エレクトロニクス

低欠陥6インチ SiC エピタキシャル基板“EpiEra”
High-Quality 6-inch SiC Epitaxial Wafer “EpiEra”＊和田圭司

Keiji Wada

Takemi Terao

寺尾岳見

Takaya Miyase

宮瀬貴也

堀土井秀之

古米正樹

勉

Tsutomu Hori

Hideyuki Doi

Masaki Furumai

再生可能エネルギーや電気自動車など電力供給と利用の多様化が進み、電力変換に用いられるパワー半導体の役割がより重要となってきている。現在広く普及しているパワー半導体の材料はシリコン（Si）であるが、高効率化が実現できるシリコンカーバイド（SiC）の実用化が進んできている。最近では100 A を超える電流容量の大きいモジュールも市販されてきており、電力損失低減へ用途拡大が期待されている。併せて SiC 基板の口径も拡大し6インチの実用化が進展し、その材料面への高品質化も求められてきている。ウエハ上に作製される半導体素子の均一性や歩留りを左右するのが SiC エピタキシャル成長層である。当社は独自のシミュレーション技術を活用し成長技術開発を進めてきており、既にエピタキシャル基板の量産を開始している。本稿ではエピタキシャル成長層における濃度と膜厚の高い均一性を実現し、同時にデバイス性能に悪影響を与える結晶欠陥の大幅な低減を実現したことを報告する。

Power devices have been essential to significantly advance efficient electric power use mainly for a future electric network
society that will use versatile energy sources such as renewable energy resources and electric vehicles. SiC power devices
are expected to be a key for power conversion systems to cut back electric power loss. To achieve large chip dies used inhigh current ratings, the wafer size of SiC substrates has increased, requiring precisely controlled fabrication processes. The
epitaxial layer used for the drift region in a device structure strongly influences the device performance, entailing to therequirement of epitaxial defects reduction as well as the precise control of doping concentration and thickness for stablechip production. We have successfully demonstrated an extensive defect-free epitaxial layer with an excellent doping
concentration and thickness uniformity on a 150-mm diameter 4H-SiC substrate.
キーワード：シリコンカーバイド、パワーデバイス、エピタキシャル成長

1.

緒言SiC エピタキシャル層である。SiC 基板上に形成されるエピ温室効果ガス削減に向け化石燃料の消費を抑えるため、タキシャル成長の膜厚や不純物濃度の均一性は、デバイス太陽光や風力といった再生可能エネルギーの利用が進んでの耐圧やオン抵抗の特性分布に影響するため、これらにはおり、また事業所や家庭での蓄電池や電気自動車も広がりウエハ面内での高い均一性が求められる。一般に SiC のエを見せてきている。同時にこれらの電力網がネットワーク

ピタキシャル成長層は化学気相堆積法（CVD）により形成化され監視システムの元で最適化が図られるなど、発電かされる。その成長温度は通常1500℃を超える高温環境で行ら消費までの電力利用はこれまでになく多様化してきていわれる（2）。つまり Si 融点を超える高温環境で作製されるたる。発電供給から消費までには多くの電力変換がパワー半め、Si 半導体製造技術に比べて研究開発の歴史が浅く、概導体により行われるが電力の利用効率を高めるために、現して大口径化や複数枚同時処理に対応した高温環境での均在主に用いられている Si 半導体から、より高効率な SiC を熱化や安定化のプロセス技術には課題も多い。例えば、SiC用いたパワーデバイスの実用化が進んできている（1）。近年のエピタキシャル成長においては、図1に示すような異物欠は、SiC パワーデバイスを用いた100 A を超える比較的電陥（ダウンフォール）や三角欠陥と言われるエピタキシャ流容量の大きいパワーモジュールが市販されてきており、ル表面上に現われる結晶欠陥が形成される場合がある（1）。

電力損失の低減のため、SiC デバイスのパワーエレクトロニ

これらはデバイス性能の著しい低下を引き起こすため「デバクス機器への採用進展が期待されている。併せて SiC 基板

イスキラー欠陥」と言われ、ウエハ面内での発生密度を可も口径が拡大してきている。6インチウエハが実用化してお能な限り抑えることが重要である。また、通常用いられるり、大電流デバイスを実現する素子の大面積化に向けて、昇華再結晶法により作製された SiC 基板には貫通刃状転位

安定性や信頼性の見地から SiC の材料面における高品質化や貫通螺旋転位、基底面転位（Basal Plane Dislocation：の要求も高まってきている。ウエハ上に作製されるトランBPD）あるいはそれらの混合転位が数百 cm-2から数千 cm-2ジスタやダイオードの性能均一性や歩留りを左右するのが含まれている。それらの中でも、基底面転位がエピタキシャ

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ル成長層に引き継がれた場合、その上に作製されたデバ

2－2エピタキシャル成長層評価

スはバイポーラ通電動作における少数キャリアの再結合過SiC エピタキシャル成長層の膜厚および不純物濃度は、そ程において基底面転位から積層欠陥が誘発され、性能が損れぞれフーリエ変換赤外分光光度計（FTIR）による光学干なわれることが知られている（3）。従って、基板に含まれる渉解析から膜厚を、容量電圧測定（CV 測定）による空乏層

基底面転位はエピタキシャル成長において、一般に無害と解析から不純物濃度を求めた。またエピタキシャル成長層考えられる貫通刃状転位への転位転換プロセスが行われ表面の結晶欠陥は、ステージ機構を有する共焦点顕微鏡にる（4）。

より観察およびカウントを行った。基板から伝搬した基底

本稿では6インチウエハの複数枚同時成長によって作製したエピタキシャル成長層の不純物濃度、膜厚の高い均一面転位については、室温でのフォトルミネッセンス（PL）イメージング測定による発光観察を行い評価した。

性と、上述した結晶欠陥を低減し高い安定性を同時に実現したことについて報告する。

3.

シミュレーションによる温度分布考察

6インチ基板が設置される領域の温度分布を、熱流体シミュレーションにより検証考察した。図3は、6インチ基板がセットされる回転サセプタ領域の温度分布を示したも100 µmのである。エピタキシャル成長中は回転しているサセプタ(a) ダウンフォール

図1(b) 三角欠陥

SiC エピタキシャル成長層の主な欠陥に対して、無回転の場合の温度分布シミュレーション結果を（a）に、通常の回転状態での温度分布を（b）に示す。
（a）からわかるように、原料ガスが導入される上流側の温度が主に水素キャリアガスにより冷やされ温度が低くなっていることがわかる。一方で回転効果によってサセプタ面

2.

SiC エピタキシャル成長用 CVD

2－1内の温度差は小さくなるものの、サセプタ径方向の外側で温度が低い傾向は残存することがわかる。またサセプタの

ホットウォール CVD 装置

SiC のエピタキシャル成長は6インチ基板が複数枚同時に成長できるホットウォール型の CVD 装置を用いて行われた。図2はホットウォール CVD の模式図を示したもので

(°C)

1680

ある、石英チャンバー内部に、高周波誘導加熱によって加熱されるグラファイト製のサセプタが設置されており、その周囲は断熱材で覆われている。SiC 基板は回転機構を有する円盤状の回転サセプタ上に設置される。成長温度は約Gas

1650℃で、原料ガスにはモノシランおよびプロパンを用いた。水素キャリアガスを供給し、ドライポンプで減圧排気する減圧 CVD により、エピタキシャル成長は行われた。

1480

Wafer position (150 mm)(a) 無 回 転(°C)

1680

回転SiCGas

図2

ホットウォール CVD 装置模式図

1580

Wafer position (150 mm)(b) 回 転図3 シミュレーション計算により求めた温度分布54

低欠陥6インチSiCエピタキシャル基板“EpiEra”

中央付近では回転軸による抜熱によるものと考えられる温三角欠陥などは、基板上への異物の落下堆積を避けるため度低下が見られる。の炉内清浄化や、原料ガス導入時すなわちエピタキシャル成長開始時の成長表面の安定化ならびに適正化を図ること

4.

高品質 SiC エピタキシャル基板“EpiEra”

4－1

99％キラー欠陥フリー高品質 SiC 成長層により、基底面転位と同等あるいはそれ以下の低い密度に抑えることができた。図5で示している、キラー欠陥マップにおける、ダウンフォール欠陥と三角欠陥の平均値はそPL イメージング測定によりエピタキシャル成長層の基底れぞれ、0.05 cm-2、0.08 cm-2であった。

面転位の評価を行った。昇華再結晶法により作製された基板に存在する基底面転位は、熱的な歪応力により生じると考えられている（5）。本開発で用いた6インチ SiC 基板に含まれる基底面転位密度は1000 cm-2から3000 cm-2程度でTriangularある。一般に、基板表面に現われている基底面転位は、エDown-Fall

ピタキシャル成長時に転位の鏡像力が減じる方向に作用しやすいため多くは貫通刃状転位へと転換されることが知られているが、すべての基底面転位が貫通刃状転位へと転換されるわけではなく、エピタキシャル成長の成長条件にも依存する（6）。図4（a）は作製したエピタキシャル成長層をPL イメージング測定後にカウントした基底面転位の面内分布図である。エピタキシャル成長層に基底面転位が伝搬しやすい場合は、エピタキシャル成長に含まれる基底面転位

図5

SiC エピタキシャル成長層の欠陥カウントマップ

密度は20 cm 以上と大きな値を持つ。また、その伝搬領-2域は基板の温度分布における高温領域と相関が強いことが
図3で示した基板温度分布との比較から窺える。昇華再結晶法による基板作製の場合と同様、結晶成長時の熱的な歪4－2欠陥低減の安定性の影響を受けた結果と類推される。しかし一方で、図4（b）

図6は、BPD およびデバイスキラー欠陥を低減したエピに示すように、成長初期に緩衝層を導入して貫通刃状転位

タキシャル成長プロセスの安定性を評価するために、6イへの転換が支配的な成長駆動力を改善することで、エピタンチ基板上のエピタキシャル成長層20枚についての欠陥密キシャル成長層における基底面転位密度は0.1 cm 以下に度の評価を行った結果を、正規分布プロットで示したもの抑制することができた。この場合、PL イメージング測定のである。いずれの欠陥も20枚における平均値は0.1 cm-2を観察視野2.6 × 2.6 mm2にてウエハ面内を区画した場合の下回っており、プロセス安定性が高いことがわかる。同様

基底面転位のない領域、つまり無欠陥領域（Defect Freeに基底面転位密度の平均値は0.1 cm-2であった。実際には欠-2Area：DFA）は99.9％と非常に高い値を示した。
同様に、成長プロセスと装置環境の最適化によりキラー欠陥の大幅な低減を進めることができた。冒頭述べたように、SiC エピタキシャル成長の高温環境において行われ、原3の副生成物や、それらを含む異物を起因とした欠陥である
ダウンフォール欠陥、あるいはまた内部に積層欠陥を伴う≧１≧54321

Standard deviation (sigma)

料ガスの分解反応から反応初期に生成される多結晶 SiC 等
210

図4Triangle-1

BPD-2-3(a) 改 善 前

Down-Fall

00.2

0.3

0.40.5

Defect density (cm-2)(b) 改 善 後

SiC エピタキシャル成長層の BPD カウントマップ

0.1

図6

デバイスキラー欠陥低減の安定性評価

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陥総数とその分布が、その上に作製される SiC パワーデバイ～ 8.4 × 1015 cm-3の範囲で留まっている。σ／平均ではスの素子面積に応じた性能分布や歩留りに影響を与える。

2.2％の値が得られており、6インチ基板を用いた複数枚同本研究で評価した典型的なエピタキシャル成長層について時成長における濃度の均一性としては極めて高い値を示しは、例えば2 × 2 mm の素子面積では99％が、5 × 5 mm（8）。ている（7）、22の素子面積相当では98％が無欠陥領域として得られた。
4－3エピタキシャル成長層の膜厚・濃度均一性

ウエハ上に作製される素子の耐圧やオン抵抗といった特5.

結言性分布への影響からエピタキシャル成長層の膜厚および濃6インチ SiC 基板を複数枚同時成長のできるホットウォー

度の均一性は全面での高い均一性が求められる。概して基板

ル CVD を用いて、エピタキシャル成長を行い成長の評価をの外周部は境界領域に当り温度の変化やそれに伴う反応ガ行った。基板に含まれる基底面転位は極めて高い効率で貫ス種の変化が大きく、特に不純物濃度が変化しやすい（5）。

通刃状転位へと転換することが可能であることを示した。

当社ではシミュレーション解析を基に成長中のガス温度分また、デバイス性能に影響の大きい SiC エピタキシャル成布を分析し独自の成長プロセス開発を進めてきた。図7、8長層に見られる結晶欠陥を安定的に低減することで、欠陥は6インチ基板上へ設計上の厚みと濃度が、それぞれ10の含まれない無欠陥領域を高めることができることを示し

cm のエピタキシャル成長層を行った場合た。これらと併せて、ウエハ面内に製造される素子の均一の膜厚分布と濃度分布を面内41点で計測したものである。

性に重要なエピタキシャル成長の膜厚および不純物濃度に膜厚については、平均値は10.1 µm であり全面においてついても高い均一性が得られており、SiC デバイスの大電9.9 ～ 10.6 µm の範囲で制御されており均一性は非常に高流化に向けて、素子の大面積化並びに信頼性の獲得に向けい。σ／平均は1.9％の値を示した。一方で、濃度についてて大きく貢献するものと考えられる。

µm、8 × 10

15-3は、平均値は8.1 × 1015 cm-3、全面において7.6 × 1015
・EpiEra は住友電気工業㈱の登録商標です。

14.0

Thickness (µm)

12.0
参

10.0
8.0
6.0(Max-Min)/2Ave. = +/-3.8%
sigma/ave. = 1.9 %-75-50-250255075

Distance from wafer center (mm)図7

エピタキシャル成長層の膜厚均一性

Doping density (x1015 cm-3)

10.0
9.0
8.0
7.0(Max-Min)/2Ave. = +/-4.8%
sigma/ave. = 2.2 %6.0
5.0-75-50-2502550

Distance from wafer center (mm)図856

エピタキシャル成長層の濃度均一性

低欠陥6インチSiCエピタキシャル基板“EpiEra”

75

考文

献

（1） T. Kimoto, “Material science and device physics in SiC
technology for high-voltage power devices,”Japanese Journalof Applied Physics, Vol. 54, 04013（2015）（2） T. Kimoto, S. Nakazawa, K. Hashimoto, and H. Matsunami, Appl.
Phys. Lett. 79, 2761（2001）（3） Y . S u g a w a r a , “ R e c e n t p r o g r e s s i n S i C p o w e r d e v i c edevelopments and application studies,” Proceedings ofInternational Symposium on Power Semiconductor Devices andICs（April. 2003）（4） R. E. Stahlbush, B. L. VanMil, R. L. Myers-Ward, K. K. Lew, D. K.
Gaskill, and C. R. Eddy, Jr., "Basal Plane DislocationReductionin 4H-SiC Epitaxy by Growth Interruptions,”Applied Physics
Letters, Vol. 94, 04916（2009）（5） S. Ha, M. Skowronski, W. M. Vetter, and M. Dudley,“Basal planeslip and formation of mixed-tilt boundaries in sublimation-grown
hexagonal polytype silicon carbide single crystals,”Journal ofApplied Physics, Vol. 92, 778（2002）（6） T. Ohno, H. Yamaguchi, S. Kuroda, K. Kojima, T. Suzuki, K. Arai,“Influence of growth condition on basal plane dislocation in
4H-SiC epitaxial layer,”Journal of Crystal Growth, Vol. 271, 1（2004）（7） T. Höchbauer, M. Leitner, R. Kern, M. Künle,“SiC Epitaxial
Growth in a 7x100mm / 3x150mm Horizontal Hot-Wall Batch
Reactor,”Material Science Forum Vols 821-823, pp 165-168（2015）（8） M. O'Loughilin, A. Burk, Jr., D. Tsvetkov, S. Ustin, and J. Palmour,“Advances in 3x150 mm-Hot Wall and 6x150mm Warm-Wall
SiC Epitaxy for 10kV-Class Power Devices,”Material ScienceForum, Vol. 858, pp 167-172（2016）

執筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

和田圭 司＊ ：パワーデバイス開発部

グループ長

寺尾

岳見

：解析技術研究センター
博士（工学）

主査

宮瀬貴也：パワーデバイス開発部

堀勉：パワーデバイス開発部

土井秀之：パワーデバイス開発部
部門スペシャリスト

古米正樹：パワーデバイス開発部

主席

部長ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

2018 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 193 号57