TWI792160B

TWI792160B - 碳化矽晶體材料的差排分佈

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Publication number: TWI792160B
Application number: TW110102676A
Authority: TW
Inventors: 尤里科列布尼科夫; 羅伯特Ｔ倫納德; 葉利夫巴爾卡斯; 史蒂文格里菲斯; 瓦里萊茨韋特科夫; 麥可佩斯利
Original assignee: 美商沃孚半導體有限公司
Priority date: 2020-01-29
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2023-02-11
Also published as: US20210230769A1; WO2021154484A1; TW202136598A; JP2023512525A; CN115298366B; CN115298366A; KR20220129630A; EP4097279A1; US11519098B2

Abstract

揭示了提供改善的差排分佈的碳化矽(SiC)晶圓、SiC梨晶及相關方法。提供了SiC梨晶，其在較長的梨晶長度上顯示出降低的差排密度及改善的差排均勻性。相應的SiC晶圓包括降低的總差排密度(TDD)值及改善的TDD徑向均勻性。SiC晶體材料的生長條件包括提供過飽和量的源材料，其中在生長期間存在的源材料的量明顯高於通常所需的量。這種SiC晶體材料及相關方法適用於提供具有改善的晶體質量的大直徑SiC梨晶及相應的SiC晶圓。

Description

碳化矽晶體材料的差排分佈

本揭示涉及晶體材料，且更具體地涉及碳化矽晶體材料中的差排分佈。

碳化矽(SiC)表現出許多吸引人的電及熱物理性質。SiC因其物理強度及對化學侵蝕的高抵抗力以及各種電子特性而特別有用，這些電子特性包括輻射硬度、高擊穿電場、相對寬的帶隙、高飽和電子漂移速度、高溫操作以及在光譜的藍色、紫色及紫外線區域中的高能光子的吸收及發射。與包括矽及藍寶石的傳統晶圓或基板材料相比，SiC的這些特性使其更適合於製造用於高功率密度固態裝置(諸如電子裝置、射頻裝置及光電裝置)的晶圓或基板。SiC出現在許多不同的稱作多型體的晶體結構中，其中某些多型體(例如4H-SiC及6H-SiC)具有六方晶體結構。

儘管SiC表現出優異的材料特性，但使SiC生長所需的晶體生長技術卻大不相同，且與用於其他晶體材料的傳統生長製程相比更具挑戰性。在半導體製造中使用的傳統晶體材料(諸如矽及藍寶石)具有明顯較低的熔點，從而允許從熔融的源材料直接進行晶體生長技術，而這能夠製造大直徑晶體材料。相比之下，塊狀SiC通常是在高溫下藉由晶種昇華生長製程所製造，其中各種挑戰包括有雜質摻入、與熱應力及晶體應力相關的結構缺陷、以及不同多型體的形成等。在傳統的SiC生長技術中，基板及源材料均放置在反應坩堝內部。加熱坩堝時產生的熱梯度會促使材料從源材料到基板的氣相移動，接著在基板上凝結並導致塊狀晶體生長。已知雜質可作為摻雜劑引入SiC，且這些摻雜劑可調節某些特性。對於SiC的昇華生長來說，可用各種方式使摻雜劑引入腔室，使得該摻雜劑將存在於由該製程製造的SiC晶體中。該製程經控制以提供用於特定應用的適當濃度的摻雜劑。在塊狀晶體生長之後，可藉由切割SiC的塊狀晶錠或梨晶(boule)來獲得SiC的單獨晶圓，且隨後可對單獨晶圓進行額外處理，諸如研磨或拋光。

SiC晶圓的獨特特性使得能夠設計及製造高功率及/或高頻半導體裝置的陣列。不斷的發展已使得SiC晶圓製造達到成熟水準，從而允許製造這些用於日益廣泛的商業應用的半導體裝置。隨著半導體裝置工業不斷成熟，期望具有更大可用直徑的SiC晶圓。SiC晶圓的可用直徑可能會受到SiC的材料成分中某些結構缺陷以及某些晶圓形狀特性的限制。材料組合物中的結構缺陷可包括差排(例如微管、螺紋刃、螺紋及/或基面差排)、六方空隙及疊積缺層等。與SiC相關的晶圓形狀特徵可包括與晶圓平坦度有關的翹曲、彎曲及厚度變化。這些各種結構缺陷及晶圓形狀特徵可導致晶體應力，其可能對隨後在傳統SiC晶圓上形成的半導體裝置的製造及適當操作有害。這種晶體應力大體上與晶圓半徑的平方成正比，因此難以經濟實惠地製造高質量的大直徑SiC半導體晶圓。

在克服與傳統SiC晶圓相關挑戰的同時，本領域持續尋求具有更大直徑的改進SiC晶圓及相關的固態裝置。

揭示了提供改善的差排分佈的碳化矽(SiC)晶圓、SiC梨晶及相關方法。提供了SiC梨晶，其在較長的梨晶長度上顯示出降低的差排密度及改善的差排均勻性。相應的SiC晶圓包括降低的總差排密度(TDD)值，具有改善的TDD徑向均勻性。SiC晶體材料的生長條件包括提供過飽和量的源材料，其中在生長期間存在的源材料的量明顯高於通常所需的量。這種SiC晶體材料及相關方法適用於提供具有改善的晶體質量的大直徑SiC梨晶及相應的SiC晶圓。

在一個態樣中，一種碳化矽(SiC)晶圓，對於任何包含1 mm的寬度及對應於在包括SiC晶圓中心的3 mm及50 mm的範圍內的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，其包含至少145 mm的直徑及小於或等於3000/cm² 的總差排密度(TDD)。在某些具體實例中，對於任何包含1 mm的寬度及對應於在包括距SiC晶圓中心3 mm且距SiC晶圓周邊2 mm範圍內的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，TDD小於或等於3000/cm² 。在某些具體實例中，對於任何包含1 mm的寬度及對應於在包括SiC晶圓中心的3 mm及50 mm的範圍內的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，TDD小於或等於2500/cm² 。在某些具體實例中，對於任何包含1 mm的寬度及對應於SiC晶圓所有徑向晶圓位置的至少50%的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，TDD小於或等於2000/cm² 。在某些具體實例中，對於任何包含1 mm的寬度及對應於SiC晶圓所有徑向晶圓位置的至少50%的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，TDD小於或等於1500/cm² 。在某些具體實例中，直徑在包括145 mm至205 mm的範圍內。在某些具體實例中，直徑在包括145 mm至155 mm的範圍內。在某些具體實例中，SiC晶圓包含4H-SiC晶圓。在某些具體實例中，SiC晶圓包含半絕緣SiC。在某些具體實例中，SiC晶圓包含n型SiC。在某些具體實例中，TDD大於或等於1000/cm² 。

在另一個態樣中，一種碳化矽(SiC)晶圓包含145 mm的直徑及對於被分成具有1 mm的寬度的環形環的晶圓區域來說小於或等於0.3的TDD的變異係數，且晶圓面積由距SiC晶圓中心3 mm及距SiC晶圓周邊2 mm的徑向晶圓位置界定。在某些具體實例中，變異係數小於或等於0.2。在某些具體實例中，變異係數大於或等於0.1。在某些具體實例中，對於任何包含1 mm的寬度及對應於在包括SiC晶圓中心的3 mm及50 mm的範圍內的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，TDD小於或等於3000/cm² 。在某些具體實例中，對於任何包含1 mm的寬度及對應於SiC晶圓所有徑向晶圓位置的至少50%的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，TDD小於或等於2000/cm² 。在某些具體實例中，SiC晶圓包含4H-SiC晶圓。在某些具體實例中，SiC晶圓包含半絕緣SiC。在某些具體實例中，SiC晶圓包含n型SiC。在某些具體實例中，直徑在包括145 mm至155 mm的範圍內。在某些具體實例中，直徑在包括145 mm至205 mm的範圍內。

在另一個態樣中，一種SiC梨晶包含包括在145 mm至180 mm範圍內的直徑及大於50 mm的梨晶高度。在某些具體實例中，SiC梨晶的高度的至少75%被配置為提供複數個SiC晶圓，且對於包括SiC晶圓中心及由距SiC晶圓周邊2 mm的徑向晶圓位置徑向界定的晶圓區域來說，複數個SiC晶圓中的每個SiC晶圓包含小於或等於4600/cm² 的TDD。在某些具體實例中，TDD大於或等於1000/cm² 。在某些具體實例中，SiC梨晶的高度的至少40%被配置為提供複數個SiC晶圓，且對於包括SiC晶圓中心及由距SiC晶圓周邊2 mm的徑向晶圓位置徑向界定的晶圓區域來說，複數個SiC晶圓中的每個SiC晶圓包含小於或等於3000/cm² 的TDD。在某些具體實例中，TDD大於或等於1000/cm² 。在某些具體實例中，梨晶高度在包括60 mm至300 mm的範圍內。在某些具體實例中，梨晶高度在包括55 mm至80 mm的範圍內。在某些具體實例中，梨晶高度在包括60 mm至70 mm的範圍內。在某些具體實例中，梨晶高度小於或等於65 mm。在某些具體實例中，梨晶高度大於或等於55 mm且小於或等於65 mm。

在另一個態樣中，一種SiC梨晶包含145 mm至180 mm範圍內的直徑及大於或等於40 mm的梨晶高度，其中SiC梨晶的高度的至少50%被配置為製造複數個SiC晶圓，且對於包括SiC晶圓中心及由距SiC晶圓周邊2 mm的徑向晶圓位置徑向界定的晶圓區域來說，複數個SiC晶圓中的每個SiC晶圓包含小於或等於4600/cm² 的TDD。在某些具體實例中，梨晶高度在包括40 mm至300 mm的範圍內。在某些具體實例中，梨晶高度在包括40 mm至80 mm的範圍內。在某些具體實例中，TDD大於或等於1000/cm² 。在某些具體實例中，SiC梨晶的高度的至少80%被配置為製造複數個包含小於或等於4600/cm² 的平均TDD的SiC晶圓。在某些具體實例中，SiC梨晶的高度的至少40%被配置為製造複數個SiC晶圓，且對於包括SiC晶圓中心及由距SiC晶圓周邊2 mm的徑向晶圓位置徑向界定的晶圓區域來說，複數個SiC晶圓中的每個SiC晶圓包含小於或等於3000/cm² 的平均TDD。在某些具體實例中，TDD大於或等於1000/cm² 。

在另一個態樣中，一種SiC晶圓，對於包括SiC晶圓中心及由距SiC晶圓周邊2 mm的徑向晶圓位置徑向界定的晶圓區域來說，其包含小於或等於3500/cm² 的TDD，其中SiC晶圓取自從晶種測量的大於或等於40 mm的梨晶位置。在某些具體實例中，梨晶位置在包含40 mm至300 mm的範圍內，或在包含40 mm至80 mm的範圍內，或在包含40 mm至65 mm的範圍內。在某些具體實例中，TDD大於或等於500/cm² 。在某些具體實例中，TDD小於或等於2500/cm² 或小於或等於1500/cm² 。在某些具體實例中，SiC晶圓包含大於或等於145 mm且小於或等於180 mm的直徑。

在另一個態樣中，可使前述態樣中的任何一個單獨地或一起，及/或如本文所述的各種單獨的態樣及特徵進行組合以獲得額外優點。除非本文有相反指示，否則本文所揭示的各種特徵及元件中的任何一個可與一或多個其他所揭示的特徵及元件組合。

在結合附圖閱讀以下較佳具體實例的詳細描述之後，本領域技術人員將理解本揭示的範圍並認識到其額外態樣。

下方闡述的具體實例表示使本領域技術人員能夠實踐具體實例的必要訊息，且示出實踐具體實例的最佳模式。在根據附圖閱讀以下描述時，本領域技術人員將理解本揭示的概念，且將認識到本文中未特別解決的這些概念的應用。應當理解，這些概念及應用落入本揭示及所附申請專利範圍的範圍內。

將理解到，儘管這裡可使用第一、第二等詞來描述各種元件，但是這些元件不應受限於這些詞語。這些詞語僅用於區別一個元素與另一個元素。舉例來說，在不脫離本揭示範圍的情況下，第一元件可稱作第二元件，且類似地，第二元件可稱作第一元件。如本文所使用的，「及/或」乙詞包括一或多個相關列出項目的任何及所有組合。

將理解到，當諸如層、區域或基板的元件稱作在另一元件「上」或「延伸到」另一元件上時，其可直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可存在中間元件。對比下，當一個元件稱作「直接在」另一個元件上或「直接延伸到」另一個元件上時，則不存在中間元件。同樣地，將理解到，當諸如層、區域或基板的元件稱作在另一元件「上方」或「延伸到」另一元件上方時，其可直接在另一元件上方或直接延伸到另一元件上方，或者也可存在中間元件。對比下，當一個元件稱作「直接在」另一個元件上方或「直接延伸到」另一個元件上方時，則不存在中間元件。也應該理解到，當一個元件稱作「連接」或「耦合」到另一個元件時，其可直接連接或耦合到另一個元件，或者可存在中間元件。對比下，當一個元件稱作「直接連接」另一個元件上方或「直接耦合」到另一個元件上方時，則不存在中間元件。

在本文中可使用諸如「在…下方」或「在…上方」或「在…之上」或「在…之下」或「水平」或「垂直」等的相對詞語來描述一個元件、層或區域與另一元件、層或區域的關係，如圖所示。將理解到，這些詞語以及以上討論的那些詞語，除了圖中描繪的方位之外，還意欲涵蓋裝置的不同方位。

本文所使用的詞語僅出於描述特定具體實例的目的，而不意欲限制本揭示。如本文所用，除非上下文另外明確指出，否則單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」也意欲包括複數形式。將進一步理解到，當在本文中使用時，「包含(comprises)」、「包含(comprising)」、「包括(includes)」及/或「包括(including)」指明存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件、及/或組件，但不排除存在或增加一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件、及/或其組。

這裡參考本揭示的具體實例的示意圖來描述具體實例。如此一來，層及元件的實際尺寸可為不同，且例如由於製造技術及/或公差而預計會導致示意圖形狀的變化。舉例來說，示出或描述為正方形或矩形的區域可具有圓形或彎曲的特徵，且示出為直線的區域可具有一些不規則地方。因此，在附圖中示出的區域是示意性的，且其形狀不意欲示出裝置的區域的精確形狀，且不意欲限制本揭示範圍。圖之間的共同元件在本文中可用共同元件編號示出，且隨後可不重新描述。

除非另有定義，否則本文中使用的所有詞語(包括技術及科學詞語)具有與本揭示所屬領域的普通技術人員通常理解的相同含義。將進一步理解到，除非在此明確地定義，否則本文中使用的詞語應被解釋為具有與其在本說明書的上下文及相關技術中的含義一致的含義，且不應當被解釋為理想化或過於正式的意義。

SiC對於生長來說可能是一種非常具有挑戰性的晶體材料，這是因為其在常壓下不具有液態，而是直接從固體轉變為氣體，接著再轉變回固體。這使其與大多數材料的不同之處在於無法進行液相生長。SiC晶體生長的另一個主要挑戰為在SiC中觀察到的非常低的疊積缺層能，這使得非常容易使原子的附加平面及其相關的缺陷結構引入晶格。這種低疊積缺層能與SiC傳統物理氣相傳輸生長中採用的非常高的溫度結合，使得在一個局部應力場可利用的能量低於產生疊積缺層所需的能量的狀態下，維持增長具有挑戰性。SiC中的晶體應力可受許多因素控制。晶體高度及晶體直徑可扮演重要角色，這是因為應力可與晶體高度及直徑的平方冪成比例地增加。傳統的SiC生長技術已經實現100及150 mm直徑的SiC晶體。可限制此類SiC晶體的尺寸，以防止誘導的晶體應力超過形成高差排密度的SiC晶體的臨界分解剪切應力。對於本文所揭示的較大直徑的SiC晶體(例如，≥150 mm)來說，直徑增加的量可不成比例地增加晶體應力，從而在生長期間產生較短的晶體高度。在這點上，傳統的晶體生長技術不一定可擴增到較大的直徑。

SiC的晶種昇華生長製程的一般態樣已廣為人知。因此，晶體生長領域的技術人員，特別是SiC生長及相關系統領域的技術人員將認識到，給定技術或製程的具體細節可根據許多相關環境、製程條件及設備配置而變化。因此，在認識到本領域技術人員將能夠基於所提供的揭示內容來實施及使用在本文中揭示的各種具體實例而無需過度實驗的情況下，以一般及示意性意義最適當地給出本文給出的描述。另外，本領域技術人員將認識到，本文所述類型的SiC昇華系統可用各種標準配置商購獲得。或者，在必要或適當的情況下，昇華系統可按訂製配置進行設計及實施。因此，本文描述的具體實例不限於昇華系統的特定子集或任何特定系統配置。更準確地說，根據本文揭示的具體實例，許多不同類型及構造的昇華系統可用於生長晶體SiC材料。

圖1A及圖1B示出根據本文揭示的具體實例的一種生長晶體的製程。在圖1A中，坩堝100含有源材料102，且坩堝100的內部用作生長區。源材料102可包括任何合適的材料，諸如矽(Si)、碳(C)、SiC、矽化合物、碳化合物、或任何或所有前述物質的任意或各種形式的組合，包括但不限於固體、粉末及氣體的一或多種組合。源材料102也可包括其他任選元素，諸如摻雜劑(例如氮(N)等)及應變補償組分(例如鍺(Ge)、錫(Sn)、砷(As)、及磷(P)等)。當存在應變補償組分時，其較佳為等電子的或具有與摻雜劑相同的多數載流子類型(例如n型或p型、施體或受體)。或者，可用不同於包括在源材料102中的方式使一種、一些或所有其他元素引入生長區。諸如晶體SiC的晶種104可放置在坩堝蓋110附近，隨後如圖1A的虛線箭頭所示使坩堝蓋放置在坩堝100上。以此方式，當坩堝100被加熱時，晶種104在坩堝100中懸浮在源材料102上方。在其他配置中，晶種104可放置在坩堝100內的任何地方，諸如沿著坩堝100的底部或側表面。

在晶體生長期間，源材料102昇華並在晶種104上形成SiC。當使源材料102加熱到包括1200ºC至3000ºC、或1800ºC至3000ºC、或1800ºC至2500ºC、或1800ºC至2000ºC、或2000ºC至2200ºC、以及其他溫度範圍的範圍內的溫度時，可能發生昇華。在源材料102的溫度升高的同時，晶種104的生長表面的溫度同樣升高到接近源材料102的溫度。通常，使晶種104的生長表面加熱至包括1200ºC至3000ºC、或1800ºC至3000ºC、或1800ºC至2500ºC、或1700ºC至2400ºC、或1800ºC至2000ºC、或2000ºC至2200ºC、以及其他溫度範圍的範圍內的溫度。在生長製程期間，緩慢抽空坩堝100以降低壓力。在某些具體實例中，可在包括0.1托至50托、或0.1托至25托、或0.1托至15托、或1托至15托、以及其他壓力範圍的範圍內的壓力下實施生長。生長溫度及生長壓力大體上可彼此不同。舉例來說，取決於生長條件，較高的生長溫度可與較高的生長壓力相關，或較低的生長溫度可與較低的生長壓力相關。藉由使源材料102及晶種104的生長表面保持在其各自的溫度下足夠的時間，可在晶種104上形成所需多型體的單晶SiC的宏觀生長。

轉到圖1B，使用物理氣相傳輸製程從坩堝100中的源材料102的昇華來生長SiC晶體112。晶體生長一直進行到SiC晶體112的生長達到一定長度為止。長度(或距晶種104的高度)部分取決於要採用的後形成製程的類型。長度也可能受到SiC晶體112的各種晶體品質特性的限制，包括結構晶體缺陷。SiC晶體112的生長停止的點將取決於諸如坩堝100的尺寸及類型以及當存在於源材料102中時摻雜劑及應變補償組分的任何濃度的參數。此生長停止的點可藉由實驗生長結合檢查所得到的SiC晶體112以測定雜質濃度而預先測定。一旦SiC晶體112達到所需尺寸，就可用惰性氣體回填系統以升高壓力，且可使溫度緩慢降低至中間溫度，接著更快地降低至室溫。在某些具體實例中，中間溫度可為生長溫度的約90%、或80%、或70%、以及其他溫度。中間溫度可包括150ºC至2000ºC、或150ºC至1200ºC、或150ºC至500ºC、或175ºC至225ºC的範圍、以及其他溫度範圍。所得的SiC晶體112可形成梨晶或晶錠。

SiC的昇華生長可用各種生長系統、不同尺寸的坩堝、各種材料的不同類型的坩堝、以及使用各種加熱方法來完成。特定的生長溫度及壓力可由本領域技術人員調整以適應這些變量。在一般情況下，諸如坩堝的類型或尺寸等變量發生變化，可能需要如上所述實施一些實驗性生長，以確定特定系統的最佳生長條件。在晶體生長之後，SiC晶體112形成塊狀晶體材料，其有時稱作梨晶或晶錠。

各種微電子、光電子及微製造應用都需要晶體材料的薄層作為製造各種有用系統的起始結構。由塊狀晶體材料形成晶體材料薄層的各種方法包括鋸切及雷射輔助分離技術。在某些具體實例中，一種用於從晶體梨晶或晶錠切割薄層(例如晶圓或基板)的方法涉及使用線鋸。線鋸技術已應用於各種晶體材料，諸如Si、藍寶石及SiC。線鋸工具可包括穿過一或多個導輥的凹槽的超細鋼絲(其通常具有0.2 mm或更小的直徑)。存在兩種切片方法，也就是鬆散的磨料切片及固定的磨料切片。鬆散的磨料切片涉及使漿液(其通常為磨料在油中的懸浮液)施加到高速運行的鋼絲上，從而使磨料在鋼絲及工件之間的滾動運動導致梨晶或晶錠的切割。對於固定的磨料切片來說，可在僅需要水溶性冷卻液(也就是非漿液)的方法中使用金剛石磨料固定的線。高效的平行切片允許在單個切片步驟中生產大量晶圓。圖2示出傳統的線鋸工具114，其包括在輥118A至118C之間延伸的平行線段116，且被佈置為同時使晶錠120鋸成多個薄段(例如晶圓122A至122G)，每個薄段具有大體上平行於晶錠120的端面120’的面。在鋸切製程期間，由輥118A至118C支撐的線段116可在向下方向124上朝著位於晶錠120下方的固持器126被擠壓。若端面120’平行於晶錠120的晶體c面，且線段116平行於端面120’穿過晶錠120，則每個所得晶圓122A至122G將具有平行於晶體c面的「同軸」端面120’’。線鋸可引入與分離製程相關的各種應力，這些應力會影響所得晶圓的形狀，特別是對於大直徑晶圓來說。

圖3為第一透視圖晶體平面圖，其示出諸如4H-SiC的六方晶體的座標系統，其中c面((0001)面)對應於磊晶晶體生長的[0001](垂直)方向，垂直於m面((

)面)及a面((

)面)兩者，且不垂直於r面((

)面)。具有小切邊(例如與晶體c面小於半度)的同軸SiC晶圓經常用作高品質磊晶生長SiC及其他材料(例如氮化鋁(AIN)及其他III族氮化物)的同質磊晶層的生長基板。

也可製造具有不平行於晶體c面的端面的鄰位(也稱作切邊或「離軸」)晶圓。具有不同角度(例如0.1、0.25、0.5、0.75、1、2、4、6、8或更高)切邊的鄰位晶圓(例如SiC)經常被用作高品質磊晶生長SiC以及其他材料(例如AlN及其他III族氮化物)的同質磊晶層的生長基板。可藉由以下來製造鄰位晶圓：在遠離c軸的方向上生長梨晶或晶錠(例如在鄰近晶種材料上方生長並垂直於晶錠側壁鋸切晶錠)，或藉由以軸上晶種材料開始生長晶錠並以偏離垂直於晶錠側壁的角度鋸切或切割晶錠。

圖4為六方晶體的第二透視圖晶面圖，其示出不平行於c面的面128，其中向量130(其垂直於平面128)以傾斜角β遠離[0001]方向傾斜，傾斜角β(輕微)朝向[

]方向傾斜。

圖5A為晶圓取向圖的透視圖，其示出鄰位晶圓132相對於c面((0001)面)的取向，其中向量130A(其垂直於晶圓面132’)以傾斜角β傾斜遠離[0001]方向傾斜。此傾斜角β等於跨越(0001)平面及晶圓面132’的投影134之間的正交傾斜(或偏差角)β。圖5B為疊加在晶錠135(例如具有平行於界定鄰位晶圓132的(0001)面的端面135’的軸上晶錠)一部分上方的鄰位晶圓132的簡化截面圖。圖5B示出鄰位晶圓132的晶圓面132’相對於(0001)面錯位傾斜角β。

圖6A及圖6B為示例性SiC晶圓136-1、136-2的俯視圖，其包括上表面136’(例如平行於(0001)面(c面)且垂直於[0001])方向)，且由大體上圓形邊緣136’’(其具有直徑為Ø)橫向界定。在圖6A中，SiC晶圓136-1的圓形邊緣136’’包括垂直於(

)面且平行於[

]方向的主平面138(其具有長度L_F )。在圖6B中，SiC晶圓136-2的圓形邊緣136’’包括代替圖6A中所示的主平面138的凹口140。取決於特定的應用，可提供凹口140以與可在其上處理SiC晶圓136-2的各種半導體製造工具兼容。如前所述，SiC晶圓136-1、136-2也可與c面錯位(例如相對於c面以斜角離軸)。

另一種從塊狀晶體材料分離晶圓或基板的方法包括雷射輔助分離技術，其包括在塊狀晶體材料中形成雷射次表面損傷，且隨後沿著雷射次表面損傷從塊狀晶體材料分離晶圓。用於在晶體材料中形成次表面損傷的工具允許雷射發射聚焦在晶體材料的內部，並使雷射能相對於晶體材料橫向移動。傳統的雷射損傷圖案可包括在晶體材料內的一定深度處形成相對於彼此橫向隔開的平行線。可調節諸如聚焦深度、雷射功率、平移速度及次表面損傷線間距的參數以施加雷射損傷，但是某些因素的調節涉及權衡。雷射功率的增加往往會造成更大的次表面損傷，這可能增加破裂的容易性(例如藉由降低完成破裂所需的應力)，但是更大的次表面損傷會增加沿著藉由破裂而暴露的表面不規則性，使得可能需要進行額外的處理來使這些表面足夠光滑以用於後續處理(例如用於結合到電子裝置中)，且額外的處理導致額外的鋸口損失。減小次表面雷射損傷線之間的橫向間隔也可以增強破裂的容易性，但是雷射損傷線之間的間隔的減小增加基板及雷射器之間的平移通過次數，從而降低工具產量。與線鋸技術相比，這種雷射輔助分離技術可提供減少的鋸口損失。鋸口損失是指與由塊狀晶體材料形成單個晶圓相關的材料損失總量。

圖7為雷射工具142的一個實施例的透視示意圖，該雷射工具配置成使雷射發射聚焦在晶體材料144(例如SiC等)的內部以形成次表面損傷146。晶體材料144包括上表面144’及相對的下表面144’’，且次表面損傷146形成在上表面144’及下表面144’’之間的晶體材料144的內部。雷射發射148以透鏡組件150聚焦來產生聚焦光束152，其焦點在晶體材料144的內部。這種雷射發射148可以任何合適的頻率(通常在奈秒、皮秒或飛秒範圍內)及光束強度脈動，波長低於晶體材料144的帶，以允許雷射發射148聚焦在其表面下方的目標深度處。在焦點處，光束尺寸及短脈衝寬度會導致能量密度足夠高，從而導致形成次表面損傷146的非常局部化的吸收。可改變透鏡組件150的一或多個特性，以使聚焦光束152的焦點調節到晶體材料144內的期望深度。可實現透鏡組件150及晶體材料144之間的相對橫向運動(例如橫向平移)，以在期望的方向154上傳播次表面損傷146，如虛線示意性所示。這種橫向移動可用包括下文所述的模式的各種模式重複。

如本文所用，「基板」或「晶圓」是指晶體材料，諸如單晶半導體材料。在某些具體實例中，基板可具有足夠的厚度(i)以進行表面處理(例如研磨及拋光)來支持一或多個半導體材料層的磊晶沉積，且任選地(ii)若與剛性載體分離且當與剛性載體分離時為獨立式的。在某些具體實例中，基板可具有大體上圓柱形或圓形的形狀，及/或可具有至少約一或多個以下厚度的厚度：200 µm、300 µm、350 µm、500 µm、750 µm、1 mm、2 mm、或更多、或更少。在某些具體實例中，基板可包括可分為兩個較薄基板的較厚基板。在某些具體實例中，基板可為具有一或多個磊晶層(其任選地與一或多個金屬接觸結合)的較厚基板或晶圓的一部分，該磊晶層作為具有多個電操作裝置的裝置晶圓的一部分配置在基板上。可根據本揭示的態樣來劃分裝置晶圓，以產生較薄的裝置晶圓及第二較薄的晶圓，在第二較薄的晶圓上可隨後形成一或多個磊晶層(任選地與一或多個金屬接觸結合)。在某些具體實例中，大直徑晶圓或基板可包含145 mm或更大、或150 mm或更大、或195 mm或更大、或200 mm或更大、或300 mm或更大、或450 mm或更大、或在145 mm至455 mm、或195 mm至455 mm、或145 mm至205 mm的範圍內的直徑。在某些具體實例中，晶圓或基板可包含直徑為145 mm或更大、或150 mm或更大、或195 mm或更大、或200 mm或更大的4H-SiC，且厚度在100 µm至1000 µm的範圍內，或在100 µm至800 µm的範圍、或在100 µm至600 µm的範圍內、或在150 µm至500 µm的範圍內、或在150 µm至400 µm的範圍內、或在200 µm至500 µm的範圍內、或在300 µm至1000 µm的範圍內、或在500 µm至2000 µm的範圍內、或在500 µm至1500 µm的範圍內、或在任何其他厚度範圍、或具有本文指定的其他厚度值。在某些具體實例中，「基板」及「晶圓」等詞可互換使用，這是因為晶圓通常用作可在其上形成的半導體裝置的基板。因此，基板或晶圓可指已從較大的塊狀晶體材料或基板分離的獨立式晶體材料。

關於相對尺寸，「大約」乙詞被定義為表示在一定公差內的標稱尺寸，諸如距離直徑尺寸正負5 mm。舉例來說，如本文所使用的，具有「150 mm」直徑的晶圓可涵蓋包括145 mm至155 mm的直徑範圍、具有「200 mm」直徑的晶圓可涵蓋包括195 mm至205 mm的直徑範圍、直徑為「300 mm」的晶圓可涵蓋包括295 mm至305 mm的直徑範圍、且直徑為「450 mm」的晶圓可涵蓋包括445 mm至455 mm的直徑範圍。在進一步的具體實例中，這樣的公差可以更小，諸如正負1 mm，或正負0.25 mm。

本文揭示的具體實例可應用於單晶及多晶種類兩者的各種晶體材料的基板或晶圓。在某些具體實例中，基板或晶圓可包含立方、六方及其他晶體結構，且可包含具有軸上及離軸晶體取向的晶體材料。示例性具體實例可包括具有六方晶體結構的單晶半導體材料，諸如4H-SiC或6H-SiC。下文中描述的各種示例性具體實例大體上提及SiC，或具體提及4H-SiC，但是應當理解到，可使用其他合適的晶體材料。在各種SiC多型體中，4H-SiC多型體因其高導熱性、寬帶隙及各等向性電子遷移率而特別適用於功率電子裝置。本文揭示的具體實例可應用於軸上SiC(也就是與其c面無有意的角偏差)或離軸SiC(也就是通常與諸如c軸的生長軸偏離非零角度，通常在0.5至10度的範圍內或其子範圍諸例如2至6度或另一個子範圍內)。本文揭示的某些具體實例可利用軸上4H-SiC，或具有包括1至10度、或2至6度、或大約2、4、6或8度的範圍內的切邊的鄰位(離軸)4H-SiC。

本文揭示的具體實例也可應用於摻雜的晶體半導體材料(例如N摻雜的導電SiC及/或P摻雜的SiC)、共摻雜的及/或未摻雜的晶體半導體材料(例如半絕緣SiC或高電阻率SiC)。在某些具體實例中，包括SiC梨晶及SiC晶圓的SiC晶體材料可包含N型摻雜(包括有意及無意的摻雜劑，諸如N)，其中濃度在1x10¹⁷ cm^-3 至1x10²¹ cm^-3 的範圍內、或在1x10¹⁷ cm^-3 至3x10¹⁸ cm^-3 的範圍內、或在1x10¹⁸ cm^-3 至1x10¹⁹ cm^-3 的範圍內、或在1x10¹⁸ cm^-3 至3x10¹⁸ cm^-3 的範圍內、或小於1x10¹⁷ cm^-3 等。在某些具體實例中，N摻雜的SiC晶體材料的電阻率可在包括0.001 ohm-cm至0.05 ohm-cm的範圍內、或在包括0.001 ohm-cm至0.03 ohm-cm的範圍內、或在包括0.005 ohm-cm至0.05 ohm-cm的範圍內、或在包括0.005 ohm-cm至0.03 ohm-cm的範圍內。在其他具體實例中，包括半絕緣SiC梨晶及半絕緣SiC晶圓的較高電阻率的SiC晶體材料可包含無意摻雜或未摻雜的SiC，其電阻率至少為1500 ohm-cm、或至少5000 ohm-cm、或至少50,000 ohm-cm、或至少1 x10⁵ ohm-cm、或至少1x10⁶ ohm-cm、或至少1x10⁹ ohm-cm、或在包括1500 ohm-cm至1 x10⁹ ohm-cm的範圍內、或在包括1x10⁵ ohm-cm至1x10⁹ ohm-cm的範圍內。半絕緣SiC晶圓可摻雜有釩(V)、鋁(Al)、或其組合。根據具體實例，共摻雜的SiC晶圓可包含兩種或更多種摻雜劑的組合，諸如N、Al及V等。

晶體SiC可包括各種結構晶體缺陷，其包括差排(微管、螺紋刃、螺紋及/或基面差排)、六方空隙及疊積缺層等。結構性晶體缺陷可在晶體生長期間及/或生長後的冷卻期間形成，其中在晶體SiC的材料晶格結構中會形成一或多個不連續。這種結構晶體缺陷可能對隨後在SiC晶圓上形成的半導體裝置的製造、正確操作、裝置產率及可靠性有害。各種結構晶體缺陷的存在可在獨立的SiC晶圓中提供應力，這可能會導致晶圓形狀的各種偏差(例如降低的平坦度特性)。在藉由如前所述線切割或雷射輔助分離技術，從梨晶或晶錠分離晶圓的期間，可能會形成對晶圓形狀的額外偏差。

在塊狀生長期間，晶體缺陷傾向於最初以較高密度形成在靠近晶種的SiC梨晶的部分中。隨著生長進一步遠離晶種，SiC梨晶的中間部分的晶體缺陷密度在增加到接近或甚至高於SiC梨晶初始部分的程度之前會降低。在這點上，SiC梨晶的中間部分通常會產生最能用的SiC晶圓，而整個梨晶長度可能會受到增加的缺陷密度增加的限制，特別是對於較大直徑的梨晶來說。根據本文揭示的具體實例，提供了用於SiC梨晶的生長條件，其顯示出降低的缺陷密度，包括生長的後期階段，從而允許生長更長的SiC梨晶，從而產生數量增加的具有較低缺陷密度的SiC晶圓。在某些具體實例中，這樣的生長條件包括提供過飽和量的源材料，其中在生長期間存在的源材料的量顯著高於生長通常所需的量。在此生長狀態下，增加的源材料部分可能不能結合到生長的SiC梨晶中，從而增加可能由於坩堝內的寄生沉積而損失的源材料浪費的量，或者藉由排氣(當存在時)而損失的源材料浪費的量，同時使坩堝保持在一定壓力下。如本文所揭示的，在這種先前被認為是浪費的過飽和源條件下生長可為晶體SiC提供降低的差排密度及更長的整體SiC梨晶。這對於直徑較大的SiC梨晶(諸如大於145 mm)可能特別有用，其中缺陷密度可能會限制可用的梨晶長度。

圖8為SiC生長系統156的截面圖，其包括如圖1B所述的用於形成SiC晶體112的坩堝100、源材料102、晶種104及坩堝蓋110。源材料102及晶種104兩者大體上包含在坩堝100中，且源材料102可位於晶種104上方、下方或附近。在某些具體實例中，坩堝100可由對含Si及C的氣體相對穩定的材料製成。在某些具體實例中，坩堝100可包括石墨、碳化鉭(TaC)及碳化鈮(NbC)塗覆的石墨、以及固體TaC及NbC等中的一或多種。在某些具體實例中，坩堝100可被密封以防止氣體逸出，或可部分打開以允許一些氣體流出坩堝100。在某些具體實例中，坩堝100可為導電的以允許感應加熱，而在其他具體實例中可使用輻射加熱，且在其他具體實例中，可使用感應加熱及輻射加熱的組合。在某些具體實例中，可控制坩堝100中的溫度分佈，使得考慮輸入到系統的熱輸入且使用隔熱擋板來控制熱流。在某些具體實例中，源材料102可保持在比晶種104更高的溫度下，使得在坩堝100內產生溫度梯度。此溫度梯度有助於提供包含含Si及C的氣體種類的蒸氣通量158從源材料102到晶種104的傳輸。當源材料102昇華並凝結在晶種104上以形成SiC晶體112時，也可由從源材料102到晶種104的氣流來驅動蒸氣通量158。在某些具體實例中，氣體源可被驅動通過高溫區域以使氣體能夠裂解為與晶種104相互作用的組成部分，或各種氣體種類可直接與晶種104相互作用。在某些具體實例中，使用一或多個高頻電場來輔助氣體裂化製程。

SiC晶體112的生長條件通常可藉由向晶種104提供蒸氣通量158來進行，以使Si及C成分沉積到晶種104上。實現此的方法很多，且提供本文所述的具體實例用於改變SiC晶體生長的某些態樣，以減少SiC梨晶及所得SiC晶圓中的晶體缺陷。可藉由加熱包括以下一或多種的源材料102產生SiC、SiC₂ 、Si₂ C及Si氣體中的一或多種來提供蒸氣通量158：多晶SiC中；單晶SiC；Si及C的聚合物； Si與C的比例為1:1或在1:1比例的20%公差內的Si及C粉末的混合物；SiC、Si及C粉末的混合物，其中Si與C的比率為1:1或在1:1比例的20%公差內；非晶或晶體SiC(例如多晶或單晶)的圓盤或塊；以及SiC的多孔網狀物。在某些具體實例中，也可使用氣態源以單獨或除了上述源材料102之外來供應蒸氣通量158。這樣的氣體源可包括一或多種物質，諸如SiH₄ 、Si₂ H₆ ,、SiCl₂ H₂ 、SiCl₃ H、SiCl₄ 、CH₄ 、C₂ H₆ 、及Si(CH₃ )₄ 。在包括氣態源及固態源的組合的具體實例中，由於一些Si或C供應由氣體提供，因此固態源中的Si與C的比率可從1:1改變。

在某些具體實例中，這些源可主要包括純SiC，但是通常可添加雜質以實現晶體的有意摻雜、表面能的改變，點缺陷的有意產生以及晶格尺寸的改變。這些雜質可包括元素週期表中的幾乎任何元素，通常為III族元素，諸如能引起p型摻雜的硼(B)、或能引起n型摻雜的N；可包括更大的原子半徑原子，包括Ge及Sn、V及一些鑭系元素，以改變表面能、並改變所得晶格參數的尺寸、或引入深能階電缺陷。

圖9為包括源材料162的SiC生長系統160的截面圖，該源材料被配置為向晶種104提供超出晶體生長所需的過飽和量的蒸氣通量164。在某些具體實例中，源材料162可包含比圖8的源材料102更高的密度。在這點上，對於其他方面類似的生長條件來說，可向晶種104提供增加量的蒸氣通量164。在其他具體實例中，源材料162可包含與圖8的源材料102類似的密度，且可藉由改變一或多個生長條件(諸如溫度及壓力)來提供增加的蒸氣通量164的量。舉例來說，坩堝100內的總體溫度可增加，或源材料162的溫度可相對於晶種104增加。在某些具體實例中，可降低坩堝100內的生長壓力以提供增加的蒸氣通量164。另外，可藉由如上所述的增加源材料162的密度、增加生長溫度、及降低生長壓力的一或多種組合來提供增加的蒸氣通量164。由於蒸氣通量164以過飽和的方式提供，因此在坩堝100內可能發生遠離晶種104寄生沉積，或一些蒸氣通量164可藉由SiC生長系統160的排氣離開而沒有沉積或昇華。藉由提供蒸氣通量164的過飽和，可形成具有比圖8的SiC晶體112降低的缺陷密度的SiC晶體166，特別是當SiC晶體166繼續遠離晶種104生長時。

圖10為SiC生長系統168的截面圖，其被配置為利用比圖8的SiC生長系統156的坩堝100更高的坩堝172向晶種104提供過飽和量的蒸氣通量170。如圖所示，藉由提供具有較高尺寸的坩堝172，可相對於晶種104增加源材料162的量。在這點上，源材料162的總體積可相對於晶種104增加，以提供增加量的蒸氣通量170。在某些具體實例中，源材料162可包含與圖8的源材料102相同的密度。在某些具體實例中，可藉由提供如圖9所示的增加源材料162的密度、增加生長溫度、及降低生長壓力的一或多種組合來進一步增加蒸氣通量170的量。

圖11為SiC生長系統174的截面圖，其被配置為利用比圖8的SiC生長系統156的坩堝100更寬的坩堝178向晶種104提供過飽和量的蒸氣通量176。如圖所示，藉由提供具有較寬尺寸的坩堝178，源材料162的量可相對於晶種104增加。以與圖10的較高坩堝172類似的方式，源材料162的總體積可相對於晶種104增加，以提供增加量的蒸氣通量176。在某些具體實例中，源材料162可包含與圖8的源材料102相同的密度。在某些具體實例中，可藉由提供如圖9所示的增加源材料162的密度、增加生長溫度、及降低生長壓力的一或多種組合來進一步增加蒸氣通量176的量。

圖12A為根據本文揭示的具體實例的示例性SiC晶體梨晶的透視圖。如圖所示，SiC晶體梨晶180包括第一端面182、與第一端面182相對的第二端面184、在其之間並沿著SiC晶體梨晶180的周邊的可形成大體上圓柱形形狀的側面186、及中心軸188。根據應用，第一端面182可對應於晶體c面，且中心軸188可對應於[0001]方向。在其他具體實例中，第一端面182可對應於相對於晶體c面的離軸平面，或第一端面182可對應於SiC的其他晶體平面。在生長期間，第二端面184最初最靠近晶種(例如圖9的104)生長，且SiC晶體梨晶180的剩餘部分在遠離晶種的方向(例如圖9的104)上生長。梨晶的長度或高度190可從第二端面184到第一端面182測量，且梨晶直徑192可跨第一端面182測量。在圖12A中，彎曲的虛線疊加在SiC晶體梨晶180上，以表示可與SiC晶體梨晶180分離的示例性SiC晶圓194的位置。

在晶體生長期間，在SiC晶體梨晶180的材料組成中可能形成各種結構缺陷，其包括差排(例如微管、螺紋刃、螺紋及/或基面差排)、六方空隙及疊積缺層等。如本文所述，TDD或總差排密度可定義為對於SiC材料的給定面積的所有微管及其他差排(例如，螺紋刃、螺紋及/或基面差排)的總數。為了量化SiC梨晶180的給定面積或區域的TDD計數，在與SiC梨晶180分離的一或多個SiC晶圓上實施缺陷特性化。在進一步的具體實例中，可對來自SiC梨晶180的不同垂直部分的多個SiC晶圓量化，以提供SiC梨晶180整體的TDD分布。在某些具體實例中，同步加速器X射線形貌(SXRT)可用於特性化TDD值；然而，SXRT在通常需要更快結果的製造環境中並不總是實用的。基於蝕刻的差排特性化更常用於提供較大的晶圓區域上的更快的結果，但基於蝕刻的結果的解釋可能不如SXRT精確。舉例來說，在一些基於蝕刻的差排特性化技術中，蝕刻可合併緊密間隔的微管，使得兩個或多個實際微管得經計數並報導為單個微管。在這點上，許多現有文獻報導可能低估SiC材料的實際TDD值。為了確保準確的基於蝕刻的差排特性化結果，已開發產生與每種差排類型相關的可識別且獨特特徵的蝕刻協定。

蝕刻SiC揭示諸如蝕坑的特徵，其可經識別並與其他特性化方法(諸如SXRT)相關聯。基於蝕刻的特性化可藉由描繪蝕坑、識別相應的缺陷類型、並手動或使用自動顯微鏡工具對其進行計數來實現。晶圓蝕刻有效地破壞可用的晶圓面積，其價格昂貴、需要腐蝕性化學物質，且需要持續注意以維持可行的製程。在這點上，實際上通常每個梨晶僅採樣若干個犧牲晶圓。舉例來說，為了在SiC晶圓上實施缺陷特性化，可蝕刻SiC晶圓的碳面(C面)以突出擴展的缺陷，且隨後對SiC晶圓進行成像。舉例來說，在掃描及成像SiC晶圓以進行缺陷檢測之前，可在熔融鹽(KOH/EOH)中蝕刻n型摻雜的SiC晶圓(~＞10¹⁷ cm² )。接著，手動或藉由自動缺陷識別來識別觀察到的蝕坑及缺陷的差排類型，並計數以便報導。光學掃描儀、或手動或自動光學顯微鏡可用於從圖像進行缺陷計數。對於未適當摻雜的材料(低摻雜n型、或絕緣及p型)來說，由於藉由蝕刻方法對缺陷的不充分描繪，因此此方法可能無法發揮作用。另外，SiC晶圓的矽面(Si面)也可被蝕刻以從Si面描繪出蝕刻特徵。Si面蝕刻可提供微管及基面差排的更準確計數，而C面蝕刻可提供螺紋差排的更準確計數。以此方式，TDD的基於蝕刻的差排特性化的改進的準確度應包括從代表性SiC晶圓的C面及Si面兩者識別的缺陷計數的組合。準確TDD計數的基於蝕刻的特性化協定的進一步討論可參見Sumakeris等人在Materials Science Forum 858 (2016) 393出版的「Dislocation Characterization in 4H-SiC Crystals」。可用於特性化SiC晶圓中的TDD值的另一種特性化技術可包括利用深度卷積神經網路(DCNN)分析SiC晶圓的非破壞性圖像，該深度卷積神經網路已被訓練用於利用破壞性蝕刻的晶圓圖像進行缺陷識別，如在2020年1月23日提交的標題為「Nondestructive Characterization for Crystalline Wafers」的美國專利申請序列號16/750,358中所述，其全部內容藉由引用併入本文。

圖12B為比較圖，其示出如圖8中的SiC晶體112所描述的生長的晶體SiC的平均TDD與梨晶位置之間的差異，以及圖9中的SiC晶體166的過飽和生長條件。在兩個數據組中，SiC晶體112、166包含4H-SiC材料。x軸表示從中取出SiC晶圓的相應的以mm為單位的梨晶位置，且該梨晶位置被測量為距梨晶生長的晶種的距離。為SiC晶體112提供的數據組包括來自以約150 mm的梨晶直徑生長的SiC梨晶的代表性數量的數據。出於比較目的，根據SiC梨晶166的生長條件，生長代表性數量的具有約150 mm的梨晶直徑的SiC梨晶。y軸表示在每個相應梨晶位置處提供的SiC晶圓的以平方厘米(cm² )為單位的平均TDD值。對於每個單獨的SiC晶圓來說，測定晶圓區域的TDD，該晶圓區域包括SiC晶圓的中心且由距SiC晶圓的周邊2 mm的徑向晶圓位置徑向界定。如圖所示，SiC晶體112、166兩者的數據組表明，對於生長得更靠近晶種的較低梨晶位置(例如10 mm)來說，平均TDD值增加。隨著梨晶開始遠離晶種生長(例如10 mm至約20 mm)，兩個數據組均顯示大體上減少的平均TDD值。在大約40 mm的梨晶位置，SiC晶體112的數據組顯示平均TDD值急劇增加，從而提供有限的梨晶高度，而SiC晶體166的數據組顯示隨著梨晶位置接近70 mm，平均TDD值持續下降。另外，除了較高梨晶位置(例如50 mm以上至65 mm)的平均TDD值的持續下降之外，SiC晶體166的數據組與SiC晶體112的數據組相比，對於所有共同梨晶位置(例如10至50 mm)提供顯著較低的平均TDD值。舉例來說，包含在SiC晶體166數據組中的單個SiC梨晶在8.3 mm梨晶位置處的TDD值為4572/cm² ，在24.3 mm處的TDD值為2529/cm² ，且在41.5 mm處的TDD值為1611/cm² 。在這點上，對於大於或等於40 mm的梨晶高度，單個SiC梨晶的高度的至少40%、或至少50%、或至少75%、或至少80%被配置為提供多個SiC晶圓，且該多個SiC晶圓中的每個SiC晶圓包含小於或等於4600/cm² 的TDD，或在包括1000/cm² 及4600/cm² 的範圍内的TDD。另外，單個SiC梨晶的高度的至少40%被配置為提供多個SiC晶圓，且該多個SiC晶圓中的每個SiC晶圓包含小於或等於3000/cm² 的TDD，或在包括1000/cm² 及3000/cm² 的範圍内的TDD。在某些具體實例中，SiC晶體166的過飽和生長條件可用於產生高達300 mm的梨晶高度，且具有明顯較低的平均TDD值。在某些具體實例中，梨晶高度在包括60 mm至300 mm的範圍內、或在包括55 mm至80 mm的範圍內、或在包括60 mm至80 mm的範圍內、或在包括60 mm至70 mm的範圍內、或在大於50 mm且小於或等於65 mm的範圍內、或在大於或等於55 mm且小於或等於65 mm的範圍內。在某些具體實例中，上述梨晶直徑在包括145 mm至180 mm的範圍內。如圖12B中進一步所示，從大於或等於40 mm的梨晶位置處取出的SiC晶圓可包含小於或等於3500/cm² 的TDD。對於這樣的TDD值來說，梨晶位置可在包含40 mm及300 mm、或40 mm及80 mm、或50 mm及65 mm、或60 mm及300 mm、或60 mm及80 mm的範圍內。根據具體實例，TDD值可低至500/cm² 或更低。SiC晶圓可進一步包含小於或等於2500/cm² 或小於或等於1500/cm² 的TDD。

圖13A為等值線圖，其示出如針對圖8的SiC晶體112所描述的生長的SiC晶圓196的TDD值。出於比較，圖13B為等值線圖，其示出如針對圖9的SiC晶體166的過飽和生長條件所描述的生長的SiC晶圓198的TDD值。出於比較目的，選擇直徑大約150 mm的SiC晶圓196、198。以此方式，圖13A及圖13B中的兩個輪廓圖的x軸及y軸以+及- mm值示出，其中0 mm代表SiC晶圓196、198的中心點。SiC晶圓196、198是在靠近梨晶末端的位置處從其各自的梨晶中取出，該梨晶的端部是在生長期間離晶種最遠形成。在圖13A及13B中，出於比較目的，TDD值的等值線標度有意保持相同。圖13A及13B中提供的結果是藉由x-y映射方法測定，該方法界定晶圓上的5 mm x 5 mm正方形區域的網格。四個這樣的正方形區域被配置為與晶圓的徑向中心對準。排除區域，包括距晶圓邊緣2 mm的周邊區域及對應於主要及/或次要晶圓平面的額外區域，不被算入。如圖所示，SiC晶圓196在晶圓中心附近及沿著晶圓周邊的部分顯示出明顯增加的TDD區域。在相同標度下，SiC晶圓198的TDD在圖13B中幾乎不可檢測。在這點上，與圖13A的SiC晶圓196相比，圖13B的SiC晶圓198在晶圓區域上表現出明顯更低及更均勻的TDD值。

圖13C及13D分別示出圖13A及13B的等值線圖，其中TDD值以log10標度重繪。如圖所示，圖13C的等值線圖示出在晶圓中心附近及沿著晶圓周邊多個部分的相同的明顯較高的TDD區域。在圖13D中，log10標度提供SiC晶圓198的TDD變化的改進的可見性。值得注意的是，由於SiC晶圓198並無任何明顯較高的TDD區域，因此均勻性顯著改善。

圖14A為示出圖13A的SiC晶圓196上的徑向位置的TDD值的圖。出於比較，圖14B為示出圖13B的SiC晶圓198上的徑向位置的TDD值的圖。在圖14A及圖14B的每一個中，y軸表示以cm² 為單位的TDD，而x軸表示以mm為單位的徑向晶圓位置，其中值0對應於晶圓中心，而值75對應於晶圓邊緣。圖14A中提供的結果是藉由徑向映射方法測定，其中徑向晶圓位置指示環形環的外徑(以mm為單位)，且設定環形環距離外徑的寬度為1 mm。一個例外為3 mm的徑向晶圓位置對應於包括晶圓中心(0 mm)的圓，這是因為在這種位置的環形環可能具有太小面積以至於無法獲得準確的結果。另一個例外是，外部徑向晶圓位置的被對應於主要及/或次要晶圓平面的排除區域所侵占的部分不被算入。

在圖14A中，TDD值顯示對於0 mm(晶圓中心)及10 mm之間的徑向位置的峰值高於4500/cm² 的峰、對於10 mm及25 mm之間的徑向位置的峰值高於6000/cm² 的峰、以及對於60 mm(晶圓邊緣)及75 mm之間的徑向位置的峰值高於6000/cm² 的峰。在圖14B中，對於在距離晶圓中心3 mm和50 mm的範圍內的任何徑向位置、或者在距離晶圓中心3 mm和70 mm的範圍內的任何徑向位置、或者對於在距離晶圓中心3 mm和距離晶圓周邊2 mm的範圍內的SiC晶圓198的任何徑向位置來說，SiC晶圓198表現出的TDD值不高於5000/cm² 、或者不高於4000cm² 、或者不高於3000/cm² 、或者不高於2500/cm² 、或者在包括1000/cm² 及每4000/cm² 的範圍內。在圖14B中，TDD數據被提供到73 mm的徑向位置，以說明在周邊處的2 mm的排他環。在某些具體實例中，對於SiC晶圓中心的50 mm內或70 mm內的任何徑向位置來說，TDD值不高於3000/cm² 或2500/cm² ，或在包括1000/cm² 及3000/cm² 的範圍內。值得注意的是，對於在10 mm及57 mm之間並包括10 mm及57 mm的任何徑向位置來說，SiC晶圓198表現出小於或等於2000/cm² 的TDD。換句話說，對於任何具有1 mm寬度且外徑對應於SiC晶圓198的所有徑向位置的至少50％或至少60％的徑向晶圓位置的環形環來說，TDD小於或等於2000/cm² 。另外，對於在13 mm及50 mm之間且包括13 mm及50 mm的任何徑向位置來說，SiC晶圓198表現出小於或等於1500/cm² 的TDD。換句話說，對於任何具有1 mm寬度且外徑對應於SiC晶圓198的所有徑向位置的至少40%或至少50%的徑向晶圓位置的環形環來說，TDD小於或等於1500/cm² 。

如本文所揭示的，SiC晶體的過飽和生長條件可提供具有明顯改善的均勻性的具有TDD分佈的SiC梨晶及所得的SiC晶圓。特性化TDD均勻性的一種方法包括量化TDD的變異係數，該係數被界定為特定SiC晶圓的標準偏差與平均TDD值的比率。在這點上，TDD的變異係數可指示與平均TDD有關的TDD變異程度。舉例來說，如圖13A、13C及14A的曲線圖所示，對於被分成具有1 mm寬度的環形環的晶圓區域來說，SiC晶圓196具有1576/cm² 的計算出的TDD標準偏差及3338/cm² 的平均TDD值，且晶圓面積由距SiC晶圓196的中心3 mm及距SiC晶圓196的周邊2 mm的徑向晶圓位置界定。在這點上，SiC晶圓196的TDD的變異係數為0.472。出於比較，如圖13B、13D及14B的曲線圖所示，對於被分成具有1 mm寬度的環形環的晶圓區域來說，SiC晶圓198具有449/cm² 的計算出的TDD標準偏差及1612/cm² 的平均TDD值，且晶圓面積由距SiC晶圓198的中心3 mm及距SiC晶圓198的周邊2 mm的徑向晶圓位置界定。如此一來，SiC晶圓198的TDD的變異係數為0.28，這表明當根據上述過飽和的生長條件生長SiC梨晶時，TDD的分佈明顯更加均勻。在某些具體實例中，變異係數小於或等於0.2，或在大於或等於0.1且小於或等於0.3的範圍內。特性化TDD均勻性的另一種方法可包括簡單地特性化每個SiC晶圓的標準偏差值。

儘管提供上述具有大約150 mm直徑的SiC晶圓的實施例，但是示例性具體實例也適用於具有包括小於或大於約150 mm的其他直徑的SiC晶圓。在某些具體實例中，SiC晶圓可包括大約200 mm、或大約300 mm、或大約450 mm的直徑。除了所提供的4H-SiC實施例之外，示例性具體實例也適用於其他SiC的多型體，包括但不限於6H-SiC。如前所述，本文揭示的具體實例可應用於摻雜的晶體半導體材料(例如N摻雜的導電SiC及/或P摻雜的SiC)、共摻雜的及/或未摻雜的晶體半導體材料(例如半絕緣SiC或高電阻率SiC)。

可預期到，本文所述的任何前述態樣及/或各種單獨的態樣及特徵可被組合以獲得額外優點。除非本文有相反指示，否則本文所揭示的各種具體實例中的任何一個可與一或多個其他所揭示的具體實例組合。

本領域技術人員將認識到對本揭示的較佳具體實例的改進及修飾。所有這些改進及修飾都被認為在本文所揭示的概念及所附申請專利範圍的範圍內。

100:坩堝 102:源材料 104:晶種 110:坩堝蓋 112:SiC晶體 114:線鋸工具 116:線段 118A:輥 118B:輥 118C:輥 120:晶錠 120’:端面 120:同軸端面 122A:晶圓 122G:晶圓 124:向下方向 126:固持器 128:面 130:向量 130A:向量 132:鄰位晶圓 132’:晶圓面 134:投影 135:晶錠 135’:端面 136-1:SiC晶圓 136-2:SiC晶圓 136’:上表面 136’:圓形邊緣 138:主平面 140:凹口 142:雷射工具 144:晶體材料 144’:上表面 144’’:相對的下表面 146:次表面損傷 148:雷射發射 150:透鏡組件 152:聚焦光束 154:期望的方向 156:SiC生長系統 158:蒸氣通量 160:SiC生長系統 162:源材料 164:蒸氣通量 166:SiC晶體 168:SiC生長系統 170:蒸氣通量 172:較高坩堝 174:SiC生長系統 176:蒸氣通量 178:坩堝 180:SiC晶體梨晶 182:第一端面 184:第二端面 186:側面 188:中心軸 190:梨晶的長度或高度 192:梨晶直徑 194:SiC晶圓 196:SiC晶圓 198:SiC晶圓L_F :長度 β:傾斜角 ø:直徑

結合在本說明書中並形成本說明書的一部分的附圖示出本揭示的若干態樣，且與說明書一起用於解釋本揭示的原理。

[圖1A及圖1B]示出根據本文揭示的具體實例的生長晶體碳化矽(SiC)的製程。

[圖2]包括第一架構及第二架構，第一架構提供由傳統線鋸工具接收的並受線切割製程的晶錠的透視圖，而第二架構提供藉由線切割製程獲得的多個晶圓的透視圖。

[圖3]為第一透視圖晶體平面圖，其示出諸如4H-SiC的六方晶體的座標系統。

[圖4]為六方晶體的第二透視晶體平面圖，其示出不平行於c面的面。

[圖5A]為晶圓取向圖的透視圖，其示出鄰位晶圓相對於c面的取向。

[圖5B]為疊加在晶錠一部分上方的圖5A的鄰位晶圓的簡化截面圖。

[圖6A及圖6B]為示例性SiC晶圓的俯視圖，其中疊加箭頭示出晶體面。

[圖7]為示例性雷射工具的示意性透視圖，該雷射工具被配置為使雷射發射聚焦在晶體材料的內部以用於雷射輔助分離。

[圖8]為類似於圖1B的SiC生長系統的截面圖，其中增加的箭頭表示源材料及晶種之間的蒸氣通量。

[圖9]為包括源材料的SiC生長系統的截面圖，該源材料被配置為向晶種提供過飽和量的蒸氣通量。

[圖10]為SiC生長系統的截面圖，該SiC生長系統被配置為利用比圖8的SiC生長系統更高的坩堝向晶種提供過飽和量的蒸氣通量。

[圖11]為SiC生長系統的截面圖，該SiC生長系統被配置為利用比圖8的SiC生長系統更寬的坩堝向晶種提供過飽和量的蒸氣通量。

[圖12A]為根據本文揭示的具體實例的示例性SiC晶體梨晶的透視圖。

[圖12B]為比較圖，其示出如圖8中的SiC晶體所描述的生長的晶體SiC的平均總差排密度(TDD)與梨晶位置之間的差異，以及圖9中的SiC晶體的過飽和生長條件。

[圖13A]為等值線圖，其示出如針對圖8的SiC晶體所描述的生長的SiC晶圓的TDD值。

[圖13B]為等值線圖，其示出如針對圖9的SiC晶體的過飽和生長條件所描述的生長的SiC晶圓的TDD值。

[圖13C]為圖13A的等值線圖，其中TDD值以log10標度重繪。

[圖13D]為圖13B的等值線圖，其中TDD值以與圖13C相同的log10標度重繪。

[圖14A]為示出圖13A的SiC晶圓上的徑向位置的總TDD值的圖。

[圖14B]為示出圖13B的SiC晶圓上的徑向位置的總TDD值的圖。

180:SiC晶體梨晶

182:第一端面

184:第二端面

186:側面

188:中心軸

190:梨晶的長度或高度

192:梨晶直徑

194:SiC晶圓

Claims

一種碳化矽(SiC)晶圓，對於任何包含1mm的寬度及對應於在包括該SiC晶圓中心的3mm及50mm的範圍內的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，該SiC晶圓包含至少145mm的直徑及小於或等於3000/cm²的總差排密度(TDD)，其中該TDD定義為對於該SiC晶圓的給定面積的微管、螺紋刃差排、螺紋差排及基面差排的總數。
如請求項1之SiC晶圓，其中對於任何包含1mm的寬度及對應於在包括距該SiC晶圓中心3mm且距該SiC晶圓周邊2mm範圍內的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，該TDD小於或等於3000/cm²。
如請求項1之SiC晶圓，其中對於任何包含1mm的寬度及對應於在包括該SiC晶圓中心的3mm及50mm的範圍內的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，該TDD小於或等於2500/cm²。
如請求項1之SiC晶圓，其中對於任何包含1mm的寬度及對應於該SiC晶圓所有徑向晶圓位置的至少50%的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，該TDD小於或等於2000/cm²。
如請求項1之SiC晶圓，其中對於任何包含1mm的寬度及對應於該SiC晶圓所有徑向晶圓位置的至少50%的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，該TDD小於或等於1500/cm²。
如請求項1之SiC晶圓，其中該直徑在包括145mm至205mm的範圍內。
如請求項1之SiC晶圓，其中該直徑在包括145mm至155mm的範圍內。
如請求項1之SiC晶圓，其中該SiC晶圓包含4H-SiC晶圓。
如請求項1之SiC晶圓，其中該SiC晶圓包含半絕緣SiC。
如請求項1之SiC晶圓，其中該SiC晶圓包含n型SiC。
如請求項1之SiC晶圓，其中該TDD大於或等於1000/cm²。
一種碳化矽(SiC)晶圓，其包含145mm的直徑及對於被分成具有1mm的寬度的環形環的晶圓區域來說小於或等於0.3的總差排密度(TDD)的變異係數，其中該晶圓面積由距該SiC晶圓中心3mm及距該SiC晶圓周邊2mm的徑向晶圓位置界定。
如請求項12之SiC晶圓，其中該變異係數小於或等於0.2。
如請求項12之SiC晶圓，其中該變異係數大於或等於0.1。
如請求項12之SiC晶圓，其中對於任何包含1mm的寬度及對應於在包括該SiC晶圓中心的3mm及50mm的範圍內的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，該TDD小於或等於3000/cm²。
如請求項12之SiC晶圓，其中對於任何包含1mm的寬度及對應於該SiC晶圓所有徑向晶圓位置的至少50%的徑向晶圓位置的外徑的環形環來說，該TDD小於或等於2000/cm²。
如請求項12之SiC晶圓，其中該SiC晶圓包含4H-SiC晶圓。
如請求項12之SiC晶圓，其中該SiC晶圓包含半絕緣SiC。
如請求項12之SiC晶圓，其中該SiC晶圓包含n型SiC。
如請求項12之SiC晶圓，其中該直徑在包括145mm至155mm的範圍內。
如請求項12之SiC晶圓，其中該直徑在包括145mm至205mm的範圍內。
一種碳化矽(SiC)梨晶，其包含在145mm至180mm範圍內的直徑及大於或等於40mm的梨晶高度，其中該SiC梨晶的高度的至少50%被配置為製造複數個SiC晶圓，且對於包括該SiC晶圓中心及由距該SiC晶圓周邊2mm的徑向晶圓位置徑向界定的晶圓區域來說，該複數個SiC晶圓中的每個SiC晶圓包含小於或等於4600/cm²的總差排密度(TDD)，其中該TDD定義為對於該SiC晶圓的給定面積的微管、螺紋刃差排、螺紋差排及基面差排的總數。
如請求項22之SiC梨晶，其中該梨晶高度在包括40mm至300mm的範圍內。
如請求項22之SiC梨晶，其中該梨晶高度在包括40mm至80mm的範圍內。
如請求項22之SiC梨晶，其中該TDD大於或等於1000/cm²。
如請求項22之SiC梨晶，其中該SiC梨晶的高度的至少80%被配置為製造複數個包含小於或等於4600/cm²的平均TDD的SiC晶圓。
如請求項22之SiC梨晶，其中該SiC梨晶的高度的至少40%被配置為製造複數個SiC晶圓，且對於包括該SiC晶圓中心及由距該SiC晶圓周邊2mm的徑向晶圓位置徑向界定的晶圓區域來說，該複數個SiC晶圓中的每個SiC晶圓包含小於或等於3000/cm²的平均TDD。
如請求項27之SiC梨晶，其中該TDD大於或等於1000/cm²。
一種碳化矽(SiC)晶圓，對於包括該SiC晶圓中心及由距該SiC晶圓周邊2mm的徑向晶圓位置徑向界定的晶圓區域來說，該SiC晶圓包含小於或等於3500/cm²的總差排密度(TDD)，其中該SiC晶圓取自從晶種測量的大於或等於40mm的梨晶位置，且其中該TDD定義為對於該SiC晶圓的給定面積的微管、螺紋刃差排、螺紋差排及基面差排的總數。
如請求項29之SiC晶圓，其中該梨晶位置在包含40mm至300mm的範圍內。
如請求項29之SiC晶圓，其中該梨晶位置在包含40mm至80mm的範圍內。
如請求項29之SiC晶圓，其中該梨晶位置在包含40mm至65mm的範圍內。
如請求項32之SiC晶圓，其中該TDD大於或等於500/cm²。
如請求項29之SiC晶圓，其中該TDD大於或等於500/cm²。
如請求項29之SiC晶圓，其中該TDD小於或等於2500/cm²。
如請求項29之SiC晶圓，其中該TDD小於或等於1500/cm²。
如請求項29之SiC晶圓，其中該TDD小於或等於1500/cm²。
如請求項29之SiC晶圓，其進一步包含大於或等於145mm且小於或等於180mm的直徑。