高品質シリコンカーバイド単結晶の製造における重要な考慮事項

シリコン単結晶の主な製造方法には、物理気相輸送法（PVT法）、トップシード溶液成長法（TSSG法）、高温化学気相成長法（HT-CVD法）などがあります。これらのうち、PVT法は設備がシンプルで制御が容易であり、設備コストと運用コストが低いため、工業生産において広く採用されています。

炭化ケイ素結晶のPVT成長における重要な技術的ポイント

物理蒸気輸送 (PVT) 法を使用してシリコンカーバイド結晶を成長させる場合、次の技術的な側面を考慮する必要があります。

1. 成長チャンバー内のグラファイト材料の純度：グラファイト成分中の不純物含有量は5×10⁻⁶以下、絶縁フェルト中の不純物含有量は10×10⁻⁶以下である必要があります。BやAlなどの元素は0.1×10⁻⁶以下に抑える必要があります。
2. 正しいシード結晶極性の選択: 経験的研究によると、C (0001) 面は 4H-SiC 結晶の成長に適しており、Si (0001) 面は 6H-SiC 結晶の成長に使用されます。
3. オフ アクシス シード結晶の使用: オフ アクシス シード結晶は結晶成長の対称性を変え、結晶の欠陥を減らすことができます。
4. 高品質の種結晶結合プロセス。
5. 成長サイクル中の結晶成長インターフェースの安定性の維持。

炭化ケイ素結晶成長の主要技術

1. 炭化ケイ素粉末のドーピング技術
   炭化ケイ素粉末に適切な量のCeをドープすることで、4H-SiC単結晶の成長を安定化させることができます。実用実験の結果から、Ceドープには以下の効果があることが示されています。

• 炭化ケイ素結晶の成長速度を向上させます。
• 結晶成長の方向を制御し、より均一かつ規則的にします。
• 不純物の生成を抑制し、欠陥を減らし、単結晶や高品質結晶の製造を容易にします。
• 結晶の裏面腐食を抑制し、単結晶の歩留まりを向上します。

• 軸方向および放射状温度勾配制御技術
  軸方向の温度勾配は、結晶成長の種類と効率に主に影響を及ぼします。温度勾配が小さすぎると多結晶が形成され、成長速度が低下する可能性があります。適切な軸方向および径方向の温度勾配は、安定した結晶品質を維持しながら、SiC結晶の急速な成長を促進します。
• 基底面転位（BPD）制御技術
  BPD欠陥は主に、結晶内のせん断応力がSiCの臨界せん断応力を超え、すべり系が活性化したときに発生します。BPDは結晶の成長方向と垂直であるため、主に結晶の成長と冷却中に形成されます。
• 気相組成比調整技術
  成長環境における炭素とシリコンの比率を高めることは、単結晶成長を安定化させる効果的な手段です。炭素とシリコンの比率が高いほど、大きなステップバンチングが減少し、種結晶表面の成長情報が保持され、ポリタイプの形成が抑制されます。
• 低応力制御技術
  結晶成長中の応力は結晶面の曲がりを引き起こし、結晶品質の低下やひび割れにつながる可能性があります。また、高い応力は基底面転位を増加させ、エピタキシャル層の品質とデバイス性能に悪影響を及ぼす可能性があります。

6インチSiCウェハのスキャン画像

結晶の応力を軽減する方法：

• 温度場分布とプロセスパラメータを調整して、SiC 単結晶のほぼ平衡な成長を可能にします。
• るつぼ構造を最適化し、制約を最小限に抑えて自由な結晶成長を可能にします。
• 種結晶とグラファイトホルダー間の熱膨張差を低減するため、種結晶の固定技術を改良します。一般的な方法としては、種結晶とグラファイトホルダーの間に2mmの隙間を設けることが挙げられます。
• インサイチュー炉アニーリングを実施し、アニーリングの温度と時間を調整して内部応力を完全に解放することにより、アニーリングプロセスを改善します。

炭化ケイ素結晶成長技術の将来動向

今後、高品質 SiC 単結晶製造技術は、以下の方向に発展していくと考えられます。

1. 大規模な成長
   炭化ケイ素（SiC）単結晶の直径は、数ミリメートルから6インチ、8インチ、さらには12インチへと進化しました。大口径SiC結晶は、生産効率の向上、コスト削減、そして高出力デバイスの需要への対応を可能にします。
2. 質の高い成長
   高性能デバイスには、高品質のSiC単結晶が不可欠です。大きな進歩が遂げられているにもかかわらず、マイクロパイプ、転位、不純物などの欠陥が依然として存在し、デバイスの性能と信頼性に影響を与えています。
3. コスト削減
   SiC結晶の製造コストが高いため、特定の分野での応用が制限されています。成長プロセスの最適化、生産効率の向上、原材料コストの削減は、生産コストの削減につながります。
4. インテリジェントな成長
   AIとビッグデータの進歩に伴い、SiC結晶成長技術はますますインテリジェントなソリューションを採用するようになるでしょう。センサーや自動化システムを用いたリアルタイムの監視・制御は、プロセスの安定性と制御性を向上させます。さらに、ビッグデータ分析は成長パラメータを最適化し、結晶品質と生産効率を向上させることができます。

高品質な炭化ケイ素（SiC）単結晶作製技術は、半導体材料研究における重要な焦点です。技術の進歩に伴い、SiC結晶成長技術は進化を続け、高温、高周波、高出力分野への応用に確固たる基盤を提供します。