4H-SiC エピタキシーにおけるピットの形成、影響、および抑制戦略 +

PAM-XIAMEN は、さまざまなタイプのダイオード用の 4H-SiC エピタキシーを提供できます。詳細については、以下を参照してください。[email protected]。 4H-SiC はワイドバンドギャップ半導体材料として、高温、高電圧、高周波パワーデバイスにおいて重要な応用の可能性を秘めています。しかし、エピタキシャル成長プロセス中に形成される表面ピット欠陥は、デバイスの電気的性能と信頼性に重​​大な影響を与えます。研究者らは、表面ピットの原因とそれがデバイスの性能に及ぼす影響を分析し、抑制戦略を提案しました。

1.Fの編成S表面Pそれ D4Hの影響–SiCの Eピタキシ

4H-SiC エピタキシャル材料における表面ピット欠陥の形成は、複数の要因が連携して作用した結果です。主な原因は次のように要約できます。

まず、SiC 基板の結晶欠陥、特に貫通螺旋転位 (TSD) と貫通刃状転位 (TED) は、エピタキシャル成長中に表面にまで広がり、腐食やその他の処理後に表面ピットに発展します。

第二に、エピタキシャル成長パラメータは表面ピットの形成に大きな影響を及ぼし、炭素対シリコン比 (C/Si) が高くなると表面炭素富化が生じ、深いピットの形成が促進されます。塩化物とシリコンの比率 (Cl/Si) を増やすと、シリコンが豊富な環境を作り出し、表面ピットの形成を抑制するのに役立ちます。

さらに、最適化されていないプロセス条件 (過度に高い成長温度や急速な成長速度など) や不適切な反応ガス比 (過度に高い C2H4 や TCS 流量など) により、シリコンやカーボンのクラスターが形成され、表面ピットが誘発される可能性があります。

さらに、不均一核生成中心として基板表面に Si 粒子が存在すると、ピット欠陥の形成が促進される可能性があり、水素エッチングなどの後処理プロセスにより欠陥がさらに拡大したり、新たな表面ピットが導入されたりする可能性があります。

図1 SiCエピタキシーの表面ピット形態とKOHエッチング後のピット形態

2。i4Hの影響–SiCの EみぞおちS表面Pそれ Dに影響を与えるDエビスPパフォーマンス

表面ピット欠陥は、主に電気特性と長期信頼性に反映される、SiC デバイスの性能と信頼性に重​​大な悪影響を及ぼします。電気的特性の点では、表面ピットは漏れ電流を大幅に増加させ、局所的な電界の集中と強化を引き起こし、電界ホットスポットを形成するため、デバイスのブレークダウン電圧と耐電圧が大幅に低下します。信頼性の観点から見ると、連続的な漏れ電流はエネルギーの散逸を引き起こし、局所的な熱暴走を引き起こし、材料の劣化を加速させ、最終的にはデバイスの耐用年数を短くする可能性があります。

さらに、表面ピットの幾何学的特性と分布密度も重要です。アスペクト比が高いピットは、深刻な電界集中や欠陥チャネルを形成する可能性が高くなりますが、高密度の表面ピットは上記のすべての悪影響を増幅させ、デバイス性能のさらなる低下につながります。王ら。 JBS ダイオードでは、ピット密度が低い (1.36cm など) 場合でも、^-2）、逆漏れ電流は、欠陥のないデバイスの逆漏れ電流よりも大幅に高くなります。

図 2 IV 特性曲線 (a) 欠陥のない 4H-SiC ベースの JBS デバイス、および (b) ピットのみを含む 4H SiC ベースの JBS デバイス。 (c) ピット密度が異なる JBS 機器の逆耐圧。 (d) JBS デバイスの耐電圧降下とピットのアスペクト比の関数関係

3. 抑制S4Hの戦略–SiCの EみぞおちS表面Pそれの

3.1 最適化Gとして-PhaseG列Pアラメーター

複数の研究により、C/Si 比を減らし、Cl/Si 比を増やすと表面ピットを効果的に抑制できることが一貫して示されています。ルーら。 (2023) は、C/Si 比が 1.05 に増加すると、ピット密度はさらに増加するが、C/Si 比が 0.9 になると、SiC エピタキシャル ウェーハのピット密度は約 30/cm2 まで急速に減少することを発見しました。²。さらに、表面ピット密度は、Cl/Si 比の増加とともに減少します。 Cl/Si比が8の場合、表面ピット密度は1cmに低下します。^-2。実験結果は、C/Si と Cl/Si を最適化することにより、ピット欠陥の密度を効果的に 1/cm 未満に低減できることを示しました。²。王ら。 (2025) さらに、ピット密度は 1.5cm で制御できると指摘しました。^-2C/Si比が0.8、ピット密度が15cm未満の場合^-2成長速度が45μm/hに低下したとき。

図3 (a) C/Si比、(b) Cl/Si比と4H-SiCエピタキシャル表面のピット密度の関係

3.2 改善Pオスト-P加工中Technology4H-SiCウェハ用

趙ら。は、低成長速度 (LGR) を使用して、厚さ約 0.4 μm のエピタキシャル層を成長させ、Cl/Si 比の最適化 (Cl/Si=4 など) と組み合わせることで、表面ピットの数を 44.5% 削減できることを提案しています。逆に、水素エッチング（特に C2H4 または TCS によるエッチング）はピット欠陥を悪化させます。

図4 HCl支援LGRプロセス後の4H-SiCエピタキシャル成長の表面ピットの変化

3.3 反応器の構造とガス構成の最適化

ダイゴら。外部 HCl 流量を増やすことで CVD 反応器のガス ノズル設計を改善し、Si 副生成物の生成を効果的に抑制し、ピット密度を低減しました。

SiC エピタキシーの表面ピット欠陥を制御するには、成長温度、C/Si 比、Cl/Si 比、成長速度、反応ガス構成の包括的な最適化が必要です。合理的なプロセス設計を通じて、欠陥密度が低い高品質の 4H-SiC エピタキシャル層を実現することができ、高性能パワー デバイスを製造するための信頼できる基盤を提供します。

研究用または産業用アプリケーションで 4H-SiC ウェーハが必要な場合は、次のアドレスまで電子メールでお問い合わせください。[email protected] と [email protected].

 

参考文献：

1. Lu, W.、Fang, Y.、Li, J.、ying, J.、Wang, B.、Gao, N.、… & Niu, C. (2023)。 4H-SiCエピタキシャルウェーハの表面ピットの研究と低減。結晶成長ジャーナル、610、127156。
2. Wang, C.、Zhao, X.、Zhou, X.、Ma, X.、Hu, X.、および Wang, H. (2025)。 SiC エピタキシャル ウェーハの表面ピットが JBS 性能に及ぼす影響。電子材料ジャーナル、1-8。
3. Zhao, Z.、Wang, Y.、Li, Y.、Xiong, R.、Zhang, T.、Cao, Y.、… & Han, P. (2025)。その場後処理プロセスにより、厚い 4H-SiC エピ層の表面ピットを低減します。マテリアルズ・トゥデイ・コミュニケーションズ、113312。
4. 大悟 裕也、倉島 和也、石井 晋、水島 勇 (2024)ハロゲン化物化学気相成長法を用いて成長させた4H-SiCエピタキシャル膜上に形成された成長ピットの観察と抑制。半導体製造に関する IEEE トランザクション、37(3)、402-404。