SiCパワーデバイスの研究開発は結晶⽋陥と共に
︓SiCウェハー⽋陥評価技術の進展

原⽥俊太
名古屋⼤学 未来材料・システム研究所

⾃⼰紹介
研究のターゲット
化合物半導体, 酸化物, ⾦属間化合物…

結晶材料

結晶成⻑

⽋陥

SiC溶液成⻑、FZ法...

転位、積層⽋陥…

TEM, 放射光, 分光…

熱物性、半導体特性...

計測

物性インフォマティクス応⽤
深層学習、ベイズ推定、強化学習・逆強化学習…

原⽥ 俊太（39歳）

名古屋⼤学 未来材料・システム研究所
未来エレクトロニクス集積研究センター准教授

社会活動

応⽤物理学会

先進パワー半導体分科会幹事
インフォマティクス応⽤研究会幹事

3

SiCパワーデバイス
パワーデバイス特性

新幹線N700SのブロアレスCIユニット

SiC

Si

band gap
(eV)

3.26

1.12

mobility(cm2/Vs)

1000

1350
佐藤賢司ほか、電気学会論⽂誌D、140 (2020) NL8_4.

breakdown voltage(cm2/Vs)

2.8
saturated drift velocity
2.2×107(cm/s)
thermal conductivity(cm/s)

0.3

Low loss, high voltage

1.0×107

4.9

1.5

Low lossHigh temperature

 SiCはSiと⽐較して優れたパワーデバイス特性を有する。
 SiCパワーデバイスの社会実装はすでに始まっている。

SiC中の結晶⽋陥
市販SiC基板結晶中の⽋陥密度
Variation

Density (cm-2)

マイクロパイプ (MP)

貫通刃状転位 (TED)

0.1-10102-103103-104

基底⾯転位 (BPD)

102-104

貫通らせん/混合転位 (TSD/TMD)

結晶⽋陥はデバイスの性能や信頼性に悪影響を与える。
無⽋陥を前提にできるSi基板とは異なり、結晶⽋陥の存在を前提にSiCパワーデバイスを作製する必要がある。
このため、SiC基板の⽋陥評価⼿法が重要となる。

4

SiC中の結晶⽋陥
市販SiC基板結晶中の⽋陥密度
Variation

Density (cm-2)

マイクロパイプ (MP)

貫通刃状転位 (TED)0.1-10102-103103-104

基底⾯転位 (BPD)

102-104

貫通らせん/混合転位 (TSD/TMD)

5転位の原⼦模型

酸化膜信頼性と結晶品質

酸化膜の破壊には結晶⽋陥に起因すると考えられるモードが存在。
J. Senzaki et al. JJAP 48 (2009) 081404.

6

1.2 kV SiC-DMOSFETの歩留りと結晶品質

7

SiC-MOSFETの歩留りと結晶品質には相関がある。
J. Senzaki et al. IEEE IRPS (2022) P63-1-4.

⾼品質結晶成⻑（⽋陥を低減する）
RAF法

⾼温CVD法溶液法

D. Nakamura et al. Nature 430 (2004) 1009.

溶液法/昇華法ハイブリッド成⻑

K. Murayama et al. JCG 468 (2017) 874.

T. Mitani et al. APEX 14 (2021) 085506.
N. Hoshino et al. APEX 13 (2020) 095502.

8⽋陥を前提としてデバイスを作製するための技術
再結合促進層の導⼊による通電劣化抑制

9

プロトン注⼊による積層⽋陥拡張の抑制

T. Tawara et al. JAP 120 (2016) 115101.
M. Kato et al. Sci. Rep. 12 (2022) 18790.

アウトライン
1. SiC基板中の結晶⽋陥評価⼿法
2. 放射光トポグラフィ
3. 偏光観察による結晶⽋陥の観察
4. マルチモーダル観察10アウトライン11

1. SiC基板中の結晶⽋陥評価⼿法
2. 放射光トポグラフィ
3. 偏光観察による結晶⽋陥の観察
4. マルチモーダル観察

SiC基板の⽋陥評価⼿法
PLXRT

SEM
(S)TEM

CL

KOH etching

Raman
Microscopic

Scale(S)TEM: (Scanning) transmission electron microscopy
SEM: Scanning electron microscopy
CL: Cathodoluminescence

PLMMacroscopic

PL: Photoluminescence
XRT: Scanning electron microscopy
PLM: Polarized light microscopyKOH エッチング
TSD

BPD
TSD

TED

TED
BPD

S. A. Sakawe et al. JCG 289 (2006) 520-526.
Y. Yamamoto, S. Harada et al. APEX 289 (2006) 520-526.

フォトルミネッセンス法
エピ層中のBPD

SiCエピタキシャル層の検査

S. Harada et al., J. Electron. Mater. 51(2022) 243-248.

Lasertec SICA88
https://www.lasertec.co.jp/en/products/semiconductor/sica88.html

PL法による⽋陥評価は標準化された⽅法

透過電⼦顕微鏡法
結晶多形の変化 (HREM)

積層⽋陥 (STEM)

S. Harada et al., Cryst. Growth Des. 12(6) (2012) 3209-3214.

K. Kusunoki, S. Harada et al., J. Cryst. Growth392 (2014) 60.

原⼦レベルの⽋陥構造を（⾛査）透過電⼦顕微鏡法により評価することが可能。

アウトライン
1. SiC基板中の結晶⽋陥評価⼿法
2. 放射光トポグラフィ
3. 偏光観察による結晶⽋陥の観察
4. マルチモーダル観察16

放射光トポグラフィのビームライン

BL8S2 @ Aichi-SR
・Aichi-SR (BL8S2)・SAGA-LS (BL09)

・KEK-PF (BL-3C, BL-20B)
・Spring8 (BL20)

X線トポグラフィ法の配置
Transmission

Reflection

Detector

Detector

B. Raghothamachar et al. “Handbook of crystal growth” Chap. 42.

Incident X-ray:
White or monochromatic (Double crystal monochromator)
Detector:Flat panel sensor (spatial resolution: ~50 µm), CCD or CMOS camera (~10 µm),
Nuclear emulsion plate (< 1 µm)

SiC結晶の放射光トポグラフィ
4H-SiC, g =1128, λ = 0.15 nm

Nuclear emulsion plate

Incident angle
𝜑 𝜃 𝜓
11.28oBragg’s law

2𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃
𝜆0.15 nm2𝜃𝑛𝜆Diffraction

100.97oIncident
X-ray beam𝜓𝜓𝜓𝜓
39.21o𝒈𝑑11281.03 nm

Crystal
BL20B@KEK-PF

トポグラフィ像における転位のコントラスト
Type

Burgers vector

Line vector

貫通刃状転位(TED)ac

貫通らせん転位(TSD)c (+ a)c

基底転位(BPD)

aon (0001)

a = 1/3<11-20>
c = <0001>

X線トポグラフィ撮影⽤原⼦核乾板の開発
名古屋⼤学の森島准教授との共同研究でX線トポグラフィ⽤原⼦核乾板を開発

K. Morishima et al. Nature 51 (2017) 386-390.

⾼分解のX線トポグラフィ像の取得
Rtarget = 100 nm

Rtarget = 200 nm

Ilford (commercial) ⾼分解: ⼩さな点状のコントラストで結像されるTEDが鮮明に観察される。
 ダイナミックレンジ: 深い位置に存在するBPDが鮮明に観察される。

6インチSiCウェハの⾼分解能観察 6インチほぼ全⾯のX線トポグラフィ像を取得。
 観察視野全⾯において⾼分解能観察を実現

アウトライン
1. SiC基板中の結晶⽋陥評価⼿法
2. 放射光トポグラフィ
3. 偏光観察による結晶⽋陥の観察
4. マルチモーダル観察24

SiC結晶の⾮破壊⽋陥評価⼿法
X線トポグラフィ
放射光観察対象

実験室基板/エピ 基板/エピ25

フォトルミ
ネッセンス
(PL)

多光⼦励起
PL

偏光観察

エピエピ

基板
✔
✔
~ 15 min***Burgers vector

✔

✔

✔

Line vector---

測定時間(6ʼʼ wafer)✔

-~180 min*~ 6 min**-*XRT-micron (Rigaku) , **SICA-88 (Lasertec), ***XS-1 Sirius (Mipox)

偏光観察はSiC基板の⽋陥評価⼿法として期待されている

偏光観察による半導体基板の⽋陥評価
先⾏研究• Micropipes in 6H-SiC wafer

26

SiC結晶の観察結果
偏光観察

X線トポグラフィ

T. Ouisse et al. J. Appl. Cryst. 43 (2010) 122.
L. T. M. Hoa et al. J. Cryst Growth 354 (2012) 202.

• Dislocations in diamond
L. T. M. Hoa et al. Cryst Growth Des. 14 (2011) 5761.

• Dislocations in 4H-SiC
K. Takenaka et al. “Fuji Electric Review” (2019).

• Dislocations in GaN
A. Tanaka, S. Harada et al. pss (b) 257 (2020) 1900527.

200 µm

偏光観察におけるコントラストが、SiC結晶中の貫通転位の位置と対応

A. Kawata, S. Harada et al. Jpn. J. Appl. Phys. 60 (2021) SBBD06.

本研究の⽬的27

SiC基板の偏光観察におけるコントラスト⽣成メカニズムを解明
偏光観察像から貫通刃状転位のバーガースベクトルを同定

直交⼆コルでの偏光観察
光弾性︓応⼒により光学異⽅性が⽣じる

検光⼦(Analyzer)
光学等⽅性

28

→
光学異⽅性

複屈折

⽋陥がコントラストになる

MPの偏光顕微鏡像

偏光⼦(Polarizer)
L. Ning et al. J. Appl. Cryst. 43 (2010) 122.

MPによる⼤きな応⼒は観察できるが、転位の応⼒は⼩さく観察が困難。

直交⼆コルからずらした偏光観察

29

SiC結晶の観察結果
検光⼦(Analyzer)

ε偏光⼦(Polarizer)

偏光観察

X線トポグラフィ

200 µmバックグラウンドのコントラストの中に、転位の位置に明暗のコントラストが⽣じる

直交⼆コルからずらした時のSiC基板の透過光強度30パワーデバイス⽤SiC基板
CVDによるエピタキシャル成⻑のために(0001)から4度傾斜（オフ）→光学軸からのずれにより複屈折が⽣じる
εAna.
YZ（⼊射⽅向）応⼒がない場合
屈折率楕円体の⼊射⽅向に垂直な断⾯の⽅程式は、
𝐵 𝑋
𝐵 𝑌
2𝐵 𝑋𝑌 1
𝐵𝑛𝑛,𝐵𝜃𝑛𝜃 ,𝐵𝑛 𝑛𝑛 sin 𝜃𝑛 cos 𝜃𝑛Pol.

𝜃𝑛0𝑛 ︓通常光の屈折率𝑛 ︓異常光の屈折率𝜃︓⼊射⾓とc軸とのずれ（4度）

X

直交⼆コルからずらした時のSiC基板の透過光強度31

⼊射⽅向に平⾏な刃状転位の応⼒がある場合
屈折率楕円体の⼊射⽅向に垂直な断⾯の⽅程式は、
𝐵 𝑋
𝐵 𝑌2𝐵 𝑋𝑌 1
ただし、𝐵 = 𝐵Π 𝜎𝑝𝑝𝑝𝚷𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝,𝝈𝑝𝑝𝑝

𝐵𝐵𝑝 𝜎𝑝 𝜎𝑝 𝜎

𝐵𝐵𝑝 𝜎𝑝 𝜎𝑝 𝜎

𝐵𝑝𝑝𝑝εAna.

Y

Z（⼊射⽅向）応⼒印可𝜎𝜎𝜎00𝜎𝑛Pol.

𝑛α

Xα︓応⼒印可前後の主軸のなす⾓度
Π ︓光弾性テンソル
𝜎 ︓応⼒テンソル𝜎

直交⼆コルからずらした時のSiC基板の透過光強度32

屈折率が満たす固有⽅程式
𝐵𝐵𝐵

複屈折の⼤きさ（ 𝒏𝟐𝑛0𝐵ε𝒏𝟏 ）𝑛𝐵

応⼒印可𝐵𝑛𝐼sin 𝜀𝑛 Δ𝑙sin 2𝛼 sin 2 𝛼𝑛𝑛X

𝐵
𝜆︓⼊射光の波⻑
Δ𝑙︓結晶の厚さ

透過光強度
𝐼4𝐵

Pol.

αレタデーション（𝜹）𝛿Ana.

YZ（⼊射⽅向）𝜀 sin

𝛿2𝐼sin 𝜀4𝐵

cos 2𝜀2𝐵 𝐵

𝐵 sin 2𝜀𝜋 Δ𝑙4𝐵

𝜆

直交⼆コルからずらした時のSiC基板の透過光強度33

光弾性による複屈折の変化はオフ⾓による複屈折に⽐べて⼗分⼩さい
𝐵 ≅𝐵
𝐵
𝐵
𝐵 ≪𝐵
𝐵𝐼𝐼𝐼sin 𝜀4𝐵

cos 2𝜀sin 𝜀2𝐵 𝐵

𝐵

Background

𝐵𝑝𝑝

𝜎2𝐵 𝐵
sin 2𝜀𝐵 sin 2𝜀𝜋 Δ𝑙4𝐵

𝜆𝜋 Δ𝑙4𝐵

𝜆Contrast Variationであり、偏光観察像のコントラストは、⾯内のせん断応⼒に対応する。

刃状転位の偏光観察像におけるコントラスト
X線トポグラフィ

刃状転位のコントラスト

偏光観察200 µmバーガースベクトルの向きが同じ刃状転位は、偏光観察でも同じコントラストを⽰す。

I. Kamata et al. JCG, 311 (2009) 1416.

34貫通刃状転位の偏光観察像におけるコントラスト
0°
偏光観察
(実験)

120°

60°

bb

180°

b240°

b35

300°

bb

せん断応⼒(計算) 偏光観察像におけるコントラストは⾯内のせん断応⼒分布に対応
 貫通刃状転位のバーガースベクトルの向きを決定することが可能

アウトライン
1. SiC基板中の結晶⽋陥評価⼿法
2. 放射光トポグラフィ
3. 偏光観察による結晶⽋陥の観察
4. マルチモーダル観察36マルチモーダル解析のためのビュワーの開発
ウェハビュー

マルチモーダルビュー

Synchrotron X-ray
topography 11-28

X-ray topography0008 (XRT micron)Confocal(SICA)

PL (SICA)

Birefringenceimage (XS-1)

X-ray topography
11-20 (XRT micron) 様々な観察データの同点を表⽰させるプログラムを開発。

まとめSiCパワーデバイスにおいて、結晶⽋陥の評価は必須。
X線トポグラフィと偏光観察を組み合わせたマルチモーダル解析によって、貫通転位の詳細な分類が可能
結晶⽋陥とデバイス特性、信頼性との相関解明に寄与することが期待される。

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