SiC中のキャリア寿命を決める構造要因の分析 | 東レリサーチ ......1 SiC 中のキャリア寿命を決める構造要因の分析表面科学研究部森田

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SiC 中のキャリア寿命を決める構造要因の分析

表面科学研究部森田直威

要旨 SiC エピタキシャル基板上に約 50 nm の厚さの酸化膜を形成し、その形成条件による界面およびエ

ピタキシャル膜の状況の違いを、µ-PCD 法（microwave photoconductive decay measurement）、PL 法、水

銀プローブC-V 法を用いて評価した。キャリア寿命と、構造欠陥に起因するPL 強度、界面準位の一部に相

関が見られることが確認されたため、定量的な比較を試みた。

1. はじめに

半導体の重要な特性である、キャリア寿命を測定する

手法として、マイクロ波光導電減衰法（µ-PCD 法）が

ある。レーザー励起によって過剰少数キャリアを試料

中に発生させ、その再結合寿命を測定する方法である。

キャリア寿命は、結晶欠陥や、不純物などのトラッ

プによって容易に低下する。キャリア寿命を測定する

ことで 109 ～ 1011 cm-3 といった低密度なトラップを

検出することができる。µ-PCD 法は、キャリア密度を

マイクロ波の反射率を用いてモニターすることにより、

非接触でキャリア寿命を測定できる手法であり、半導

体結晶中の欠陥や微量重金属汚染の分布を求めるのに

利用されている。

一方で、SiC はワイドギャップ半導体であり、高性

能パワーデバイス用材料として近年注目されている。

しかし、現状では Si 材料に匹敵する高品位な単結晶基

板を得るには至っておらず、欠陥を減らすための研究

が現在盛んに行われている。SiC 中のキャリア寿命を

制御するために、寿命に影響を与える要因を調べるこ

とは、SiCの産業利用にとって重要と考え、今回、µ-PCD

法の結果を他の分析的手法と比較し、データの間にど

の程度相関があるかを調査した。

比較する手法として、水銀プローブを用いた C-V 法

と、PL 法による発光強度マッピングを選択した。前者

では酸化膜とエピタキシャル基板の界面準位を求め、

界面でのキャリアトラップの状況を探った。また後者

では、エピ膜内部の欠陥量や、結晶性の違いを発光強

度分布像から推定した。ウェーハ全体にわたって得ら

れた PL マッピングデータとキャリア寿命のマッピン

グデータを比較することで、寿命低下の原因がどの波

長領域の発光と関連しているかを調査した。

2. 分析の概要

試料としては、4 インチ 4H-SiC エピタキシャルウェー

ハ上に、表 1 に示す 2 種類の条件で酸化膜を作製した

ものを用いた。エピタキシャル膜の厚さは約 5.6 µm、

キャリア濃度は、2×1016/cm3の n 型である。

µ-PCD 法では、波長 349 nm のレーザーで少数キャリ

アを励起し、500 µm の分解能でマッピング測定を行

った。また、PL 法では、波長 313 nm の光で励起し、

1 画素あたり 2.6 µm の分解能でマッピング測定を行

表１酸化膜の厚さと成膜条件試料名酸化膜厚/nm 　製膜条件

Wafer1 50.8 1280 ℃ O2 雰囲気30分

Wafer2 62.61280 ℃ O2 雰囲気30分

→ 1280 ℃ N2O 　75分

The TRC News, 201702-02 (February 2017)

表 1 酸化膜の厚さと製膜条件


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った。C-V 法は、高周波曲線を 100 kHz、低周波曲線

を数 Hz 以下で測定し、ゲート電圧は -5 V から +5 V

まで掃引して界面準位を求めた。

3. 分析結果

図 1に水銀プローブを用いたC-V法により求めた界面

準位の分布を示す。横軸は、エネルギーギャップ内の

エネルギー位置を示し、縦軸は界面準位密度を示して

いる。各試料の中心付近を 3 回測定した結果を重ねて

表示している。エネルギーギャップ内、高エネルギー

側の領域（約 1.0～1.5eV の領域）で差が見えており、

この領域では、Wafer2 のほうが、界面準位が少ないと

思われる。

図 1 水銀プローブ法による界面準位測定結果

図 2にµ-PCD測定によってキャリア寿命の空間分布

を求めた結果を示す。それぞれ、(a)では 0.057 µsec か

ら 0.079 µsec を赤から青に、(b)では 0.098 µsec から

0.143 µsec までを赤から青に分解して表示している。

総じて、Wafer2 の方が寿命が長くなっており、トラッ

プの量が減少していると思われる点では、C-V 測定の

の結果と同じ傾向を示している。

また、図 2 の (b) Wafer2 の右上に特徴的な斑点模様

が見られる。これは、エピ膜ではなく基板内の不純物

量が異なっている部分が影となって見えている可能性

が高く、肉眼でも可視光の透過率の違いから黒い影と

なって見えている。ところが、寿命の短い Wafer1 の図

(a) では、この模様が見えていない。これは、Wafer1

のエピ膜内で励起されたキャリアが酸化膜界面やエピ

膜中で消衰し、基板に到達していないことを示唆して

おり、酸化膜界面や、基板界面でのキャリア寿命が、

エピ膜内を拡散する時間よりも短いことを示唆してい

る。ただし、349 nm のレーザー光の試料への侵入長

は、エピ膜の厚さである 5.6 µm より長い数十 µm 程

度であり、図 2 の (a) で斑点が見えない原因について

はさらに詳細な解析が必要と思われる。

(a) Wafer1 のキャリア寿命分布

(b) Wafer2 のキャリア寿命分布

図 2 µ-PCD 法によるキャリア寿命分布測定結果

PL 法により同じウェーハを評価した結果を図 3～5

に示す。PL 測定結果は、発光波長別に白黒の強度分布

図で示していて、白い方が発光強度が強い事を表して

いる。図 3 に示した波長の中で、バンド端発光（390 nm

付近）と呼ばれるものは、結晶性の良し悪しに関連す

る発光と思われ、420 nm 付近の発光は積層欠陥に、


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750 nm 付近の発光は基底面転位や貫通転位などに主

に影響を受けると思われている。

キャリア寿命低下の要因を調べるために、これら PL

法の結果と図 2 の結果を比べて相関図、相関係数を求

め、定量的な比較を試みた。図 6～8 に求めた相関図と

相関係数を示す。

(a) Wafer1 (b) Wafer2

図 3 波長 390 ± 9 nm の PL 発光強度像


図 4 波長 420 ± 5 nm の PL 発光強度像


図 5 波長 750 nm 以上の PL 発光強度像

図 6～8 の相関図では、赤が正の相関、黒が負の相関

を示している。具体的には、比較する各図で平均値を

求め、各点の平均値からのずれを平均値で規格化し、

対応する点同士の積を求めてプロットしたものである。

データ量の関係で、空間分解能をやや落として計算し

ている。相関係数（※）は、各像の数値の合計を示して

いて、-1～+1 の間の値をとり、それぞれの図の相関の

度合いを定量的に表している。

（※）相関係数：ρ = Sxy / ( Sx ･ Sy )1/2

ただし、Sxy = Σ( x - x� ) ･ ( y - y� )

Sx = Σ( x - x� )2、Sy = Σ( y - y� )2

x : キャリア寿命、y：PL 発光強度

x�、y� は各パラメーターの平均値を示す。

(a) Wafer1 (+0.25) (b) Wafer2 (+0.53)

図 6 図 3 と図 2 の相関図（）内は相関係数

(a) Wafer1 (-0.12) (b) Wafer2 (-0.17)


(a) Wafer1 (-0.08) (b) Wafer2 (+0.20)


図 6(b) は、相関係数が比較的大きくバンド端発光強

度と、キャリア寿命は正の相関がある（恐らく結晶性

の良い膜は寿命が長い）。また、図 7 の波長 420 nm の発光強度と寿命は負の相関があり、欠陥が多いと寿命

が短いという点は、一般的なイメージと合致する。図

8 は試料間で相関係数の正負が逆転しており、寿命へ

の影響が少ない可能性もあるが、さらに詳細な考察が

必要と考えられる。


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4. まとめ

以上、µ-PCD の結果を、水銀プローブによる界面準位

の分析結果、PL マッピングの結果と比較して、ある程

度定量的な結果を得ることができた。

一般的に、µ-PCD で得られる寿命（τmeas）は、以下

に示すような 3 種類の成分が重なったものと考えられ

る。1) 1

τ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

= 1

τ𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏

+ 1

�τ𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 + τ𝑚𝑚𝑏𝑏𝑠𝑠𝑑𝑑�

ここで、τbulk は材料中の真の寿命、τdiff はキャリア

が表面（ここではエピ膜と酸化膜の界面または裏面や

エピ膜と基板の界面）まで拡散する時間、τsurf は表面

（または裏面や界面）での寿命をしめす。厳密には、

表面、界面、裏面を分けて考える必要がある。

上述のように、Wafer1 では PL で見えている基板の

情報（図 2(b) の右上の斑点）が見えず相関が低い。こ

れは、τbulk ＜ τdiff + τitであり（τitはエピ膜と基

板界面でのキャリア寿命）バルク寿命が支配要因にな

っている可能性が高い。これに対し Wafer2 では、基板

の情報が見えていて、 τbulk ＞ τdiff + τit であり拡

散にかかわる時間が支配的になっているように思われ

る。また、測定される少数キャリアの減衰曲線自体に

も、早い成分や遅い成分などが含まれているため、よ

り深く理解していくためには、これらキャリアの動き

に対するより詳細な考察が必要と思われる。

今回、一般的によく知られたプロセスを用いて作製

された試料について、キャリア寿命に影響を与える要

因を調査し、一部の構造要因について相関が見られる

ことがわかったが、今後、様々な試料について種々の

物性データとの突き合わせる事により、理解が深まる

ようデータを充実させられればと考えている。

引用文献 1) D. K. Schroder, Semiconductor Material and Device

Characterization (John Wiley & Sons, Inc., 2006).

森田直威（もりたなおたけ）

表面科学研究部次長

趣味：読書、音楽鑑賞

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