JP7587591B2 - 炭化ケイ素結晶材料の転位分布 - Google Patents

Description

本開示は、結晶材料に関し、より詳細には、炭化ケイ素結晶材料における転位分布に関する。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、多くの魅力的な電気的及び熱物理学的特性を呈する。ＳｉＣは、その物理的強度及び化学的浸食に対する高い耐性、さらには耐放射性、高絶縁破壊電界、比較的広いバンドギャップ、高飽和電子ドリフト速度、高動作温度、並びにスペクトルの青色、紫色、及び紫外領域における高エネルギー光子の吸収と放出を含む様々な電気的特性のために特に有用である。シリコン及びサファイアを含む従来のウェハ又は基板材料と比較すると、ＳｉＣは、そのような特性のために、パワーエレクトロニクスデバイス、高周波デバイス、及びオプトエレクトロニクスデバイスなどの高出力密度半導体デバイスのためのウェハ又は基板の製造に対してより適するものとなっている。ＳｉＣは、ポリタイプと称される多くの異なる結晶構造で存在し、ある特定のポリタイプ（例：４Ｈ－ＳｉＣ及び６Ｈ－ＳｉＣ）は、六方晶構造を有している。

ＳｉＣが優れた材料特性を呈する一方で、ＳｉＣを成長させるために必要とされる結晶成長技術は、他の結晶材料のための従来の成長プロセスと比べて非常に異なっており、著しくより困難なものである。シリコン及びサファイアなどの半導体製造に用いられる従来の結晶材料は、非常により低い融点を有しているため、大口径の結晶材料を製造することができる溶融原料物質からの直接結晶成長技術を行うことが可能である。対照的に、バルク結晶ＳｉＣは、種結晶を用いた高温での昇華成長プロセスによって製造されることが多いが、この場合の様々な課題として、中でも、不純物の取り込み、熱及び結晶応力に伴う構造的欠陥、並びに異なるポリタイプの形成が挙げられる。典型的なＳｉＣ成長技術では、基材及び原料物質の両方が、反応坩堝の内部に配置される。坩堝が加熱されると発生する熱勾配によって、原料物質から基材に向かう物質の気相の動きが促進され、続いて基材上で凝縮して、バルク結晶成長が得られる結果となる。ＳｉＣにドーパントとして不純物を導入可能であること、及びこれらのドーパントによってある特定の特性を制御可能であることは公知である。ＳｉＣの昇華成長の場合、ドーパントは、このプロセスから製造されるＳｉＣ結晶中にドーパントが存在するような様々な方法で、チャンバー中に導入され得る。プロセスは、特定の用途に対して適切な濃度のドーパントが得られるように制御される。バルク結晶成長の後、ＳｉＣの個々のウェハは、ＳｉＣのバルク結晶インゴット又はブールをスライスすることによって得ることができ、個々のウェハは、続いて、ラッピング又は研磨などのさらなるプロセスに供され得る。

ＳｉＣウェハの独特の特性によって、高出力及び／又は高周波半導体デバイスのアレイの設計及び製造が可能となる。継続する開発によって、ＳｉＣウェハの製造は、ますます広がりつつある商業的用途のためのそのような半導体デバイスの製造を可能とするレベルの成熟度にまで到達した。半導体デバイス産業が成長を続けていることから、有効径がより大きいＳｉＣウェハが望まれている。ＳｉＣウェハの有効径は、ＳｉＣの材料組成物中のある特定の構造的欠陥、さらにはある特定のウェハ形状特性によって制限され得る。材料組成物中の構造的欠陥としては、中でも、転位（例：マイクロパイプ、貫通刃状、貫通らせん、及び／又は基底面転位）、六角形ボイド（hexagonal voids）、及び積層欠陥が挙げられ得る。ＳｉＣに付随するウェハ形状特性としては、ウェハの平坦度と関連し得るワープ、ボウ、及び厚さ変動が挙げられ得る。これらの様々な構造的欠陥及びウェハ形状特性は、続いて従来のＳｉＣウェハ上に形成される半導体デバイスの製造及び適切な動作にとって有害であり得る結晶応力に寄与し得る。そのような結晶応力は、一般に、ウェハ半径の二乗に比例し、その結果、高品質の大口径ＳｉＣ半導体ウェハを経済的に製造することは困難である。

本技術分野では、従来のＳｉＣウェハに伴う課題を克服しながら、より大口径の改善されたＳｉＣウェハ、及び関連する半導体デバイスが求められ続けている。

改善された転位分布をもたらす炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウェハ、ＳｉＣブール、及び関連する方法が開示される。転位密度の低下及びブールの長さ方向にわたる転位均一性の改善を示すＳｉＣブールが提供される。対応するＳｉＣウェハは、低下された全転位密度（ＴＤＤ）値を、改善されたＴＤＤ半径方向均一性と共に有する。ＳｉＣ結晶材料の成長条件は、原料物質を、成長の過程で存在する原料物質の量が典型的に必要とされることになる量よりも著しく高い過飽和量で提供することを含む。そのようなＳｉＣ結晶材料及び関連する方法は、大口径ＳｉＣブール及び結晶品質が改善された対応するＳｉＣウェハを提供するのに適している。

１つの態様では、ＳｉＣウェハは、少なくとも１４５ミリメートル（ｍｍ）である直径と、幅が１ｍｍであり、外径がＳｉＣウェハの中心から３ｍｍ～５０ｍｍを含む範囲内のウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても１平方センチメートル（ｃｍ^２）あたり３０００以下である全転位密度（ＴＤＤ）と、を有する。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、幅が１ｍｍであり、外径がＳｉＣウェハの中心から３ｍｍの位置～ＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍの位置を含む範囲内のウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり３０００以下である。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、幅が１ｍｍであり、外径がＳｉＣウェハの中心から３ｍｍ～５０ｍｍを含む範囲内のウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり２５００以下である。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、幅が１ｍｍであり、外径がＳｉＣウェハのすべてのウェハ半径方向位置の少なくとも５０％に対するウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり２０００以下である。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、幅が１ｍｍであり、外径がＳｉＣウェハのすべての半径方向位置の少なくとも５０％に対するウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり１５００以下である。ある特定の実施形態では、直径は、１４５ｍｍ～２０５ｍｍを含む範囲内である。ある特定の実施形態では、直径は、１４５ｍｍ～１５５ｍｍを含む範囲内である。ある特定の実施形態では、ＳｉＣウェハは、４Ｈ－ＳｉＣウェハを含む。ある特定の実施形態では、ＳｉＣウェハは、半絶縁性ＳｉＣを含む。ある特定の実施形態では、ＳｉＣウェハは、ｎ型ＳｉＣを含む。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、１ｃｍ^２あたり１０００以上である。

別の態様では、ＳｉＣウェハは、少なくとも１４５ｍｍである直径と、幅が１ｍｍの環状リング部に分割されるウェハ領域において０．３以下であるＴＤＤの変動係数と、を有し、このウェハ領域は、ＳｉＣウェハの中心から３ｍｍ及びＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による境界線で囲まれている。ある特定の実施形態では、変動係数は、０．２以下である。ある特定の実施形態では、変動係数は、０．１以上である。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、幅が１ｍｍであり、外径がＳｉＣウェハの中心から３ｍｍ～５０ｍｍを含む範囲内のウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり３０００以下である。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、幅が１ｍｍであり、外径がＳｉＣウェハのすべてのウェハ半径方向位置の少なくとも５０％に対するウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり２０００以下である。ある特定の実施形態では、ＳｉＣウェハは、４Ｈ－ＳｉＣウェハを含む。ある特定の実施形態では、ＳｉＣウェハは、半絶縁性ＳｉＣを含む。ある特定の実施形態では、ＳｉＣウェハは、ｎ型ＳｉＣを含む。ある特定の実施形態では、直径は、１４５ｍｍ～１５５ｍｍを含む範囲内である。ある特定の実施形態では、直径は、１４５ｍｍ～２０５ｍｍを含む範囲内である。

別の態様では、ＳｉＣブールは、１４５ｍｍ～１８０ｍｍを含む範囲内の直径、及び５０ｍｍ超のブール高さを有する。ある特定の実施形態では、ＳｉＣブールの高さの少なくとも７５％は、複数のＳｉＣウェハを提供するように構成され、複数のＳｉＣウェハの各ＳｉＣウェハは、ＳｉＣウェハの中心を含み、且つＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１ｃｍ^２あたり４６００以下のＴＤＤを有する。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、１ｃｍ^２あたり１０００以上である。ある特定の実施形態では、ＳｉＣブールの高さの少なくとも４０％は、複数のＳｉＣウェハを提供するように構成され、複数のＳｉＣウェハのうちの各ＳｉＣウェハは、ＳｉＣウェハの中心を含み、且つＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１平方センチメートルあたり３０００以下のＴＤＤを有する。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、１ｃｍ^２あたり１０００以上である。ある特定の実施形態では、ブール高さは、６０ｍｍ～３００ｍｍを含む範囲内である。ある特定の実施形態では、ブール高さは、５５ｍｍ～８０ｍｍを含む範囲内である。ある特定の実施形態では、ブール高さは、６０ｍｍ～7０ｍｍを含む範囲内である。ある特定の実施形態では、ブール高さは、６５ｍｍ以下である。ある特定の実施形態では、ブール高さは、５５ｍｍ以上且つ６５ｍｍ以下である。

別の態様では、ＳｉＣブールは、１４５ｍｍ～１８０ｍｍを含む範囲内の直径、及び４０ｍｍ以上のブール高さを有し、ＳｉＣブールの高さの少なくとも５０％は、複数のＳｉＣウェハを製造するように構成され、複数のＳｉＣウェハの各ＳｉＣウェハは、ＳｉＣウェハの中心を含み、且つＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１ｃｍ^２あたり４６００以下のＴＤＤを有する。ある特定の実施形態では、ブール高さは、４０ｍｍ～３００ｍｍを含む範囲内である。ある特定の実施形態では、ブール高さは、４０ｍｍ～８０ｍｍを含む範囲内である。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、１ｃｍ^２あたり１０００以上である。ある特定の実施形態では、ＳｉＣブールの高さの少なくとも８０％は、１ｃｍ^２あたり４６００以下の平均ＴＤＤを有する複数のＳｉＣウェハを製造するように構成される。ある特定の実施形態では、ＳｉＣブールの高さの少なくとも４０％は、複数のＳｉＣウェハを製造するように構成され、複数のＳｉＣウェハの各ＳｉＣウェハは、ＳｉＣウェハの中心を含み、且つＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１ｃｍ^２あたり３０００以下の平均ＴＤＤを有する。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、１ｃｍ^２あたり１０００以上である。

別の態様では、ＳｉＣウェハは、ＳｉＣウェハの中心を含み、且つＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１ｃｍ^２あたり３５００以下のＴＤＤを有し、ＳｉＣウェハは、種結晶から測定して４０ｍｍ以上のブール位置から取られる。ある特定の実施形態では、ブール位置は、４０ｍｍ～３００ｍｍを含む範囲内、又は４０ｍｍ～８０ｍｍを含む範囲内、又は４０ｍｍ～６５ｍｍを含む範囲内である。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、１ｃｍ^２あたり５００以上である。ある特定の実施形態では、ＴＤＤは、１ｃｍ^２あたり２５００以下、又は１ｃｍ^２あたり１５００以下である。ある特定の実施形態では、ＳｉＣウェハは、１４５ｍｍ以上且つ１８０ｍｍ以下である直径を有する。

別の態様では、いかなる上述の個々の若しくは合わせた態様、並びに／又は本明細書で述べる様々な別個の態様及び特徴も、さらなる利点のために組み合わされてよい。本明細書で開示されるいかなる様々な特徴及び要素も、本明細書において相反する内容が示されていない限り、１又は複数の他の開示される特徴及び要素と組み合わされてよい。

当業者であれば、添付の図面と合わせて好ましい実施形態の以下の詳細な記述を読むことで、本開示の範囲を理解し、そのさらなる態様を認識するであろう。
本明細書に組み込まれ、その一部を形成する添付の図面は、本開示のいくつかの態様を示すものであり、記述内容と合わせて、本開示の原理を説明する役割を有する。

図１Ａは、本明細書で開示される実施形態に従う結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）を成長させる方法を示す。 図１Ｂは、本明細書で開示される実施形態に従う結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）を成長させる方法を示す。 図２は、従来のワイヤソーツールに収容され、ワイヤソーイングプロセスを受けている結晶インゴットの斜視図を提供する第一のフレーム、及びワイヤソーイングプロセスによって得られた複数のウェハの斜視図を提供する第二のフレームを含む。 図３は、４Ｈ－ＳｉＣなどの六方晶における座標系を示す結晶面の図の第一の斜視図である。 図４は、ｃ面に対して平行ではない面を示す、六方晶における結晶面の図の第二の斜視図である。 図５Ａは、ｃ面に対する微傾斜ウェハの方位を示す、ウェハ方位の図の斜視図である。 図５Ｂは、インゴットの一部分に重ね合わせた図５Ａの微傾斜ウェハの単純化した断面図である。 図６Ａは、結晶面を示す矢印を重ね合わせた例示的ＳｉＣウェハの平面図である。 図６Ｂは、結晶面を示す矢印を重ね合わせた例示的ＳｉＣウェハの平面図である。 図７はレーザー分離のために結晶材料の内部にレーザー放射を集光するように構成された例示的レーザーツールの模式的斜視図である。 図８は、図１Ｂの図に類似するＳｉＣ成長システムの断面図であり、原料物質と種結晶との間の蒸気フラックスを示す矢印が追加されている。 図９は、過飽和量の蒸気フラックスを種結晶に提供するように構成された原料物質を含むＳｉＣ成長システムの断面図である。 図１０は、図８のＳｉＣ成長システムよりも深い坩堝を用いて過飽和量の蒸気フラックスを種結晶に提供するように構成されたＳｉＣ成長システムの断面図である。 図１１は、図８のＳｉＣ成長システムよりも幅の広い坩堝を用いて過飽和量の蒸気フラックスを種結晶に提供するように構成されたＳｉＣ成長システムの断面図である。 図１２Ａは、本明細書で開示される実施形態に従う例示的なＳｉＣ結晶ブールの斜視図である。 図１２Ｂは、図８のＳｉＣ結晶及び図９の過飽和成長条件のＳｉＣ結晶について述べたように成長した結晶ＳｉＣにおいて、ブール位置による平均全転位密度（ＴＤＤ）の違いを示す比較プロットである。 図１３Ａは、図８のＳｉＣ結晶について述べたように成長したＳｉＣウェハに対するＴＤＤ値を示すコンタープロットである。 図１３Ｂは、図９の過飽和成長条件のＳｉＣ結晶について述べたように成長したＳｉＣウェハに対するＴＤＤ値を示すコンタープロットである。 図１３Ｃは、ｌｏｇ１０スケールで再描画したＴＤＤ値による図１３Ａのコンタープロットである。 図１３Ｄは、図１３Ｃと同じｌｏｇ１０スケールで再描画したＴＤＤ値による図１３Ｂのコンタープロットである。 図１４Ａは、図１３ＡのＳｉＣウェハを横切る半径方向位置による全ＴＤＤ値を示すプロットである。 図１４Ｂは、図１３ＢのＳｉＣウェハを横切る半径方向位置による全ＴＤＤ値を示すプロットである。

以下に示す実施形態は、実施形態を当業者が実践可能とするために必要である情報を表し、実施形態を実践する最良モードを示す。添付の図面に照らして以下の記述を読むことによって、当業者であれば、本開示の発想を理解し、本明細書で特に取り扱わないこれらの発想の応用も認識するであろう。これらの発想及び応用が、本開示及び添付の請求項の範囲内に包含されることは理解されたい。

第一の、第二の、などの用語が、様々な要素を記載するために本明細書で用いられ場合があるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるべきではないことは理解される。これらの用語は、１つの要素を別の要素と区別するためだけに用いられるものである。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第一の要素が第二の要素と称されることも可能であり、同様に、第二の要素が第一の要素と称されることも可能である。本明細書で用いられる場合、「及び／又は」の用語は、それに付随して列挙される項目の１又は複数のあらゆるすべての組み合わせを含む。

層、領域、又は基材などの要素が、別の要素の「上に」存在する又は「上へ」延びているとして言及される場合、それは、他の要素の上に直接存在してよく、若しくは直接上へ延びていてよく、又は介在する要素が存在してもよいことは理解される。対照的に、要素が、別の要素の「直接上に」存在する又は「直接上へ」延びているとして言及される場合は、介在する要素は存在しない。同様に、層、領域、又は基材などの要素が、別の要素の「上方に」存在する又は「上方に」延びているとして言及される場合、それは、他の要素の上方に直接存在してよく、若しくは直接上方に延びていてよく、又は介在する要素が存在してもよいことは理解される。対照的に、要素が、別の要素の「直接上方に」存在する又は「直接上方に」延びているとして言及される場合は、介在する要素は存在しない。また、要素が、別の要素と「接続されている」又は「結合されている」として言及される場合、それは、他の要素と直接接続若しくは結合されていてよく、又は介在する要素が存在してもよいことは理解される。対照的に、要素が、別の要素と「直接接続されている」又は「直接結合されている」として言及される場合は、介在する要素は存在しない。

「下」又は「上」又は「上側」又は「下側」又は「水平」又は「垂直」などの相対的な用語は、本明細書において、図に示されるように、１つの要素、層、又は領域と別の要素、層、又は領域との関係性を述べるために用いられ得る。これらの用語及び上記で考察した用語は、図に示される方向に加えて、デバイスの異なる方向も包含することを意図していることは理解される。

本明細書で用いられる専門用語は、特定の実施形態について述べることのみを目的とするものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で用いられる場合、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」は、文脈からそれ以外が明らかに示されない限り、複数形も含むことを意図している。「含む（comprises）」、「含んでいる（comprising）」、「含む（includes）」、及び／又は「含んでいる（including）」の用語は、本明細書で用いられる場合、記載される特徴、整数、工程、操作、要素、及び／又は成分の存在を指定するが、１若しくは複数の他の特徴、整数、工程、操作、要素、成分、及び／若しくはこれらの群の存在又は追加を除外するものではないことはさらに理解される。

本開示の実施形態の模式図を参照して、実施形態について本明細書で述べる。その場合、層及び要素の実際の寸法は異なる場合があり、例えば製造技術及び／又は許容差の結果として、図の形状からの変動が考えられる。例えば、正方形又は長方形として図示される又は記述される領域は、丸い又は曲がった特徴を有してよく、直線として示される領域は、ある程度の不規則性を有し得る。したがって、図に示される領域は、模式的であり、その形状は、デバイスの領域の正確な形状を示すことを意図するものではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものでもない。図間での共通の要素は、本明細書において共通の符号で示される場合があり、その後は再度記載されない場合がある。

特に定めのない限り、本明細書で用いられるすべての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で用いられる用語は、本明細書及び該当技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において明示的にそのように定めのない限り、理想化された又は過剰に形式的な意味で解釈されるものではないことはさらに理解される。

改善された転位分布をもたらす炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウェハ、ＳｉＣブール、及び関連する方法が開示される。転位密度の低下及びブールの長さ方向にわたる転位均一性の改善を示すＳｉＣブールが提供される。対応するＳｉＣウェハは、低下された全転位密度（ＴＤＤ）値を、改善されたＴＤＤ半径方向均一性と共に有する。ＳｉＣ結晶材料の成長条件は、原料物質を、成長の過程で存在する原料物質の量が典型的に必要とされることになる量よりも著しく高い過飽和量で提供することを含む。そのようなＳｉＣ結晶材料及び関連する方法は、大口径ＳｉＣブール及び結晶品質が改善された対応するＳｉＣウェハを提供するのに適している。

ＳｉＣは、常圧では液体状態を有さず、直接固体から気体へ変換し、固体に戻ることから、成長させることが非常に困難な結晶材料であり得る。このことにより、ＳｉＣは、液相成長が利用不可であるという点で、ほとんどの材料と異なっている。ＳｉＣ結晶成長の別の主たる課題は、ＳｉＣで観察される積層欠陥エネルギーが非常に低いことであり、そのため、さらなる原子の面及びそれに伴う欠陥構造が結晶格子中に非常に容易に導入される。この低い積層欠陥エネルギーが、ＳｉＣの従来の物理的気相輸送成長で用いられる非常に高い温度と組み合わされることで、局所的応力場から利用可能なエネルギーが積層欠陥を発生させるのに要するエネルギーよりも低い状態で成長を維持することが困難となる。ＳｉＣにおける結晶応力は、多くの因子によって制御可能である。応力は、結晶高さに比例して、及び直径の二乗に比例して増加し得ることから、結晶高さ及び結晶直径が重要な役割を果たし得る。従来のＳｉＣ成長技術は、直径１００及び１５０ミリメートル（ｍｍ）のＳｉＣ結晶を実現してきた。そのようなＳｉＣ結晶の寸法は、高密度の転位が形成されるＳｉＣ結晶に対する臨界分解せん断応力を超える結晶応力が誘導されることを防止するために、制限され得る。本明細書で開示されるように、より大口径のＳｉＣ結晶（例：≧１５０ｍｍ）の場合、直径が増加される量に対して過剰に結晶応力が増加し得ることから、成長の過程においてより短い結晶高さで製造される。この点に関して、従来の結晶成長技術は、より大口径なものに合わせたスケール変更が必ずしも可能ではない。

ＳｉＣのための種結晶を用いた昇華成長プロセスの一般的態様は、充分に確立されている。このため、結晶成長の分野の当業者であれば、特にＳｉＣ成長及び関連システムの分野の当業者であれば、ある技術又はプロセスの具体的詳細が、多くの該当する状況、処理条件、及び設備構成に応じて様々となり得ることは認識される。したがって、本明細書で与えられる記述は、当業者であれば、提供された開示内容に基づいて、過度な実験を行うことなく、本明細書で開示される様々な実施形態を実行し、使用することができるという認識の下、一般的で概略的な意味で最も適切に与えられる。加えて、当業者であれば、本明細書で述べるタイプのＳｉＣ昇華システムが、様々な標準的構成で市販されていることも認識される。別の選択肢として、昇華システムは、必要である場合又は該当する場合、カスタム構成で設計し、実行されてもよい。したがって、本明細書で述べる実施形態は、昇華システムの特定のサブセットにも、又は特定のいかなるシステム構成にも限定されない。そうではなく、昇華システムの多くの異なるタイプ及び構成が、本明細書で開示される実施形態に従う結晶ＳｉＣ材料の成長に用いられ得る。

図１Ａ及び図１Ｂは、本明細書で開示される実施形態に従う結晶を成長させる方法を示す。図１Ａでは、坩堝１００が原料物質１０２を含有し、坩堝１００の内部が、成長ゾーンとして働く。原料物質１０２としては、シリコン（Ｓｉ）、カーボン（Ｃ）、ＳｉＣ、シリコン化合物、カーボン化合物、又はこれらのいずれか若しくはすべての、固体、粉末、及び気体の１つ以上の組み合わせを含むがこれらに限定されない様々ないかなる形態であってもよい組み合わせ、などの適切ないずれの材料も挙げられ得る。ドーパント（例：中でも、窒素（Ｎ））及び歪み調整成分（例：中でも、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、ヒ素（Ａｓ）、及びリン（Ｐ））などの他の所望に応じて存在してよい元素も、原料物質１０２に含まれていてよい。歪み調整成分は、存在する場合、好ましくは、等電子である、又はドーパントと同じ多数キャリア型（例：ｎ型又はｐ型、ドナー又はアクセプタ）を有する。別の選択肢として、他の元素のうちの１つ、一部、又はすべてが、原料物質１０２に含まれる以外の方法で、成長ゾーンに導入されてもよい。結晶ＳｉＣなどの種結晶１０４は、坩堝の蓋１１０の近くに配置されてよく、この蓋は、続いて、図１Ａの破線矢印によって示されるように、坩堝１００の上に配置される。この方法により、種結晶１０４は、坩堝１００が加熱される際、坩堝１００中、原料物質１０２の上方に吊り下げられる。他の装置では、種結晶１０４は、坩堝１００の底又は側面に沿って、など、坩堝１００内のどこに配置されてもよい。

結晶成長の過程で、原料物質１０２は昇華し、種結晶１０４上でＳｉＣを形成する。昇華は、原料物質１０２が、様々な温度範囲の中でも、１２００℃～３０００℃、又は１８００℃～３０００℃、又は１８００℃～２５００℃、又は１８００℃～２０００℃、又は２０００℃～２２００℃を含む範囲内の温度に加熱されると発生し得る。原料物質１０２の温度が上昇されている間、種結晶１０４の成長面の温度は、同様に原料物質１０２の温度に近い温度まで上昇される。典型的には、種結晶１０４の成長面は、様々な温度範囲の中でも、１２００℃～３０００℃、又は１８００℃～３０００℃、又は１８００℃～２５００℃、又は１７００℃～２４００℃、又は１８００℃～２０００℃、又は２０００℃～２２００℃を含む範囲内の温度に加熱される。成長プロセスの過程で、坩堝１００は、減圧状態までゆっくり脱気される。ある特定の実施形態では、成長は、様々な圧力範囲の中でも、０．１トル～５０トル、又は０．１トル～２５トル、又は０．１トル～１５トル、又は１トル～１５トルを含む範囲内の圧力で実施されてよい。成長温度及び成長圧力は、一般に、互いに変更されてよい。例えば、成長条件に応じて、より高い成長温度が、より高い成長圧力を伴っていてよく、又はより低い成長温度が、より低い成長圧力を伴っていてもよい。原料物質１０２及び種結晶１０４の成長面を、それらの対応する温度に充分な時間にわたって維持することによって、所望されるポリタイプの単結晶ＳｉＣの巨視的成長が、種結晶１０４の上で形成され得る。

図１Ｂを参照すると、ＳｉＣ結晶１１２が、物理的気相輸送プロセスを用いて、坩堝１００中の原料物質１０２の昇華から成長される。結晶成長は、ＳｉＣ結晶１１２の成長がある特定の長さに到達するまで行われる。この長さ（又は種結晶１０４からの高さ）は、部分的には、用いられることになっている形成後の加工の種類に依存する。長さは、構造的結晶欠陥を含むＳｉＣ結晶１１２の様々な結晶品質特性によっても制限され得る。ＳｉＣ結晶１１２の成長が停止される時点はまた、坩堝１００のサイズ及び種類、並びに原料物質１０２中に存在する場合のドーパント及び歪み調整成分の濃度などのパラメータにも依存する。この時点は、実験的成長を、得られたＳｉＣ結晶１１２を検査して不純物の濃度を特定することと合わせて行うことによって、前もって決定することができる。ＳｉＣ結晶１１２が所望されるサイズに到達した後、システムは、圧力を上げて戻すために不活性ガスで充填されてよく、温度は、中間の温度まではゆっくりと、その後室温まではより素早く低下されてよい。ある特定の実施形態では、中間の温度は、様々な温度の中でも、成長温度の約９０％、又は８０％、又は７０％であってよい。中間の温度としては、様々な温度範囲の中でも、１５０℃～２０００℃、又は１５０℃～１２００℃、又は１５０℃～５００℃、又は１７５℃～２２５℃の範囲が挙げられ得る。得られるＳｉＣ結晶１１２は、結晶ブール又はインゴットを形成し得る。

ＳｉＣの昇華成長は、様々な成長システム、サイズの異なる坩堝、様々な材料の異なる種類の坩堝、及び様々な加熱方法の使用によって達成されてよい。具体的な成長温度及び圧力は、当業者であれば、これらの可変要素に合わせるように適合させることができる。典型的なケースでは、坩堝の種類又はサイズなどのような可変要素が変更される場合、上述したように、特定のシステムに対する最良の成長条件を決定するために、いくつかの実験的成長を行う必要があり得る。結晶成長後、ＳｉＣ結晶１１２は、ブール又はインゴットと称される場合もあるバルク結晶材料を形成する。

様々なマイクロエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、及びマイクロファブリケーションには、様々な有用なシステムを製造するための出発構造として、結晶材料の薄層が必要である。バルク結晶材料から結晶材料の薄層を形成するための様々な方法としては、ソーイング及びレーザー分離技術が挙げられる。ある特定の実施形態では、結晶ブール又はインゴットから薄層（例：ウェハ又は基板）を切り出すための方法は、ワイヤソーの使用を含む。ワイヤソーイング技術は、Ｓｉ、サファイア、及びＳｉＣなどの様々な結晶材料に適用されてきた。ワイヤソーツールは、１つ又は多くのガイドローラーの溝に通される極細スチールワイヤ（典型的には、０．２ｍｍ以下の直径を有する）を含み得る。２種類のスライシング法、すなわち、遊離砥粒スライシング及び固定砥粒スライシングが存在する。遊離砥粒スライシングは、高速で動いているスチールワイヤにスラリー（典型的には、油中の砥粒懸濁液）を適用することを含み、それにより、ワイヤと工作物との間での砥粒の回転運動の結果、ブール又はインゴットが切断される。固定砥粒スライシングの場合は、ダイヤモンド砥粒が固定されたワイヤが、水溶性冷却液体（すなわち、スラリーではない）のみを必要とする方法で用いられ得る。高効率の平行スライシングにより、単一のスライシング手順で多数のウェハを製造することが可能となる。図２は、ローラー１１８Ａ～１１８Ｃの間に延び、インゴット１２０を同時にソーイングして各々がインゴット１２０の端面１２０’に対して概略平行である面を有する複数の薄片（例：ウェハ１２２Ａ～１２２Ｇ）とするように配列された平行ワイヤセクション１１６を含む、典型的なワイヤソーツール１１４を示す。ソーイングプロセスの過程で、ローラー１１８Ａ～１１８Ｃによって支持されたワイヤセクション１１６は、インゴット１２０の下にあるホルダー１２６に向かって下方向１２４に押し付けられ得る。端面１２０’がインゴット１２０の結晶ｃ面に対して平行であり、ワイヤセクション１１６が端面１２０’に対して平行にインゴット１２０をソーイングする場合、得られるウェハ１２２Ａ～１２２Ｇの各々は、結晶ｃ面に対して平行である「オンアクシス（on-axis）」端面１２０’’を有する。ワイヤソーイングは、分離プロセスに関連する様々な応力を導入する可能性があり、それらは、特に大口径ウェハの場合、得られるウェハの形状に影響を与える。

図３は、４Ｈ－ＳｉＣなどの六方晶における座標系を示す結晶面の第一の斜視図であり、図中、エピタキシャル結晶成長の［０００１］（垂直）方向に対応するc面（（０００１）面）は、ｍ面（（１－１００）面）及びａ面（（１１－２０）面）の両方に対して直角であり、ｒ面（（１－１０２）面）に対しては直角ではない。オフカットの小さい（例：結晶ｃ面から０．５度未満）オンアクシスＳｉＣウェハは、ＳｉＣさらには他の材料（例：窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び他の第ＩＩＩ族窒化物）のホモエピタキシャル層の高品質エピタキシャル成長のための成長基材として用いられることが多い。

結晶ｃ面に対して平行ではない端面を有する微傾斜（オフカット又は「オフアクシス」としても知られる）ウェハを製造することも可能である。様々な角度（例：０．１度、０．２５度、０．５度、０．７５度、１度、２度、４度、６度、８度、又はそれ以上）のオフカットである微傾斜ウェハ（例：ＳｉＣの）は、ＳｉＣさらには他の材料（例：ＡｌＮ及び他の第ＩＩＩ族窒化物）のホモエピタキシャル層の高品質エピタキシャル成長のための成長基材として用いられることが多い。微傾斜ウェハは、ｃ軸からずれた方向にブール又はインゴットを成長させることによって（例：微傾斜種結晶材料上に成長させて、インゴットの側壁に対して直角にインゴットをソーイングする）、又はオンアクシスの種結晶材料でインゴットの成長を開始し、インゴットの側壁に対する直角からずれた角度でインゴットをソーイング又は切断することによって製造され得る。

図４は、ｃ面に対して平行ではない面１２８を示す、六方晶における結晶面の図の第二の斜視図であり、図中、ベクトル１３０（面１２８に対して直角）は、［０００１］方向から傾き角β傾いており、傾き角βは、［１１－２０］方向に向かって（僅かに）傾いている。

図５Ａは、ｃ面（（０００１）面）に対する微傾斜ウェハ１３２の方位を示す、ウェハ方位の図の斜視図であり、図中、ベクトル１３０Ａ（ウェハ面１３２’に対して直角）は、［０００１］方向から傾き角β傾いている。この傾き角βは、（０００１）面とウェハ面１３２’の投射線（projection）１３４との間に及ぶ直交傾斜（orthogonal tilt）（又は方位差角）βに等しい。図５Ｂは、インゴット１３５（例：微傾斜ウェハ１３２が画定され得る基準となる（０００１）面に対して平行である端面１３５’を有するオンアクシスインゴット）の一部分に重ね合わせた微傾斜ウェハ１３２の単純化した断面図である。図５Ｂは、微傾斜ウェハ１３２のウェハ面１３２’が、（０００１）面に対して傾き角βずれていることを示している。

図６Ａ及び図６Ｂは、上側面１３６’（例：（０００１）面（ｃ面）に対して平行であり、［０００１］方向に対して直角である）を含み、横の境界が概略円形のエッジ１３６’’（直径Φを有する）である例示的ＳｉＣウェハ１３６－１及び１３６－２の平面図である。図６Ａでは、ＳｉＣウェハ１３６－１の円形エッジ１３６’’は、（１１－２０）面に対して直角、［１１－２０］方向に対して平行である主フラット１３８（長さＬ_Ｆを有する）含む。図６Ｂでは、ＳｉＣウェハ１３６－２の円形エッジ１３６’’は、図６Ａに示される主フラット１３８の代わりに、ノッチ１４０を含む。特定の用途に応じて、ノッチ１４０は、ＳｉＣウェハ１３６－２が加工され得る様々な半導体製造ツールとの互換性のために提供され得る。既に述べたように、ＳｉＣウェハ１３６－１、１３６－２は、ｃ面とずれていてもよい（例：ｃ面に対して斜めの角度でオフアクシスであってもよい）。

ウェハ又は基板をバルク結晶材料から分離するための別の方法は、バルク結晶材料中にレーザーによる表層損傷を形成し、続いてレーザーによる表層損傷に沿ってバルク結晶材料からウェハを分離することを含む、レーザー分離技術を含む。結晶材料中に表層損傷を形成するためのツールは、結晶材料の内部にレーザー放射を集光することを可能とするものであり、及び結晶材料に対してレーザーを横方向に移動可能とするものである。典型的なレーザー損傷パターンは、結晶材料内のある深さで、互いに対して横方向に間隔を置いた平行ラインの形成を含み得る。集光深さ、レーザー出力、移動速度、及び表層損傷ライン間隔などのパラメータを調節して、レーザー損傷を付与することができるが、ある特定の因子の調節は、トレードオフを含む。レーザー出力の増加は、破壊し易さを向上させ得る（例：完全な破壊に要する応力を低下させることによって）より大きい表層損傷を付与する傾向にあるが、より大きい表層損傷は、破壊によって露出する面に沿った面不規則性を増加させ、そのため、そのような面を続いての加工（例：電子デバイスへの組み込みのため）のために充分に平滑とするために、追加の加工が必要となる可能性があり、この追加の加工は、さらなるカーフロスに繋がる。表層レーザー損傷ラインの横方向間隔を減少させることも、破壊し易さを向上させ得るが、レーザー損傷ライン間の間隔を減少させると、基板とレーザーとの間の移動パス数が増加することで、ツールのスループットが低下する。そのようなレーザー分離技術は、ワイヤソーイング技術と比較して、カーフロスを低減させ得る。カーフロスとは、バルク結晶材料から個々のウェハを形成することに伴う材料ロスの合計量を意味する。

図７は、表層損傷１４６を形成するために結晶材料１４４（例：ＳｉＣなど）の内部にレーザー放射を集光するように構成されたレーザーツール１４２の一例の模式的斜視図である。結晶材料１４４は、上側面１４４’及び反対側にある下側面１４４’’を含み、表層損傷１４６は、上側面１４４’と下側面１４４’’との間の結晶材料１４４の内部に形成される。レーザー放射１４８は、レンズアセンブリ１５０によって集光されて、集光ビーム１５２が得られ、その焦点は、結晶材料１４４の内部に存在する。そのようなレーザー放射１４８は、適切ないかなる周波数（典型的には、ナノ秒、ピコ秒、又はフェムト秒範囲）及びビーム強度のパルスとされてもよく、結晶材料１４４のバンドギャップ未満の波長とすることで、その表面よりも下の標的とする深さでレーザー放射１４８を集光することが可能となる。焦点では、ビームサイズ及び短パルス幅の結果、エネルギー密度が、表層損傷１４６を形成する非常に局所的な吸収をもたらすのに充分に高くなる。集光ビーム１５２の焦点を結晶材料１４４内の所望される深さに調節するために、レンズアセンブリ１５０の１又は複数の特性が変更され得る。破線によって模式的に示されるように、表層損傷１４６を所望される方向１５４へ進行させるために、レンズアセンブリ１５０と結晶材料１４４との間の相対的な横方向の動き（例：横移動）が行われ得る。そのような横方向の動きは、以降で記載するようなパターンを含む様々なパターンで繰り返され得る。

本明細書で用いられる場合、「基板」又は「ウェハ」は、単結晶半導体材料などの結晶材料を意味する。ある特定の実施形態では、基板は、（ｉ）１又は複数の半導体材料層のエピタキシャル堆積を支持するために表面加工（例：ラッピング及び研磨）を行うのに充分な厚さ、及び所望に応じて（ｉｉ）剛性キャリアから分離される場合は、自立するのに充分な厚さ、を有し得る。ある特定の実施形態では、基板は、概略円柱形状若しくは円形状を有してよく、及び／又は以下の厚さ：２００ミクロン（μｍ）、３００μｍ、３５０μｍ、５００μｍ、７５０μｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、又はこれらを超える若しくはこれら未満の厚さ、のうちの少なくとも約１又は複数の厚さを有してよい。ある特定の実施形態では、基板は、２つのより薄い基板に分割可能であるより厚い基板を含み得る。ある特定の実施形態では、基板は、複数の電気動作デバイスを備えたデバイスウェハの一部としてウェハ上に１又は複数のエピタキシャル層（所望に応じて、１又は複数の金属接点と共に）が配置されたより厚い基板又はウェハの一部であってもよい。デバイスウェハは、本開示の態様に従って分割されて、より薄いデバイスウェハと第二のより薄いウェハとが得られてよく、第二のより薄いウェハ上には、続いて、１又は複数のエピタキシャル層（所望に応じて、１又は複数の金属接点と共に）が形成され得る。ある特定の実施形態では、大口径ウェハ又は基板は、１４５ｍｍ以上、若しくは１５０ｍｍ以上、若しくは１９５ｍｍ以上、若しくは２００ｍｍ以上、若しくは３００ｍｍ以上、若しくは４５０ｍｍ以上、又は１４５ｍｍ～４５５ｍｍ、若しくは１９５ｍｍ～４５５ｍｍ、若しくは１４５ｍｍ～２０５ｍｍを含む範囲内の直径を有し得る。ある特定の実施形態では、ウェハ又は基板は、直径が１４５ｍｍ以上、又は１５０ｍｍ以上、又は１９５ｍｍ以上、又は２００ｍｍ以上であり、厚さが１００μｍ～１０００μｍの範囲内、又は１００μｍ～８００μｍの範囲内、又は１００μｍ～６００μｍの範囲内、又は１５０μｍ～５００μｍの範囲内、又は１５０μｍ～４００μｍの範囲内、又は２００μｍ～５００μｍの範囲内、又は３００μｍ～１０００μｍの範囲内、又は５００μｍ～２０００μｍの範囲内、又は５００μｍ～１５００μｍの範囲内、又は本明細書で指定する他のいずれかの厚さ範囲若しくは他のいずれかの厚さ値である、４Ｈ－ＳｉＣを含み得る。ある特定の実施形態では、「基板」及び「ウェハ」の用語は、ウェハが、典型的には、その上に形成され得る半導体デバイスのための基板として用いられることから、交換可能に用いられてよい。このため、基板又はウェハは、より大きいバルク結晶材料又は基板から分離された自立する結晶材料を意味し得る。

相対的な寸法に関して、「およそ」の用語は、直径寸法からプラス又はマイナス５ｍｍなどのある特定の許容差以内の公称寸法を意味するものと定義される。例えば、本明細書で用いられる場合、直径「１５０ｍｍ」のウェハは、１４５ｍｍ～１５５ｍｍを含む直径範囲を包含してよく、直径「２００ｍｍ」のウェハは、１９５ｍｍ～２０５ｍｍを含む直径範囲を包含してよく、直径「３００ｍｍ」のウェハは、２９５ｍｍ～３０５ｍｍを含む直径範囲を包含してよく、直径「４５０ｍｍ」のウェハは、４４５ｍｍ～４５５ｍｍを含む直径範囲を包含してよい。さらなる実施形態では、そのような許容差はこれより小さくてもよく、プラス若しくはマイナス１ｍｍ又はプラス若しくはマイナス０．２５ｍｍなどである。

本明細書で開示される実施形態は、単結晶及び多結晶の両方の種類の様々な結晶材料の基板又はウェハに適用することができる。ある特定の実施形態では、基板又はウェハは、立方晶、六方晶、及び他の結晶構造を含んでよく、オンアクシス及びオフアクシスの結晶方位を有する結晶材料を含んでもよい。例示的な実施形態は、４Ｈ－ＳｉＣ又は６Ｈ－ＳｉＣなどの六方晶構造を有する単結晶半導体材料を含み得る。本明細書の以降で述べる様々な例示的実施形態は、ＳｉＣ全体について、又は具体的に４Ｈ－ＳｉＣについて言及するが、他の適切な結晶材料が用いられてもよいことは理解されたい。様々なＳｉＣポリタイプの中で、４Ｈ－ＳｉＣポリタイプは、その高い熱伝導率、広いバンドギャップ、及び等方性の電子移動度のために、パワーエレクトロニクスデバイスにおいて特に魅力的である。本明細書で開示される実施形態は、オンアクシスＳｉＣ（すなわち、そのｃ面からの意図的な角度のずれがない）又はオフアクシスＳｉＣ（すなわち、典型的には、ｃ軸などの成長軸からゼロではない角度で、典型的には０．５～１０度の範囲内、又は２～６度若しくは別のサブ範囲などのそのサブ範囲内でずれている）に適用することができる。本明細書で開示されるある特定の実施形態は、オンアクシス４Ｈ－ＳｉＣ、又はオフカットが１～１０度若しくは２～６度を含む範囲内又は約２、４、６、若しくは８度である微傾斜（オフアクシス）４Ｈ－ＳｉＣを用い得る。

本明細書で開示される実施形態はまた、ドープ結晶半導体材料（例：Ｎ－ドープ導電性ＳｉＣ及び／又はＰ－ドープＳｉＣ）、共ドープ、及び／又は未ドープ結晶半導体材料（例：半絶縁性ＳｉＣ又は高抵抗率ＳｉＣ）のいずれにも適用され得る。ある特定の実施形態では、ＳｉＣブール及びＳｉＣウェハを含むＳｉＣ結晶材料は、中でも１×１０^１７ｃｍ^－３～１×１０^２１ｃｍ^－３を含む範囲内、又は１×１０^１７ｃｍ^－３～３×１０^１８ｃｍ^－３を含む範囲内、又は１×１０^１８ｃｍ^－３～１×１０^１９ｃｍ^－３の範囲内、又は１×１０^１８ｃｍ^－３～３×１０^１８ｃｍ^－３の範囲内、又は１×１０^１７ｃｍ^－３未満の濃度でのＮ型ドープ（窒素などの意図的な及び意図的ではないドーパントを含む）を含み得る。ある特定の実施形態では、Ｎ－ドープＳｉＣ結晶材料は、０．００１Ω・ｃｍ～０．０５Ω・ｃｍを含む範囲内、又は０．００１Ω・ｃｍ～０．０３Ω・ｃｍを含む範囲内、又は０．００５Ω・ｃｍ～０．０５Ω・ｃｍの範囲内、又は０．００５Ω・ｃｍ～０．０３Ω・ｃｍの範囲内の抵抗率を有し得る。他の実施形態では、半絶縁性ＳｉＣブール及び半絶縁性ＳｉＣウェハを含むより高い抵抗率のＳｉＣ結晶材料は、少なくとも１５００Ω・ｃｍ、又は少なくとも５０００Ω・ｃｍ、又は少なくとも５０，０００Ω・ｃｍ、又は少なくとも１×１０^５Ω・ｃｍ、又は少なくとも１×１０^６Ω・ｃｍ、又は少なくとも１×１０^９Ω・ｃｍ、又は１５００Ω・ｃｍ～１×１０^９Ω・ｃｍを含む範囲内、又は１×１０^５Ω・ｃｍ～１×１０^９Ω・ｃｍを含む範囲内の抵抗率を有する、意図的ではないドープ又は未ドープのＳｉＣを含み得る。半絶縁性ＳｉＣウェハは、バナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらの組み合わせでドープされていてよい。共ドープＳｉＣウェハは、実施形態に応じて、中でもＮ、Ａｌ、及びＶなどの２つ以上のドーパントの組み合わせを含み得る。

結晶ＳｉＣは、中でも、転位（例：中でも、マイクロパイプ、貫通刃状、貫通らせん、及び／又は基底面転位）、六角形ボイド、及び積層欠陥を含む様々な構造的結晶欠陥を含み得る。構造的結晶欠陥は、結晶成長の過程で、及び／又は成長後の冷却の過程で形成される可能性があり、結晶ＳｉＣの材料格子構造中に１又は複数の不連続部が形成される。そのような構造的結晶欠陥は、ＳｉＣウェハ上に続いて形成される半導体デバイスの製造、適切な動作、デバイスの歩留まり、及び信頼性にとって有害であり得る。様々な構造的結晶欠陥の存在は、自立するＳｉＣウェハに応力をもたらす可能性があり、それは、ウェハ形状における様々なずれに寄与し得る（例：平坦度特性の低下）。ウェハ形状に対するさらなるずれは、既に述べたように、ワイヤカッティング又はレーザー分離技術のいずれかによってブール又はインゴットからウェハを分離する過程で形成され得る。

バルク成長の過程で、結晶欠陥は、最初、ＳｉＣブールの種結晶に近い部分において、より高い密度で形成する傾向にある。成長が種結晶から離れる方向へさらに進行するに従って、結晶欠陥密度は、ＳｉＣブールの中央部分で低下し得るものであり、その後、ＳｉＣブールの初期の部分に近いレベル又はそれよりもさらに高いレベルにまで上昇する。これに関して、ＳｉＣブールの中央部分から、最も有用なＳｉＣウェハが典型的には得られ、一方全体としてのブール長さは、特に大口径ブールの場合に、欠陥密度の上昇によって制限され得る。本明細書で開示される実施形態によると、成長の後期も含めて欠陥密度の低下が示され、それによって、より低い欠陥密度のＳｉＣウェハの生産量が増加するより長いＳｉＣブールの成長を可能とするＳｉＣブールに対する成長条件が提供される。ある特定の実施形態では、そのような成長条件は、原料物質を、成長の過程で存在する原料物質の量が典型的に成長に必要とされることになる量よりも著しく高い過飽和量で提供することを含む。この成長状態では、原料物質の増加された部分は、成長するＳｉＣブールに組み込まれない場合があり、それによって、坩堝内の寄生堆積（parasitic deposition）で失われ得る、又は存在する場合は坩堝をある特定の圧力に維持しながらの排気を通して失われ得る廃棄原料物質の量が増加する。本明細書で開示されるように、そのような過飽和原料の条件での成長は、これまでは浪費的であると見なされてきたが、転位密度が低下した結晶ＳｉＣ及び全体長さがより長いＳｉＣブールを提供することができる。このことは、欠陥密度が有効ブール長さを制限し得る１４５ｍｍ超などの大口径ＳｉＣブールの場合に特に有用であり得る。

図８は、図１Ｂについて記載したＳｉＣ結晶１１２を形成するために用いられる坩堝１００、原料物質１０２、種結晶１０４、及び坩堝蓋１１０を含むＳｉＣ成長システム１５６の断面図である。原料物質１０２及び種結晶１０４の両方は、一般に、坩堝１００の中に含有され、原料物質１０２は、種結晶１０４に対して上に、下に、又は隣接して配置され得る。ある特定の実施形態では、坩堝１００は、Ｓｉ－及びＣ－含有ガスに対して比較的安定である材料から作製され得る。ある特定の実施形態では、坩堝１００は、中でも、グラファイト、炭化タンタル（ＴａＣ）－及び炭化ニオブ（ＮｂＣ）－コーティンググラファイト、並びに固体ＴａＣ及びＮｂＣのうちの１又は複数を含み得る。ある特定の実施形態では、坩堝１００は、ガスの漏出を防ぐために密封されていてよく、又は坩堝１００から一部のガスを流出させるように部分的に開いていてもよい。ある特定の実施形態では、坩堝１００は、誘導加熱を可能とするために電気伝導性であってよく、一方他の実施形態では、放射加熱が用いられてもよく、さらに他の実施形態では、誘導加熱と放射加熱との組み合わせが用いられてもよい。ある特定の実施形態では、坩堝１００内での温度プロファイルは、系への熱注入量が考慮され、且つ断熱バッフルの使用によって熱流が制御されるように、制御され得る。ある特定の実施形態では、原料物質１０２は、坩堝１００内で温度勾配が作り出されるように、種結晶１０４よりも高い温度に維持され得る。この温度勾配は、Ｓｉ－及びＣ－含有ガス種を含有する蒸気フラックス１５８の原料物質１０２から種結晶１０４への輸送を起こす補助となる。原料物質１０２が昇華して種結晶１０４上で凝縮し、ＳｉＣ結晶１１２を形成する際に、蒸気フラックス１５８が、原料物質１０２から種結晶１０４へのガス流によって送られてもよい。ある特定の実施形態では、ガス原料は、種結晶１０４と相互作用を起こすように構成成分の部分にガスを分解可能とするために、高温領域を通して送られてよく、又は様々なガス種は、種結晶１０４と直接相互作用を起こしてもよい。ある特定の実施形態では、ガスの分解プロセスを補助するために、１又は複数の高周波電界が用いられる。

ＳｉＣ結晶１１２の成長条件は、典型的には、Ｓｉ及びＣ構成成分を種結晶１０４上に堆積させるために蒸気フラックス１５８を種結晶１０４に供給することによって実施することができる。これを実現するための方法は多く存在し、本明細書で述べる実施形態は、ＳｉＣ結晶成長のある特定の態様を変更して、ＳｉＣブール及び得られるＳｉＣウェハにおける結晶欠陥を低減するために提供される。蒸気フラックス１５８は、多結晶ＳｉＣ；単結晶ＳｉＣ；Ｓｉ及びＣのポリマー；Ｓｉ対Ｃ比１：１若しくは比１：１の２０％許容差範囲内のＳｉ及びＣ粉末の混合物；Ｓｉ対Ｃ比が１：１又は比１：１の２０％許容差範囲内であるＳｉＣ、Ｓｉ、及びＣ粉末の混合物；アモルファス若しくは結晶ＳｉＣ（例：多結晶又は単結晶）のパック（pucks）又は塊；及びＳｉＣの多孔質メッシュのうちの１又は複数が挙げられ得る原料物質１０２の加熱を通してＳｉＣ、ＳｉＣ_２、Ｓｉ_２Ｃ、及びＳｉガスのうちの１又は複数を発生させることによって提供され得る。ある特定の実施形態では、上述した原料物質１０２とは別に又はこれに加えて蒸気フラックス１５８を供給するために、ガス原料が用いられてもよい。そのようなガス原料としては、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＣｌ_２Ｈ_２、ＳｉＣｌ_３Ｈ、ＳｉＣｌ_４、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、及びＳｉ（ＣＨ_３）_４などの１又は複数の種が挙げられ得る。ガス原料及び固体原料の組み合わせを含む実施形態では、Ｓｉ又はＣの供給の一部がガスによって供給されることから、固体原料中のＳｉ対Ｃの比は、１：１から離れるように変更されてもよい。

ある特定の実施形態では、これらの原料は、主として純ＳｉＣを含んでよいが、結晶の意図的なドープ、表面エネルギーの改変、点欠陥の意図的な生成、及び格子サイズの改変を実現するために、不純物が多くの場合添加され得る。これらの不純物としては、周期律表のほとんどいかなる元素も挙げられ得るものであり、多くの場合、ｐ型ドープを導入するためのホウ素（Ｂ）などの第ＩＩＩ族元素、又はｎ型ドープ導入のためのＮ、Ｇｅ及びＳｎを含む原子半径のより大きい原子、Ｖ、並びに一部のランタニドが、表面エネルギーの改変、及び得られる結晶格子パラメータサイズの変化、又は深い準位の電気的欠陥の誘導のために含まれ得る。

図９は、結晶成長に必要である量よりも多い過飽和量の蒸気フラックス１６４を種結晶１０４に提供するように構成された原料物質１６２を含むＳｉＣ成長システム１６０の断面図である。ある特定の実施形態では、原料物質１６２は、図８の原料物質１０２よりも高い密度を有し得る。これに関して、増加した量の蒸気フラックス１６４が、それ以外は類似の成長条件で、種結晶１０４に提供され得る。他の実施形態では、原料物質１６２は、図８の原料物質１０２に類似の密度を有していてよく、温度及び圧力などの１又は複数の成長条件を変更することによって、増加された量の蒸気フラックス１６４が提供され得る。例えば、坩堝１００内の全体温度が上昇されてよく、又は原料物質１６２の温度が、種結晶１０４に対して上昇されてもよい。ある特定の実施形態では、坩堝１００内の成長圧力が低下されて、増加された蒸気フラックス１６４が提供され得る。加えて、増加された蒸気フラックス１６４は、上記で述べたように、原料物質１６２の密度の上昇、成長温度の上昇、及び成長圧力の低下の１又は複数の組み合わせによって提供され得る。蒸気フラックス１６４は、過飽和の状態で提供されることから、種結晶１０４から離れた位置の坩堝１００内で寄生堆積が発生し得る、又は一部の蒸気フラックス１６４が、堆積又は昇華することなく、ＳｉＣ成長システム１６０の排気を通して排出され得る。過飽和の蒸気フラックス１６４を提供することによって、特にＳｉＣ結晶１６６が種結晶１０４から離れる方向へさらに成長を続けるに従って、図８のＳｉＣ結晶１１２よりも欠陥密度が低下したＳｉＣ結晶１６６が形成され得る。

図１０は、図８のＳｉＣ成長システム１５６の坩堝１００よりも深い坩堝１７２を用いて過飽和量の蒸気フラックス１７０を種結晶１０４に提供するように構成されたＳｉＣ成長システム１６８の断面図である。図示されるように、より深い寸法の坩堝１７２を提供することによって、種結晶１０４に対する原料物質１６２の量が増加され得る。これに関して、種結晶１０４に対する原料物質１６２の全体体積が増加されて、増加された量の蒸気フラックス１７０が提供され得る。ある特定の実施形態では、原料物質１６２は、図８の原料物質１０２と同じ密度を有し得る。ある特定の実施形態では、蒸気フラックス１７０の量は、図９において述べたように、原料物質１６２の密度の上昇、成長温度の上昇、及び成長圧力の低下の１又は複数の組み合わせを提供することによってさらに増加され得る。

図１１は、図８のＳｉＣ成長システム１５６の坩堝１００よりも幅の広い坩堝１７８を用いて過飽和量の蒸気フラックス１７６を種結晶１０４に提供するように構成されたＳｉＣ成長システム１７４の断面図である。図示されるように、より幅広い寸法の坩堝１７８を提供することによって、種結晶１０４に対する原料物質１６２の量が増加され得る。図１０のより深い坩堝１７２と同様に、種結晶１０４に対する原料物質１６２の全体体積が増加されて、増加された量の蒸気フラックス１７６が提供され得る。ある特定の実施形態では、原料物質１６２は、図８の原料物質１０２と同じ密度を有し得る。ある特定の実施形態では、蒸気フラックス１７６の量は、図９において述べたように、原料物質１６２の密度の上昇、成長温度の上昇、及び成長圧力の低下の１又は複数の組み合わせを提供することによってさらに増加され得る。

図１２Ａは、本明細書で開示される実施形態に従う例示的なＳｉＣ結晶ブール１８０の斜視図である。図示されるように、ＳｉＣ結晶ブール１８０は、第一の端面１８２、第一の端面１８２の反対側にある第二の端面１８４、それらの間にありＳｉＣ結晶ブール１８０の周囲に沿った概略円筒形状を形成し得る側面１８６、及び中心軸線１８８を含む。用途に応じて、第一の端面１８２は、結晶ｃ面に相当してよく、中心軸線１８８は、［０００１］方向に相当していてよい。他の実施形態では、第一の端面１８２は、結晶ｃ面に対してオフアクシス面に相当してよく、又は第一の端面１８２は、ＳｉＣの他の結晶面に相当してもよい。成長の過程で、第二の端面１８４が、種結晶（例：図９の１０４）に最も近い位置でまず成長し、ＳｉＣ結晶ブール１８０の残りの部分が、種結晶（例：図９の１０４）から離れる方向に成長する。ブール長さ又は高さ１９０は、第二の端面１８４から第一の端面１８２まで測定されてよく、ブール径１９２は、第一の端面１８２を横切って測定されてよい。図１２Ａにおいて、ＳｉＣ結晶ブール１８０から分離され得る例示的ＳｉＣウェハ１９４の位置を示すために、曲線の破線がＳｉＣ結晶ブール１８０上に重ね合わされている。

結晶成長の過程で、中でも、転位（例：マイクロパイプ、貫通刃状、貫通らせん、及び／又は基底面転位）、六角形ボイド、及び積層欠陥を含む様々な構造的結晶欠陥が、ＳｉＣ結晶ブール１８０の材料組成物中に形成され得る。本明細書で述べるように、ＴＤＤ又は全転位密度は、ＳｉＣ材料の任意の領域におけるすべてのマイクロパイプ及び他の転位（例：貫通刃状、貫通らせん、及び／又は基底面転位）の合計数として定義され得る。ＳｉＣ結晶ブール１８０の任意の領域又は区域におけるＴＤＤ数を定量化するために、ＳｉＣ結晶ブール１８０から分離された１又は複数のＳｉＣウェハに対して欠陥特性評価が実施される。さらなる実施形態では、ＳｉＣブール１８０の異なる垂直位置からの複数のＳｉＣウェハが定量化されて、ＳｉＣブール１８０に対する全体としてのＴＤＤプロファイルが得られ得る。ある特定の実施形態では、ＴＤＤ値の特性評価のためにシンクロトロンＸ線トポグラフィ（ＳＸＲＴ）が用いられ得るが、ＳＸＲＴは、典型的には素早く結果を得る必要のある製造環境においては、必ずしも実用的ではない場合がある。エッチングをベースとする転位特性評価は、より広いウェハ領域にわたってより素早く結果を得るためにより一般的に用いられているが、エッチングをベースとした場合の結果の解釈は、ＳＸＲＴのものよりも正確性に劣る可能性がある。例えば、いくつかのエッチングをベースとする転位特性評価技術において、エッチンングは、間隔の狭いマイクロパイプを一緒にしてしまう可能性があり、それによって、実際には２つ以上あるマイクロパイプが、単一のマイクロパイプとしてカウント、報告される。これに関して、多くの既存の文献の報告は、ＳｉＣ材料に対して実際のＴＤＤ値よりも少なく報告されている可能性がある。エッチングをベースとする転位特性評価結果の正確性を確保するために、各転位タイプに伴う認識可能で独特な特徴を生成するエッチングプロトコルが開発されてきた。

ＳｉＣのエッチングによって、認識可能で、ＳＸＲＴなどの他の特性評価法と相関可能であるエッチピットなどの特徴が明らかとなる。エッチングをベースとする特性評価は、エッチピットを正確に描写すること、対応する欠陥タイプを識別すること、及びそれらを手作業で、又は自動顕微鏡ツールを用いてカウントすること、によって達成され得る。ウェハのエッチングは、有効ウェハ領域を実質的に破壊するものであり、高コストであり、腐食性化学物質を必要とし、実現可能なプロセスを維持するために常に注意を払う必要がある。これに関して、実際には、ブールあたり僅かに数枚の犠牲ウェハしか典型的にはサンプリングされない。例として、ＳｉＣウェハに対する欠陥特性評価を実施するために、ＳｉＣウェハのカーボン面（Ｃ面）がエッチングされて広がった欠陥が強調され、続いてＳｉＣウェハが画像処理される。例えば、ｎ型ドープＳｉＣウェハ（＞１０^１７ｃｍ^２又は≒１０^１７ｃｍ^２）は、溶融塩（ＫＯＨ／ＥＯＨ）でエッチングされてよく、その後、ＳｉＣウェハは、スキャンされ、欠陥検出のために画像処理される。観察されたエッチピット及び欠陥は次に、手作業で又は自動欠陥認識によって転位タイプについて識別され、カウントされ、報告される。光学スキャナー、又は手動若しくは自動光学顕微鏡が、画像からの欠陥のカウントのために用いられ得る。適切にドープされていない材料の場合（低ドープｎ型、又は絶縁性及びｐ型）、この方法は、エッチング法による欠陥の描写が不充分であることから、うまく機能しない場合がある。加えて、ＳｉＣウェハのシリコン面（Ｓｉ－面）も、Ｓｉ－面からのエッチングの特徴を描写するためにエッチングされ得る。Ｓｉ－面のエッチングは、マイクロパイプ及び基底面転位のより正確なカウントを提供し得る一方、Ｃ－面のエッチングは、貫通らせん転位のより正確なカウントを提供し得る。このように、ＴＤＤのエッチングをベースとする転位特性評価に対する正確性の改善は、代表的ＳｉＣウェハのＣ－面及びＳｉ－面の両方からの識別された欠陥のカウントを組み合わせることを含むべきである。正確なＴＤＤカウントのためのエッチングをベースとする特性評価プロトコルのさらなる考察は、Materials Science Forum 858 (2016) 393に公開されたSumakeris et al.による“Dislocation Characterization in 4H-SiC Crystals”に見出され得る。ＳｉＣウェハのＴＤＤ値を特性評価するために用いられ得る別の特性評価技術は、その全内容が参照により本明細書に援用される「ＮＯＮＤＥＳＴＲＵＣＴＩＶＥ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＣＲＹＳＴＡＬＬＩＮＥ ＷＡＦＥＲＳ」と題する２０２０年１月２３日に出願された米国特許出願第１６／７５０，３５８号に示されるように、破壊的にエッチングされたウェハ画像での欠陥識別について学習させたディープ畳み込みニューラルネットワーク（ＤＣＮＮ）を用いてＳｉＣウェハの非破壊画像を解析することを含み得る。

図１２Ｂは、図８のＳｉＣ結晶１１２及び図９の過飽和成長条件のＳｉＣ結晶１６６について述べたように成長した結晶ＳｉＣにおいて、ブール位置による平均ＴＤＤの違いを示す比較プロットである。両データセット共に、ＳｉＣ結晶１１２、１６６は、４Ｈ－ＳｉＣ材料を含む。ｘ軸は、ＳｉＣウェハを取った対応するブール位置をｍｍの単位で表し、ブール位置は、ブールが成長する元となった種結晶からの距離として測定する。ＳｉＣ結晶１１２に対して得られたデータセットは、およそ１５０ｍｍのブール径で成長した代表的な数のＳｉＣブールからのデータを含む。比較の目的で、およそ１５０ｍｍのブール径である代表的な数のＳｉＣブールを、ＳｉＣ結晶１６６の成長条件に従って成長させた。ｙ軸は、対応するブール位置の各々で得られたＳｉＣウェハに対する１平方センチメートル（ｃｍ^２）あたりの平均ＴＤＤ値を表す。個々のＳｉＣウェハの各々において、ＴＤＤは、ＳｉＣウェハの中心を含み、且つＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して特定した。図示されるように、ＳｉＣ結晶１１２、１６６の両方に対するデータセットは、成長が種結晶により近い低い方のブール位置（例：１０ｍｍ）において、増加した平均ＴＤＤ値を示している。ブールが、最初に種結晶から離れる方向へ成長するに従って（例：１０ｍｍ～約２０ｍｍ）、両データセット共に、概略低下する平均ＴＤＤ値を示している。ＳｉＣ結晶１１２のデータセットは、約４０ｍｍのブール位置で平均ＴＤＤ値の急な上昇を示し、それによってブール高さが制限されるが、ＳｉＣ結晶１６６のデータセットは、ブール位置が７０ｍｍに近づくに従って、平均ＴＤＤの継続的な低下を示している。加えて、ＳｉＣ結晶１６６のデータセットは、より高いブール位置（例：５０ｍｍ超～６５ｍｍ）における平均ＴＤＤ値の継続的な低下に加えて、すべての共通ブール位置（例：１０～５０ｍｍ）において、ＳｉＣ結晶１１２のデータセットと比較して非常に低い平均ＴＤＤ値を呈している。例えば、ＳｉＣ結晶１６６のデータセットに含まれる個々のＳｉＣブールは、ブール位置８．３ｍｍで１ｃｍ^２あたり４５７２のＴＤＤ値、２４．３ｍｍで１ｃｍ^２あたり２５２９のＴＤＤ値、及び４１．５ｍｍで１ｃｍ^２あたり１６１１のＴＤＤ値を含む。これに関して、４０ｍｍ以上のブール高さにおいては、個々のＳｉＣブールの高さの少なくとも４０％又は少なくとも５０％又は少なくとも７５％又は少なくとも８０％は、複数のＳｉＣウェハを提供するように構成され、複数のＳｉＣウェハの各ＳｉＣウェハは、１ｃｍ^２あたり４６００以下のＴＤＤ、又は１ｃｍ^２あたり１０００～１ｃｍ^２あたり４６００を含む範囲内のＴＤＤを有する。加えて、個々のＳｉＣブールの高さの少なくとも４０％は、複数のＳｉＣウェハを提供するように構成され、複数のＳｉＣウェハの各ＳｉＣウェハは、１ｃｍ^２あたり３０００以下のＴＤＤ、又は１ｃｍ^２あたり１０００～１ｃｍ^２あたり３０００を含む範囲内のＴＤＤを有する。ある特定の実施形態では、ＳｉＣ結晶１６６のための過飽和成長条件が適用されて、非常に低い平均ＴＤＤ値を有する３００ｍｍもの高さのブール高さのものが製造され得る。ある特定の実施形態では、ブール高さは、６０ｍｍ～３００ｍｍを含む範囲内、又は５５ｍｍ～８０ｍｍを含む範囲内、又は６０ｍｍ～８０ｍｍを含む範囲内、又は６０ｍｍ～７０ｍｍを含む範囲内、又は５０ｍｍ超且つ６５ｍｍ以下、若しくは５５ｍｍ以上且つ６５ｍｍ以下の範囲内である。ある特定の実施形態では、上述のブール径は、１４５ｍｍ～１８０ｍｍを含む範囲内である。図１２Ｂにさらに示されるように、４０ｍｍ以上のブール位置から取られるＳｉＣウェハは、１ｃｍ^２あたり３５００以下のＴＤＤを有し得る。そのようなＴＤＤ値に対するブール位置は、４０ｍｍ～３００ｍｍ、又は４０ｍｍ～８０ｍｍ、又は５０ｍｍ～６５ｍｍ、又は６０ｍｍ～３００ｍｍ、又は６０ｍｍ～８０ｍｍを含む範囲内であり得る。ＴＤＤ値は、実施形態に応じて、１ｃｍ^２あたり５００又はそれ未満という低さであり得る。ＳｉＣウェハは、さらに、１ｃｍ^２あたり２５００以下、又は１ｃｍ^２あたり１５００以下のＴＤＤを有し得る。

図１３Ａは、図８のＳｉＣ結晶１１２について述べたように成長したＳｉＣウェハ１９６に対するＴＤＤ値を示すコンタープロットである。比較のために、図１３Ｂは、図９の過飽和成長条件のＳｉＣ結晶１６６について述べたように成長したＳｉＣウェハ１９８に対するＴＤＤ値を示すコンタープロットである。比較の目的で、およそ１５０ｍｍ径であるＳｉＣウェハ１９６、１９８を選択した。この方法では、図１３Ａ及び図１３Ｂの両コンタープロットにおけるｘ軸及びｙ軸は、＋及び－のｍｍ値で示され、０ｍｍは、ＳｉＣウェハ１９６、１９８の中心点を表す。ＳｉＣウェハ１９６、１９８は、成長時に種結晶から最も遠くに形成されたブールの端部に近い位置で、それぞれのブールから取ったものである。図１３Ａ及び図１３Ｂにおいて、ＴＤＤ値のコンタースケールは、比較の目的で意図的に同一としている。図１３Ａ及び図１３Ｂに示される結果は、ウェハ全体に対して５ｍｍ×５ｍｍ正方形領域のグリッドを画定するｘ－ｙマッピング法によって特定している。そのような正方形領域のうちの４つを、ウェハの射線中心（radial center）に合わせて配置する。ウェハエッジから２ｍｍの周縁領域、並びに主及び／又は副ウェハフラットに対応するさらなる領域を含む除外領域はカウントしない。図示されるように、ＳｉＣウェハ１９６は、ウェハ中心近く及びウェハ周縁部分に沿って、著しくＴＤＤが増加した領域を呈している。同じスケールで、ＳｉＣウェハ１９８に対するＴＤＤ値は、図１３Ｂにおいてほとんど検出不可である。これに関して、図１３ＢのＳｉＣウェハ１９８は、図１３ＡのＳｉＣウェハ１９６よりも著しく低く及び均一なＴＤＤ値をウェハ領域全体にわたって呈している。

図１３Ｃ及び図１３Ｄは、それぞれ、ｌｏｇ１０スケールで再描画したＴＤＤ値による図１３Ａ及び図１３Ｂのコンタープロットを示す。図示されるように、図１３Ｃのコンタープロットは、ウェハ中心近く及びウェハ周縁部分に沿って、同じく急激に高くなっているＴＤＤの領域を呈している。図１３Ｄでは、ｌｏｇ１０スケールによって、ＳｉＣウェハ１９８におけるＴＤＤ変動の視認性が改善されている。特に、ＳｉＣウェハ１９８は、急激に高くなっているＴＤＤの領域をまったく有しないことから、均一性が著しく改善されている。

図１４Ａは、図１３ＡのＳｉＣウェハ１９６を横切る半径方向位置によるＴＤＤ値を示すプロットである。比較のために、図１４Ｂは、図１３ＢのＳｉＣウェハ１９８を横切る半径方向位置によるＴＤＤ値を示すプロットである。図１４Ａ及び図１４Ｂの各々において、ｙ軸は、１ｃｍ^２あたりのＴＤＤを表し、ｘ軸は、ｍｍの単位でのウェハ半径方向位置を表し、０の値は、ウェハ中心に相当し、７５の値は、ウェハエッジに相当する。図１４Ａに示される結果は、半径方向マッピング法（radial mapping methodology）によって特定し、ウェハ半径方向位置は、環状リング部の外径（ｍｍの単位）を示し、外径からの環状リング部の幅は、１ｍｍに設定している。例外は、３ｍｍのウェハ半径方向位置が、ウェハ中心（０ｍｍ）を含む円に相当することであり、なぜなら、そのような位置にある環状リング部は、正確な結果を得るのに面積が小さすぎる可能性があるからである。別の例外は、主及び／又は副ウェハフラットに相当する除外領域が入り込んでいる外側のウェハ半径方向位置の部分はカウントされないということである。

図１４Ａでは、ＴＤＤ値は、０ｍｍ（ウェハ中心）～１０ｍｍの半径方向位置において、１ｃｍ^２あたり４５００超の、１０ｍｍ～２５ｍｍの半径方向位置において、１ｃｍ^２あたり６０００超の、及び６０ｍｍ～７５ｍｍ（ウェハエッジ）の半径方向位置において、やはり１ｃｍ^２あたり６０００超のシャープなピークを示している。図１４Ｂでは、ＳｉＣウェハ１９８は、ウェハ中心から３ｍｍ～５０ｍｍを含む範囲内、若しくは３ｍｍ～７０ｍｍを含む範囲内のいずれの半径方向位置においても、又はウェハ中心から３ｍｍ～ウェハの周縁部から２ｍｍを含む範囲内のＳｉＣウェハ１９８のいずれの半径方向位置においても、１ｃｍ^２あたり５０００以下、又は１ｃｍ^２あたり４０００以下、又は１ｃｍ^２あたり３０００以下、又は１ｃｍ^２あたり２５００以下、又は１ｃｍ^２あたり１０００～１ｃｍ^２あたり４０００を含む範囲内であるＴＤＤ値を呈している。図１４Ｂにおいて、ＴＤＤデータは、周縁部の除外リング分２ｍｍを考慮して、７３ｍｍの半径方向位置まで提供されている。ある特定の実施形態では、ＴＤＤ値は、ＳｉＣウェハ１９８の中心から５０ｍｍ以内又は７０ｍｍ以内のいずれの半径方向位置においても、１ｃｍ^２あたり３０００以下、又は１ｃｍ^２あたり２５００以下、又は１ｃｍ^２あたり１０００～１ｃｍ^２あたり３０００を含む範囲内である。特に、ＳｉＣウェハ１９８は、１０ｍｍ～５７ｍｍの間でこれらを含むいずれの半径方向位置においても、１ｃｍ^２あたり２０００以下のＴＤＤを呈する。言い換えると、ＴＤＤは、幅が１ｍｍであり、外径がＳｉＣウェハ１９８のすべての半径方向位置の少なくとも５０％又は少なくとも６０％に対するウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり２０００以下である。さらに、ＳｉＣウェハ１９８は、１３ｍｍ～５０ｍｍの間でこれらを含むいずれの半径方向位置においても、１ｃｍ^２あたり１５００以下のＴＤＤを呈する。言い換えると、ＴＤＤは、幅が１ｍｍであり、外径がＳｉＣウェハ１９８のすべての半径方向位置の少なくとも４０％又は少なくとも５０％に対するウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり１５００以下である。

本明細書で開示されるように、ＳｉＣ結晶の過飽和成長条件によって、著しく改善された均一性のＴＤＤ分布を有するＳｉＣブール及び結果としてＳｉＣウェハが得られ得る。ＴＤＤ均一性を特性評価するための１つの方法は、特定のＳｉＣウェハにおける標準偏差の平均ＴＤＤ値に対する比として定義されるＴＤＤの変動係数を定量化することを含む。これに関して、ＴＤＤの変動係数は、平均ＴＤＤに対するＴＤＤの変動の度合いを示し得る。例えば、図１３Ａ、図１３Ｃ、及び図１４Ａのプロットで表されるＳｉＣウェハ１９６は、幅１ｍｍの環状リング部に分割されるウェハ領域に対して１ｃｍ^２あたり１５７６の算出されたＴＤＤ標準偏差及び１ｃｍ^２あたり３３３８の平均ＴＤＤ値を有し、このウェハ領域は、ＳｉＣウェハ１９６の中心から３ｍｍ及びＳｉＣウェハ１９６の周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による境界線で囲まれている。これに関して、ＳｉＣウェハ１９６のＴＤＤの変動係数は、０．４７２である。比較として、図１３Ｂ、図１３Ｄ、及び図１４Ｂのプロットで表されるＳｉＣウェハ１９８は、幅１ｍｍの環状リング部に分割されるウェハ領域に対して１ｃｍ^２あたり４４９の算出されたＴＤＤ標準偏差及び１ｃｍ^２あたり１６１２の平均ＴＤＤ値を有し、このウェハ領域は、ＳｉＣウェハ１９８の中心から３ｍｍ及びＳｉＣウェハ１９８の周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による境界線で囲まれている。このように、ＳｉＣウェハ１９８のＴＤＤの変動係数は、０．２８であり、ＳｉＣブールが上述の過飽和成長条件に従って成長される場合に、ＴＤＤが著しくより均一な分布となることを示している。ある特定の実施形態では、変動係数は、０．２以下、又は０．１以上且つ０．３以下の範囲内である。ＴＤＤの均一性を特性評価するための別の方法は、各ＳｉＣウェハに対する標準偏差値を単純に特性評価することを含み得る。

上記の例は、およそ１５０ｍｍ径のＳｉＣウェハに対して提供されるものであるが、例示的な実施形態は、およそ１５０ｍｍ未満又はおよそ１５０ｍｍ超を含む他の径のＳｉＣウェハに対しても適用可能である。ある特定の実施形態では、ＳｉＣウェハは、およそ２００ｍｍ、又はおよそ３００ｍｍ、又はおよそ４５０ｍｍの径を有し得る。例示的な実施形態は、例で提供した４Ｈ－ＳｉＣに加えて、６Ｈ－ＳｉＣを含むがこれに限定されないＳｉＣの他のポリタイプにも適用可能である。既に述べたように、本明細書で開示される実施形態は、ドープ結晶半導体材料（例：Ｎ－ドープ導電性ＳｉＣ及び／又はＰ－ドープＳｉＣ）、共ドープ、及び／又は未ドープ結晶半導体材料（例：半絶縁性ＳｉＣ又は高抵抗率ＳｉＣ）のいずれにも適用可能である。

上記態様、並びに／又は本明細書で述べる様々な別個の態様及び特徴のいずれも、さらなる利点のために組み合わされてよいことは考慮される。本明細書で開示される様々な実施形態のいずれも、本明細書において相反する内容が示されていない限り、１又は複数の他の開示される実施形態と組み合わされてよい。

当業者であれば、本開示の好ましい実施形態に対する改善及び改変を認識するであろう。そのような改善及び改変はすべて、本明細書及び以下の請求項に開示される趣旨の範囲内であると見なされる。

Claims (42)

1. 炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウェハであって、少なくとも１４５ミリメートル（ｍｍ）である直径と、幅が１ｍｍであり、外径が前記ＳｉＣウェハの中心から３ｍｍ～５０ｍｍを含む範囲内のウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても１平方センチメートル（ｃｍ^２）あたり３０００以下である全転位密度（ＴＤＤ）と、を有し、
   前記ＴＤＤは、マイクロパイプ、貫通刃状転位、貫通らせん転位、及び基底面転位の合計数である、
   炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウェハ。
2. 前記ＴＤＤが、幅が１ｍｍであり、前記外径が前記ＳｉＣウェハの前記中心から３ｍｍの位置～前記ＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍの位置を含む範囲内のウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり３０００以下である、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
3. 前記ＴＤＤが、幅が１ｍｍであり、前記外径が前記ＳｉＣウェハの前記中心から３ｍｍ～５０ｍｍを含む範囲内の前記ウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり２５００以下である、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
4. 前記ＴＤＤが、幅が１ｍｍであり、前記外径が前記ＳｉＣウェハのすべてのウェハ半径方向位置の少なくとも５０％に対する前記ウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり２０００以下である、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
5. 前記ＴＤＤが、幅が１ｍｍであり、前記外径が前記ＳｉＣウェハのすべての半径方向位置の少なくとも５０％に対する前記ウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１ｃｍ^２あたり１５００以下である、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
6. 前記直径が、１４５ｍｍ～２０５ｍｍを含む範囲内である、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
7. 前記直径が、１４５ｍｍ～１５５ｍｍを含む範囲内である、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
8. ４Ｈ－ＳｉＣウェハを含む、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
9. 半絶縁性ＳｉＣを含む、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
10. ｎ型ＳｉＣを含む、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
11. 前記ＴＤＤが、１０００ｃｍ^２以上である、請求項１に記載のＳｉＣウェハ。
12. 炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウェハであって、少なくとも１４５ミリメートル（ｍｍ）である直径と、ウェハ領域において０．３以下である全転位密度（ＴＤＤ）の変動係数と、を有し、
    前記ウェハ領域は、幅が１ｍｍの環状リング部に分割され、前記ＳｉＣウェハの中心から３ｍｍ及び前記ＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による境界線で囲まれている領域であり、
    前記変動係数は、前記環状リング部における平均ＴＤＤ値に対する標準偏差の比として定義され、前記ＴＤＤは、マイクロパイプ、貫通刃状転位、貫通らせん転位、及び基底面転位の合計数である、
    炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウェハ。
13. 前記変動係数が、０．２以下である、請求項１２に記載のＳｉＣウェハ。
14. 前記変動係数が、０．１以上である、請求項１２に記載のＳｉＣウェハ。
15. 前記ＴＤＤが、幅が１ｍｍであり、外径が前記ＳｉＣウェハの前記中心から３ｍｍ～５０ｍｍを含む範囲内のウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１平方センチメートル（ｃｍ^２）あたり３０００以下である、請求項１２に記載のＳｉＣウェハ。
16. 前記ＴＤＤが、幅が１ｍｍであり、外径が前記ＳｉＣウェハのすべてのウェハ半径方向位置の少なくとも５０％に対する前記ウェハ半径方向位置に相当するいずれの環状リング部においても、１平方センチメートル（ｃｍ^２）あたり２０００以下である、請求項１２に記載のＳｉＣウェハ。
17. ４Ｈ－ＳｉＣウェハを含む、請求項１２に記載のＳｉＣウェハ。
18. 半絶縁性ＳｉＣを含む、請求項１２に記載のＳｉＣウェハ。
19. ｎ型ＳｉＣを含む、請求項１２に記載のＳｉＣウェハ。
20. 前記直径が、１４５ｍｍ～１５５ｍｍを含む範囲内である、請求項１２に記載のＳｉＣウェハ。
21. 前記直径が、１４５ｍｍ～２０５ｍｍを含む範囲内である、請求項１２に記載のＳｉＣウェハ。
22. 炭化ケイ素（ＳｉＣ）ブールであって、１４５ミリメートル（ｍｍ）～１８０ｍｍを含む範囲内の直径、及び５０ｍｍ超のブール高さを有し、
    前記ＳｉＣブールの前記ブール高さの少なくとも７５％が、複数の第一のＳｉＣウェハを提供するように構成され、前記複数の第一のＳｉＣウェハの各第一のＳｉＣウェハは、前記第一のＳｉＣウェハの直径で定義される前記第一のＳｉＣウェハの中心を含み、且つ前記第一のＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１平方センチメートル（ｃｍ^２）あたり４６００以下の全転位密度（ＴＤＤ）を有し、
    前記ＴＤＤは、マイクロパイプ、貫通刃状転位、貫通らせん転位、及び基底面転位の合計数である、炭化ケイ素（ＳｉＣ）ブール。
23. 前記ＴＤＤが、１ｃｍ^２あたり１０００以上である、請求項２２に記載のＳｉＣブール。
24. 前記ＳｉＣブールの前記ブール高さの少なくとも４０％が、複数の第二のＳｉＣウェハを提供するように構成され、前記複数の第二のＳｉＣウェハの各第二のＳｉＣウェハは、前記第二のＳｉＣウェハの直径で定義される前記第二のＳｉＣウェハの中心を含み、且つ前記第二のＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１平方センチメートル（ｃｍ^２）あたり３０００以下の全転位密度（ＴＤＤ）を有する、請求項２２に記載のＳｉＣブール。
25. 前記ＴＤＤが、１ｃｍ^２あたり１０００以上である、請求項２３に記載のＳｉＣブール。
26. 前記ブール高さが、６０ｍｍ～３００ｍｍを含む範囲内である、請求項２２に記載のＳｉＣブール。
27. 前記ブール高さが、５５ｍｍ～８０ｍｍを含む範囲内である、請求項２２に記載のＳｉＣブール。
28. 前記ブール高さが、６０ｍｍ～７０ｍｍを含む範囲内である、請求項２２に記載のＳｉＣブール。
29. 前記ブール高さが、６５ｍｍ以下である、請求項２２に記載のＳｉＣブール。
30. 前記ブール高さが、５５ｍｍ以上且つ６５ｍｍ以下である、請求項２２に記載のＳｉＣブール。
31. 炭化ケイ素（ＳｉＣ）ブールであって、１４５ミリメートル（ｍｍ）～１８０ｍｍを含む範囲内の直径、及び４０ｍｍ以上のブール高さを有し、
    前記ＳｉＣブールの前記ブール高さの少なくとも５０％は、複数の第一のＳｉＣウェハを製造するように構成され、前記複数の第一のＳｉＣウェハの各第一のＳｉＣウェハは、前記第一のＳｉＣウェハの直径で定義される前記第一のＳｉＣウェハの中心を含み、且つ前記第一のＳｉＣウェハの周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１平方センチメートル（ｃｍ^２）あたり４６００以下の全転位密度（ＴＤＤ）を有し、
    前記ＴＤＤは、マイクロパイプ、貫通刃状転位、貫通らせん転位、及び基底面転位の合計数である、
    炭化ケイ素（ＳｉＣ）ブール。
32. 前記ブール高さが、４０ｍｍ～３００ｍｍを含む範囲内である、請求項３１に記載のＳｉＣブール。
33. 前記ブール高さが、４０ｍｍ～８０ｍｍを含む範囲内である、請求項３１に記載のＳｉＣブール。
34. 前記ＴＤＤが、１ｃｍ^２あたり１０００以上である、請求項３１に記載のＳｉＣブール。
35. 前記ＳｉＣブールの前記ブール高さの少なくとも８０％が、１ｃｍ^２あたり４６００以下の平均ＴＤＤを有する複数のＳｉＣウェハを製造するように構成されている、請求項３１に記載のＳｉＣブール。
36. 前記ＳｉＣブールの前記ブール高さの少なくとも４０％が、複数の第二のＳｉＣウェハを製造するように構成され、前記複数の第二のＳｉＣウェハの各第二のＳｉＣウェハは、前記第二のＳｉＣウェハの直径で定義される前記第二のＳｉＣウェハの前記中心を含み、且つ前記第二のＳｉＣウェハの前記周縁部から２ｍｍのウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１ｃｍ^２あたり３０００以下の平均ＴＤＤを有する、請求項３１に記載のＳｉＣブール。
37. 前記ＴＤＤが、１ｃｍ^２あたり１０００以上である、請求項３６に記載のＳｉＣブール。
38. 炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウェハであって、１４５ｍｍ以上である直径を有し、前記ＳｉＣウェハの直径で定義される前記ＳｉＣウェハの中心を含み、且つ前記ＳｉＣウェハの周縁部から２ミリメートル（ｍｍ）のウェハ半径方向位置による半径を持つ境界線で囲まれたウェハ領域に対して、１平方センチメートル（ｃｍ^２）あたり３５００以下の全転位密度（ＴＤＤ）を有し、
    前記ＴＤＤは、マイクロパイプ、貫通刃状転位、貫通らせん転位、及び基底面転位の合計数である、
    炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウェハ。
39. 前記ＴＤＤが、１ｃｍ^２あたり５００以上である、請求項３８に記載のＳｉＣウェハ。
40. 前記ＴＤＤが、１ｃｍ^２あたり２５００以下である、請求項３８に記載のＳｉＣウェハ。
41. 前記ＴＤＤが、１ｃｍ^２あたり１５００以下である、請求項３８に記載のＳｉＣウェハ。
42. １８０ｍｍ以下である直径をさらに有する、請求項３８に記載のＳｉＣウェハ。

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