ステップ制御エピタキシャル成長とは何ですか？

SiCパワーデバイス作製の中核技術の一つであるSiCエピタキシャル成長技術により成長されるエピタキシャルの品質は、SiCデバイスの性能に直接影響します。現在、最も主流のSiCエピタキシャル成長技術は化学気相成長法（CVD）です。

SiC には安定した結晶ポリタイプが多数あります。したがって、得られるエピタキシャル成長層が、エピタキシャル成長層の特定の結晶ポリタイプを継承できるようにするために、SiC基板を実現するには、基板の三次元原子配列情報をエピタキシャル成長層に転写する必要があり、これには特殊な手法が必要となります。このようなSiCエピタキシャル成長技術は、京都大学の松波博之名誉教授らが提案したもので、SiC基板の低屈折率結晶面に適切な成長条件でオフ角の小さい方向に化学気相成長（CVD）を行うものである。この技術手法はステップ制御エピタキシャル成長法とも呼ばれます。

図1にステップ制御エピタキシャル成長法によるSiCエピタキシャル成長の様子を示します。清浄なオフアングルSiC基板の表面に段差を形成し、分子レベルの段差と台座構造を形成します。原料ガスが導入されると、ＳｉＣ基板の表面に原料が供給され、テーブル上を移動する原料が順次ステップによって捕捉される。捕捉された原料が結晶ポリタイプと一致する配置を形成すると、SiC基板対応する位置で、エピタキシャル層は、SiC 基板の特定の結晶ポリタイプをうまく継承します。

図1：オフ角（0001）を有するSiC基板のエピタキシャル成長

もちろん、ステップ制御されたエピタキシャル成長技術には問題がある可能性があります。成長条件が適切でない場合、原料が核生成してステップ上ではなくテーブル上で結晶が生成され、異なる結晶ポリタイプが成長し、理想的なエピタキシャル層が成長できなくなります。エピタキシャル層に異種のポリタイプが現れると、半導体デバイスに致命的な欠陥が残る可能性があります。したがって、ステップ制御エピタキシャル成長技術では、ステップ幅が適切な大きさになるようにたわみ量を設計する必要がある。同時に、原料ガス中のＳｉ原料やＣ原料の濃度、成長温度等の条件も、段差上に結晶が優先的に形成される条件を満たす必要がある。現在、メインの表面は、4H型SiC基板市場では、偏向角 4° (0001) 面が提供されており、ステップ制御エピタキシャル成長技術の要件と、ブールから得られるウェーハ数の増加の両方の要件を満たすことができます。

SiCエピタキシャル成長の化学気相成長法では高純度水素をキャリアとして用い、基板温度を常に一定に保ったSiC基板表面にSiH4などのSi原料やC3H8などのC原料を投入します。 1500～1600℃。 1500～1600℃の場合、装置内壁の温度が高くないと原料の供給効率が上がらないため、ホットウォール反応器を使用する必要があります。 SiCエピタキシャル成長装置には、縦型、横型、枚葉式、枚葉式など多くの種類があります。ウエハース種類。図2、図3、図4に3種類のSiCエピタキシャル成長装置の反応炉部のガスの流れと基板構成を示します。

図2 マルチチップの回転と公転

図3 マルチチップ革命

図4 シングルチップ

SiCエピタキシャル基板を量産するためには、エピタキシャル層厚の均一性、ドーピング濃度の均一性、ダスト、歩留まり、部品交換の頻度、メンテナンスの利便性など、考慮すべきポイントがいくつかあります。その中でも、ドーピング濃度の均一性はデバイスの電圧抵抗分布に直接影響するため、ウェーハ表面、バッチ、バッチの均一性は非常に高くなります。また、成長過程で反応炉内の部品や排気系に付着した反応生成物がダスト源となり、これらのダストをいかに都合良く除去するかも重要な研究方向である。

SiC エピタキシャル成長後、パワーデバイスの製造に使用できる高純度の SiC 単結晶層が得られます。さらに、エピタキシャル成長により、基板内に存在する基底面転位（BPD）を基板/ドリフト層界面で貫通刃状転位（TED）に変換することもできます（図5参照）。バイポーラ電流が流れるとBPDが積層欠陥を拡大し、オン抵抗が増加するなどデバイス特性が劣化します。ただし、BPD が TED に変換された後は、デバイスの電気特性は影響を受けません。エピタキシャル成長は、バイポーラ電流によって引き起こされるデバイスの劣化を大幅に軽減できます。

図5：エピタキシャル成長前後のSiC基板のBPDと変換後のTED断面

SiCのエピタキシャル成長では、ドリフト層と基板の間にバッファ層を挿入することが多い。高濃度の n 型ドーピングを含むバッファ層は、少数キャリアの再結合を促進することができます。また、バッファ層は基底面転位（BPD）変換の機能も有しており、コストに大きく影響する非常に重要なデバイス製造技術である。