自動車に使われるパワーデバイス
高良昭彦＊1・横尾秀和＊2・櫻井秀樹＊1, 4・鈴木英夫＊3Power Devices Used in Automobiles TechnologyAkihiko KOHRA＊1, Hidekazu YOKOO＊2, Hideki SAKURAI＊1, 4 and Hideo SUZUKI＊3＊1

Institute of Semiconductor and Electronics Technologies, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa, 253-8543, Japan＊2＊3

Advanced Electronics Equipment Division, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa, 253-8543, Japan

Institute of Semiconductor and Electronics Technologies, ULVAC, Inc., 1220-14, Suyama, Susono, Shizuoka, 410-1231, Japan＊4IMaSS, Nagoya University

Situation surrounding the car industry has changed dramatically. The target of technologicaldevelopment has been shifted to electric vehicle（EV）or full cell vehicle（FCV）. Battery, motor andpower device represent the most essential technologies for EV and FCV. Power device is asemiconductor element which works as a switch to convert the electric power, e.g., metal oxide
semiconductor ﬁeld eﬀect transistor（MOSFET）and insulated gate bipolar transistor（IGBT）. Mostof the current power device technology is based upon silicon（Si）wafer. Silicon carbide（SiC）andgallium nitride（GaN）attract attention as the next generation due to their high voltage resistantproperty with low electric resistance, which is suitable for power device. ULVAC works on productivity
enhancement of thin Si wafer process equipment, ion implantation equipment for SiC, and processdevelopment of activating annealing to form p-type region in GaN power device based upon Magnesium（Mg）ion implantation.

1.

はじめにバッテリとモータ間の相互の電力変換を適正に行うために PCU が用いられている。PCU には IGBT が昨今，車社会を取り巻く環境が変化してきている。

使われている。Metal oxide semiconductor ﬁeld eﬀectこれまでは，車の快適性や利便性が重要視されていた。

transistor（MOSFET）と insulated gate bipolar

しかし，CO 2 による地球温暖化や高齢化による交通transistor（IGBT）は，コストパフォーマンスが高く，事故などのため，環境負荷低減や安全性が重要視され機能，性能が良く駆動回路が簡単で壊れにくいため，て き て い る。そ の た め，世 界 各 国 で plug-in hybrid

パワーデバイスの主役として用いられている。

electric vehicle（PHEV），electric vehicle（EV），

MOSFET は，小容量で高速でスイッチングする用途

full cell vehicle（FCV），等の開発が進められている。に適している。IGBT は，MOSFET のドレイン側に P

その中で重要な車載部品が電池，モータをコントロー層を追加したデバイス構造であり，大電流高耐圧のアルする power control unit（PCU）などのパワーエレクトロニクスである。

2.

パワーエレクトロニクスの応用とパワーデバイス
パワーエレクトロニクスとは，交流や直流を各機器に最適な形に変換する技術であり，Fig.1 のように自動車や家電など幅広く使用されている。自動車がガソリンエンジン車から PHEV，EV などに移行するに伴い，（株）アルバック 半導体電子技術研究所（〒253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園 2500）＊2（株）アルバック 電子機器事業部（〒253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園 2500）＊3（株）アルバック 半導体電子技術研究所（〒410-1231 静岡県裾野市須山 1220-14）＊4
ImaSS 名古屋大学
＊1

Fig.1

Current state of the power device applications

20
Sept ember/2019 No. 83

プリケーションに適している。IGBT は，特性改善の反転するために低加速・高濃度処理をする要求がある。

ために微細ゲート構造と薄ウェーハ化の技術開発が進

従来のイオン注入装置は低加速・高濃度の処理をおんでいる。また，低コスト化のために薄ウェーハの大こなう場合，処理時間が長くなり生産性が低いという径化（200mm → 300mm）の適用も開始されている。

問題があった。「SOPHI - 400」は加速部に新たにレンズ機構を搭載し従来比で 3 倍程度の電流が取得できる

3.

パワーデバイスの材料
パワーデバイスの基板として代表的な物は Si，SiC，ようになり，生産性の向上を実現した。
本 装 置 は 200mm ウ ェ ー ハ で 販 売 し て い る が，薄ウェーハ対応 300mm 装置も販売開始する。

GaN があげられる。現在パワーデバイスの主流は，Siまた，薄ウェーハ対応スパッタリング装置も量産工であり，Si-MOSFET, Si-IGBT 製品が多数使用されて場で数多く使用されている。薄ウェーハの割れを回避いる。Si の大きな利点は，ウェーハ cost が低いことでするための Ni 成膜による応力コントロールをする特ある。Si ウェーハは，1 枚数千 ~ 数万円であるが，長 を 持 つ。こ ち ら の 薄 ウ ェ ー ハ 対 応 300mm 装 置

SiC ウェーハは数万円からと高く，GaN ウェーハに「SME - 300」も販売開始予定である。

至っては，2 インチサイズで数十万と高価である。しかし，次世代のパワーデバイス材料として，Table 1

4.2

SiC 向けイオン注入装置のようにバンドギャップが大きく，絶縁耐圧が高く，SiC は Si よりも拡散係数が非常に小さいため，よりまた電子移動度が大きい SiC や GaN，ダイヤモンドが深い領域へ注入を実現するには熱拡散技術は使用でき期待されている。この特徴を生かして，PCU の小型化，ない。そのため，高加速注入が必要とされている。また，高効率化が可能であり，省スペース化，省エネルギー

4H-SiC 基板を用い高濃度のイオン注入を行った場合，化が可能である。

アニール後に結晶が 3C の結晶構造に転移してしまう
ため高温で注入する必要がある。ただし，低濃度の注

4.
4.1

アルバックの取り組み

入を行う場合は 4H の結晶構造を維持していることがSi-IGBT の対応装置

ストが使用できないため，酸化膜マスク等を使用しな知られている。高温での処理を行う場合はフォトレジ

アルバックでは，1997 年より薄ウェーハ対応 IGBTくてはならない。低濃度での注入の場合は，工程数が向けイオン注入装置（150 ～ 100μm 厚 Si 薄ウェーハ増えてしまうが，常温注入が可能であるためフォトレ対応）を販売している。IGBT の性能向上を目的とし，ジストが使用可能である。また，プロセス的には，高デバイスメーカから薄ウェーハの裏面よりフィールド

濃度注入の場合は高温注入で処理することでの特性改ストップ（Field Stop, FS）層に深い注入層を作る要求善ができることが知られているが，逆に低濃度では低があり駆動電力の損失軽減やスイッチング速度の特性温で処理した方が，特性が良いことも知られている。

改善が求められている。アルバックでは，それに対応したイオン注入装置「SOPHI - 400」（Fig.2）を販売している。リン（P）イオンを 2.4MeV のエネルギーで注入することが可能である。また，本装置では水素（H）を使用した FS 層の形成も可能であり，約 4μｍの深いプロファイルになる。
逆 導 通 IGBT（Reverse Conducting（RC）- IGBT）
は IGBT とダイオードが 1 チップ化になった構造である。薄ウェーハの裏面のコレクタ部の p 型部を n 型にTable 121
TE C HNICAL JOU R NA L

Physical property comparison of various
semiconductor materials

Fig.2

Ion Implantation equipment“SOPHI - 400”

Table 2

4.3

Experimental equipment and conditions

イオン注入による縦型 GaN パワーデバイス

アルバックは，「省エネルギー社会の実現に資する
Fig.3

Ion Implantation equipment“IH - 860PSIC”

次世代半導体研究開発」というテーマで名古屋大学と共同で開発を行い，ＧａＮパワーデバイス市場の拡大に備えている。その中で Mg イオン注入による縦型 GaN

本装置では高温及び冷却プラテンの 2 つのプラテンがp 型層の形成のために，ドーパントの活性化技術につ搭載されており，高温及び常温のプロセスが対応できいて検証を行っている。

るようになっている。

Mg イオン注入後にドーパントの活性化や，注入にまた，本装置の注入エネルギーはシングルイオンをよって発生した結晶欠陥の回復のためにアニールを用い 400keV，トリプルイオンを用いて 1200keV まで行っているが，常圧下では GaN が熱分解して窒素が抜の注入が可能となっている。

ける問題がある。本稿では，世界で初めて成功した超SiC 用イオン注入装置「IH - 860PSIC」Fig.3 は 2019

高圧高温アニールでの p 型活性化について報告する。

年 よ り，イ オ ン ソ ー ス 部 の 改 良 に よ り 従 来 の「IH 860PSIC」のビーム電流に対し，30% 程度の電流アップを実現している。また，レンズ機構の改良が行われ4.3.1

活性化アニールと GaN 分解時の温度圧力状態

Table 2 に示す装置を利用して，GaN 基板にイオン100kV 以下の低エネルギー領域の電流は 200% 程度の注入を行い，常圧下で活性化アニールを行った。アニー

電 流 増 加 を 達 成 し，生 産 性 を 大 幅 に 改 善 し「IH -ル後は，Fig.4 のように GaN が熱分解して，表面荒れ860PSICⅡ」の販売を開始した。

が発生し無数の Ga の塊が見られた。

また，本装置は SiC 基板の反り等にも対応できるよ

Fig.5 に GaN の温度圧力状態図 1）を示す。図からもうになっている。

分かる通り常圧で行う活性化アニール領域（1200℃付「IH - 860PSICⅡ」は GaN 用イオン注入に対応させ近）は，GaN がガリウムと窒素に分解している領域でGaN プロセス向けにも販売していく予定である。

ある。

Ga

Fig.4

GaN substrate surface roughness and precipitation Ga22
Sept embe r/2019 No. 83

GaN temperature pressure state diagram

1GPa

EL and I-V characteristic

GaN(S)
1480℃
Ga(l)+N 2(g)

Fig.5

4.3.2

GaN temperature and pressure state diagram

Mg＋N イオン注入と超高圧アニール

Fig.7

I-V characteristics and EL light emissionとによって，GL を抑制したまま DAP 強度がより増加

イオン注入装置を用いて，GaN に Mg イオン注入をする。Mg のイオン注入に N を共注入することによっ行い，保護膜無しで超高圧高温アニール装置を用いてて，窒素空孔（Nitrogen vacancy, VN）の欠陥補償が活性化アニールを行った。アニール後のサンプルの低可能である。

温 カ ソ ー ド ル ミ ネ ッ セ ン ス（Cathode luminescence,CL）測定を行った結果では，Fig.6 2）のように Mg 活性化の指標であるドナーアクセプタ対（Donor acceptor

4.3.3

Mg＋N イオン注入と超高圧 N2 アニールの電気特性pair, DAP）強度が顕著に増加していた。また，窒素

Mg＋N イオン注入と超高圧 N2 アニールを行った

空 孔 指 標 で あ る グ リ ー ン ル ミ ネ ッ セ ン ス（GreenGaN 基板上に電極を形成して，pn ダイオード作製にluminescence, GL）は，DAP の peak と比較してほとよる I-V 特性確認を行った。Fig.7 2）のように整流特性んど無視できるレベルであった。さらに，Mg＋N イと EL 発光を確認でき，キャリアが形成されているこオン注入と超高圧 N2 アニールの組み合わせを行うことが分かった。また，ホール効果測定では，Mg イオ

Fig.623
TE C HNICAL JOU R NA L

low-temperature CL spectraFig.8Temperature dependence of Hall eﬀect measurement

ン注入と超高圧アニールにより活性化され，アクセプ

文献

タが形成されていることが実証された。

1）J. Karpinski et al.: J.Cryst.Growth 66,（1984）1

ホール効果測定の温度依存性を Fig.8 2）に示す。キャ2）H. Sakurai, M. Omori, S. Yamada, Y. Furukawa, H.

リア濃度，移動度ともに p 型 GaN エピ膜と同等の傾Suzuki, T. Narita, K. Kataoka, M. Boćkowski, J.

向を示した。

Suda and T. Kachi: Advanced Program, Int.
Workshop on SPIE2019 PHOTNICS WEST OPTO4.

まとめ

Session6: Doping 10918-30

自動車におけるパワーデバイスの占める領域が大きくなっている。その中でアルバックは，Si-IGBT デバ
イス，SiC デバイスなどのパワーデバイスの作製に必要なイオン注入装置の販売を行っている。また，GaNデバイス向けには，イオン注入を用いた活性化プロセスの検証を行っており，社会に貢献するため，未来に向けた装置開発を行っている。

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