SiCエピタキシャル成長プロセスの基礎入門

エピタキシャル層とは、エピタキシャル法によりウェーハ上に成長させた特定の単結晶膜のことで、基板ウェーハとエピタキシャル膜を合わせてエピタキシャルウェーハと呼ばれます。導電性炭化ケイ素基板上に炭化ケイ素エピタキシャル層を成長させることにより、炭化ケイ素の均質なエピタキシャルウェーハをさらにショットキーダイオード、MOSFET、IGBT、およびその他のパワーデバイスに製造することができ、その中で4H-SiC基板が最も一般的に使用されます。

炭化ケイ素パワーデバイスと従来のシリコンパワーデバイスは製造プロセスが異なるため、炭化ケイ素単結晶材料上に直接製造することはできません。追加の高品質エピタキシャル材料を導電性単結晶基板上に成長させ、さまざまなデバイスをエピタキシャル層上に製造する必要があります。したがって、エピタキシャル層の品質はデバイスの性能に大きな影響を与えます。さまざまなパワーデバイスの性能の向上により、エピタキシャル層の厚さ、ドーピング濃度、欠陥に対するより高い要件も求められます。

イチジク。1. ユニポーラデバイスのドーピング濃度およびエピタキシャル層の厚さと耐圧の関係

SIC エピタキシャル層の作製方法には、主に蒸着成長法、液相エピタキシャル成長 (LPE)、分子線エピタキシャル成長 (MBE)、化学蒸着 (CVD) などがあります。現在、工場での大規模生産には化学気相成長法（CVD）が主に使用されています。

イチジク。2. エピタキシャル層の主な作製方法の比較

図2(b)に示すように、一定の傾斜角を持ったオフアクシス{0001}基板では、ステップ面の密度が大きくなり、ステップ面のサイズが小さくなり、結晶核が生成しにくくなります。段差面でも発生しますが、段差の合流点で発生することが多いです。この場合、核キーは 1 つだけです。したがって、エピタキシャル層は基板の積層順序を完全に再現することができ、複数種類の共存の問題が解消される。

イチジク。3. 4H-SiCステップ制御エピタキシー法の物理プロセス図

イチジク。4. 4H-SiCステップ制御エピタキシー法によるCVD成長の臨界条件

イチジク。5. 4H-SiCエピタキシーにおける異なるシリコンソース下での成長速度の比較

現在、炭化ケイ素エピタキシー技術は、低電圧および中電圧のアプリケーション (1200 ボルトのデバイスなど) において比較的成熟しています。エピタキシャル層の厚さの均一性、ドーピング濃度の均一性、欠陥分布は比較的良好なレベルに達することができ、基本的に中低電圧SBD（ショットキーダイオード）、MOS（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、JBS（接合ダイオード）およびその他のデバイス。

しかし、高圧の分野では、エピタキシャルウェーハは依然として多くの課題を克服する必要があります。例えば、10,000ボルトに耐える必要があるデバイスの場合、エピタキシャル層の厚さは約100μmである必要があります。低電圧デバイスと比較すると、エピタキシャル層の厚さとドーピング濃度の均一性、特にドーピング濃度の均一性が大きく異なります。同時に、エピタキシャル層内の三角形の欠陥もデバイスの全体的な性能を破壊します。高電圧アプリケーションでは、デバイスタイプはバイポーラデバイスを使用する傾向があり、エピタキシャル層の少数寿命を長くする必要があるため、少数寿命を改善するにはプロセスを最適化する必要があります。

現在、国内のエピタキシーは4インチと6インチが主流であり、大型炭化ケイ素エピタキシーの割合が年々増加しています。炭化ケイ素エピタキシャルシートのサイズは、主に炭化ケイ素基板のサイズによって制限されます。現在、６インチ炭化珪素基板が製品化されており、炭化珪素エピタキシャルは４インチから６インチへと徐々に移行しつつある。炭化ケイ素基板の製造技術の継続的な改善と生産能力の拡大により、炭化ケイ素基板の価格は徐々に低下しています。エピタキシャルシートの価格構成のうち、基板がコストの50％以上を占めており、基板価格の下落に伴い炭化珪素エピタキシャルシートの価格も低下すると予想されます。