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 ： 2201155R

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL09

（様式第 5 号）

キラー欠陥自動検査システム構築に向けたパワーデバイス半導体
結晶の X 線トポグラフィ法による欠陥評価

Defect evaluation of semiconductor crystals for power devices by X-ray
topography toward construction of automatic inspection system for killer defect原田 俊太

Shunta Harada
名古屋大学

Nagoya University
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※２

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※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
次 世 代 の パ ワ ー デ バ イ ス 材 料 と し て 注 目 を 集 め い て い る 炭 化 ケ イ 素 （ SiC） 基 板 に は 、10 3 -10 5 個 /cm - 2 の 転 位 が 含 ま れ て お り 、 こ の 中 の 一 部 の 欠 陥 が 「 キ ラ ー 欠 陥 」 と し て 、デ バ イ ス の 特 性 や 信 頼 性 に 影 響 を 与 え る こ と が 知 ら れ て い る 。キ ラ ー 欠 陥 の 特 定 の た めに は 、半 導 体 基 板 の 転 位 の 種 類 と 位 置 の 特 定 を 行 い 、デ バ イ ス の 特 性 と の 相 関 を 明 ら かにする必要がある。このためには、高い分解能で広い面積に対して高速で、非破壊の欠陥 評 価 を 行 う 技 術 が 必 要 と な る 。本 研 究 で は 、放 射 光 X 線 ト ポ グ ラ フ ィ と 複 屈 折 イ メ ージ を 比 較 し て 対 応 関 係 を 解 明 す る こ と に よ り 、偏 光 観 察 に よ る 半 導 体 結 晶 中 の キ ラ ー 欠
陥 検 査 シ ス テ ム を 構 築 す る た め に 、大 型 の 原 子 核 乾 板 を 製 作 し 、高 解 像 度 で 6 イ ン チ SiC
基板の X 線トポグラフィ撮影を行い複屈折イメージにおけるコントラストの位置との対応を確認した。
（ English ）Silicon carbide (SiC) substrates, which are attracting attention as next-generation powerdevice materials, contain 10 3 -10 5 cm -2 dislocations, and some of these defects are referred toas "killer defects." , It is known to affect the characteristics and reliability of the device. In
order to identify killer defects, it is necessary to identify the type and position of dislocations
on the semiconductor substrate and clarify the correlation with the characteristics of thedevice. For this purpose, a technique for performing non-destructive defect evaluation withhigh resolution and high speed over a wide area is required. In this study, X-ray topography ofa 6-inch SiC substrate is used to construct a killer defect inspection system in semiconductor
crystals by polarization observation by comparing synchrotron radiation X-ray topography andbirefringence images to clarify the correspondence. Photographs were taken to confirm thecorrespondence with the position of contrast in the birefringence image.
２．背景と目的
あらゆる半導体デバイスにおいて、結晶欠陥は特性や信頼性に影響を耐えるため、生産性（歩留り）を低下させる原因となる。このため高品質の半導体基板が求められている。シリコン（Si）基板は高品質の結晶成長手法が確立されているため、無転位のウエハを製造する技術が確立しているが、それ以外の半導体基板には多くの転位が含まれており、無転位を前提としたデバイスの製造は現状では不可能である。例えば、次世代のパワーデバイス材料として注目を集めいている炭化ケイ素（SiC）基板には、103-105 個/cm-2 の転位が含まれており、この中の一部の欠陥が「キラー欠陥」として、デバイスの特性や信頼性に影響を与えることが知られている。キラー欠陥の特定のためには、半導体基板の転位の種類と位置の特定を行い、デバイスの特性との相関を明らかにする必要がある。このためには、高い分解能で広い面積に対して高速で、非破壊の欠陥評価を行う技術が必要となる。しかし、これらすべてを満足する半導体欠陥評価装置は現状では存在しない。偏光観察による複屈折イメージン
グでは、応力によって複屈折が変化する光弾性効果により、転位に伴う応力分布を観察することが可能であり、複屈折イメージから転位の種類を判別することが原理的には可能である 1。また、光学的な観察手法であるため、非破壊で高速の観察が可能である。本研究では、放射光 X 線トポグラフィと複屈折イメージを比較して対応関係を解明することにより、偏光観察による半導体結晶中のキラー欠陥検査システムを構築することが目的である。これにより、SiC をはじめとするパワーデバイス半導体の生産性が向上し、社会実装を加速させることにより省エネルギー社会の実現に貢献する。

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
複数の製造メーカの6インチSiCウエハのX線トポグラフィ観察を行った。波長約1.5Åで11-28回折を用いて、エネルギースキャンにより製作した6インチサイズの原子核乾板を用いて結晶全面の測定を行った。得られた6インチ全面を、自動ステージ顕微鏡で電子データの取り込みを行った

４．実験結果と考察
Fig. 1 に 6 インチウエハの X 線フィルムの写真を示す。6 インチウエハのほぼ全面において X 線トポグラフィ像を取得することができた。測定に要した時間は、ビームのフラックスやウエハの品質などにもよるが、約 1-2 時間で 1 枚の撮影を行う事ができた。Fig. 2 に X 線フィルムを顕微鏡で観察した

X 線トポグラフィ像を示す。線上のコントラストとしてあらわされる基底面転位、点状のコントラストとしてあらわされる貫通転位が結像されている。特にこれまでの X 線フィルムでは観察できなかった貫通刃状転位が鮮明に観察できている。複屈折像と比較を行う事で、その対応関係を調べることができる。今回の測定で、複数の製造メーカのウエハの観察を行い大面積で画像を取得することができ、ビックデータを収集することができた。これらのデータと像シミュレーションを融合してキラー
欠陥判定アルゴリズムを構築する。

５．今後の課題
今後、6 インチウエハ全面において X 線トポグラフィと偏光観察の対応を確認し、キラー欠陥自動検査システムを構築する。
６．参考文献1. A. Kawata, K. Murayama, S. Sumitani, and S. Harada, Jpn. J. Appl. Phys. 60, 6 (2021).

Fig. 1. 6 インチ SiC ウエハの X 線トポグラフィ像を撮影した原子核乾板。

Fig. 2. 6 インチ SiC ウエハの X 線トポグラ
フィ像。

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）

1. A. Kawata, K. Murayama, S. Sumitani, and S. Harada, Jpn. J. Appl. Phys. 60, 6 (2021).

2. A. Tanaka, S. Inotsume, S. Harada, K. Hanada, Y. Honda, T. Ujihara, and H. Amano, Phys. Status Solidi 257,1900553 (2020).

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）
SiC, X 線トポグラフィー
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：2023 年 3 月）
（提出時期：2023 年 3 月）