九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1902003A

Ｂ Ｌ 番 号 ： 15（様式第 5 号）
X 線 ト ポ グ ラ フ ィ ー に よ る 4H-SiC ウ エ ハ の 結 晶 欠 陥 評 価 （ I）
Characterization of crystallographic defects in 4H-SiC wafers by X-ray
topography（ I）
児 島 一 聡 1, 2) 、 先 崎 純 寿 1, 2) 、 西 野 潤 一 2)

Kazutoshi Kojima 1, 2) , Junji Senzaki 1, 2) , Junichi Nishino 2 )1)

産業技術総合研究所 先進パワーエレクトロニクス研究センター
Advanced Power Electronics Research Center,
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology2)産 業 技 術 総 合 研 究 所

TIA 推 進 セ ン タ ー 共 用 施 設 運 営 ユ ニ ッ ト
パワーエレクトロニクスステーション
TIA Central Office Open Research Platform Unit Power Electronics Station,
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
※１※２

※３
※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
4H-SiC ウ エ ハ 上 に 形 成 し た ト レ ン チ 構 造 に 対 し て エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に よ り 埋 め 戻し 成 長 を 行 い 、そ の 埋 め 戻 し た 領 域 を 反 射 X 線 ト ポ グ ラ フ で 観 察 し た と こ ろ 、基 板 起 因の 転 位 以 外 は 観 察 さ れ ず 、埋 め 戻 し 成 長 に よ る 新 た な 転 位 の 発 生 は 起 き な い こ と が 明 ら
か に な っ た。

（ English ）Trench structures that were formed on 4H-SiC wafer filled by using the epitaxial
growth technique were investigated by using X-ray topography. As the result, only
dislocations propagated from 4H-SiC wafer in to filled layer were observed. Itindicates that trench filling with epitaxial growth technique does not generate new
dislocations at filled trench areas.

２．背景と目的
電力エネルギー変換を高効率に行うためにワイドギャップ半導体材料の一つとして、４Ｈ型シリコンカーバイド（4H-SiC）を用いたパワーデバイスの実用化が進んでいる。4H-SiC 結晶成長技術の向上により結晶欠陥は低減されつつあるものの、依然として一定程度の結晶欠陥が存在しており、デバイスの特性不良や信頼性低下の要因となることが懸念されており普及拡大への枷となっている。一方、Si に比べてウエハが高コストであることも普及拡大に対する大きな課題となっている。そのため、結晶欠陥の観察をバルク結晶成長、エピタキシャル成長、デバイス開発等の研究者と連携しながら進め、欠陥の性状、発生原因、デバイス性能への影響等の諸問題を解決していく必要と共に SiC のウエハコスト低減に向けた新たな取り組みも求められている。
本研究では 4H-SiC の欠陥評価によって、SiC のパワーエレクトロニクス実用化に必要な課題解決を進めることを目的に 1）貼り合わせ 4H-SiC ウエハ上に作成した 4H-SiC エピタキシャル層の結晶欠陥観察とその低減、2)高濃度ドープバルク p 型 SiC ウエハにおける積層欠陥発生抑制や貫通欠陥制御、
3)4H-SiC 埋め込みエピタキシャル層の結晶欠陥解析、4)標準化として、「SiC エピ/ウエハ欠陥検出法」
に関する国際規格原案作成と IEC TC47 への提案のためのデータ収集を行う。
本報告では X 線トポグラフにより 4H-SiC 埋め込みエピタキシャル層の結晶欠陥解析を行ったのでその結果を報告する。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）形成したトレンチのパターンを図1に示す。トレンチは深さ3μmで幅を10μmから500μｍまで変化させたパターンをボッシュプロセスによりn型4H-SiC 4度オフ基板上に作製した[1]。トレンチを形成したウエハにホットウォールCVD法を用いてp型4H-SiC層をホモエピタキシャル成長させ、トレンチをP型層で埋め戻した。埋め戻した試料は研磨により表面平坦化を行った。
この試料に対してBL-15のビームラインに置いてベルグバレット配置によるX線トポブラフを実施した。入射X線の波長は1.5Å、回折面は(-1-128)、ｘ線の入射角度は結晶表面に対して約5°である。
４．実験結果と考察
図 2 にトレンチ幅 300μｍを P 型 4H-SiC 層で埋め込んだ時の断面 SEM 像を示す。ｎ型基板に形成したトレンチ（暗部）が P 型層（明部）で埋め込まれていることが判る。
トレンチを埋め戻した試料表面を平坦化した後に行った X 線トポグラフ像を図 3 に示す。図 1 に示すパターンがトポグラフ像にも映り込んでいるのがわかる。また、貫通螺旋転位（TSD）、貫通刃状転位（TED）、基底面転位（BPD）に対応する転位像を確認することが出来る。
埋め込みにより生じた PN 界面に注目すると界面近傍で新たな貫通転位の発生は確認できない。BPD についても PN 界面近傍から発生しているものは無く、大部分の BPD がトレンチのパターンを横切るように連続的な像になっていることから、トポグラフ像に映っているBPD は基板起因のものであると考えられる。
以上のことからエピタキシャル成長によるトレンチ埋め戻し成長において埋め戻し領域での新たな転位は発生しないことが明らかになった。

10μm
100μm
300μm
200μm
50μm

500μm

3μm

図 1 トレンチパターン
トレンチ部

Ｐ型

Ｎ型

5μm

図 2 トレンチ幅 300μｍの埋め戻し後の断面ＳＥＭ像10μm 50μm 100μm

200μm

300μm

500μm

N型

TSD

トレンチP型

BPD

TED[11-20]図 3 トレンチ埋め戻し後のＸ線トポグラフ像

５．今後の課題
今回の測定ではトポグラフ像にトレンチのパターンが映ってしまっている。この原因については平坦化不足による表面の凸凹あるいは埋め戻しによりＰＮ接合を形成したことで生じた応力の両方が考えられ、この原因について検討を進める。
６．参考文献[1] 森本剣偲郎、村岡幸輔、児島一聡、黒木伸一郎 第 66 回応用物理学会春季学術講演会 9a-PB3-7(2019)。

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）

８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
4H-SiC、埋め戻し成長、X 線トポグラフ

９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください。提出期限は利用年度終了後 2 年以内です。例えば 2018 年度実施課題であれば、2020 年度末（2021 年 3 月 31日）となります。
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。
① 論文（査読付）発表の報告② 研究成果公報の原稿提出（報告時期：（提出時期：年年月）月）