕｌｌｅ他、「Ｆｒｅｅ Ｇｒｏｗｔｈ Ｏｆ ４Ｈ−ＳｉＣ Ｂｙ Ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ」、ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＳＣＩＥＮＣＥ ＦＯＲＵＭ、Ｖｏｌ．４５７−４６０、（２００４年）、ｐ．７１−７４ Ｎａｋａｍｕｒａ他、「ｉｄ」、ｐ．１６３〜１６８ Ｒｏｓｔ、「Ｍａｃｒｏｄｅｆｅｃｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ＳｉＣ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌｓ Ｃａｕｓｅｄ ｂｙ Ｐｏｌｙｔｙｐｅ Ｃｈａｎｇｅｓ」、ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＳＣＩＥＮＣＥ ＦＯＲＵＭ、ＶＯＬ．３８９−３９３、（２００２年）、ｐ．６７−７０ Ａｎｉｋｉｎ、「Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ＳｉＣ Ｂｕｌｋ Ｇｒｏｗｔｈ」、ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＳＣＩＥＮＣＥ ＦＯＲＵＭ、ＶＯＬ．３３８−３４２、（２０００年）、ｐ．１３−１６ Ｇｕｐｔａ他、「６Ｈ ａｎｄ ４Ｈ−ＳｉＣ Ｂｕｌｋ Ｇｒｏｗｔｈ ｂｙ ＰＶＴ ａｎｄ Ａｄｖａｎｃｅｄ ＰＶＴ（ＡＰＶＴ）」、ＭＡＴ． ＲＥＳ． Ｓｏｃ． ＳＹＭＰ． ＰＲＯＣ．、ＶＯＬ．８１５、（２００４年）

軸オフのウェーハを得るための従来技術において、より大きな結晶は、一般に結晶の垂線から離れて配向され、ついで軸オフの種結晶を産生するためにウェーハが配向方向に向かって切断される。垂線から離れて結晶を配向することは、結晶と同じサイズのウェーハを切断するために利用可能な有効な層厚を低減する。実際の損失は、ウェーハサイズ（直径）および切断される角度のタンジェントによって概算され得る。例えば、直径１００ミリメートルの結晶上の８度（８°）軸オフの切断に対して、８°のタンジェント（０．１４０５）は、約１４ミリメートルの材料の損失を規定する。

（概要）
一局面において、本発明は、半導体結晶である。該結晶は、種結晶部分と、該種結晶部分上の成長部分とを含んでいる。種結晶部分および成長部分は、実質的に直立した円筒形の炭化ケイ素の単結晶を形成する。種結晶面は、成長部分と種結晶部分との間の界面を規定し、該種結晶面は、直立した円筒形の結晶の基部（ｂａｓｅ）に実質的に平行であり、該単結晶の｛０００１｝平面に関して約０．５°と１２°との間の軸オフである。成長部分は、種結晶部分のポリタイプを複製し、該成長部分は、少なくとも約１００ｍｍの直径を有する。

別の局面において、本発明は、半導体結晶であり、該結晶は、単結晶の種結晶部分と、該種結晶部分上の単結晶の成長部分とを含んでいる。種結晶部分および成長部分は、少なくとも直径１００ミリメートルの直立した円筒形の炭化ケイ素の単結晶を規定するために十分な直径を有する。種結晶面は、成長部分と種結晶部分との間の界面を規定し、該種結晶面は、直立した円筒形の結晶の基部に実質的に平行であり、該単結晶の｛０００１｝平面に関して約０．５°と１２°との間の軸オフである。成長部分は、種結晶部分のポリタイプを複製する。

別の局面において、本発明は、半導体ウェーハであり、該ウェーハは、少なくとも１００ミリメートルの直径と、１００ｃｍ^−２未満のマイクロパイプ密度（ｍｉｃｒｏｐｉｐｅ ｄｅｎｓｉｔｙ）とを有する炭化ケイ素の単一のポリタイプを含んでいる。

また別の局面において、本発明は、高品質で大きな直径の炭化ケイ素の単結晶を成長させるための方法である。該方法は、炭化ケイ素のバルク単結晶から該バルク結晶のｃ軸に関してある角度で炭化ケイ素の種結晶を切断して、該バルク結晶のｃ面に関して軸オフである面を有する種結晶を産生することと、該種結晶の種結晶面に垂直で、該ｃ面に関して垂直でない方向の顕著な温度勾配を、シードされた成長システムにおける該軸オフの種結晶に対して、所望されたサイズのバルク結晶が得られるまで適用することと、該種結晶の原初の面に平行に該バルク結晶を切断することによって、該バルク結晶から軸オフのウェーハを切断して、該種結晶ウェーハのｃ軸に関して軸オフである面を有する種結晶ウェーハを産生することとを包含する。

図１は、従来の先行技術に従うバルク結晶の概略図である。 図２は、本発明に従う結晶の概略図である。 図３は、本発明に従う結晶の別の実施形態の概略図である。 図４は、本発明に従う結晶の別の実施形態の概略図である。 図５は、本発明に従うウェーハの概略図である。 図６は、六方晶系結晶の外面的形態の特定の局面の概略図である。 図７は、本発明に従い形成されたウェーハの高品質な表面の３つの写真の組である。 図８は、本発明に従うバルク結晶の概略図である。

本発明および同一のことが達成される方法の上記ならびに他の目的および利点は、添付の図面と合わせて解釈される以下の詳細な説明に基づきより明確になる。

（詳細な説明）
図１は、軸オフの炭化ケイ素ウェーハを得るための従来技術の概略図である。一般に、１０で広く示されたバルク結晶は、軸オンの方向において成長する。従って図１が例示するｃ軸［０００１］１５は、結晶１０のｃ面（０００１）１４と直角である。軸オフの成長のための軸オフの種結晶を得るために、結晶１０は、ｃ軸１５と直角でない（軸オフ）、従ってｃ面１４に関して平行でない複数の線１３に沿って切断される。

背景において述べられたように、特定の問題が結果としてもたらされる。第一に、この方法で結晶１０を切断することは、結晶１０の底部および頂部の両方においてそれぞれの無駄な部分１２を規定する。所望されたカット１３（従って、面を規定する）が軸オフである程度がより大きいほど、無駄になる材料の量はより大きい。

第二に、立体および平面幾何学の基本原則に従うと、結晶１０が円柱の形状である場合、面に対して平行以外の角度で平面を切断することは、円形の薄片ではなく長円形の薄片を作り出す。これは、炭化ケイ素の微視的な成長に関する問題ではないけれども、巨視的な意味において、種結晶およびウェーハは慣例的に円形（規定された位置において直交線の扁平部（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｆｌａｔｓ）を有する）であり、長円形の薄片は、なんらかのカスタマイズされた様態において処理されるか、または従来の形に整形されなければならない。

本発明によると図２は、２０で広く示された結晶の第１の実施形態の概略図である。結晶２０は、種結晶部分２１と、種結晶部分２１上の成長部分２２とを含む。種結晶部分２１および成長部分２２は共に、実質的に直立した円筒形の炭化ケイ素の単結晶を形成する。種結晶面２３は、成長部分２２と種結晶部分２１との間の界面を規定する。実際の実施において、そして当業者によって認識されるように、成長した結晶において、種結晶面２３は、観察可能ではなく史実的（ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ）であり得る。種結晶面２３は、直立した円筒形の結晶２０の基部２４および２５に実質的に平行であり、単結晶２０のｃ面に関して約０．５度と１２度との間の軸オフである。（０００１）ｃ面は、もちろん｛０００１｝平面のファミリーの一部分である。成長部分２２は、種結晶部分２１のポリタイプを複製し、成長部分２２は、少なくとも約１００ミリメートルの直径を有する。

配向がオフ角度である程度は、本質的に数値によってではなく、むしろ論理的機能的な考慮によって制限される。例えば、かつ誇張するために、９０°の「軸オフ」の角度において成長することは、本質的に異なる結晶面上で成長することを意味する。同様に、０°に近い軸オフの配向を用いることは、基底平面自身から最も小さな差異を提示する。従って、成功した成長は、８°までの軸オフの配向で示されたけれども、より大きな角度の成功が同様に予期されており、８°が本発明に対して絶対的な上限を表していないことが理解される。

図２はまた、結晶２０のｃ軸２７を例示し、同様に、昇華の間に結晶の成長方向を駆動する温度勾配３０を例示する。当該分野においてよく理解されているように、温度勾配は、物理的な距離にわたる所望される温度差を表し、例えば、１センチメートルあたりの摂氏温度で表す。一般的に言えば、温度勾配があると、昇華された（および他のガス状の）種結晶はより暖かい位置から（相対的に）より冷たい位置に移動する。従って、結晶成長システムにおいて温度勾配を制御することは、結晶成長の性質および方向を制御することにおいて重要な因子である。本願明細書の図において、それぞれの矢印（１６、３０、６０）は、軸方向の温度勾配を図式的に表す。

従って、図２は、図１に例示された結晶とは対照的に、成長は、ｃ面２６に垂直に起こらず、その代わり種結晶面２３に垂直に起こることを示している。対応するように、温度勾配３０およびｃ軸２７は、もはや互いに平行ではなく、また互いに平行であるように意図されない。

種結晶部分２１および成長部分２２は、一般に炭化ケイ素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈおよび１５Ｒポリタイプからなる群から選択されたポリタイプを有し、４Ｈのポリタイプが特に（しかし排他的ではなく）高周波、高出力用デバイスに対して有益である。同様に、４Ｈおよび６Ｈポリタイプの両方は、特に高温用デバイス、光電子工学用デバイスおよびＩＩＩ族窒化物材料の堆積に対して有益である。これらが互いに関して相対的な意味において好都合であり、本発明が単結晶のポリタイプを問わず利点をもたらすことが理解されるであろう。

種結晶面がｃ面に関して軸外れである角度は、一般に０．５°と１２°との間で変化し、ある程度設計的な選択の問題であるけれども、６Ｈに対して約３．５°、そして４Ｈに対して約８°の（ｃ面に関して両方とも表現された）軸外れで用いられている。

図３および図４は、本発明の追加の実施形態を例示する。特にシードされた炭化ケイ素成長（昇華成長を含む）の性質は、ベストの条件下でさえ、いくつかの成長した結晶が、単一でないポリタイプの材料を含む不規則かつ潜在的な、少なくともエッジを示し得、場合によって、１つ以上の表面は、それらが物理的に成長システムに搭載されるか、または成長システムから除去される手法に時に依存して、非平面であり得る。

従って、図３は、３４で広く示された半導体結晶を示しており、それは、単結晶の種結晶部分３５と、種結晶部分３５上の単結晶の成長部分３６とを含むとともに、種結晶部分３５および成長部分３６は、同じポリタイプを有する。結晶３４はまた、３７で図式的に示されるエッジ部分を含み、このエッジ部分は、多くの電子的応用に対してしばしば所望される単結晶材料と相反する他のポリタイプ（すなわち、種結晶部分および成長部分と異なる）または多結晶材料を含み得る。

それにもかかわらず、種結晶部分と成長部分３６とは、異なるポリタイプ材料のいずれからも独立な、炭化ケイ素の単結晶の少なくとも直径１００ミリメートルの直立した円筒形を規定するために十分な直径をもっている。上の実施形態におけるように、種結晶面４０は、成長部分３６と種結晶部分３５との間の界面を規定し、種結晶面４０は、直立した円筒形の結晶３４の基部４１および４２に実質的に平行であり、単結晶３４のｃ面４３に関して約０．５°と１２°との間の角度の軸オフである。他の実施形態におけるように、成長部分３６は、種結晶部分３５のポリタイプを複製する。

図３はまた、上の実施形態に関して挙げられたことと同じ点を説明する、ｃ軸５７と適用された温度勾配６０の方向とを例示する。

図４は、本発明に従う別の結晶４４を例示し、該結晶４４は、種結晶部分４５と、成長部分４６と、非平面であり得る表面５０および５１に加えて単結晶でない材料のエッジ部分４７とを含む。そのような非平面の表面（例えば、５０および５１）の原因は、変化しやすいけれども、必ずしも単結晶を妨げない。従って、全体の結晶４４の中に少なくとも１００ミリメートルの炭化ケイ素の単結晶５２の直立した円筒形を規定することに関して、種結晶部分４５および成長部分４６は、十分な直径「Ｄ」を有する。

他の実施形態におけるように、図４は、成長部分４６と種結晶部分４５との間の界面を規定する種結晶面５３を例示し、種結晶面５３は、直立した円筒形の結晶部分５２の基部５４および５５に実質的に平行である。種結晶面５３は、ここでまた単結晶５２のｃ面５６に関して約０．５°と１２°との間の角度の軸オフである。他の実施形態におけるように、成長部分４６は、種結晶部分４５のポリタイプを複製する。

また別の実施形態において、そして図５に例示されるように、様々な情報源（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｒｅｅ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐｄｆ／ＭＡＴ−ＣＡＴＡＬＯＧ．００Ｇ．ｐｄｆ［ｏｎｌｉｎｅ］（２００６年４月））において論じられるように、本発明は、少なくとも１００ミリメートルの直径「Ｄ」を有する半導体ウェーハ６２を含み、これは、ウェーハまたは直径測定に対する標準規格と矛盾しない。ウェーハ６２は、実質的に平行な面６３および６４、ならびに面６３および６４に実質的に垂直な周囲のエッジ６５を含む。ウェーハを形成する単結晶のｃ面６６が、単結晶ウェーハ６２の基部６３および６４に関する軸から約０．５°と１２°との間の角度にあるという点において、ウェーハは特徴付けられる。

ウェーハ形態において、１００ｍｍの単結晶は、従来の材料取扱いおよび取扱い機器に対して適切である。ウェーハ形態において、結晶はまた、炭化ケイ素または他の材料（特に、青色発光ダイオードおよび青色レーザダイオードなどの光電子工学用デバイスのためのＩＩＩ族窒化物）のエピタキシャル成長に対する基板として役立ち得る。

従って、別の局面において、本発明は、本発明に従うウェーハとウェーハ上のエピタキシャル層の形態との組合せである。エピタキシャル層を有するウェーハは、数多くの利点（一般に、前駆材料（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）としての）を提供する。例えば、ウェーハおよびエピ層は、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）および関連するデバイスに対する基盤を形成し得る。本発明に従う単結晶ウェーハは、炭化ケイ素とＩＩＩ族窒化物との両方に密な格子適合（ｍａｔｃｈ）を提供する。ウェーハは、より大きな電力処理、および改善された信頼性を提供する、炭化ケイ素の高い熱伝導率を有する。ＳｉＣ基板上のＩＩＩ族窒化物のエピ層の使用は、より長い波長のダイオードに比べてかなり光学ストレージ容量を増大させ得る短波長のレーザダイオードに対する有利なアプローチを提供する。別の利点として、炭化ケイ素は、マイクロ波デバイスのために絶縁すること（例えば、米国特許第６，３１６，７９３号）から、発光ダイオード（例えば、米国特許第４，９１８，４９７号）およびレーザ（例えば、米国特許第５，５９２，５０１号）のために伝導することに及ぶ導電率を有して形成され得る。

本発明に従う結晶およびウェーハは、すべての実施形態において、１平方センチメートル（ｃｍ^−２）あたり１００未満のマイクロパイプ密度を有し、いくつかの実施形態において３０ｃｍ^−２未満、いくつかの実施形態において１５ｃｍ^−２未満、およびいくつかの実施形態において５ｃｍ^−２以下のマイクロパイプ密度を有する。

本発明に従う結晶およびウェーハはまた、品質を記述するための他の基準を用いて類別され得る。これらの基準のいくつかは、以下の用語の１つ以上において記述され得る。

「（領域）汚染（（ａｒｅａ）ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）」は、スマッジ（ｓｍｕｄｇｅ）、ステイン（ｓｔａｉｎ）、またはウォータースポット（ｗａｔｅｒ ｓｐｏｔ）に起因する外観において、変色するか、まだらであるか、または曇りであるように、高強度のまたは拡散照明下で明らかにされる、局部的な表面上のあらゆる外来性の問題を示す。

「クラック（ｃｒａｃｋ）」は、ウェーハの前側からウェーハの後側表面に延びるウェーハの破断または劈開を示す。品質の説明目的のために、「クラック」とは、高強度の照明下での長さに関して、０．０１０インチより大きくなければならない。このことは、許容される結晶性の線紋（ｓｔｒｉａｔｉｏｎ）から破断線を識別することに役立つ。そのような破断線は一般に、それらを線紋から識別する鋭い細線の広がりを見せる。

「エッジチップ（ｅｄｇｅ ｃｈｉｐ）」は、半径方向の深さまたは幅のいずれかにおける１．５ミリメートル以上のあらゆるエッジの異常（ウェーハ鋸の出口マークを含む）を示す。拡散照明下で見られるように、エッジチップは、ウェーハのエッジから意図的でなく落とされた材料として決定される。

「エッジ除外（ｅｄｇｅ ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ）」は、ウェーハ取扱い領域と称され、表面仕上げ基準から除外されるウェーハの規定された外側の環形を示す。

「六角プレート（ｈｅｘ ｐｌａｔｅ）」は、拡散照明下で肉眼によって色が銀色に見えるウェーハの表面上の六角形状の小板である。

「マスキング欠陥（ｍａｓｋｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔ）」（「マウンド（ｍｏｕｎｄ）」）は、拡散照明によって見られるときに、ウェーハの前面上の隆起した明瞭な領域を示す。

「オレンジ果皮（ｏｒａｎｇｅ ｐｅｅｌ）」は、拡散照明下で見られるときに、視覚的に感知できる粗くなった表面を示す。

「ピット（ｐｉｔ）」は、長さと幅の比率が５対１以上を有する、ウェーハ表面の窪みとして現われ、高強度の照明下で可視となる個々の認識可能な表面の異常を示す。

「外来性ポリタイプ（ｆｏｒｅｉｇｎ ｐｏｌｙｔｙｐｅ）」（「インクルージョン（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）」または「微結晶（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅ）」）は、多結晶質であるか、またはウェーハの残りと異なる他のポリタイプ材料（例えば、６Ｈに混じった４Ｈ）であるウェーハ結晶の領域を示す。ポリ領域は、頻繁に色変化または明瞭な境界線を表し、拡散照明下で領域パーセントによって判断される。

「スクラッチ（ｓｃｒａｔｃｈ）」は、ウェーハの前面に、長さと幅の比率が５対１より大きい、高強度の照明下で可視となる単一の切れ目または溝と規定される。

「線紋」は、ウェーハの表面から下に延び（ウェーハの厚さ全体を通過し得るか、または通過し得ない）、一般にそれらの長さにわたって結晶の平面が続く、線状の結晶欠陥と規定される。

「使用可能な総領域（ｔｏｔａｌ ｕｓａｂｌｅ ａｒｅａ）」は、エッジ除外帯内の前面ウェーハの品質領域から、すべての顕著な欠陥領域の累積を減算することを示す。残りのパーセント値は、すべての顕著な欠陥がない（エッジ除外までの２ミリメートルを含めない）、前面の割合を示す。

背景としてのこれらの基準によって、本発明に従うウェーハは、エッジチップが１つのウェーハあたり２未満の密度を示す。本発明に従うウェーハは、オレンジ果皮またはピットが、ウェーハ領域の３０パーセント以下であり、いくつかの実施形態において、ウェーハ領域の１０パーセント以下を示す。

本発明に従うウェーハは、線紋が、１つのウェーハあたり２０以下であり、他の実施形態において、１つのウェーハあたり３以下を示す。本発明に従うウェーハは、領域汚染またはクラックがない。六角プレートの密度は、ウェーハの累積領域の３０パーセント未満であり、他の実施形態において、ウェーハの累積領域の１０パーセント未満である。

本発明に従うウェーハは、８以下のスクラッチ、またはいくつかの実施形態において、５以下のスクラッチを有する。

本発明に従うウェーハは、２００Ｘの顕微鏡下でマスキング欠陥（マウンド）に関して検査される。すべての実施形態において、ウェーハは、クロスパターンで検査された９つのフィールドの３つ以下において１０以下の欠陥、または他の実施形態において、クロスパターンで検査された９つのフィールドの５つ以下において１０以下の欠陥を有する。ウェーハは汚染がない。総累積として表すと、領域欠陥の累積は、ウェーハ領域の３０パーセント以下であり、いくつかの実施形態において、ウェーハ領域の１０パーセント以下である。

別の局面において、本発明は、高品質で大きな直径の炭化ケイ素の単結晶を成長させるための方法である。この局面において、本発明は、炭化ケイ素のバルク単結晶から該バルク結晶のｃ軸に関してある角度で炭化ケイ素の種結晶を切断して、該バルク結晶のｃ面に関して軸オフである面を有する種結晶を産生することと、該種結晶の種結晶面に垂直で、該ｃ面に関して垂直でない方向の顕著な温度勾配を、シードされた成長システムにおける該軸オフの種結晶に対して、所望されたサイズのバルク結晶が得られるまで適用することと、該種結晶の原初の面に平行に該バルク結晶を切断することによって、該バルク結晶から軸オフのウェーハを切断して、該種結晶ウェーハのｃ軸に関して軸オフである面を有する種結晶ウェーハを産生することとを包含する。

特に、該方法は、一般にバルク結晶から複数のウェーハを切断することを含んでいる。

本発明の他の局面に関して述べられたように、結果としてもたらされるウェーハは、軸オフのウェーハ切断によって、バルク成長システムをシーディングするための適切な種結晶を提供する。炭化ケイ素のバルク成長は、次いでそのようなシードされたシステムにおいて実施され得る。

該方法は、種結晶ウェーハの軸オフの面上のエピタキシャル層の少なくとも１つ、可能性として複数の層を成長させることをさらに含み得、エピタキシャル層は、炭化ケイ素、および特に有利なＩＩＩ族窒化物材料のエピタキシャル層を有する。

図７は、本発明に従い形成された炭化ケイ素ウェーハの３つの写真の組である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、わずかに垂直でない角度で撮られ、従ってウェーハは、写真の中で長円形に見える。しかしながら、図７（Ｃ）の正面写真によって例示されるように、ウェーハは円形である。これらの写真は、本発明に従い産生された１００ｍｍのウェーハを示す。

図８は、該方法およびその利点の局面を例示する概略図である。図８は、向かい合う面７１および７２が、ｃ面７３に関して軸オフである、７０で広く示されたバルク結晶を例示する。参照の目的のために、ｃ軸７４もまた示される。明瞭にするために、図８は、軸オフの配向の程度を誇張している。

該方法に従うと、成長した結晶の面７１、７２は、結晶のｃ面に関してすでに軸オフであることから、結晶７０が、均質の直立した円柱という形で（一般的であるように）成長すると仮定すれば、結晶７０は、軸オフの表面を有する個々のウェーハ７５を規定するために、その円筒の軸と直角に切断され得、長円形ではなく円形において切断され得る。

本明細書中に記載された技術は、ＳｉＣの（０００１）面および［０００１］軸に関して記載されたけれども、該技術が、他の面（例えば、｛０００１｝平面）を用いて、他の軸に関して、組込まれ得ることが理解されるであろう。多くの理由のために、（０００１）面および

面は、炭化ケイ素のバルク成長に都合がよいけれども、全くそうというわけではない。従って、当業者は、本明細書中に記載された角度および面に加えて、複数の角度および面を用いて、特許請求の範囲に記載される発明を組込み得る。

用語「単結晶」が、なんらかのモザイク模様の性質を有する大型のブール結晶を記述するために用いられ得ることはまた、炭化ケイ素の結晶の成長に詳しい人々によって理解される。当業者にさらに公知であるように、モザイク模様の性質を有する結晶は、単結晶を形成するために、共に成長する複数の核になる領域とともに成長する。結果としてもたらされる領域は、転位または他の欠陥に接し得るけれども、それにもかかわらず、よく理解されている技術（特に、Ｘ線回折）によって分析されるときに、単結晶の特性を有する。これらの領域の集合体は、粒（ｇｒａｉｎ）間で非常に小傾角の領域（ｓｍａｌｌ ｔｉｌｔ ｒｅｇｉｏｎ）によってモザイク構造を有し得るけれども、領域は、なお共に成長して単結晶を形成する。

Ｘ線回折によって、本発明に従って成長した結晶の単結晶の特性は、角度の約３６秒と１８０秒との間の回折角からの角度の幅を有する。これは、４０秒〜６０秒（ｓｅｃ^−１）の角度の幅が高品質な単結晶を表す、当該分野における単結晶の許容範囲の標準的範囲を満足する。角度の幅は、当該分野においてよく理解されている標準と一致する、ブラッグ角におけるスペクトル半値幅（ＦＷＨＭ）として測定される。

図面および明細書において、本発明の好適な実施形態が示され、特定の用語が利用されたけれども、それらは、単に一般的な、説明的な意味において用いられ、特許請求の範囲に規定される本発明の範囲を制限する目的のためではない。

Claims (29)

1. 半導体結晶であって、
   種結晶部分と、
   該種結晶部分上の成長部分と、
   実質的に直立した円筒形の炭化ケイ素の単結晶を形成する該種結晶部分および該成長部分と、
   該成長部分と該種結晶部分との間の界面を規定する種結晶面であって、該種結晶面は、該直立した円筒形の結晶の基部に実質的に平行であり、該単結晶の基底平面に関して軸オフである、種結晶面と、
   該種結晶部分のポリタイプを複製する該成長部分と、
   少なくとも約１００ｍｍの直径を有する該成長部分と
   を含む、半導体結晶。
2. 前記種結晶面は、前記結晶の｛０００１｝平面から約０．５°と１２°との間の軸オフである、請求項１に記載の半導体結晶。
3. 前記種結晶部分および前記成長部分は、炭化ケイ素の２Ｈ、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ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に記載の半導体結晶。
4. 前記種結晶面は、前記結晶の｛０００１｝平面に関して約３．５°と８°との間の軸オフである、請求項１に記載の半導体結晶。
5. 前記ポリタイプは、４Ｈおよび６Ｈからなる群から選択され、前記種結晶面は、前記結晶の｛０００１｝平面に関して約３．５°と８°との間の軸オフである、請求項１に記載の半導体結晶。
6. 前記種結晶面は、
   
   方向に軸オフである、請求項２に記載の半導体結晶。
7. 前記種結晶面は、
   
   方向に軸オフである、請求項２に記載の半導体結晶。
8. １００ｃｍ^−２未満のマイクロパイプ密度を有する、請求項１に記載の半導体結晶。
9. ２０ｃｍ^−２未満のマイクロパイプ密度を有する、請求項１に記載の半導体結晶。
10. ５ｃｍ^−２未満のマイクロパイプ密度を有する、請求項１に記載の半導体結晶。
11. １ｃｍ^−２未満のマイクロパイプ密度を有する、請求項１に記載の半導体結晶。
12. 半導体ウェーハであって、
    単結晶の種結晶部分と、
    該種結晶部分上の単結晶の成長部分と、
    少なくとも直径１００ミリメートルの直立した円筒形の炭化ケイ素の単結晶を規定するために十分な直径を有する該種結晶部分および該成長部分と、
    該成長部分と該種結晶部分との間の界面を規定する種結晶面であって、該種結晶面は、該直立した円筒形の結晶の基部に実質的に平行であり、該単結晶の｛０００１｝平面に関して約０．５°と１２°との間の軸オフである、種結晶面と、
    該種結晶部分のポリタイプを複製する該成長部分と
    を含む、半導体ウェーハ。
13. 前記種結晶部分および前記成長部分は、炭化ケイ素の２Ｈ、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ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１２に記載の半導体ウェーハ。
14. 前記ポリタイプは、４Ｈおよび６Ｈからなる群から選択される、請求項１２に記載の半導体ウェーハ。
15. 前記種結晶面は、
    
    方向に軸オフである、請求項１２に記載の半導体ウェーハ。
16. 前記種結晶面は、
    
    方向に軸オフである、請求項１２に記載の半導体ウェーハ。
17. 半導体材料の少なくとも１つのエピタキシャル層を前記直立した円柱単結晶の基部の１つの上にさらに含む、請求項１２に記載の半導体ウェーハ。
18. 前記エピタキシャル層は、炭化ケイ素を含む、請求項１７に記載の半導体ウェーハ。
19. 前記エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物を含む、請求項１７に記載の半導体ウェーハ。
20. 複数のエピタキシャル層を含む、請求項１７に記載の半導体ウェーハ。
21. 高品質で大きな直径の炭化ケイ素の単結晶を成長させるための方法であって、該方法は、
    炭化ケイ素のバルク単結晶から該バルク結晶のｃ軸に関してある角度で炭化ケイ素の種結晶を切断することであって、該バルク結晶は、該バルク結晶のｃ面に関して軸オフである面を有する種結晶を産生する、切断することと、
    シードされた成長システムにおける該軸オフの種結晶に対して顕著な温度勾配を適用することにより、該種結晶の軸方向の配向を複製する、結果もたらされるバルク結晶を産生することと、
    該種結晶の原初の面に平行に該バルク結晶を切断することによって該バルク結晶からウェーハを切断して、該種結晶ウェーハの｛０００１｝平面に関して軸オフである面を有するウェーハを産生することと
    を包含する、方法。
22. 前記バルク結晶から複数のウェーハを切断することを包含する、請求項２１に記載の方法。
23. 前記切断された軸オフのウェーハによってバルク成長システムをシーディングすることをさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
24. 前記切断された軸オフのウェーハによってシードされる、シードされた昇華システムにおいて炭化ケイ素の前記バルク成長を実施することを包含する、請求項２３に記載の方法。
25. 少なくとも１つのエピタキシャル層を前記種結晶ウェーハの前記軸オフの面上に成長させることをさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
26. 複数のエピタキシャル層を成長させることを包含する、請求項２５に記載の方法。
27. 炭化ケイ素のエピタキシャル層を成長させることを包含する、請求項２５に記載の方法。
28. ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル層を成長させることを包含する、請求項２５に記載の方法。
29. シードされた成長システムにおいて前記温度勾配を前記軸オフの種結晶に適用する、請求項２１に記載の方法。