富岳成果創出加速プログラム
省エネルギー次世代半導体デバイス開発のための量⼦論マルチシミュレーション
第⼀回ミーティング

SiC-CVDのミクロ機構
⽩⽯賢⼆, ⻑川 健太

SiC成⻑法
SiCウェハ作成の課題:
⽣産コスト(成⻑速度+連続成⻑+⼤⼝径)と⽋陥 (VC,キラー転位)の低減
⽬的に応じて様々な成⻑法が研究されている

恩⽥ 博⼠論⽂(2012)SiCガス成⻑法・エピタキシャル成⻑(CVD法)
絶縁性基板上で1100~1900℃で(0001)⾯上に再成⻑を⾏い,body層(drift層)を形成する。
・原料ガス:SiH4+C3H8+キャリアガス(H2)・添加ガスにHClを導⼊することで⾼品質+⾼速成⻑を⽬指す
試みも⾏われている(HCVD) 。
: SiH3Cl,SiH2Cl2, SiHCl3などを原料としてHCVDを⾏う場合もある: HClを導⼊することでCVD成⻑より成⻑温度が低くなる(~1600℃)

⾮常に⾼温であるためガス反応や表⾯構造を実験では直接観察するのは困難→数値計算を⽤いて, HClの有無や温度の変化によりどのように変化するかを検討する

研究⽬的
・現在⾏われているHCVD成⻑条件:温度・流⼊ガス分圧⽐・全圧ではどのようなガスが主成分として⽣成されているのか？
・ HCVD成⻑とCVD成⻑の違いは何か？
:HClの添加は結晶成⻑にどのような影響を及ぼすのか？
→実際のHCVD実験を再現した条件で含有ガスの平衡分圧を求める
ことで議論する

想定するガス種を全て含む化学反応を組み⽴て、その平衡定数の連⽴⽅程式を解くことで決定できる

HCVD環境下で想定するガス種
流⼊ガス: SiH4+ C3H8+H2+HClがどのようなガスに変化するか？

・考慮する分⼦種:28個
Si-H系(7個): Si, Si2, Si3, Si4, SiH4, SiH2, Si2H6
C-H系 (5個): C3H8, C2H6, C2H4, C2H2, CH4
Si-C系 (2個): Si2C, SiC2
Si-H-Cl系(5個): SiCl2, SiCl4, SiH3Cl, SiH2Cl2, SiHCl3
C-Cl系 (5個): C3Cl8, C2Cl6, C2Cl4, C2Cl22, CCl4
other: (4個): N2(Inert gas), H2, Cl2, HCl
Point1:原⼦状⽔素(H)を化学反応に考慮しない
Point2:⾼温プロセスなので分解反応が主に発⽣すると想定

これらの分⼦種を含む23個の化学反応式を組み⽴て、拘束条件;
1.全圧⼀定, 2.Siの質量保存, 3.Cの質量保存,4.Clの質量保存, 5.Hの質量保存,のもとで、連⽴⽅程式を解き平衡分圧を決定する。

拘束条件:流⼊ガスの設定
・温度を1200℃~2000℃から変化させ、各温度での平衡分圧を求め主⽣成物が何かを明らかにする実験のHCVD条件を再現したに流⼊ガスの分圧を設定
Y. Daigo, et al., JJAP 58, SBBK06 (2019)
HCVD条件:HClあり

温度依存性:1200℃~2000℃
流⼊ガス条件:
全圧:0.264 atm
PSiH4=0.00062 atm, PC3H8= PSiH4×0.45, PH2= PSiH4/ (2.36×10! ), PN2=1.68×10"# atm
PHCl=PSiH4×10

HCVD条件:HClあり

PSiH4=0.00062 atm, PC3H8= PSiH4×0.45, PH2= PSiH4/ (2.36×10! ),PHCl=PSiH4×10, Ptot=0.264 atm

Siを含む⽣成ガスの平衡分圧
-2
0.01
10(a)

SiCl2
Si2C

0.000110-4(b)

-6
1x10
10-6

1x10
10-6-6SiH4

1x1010-8-8-10

SiC2

Si2

SiH3ClSi4
Si3

SiH2Cl2SiHCl3

C2 H 2

Si2CC2 H 410-8-8
1x10
SiC2

C2 H 6-10-101x1010

SiCl4-12-12
1x1010-12

1x1010-12Si2H61x1010-141200
1200

CH40.0001
10-4SiSiH2

1x1010-10

Equilibrium partial pressure (atm)

Equilibrium partial pressure (atm)0.01-210Cを含む⽣成ガスの平衡分圧

C3 H 8
C2Cl210-14
1x10
1200
1200-14-14

1400
1400

1600
1800
1600
1800
Temperature (℃)

2000
2000

1400
1400

1600
1800
1600
1800
Temperature (℃)

2000
2000

・計算した全温度域においてSiH4原料ガスはSiCl2になる.
→Si2Cと⽐較してもSiCl2は⾮常に安定なガスである
・Si系とC系のガスの反応が進⾏せず、C2H2とCH4がC系の主⽣成物となる

HCl 存在下での表⾯構造はどうなるか？
エピタキシャル成⻑を考えてSiC(0001)⾯の表⾯構造を考察する
考慮するガス: SiCl2, H2, HCl, C2H2
これらのガスが表⾯に吸着して再構成構造を形成すると仮定する。
温度とガス分圧を変更した際に、どの構造が最も形成⾃由エネルギーが⼤きくなるかを計算する
単位⾯積当たりの再構成構造の形成エネルギーにより⽐較*×,

𝐸!"#$ 𝑇, 𝑃 =.%("/ .%("#/𝜇𝑇, 𝑃-

𝐸#%&"'() + ∑- 𝑛-*×,

1.("#/ 1.("#/𝜇3− 𝐸0.%12 − ∑3 𝑛3𝑇, 𝑃3𝐴(*×,)

温度設定:1500℃~2000℃
ガス分圧設定: P$% ⁄P&'()% = 10 − 1000,PH2=0.25 atm, P(%$% /P&'()% = 1.35:実験よりもC-richな条件, PH2/PSiCl2=40,考慮する再構成表⾯構造
2×2 ,( 3× 3)構造はhollow siteにSiまたはCが1つ吸着した構造.
3×3 構造は13個のSi原⼦が3層構造をなす構造

SiC ideal + SiCl, + H, → 2×2 Si + 2HCl
SiC ideal + SiCl, + H, →3× 3 R30- + 2HCl

Si吸着構造SiC ideal + 13SiCl, + 13H, → 3×3 Si + 26HCl
11
SiC ideal + C, H, → 2×2 C + H,
22
SiC ideal + HCl → 1×2 HCl
1
SiC ideal + H, → 1×1 H
2C吸着構造HとCl吸着構造
H吸着構造

2000(b)ideal surface

1900

Temperature (℃)

face

SiC(0001)再構成表⾯構造の分圧-温度依存性

1800

2×2 Si3× 3 R30°

1700
実験

1600

103

1500
101

1×1 H102
H2/SiCl2 ratio103

実験条件では 2×2 Si終端構造が発⽣している

まとめ
・CVD条件:HClがない場合にはSi原⼦のクラスタリングが発⽣しSi3, Si4, Si2CのようなSiが多数含まれる分⼦が安定化する。
・HClの導⼊により(HCVD条件) ではクラスターが発⽣せず、ほぼ全てがSiCl2が安定な分⼦となる。
・HCVD環境下(SiCl2とH2ガスが存在する場合)ではSiC(0001)表⾯は(2×2)SiのSi終端構造となっている。