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4H-SiCはパワー半導体デバイスの材料として実用化されている。しかし、4H-SiCデバイスの長期信頼性は、その幅広い応用を阻む要因となっており、中でも最も重要な信頼性問題はバイポーラ劣化である。この劣化は、4H-SiC結晶中の基底面転位の単一ショックレー積層欠陥（1SSF）の伝播によって引き起こされる。本研究では、4H-SiCエピタキシャルウェハにプロトンを注入することで1SSFの拡大を抑制する方法を提案する。プロトン注入を行ったウェハ上に作製したPiNダイオードは、プロトン注入を行っていないダイオードと同様の電流-電圧特性を示した。一方、プロトン注入を行ったPiNダイオードでは、1SSFの拡大が効果的に抑制された。したがって、4H-SiCエピタキシャルウェハへのプロトン注入は、デバイス性能を維持しながら4H-SiCパワー半導体デバイスのバイポーラ劣化を抑制する効果的な方法である。この成果は、高信頼性4H-SiCデバイスの開発に貢献する。
炭化ケイ素（SiC）は、過酷な環境下でも動作可能な高出力・高周波半導体デバイス用の半導体材料として広く認識されています1。SiCには多くの多形体が存在し、中でも4H-SiCは高い電子移動度や強い破壊電界など、優れた半導体デバイス特性を有しています2。直径6インチの4H-SiCウェーハは現在市販されており、パワー半導体デバイスの量産に使用されています3。電気自動車や列車の牽引システムは、4H-SiCパワー半導体デバイスを使用して製造されています4.5。しかし、4H-SiCデバイスは、誘電破壊や短絡信頼性などの長期信頼性の問題に依然として悩まされており6,7、その中でも最も重要な信頼性の問題の1つがバイポーラ劣化です2,8,9,10,11。このバイポーラ劣化は20年以上前に発見され、SiCデバイス製造における長年の問題となっています。
バイポーラ劣化は、基底面転位（BPD）が再結合強化転位すべり（REDG）12,13,14,15,16,17,18,19によって伝播する4H-SiC結晶中の単一ショックレースタック欠陥（1SSF）によって引き起こされます。したがって、BPDの拡大が1SSFに抑制されれば、バイポーラ劣化のない4H-SiCパワーデバイスを製造できます。BPDからスレッドエッジ転位（TED）への変換など、BPDの伝播を抑制するいくつかの方法が報告されています20,21,22,23,24。最新のSiCエピタキシャルウェーハでは、エピタキシャル成長の初期段階でBPDがTEDに変換されるため、BPDは主に基板に存在し、エピタキシャル層には存在しません。したがって、バイポーラ劣化の残りの問題は、基板中のBPDの分布です25,26,27。ドリフト層と基板の間に「複合強化層」を挿入することは、基板におけるBPDの拡大を抑制する効果的な方法として提案されている28, 29, 30, 31。この層は、エピタキシャル層とSiC基板における電子-正孔対の再結合確率を高める。電子-正孔対の数を減らすことで、基板におけるREDGからBPDへの駆動力が低下するため、複合強化層はバイポーラ劣化を抑制できる。ただし、この層を挿入するとウェーハの製造コストが増加することに注意する必要がある。また、層を挿入しない場合は、キャリア寿命の制御のみで電子-正孔対の数を減らすことは困難である。したがって、デバイス製造コストと歩留まりのより良いバランスを実現するために、他の抑制方法を開発する必要性が依然として高い。
BPD を 1SSF まで拡張するには部分転位 (PD) の移動が必要となるため、PD を固定することはバイポーラ劣化を抑制する有望なアプローチです。金属不純物による PD 固定は報告されていますが、4H-SiC 基板の FPD はエピタキシャル層の表面から 5 μm 以上離れた位置にあります。さらに、SiC 中の金属の拡散係数は非常に小さいため、金属不純物が基板に拡散することは困難です 34。金属の原子量が比較的大きいため、金属のイオン注入も困難です。これに対し、最も軽い元素である水素の場合、MeV 級加速器を使用して 4H-SiC に 10 μm 以上の深さまでイオン (陽子) を注入することができます。したがって、陽子注入が PD 固定に影響を与える場合、基板内の BPD の伝播を抑制するために使用できます。しかし、陽子注入は4H-SiCを損傷し、デバイス性能の低下につながる可能性がある37,38,39,40。
プロトン注入によるデバイス劣化を克服するために、デバイス処理におけるアクセプタイオン注入後に一般的に使用されるアニーリング法と同様に、高温アニーリングを使用して損傷を修復します1, 40, 41, 42。二次イオン質量分析法（SIMS）43では高温アニーリングによる水素拡散が報告されていますが、FD付近の水素原子密度だけではSIMSを使用してPRのピン止めを検出するには不十分である可能性があります。そこで、本研究では、高温アニーリングを含むデバイス製造プロセスの前に、4H-SiCエピタキシャルウェーハにプロトンを注入しました。実験デバイス構造としてPiNダイオードを使用し、プロトン注入された4H-SiCエピタキシャルウェーハ上に作製しました。次に、電圧-電流特性を観察し、プロトン注入によるデバイス性能の劣化を調べました。続いて、PiNダイオードに電圧を印加した後、エレクトロルミネッセンス（EL）画像で1SSFの拡大を観察しました。最後に、陽子注入が1SSF膨張の抑制に及ぼす影響を確認した。
図1は、パルス電流印加前の陽子注入の有無による室温におけるPiNダイオードの電流-電圧特性（CVC）を示しています。陽子注入されたPiNダイオードは、IV特性はダイオード間で共通であるにもかかわらず、陽子注入されていないダイオードと同様の整流特性を示します。注入条件の違いを示すために、順方向電流密度2.5 A/cm2（100 mAに相当）における電圧周波数を統計プロットとして図2に示しました。正規分布で近似した曲線も点線で表されています。曲線のピークからわかるように、陽子線量が1014 cm-2と1016 cm-2ではオン抵抗がわずかに増加しますが、陽子線量が1012 cm-2のPiNダイオードは、陽子注入がない場合とほぼ同じ特性を示します。また、以前の研究37,38,39で説明したように、図S1に示すように、プロトン注入による損傷のために均一な発光を示さないPiNダイオードを作製した後、プロトン注入も行いました。したがって、Alイオン注入後の1600℃でのアニーリングは、プロトン注入による損傷を修復できるAlアクセプタを活性化するデバイスを作製するために必要なプロセスであり、これにより、プロトン注入されたPiNダイオードと注入されていないPiNダイオードの間でCVCが同じになります。-5Vでの逆電流周波数も図S2に示されており、プロトン注入の有無によるダイオードの大きな違いはありません。
室温における、陽子注入ありとなしのPiNダイオードの電圧-電流特性。凡例は陽子の注入量を示す。
注入された陽子と注入されていない陽子を含むPiNダイオードにおける、直流電流2.5A/cm2での電圧周波数。点線は正規分布に対応する。
図3は、電圧印加後の電流密度25 A/cm2のPiNダイオードのEL画像を示しています。パルス電流負荷を印加する前は、図3.C2に示すように、ダイオードの暗い領域は観察されませんでした。しかし、図3aに示すように、プロトン注入のないPiNダイオードでは、電圧を印加した後、明るい縁を持ついくつかの暗い縞模様の領域が観察されました。このような棒状の暗い領域は、基板のBPDから伸びる1SSFのEL画像で観察されます28,29。一方、図3b～dに示すように、プロトンを注入したPiNダイオードでは、いくつかの拡張された積層欠陥が観察されました。 X線トポグラフィーを用いて、プロトン注入なしのPiNダイオードのコンタクト周辺でBPDから基板へ移動できるPRの存在を確認しました（図4：この画像は上部電極を取り外していない状態です（撮影済み、電極下のPRは見えません）。したがって、EL画像の暗い領域は、基板内の拡張された1SSF BPDに対応します。他のロードされたPiNダイオードのEL画像を図1と図2に示します。拡張された暗い領域の有無を示すビデオS3～S6（プロトン注入なし、1014 cm-2で注入されたPiNダイオードの時間変化するEL画像）も補足情報に示されています。
25 A/cm2 での 2 時間電気的ストレス後の PiN ダイオードの EL 画像 (a) プロトン注入なし、および注入線量が (b) 1012 cm-2、(c) 1014 cm-2、(d) 1016 cm-2 のプロトンの場合。
図5に示すように、各条件につき3つのPiNダイオードにおいて、明るいエッジを持つ暗い領域を計算することで、拡張1SSFの密度を計算した。拡張1SSFの密度は陽子線量の増加とともに減少し、1012 cm-2の線量でも、非注入PiNダイオードと比較して拡張1SSFの密度は著しく低い。
パルス電流を印加した後、陽子注入の有無にかかわらずSF PiNダイオードの密度が増加した（各状態には3つのダイオードが印加されている）。
キャリア寿命を短くすると膨張抑制にも影響し、プロトン注入によってキャリア寿命が短くなります32,36。我々は、1014 cm-2 のプロトンを注入した厚さ 60 µm のエピタキシャル層でキャリア寿命を観察しました。初期キャリア寿命から、注入によって値は約 10% に減少しますが、その後のアニーリングによって約 50% に回復します（図 S7 参照）。したがって、プロトン注入によって減少したキャリア寿命は、高温アニーリングによって回復します。キャリア寿命が 50% 減少すると積層欠陥の伝播も抑制されますが、通常キャリア寿命に依存する I-V 特性は、注入されたダイオードと注入されていないダイオードの間でわずかな違いしか示しません。したがって、PD アンカーが 1SSF の膨張を抑制する役割を果たしていると考えられます。
以前の研究で報告されているように、1600℃でのアニーリング後にSIMSで水素は検出されませんでしたが、図1と図4に示すように、プロトン注入が1SSFの膨張を抑制する効果があることが観察されました。3、4。したがって、PDはSIMSの検出限界（2 × 1016 cm-3）以下の密度の水素原子、または注入によって誘発された点欠陥によって固定されていると考えられます。サージ電流負荷後の1SSFの伸長によるオン状態抵抗の増加は確認されていないことに注意してください。これは、当社のプロセスを使用して作成された不完全なオーミック接触によるものと考えられますが、これは近い将来解消される予定です。
結論として、デバイス作製前に陽子注入を行うことで、4H-SiC PiNダイオードのBPDを1SSFまで拡張する消光法を開発しました。陽子注入中のI-V特性の劣化は、特に陽子注入量が1012 cm–2の場合、ごくわずかですが、1SSFの拡張を抑制する効果は顕著です。本研究では、厚さ10 µmのPiNダイオードを深さ10 µmまで陽子注入して作製しましたが、注入条件をさらに最適化し、他のタイプの4H-SiCデバイスの作製にも適用することが可能です。陽子注入中のデバイス作製には追加コストがかかりますが、4H-SiCパワーデバイスの主要な作製プロセスであるアルミニウムイオン注入の場合と同程度です。したがって、デバイス処理前の陽子注入は、劣化のない4H-SiCバイポーラパワーデバイスを作製するための有望な方法と言えます。
エピタキシャル層の厚さが 10 µm、ドナーのドーピング濃度が 1 × 10¹⁶ cm⁻³ の 4 インチ n 型 4H-SiC ウェーハをサンプルとして使用した。デバイスを処理する前に、室温で加速エネルギー 0.95 MeV の H⁺ イオンをプレート表面に垂直な角度で約 10 μm の深さまで注入した。陽子注入中は、プレート上のマスクを使用し、プレートには陽子線量が 10¹²、10¹⁴、または 10¹⁶ cm⁻² のセクションと、陽子線量が注入されていないセクションがあった。次に、陽子線量が 10²⁰ および 10¹⁷ cm⁻³ の Al イオンをウェーハ全体に表面から 0～0.2 µm および 0.2～0.5 µm の深さまで注入し、その後 1600 °C でアニーリングしてカーボン キャップを形成し、ap 層を形成した。続いて、基板側に裏面Niコンタクトを成膜し、エピタキシャル層側にはフォトリソグラフィと剥離プロセスによって形成された2.0 mm × 2.0 mmの櫛形Ti/Al表面コンタクトを成膜した。最後に、700 °Cの温度でコンタクトアニーリングを行った。ウェハをチップに切断した後、応力特性評価と応用を行った。
作製したPiNダイオードのI-V特性は、HP4155B半導体パラメータアナライザを用いて観測した。電気的ストレスとして、10ミリ秒パルスの電流212.5 A/cm2を10パルス/秒の周波数で2時間印加した。より低い電流密度または周波数を選択した場合、プロトン注入のないPiNダイオードでも1SSFの膨張は観測されなかった。印加電圧中、PiNダイオードの温度は、図S8に示すように、意図的な加熱なしで約70℃であった。電流密度25 A/cm2での電気的ストレスの前後に、エレクトロルミネッセンス画像を取得した。愛知シンクロトロン放射光センターの単色X線ビーム（λ = 0.15 nm）を用いたシンクロトロン反射斜入射X線トポグラフィーでは、BL8S2のagベクトルは-1-128または11-28である（詳細は文献44を参照）。
図2では、PiNダイオードの各状態のCVCに応じて、順方向電流密度2.5 A/cm2における電圧周波数を0.5 V間隔で抽出しています。ストレスVaveの平均値とストレスの標準偏差σから、以下の式を用いて、図2に点線の正規分布曲線を描きます。
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Zhang, Z.、Moulton, E.、Sudarshan, TS「エッチングされた基板上でのエピタキシャル成長によるSiC薄膜の基底面転位除去のメカニズム」 Zhang, Z.、Moulton, E.、Sudarshan, TS「エッチングされた基板上でのエピタキシャル成長によるSiC薄膜の基底面転位除去のメカニズム」Zhang Z.、Moulton E.、Sudarshan TS「エッチングされた基板上でのエピタキシャル成長によるSiC薄膜の基底面転位除去のメカニズム」 Zhang, Z.、Moulton, E.、および Sudarshan, TS は、エッチング基板上の SiC 薄膜のベース面位置欠陥を除去する方法を開発した。 Zhang, Z.、Moulton, E.、Sudarshan, TS 基板のエッチングによる SiC 薄膜の除去メカニズム。Zhang Z.、Moulton E.、Sudarshan TS「エッチングされた基板上のエピタキシャル成長によるSiC薄膜の基底面転位除去のメカニズム」応用物理学ライト。89、081910（2006）。
Shtalbush RE 他。成長中断により、4H-SiC エピタキシー中の基底面転位が減少する。声明。物理学。ライト。94、041916 (2009)。
Zhang, X. & Tsuchida, H. 高温アニーリングによる4H-SiCエピ層における基底面転位の貫通刃状転位への変換。 Zhang, X. & Tsuchida, H. 高温アニーリングによる4H-SiCエピ層における基底面転位の貫通刃状転位への変換。Zhang, X. および Tsuchida, H. 高温アニーリングによる 4H-SiC エピタキシャル層における基底面転位の貫通刃状転位への変換。 Zhang, X. および Tsuchida, H. は、4H-SiC 外部延長層のベースビットを高温加熱によってねじ山ビットに変換しました。 Zhang, X. & Tsuchida, H. 高温退火経由4H-SiCZhang, X. および Tsuchida, H. 高温アニーリングによる 4H-SiC エピタキシャル層における基底面転位のフィラメントエッジ転位への変換。J.応用物理学111、123512（2012）。
Song, H. & Sudarshan, TS 4°オフアクシス4H-SiCのエピタキシャル成長におけるエピ層/基板界面近傍の基底面転位変換。 Song, H. & Sudarshan, TS 4°オフアクシス4H-SiCのエピタキシャル成長におけるエピ層/基板界面近傍の基底面転位変換。Song, H. および Sudarshan, TS 4H-SiC のオフアクシスエピタキシャル成長中のエピタキシャル層/基板界面近傍における基底面転位の変換。 Song, H. & Sudarshan, TS は、4H-SiC 外部延伸中の外部延在層/基板界面近傍の 4° での基板平面位置変換を行った。 Song, H. & Sudarshan, TS 在4° 离轴4H-SiC ソン、H. & スダルシャン、TS4°軸外の4H-SiCのエピタキシャル成長中に、エピタキシャル層/基板境界付近の基板の平面転位遷移。J. Crystal. Growth 371, 94–101 (2013).
小西ら「高電流下では、4H-SiCエピタキシャル層における基底面転位積層欠陥の伝播はフィラメントエッジ転位に変化する」応用物理学ジャーナル114, 014504 (2013)。
小西ら「動作中のX線トポグラフィー解析における拡張積層欠陥核生成サイトの検出によるバイポーラ非劣化性SiC MOSFET用エピタキシャル層の設計」AIP Advanced 12, 035310 (2022).
Lin, S. et al. 4H-SiC pin ダイオードの順方向電流減衰時の単一ショックレー型積層欠陥の伝播に対する基底面転位構造の影響. 日本応用物理学会誌. 57, 04FR07 (2018).
Tahara, T., et al. 窒素リッチ4H-SiCエピ層における短い少数キャリア寿命を利用してPiNダイオードの積層欠陥を抑制する。応用物理学ジャーナル120、115101（2016）。
Tahara, T. et al. 4H-SiC PiNダイオードにおける単一ショックレー積層欠陥伝播の注入キャリア濃度依存性. J. Application. Physics 123, 025707 (2018).
Mae, S., Tawara, T., Tsuchida, H. & Kato, M. SiCにおける深さ分解キャリア寿命測定のための顕微鏡FCAシステム。 Mae, S., Tawara, T., Tsuchida, H. & Kato, M. SiCにおける深さ分解キャリア寿命測定のための顕微鏡FCAシステム。Mei, S., Tawara, T., Tsuchida, H. and Kato, M. 炭化ケイ素における深さ分解キャリア寿命測定のためのFCA顕微鏡システム。 Mae, S.、Tawara, T.、Tsuchida, H.、Kato, M. は、SiC 中深度分散ストリーミング子寿命測定のマイクロ FCA システムに使用されました。 Mae, S.、Tawara, T.、Tsuchida, H.、Kato, M. SiC中深度分載流子寿命測定用月微FCAシステム。Mei S.、Tawara T.、Tsuchida H.、Kato M.「炭化ケイ素における深さ分解キャリア寿命測定のためのマイクロFCAシステム」アルマ・マター・サイエンス・フォーラム924、269-272（2018）。
平山 哲也 他「自由キャリア吸収と交差光の時間分解能を用いて、厚い4H-SiCエピタキシャル層におけるキャリア寿命の深さ分布を非破壊的に測定した」Switch to Science. meter. 91, 123902 (2020).
投稿日時：2022年11月6日
