JP5562641B2 - マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素およびその製造方法 - Google Patents
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Description
長する前記III属窒化物結晶との間の温度勾配を、PVTプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ・フリーのIII属窒化物結晶を、前記シード材料上に成長させること、を含む。
本願の出願時の特許請求の範囲に記載の発明を、以下に転記する。
1.炭化ケイ素の単結晶(SiC結晶)を、昇華装置において、物理的気相輸送(PVT)プロセスを用いて名目C軸成長方向に成長させる方法であって、ここで前記結晶はマイクロパイプ欠陥をまったく含まず:
シード材料をシードホルダに取り付け、前記シード材料と前記シードホルダの間に均一な熱的接触を形成すること;
供給材料および前記シードホルダに取り付けられた前記シード材料を反応坩堝内に配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料、前記シードホルダ、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない;および、
成長温度、成長圧力、SiC昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長する前記SiC結晶との間の温度勾配を、前記PVTプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ・フリーのSiC結晶を前記シード材料上に成長させること
を含む、前記方法。
2.供給材料、およびシード材料が取り付けられたシードホルダを反応坩堝内に配置し、昇華装置内に前記反応坩堝を配置した後、次いで前記昇華装置を排気して周囲の空気、ガス不純物および異物固体粒子を取り除くこと;
少なくとも一つの不活性ガスを用いて前記昇華装置を再充填すること;
前記昇華装置を、SiC結晶成長を助長する温度に加熱すること;
前記昇華装置の中において前記反応坩堝にかかる圧力を減少させ、SiC結晶成長を開始すること
を更に含む、上記1に記載の方法。
3.SiC結晶成長の名目方向が、C軸方向から0〜10°の範囲である、上記1に記載の方法。
4.SiC結晶成長の名目方向が、C軸方向から0〜約4°の範囲であり、[1120](2の上にバー)または[1100](左から2番目の1の上にバー)方向に傾いている、上記3に記載の方法。
5.マイクロパイプ・フリーのSiC結晶が、3C,4H,6H,および15Rから成るポリタイプの群から選択されるポリタイプを有する、上記1に記載の方法。
6.シード材料が、2cm −2 よりも小さいマイクロパイプ密度を有するSiCシードウエハを含む、上記1に記載の方法。
7.シード材料が、1cm −2 よりも小さいマイクロパイプ密度を有するSiCシードウエハを含む、上記1に記載の方法。
8.シード材料が、50アークセカント(2.4×10 −4 rad)よりも小さい最大半値幅を示す均一なX線回折によって特徴付けられるSiCシードウエハを含む、上記1に記載の方法。
9.シード材料が、30アークセカント(1.5×10 −4 rad)よりも小さい最大半値幅を示す均一なX線回折によって特徴付けられるSiCシードウエハを含む、上記1に記載の方法。
10.シード材料が、異質なポリタイプインクルージョンを含まないSiCシードウエハを含む、上記1に記載の方法。
11.シード材料のシードホルダへの取り付けが、前記シード材料と前記シードホルダの間に接着剤を使用するか否かに関わらず、前記シード材料と前記シードホルダの間の直接的な物理接触を用いてなされるか、または前記シード材料の熱的な裏面保護を含む制御されたギャップ構造を用いてなされる、上記1に記載の方法。
12.制御されたギャップ構造が、10μmまたはそれより小さい、5μmまたはそれより小さい、2μmまたはそれより小さい、および1μmまたはそれより小さいものからなる群から選択される、シード材料とシードホルダの間の分離間隔を維持している、上記11に記載の方法。
13.成長圧力が約760〜0.1torr(1.0×10 5 〜1×10Pa)の範囲に制御されている、上記1に記載の方法。
14.成長圧力が約300〜0.1torr(4.0×10 4 〜1×10Pa)の範囲に制御されている、上記1に記載の方法。
15.成長圧力が約50〜0.1torr(6×10 3 〜1×10Pa)の範囲に制御されている、上記1に記載の方法。
16.成長温度が約2000〜2500℃の範囲に制御される、上記1に記載の方法。
17.SiC結晶のための成長核生成のための開始温度が、約2000〜2200℃の範囲に制御されている、上記1に記載の方法。
18.温度勾配が、約50〜150℃/cmの範囲に制御される、上記1に記載の方法。
19.成長温度を約0.3〜10℃/時の範囲で傾斜上昇させることによってSiC昇華流束が制御されている、上記1に記載の方法。
20.供給材料が、高純度の、固体、粉末、液体、および気体のうち少なくとも一つを含む、上記1に記載の方法。
21.供給材料が、重量基準で100万分の5部より少ない総濃度の金属不純物を含有する、上記20に記載の方法。
22.供給材料が、重量基準で100万分の2部より少ない総濃度の金属不純物を含有する、上記20に記載の方法。
23.供給材料が、重量基準で100万分の1部より少ない総濃度の金属不純物を含有し、前記金属不純物が、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Zr,Mo,Pd,Ta,およびWからなる金属の群から選択される、少なくとも一つの金属を含む、上記20に記載の方法。
24.昇華装置の反応坩堝に供給材料およびシード材料を配置し、ここで、少なくとも前記供給材料および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まず、そして、成長温度、成長圧力、SiC昇華流束およびその組成、および前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長するSiC結晶との間の温度勾配を、物理的気相輸送(PVT)プロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除するプロセスによって名目C軸方向に成長させたSiC結晶からスライスされた、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素(SiC)ウエハ。
25.少なくとも2インチ(50mm)、少なくとも3インチ(75mm)、および少なくとも100mmからなる径の群から選択される最小径を有する、上記24に記載のマイクロパイプ・フリーのSiCウエハ。
26.ウエハの主表面に形成されたホモエピタキシャル層を含む、上記24に記載のマイクロパイプ・フリーのSiCウエハ。
27.ホモエピタキシャル層がSiCである、上記26に記載のマイクロパイプ・フリーのSiCウエハ。
28.ウエハの主表面に形成されたヘテロエピタキシャル層を含む、上記24に記載のマイクロパイプ・フリーのSiCウエハ。
29.ヘテロエピタキシャル層がIII属窒化物層である、上記28に記載のマイクロパイプ・フリーのSiCウエハ。
30.III属窒化物層が、GaN,AlGaN,AlN,AlInGaN,InN,およびAlInNから成る属から選択される、少なくとも一つを含む、上記29に記載のマイクロパイプ・フリーのSiCウエハ。
31.3C,4H,6H,および15Rから成るポリタイプの群から選択されるポリタイプを有する、上記24に記載のマイクロパイプ・フリーのSiCウエハ。
32.名目C軸方向に成長し、マイクロパイプ密度がゼロであるSiC結晶からスライスされた、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素(SiC)ウエハであって、対向する第一および第二の面を含む前記SiC基板;
前記SiC基板の少なくとも第一の面に形成されたエピタキシャル層であって、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含む前記エピタキシャル層;および、
前記エピタキシャル層に形成され、前記エピタキシャル層においてチャネル領域を定義づけているソース/ドレイン領域を含む半導体デバイス
を含む、半導体ウエハ。
33.チャネル領域に形成されたゲート誘電体層;および、
前記チャネル領域の上の前記ゲート誘電体層に形成された、金属ゲート構造
を更に含む、上記32に記載の半導体ウエハ。
34.半導体デバイスが、接合型電界効果トランジスタおよびヘテロ電界効果トランジスタの少なくとも一つを含む、上記32に記載の半導体ウエハ。
35.SiC基板が、少なくとも2インチ(50mm)、少なくとも3インチ(75mm)、および少なくとも100mmからなる径の群から選択される最小径を有する、上記32に記載の半導体ウエハ。
36.名目C軸方向に成長し、マイクロパイプ密度がゼロであるSiC結晶からスライスされた、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素(SiC)ウエハであって、対向する第一および第二の面を含む前記SiC基板;
前記SiC基板の少なくとも第一の面に形成されたエピタキシャル層であって、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含む前記エピタキシャル層;および、
少なくとも前記エピタキシャル層の一部分に形成された半導体デバイス
を含む、半導体ウエハ。
37.半導体デバイスが、ショットキー障壁ダイオード、接合型障壁ショットキーダイオード、サイリスター、双極接合型トランジスタ、およびPiNダイオードの少なくとも一つを含む、上記36に記載の半導体ウエハ。
38.SiC基板が、少なくとも2インチ(50mm)、少なくとも3インチ(75mm)、および少なくとも100mmから成る径の群から選択される最小径を有する、上記36に記載の半導体ウエハ。
39.III属窒化物の単結晶(III属窒化物結晶)を、昇華装置において、物理的気相輸送(PVT)プロセスを用いて名目C軸成長方向に成長させる方法であって、ここで前記III属窒化物結晶はマイクロパイプ欠陥をまったく含まず:
シード材料をシードホルダに取り付け、前記シード材料とシードホルダの間に均一な熱的接触を形成すること;
供給材料および前記シードホルダに取り付けられた前記シード材料を反応坩堝に配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料、前記シードホルダ、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない;および
成長温度、成長圧力、III属窒化物昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長する前記III属窒化物結晶との間の温度勾配を、前記PVTプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ・フリーの前記III属窒化物結晶を前記シード材料上に成長させること
を含む、前記方法。
40.3インチ(75mm)の最小径を有し、マイクロパイプ密度がゼロである結晶からスライスされた、マイクロパイプ・フリーの炭化ケイ素(SiC)ウエハであって、対向する第一および第二の面を含む前記SiC基板;および、
前記SiC基板の少なくとも第一の面に形成されたエピタキシャル層であって、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義する濃度のドーパント原子を含む前記エピタキシャル層、
を含む、半導体ウエハ。
41.エピタキシャル層に形成され、前記エピタキシャル層においてチャネル領域を定義づけているソース/ドレイン領域を含む半導体デバイスを更に含む、上記40に記載の半導体ウエハ。
42.半導体デバイスが、接合型電界効果トランジスタおよびヘテロ電界効果トランジスタの少なくとも一つを含む、上記41に記載の半導体ウエハ。
43.少なくともエピタキシャル層の一部分に形成された半導体デバイスを更に含む、上記40に記載の半導体ウエハであって、ここで、前記半導体デバイスが、ショットキー障壁ダイオード、接合型障壁ショットキーダイオード、サイリスター、双極接合型トランジスタ、およびPiNダイオードの少なくとも一つを含む、前記半導体ウエハ。
Claims (36)
- 炭化ケイ素の単結晶(SiC結晶)を、昇華装置において、物理的気相輸送(PVT)プロセスを用いて名目C軸成長方向に成長させる方法であって、ここで前記結晶はマイクロパイプ欠陥をまったく含まず:
シード材料をシードホルダに取り付け、前記シード材料と前記シードホルダの間に均一な熱的接触を形成すること;
供給材料および前記シードホルダに取り付けられた前記シード材料を反応坩堝内に配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料、前記シードホルダ、および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない;
成長温度、成長圧力、SiC昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長する前記SiC結晶との間の温度勾配を、前記PVTプロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除し、マイクロパイプ欠陥をまったく含まないSiC結晶を前記シード材料上に成長させること;
供給材料、およびシード材料が取り付けられたシードホルダを反応坩堝内に配置し、昇華装置内に前記反応坩堝を配置した後、次いで前記昇華装置を排気して周囲の空気、ガス不純物および異物固体粒子を取り除くこと;
少なくとも一つの不活性ガスを用いて前記昇華装置を再充填すること;
前記昇華装置を、SiC結晶成長を助長する温度に加熱すること;及び、
前記昇華装置の中において前記反応坩堝にかかる圧力を減少させ、SiC結晶成長を開始すること
を含み、
SiC結晶の成長核生成に関する開始温度を制御し、成長したSiC結晶は、少なくとも2インチ(50mm)、少なくとも3インチ(75mm)、及び少なくとも4インチ(100mm)からなる径の群から選択される最小径を有し、
SiC昇華流束を、0.3〜10℃/時間の範囲で、成長温度を徐々に増加させることによって制御し、かつ
SiC結晶の成長核生成に関する開始温度を2000〜2200℃の範囲に制御する、
前記方法。 - SiC結晶成長の名目方向が、C軸方向から0〜10°の範囲である、請求項1に記載の方法。
- マイクロパイプ欠陥をまったく含まないSiC結晶が、3C,4H,6H,および15Rから成るポリタイプの群から選択されるポリタイプを有する、請求項1に記載の方法。
- シード材料が、2cm−2よりも小さいマイクロパイプ密度を有するSiCシードウエハを含む、請求項1に記載の方法。
- シード材料が、1cm−2よりも小さいマイクロパイプ密度を有するSiCシードウエハを含む、請求項1に記載の方法。
- シード材料が、50アークセカント(2.4×10−4rad)よりも小さい最大半値幅を示す均一なX線回折によって特徴付けられるSiCシードウエハを含む、請求項1に記載の方法。
- シード材料が、30アークセカント(1.5×10−4rad)よりも小さい最大半値幅を示す均一なX線回折によって特徴付けられるSiCシードウエハを含む、請求項1に記載の方法。
- シード材料が、異質なポリタイプインクルージョンを含まないSiCシードウエハを含む、請求項1に記載の方法。
- シード材料のシードホルダへの取り付けが、前記シード材料と前記シードホルダの間に接着剤を使用するか否かに関わらず、前記シード材料と前記シードホルダの間の直接的な物理接触を用いてなされるか、または前記シード材料の熱的な裏面保護を含む制御されたギャップ構造を用いてなされる、請求項1に記載の方法。
- 制御されたギャップ構造が、10μmまたはそれより小さい、5μmまたはそれより小さい、2μmまたはそれより小さい、および1μmまたはそれより小さいものからなる群から選択される、シード材料とシードホルダの間の分離間隔を維持している、請求項10に記載の方法。
- 成長圧力が760〜0.1torr(1.0×105〜1×10Pa)の範囲に制御されている、請求項1に記載の方法。
- 成長圧力が300〜0.1torr(4.0×104〜1×10Pa)の範囲に制御されている、請求項1に記載の方法。
- 成長圧力が50〜0.1torr(6×103〜1×10Pa)の範囲に制御されている、請求項1に記載の方法。
- 成長温度が2000〜2500℃の範囲に制御される、請求項1に記載の方法。
- 温度勾配が、50〜150℃/cmの範囲に制御される、請求項1に記載の方法。
- 供給材料が、高純度の、固体、粉末、液体、および気体のうち少なくとも一つを含む、請求項1に記載の方法。
- 供給材料が、重量基準で100万分の5部より少ない総濃度の金属不純物を含有する、請求項17に記載の方法。
- 供給材料が、重量基準で100万分の2部より少ない総濃度の金属不純物を含有する、請求項17に記載の方法。
- 供給材料が、重量基準で100万分の1部より少ない総濃度の金属不純物を含有し、前記金属不純物が、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Zr,Mo,Pd,Ta,およびWからなる金属の群から選択される、少なくとも一つの金属を含む、請求項17に記載の方法。
- 昇華装置の反応坩堝に供給材料およびシード材料を配置すること、ここで、少なくとも前記供給材料および前記反応坩堝を含む前記昇華装置の構成要素は、意図していない不純物を実質的に含まない;
成長温度、成長圧力、SiC昇華流束およびその組成、ならびに前記供給材料と前記シード材料または前記シード材料上に成長するSiC結晶との間の温度勾配を、物理的気相輸送(PVT)プロセスの間制御して、マイクロパイプを誘発するプロセス不安定性を排除すること;
供給材料、およびシード材料が取り付けられたシードホルダを反応坩堝内に配置し、昇華装置内に前記反応坩堝を配置した後、次いで前記昇華装置を排気して周囲の空気、ガス不純物および異物固体粒子を取り除くこと;
少なくとも一つの不活性ガスを用いて前記昇華装置を再充填すること;
前記昇華装置を、SiC結晶成長を助長する温度に加熱すること;及び
前記昇華装置の中において前記反応坩堝にかかる圧力を減少させ、SiC結晶成長を開始すること
を含み、
SiC昇華流束を、0.3〜10℃/時間の範囲で、成長温度を徐々に増加させることによって制御し、かつ
SiC結晶の成長核生成に関する開始温度を2000〜2200℃の範囲に制御する、
名目C軸方向に成長させたSiC結晶からスライスされた、少なくとも2インチ(50mm)、少なくとも3インチ(75mm)、及び少なくとも4インチ(100mm)からなる径の群から選択される最小径を有する、マイクロパイプ欠陥をまったく含まない炭化ケイ素(SiC)ウエハを製造する方法。 - ウエハの主表面にホモエピタキシャル層を形成させること含む、請求項21に記載の方法。
- ホモエピタキシャル層がSiCである、請求項22に記載の方法。
- ウエハの主表面にヘテロエピタキシャル層を形成させること含む、請求項21に記載の方法。
- ヘテロエピタキシャル層がIII属窒化物層である、請求項24に記載の方法。
- III属窒化物層が、GaN,AlGaN,AlN,AlInGaN,InN,およびAlInNから成る属から選択される、少なくとも一つを含む、請求項25に記載の方法。
- 前記マイクロパイプ欠陥をまったく含まないSiCウエハが、3C,4H,6H,および15Rから成るポリタイプの群から選択されるポリタイプを有する、請求項21に記載の方法。
- 請求項21〜27のいずれか1項に記載の方法に従って、対向する第一および第二の面を含むマイクロパイプ欠陥をまったく含まない炭化ケイ素(SiC)ウエハを製造すること;
前記SiCウエハの少なくとも第一の面にエピタキシャル層を形成すること、ここで前記エピタキシャル層は、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含む;および、
前記エピタキシャル層に、前記エピタキシャル層においてチャネル領域を定義づけているソース/ドレイン領域を含む半導体デバイスを形成すること
を含む、半導体ウエハを製造する方法。 - チャネル領域にゲート誘電体層を形成すること;および、
前記チャネル領域の上の前記ゲート誘電体層に、金属ゲート構造を形成すること
を更に含む、請求項28に記載の方法。 - 半導体デバイスが、接合型電界効果トランジスタおよびヘテロ電界効果トランジスタの少なくとも一つを含む、請求項28に記載の方法。
- 請求項21〜27のいずれか1項に記載の方法に従って、対向する第一および第二の面を含むマイクロパイプ欠陥をまったく含まない炭化ケイ素(SiC)ウエハを製造すること;
前記SiCウエハの少なくとも第一の面にエピタキシャル層を形成すること、ここで前記エピタキシャル層は、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義づける濃度のドーパント原子を含む;および、
少なくとも前記エピタキシャル層の一部分に、半導体デバイスを形成すること
を含む、半導体ウエハを製造する方法。 - 半導体デバイスが、ショットキー障壁ダイオード、接合型障壁ショットキーダイオード、サイリスター、双極接合型トランジスタ、およびPiNダイオードの少なくとも一つを含む、請求項31に記載の方法。
- 請求項21〜27のいずれか1項に記載の方法に従って、対向する第一および第二の面を含むマイクロパイプ欠陥をまったく含まない炭化ケイ素(SiC)ウエハを製造すること;および、
前記SiCウエハの少なくとも第一の面にエピタキシャル層を形成すること、ここで前記エピタキシャル層は、前記エピタキシャル層にとっての伝導性を定義する濃度のドーパント原子を含む、
を含む、半導体ウエハを製造する方法。 - エピタキシャル層に、前記エピタキシャル層においてチャネル領域を定義づけているソース/ドレイン領域を含む半導体デバイスを形成することを更に含む、請求項33に記載の方法。
- 半導体デバイスが、接合型電界効果トランジスタおよびヘテロ電界効果トランジスタの少なくとも一つを含む、請求項34に記載の方法。
- 少なくともエピタキシャル層の一部分に半導体デバイスを形成することを更に含み、ここで、前記半導体デバイスが、ショットキー障壁ダイオード、接合型障壁ショットキーダイオード、サイリスター、双極接合型トランジスタ、およびPiNダイオードの少なくとも一つを含む、請求項33に記載の方法。
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