2026-03-14T23:05:39Z https://kit.repo.nii.ac.jp/oai

oai:kit.repo.nii.ac.jp:02000023 2026-01-21T05:30:01Z 1753926516427:1753929991454:1753936243499

4H-SiCエピタキシャル基板に存在する大型結晶欠陥の発生起点、および微細構造に関する研究 Origins and microstructures of large-size crystal defects in 4H-SiC epitaxial wafers 迫, 秀樹 SAKO, Hideki open access 4H-SiC エピタキシャル基板 結晶欠陥 透過型電子顕微鏡 研磨ダメージ 化学機械研磨 スクレーパー欠陥 キャロット欠陥 プリズム面積層欠陥 ミラー電子顕微鏡 走査型電子顕微鏡 基底面転位 界面転位 ショックレイ型積層欠陥 フランク型積層欠陥 SEM TEM BPD CMP 省エネおよび温室効果ガス削減に対して期待されている技術の一つにパワーエレクトロニクスがある。パワーエレクトロニクスを支えているシリコンベースのパワーデバイスが物性値の限界に近づきつつある。そこで、より高性能なデバイスを実現できる物性値を持つワイドギャップ半導体に注目が集まり、研究開発および実用化が近年進められている。ただし、シリコンと比較してエピタキシャル基板の結晶欠陥密度はいずれも高く、デバイス性能や信頼性に大きな影響を及ぼしている。特に、より大電流・高耐圧の大面積パワーデバイスの作製にとって、大型結晶欠陥フリーなエピタキシャル基板は必須である。本研究の目的は、ワイドギャップ半導体であるSiCに注目し、エピタキシャル基板内に現在も認められる大型結晶欠陥の発生起点、および微細構造を明らかにすることである。さらに、これらの研究結果よりエピタキシャル膜内の大型結晶欠陥低減が達成され、パワーデバイスの高性能化や信頼性向上が実現に貢献できることである。本論文は、全7章で構成されている。第1章では、本研究の研究背景、課題、研究目的を述べる。第2章では、本研究で注目する4H-SiCの特徴、エピタキシャル膜中の結晶欠陥、および結晶欠陥評価技術について述べる。特に、本研究の主な解析手法として用いた電子顕微鏡関連の技術について詳細にまとめる。　第3章では、エピタキシャル成長後にエピ基板表面に広範囲に現れる表面欠陥(ステップバンチング)の発生起点である、化学機械研磨法(CMP: Chemical mechanical polishing)中に4H-SiCバルクウェハに局所的に導入されたスクラッチ状研磨ダメージにおいて、表面形態、および導入された結晶格子欠陥の構造を走査型電子顕微鏡法(SEM: Scanning electron microscopy）および透過型電子顕微鏡法(TEM: Transmission electron microscopy)を用いて評価した。CMP中に導入された局所研磨ダメージは一般的な光学顕微鏡では検出できず、僅かな表面ラフネスと表面直下に存在する転位ループ、積層欠陥、およびY字形状欠陥などで構成されていた。さらに、スクラッチ状研磨ダメージの方向によって、内部に導入された転位群の構造が異なることも明らかにした。また、導入される転位や積層欠陥の違いは、CMP中に偶発的に発生したチッピング破片などにより局所ダメージが導入され、破片の大きさや形状の違いに起因して、ウェハにかかる局所応力の大きさが変化して生じたものと考えられた。　第4章では、エピタキシャル膜表面に新たに発見された表面欠陥に関して、構造評価および形成メカニズム、さらにゲート酸化膜の信頼性への影響について評価した。表面形状はスクレーパー形状の表面形態を持っており、下流ラインにはステップバンチングの形成が確認された。また、X線トポグラフの結果より、上記の欠陥近傍に界面転位が存在することを明らかにした。界面転位と表面形状の関係を基に形成メカニズムを考察した結果、エピ成長中の界面転位のマイグレーションが原因となって、スクレーパー形状欠陥が形成されたと推察された。さらに、酸化膜経時破壊測定より熱酸化膜の劣化は下流ライン上でのみ生じており、下流ラインの断面TEM観察より熱酸化膜の膜厚変動が生じていることが確認された。以上の結果より、スクレーパー形状欠陥の下流ラインにおいて、熱酸化膜が相対的に薄い領域で電界集中が生じることで劣化が進み、MOS(Metal oxide semiconductor)キャパシタの信頼性および歩留まりに影響を及ぼしていると結論付けた。　第5章では、エピタキシャル膜に現在も存在する拡張欠陥の一つであるキャロット欠陥に注目し、エピタキシャル膜と基板との界面近傍にある欠陥発生起点の構造解析について述べる。キャロット欠陥は、発生起点位置を特定することが困難であり、起点の詳細な構造解析の報告は少ない。そこで、本章では、まず初めに発生起点部の特定、およびTEM観察用のサンプリング作製方法を確立し、その後、断面および平面TEM観察を用いて結晶欠陥構造解析を行った。さらに、各転位のバーガースベクトルを明らかにするためにg・b解析、および原子分解能レベルの高角度環状暗視野走査透過電子顕微鏡法(HAADF-STEM: High-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy)を用いて評価した。その結果、注目したキャロット欠陥は、これまで報告されている貫通らせん転位や貫通混合転位ではなく、基板内の2対の貫通刃状転位が発生起点となっていることを明らかにした。　第6章では、キャロット欠陥を構成する積層欠陥の一つであるプリズム面積層欠陥の構造評価について述べる。キャロット欠陥は表面ラフネスを伴う拡張欠陥であり、特に上記のプリズム面積層欠陥上に大きな溝が形成される。キャロット欠陥ごとにその溝の深さは異なるが、内部構造との関連性については報告されていない。そこで、本章では表面溝の深さが異なる2つのキャロット欠陥に注目した。プリズム面積層欠陥の表面構造についてはミラー電子顕微鏡および原子間力顕微鏡を用いて評価し、積層構造については原子分解能HAADF-STEM観察を用いて評価した。これらの結果より表面溝の深さと内部の積層構造との関連性を明らかにした。　第7章では、本研究に得られた成果について総括を述べ、今後の研究課題について考察することで本論文の結論とした。 2021-03-25 jpn doctoral thesis http://hdl.handle.net/10212/2637 https://kit.repo.nii.ac.jp/records/2000023 甲第997号 博士（工学） 2021-03-25 京都工芸繊維大学 https://kit.repo.nii.ac.jp/record/2000023/files/D1-0997_y1.pdf application/pdf 172.1 KB https://kit.repo.nii.ac.jp/record/2000023/files/D1-0997.pdf application/pdf 160.1 KB