序文

炭化ケイ素産業チェーンは、炭化ケイ素粉末、炭化ケイ素インゴット、炭化ケイ素基板、炭化ケイ素エピタキシャル成長、炭化ケイ素ウェハ、炭化ケイ素チップ、炭化ケイ素デバイスパッケージングの各工程から構成されます。中でも、基板、エピタキシャルウェハ、ウェハ、デバイスパッケージングおよびテストは、炭化ケイ素バリューチェーンにおいて最も重要な4つの工程です。基板コストは炭化ケイ素デバイスの総コストの50%を占め、エピタキシャル成長、ウェハ、パッケージングテストのコストはそれぞれ25%、20%、5%となっています。炭化ケイ素材料の信頼性は、最終製品の性能に大きく影響します。ベーシックセミコンダクターは、産業チェーンのあらゆる側面から材料特性と欠陥原因を研究し、上流・下流企業と連携して炭化ケイ素パワーデバイスの信頼性向上に取り組んでいます。

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炭化ケイ素インゴットの成長および製造方法

炭化ケイ素には250種類以上の異性体が存在し、パワー半導体の製造に主に用いられるのは4H-SiC単結晶構造です。炭化ケイ素単結晶の成長過程において、4H結晶の成長条件は狭く、温度と圧力の設計には厳格な基準が設けられています。成長過程における制御が不正確だと、2H、3C、6H、15Rなどの他の構造を持つ炭化ケイ素結晶が生成されてしまいます。

図1 さまざまな炭化ケイ素異性体の生成条件

業界では、炭化ケイ素単結晶インゴットの製造方法として、昇華PVT法、HT-CVD法、LPE法（溶液成長法）の3種類があります。中でも、昇華PVT法は現在最も主流の製造方法です。市販の炭化ケイ素インゴットの約95%はPVT法で成長されています。このプロセスでは、炭化ケイ素粉末を専用装置に入れて加熱します。温度が2200～2500℃に達すると、粉末が昇華し始めます。炭化ケイ素は液体状態を持たず、気体状態と固体状態のみであるため、昇華後にインゴットの上部に結晶化します。シリコン単結晶の成長速度は約300mm/h、炭化ケイ素単結晶の成長速度は約400μm/hです。両者の差は約800倍です。例えば、5～6cmのインゴットを形成するには、200～300時間の連続的かつ安定した成長が必要です。シリコンカーバイドインゴットの製造速度が非常に遅いため、インゴットの価格が高くなることがわかる。

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炭化ケイ素単結晶インゴットおよび基板ウェーハの欠陥

炭化ケイ素インゴットと基板ウェハーの両方には、積層欠陥、微小管、貫通らせん転位、貫通刃状転位、基底面転位など、さまざまな結晶欠陥が含まれています。炭化ケイ素インゴットの欠陥は、最終製品の歩留まりに大きな影響を与えます。これは、産業チェーンにおいて非常に重要な課題です。すべての基板メーカーは、炭化ケイ素インゴットの欠陥密度を低減するためにあらゆる努力を惜しみません。

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炭化ケイ素基板の信頼性

基板シートは、結晶インゴットを薄片に切断し、平滑化および研磨することによって得られる製品です。基板ウェーハは研磨工程後に良好な表面品質を得ることができ、これによりエピタキシャル成長中の欠陥発生を抑制し、高品質のエピタキシャルウェーハを得ることができます。その表面品質には、平坦性、表面近傍転位、および残留応力が含まれます。エピタキシャル成長の初期段階における欠陥発生を抑制するためには、基板表面は無応力で表面近傍転位がない状態である必要があります。表面近傍の残留損傷が十分に除去されない場合、基板上でのエピタキシャル成長は巨視的な欠陥の発生につながります。したがって、基板リンクの品質レベルは、その後のエピタキシャル成長リンクの品質レベルに大きく影響します。

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炭化ケイ素のエピタキシャル成長と信頼性

エピタキシーとは、基板上面に基板と均質な単結晶材料である4H-SiCの層を成長させることを指します。炭化ケイ素には多くの異性体が存在するため、高品質のエピタキシャル材料を作製するには、他の結晶形態の混入を防ぐための特別な技術が必要です。現在の標準的なプロセスは、4°ベベルカットされた4H-SiC単結晶基板を使用し、段階制御成長技術を採用することです。現在一般的に用いられているプロセスはCVD法であり、一般的に使用される装置はホットウォール水平エピタキシャル炉で、一般的に使用される反応前駆体ガスはシラン（SiH4）です。₄）、メタン（CH₄) エチレン (C₂H₄）、などを使用し、窒素（N）を使用する。₂不純物源として、）およびトリメチルアルミニウム（TMA）を使用する。典型的な成長温度範囲は1500～1650℃、成長速度は5～30μm/hである。

エピタキシャル層の成長により、結晶成長やウェーハ加工中に生じる多くの表面欠陥や表面近傍欠陥が除去されるため、結晶格子が整然と配列され、基板と比較して表面形態が大幅に改善されます。厚いエピタキシャル層、良好な表面形態、そして低いドーピング濃度は、耐圧向上に重要です。このようなエピタキシャルウェーハはパワーデバイスの製造に用いられ、パラメータの安定性と歩留まりを大幅に向上させることができます。

図2 基板層とエピタキシャル層の構造

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炭化ケイ素エピタキシャルウェーハと基板ウェーハの欠陥の関係

前述のように、炭化ケイ素エピタキシャル層の欠陥は、基板と成長プロセスに関連しています。エピタキシャル層の欠陥には、表面形状欠陥、マイクロパイプ欠陥、転位などが含まれます。表面形態欠陥には、ニンジン欠陥（場合によっては彗星型）、浅いピット、三角形欠陥、落下物などがあります。基板中の微小管欠陥はエピタキシャル層にコピーされます。基板中の微小管の電流密度は0.1/cm²をはるかに下回ります。²基本的に排除されています。炭化ケイ素エピタキシャル層の転位のほとんどは基板転位に由来し、主にTSD、TED、BPDが含まれます。通常の転位やキャロット欠陥などのエピタキシーによって導入される欠陥は、炭化ケイ素エピタキシーの品質に影響を与える重要な問題です。

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炭化ケイ素エピタキシャルウェハ欠陥が最終デバイスに及ぼす影響

エピタキシャル成長プロセス中、基板中のTSDの約98%がTSDに変換され、残りはフランクSFに変換されます。TEDは100%TEDに変換され、BPDの約95%がTEDに変換され、少量がBPDとして維持されます。

図3 炭化ケイ素エピタキシャルウェーハの欠陥と基板ウェーハの欠陥との相関関係

TSDとTEDは基本的に最終的な炭化ケイ素デバイスの性能に影響を与えませんが、BPDはデバイス性能の劣化を引き起こす可能性があるため、BPDにはより注意が払われます。積層欠陥、キャロット欠陥、三角形欠陥、落下物などの欠陥は致命的な欠陥です。これらの欠陥がデバイスに発生すると、デバイスはテストに不合格となり、歩留まりが低下します。三極管やIGBTなどのバイポーラデバイスは、BPDに対してより敏感です。

表1 エピタキシャルウェハ欠陥が最終デバイスに及ぼす影響

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炭化ケイ素材料が直面する2つの課題

炭化ケイ素材料の普及における重要な課題の一つは、価格が高すぎることであり、特に基板価格がシリコンやサファイア基板に比べてはるかに高い。現在、炭化ケイ素基板の主流の直径はわずか4～6インチであり、サイズを拡大し価格を下げるためには、より成熟した成長技術が必要である。 

一方、炭化ケイ素の転位密度は102²～104⁴オーダーであり、シリコン、ガリウムヒ素などの他の材料よりもはるかに高い。さらに、炭化ケイ素は大きな応力も抱えており、表面特性に問題が生じる可能性がある。炭化ケイ素基板の品質向上は、エピタキシャル材料の品質、デバイス製造歩留まり、デバイスの信頼性、寿命を向上させるための重要な手段である。

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