SiCウェハーの特徴

SiC(炭化ケイ素)は、物理的・化学的に優れた特性を持っています。高い硬度、耐熱性を持ち、化学的に安定した物質です。シリコンとダイヤモンドの中間的な性質を持っている上に、広いバンドギャップを有しているため、半導体の材料としての応用が進んでいます。

純度の高いSiCはシリコンよりも高い熱伝導率を持ち、またその広いバンドギャップから青色発光ダイオードを始め、MOSFETなどに使われています。動作可能な環境が幅広く、スイッチング動作も高速なことが特徴です。それらの特徴から電力系統の半導体に用いることで電力効率の改善が期待されます。

SiCウェハーの応力分布測定

SiCウェハーはSiC半導体の製造をする際に用いられる成型されたSiC基板です。SiCを結晶成長させ、ウェハー状に切り出して作成します。このとき、結晶内部に残留応力が残っていると、SiCの電気特性が変わってしまったり、ウェハー状にした際に反りが発生してしまいます。反りが発生してしまうと、露光パターンが正しく露光されずに半導体の性能を左右します。残留応力があらかじめわかっていれば、反りを予測した上で研磨したりすることで性能や歩留まりを向上させることができます。また、残留応力を極力無くす製造方法の確立も可能になってきます。

SiCウェハーの欠陥分布を観察するため、偏光顕微鏡が使われることがあります。偏光顕微鏡では残留応力を含めた欠陥を観察することができますが、具体的な応力の強度や圧縮や引っ張りなのかを具体的に知ることはできません。

ラマンイメージングでは定量的な応力解析が可能です。4H-SiCに特徴的なラマンピーク776cm-1(FTO(2/4) E2) は、4H-SiC の結晶構造を示しています。結晶のピークは、その位置が結晶の音響モードを示し、結晶構造の変化でピークがシフトします。また、ピークの幅は結晶性を示します。

RAMANdriveを用いて、4H-SiC ウェハー全面の応力分布を測定いたしました。歪観察装置で取得したデータと比較して、ラマンイメージングを用いた応力分布は4H-SiC ウェハーの残留応力が定量的に評価できていることがわかります。

さらに、ラマン測定を行うことで、SiCウェハーのポリタイプが同時に可視化できます。その解析結果と応力測定の結果を比較すると、15Rのポリタイプが分布する領域には圧縮応力がかかっていることが分かります。中央付近の貫通転位の領域では引張応力がかかっていることがわかりました。

上記の応力測定とポリタイプの分布測定は、一度のラマン観察で解析が可能です。このため、一度のラマン顕微鏡観察でウェハーの多くの特性が分かります。

SiCウェハーの表層応力分布測定

SiCは可視光(λ=400~800nm)の光で透明なため、3次元の応力解析が可能です。しかしながら、光学顕微鏡の分解能は面内方向で光の半波長程度(λ/2)、光軸方向で波長程度(λ)に制限されてしまっています。ウェハーの極表面のみをイメージングしようとしても光が浸透してしまい内部の情報が混ざってしまいます。

極表面のみを観察するためには、SiCが光を通さない波長で観察することで可能になります。SiCは可視光では透明ですが、紫外線では光を吸収します。150nmまでは波長が短くなればなるほど吸収されるようになります。参考文献をもとに、光の侵入長δを計算すると、

波長500nm364nm266nm244nm
侵入長2mm50 ~ 100μm100 ~ 250nm50 ~ 100nm

となります。

参考:H. Harima, Raman scattering characterization on SiC, Microelectronic Engineering 83(2006) 126

SiCウェハー最表面の応力測定

ナノフォトンでは、深紫外に対応したラマン顕微鏡RAMANtouch vioLaを用いて、SiCウェハーの表面のみの応力解析を行うことができます。

ここでは研磨したSiCウェハーの測定結果を掲載します。266nmおよび325nmの紫外励起レーザーで測定したSiCウェハー表面と、532nmの励起レーザーで測定したSiCウェハー表面を記載しています。

特筆すべき点としては、266nmと325nmで測定した応力の強度は532nmで測定したそれに比較すると非常に大きいことが分かります。つまり、研磨後の応力分布は最表面に強く分布しており、より短い波長で測定することで正確な分析が可能になることが分かります。

SiCウェハーは今後半導体産業でさらに成長が見込まれる基板材料です。ラマン顕微鏡によるSiCウェハーの解析がさらに性能の改善に貢献できると我々は信じています。