SiCウェハ（炭化ケイ素基板）とは

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SiCウェハとは、SiC（炭化ケイ素）で作ったウェハです。 絶縁破壊電界強度がシリコンの10倍あり、同じ耐圧をより薄い層で実現できます。その代わり、液相がないので結晶は昇華法でゆっくり育ち、硬いので切断と研磨に時間がかかり、結晶には未だ多くの転位が含まれます。SiCウェハの値段と品質は、強みを生む原子どうしの強い結合と、その結合が生む作りにくさの両方で決まります。

絶縁破壊電界がSiの10倍なので、キロボルト級の耐圧を薄い層で得られる

シリコンで耐圧を上げるには、電界が絶縁の破れる値を超えないように層を厚くする必要があり、その分だけ抵抗が増えて損失になります。SiCは、ケイ素と炭素からなる化合物半導体材料で、絶縁破壊電界強度がシリコンの10倍、バンドギャップが3倍広い材料です¹。同じ耐圧をより薄い層で実現できるため、抵抗が下がり、損失が減ります。バンドギャップが広いことは、高温でも半導体として振る舞いやすいことも意味します。

4H型SiCとSiの物性は、エネルギーギャップが3.26eVと1.12eV、絶縁破壊電界（c軸方向）が3MV/cmと0.3MV/cm、熱伝導率が4.9W/cmKと1.5W/cmKです²。性能指数BFOM（Baliga’s Figure of Merit）は絶縁破壊電界強度の3乗に比例し、三菱電機は表の記載値から、SiCのユニポーラデバイスの抵抗値がSiと比べて1/667に低減できる可能性を持つとしています。Siでキロボルト級の耐圧を持つユニポーラデバイスを作ると抵抗値が大きくなり過ぎますが、SiCなら実現できます。SiCの出番は、このキロボルト級から始まります。バンドギャップが広いSiCほど、耐えられる電界も大きくなります。

熱伝導率はSiの約3倍あり、原子間の結合距離が短く結合力が強いことに起因します。SiCは800℃の高温でも半導体としての性質を保ちます。ヤング率もSiの約3倍で非常に硬く、温度サイクルなどで加わる応力が非常に大きくなり、モジュールの寿命を決める要因になることがあります²。用途は電気自動車のインバータ、電源、産業機器といった高い電圧と大きな電流に耐える分野で、同じ性能をより小さく、損失を抑えて実現します。

原子の積み方で性質が変わり、パワー用には4H型を4°傾けて使う

バンドギャップ

組成が同じSi:C＝1:1でも、積層順の違いでバンドギャップは2.39〜3.26eVに分かれ、パワー用の4H型は3.26eVとSiの1.12eVの約3倍です。

ケイ素も炭素もIV族元素で、各原子は4つの共有結合軌道をもち、シリコンと炭素は四面体配位で交互に結合して結晶を作ります³。Si原子とC原子の対を最稠密に積み重ねる順番が異なる結晶が何種類も安定に存在し、これをポリタイプ（結晶多形）と呼びます。代表的なポリタイプは3C型・4H型・6H型で、数字が積層の周期を、Cが立方晶（Cubic）を、Hが六方晶（Hexagonal）を表します³。積層順は3C型でABC、4H型でABCB、6H型でABCACBで、バンドギャップは3C型2.39eV・4H型3.26eV・6H型3.02eVです。組成はどれもSi:C = 1:1のままで、原子の重ね方だけでこれだけの幅が出ます。

可視光のエネルギーは1.7eV〜3.3eVなので、純度の高い4H型SiC結晶は可視光に対して透明です。高濃度n型の結晶では、伝導帯に多くある電子が特定のエネルギーの可視光を吸収するため、デバイス用のSiC基板は黄〜緑の色に見えます。伝導型の制御には、n型にはV族の窒素やリン、p型にはIII族のアルミニウムやボロンが使われます²。

パワーデバイスには、絶縁破壊電界強度が大きく電気特性の異方性が小さい4H型SiCが通常用いられます。今日市販されているパワーデバイス用のSiC基板はほとんどがn型の4H型で、4°オフ(0001)面にデバイスが作製されます³。(0001)面はSiの未結合軌道が表面から垂直に伸びる面で、面の向きで性質が変わります。たとえば(000-1)面の熱酸化の速度は(0001)面の約10倍です²。4°という角度は、ステップ制御エピタキシーからの要請と、ブール（boule）から取れるウエハの枚数を増やす要請の二つで決まっています⁴。角度を大きくすればステップが密になってエピ側は安全側に寄りますが、1本のブールから取れる枚数が減ります。小さくすれば枚数は増え、異種ポリタイプが混ざる余地が広がります。基板を何度傾けて切るかという一つの数字が、後工程の成否と材料の使い切り方を同時に左右します。

液相がないので、2000℃を超える昇華法でゆっくり育てる

シリコンウェハは、融かしたシリコンから単結晶を引き上げて作ります。SiCは常圧で化学量論組成（Si:C = 1:1）からなる液相を持たないため、SiCバルク単結晶の作製には、Siで一般に用いられている融液を原料とする方法は使えず、昇華法（PVT、Physical Vapor Transport）が用いられます⁵。

グラファイト製のるつぼの中に原料のSiC粉末と種結晶であるSiC基板を入れ、粉末側の温度がやや高くなるように温度勾配を付けて、全体を2000〜2500℃に保ちます⁵。今日の手法は改良レイリー法と呼ばれ、雰囲気には減圧状態のArを用い、n型のドーピングには窒素ガスを加えます。加熱されたるつぼの中で、SiC粉末はSi2C、SiC2、Siなどの分子の状態で昇華し、種結晶の表面へ積もります。

三菱電機は、昇華法が融液を原料とする方法より成長速度が遅いこと、品質は徐々に向上しているものの未だ多くの転位が結晶に含まれていることを、残された課題に挙げています。昇華法に代わる道もあります。高温CVD法は、高純度な原料ガスを使え、欠陥密度に影響する気相中のC/Si比をガス流量で精密に制御でき、バルク成長で1mm/h以上の比較的高速な成長ができる⁵点が長所に挙がっています。RAF法で作ったSiC単結晶では、転位密度が通常のものより1〜2桁低いものも得られています⁵。2000℃超の炉の中をゆっくり伸びていく結晶が、SiCウェハの原価の出発点です。

砥粒になるほど硬く、レーザー剥離はスライスを1枚3.1時間前後から10分にする

スライス1枚あたりの厚さと時間

厚さ350µmのウェーハ1枚に対し、ワイヤ加工は180µm程度を切り粉にして3.1時間前後かかり、KABRAプロセスは80µmのロスで10分です。

SiCはシリコンより硬いため、切断に時間がかかり、工具の消耗も大きくなります。研磨も同様で、ウェハ1枚あたりの加工費用がシリコンより高くなり、SiCウェハが高価である理由の1つになっています。SiCは様々な材料の加工の際の砥粒に用いられる非常に硬い物質で、SiC bouleのウエハへの加工は長時間を必要とする難度の高いプロセスです⁶。

加工は、円筒研削、結晶方位を示すオリエンテーションフラット（OF）またはノッチの形成、マルチワイヤーソーによるスライス、ラッピング、鏡面化のポリッシング、外周の鋭角を丸めるエッジ研磨の順に進みます。パワーデバイス用のn型SiCウエハでは、上面と下面が通常4°のオフ角をもつ(0001)面になります。ワイヤーソーは、ワイヤとSiC結晶の隙間に砥粒を入れ、押し付けながら移動させて切断する装置です。

ディスコは、Φ6インチSiCインゴットから指定厚350μmのウェーハを作る場合、従来のワイヤ加工では1枚あたり3.1時間前後（1インゴットあたり100時間）かかるのに対し、KABRAプロセスでは1枚あたり10分（1インゴットあたり約31時間）になるとしています⁷。同社は、切断部分の素材ロス（カーフロス）が1枚あたり180μm程度から80μmに下がり、インゴット1本あたりの取り枚数が従来比約1.4倍になり、剥離後のうねりを抑えられるためラップ研削が要らなくなるともしています。KABRAの原理は、円柱形結晶の上面からレーザー光を照射し、スライスしたい深さに集光して改質部を形成し、面全体を走査して薄板を剥離する方法です⁶。代わりに、改質部の形成と剥離という新しい工程の管理が増えます。単結晶を薄く剥がして別の支持基板に載せ、1枚から多くの基板を作る層転写も、高価な結晶を使い切るための手段です。

デバイスは基板の上のエピ層に作り、注入は加熱しながら打ち込む

デバイスが作られるのは、基板そのものよりも、その上に成長させた層です。ステップ制御エピタキシー法（Step-Controlled Epitaxy）は⁴、低指数面に小さなオフ角を付けた表面を持つSiC基板に化学的気相成長を行う方法です。オフ角をもつ基板の表面には分子層オーダーのステップ（段差）とテラス（平らな面）ができ、供給された原料種はステップに捕捉されて、その位置で下地と一致する配列の結晶を作ります。ステップから離れたテラス面上で核形成が起きると縦方向の配列情報を欠くため、異なるポリタイプの結晶が成長し、混入した異種ポリタイプはデバイスにとって致命的な欠陥になります。

成長では、高純度水素をキャリアガスとし、SiH4などのSi原料とC3H8などのC原料を1500〜1600℃に保持した基板表面へ供給します。ドーピング濃度の均一性はデバイスの耐圧分布に直接影響し、8インチ基板に対応する装置の開発が進められています。SiCのエピタキシャルウェハは、基板とエピ層のセットで初めて商品になります。

常温でイオン注入すると結晶の損傷が回復しにくいため、SiCでは加熱しながら打ち込みます。日新イオン機器のIMPHEAT-IIは、ウェーハ温度最大500℃で、アルミニウムイオンの注入に対応し、パワーデバイス用途向けに設計されています⁸。

基底面転位は、出荷後の通電で積層欠陥に育つ

基底面転位の行き先

基板の基底面転位がドリフト層まで続くと、バイポーラ電流で積層欠陥が広がり抵抗が上がります。界面で貫通刃状転位に変えれば無害になり、その役をバッファ層が担います。

SiCの欠陥密度は、いまだSiより大きいままです。主な欠陥は、大形のマイクロパイプやカーボンインクルージョン、積層欠陥（SF、Stacking Fault）、刃状転位（TED）、螺旋転位（TSD）、基底面転位（BPD、Basal Plane Dislocation）で、最近の比較的品質の良いもので、マイクロパイプが1cm²あたり1〜10個、転位の密度が1cm²あたりおよそ1,000〜10,000個です⁹。マイクロパイプは変位の非常に大きな螺旋転位と考えられ、中心に空洞があります。カーボンインクルージョンはバルク結晶の成長中に炭素の埃が埋め込まれたもので、高密度の転位の発生源になります⁹。この2つはデバイスにとって致命的ですが、小形の転位の多くは特性に対して無害です。結晶欠陥を数えるときは、種類まで見分ける必要があります。

やっかいなのは基底面転位で、出荷検査を通ったあとに育ちます。基板中の基底面転位はドリフト層へ引き継がれます。バイポーラ電流が流れるとドリフト層中の電子と正孔が基底面転位に捕獲され、再結合で放出したエネルギーで部分転位が移動し、移動した部分に積層欠陥ができます。積層欠陥はさらに電子と正孔を捕獲して拡張を続け、二本の部分転位で囲まれた領域が積層欠陥として広がり、抵抗の増加などのデバイス特性の劣化を生じさせます⁹。

手当てはエピ工程にあります。エピタキシャル成長は、基板内の基底面転位を基板とドリフト層の界面で貫通刃状転位（TED）に変換し、変換されたTEDはデバイスの電気特性に対して無害です⁴。その変換は、ドリフト層と基板の間に挿入する高濃度n型のバッファ層が担います。三菱電機は、今日のSiCエピウエハは適切なバッファー層を形成することでドリフト層中の基底面転位の密度が大幅に低減されているとしています⁹。基板が持ち込んだ欠陥をエピ工程が入口で作り替えるのが、SiCの品質設計の骨格です。バッファ層を厚く入れるほど変換が進んで通電劣化の起源が減り、代わりにエピ成長の時間と原料が増えます。

欠陥は溶融KOHで壊して数えるか、光で全数を見る

1つは、SiC基板の表面を溶融した水酸化カリウム（溶融KOH）でエッチングして欠陥部分にピットを形成する手法です⁹。三菱電機は8°オフの4H SiC基板で例を示しており、表面に対して垂直方向に伸びる転位線は六角形状のピット、(0001)面内で伸びる基底面転位は長円形のピットになります。

もう1つは、ウェハを壊さない光学的な検査です。SiC固有の結晶欠陥を見つける必要があるため、レーザーテックはSiCウェーハ検査およびレビューシステムとしてSICA108とSICA88¹⁰を揃えています。同社は、SICA88が表面欠陥と同時にエピ膜付きウェハ内部の基底面内転位（BPD）や積層欠陥（SF）を高感度に検出し¹¹、高精度自動欠陥分類（ADC）で各種欠陥を詳細分類し、φ6インチウェハ全面検査で10枚/時間だとしています。溶融KOHは1枚を犠牲にして欠陥の実態を知る方法、フォトルミネッセンス（PL）検査は全数を通しながら同じ欠陥を追う方法です。

8インチ化は、昇華法の結晶とエピ装置の両方が追いつく必要がある

6インチから8インチへ上げれば、1枚から取れるチップ数が増えます。代わりに昇華法で育てるブールの径を広げる必要が生じ、エピタキシャル成長装置も8インチ対応の開発を待つことになります。SiCウェハが売っているのは、Siの10倍の絶縁破壊電界、約3倍の熱伝導率、そして4H型という積層順のそろった結晶です。買い手が払うのは、2000℃超の炉でゆっくり伸びる結晶の値段、砥粒そのものを削る加工の時間、そして基板から引き継がれる転位の後始末です。妥協した積層順は異種ポリタイプとして、妥協した転位密度はバイポーラ通電後のオン抵抗として、あとから跳ね返ってきます。

よくある質問（FAQ）

SiCウェハとは何ですか？

SiC（炭化ケイ素）で作ったウェハです。SiCはケイ素と炭素からなる化合物半導体材料で、どちらもIV族元素のため、四面体配位で交互に結合して結晶を作ります。

シリコンと比べて何が優れていますか？

絶縁破壊電界強度がシリコンの10倍、バンドギャップが3倍広く、高い電圧に耐え、高温でも動作しやすい材料です。熱伝導率もSiの約3倍あります。

どこで使いますか？

パワー半導体が中心です。電気自動車のインバータ、電源、産業機器など、高い電圧と大きな電流に耐える用途で選ばれ、同じ性能をより小さく、損失を抑えて実現します。

加工は何が難しいのですか？

硬いことです。SiCは砥粒に使われるほど硬く、切断に時間がかかり、工具の消耗も大きくなります。研磨も同様で、ウェハ1枚あたりの加工費用がシリコンより高くなります。

イオン注入も違いますか？

加熱しながら打ち込みます。常温で打ち込むと結晶の損傷が回復しにくいためで、日新イオン機器のIMPHEAT-IIはウェーハ温度最大500℃、アルミニウムイオン注入に対応したパワーデバイス用途向けの装置です。

検査も専用ですか？

専用の装置があります。SiC固有の結晶欠陥を見つける必要があるためで、レーザーテックはSiCウェーハ検査およびレビューシステムとしてSICA108とSICA88を揃えています。

単結晶はどうやって育てますか？

昇華法（PVT、Physical Vapor Transport）です。SiCは常圧で化学量論組成（Si:C = 1:1）の液相を持たないため、Siの融液法は使えません。グラファイト製るつぼの中で全体を2000〜2500℃に保ち、今日の手法は改良レイリー法と呼ばれます。

4H型とは何ですか？

SiCの結晶多形（ポリタイプ）の1つで、Si原子とC原子の対の積層順がABCBという4層周期の結晶です。バンドギャップは4H型3.26eV・6H型3.02eV・3C型2.39eVで、絶縁破壊電界強度が大きく電気特性の異方性が小さい4H型がパワーデバイスに通常用いられます。

数値ではどのくらい有利ですか？

三菱電機の物性比較表では、絶縁破壊電界が4H型SiC 3MV/cm・Si 0.3MV/cm、エネルギーギャップが3.26eVと1.12eV、熱伝導率が4.9W/cmKと1.5W/cmKで、性能指数BFOMのSi比は667です。同社は、ユニポーラデバイスの抵抗値をSiの1/667に低減できる可能性があるとしています。

使っているうちに性能が落ちると聞きました。

基底面転位（BPD）が起点です。バイポーラ電流が流れると、二本の部分転位に挟まれた領域が積層欠陥として拡張し、高抵抗領域として抵抗の増加などの劣化を生じさせます。エピタキシャル成長で基底面転位を貫通刃状転位（TED）へ変換することが手当てになります。

SiCウェハが黄色や緑をしているのはなぜですか？

ドーピングの色です。可視光のエネルギーは1.7eV〜3.3eVなので、純度の高い4H型SiC結晶は可視光に対して透明です。高濃度n型結晶では伝導帯に多くある電子が特定のエネルギーの可視光を吸収するため、デバイス用のSiC基板は黄〜緑の色を示します。

スライスはどのくらい時間がかかりますか？

ディスコによると、Φ6インチSiCインゴットから厚さ350μmのウェーハを作る場合、従来のワイヤ加工は1枚あたり3.1時間前後（1インゴットあたり100時間）、KABRAプロセスは1枚あたり10分（1インゴットあたり約31時間）です。同社はカーフロスが180μm程度から80μmに下がり、取り枚数が従来比約1.4倍になるとしています。

比較・違いを学ぶ

ウェーハと基板── 工程としてのウェーハ製造
ローム第5世代SiC MOSFET ── SiCデバイスの実装例

出典

11件を表示

1
東京エレクトロン：SiC Wafertel.com ↩
2
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 4. SiCの物理的性質mitsubishielectric.co.jp a b c d
3
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 3. SiCの結晶構造とエネルギーバンドmitsubishielectric.co.jp a b c
4
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 8. SiCエピタキシャル成長技術mitsubishielectric.co.jp a b c
5
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 6. SiCバルク単結晶の成長技術mitsubishielectric.co.jp a b c d
6
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 7. SiC結晶のウエハ化プロセス技術mitsubishielectric.co.jp a b
7
ディスコ：KABRAdisco.co.jp ↩
8
日新イオン機器：Ion Implantation Servicesnissin-ion.co.jp ↩
9
三菱電機：SiCレクチャーシリーズ 5. SiCの結晶欠陥mitsubishielectric.co.jp a b c d e
10
レーザーテック：半導体関連製品lasertec.co.jp ↩
11
レーザーテック：SICA88lasertec.co.jp ↩