パワーデバイス向けシリコンウェーハの再結合ライフタイム評価法に関する研究

佐々木, 駿

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パワーデバイス向けシリコンウェーハの再結合ライフタイム評価法に関する研究

https://doi.org/10.18997/0002000939

名前 / ファイル	ライセンス	アクション
sei_k_478.pdf (32.3 MB)

Item type

学位論文 = Thesis or Dissertation(1)

公開日

2024-09-02

資源タイプ

資源タイプ識別子

http://purl.org/coar/resource_type/c_db06

資源タイプ

doctoral thesis

タイトル

パワーデバイス向けシリコンウェーハの再結合ライフタイム評価法に関する研究

言語

jpn

著者

佐々木, 駿

抄録

内容記述タイプ

Abstract

内容記述

パワー半導体は電気自動車や風力発電などの機器で電力変換のキーデバイスとして広く用いられている．パワー半導体はシリコン，炭化シリコン，窒化ガリウムなど様々な半導体ウェーハ上に形成されるが，中でもシリコンウェーハを用いたパワー半導体は高い量産性とコストメリットにより最も多く導入されている．多くのパワー半導体はウェーハの厚み方向に電流を流す縦型デバイス構造を採用している．このため信号処理用半導体で用いられる横型デバイス構造とは異なり，ウェーハ内部の結晶欠陥や金属汚染がパワー半導体の特性や信頼性に大きな影響を及ぼすことが知られている．
ウェーハ内部の結晶欠陥や金属汚染を一定レベル以下に管理する目的でµ-wave Photo Conductive Decay(µ-PCD)法が広く用いられている．µ-PCD法はレーザー光照射後にウェーハの抵抗を計測し過剰電子・正孔の再結合ライフタイムを求める測定法であるが，結晶欠陥等により再結合ライフタイムが短くなる性質を利用し結晶品質を管理できる．一方で，本方法をパワー半導体用エピタキシャルウェーハ（エピウェーハ）と呼ばれる低抵抗基板ウェーハ上にシリコン結晶を製膜したウェーハに適用すると，基板ウェーハの影響でエピタキシャル層のライフタイムを計測できないという問題があった．
本研究の目的は，従来の方法では計測できなかったパワー半導体用エピウェーハの再結合ライフタイムを高精度に計測する方法を提案し，シミュレーション及び実験により実証するとともに，提案手法を用いてウェーハ熱処理が結晶欠陥や再結合ライフタイムに及ぼす影響等を解明することである．
本研究で提案する手法は，半導体素子の電気特性評価に利用されていたOpen Circuit Voltage Decay (OCVD)法をウェーハ評価に適用することを特徴としている．ウェーハ評価への適用では，電子や正孔の注入・拡散，界面再結合の影響による精度の低下が課題となる．そこでウェーハ上に形成する評価用PiN接合の形状やパターンを工夫し，電子や正孔の挙動をモデル式で表現することで高精度化に成功した．さらに，提案手法の適用により，ウェーハ中のある種の結晶欠陥や不純物が熱処理により再結合キャリアライフタイムへ影響を与えるメカニズムの解明に成功した．
第1章ではパワー半導体に用いられるシリコンウェーハの種類とそれぞれの長所について述べ，製造方法や要求される仕様について説明した．またウェーハ品質を管理する上で重要になる再結合ライフタイムについて説明した．特にウェーハの結晶欠陥や金属汚染の影響を受けるShockley–Read–Hall（SRH）再結合ライフタイムについて詳しく説明した．また，ウェーハ内部の結晶欠陥や金属汚染を管理するために広く用いられている再結合ライフタイム計測方法であるµ-PCD法について簡単に説明し，パワー半導体用エピウェーハへの適用が不可能であることを説明した．以上の背景に基づき本研究の目的を説明した．
第2章では本研究で結晶欠陥や金属汚染などウェーハ品質の管理に用いる再結合ライフタイム測定法について詳しく説明しそれらの特徴について述べた．本研究でウェーハ評価に適用するOCVD法の他に，デバイス特性を利用したV-I法およびReverse Recovery法，再結合ライフタイムを利用したµ-PCD法，電気的な欠陥からのキャリアや光子の放出を利用したDeep Level Transient Spectroscopy(DLTS)法およびPhoto Luminescence(PL)法に関してその測定原理および適用事例を述べた．
第3章ではウェーハ上に形成する評価用PiN接合構造，評価に用いる測定回路，数学モデルの必要性について述べた．PiN接合構造は構造の形成工程が結晶の状態に影響を及ぼさないようにエピタキシャル成長による縦型構造とし，ウェットエッチングにより素子分離を行っている．数学モデルについては，過剰キャリアのp+層やn+層への拡散，i層内への少数キャリアの注入，ならびに過剰キャリアの表面再結合が精度に影響する事を述べた．
第4章ではシリコンウェーハ上に形成したPiN接合構造の詳細と，基本的な特性の測定結果について説明した．また，PiN構造作成のプロセスおよび構造を作製する際に用いる表面パターンについても述べた．試作したPiN接合の様々な電気特性を計測するとともに，OCVD法による評価が可能であることを確認した．
第5章では，高精度化に必要なキャリアの注入及び拡散に関する新しい数学モデルの構築を行い，モデル式に基づいて再結合ライフタイムを算出する方法について述べた．本モデル式により，OCVD法の測定結果から過剰キャリアのp+層およびn+層への拡散，およびi層内への少数キャリアの注入の影響を除去することが可能となり，エピ層の再結合ライフタイム値を正確に算出することが出来た．さらに本モデルの効果をTCAD(Technology Aided Computer design)シミュレーションにより確認した．　
第6章では，PiN接合構造の素子分離領域の影響を除去する方法を提案した．素子分離領域での界面再結合を第5章の方法と同様にモデル化し，素子分離周辺長を変えたPiN接合構造のOCVD測定結果を用いて素子分離領域の影響を最小限に抑えることに成功した．
第7章では提案手法を適用し，ウェーハ中のある種の結晶欠陥や不純物が熱処理により再結合キャリアライフタイムへ影響を与えるメカニズムの解明を行った．
第8章では結論として本研究により得られた結果を総括し，今後の展望と課題をまとめた．

内容記述タイプ

TableOfContents

内容記述

備考

内容記述タイプ

Other

内容記述

九州⼯業⼤学博⼠学位論⽂学位記番号：生工博甲第478号学位授与年⽉⽇: 令和6年3⽉25⽇

学位授与番号

甲第478号

学位名

博士（工学）

学位授与年月日

2024-03-25

学位授与機関

学位授与機関識別子Scheme

kakenhi

学位授与機関識別子

17104

言語

学位授与機関名

九州工業大学

学位授与年度

内容記述タイプ

Other

内容記述

令和5年度

出版タイプ

VoR

出版タイプResource

http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85

アクセス権

open access

アクセス権URI

http://purl.org/coar/access_right/c_abf2

ID登録

10.18997/0002000939

ID登録タイプ

JaLC

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2024-09-02 04:59:40.127791

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