純物，最適化されていないデバイス設計，最適化されていないデバイスプロセスなどの要因が複合的にからみ合っていると推察されている．特性不良を起こしている SiC パワーデバ

低角入射放射光回折顕微鏡法による
4H-SiC パワーデバイス中の格子欠陥の観察
Observation of Lattice Defects in 4H-SiC
Power Devices by Grazing Incident
Synchrotron Radiation Topography
松畑洋文ａ，山口博隆ａ，大野俊之ｂ

Hirofumi Matsuhata, Hirotaka Yamaguchi and Toshiyuki Ohnoａｂ

イスの内部構造などを調べ，複雑に絡み合っている因子を一つ一つ解明していくことが求められている．ゲート長数 10
ナノメートルの微細で膨大な数の MOS によって構成されている Si-LSI の場合，不良部を利用しないように動作させ，見かけの歩留まりを向上させることも可能である．一方，パワーデバイスの場合，数ミリから十数ミリの大型デバイス中に不良部分が 1 箇所存在すると，正常な動作は期待されず，Si-LSI とは別の厳格な技術課題が存在している．
我々は，4H-SiC ウエハー上に試作されたパワーデバイスの内部構造を観察する手法として，単色化した放射光を用い，SiC デバイスの表面すれすれに X 線を入射させ，Bragg-caseの回折を起こさせ，表面近傍の構造に敏感な回折顕微鏡法の産業技術総合研究所開発を行って来た．この手法を grazing incident synchrotron

日立製作所中央研究所

X-ray topography（低角入射，あるいは斜入射放射光回折顕微鏡法）と名づけている．この手法では，4H-SiC ウエハー

要旨

4H-SiC パワーデバイスの歩留まりと信頼性向上を目的として，パワーデバイスの内部構造を観察する手法を開発した．低角入射斜入射放射光回折顕微鏡法と名付けた本
手法は，ウエハー内部に多量に存在している格子欠陥のコントラストに邪魔されることなく，ウエハー表面のエピ膜や，パワーデバイスの内部構造を観察する手段として適していることがわかった．本手法は 4H-SiC パワーデバイスの開発に有効に利用されている．一方で，本手法では転位は特徴的なコントラストを示すことが分かって来た．本報告ではそれらのコントラストに関するルールを整理し，その原因について動力学回折理論を用いて考察した．

内部に存在している高密度の格子欠陥のコントラストに邪魔されることなく，ウエハー表面に成長させたエピ膜や，そこに作製されたパワーデバイスの内部構造のみの観察が可能である2,3）．この手法を用いて，我々は，試作された 4H-SiC パワー
デバイスの内部構造とデバイスの特性との関係について調べている．また，この手法に加え，同一試料を，エミッション顕微鏡によるデバイス動作時の発熱，発光の解析や，極低温
顕 微 フ ォ ト ル ミ 分 光，PIXE（Particle Induced X-ray Emission）法，放射光蛍光 X 線分析等で調べ，それらの実験結果を組み合わせることにより，今まで知られることのなかったSiC パワーデバイスについてのいくつかの新しい貴重な知見

キーワード：4H-SiC，パワーデバイス，低角入射，放射光トポグラフィー，転位を得ている．これらの解析結果はパワーデバイス研究にフィードバックされ，SiC インバーター制御システムの開発に貢献している．
低角入射放射光回折顕微鏡法で得られたパワーデバイスに

1.

はじめに関する知見は，デバイス技術の開発そのものに関係しているエネルギー利用効率のさらなる改善を行い，地球温暖化抑事柄であり，ここでは述べないこととする．一方で，ウエハー制技術を推進させることが社会的に重要な課題として浮上しやエピ膜には 4H-SiC 特有のさまざまな格子欠陥が存在するている．日本全国の Si デバイスによる電力制御システムをことは知られており，観察される欠陥を正しく同定する技術

SiC によるインバーター制御システムに置き換えると 580 万を確立することも重要である．本手法では格子欠陥は特徴的

KW，原子炉約 5 から 6 基分の電力の節約が見込まれている1）．

なコントラストを示し，転位の場合，転位の種類，バーガーまた，インバーター制御システム自体の軽量小型化が期待さ

ス・ベクトル，転位の向きと転位のコントラストの間にはルーれているので，自動車や鉄道用の小型高性能の電力制御シスルが存在することが分かった．本解説では基底面転位にのみテムの開発も期待されている．

話題を絞り，この特徴的な転位のコントラストについて整理

しかしながら，SiC パワーデバイスは，歩留まり，容量，し，コントラストのメカニズムを考察した．

信頼性などの問題を現在，抱えている．結晶の格子欠陥，不2.
ａ〒 305–8568 茨城県つくば市梅園 1–1–1 産業技術総合研究所第2 事業所エネルギー半導体エレクトロニクス研究ラボ
TEL: 029–861–5532; FAX: 029–861–5402
E-mail: h.matsuhata@aist.go.jp
2009 年 5 月 14 日受付
222

実験方法

実験室の装置では，X 線の平行性やビーム径が不足し，なおかつ輝度が不足するため，本手法では放射光を用いている．
高エネルギー加速器研究機構，フォトンファクトリー，BL15C で実験を行っている．コンピューター制御による 4 軸回
顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

転機構と 3 方向平行移動機構を持つゴニオメーターを用いた．像観察作業は高分解能高感度 CMOS センサーアレーにより構成された大面積フラットパネルセンサーを用い，最終的な像の記録は原子核乾板を用いている．試料表面からの X線の侵入深さは，吸収を考慮した運動学回折理論により求めることができ，X 線の波長と反射を選ぶことによって調節可能である．さまざまの波長の X 線と反射を用いて実験を行っているが，波長 0.15 nm 前後で，Si 面の観察では g = 1 12 8，

図1

実験時の，試料，観測装置，入射 X 線，反射 X 線の配置．

1128，2118，1218，1018，0118，1108，00016 などの反射を利用して観察している．これらの反射を選ぶと入射 X 線と結晶表面との角度は 3 から 20 度程度となり，X 線侵入深さる4）．転位コントラスト消失の回折条件より推察されるようは 10–80 μm 程度で変化する．実験時の配置を図 1 に示す．に，バーガース・ベクトルは g = 1108 に垂直な方向を向いて い る の で，b = 1/3［1 120］ か， あ る い は b = 1/3［1120］

3. 観察された転位のコントラストである．

以下に観察された基底面転位のコントラストについて述べ

図 3 の点 A と点 D に近い点 C の部分はバーガース・ベクる．図 2 は 4H-SiC の Si 面で観察された基底面転位半ループ

トルに転位線の向きがほぼ直交しており点 A と点 D 近傍でである．それぞれ（a）g = 1 128，（b）g = 1128，（c）g = 1108は基底面刃状転位部であることがわかる．点 A では転位のの各反射が Bragg 条件を満足している状態を示している．図向き ζ は［1100］方向を向く基底面刃状転位部であり，点 D

中の白矢印は入射 X 線の方向を示している．紙面に投影さ近傍では転位の向き ζ は［1100］方向を向いている基底面刃れた g ベクトルの方向は入射 X 線と反対の方向だが，紙面状転位部である．バーガース・ベクトル b = 1/3［1 120］か，に垂直な方向に大きな成分を持っている．反射ベクトルは選あるいは b = 1/3［1120］に依存して，これらの点 A，あるび方によって紙面にほぼ垂直な方向にもなるので，紙面に投いは点 D 近傍での基底面刃状転位部のうちいずれかの刃状影された g ベクトルの方向ではなく，入射 X 線の方向で回転位部が extra-half plane の先端部に Si 原子が並ぶ Si コア刃折の条件を示している．図 3 はこの転位半ループの模式図状転位部であり，もう一つの基底面刃状転位部が extra-halfを示す．観察に用いた本試料は，Si 面のウエハー表面が［0001］

plane の先端部に C 原子が並ぶ C コアの刃状転位である．点方向より 8 度だけ［1120］方向へ傾いているので，（0001）B 以外では，刃状転位成分が存在していて，（c）g = 1108 で面は表面より 8 度傾いていて点 D の位置では結晶の奥方向g・b = 0 の条件のみでは消失せず，残留コントラストを示す．

へ沈んでいる．この転位半ループは点 D で貫通刃状転位か（a）g = 1 128
点 D のコントラストは貫通刃状転位である．

ら基底面転位に変化して点 A で表面に抜けて終端している．

や（b）g = 1128，では貫通刃状転位は強いコントラストを転位の向き ζ を E → D → C → B → A と設定しておく．点 B示しているが，（c）g = 1108 では g・(b × ζ) = 0 を満足するたの位置に着目すると（a）g = 1 128 では右側が暗くなっていて，め貫通刃状転位のコントラストが著しく低下している．点 A（b）g = 1128 では点 B の反対称なコントラス左側が明るい．の刃状転位は転位線に沿って常に明るいコントラスト，点 Cトが逆転し右側が明るく，左側が暗い．
（c）g = 1108 では点

での刃状転位は転位線に沿って常に暗いコントラストを示し

B では黒矢印で示しているようにコントラストが消失していている．

る．螺旋転位は，g・b = 0 を満たすとコントラストは消失す

ところで，走査型電子顕微鏡の EBIC モードで基底面転位るので，点 B は基底面転位の螺旋転位部であることが分かを観察すると，Si コアの転位と考えられる部分転位が電子

図2

最近の研究と技術観察された基底面転位半ループ．白矢印は入射 X 線の方向．

低角入射放射光回折顕微鏡法による 4H-SiC パワーデバイス中の格子欠陥の観察

223【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図3

観察された基底面転位半ループの模式図．

ホール対の消滅により放出されたエネルギーにより運動し，転位が拡張し積層欠陥幅が増加することは知られている（例えば文献 5）．我々は，EBIC モードの観察により Si コアの部分転位と考えられる転位が動いた後に，本低角入射トポグラフで観察すると白いコントラストを持つ部分転位が運動したことを確認している．この観察より，白いコントラストを持つ転位を Si コアの転位であるとする．しかしながら希で

図 4 g = 1 128 の回折条件での 6 つの異なるバーガース・ベクトルの基底面転位ループのコントラストの模式図．黒い矢印は各バーガース・ベクトルの向き．白い矢印は入射 X 線の向きで，g ベクトルの向きではないことに注意．

あるが，暗いコントラストの転位の動く形跡も検出している．
このことより白い転位が Si コアの転位と断定できるかについては将来明確にすべき課題として残し，ここでは白いコン

4.

トラストを持つ転位が Si コアの転位であるとして解析を進転位のコントラストの起源について考察する．図 5 は完

コントラストについての考察めることにする．図 2 で観察されている明るい転位は Si コ

全結晶で λ = 0.15 nm で g = 1 128 の回折条件を満足している

ア基底面刃状転位，暗いコントラストを持つ転位が C コア時のブロッホ波 1，2 の分散面と各ブロッホ波の励起の状態基底面刃状転位であると想定し，転位のバーガース・ベクトを示している．図中の S0K は真空中の入射 X 線の波数ベクト

ルは一応 b = 1/3［1 120］であると同定する．

ルの起点の軌跡を示す．N1, N2 は試料の表面に垂直な線を示

図 2 の観察結果より理解されるように，Bragg-case の斜入す．我々の実験では通常，入射 X 線の発散角は Δω = 6.65

射の条件では反射を変えても，暗い基底面刃状転位部はいつarcsec を利用している．この時，分散面の特定の場所が励起も暗いコントラストを示し，明るい基底面刃状転位部はいつされるのではなく図の AB 部分と CD 部分と広い幅で励起さでも明るいコントラストを示す．一方，基底面螺旋転位部のれている．入射 X 線のブロッホ波 1 の波数ベクトルの方向

コントラストは g ベクトルの方向に依存して変化する．g・は図中の分散面の CD 部分より逆格子点 O へ伸びている．

b = 0 の時は，コントラストは消失する．それ以外の時には，入射 X 線のブロッホ波 2 の波数ベクトルの方向は図中の分転位線に沿った白黒の非対称なコントラストを示し，g・散面の AB 部分より逆格子点 O へ伸びている．反射 X 線のb > 0 の場合と g・b < 0 の場合では非対称コントラストは逆転

ブロッホ波 1 の波数ベクトルの方向は図中の分散面の CD 部する．以上のルールを頭におくと，任意の反射での 6 つの異分より逆格子点 g へ伸びている．反射 X 線のブロッホ波 2なるバーガース・ベクトルの基底面転位ループのコントラスの波数ベクトルの方向は図中の分散面の AB 部分より逆格子トを導き出すことができる．図 4 は 6 つの異なるバーガース・点 g へ伸びている．反射 X 線のブロッホ波 2 の励起振幅はベクトルを持つ基底面転位ループのコントラストの模式図を

点 A 近傍で最も大きくなり点 B では弱くなっている．反射示す．黒矢印はバーガース・ベクトルの方向を示す．白矢印

X 線のブロッホ波 1 の励起振幅は点 C 近傍で最も大きくなは入射 X 線の方向を示す．図 2（b），g = 1128 の図を（1120）

り D 点では弱くなっている．反射 X 線はブロッホ波の反射面で反転操作することによりにより g = 1 120，b = 1/3［1120］波成分の線形結合で示され，それぞれの波の励起振幅の比の図を求めることが出来る．図 4 の上の段の 2 つの図を

は完全結晶では一定で，場所による変化は無く，反射 X 線

60 度時計方向と反時計方向に回転することにより残りのビームの端部付近を除いて観察されるコントラストは一定

4 つバーガース・ベクトルの転位ループのコントラストを描である．

くことができる．図 4 の場合，g・b の符号が変化しない反図 6 は g = 1 128 で観察された（a）b = 1/3［1120］の基底射を選んでいる．図 4 に見られるようにひと種類の g ベク

面転位．［1100］方向へ走っている AB 部分は暗いコントラトルでの撮影で基底面転位ループの 6 つの異なるバーガーストを示す基底面刃状転位部と考えられ，［1120］方向へ走っス・ベクトルを一度に決定することが可能となる．ている CD 部分は非対称コントラストを示し基底面螺旋転位部である．基底面螺旋転位は点 D の位置で，表面で終端している．基底面刃状転位部は点 A で結晶の深いところへ貫224

顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

の曲がりに関する項であり，x による 2 階の偏微分は格子面間隔の変化に関する項である．u は結晶格子の変位である．
上記の式は，結晶の数ミクロンに及ぶ広い領域に渡って緩やかに歪みが変化する場合に利用できる式である．この緩やかに変化する歪みの効果は，透過型電子顕微鏡（TEM）の転位の観察では，観察する像範囲では通常は考慮しない．この歪みの効果 f により，各ブロッホ波の発散点は移動する．
図 7（a）は f > 0 の状態での各ブロッホ波の発散点の位置とその励起の状態を示し，図 7（b）では f < 0 の場合の発散点の位置の移動と励起の状態示す．完全結晶では各ブロッホ波の発散点 A と C は図 5 に示す位置にある．f > 0 の歪み場の場合，ブロッホ波の発散点 A と C は図 7（a）に示されるよ
図 5 完全結晶で g = 1 128 の回折条件を満足している時の励起される各ブロッホ波の分散面とブロッホ波の励起の状態．S0Kは，大気中の入射 X 線の波数ベクトルの基点の軌跡．N1, N2 は結晶表面に垂直な線．N1 より左側ではブロッホ波 2 が励起され，N2 より左側ではブロッホ波 2 が励起される．S0 は結晶中の入射 X 線の波数ベクトルの基点の軌跡．Sg は結晶中の回折 X 線の波数ベクトルの基点の軌跡．

うに分散面上を斜め右上へ移動し A’, C’へやってくる．
この時，入射波はブロッホ波 2 の成分が大きくなり，回折波はブロッホ波 1 の成分が大きくなる．f > 0 の歪み場を通過すると各ブロッホ波の光線軌道に曲がりを生じ，ブロッホ波 1は回折波方向へ，ブロッホ波 2 は入射波方向に曲がる．ブロッホ波 1 は吸収の効果が弱いので，図 7（a）の場合，回折波の強度は増加する．この時，図 6（a）の AB 部分の暗いコ通刃状転位で繋がっていると推察される．（b）同じく b = 1/3ントラストが観察されるように回折波の強度が増加すると考［1120］の基底面転位．
［1100］方向へ走っている EF 部分はえられる．トポグラフ像の記録媒体として原子核乾板を用い

基底面刃状転位部だが明るいコントラストを示し，［1120］ており，X 線強度が強い場所で暗いコントラストを示すので，方向へ走っている非対称コントラストを示す GH 部分は基底観察される転位のコントラストと定性的に一致する．

面螺旋転位部である．基底面螺旋転位は点 H で表面で終端

また，f < 0 の歪みの場合，逆の現象が起こる．図 7（b）している．（a），（b）両方の転位は，基底面螺旋転位の非対に示されるように，各ブロッホ波の発散点は分散面上を斜め称コントラストが同じであるので，同じバーガース・ベクト

左下方向へ移動し A’’, C’’ へやって来る．この場合，回折波

ルであると同定している．結晶の深い方向から表面への方向はブロッホ波 2 の成分が強くなる．ブロッホ波 2 は次第に光を転位の向きと定義すると，（a），（b）では AB，EF 部で，線軌道に曲がりを生じながら回折波方向へ向かうようにな転位の走っている向きが逆になっている．このような 2 種類る．ブロッホ波 2 は吸収の効果が強く働くため，回折波の強の転位コントラストについて考察する．

度は減少すると，定性的に推察される．この時，図 6（b）

コントラストに与える歪の効果を示すパラメータ f を次の6）の EF 部分の明るいコントラストに見られるように回折波のように定義する ．ここで Θ はブラッグ角，x は g ベクトル強度が減少すると推察される．わずかな f の値の変化に依存の方向を示し，z は x に垂直な方向で回折を起こす面に沿っして転位のコントラストが敏感に変化することの原因は，た方向と定義する．

[22]

∂∂
f = π cotΘ ―2 − tanΘ ―2 (g · u)∂z∂x

図 7 に示すように f のわずかな変化によりブロッホ波の励起（1）

上記の式の z による 2 階の偏微分項は回折を起こす格子面の状態が敏感に変わる分散面の鋭角的な形状と，Bragg-caseの分散面の配置によると考えられる．基底面螺旋転位の非対称コントラストや，反射ベクトルに依存してコントラストが

図 6 g = 1 128 で観察された，（a）b = 1/3［1120］の基底面転位．［1100］方向へ走っている AB 部分は暗いコントラストを示す基底面刃状転位部．（b）同じく b = 1/3［1120］の基底面転位．［1100］方向へ走っている EF 部分は基底面刃状転位部で明るいコントラストを示す．

最近の研究と技術

低角入射放射光回折顕微鏡法による 4H-SiC パワーデバイス中の格子欠陥の観察

225【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 7 （a）f > 0 の場合と，（b）f < 0 の場合の発散点の位置の移動と各ブロッホ波の励起の状態．

逆転する現象も，上記と同様な定性的な説明は可能であると察ではウイークビーム法による観察なども行っているが，考えられる．

我々の装置では，像の記録に用いている原子核乾板の粒子のサイズにより最終的に分解能の限界が定められている．将来，5. まとめハードウエアの開発が進めば，像分解能もさらに向上される

本手法では，表面近傍の構造に敏感であり，ウエハー内部ものと予測される．に存在している高密度の格子欠陥のコントラストに邪魔され本研究は NEDO による研究プロジェクト，「パワーエレクることなく，ウエハー表面上に成長したエピ膜や，エピ膜中トロニクスインバーターシステムの基盤技術開発」の一環とに作られているデバイスの内部構造を明確に観察することがして行われた．

出来る．この長所はウエハー内部に多量の格子欠陥を持つ
SiC パワーデバイスの研究開発にふさわしい手法である．
TEM 法と比較すると，本手法では薄膜化作業の必要が無く，

文献よる像コントラストの分解能が向上し，鮮明な画像として観1）石井 格：工業技術，38 巻 8 号，18（1997）
2）Ohno, T., Yamaguchi, H., Kuroda, S., Kojima, K., Suzuki, T. and Arai,K.: J. Cryst. Growth, 260, 209–216 (2004)
3）Ohno, T., Yamaguchi, H., Kuroda, S., Kojima, K., Suzuki, T. and Arai,K.: J. Cryst. Growth, 271, 1–7 (2004)
4）Tanner, B.K.: X-ray Diffraction Topography, Pergamon press, Oxford, 100–101 (1976)
5）Chen, B., Sekiguchi, T., Chen, J., Oyanagi, T., Matsuhata, H.,
Kinoshita, A., Okumura, H. and Fabbri, F.: Appl. Phys. Lett., 93,33514–33517 (2008)

察されることを我々は確認している．分解能を必要とする観

6）加藤範夫：回折と散乱，朝倉書店，東京，259–265（1978）

観察作業が高能率なうえ，デバイスの内部構造すべて，あるいはウエハー表面すべての場所での観察が可能であることが長所としてあげられる．また上記で議論したように，回折条件を変えることなく一つの反射による観察でバーガース・ベクトルを求めることも可能である．TEM 法と比較した場合，本手法の最大の短所は空間分解能が低いことである．平行性のより良い放射光を用いたウイークビーム法では格子歪みに226

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