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公開番号2025019098
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-06
出願番号2024201305,2023536004
出願日2024-11-19,2021-12-14
発明の名称結晶学的応力が低減した大寸法炭化ケイ素単結晶材料
出願人ウルフスピードインコーポレイテッド,WOLFSPEED,INC.
代理人弁理士法人浅村特許事務所
主分類C30B 29/36 20060101AFI20250130BHJP(結晶成長)
要約【課題】従来のSiCウエハに関連した難題を克服しつつ、より大きい寸法の改善されたSiCウエハと、関連する固相デバイスとを求め続ける。
【解決手段】
結晶学的応力が低減した大寸法SiCウエハを提供する、SiCウエハ及びSiCブールを含む炭化ケイ素(SiC)材料並びに関連する方法が、開示される。SiC材料に関する成長条件は、SiC結晶の略凸型成長表面を維持すること、成長するSiC結晶の正面から背面までの熱プロファイルの差を調節すること、十分な供給源フラックスを供給してSiC結晶に関する商業的に実現可能な成長速度を可能にすること、並びにSiC供給源材料及び対応するSiC結晶における汚染物質又は非SiC粒子の包含を低減させることを含む。より低い結晶学的応力を示す、より大きい寸法のSiC結晶を形成することにより、原子の消失面又は追加面に伴う全体的な転位密度は低減し、それによって結晶品質及び使用可能なSiC結晶成長高さが改善し得る。
【選択図】図1B
特許請求の範囲【請求項１】
少なくとも１９５ミリメートル（ｍｍ）の寸法と、ＳｉＣウエハの中心からの、前記ＳｉＣウエハのウエハ半径の少なくとも５０％を占める半径によって境界を画する第１の領域に関して立方センチメートル当たり１０００センチメートル（ｃｍ／ｃｍ
３
）未満である、結晶面の
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11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度とを含む、炭化ケイ素（ＳｉＣ）ウエハ。
続きを表示（約 960 文字）【請求項２】
前記寸法が、１９５ｍｍから２０５ｍｍの範囲にある、請求項１に記載のＳｉＣウエハ。
【請求項３】
前記寸法が、１９５ｍｍから４５５ｍｍの範囲にある、請求項１に記載のＳｉＣウエハ。
【請求項４】
前記寸法が、１９５ｍｍから３０５ｍｍの範囲にある、請求項１に記載のＳｉＣウエハ。
【請求項５】
０ｃｍ／ｃｍ
３
から１０００ｃｍ／ｃｍ
３
未満の範囲にある、結晶面の
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11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の前記全線密度である、請求項１に記載のＳｉＣウエハ。
【請求項６】
２０ｃｍ／ｃｍ
３
から１０００ｃｍ／ｃｍ
３
未満の範囲にある、結晶面の
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2025019098000053.jpg
11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の前記全線密度である、請求項１に記載のＳｉＣウエハ。
【請求項７】
前記第１の領域の結晶面の
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11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の前記全線密度が、２００ｃｍ／ｃｍ
３
未満である、請求項１に記載のＳｉＣウエハ。
【請求項８】
前記第１の領域の結晶面の
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2025019098000055.jpg
11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の前記全線密度が、１００ｃｍ／ｃｍ
３
未満である、請求項１に記載のＳｉＣウエハ。
【請求項９】
前記第１の領域の境界を画する前記半径が、前記ＳｉＣウエハの前記ウエハ半径の少なくとも９０％を含む、請求項１に記載のＳｉＣウエハ。
【請求項１０】
前記第１の領域の境界を画する前記半径が、前記ＳｉＣウエハの前記ウエハ半径の少なくとも９５％を含む、請求項１に記載のＳｉＣウエハ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、結晶材料に関し、より詳細には、結晶学的応力が低減した大寸法炭化ケイ素単結晶材料に関する。
続きを表示（約 6,100 文字）【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、多くの魅力ある電気的及び熱物理学的性質を示す。ＳｉＣは、その物理的強度及び化学的侵襲に対する高い耐性、並びに放射線耐性、高い破壊電界、比較的広いバンドギャップ、高い飽和電子ドリフト速度、高温動作、並びにスペクトルの青、紫、及び紫外線の範囲における高エネルギー光子の吸収及び放出の様々な電子的性質起因して、特に有用である。ケイ素及びサファイアを含む従来のウエハ又は基板材料と比較して、ＳｉＣのそのような性質は、パワーエレクトロニクス、無線周波数、及びオプトエレクトロニクスデバイスなどの高電力密度固相デバイス用のウエハ又は基板を製作するのにさらに適切になる。ＳｉＣは、ポリタイプと呼ばれる多くの種々の結晶構造で生じ、ある特定の一般的なポリタイプ（例えば、４Ｈ－ＳｉＣ及び６Ｈ－ＳｉＣ）は六角形の結晶構造を有している。
【０００３】
ＳｉＣは優れた材料の性質を示すが、ＳｉＣを成長させるのに必要な結晶成長技法は、その他の結晶材料に関する従来の成長プロセスとは非常に異なっており、さらに著しく難題である。ケイ素及びサファイアなどの半導体製造で利用される従来の結晶材料は、著しく低い融点を有し、溶融した供給源材料からの直接結晶成長技法を可能にし、大直径結晶材料の製作を可能にする。対照的に、バルク結晶ＳｉＣは、高温でのシード昇華成長プロセスによってしばしば生成され、その様々な難題には、とりわけ不純物の組込み、熱及び結晶学的応力に関連した構造欠陥、並びに意図しないポリタイプの形成が含まれる。典型的なＳｉＣ成長技法では、基板及び供給源材料が共に反応坩堝の内側に配置される。坩堝が加熱されたときに創出される熱勾配は、供給源材料から基板への材料の気相移動を促進させ、その後、基板上で凝縮され、バルク結晶成長がもたらされる。不純物は、ドーパントとしてＳｉＣに導入される可能性があること、及びこれらのドーパントがある特定の性質を規制する可能性があることが、公知である。ＳｉＣの昇華成長では、ドーパントが様々な手法でチャンバーに導入される可能性があり、したがってドーパントは、そのプロセスから生成されたＳｉＣ結晶中に存在するようになる。プロセスは、特定の適用例に向けてドーパントの適切な濃度を供するように制御される。バルク結晶成長の後、ＳｉＣの個々のウエハが、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られてもよく、個々のウエハは、ラッピング又は研磨などの追加のプロセスに引き続き供されてもよい。
【０００４】
ＳｉＣウエハの独自の性質は、高電力及び／又は高周波数半導体デバイスのアレイの設計及び製作を可能にする。連続的な開発は、益々拡がる商業的適用例に向けてそのような半導体デバイスを製造させる、ＳｉＣウエハの製作の成熟レベルに至った。半導体デバイス産業が成熟し続けるにつれ、より大きい使用可能な直径を有するＳｉＣウエハが望まれる。ＳｉＣウエハの使用可能な直径は、ＳｉＣの材料組成のある特定の構造欠陥及びある特定のウエハ形状特性により、限定される可能性がある。材料組成の構造欠陥は、とりわけ転位（例えば、マイクロパイプ、貫通エッジ、貫通ネジ、及び／又は基底面転位）、六角形の空隙、及び積層欠陥を含み得る。ＳｉＣに関連したウエハ形状特性は、ウエハの平坦さに関係する可能性がある反り、屈曲、及び厚さ変動を含み得る。これらの様々な構造欠陥及びウエハ形状特性は、従来のＳｉＣウエハ上に引き続き形成される半導体デバイスの製作及び適正な動作に有害となり得る結晶学的応力に、寄与する可能性がある。そのような結晶学的応力は、一般に、ウエハの半径の二乗に比例し、その結果、高品質の、より大きい直径のＳｉＣ半導体ウエハを製作することが経済的に難しい。
【０００５】
当技術は、従来のＳｉＣウエハに関連した難題を克服しつつ、より大きい寸法の改善されたＳｉＣウエハと、関連する固相デバイスとを求め続ける。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
結晶学的応力が低減した大寸法ＳｉＣウエハを提供する、ＳｉＣウエハ及びＳｉＣブールを含む炭化ケイ素（ＳｉＣ）材料並びに関連する方法が、開示される。ＳｉＣ材料に関する成長条件は、ＳｉＣ結晶の略凸型成長表面を維持すること、成長するＳｉＣ結晶の正面から背面までの熱プロファイルの差を調節すること、十分な供給源フラックスを供給してＳｉＣ結晶に関する商業的に実現可能な成長速度を可能にすること、並びにＳｉＣ供給源材料及び対応するＳｉＣ結晶における汚染物質又は非ＳｉＣ粒子の包含を低減させることを含む。より低い結晶学的応力を示す、より大きい寸法のＳｉＣ結晶を形成することにより、原子の消失面又は追加面に伴う全体的な転位密度は低減し、それによって結晶品質及び使用可能なＳｉＣ結晶成長高さが改善し得る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様では、ＳｉＣウエハは、少なくとも１９５ミリメートル（ｍｍ）の寸法と、ＳｉＣウエハの中心からの、ＳｉＣウエハのウエハ半径の少なくとも５０％を占める半径によって境界を画する第１の領域に関して立方センチメートル当たり１０００センチメートル（ｃｍ／ｃｍ
３
）未満である、結晶面の
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11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度とを含む。ある特定の実施例では、寸法は、１９５ｍｍから２０５ｍｍの範囲にあり又は１９５ｍｍから４５５ｍｍの範囲にあり、又は１９５ｍｍから３０５ｍｍの範囲にある。ある特定の実施例では、結晶面の
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11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度は、０ｃｍ／ｃｍ
３
から１０００ｃｍ／ｃｍ
３
未満の範囲に、又は２０ｃｍ／ｃｍ
３
から１０００ｃｍ／ｃｍ
３
未満の範囲にある。ある特定の実施例では、第１の領域における結晶面の
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11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度は、２００ｃｍ／ｃｍ
３
未満であり、又は１００ｃｍ／ｃｍ
３
未満である。ある特定の実施例では、第１の領域に結合する半径は、ＳｉＣウエハのウエハ半径の少なくとも９０％、又はＳｉＣウエハのウエハ半径の少なくとも９５％を含む。ある特定の実施例では、ＳｉＣウエハはさらに、ＳｉＣウエハの第１の領域と周縁との間に画定された第２の領域を含み、この第２の領域は、第１の領域よりも高い結晶面の
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族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度を含む。ある特定の実施例では、第２の領域における結晶面の
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11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度は、１０００ｃｍ／ｃｍ
３
未満である。ある特定の実施例では、ＳｉＣウエハは、４Ｈ－ＳｉＣウエハ又は半絶縁ＳｉＣ又はｎ型ＳｉＣを含む。
【０００８】
別の態様では、ＳｉＣブールは、１９５ｍｍから３０５ｍｍの範囲の幅と、５０ｍｍから３００ｍｍの範囲のブール高さを含む。ある特定の実施例では、幅は、１９５ｍｍから２０５ｍｍの範囲又は１００ｍｍから３００ｍｍの範囲にある。ある特定の実施例では、ブール高さの少なくとも５０％は複数のＳｉＣウエハを提供するように構成され、複数のＳｉＣウエハの各ＳｉＣウエハは、ＳｉＣウエハの中心からの、ＳｉＣウエハのウエハ半径の少なくとも５０％を占める半径によって境界を画する第１の領域に関して１０００ｃｍ／ｃｍ
３
未満である、結晶面の
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2025019098000007.jpg
11
26
族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度を含む。ある特定の実施例では、半径は、ウエハ半径の少なくとも９０％である。ある特定の実施例では、第１の領域の結晶面の
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族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度が、２００ｃｍ／ｃｍ
３
未満又は１００ｃｍ／ｃｍ
３
未満である。ある特定の実施例では、ブール高さの少なくとも７５％は、複数のＳｉＣウエハを提供するように構成され、複数のＳｉＣウエハの各ＳｉＣウエハは、ＳｉＣウエハの中心からの、ＳｉＣウエハのウエハ半径の少なくとも５０％を占める半径によって境界を画する第１の領域に関して１０００ｃｍ／ｃｍ
３
未満である、結晶面の
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族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度を含む。ある特定の実施例では、半径は、ウエハ半径の少なくとも９０％である。ある特定の実施例では、第１の領域における結晶面の
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族から５度以内に並んだ基底面転位の全線密度は、２００ｃｍ／ｃｍ
３
未満又は１００ｃｍ／ｃｍ
３
未満である。ある特定の実施例では、ＳｉＣブールはＡ面ＳｉＣブール、又はＭ面ＳｉＣブール、又は
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面ＳｉＣブールである。
【０００９】
別の態様では、結晶成長のためにＳｉＣ供給源材料を提供するための方法は：ＳｉＣ結晶材料から複数のミリング媒体を形成すること；及び、複数のミリング媒体でＳｉＣ供給源粉末をミリングすることによって、ＳｉＣ供給源粉末の密度を増大させることを含む。ある特定の実施例では、方法はさらに、複数のミリング媒体から表面汚染を除去し、その後、ＳｉＣ供給源粉末の粒度を低減させることを含む。ある特定の実施例では、表面汚染を除去することは、ＳｉＣ供給源粉末の粒度を低減させる前にミリングプロセスを使用することを含む。ある特定の実施例では、表面汚染を除去することは、さらに、複数のミリング媒体に化学エッチングを適用することを含む。ある特定の実施例では、ＳｉＣ結晶材料は、ＳｉＣ結晶ブールを含む。ある特定の実施例では、複数のミリング媒体を形成することは、ＳｉＣ結晶ブールをワイヤー切断することを含む。ある特定の実施例では、ＳｉＣ供給源粉末の密度は、複数のミリング媒体でミリングした後に立方センチメートル当たり１．５グラム（ｇ／ｃｍ
３
）から３．２ｇ／ｃｍ
３
の範囲、又は１．５ｇ／ｃｍ
３
から２．５ｇ／ｃｍ
３
の範囲にある。
【００１０】
別の態様では、ＳｉＣ単結晶材料を形成するための方法は：１９５ｍｍから３０５ｍｍの範囲の幅及び５０ｍｍから３００ｍｍの範囲のブール高さを持つＳｉＣブールを成長させることを含む。ある特定の実施例では、方法はさらに、複数のＳｉＣウエハをＳｉＣブールから分離することを含み、複数のＳｉＣウエハのそれぞれは、１９５ｍｍから３０５ｍｍの範囲の幅を有する。ある特定の実施例では、ＳｉＣブールは、（０００１）結晶面に沿って成長する。ある特定の実施例では、ＳｉＣブールは、ＳｉＣブールのＭ面に沿って成長する。ある特定の実施例では、方法はさらに、ＳｉＣブールの（０００１）結晶面に沿って又はＳｉＣブールの（０００１）結晶面から４度以内に、ＳｉＣブールから複数のＳｉＣウエハを分離することを含む。ある特定の実施例では、方法はさらに、ＳｉＣブールの結晶面の
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11
26
族の１つに沿って複数のＳｉＣウエハをＳｉＣブールから分離することを含む。ある特定の実施例では、ＳｉＣブールは、ＳｉＣブールのＡ面に沿って成長する。ある特定の実施例では、方法はさらに、ＳｉＣブールの（０００１）結晶面に沿って複数のＳｉＣウエハをＳｉＣブールから分離することを含む。ある特定の実施例では、方法はさらに、ＳｉＣブールの結晶面の
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26
族の１つに沿って、複数のＳｉＣウエハをＳｉＣブールから分離することを含む。ある特定の実施例では、ＳｉＣブールは、ＳｉＣブールの結晶面の
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26
族の１つに沿って成長する。ある特定の実施例では、方法はさらに、ＳｉＣブールの（０００１）結晶面に沿って複数のＳｉＣウエハをＳｉＣブールから分離することを含む。ある特定の実施例では、方法はさらに、ＳｉＣブールの結晶面の
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族の１つに沿って複数のＳｉＣウエハをＳｉＣブールから分離することを含む。ある特定の実施例では、ＳｉＣブールを成長させることは、ＳｉＣ供給源材料に、０．９ｇ／ｃｍ
３
から３．２ｇ／ｃｍ
３
の範囲又は０．９ｇ／ｃｍ
３
から２．５ｇ／ｃｍ
３
の範囲又は１．５ｇ／ｃｍ
３
から３．２ｇ／ｃｍ
３
の範囲又は１．５ｇ／ｃｍ
３
から２．５ｇ／ｃｍ
３
の範囲の供給源密度を提供することを含む。ある特定の実施例では、ＳｉＣブールを成長させることは、ＳｉＣ供給源粉末に、０．９ｇ／ｃｍ
３
から３．２ｇ／ｃｍ
３
の範囲又は１．５ｇ／ｃｍ
３
から２．５ｇ／ｃｍ
３
の範囲のタップ密度を提供することを含む。
（【００１１】以降は省略されています）

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