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 ： 1502002A

Ｂ Ｌ 番 号 ： 15

（様式第 5 号）

SiC の ウ ェ ー ハ 欠 陥 と デ バ イ ス 特 性 の 評 価 （ Ⅲ ）Characterization of wafer defect and device performance
山下任、内城貴則、着本享、小松直佳、山口博隆
Tamotsu Yamashita, Takanori Naijo, Susumu Tsukimoto,
Naoyoshi Komatsu, 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 Powerelectronics Research Center,
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology※１※２

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ 、長 期 ト ラ イ ア ル ユ ー ス 、長 期 産 学 連 携 ユ ー ス ）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 アルユース、及び産学連携ユースを除く)

１．概要（注：結論を含めて下さい）
SiC に よ る 高 耐 圧 パ ワ ー デ バ イ ス の 実 現 に 必 要 な 厚 い エ ピ 膜 の 形 成 技 術 を 検 討 す る ため 、 厚 い エ ピ 膜 中 の 欠 陥 評 価 を 行 っ た 。厚 さ 100μ m ま で の エ ピ 膜 中 の 転 位 の 発 生 状 況を X 線 ト ポ グ ラ フ ィ ー で 評 価 し 、膜 厚 の 増 加 と と も に 界 面 転 位 の 発 生 領 域 が 拡 大 す る こと が わ か っ た 。厚 い エ ピ 膜 形 成 の 場 合 に は 、薄 い エ ピ 膜 形 成 の 場 合 よ り も 成 長 温 度 の 均
一 性 へ の 要 求 が 厳 し く な る と 考 え ら れ る 。 ま た 、 β 型 酸 化 ガ リ ウ ム （ β -Ga 2 O 3 ） の X 線ト ポ グ ラ フ ィ ー に よ っ て 転 位 評 価 を 行 う と と も に 、そ の 解 析 の た め に 結 晶 構 造 に 基 づ いてすべり系の解析を行った。
Defects in thick epilayer of 4H-SiC, which is required for high-voltage powerdevice, have been investigated by means of X-ray topography. Dislocations inepilayers of thickness up to 100μ m were observed by X-ray topography. It was
found that dislocations were induced at substrate -epilayer interface regions more
often with increasing thickness o f epilayer.
The present result indicates
growth-temperature distribution should be controlled to be more homogeneously inthe thicker epilayer process. X-topographic study on a wide bandgap semiconductor
β -Ga 2 O 3 has been performed to analyze dislocations in the crystal.
Forcharacterization of dislocation, slip system was analyzed based on the crystalstructure.
２．背景と目的
SiC によるパワーエレクトロニクス素子を実現するためには、欠陥の制御とそのデバイス特性への影響を明らかにすることは重要である。これまで X 線トポグラフ法と光学顕微鏡、フォトルミネッセンス（PL）、電子顕微鏡などによる評価を組み合わせて、ウェーハ加工、エピタキシャル成長からデバイス特性・信頼性にわたる各段階における結晶欠陥の評価と影響を調べてきた。本年度もさらに詳細な評価を進めているが、今期は高耐圧化のための厚エピ膜成長に関する研究とパワーデバイスとして期待される酸化ガリウムの転位に関する研究を報告する。また、最後に一年間の利用について総括する。

３. 高耐圧化のための厚エピ膜歪み制御
３.１ はじめにSiC を用いたパワーデバイスは、より大きな耐電圧をもつデバイスを目指して研究開発が展開している。SiC パワーデバイスは SiC ウェーハ上に形成したエピタキシャル膜に作りこまれるが、大きな耐電圧を持つデバイスには厚いエピ膜が必要であり、現在、研究の最先端である耐電圧 10kV 以上のデバイス形成には 100μm 以上の厚さのエピ膜が必要となる。このような厚いエピ膜の形成技術を確立するために、本研究では、厚エピ膜中の歪み制御を行い、反りの低減や、エピ膜の内部歪みや厚膜成長プロセスに起因する結晶欠陥の低減を試みる。
３.２ 実験
エピ膜中に発生している転位を、基板（ウェーハ）中のそれとは分離して観察、定量することを目的に反射 X 線トポグラフィーを利用した。用いた波長は 0.15 nm、回折ベクトルは g=1̅1̅28 である。
2015 年度は、20μm から 100μm の膜厚を有するいくつかの 4H-SiC エピ膜を 3 インチウェーハ上に作製し、エピ膜中の転位を観察してその発生の膜厚依存性を調べた。特に、デバイス特性に影響を及ぼす基底面転位と界面転位に着目して解析した。
３.３ 結果と考察
図 1 は厚さ 100μm のエピ膜中の上記の転位の発生状況の概略である。円は 3 インチウェーハの外周位置を示しており、格子状に示した領域が X 線トポグラフィーの撮影範囲である。色を付けたマス目はその箇所において高密度の基底面転位列や界面転位が発生していることを示している。高密度の転位列が発生している領域は 3 通りに分類できる。第一はウェーハの外周部付近である。この付近ではエピ成長が不適切な条件になっていて膜厚が局所的に厚いために、エピ膜中に大きな歪みが作用して多数の基底面転位が発生したと考えられる。これは膜厚 20μm、50μm のエピ膜でも同様であった。
第二は図中(a)で示した領域である。ここでは(c)のトポ像に示したように、異物が存在しており、これが多くの基底面転位の発生源になっているように見える。この異物はおそらく成長装置内壁の堆積物が成長表面に落下してきたものと考えられる。膜厚が薄い場合には、このような異物は少ないかあっても大きさが小さく、(c)図のような高密度の転位列は発生してはいなかった。100μm のエピ成長には 2 時間以上を要し、その間に装置内壁の堆積物も拡大、厚膜化するので剥離しやすくなる。厚膜形成の際にはこれらの落下に留意する必要がある。第三は図中(b)で示した個所である。この領域で

図13 インチウェーハ上に形成した厚さ 100μm の 4H-SiC エピ膜における転位の分布

は、(d)のトポグラフ像にみられるような、いわゆる界面転位が発生している。界面転位の発生の要因はウェーハ内の成長温度の不均一といわれている。膜厚 20μm のエピ膜では、界面転位は発生しておらず、50μm、100μm と膜厚が増大するに伴って、界面転位の生ずる領域が拡大している傾向がみられることから、厚いエピ膜形成の場合には、薄いエピ膜形成の場合よりも成長温度の均一性への要求が厳しくなると考えられ、対策が必要である。
今後は、膜厚の異なるエピ膜のデータを蓄積して、上記の検討結果の信頼度を高めるとともに、100μm のエピ膜における高密度の基底面転位列の低減を図る。
４．β-Ga2O3 の転位評価
４.１ はじめにワイドバンドギャップ半導体酸化ガリウム（β-Ga2O3）は高い絶縁破壊電界などパワーデバイス材料として期待されている。すでにウェーハは市販されており、ダイオードなどデバイスの動作が確認されている。本研究では、β-Ga2O3 ウェーハの X 線トポグラフィーによって欠陥観察を行うとともに、結晶構造からすべり系を解析し、実験結果への適用を試みた。
４.２ 実験
試料は EFG 法によるタムラ製作所のウェーハである。X 線トポグラフィーは(001)ウェーハに対しては波長 1.54Å で4̅05および024、(2̅01)ウェーハに対しては、1.50Å と 1.7Å で、それぞれ006、6̅23について、反射配置で原子核乾板に撮影した。
４.３ 結果と考察
ウェーハの面方位に特徴的な欠陥像が得られた（図 2）。それらは g ベクトルによって像のコントラストに変化があり、多くは転位が映し出されていると考えられる。ウェーハ表面の転位を投影しているので、面内に伸びる転位が線状に現れているのに対して、表面と交差する転位が点状に見えている。これらの転位の形態を明らかにするために、すべり系の解析をおこなった。結晶構造は単斜晶系であるが、酸素（O）の副格子が（歪んだ）最密充填構造を持つ特徴から、(2̅01)、(101)、(3̅1̅0)、(3̅10)をすべり面の候補と考え、各面内の並進対称性によりバーガースベクトルの可能性を考察した。今後、転位の解析を進めるとともに、パワーデバイスへの影響を調べていきたいと考えている。

図 2 (2̅01)面ウェーハの X 線トポグラフ。
6̅23反射。波長 0.17 nm。

５．おわりに
本年度は長期利用課題として合計 10 日のビームタイムを利用した。そのなかには SiC 結晶欠陥の構造解析を目的とした実験のほか、結晶成長、ウェーハ加工、エピタキシャル成長の各プロセスの評価のための実験、および「SiC エピ/ウェハ欠陥検出手法」の国際規格提案のためのデータ収集を含んでいる。本研究は総合科学技術・イノベーション会議の SIP（戦略的イノベーション創造プログラム）「次世代パワーエレクトロニクス／SiC 次世代パワーエレクトロニクスの統合的研究開発」（管理法人：NEDO）によって実施された。
６. 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）

７．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
X-ray topography、SiC、dislocation, β-Ga2O3
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（2015 年度実施課題は 2017 年度末が期限となります。
）
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（報告時期：2016 年4 月）