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 ： 2205038Ｓ

Ｂ Ｌ 番 号 ： 07

（様式第 5 号）

X 線 CT に よ る 4H-SiC SJ 構 造 内 部 の ボ イ ド 観 察
Observation of Voids in 4H-SiC SJ structures by using X-ray computed tomography
児島一聡、紀世陽、山口博隆
Kazutoshi Kojima , Ji Shiyang , Hirotaka Yamaguchi
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 Technology

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※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 の ト レ ン チ の CVD 埋 め 戻 し 成 長 に お い て 、ト レ ン チ 端 部 に は ボ イ ド 欠 陥 が 発
生 し や す く 、リ ー ク 電流 の 経 路 に る こ と が 分か っ て い る 。通 常 、ドラ イ エ ッ チ ン グ に よる ボ イ ド を 除 去 す る 特 別 な プ ロ セ ス が 必 須 で あ る 。そ し て 、ボ イ ド 欠 陥 の 位 置 と ３ 次 元
形 状 を 把 握 す る こ と が 不 可 欠 な プ ロ セ ス 情 報 で あ る た め に 、マ イ ク ロ X 線 コ ン ピ ュ ー ター 断 層 撮 影 （ X 線 CT） に よ っ て 、 端 部 ボ イ ド の 諸 空 間 寸 法 を 求 め て 、 ボ イ ド 欠 陥 の 3次元形状を同定することができた。
（ English ）During the 4H-SiC trench filling by CVD, the voids-defect always happens on thelongitudinal edges of trenches. That king of voids-defect has been found to be thepath of leakage-current for a final device. In general, an extra process step ofremoving those voids by dry-etching is necessary. Thus, the dimensional size ofvoids is thought to be pre-requisite for proceeding a removal process. By using
micro X-ray computed tomography method, all parameters relevant to the spatial
shape of the voids on the trench edges have been obtained and the corresponding 3D
images have been constructed.

２．背景と目的SJ 構造を用いた 4H-SiC デバイスは材料物性で決まる理論限界を超えてさらなる低損失化が可能となり、その実用化が期待されている。SiC は不純物の拡散係数が小さく Si-SJ（CoolMOS）で用いられているエピ/イオン注入を繰り返すマルチエピタキシャル法を用いることが難しく、エピタキシャル成長を用いたトレンチ埋込技術により SJ 構造を作製する必要がある。産総研では Line&Space のトレンチを用いて 4H-SiC SJ 構造の作製に成功している。しかしながら Line&Space のトレンチ端部において高い確率でボイドが発生する。このボイドは幅数ミクロン、長さ数 10～100μｍ、深さ 10～15μｍのサイズを持ち逆方向電圧印加時のリーク源になることが予想され SJ デバイスの特性・歩留まりに影響を与えてしまう。このボイドはトレンチ埋込時の成長表面でのオーバーラップにより成長表面側が閉塞、トレンチ内部に原料が供給されないことにより生じる。そのため成長表面から見ると一見ボイドが無いように見えてしまう。そのため現状では FIB 加工を用いた断面観察によりボイドの有無を確認するしか方法が無い。FIB 加工を行ったウエハはプロセスを行うことが出来なくなってしまう。そのためこの 4H-SiC SJ デバイス実用化に向けては非破壊でトレンチ端部のボイドの観察をする必要があり、そのための第一歩として X 線 CT を用いた 4H-SiC SJ 構造内部のボイド観察を行う。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
試料はトレンチ埋込方法で作製した4H-SiC SJウエハで厚さ350μｍの4H-SiC基板に深さ12μmのトレンチを形成して埋め込んだものを使用したX線CTはBL-7のビームラインにおいて（1）15mm 角のトレンチ埋込方法で作製した 4H-SiC SJ ウエハの透過コントラストイメージングによって空隙（ボイド）の検出を試みた。
（2）ボイドを含む部分を切り出した1mm角の試料についてCT撮影をおこない、画像処理ソフトによりCTデータの再構成・解析作業を行ってボイドの非破壊観察を試みた。
４．実験結果と考察
図 1 はあるピッチを持つトレンチの埋め戻し成長前と成長後の光学顕微鏡図とそれぞれ方向の X線 CT 像を示している。成長の前にトレンチ構造の端部とサンプル表面を明らかに区別できた。成長後の試料表面は、巨大なステップバンチングのような厚いエピ層で覆われている。顕微鏡像ではトレンチ端部は区別することはできないので、試料の内部にボイドがあるかどうかは判明できなかった。
図 1 の X 線 CT 像の水平断面図は、ウェハ表面と平行な CT 画像をスライスしたものである。トレンチ端部付近にエピ膜の下にボイド欠陥を確認することができた。トレンチ垂直方向の X 線 CT 像断面図には、ボイド横方向幅を示している。水素エッチングによって、成長前のトレンチ幅より細くなっても、繋がっていないことが確認できる。また、トレンチ方向に沿ってスライスした X 線 CT 像からはボイドの長さは約～40μm、深さ約～20μm であることが判った。トレンチ埋め戻し成長初期にボイドがトレンチ端の底部から発生すると考えられる。図 2 は、X 線 CT の画像データから作成した3 次元可視化モデルであり、ボイド欠陥の形状と寸法の立体的な画像として把握できる。これらの X線 CT 像は、トレンチ埋め戻し成長やデバイス加工には有効な評価方法と考えられる。

図 1 埋め戻し成長したトレンチ光学顕微鏡写真と X 線 CT 像

６．参考文献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）
3D 構造図
図 2 トレンチ端部を内部可視化した
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、CVD、 X 線 CT、埋め戻し成長、欠陥評価

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：2024 年 3 月）
（提出時期：年月）