ＮＥＤＯ省エネルギー技術フォーラム 2015 省エネルギー革新技術開発事業/戦略的省エネルギー技術革新プログラムフェーズ名：実用化開発＜先進Si-IGBT用の薄型大口径ウェハ技術の開発＞事業実施法人名：グローバルウェハズ・ジャパン(株)、共同研究先：九州大学宇宙航空研究開発機構産業総合研究所平成27年11月研究開発期間：平成25年1月～平成27年2月１．研究開発の背景、目的、目標 2 １．１．本開発背景開発の必要性 ◆ 狙う市場→ パワーエレクトロニクス Si-IGBT用ウェハ（シリコンは経産省「CoolEarth エネルギー革新技術計画」にて分野横断的材料）伸長するEV/HEV市場矢野経済研究所予測よりワイドギャップ系は供給に課題Ｓｉとワイドバンドギャップ半導体ウェハの所要比較, AIST, 2015 年率 45% ◆ 課題（開発の必要性）・急増する需要に応えるSiウェハ技術の確立引続きＳｉ－ＩＧＢＴ需要は伸長「IGBT Markets & Application Trends、Ｙｏｌｅ社、2013年」 IGBT Module Market を元に2019年以降を試算 7,000 6,000 中耐圧モジュール 5,000 Sales (Million USD) ◆ 市場の状況・Si-IGBTの成長率は非常に大きい。・欧州で300mmウェハによる競争力強化あり。・FZウェハの限界（次項） EV, HEV, PHEV 4,000 Motor 1.2kV Motor >1.7kV 3,000 Rail traction Wind turbine 2,000 高耐圧モジュール 1,000 0 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2025 2030 １．研究開発の背景、目的、目標 3 １．２．従来の課題、目的、目標パワー用ウェハ製造技術をFZ法からMCZ法に転換。（不純物と欠陥密度を低減する技術を確立）生産性 MCZ法成長Si単結晶磁石石英ルツボ品質・不純物制御困難・大口径化容易・LSI用設備の利用酸素（石英ルツボ）炭素（炉内部材）（Φ300㎜～）軽元素に関係する結晶欠陥がIGBTの耐圧・動作温度を制限している。・ドープ均一性良シリコン融液品質ポリシリコン生産性原料棒・高純度・φ200㎜限界誘導加熱ルツボ使わず原料がCZ結晶リング溶融ｿﾞｰﾝ維持難・ドープ均一性難ガスドープ成長Si単結晶 FZ法本開発 MCZ法で不純物（酸素、炭素）と関連する複合欠陥密度を低減し（※）・IGBTの耐圧・動作温度を向上・パワー用Siウェハ量産技術を確立  FZ法は、原理的にウェハサイズ、コスト、面内ドープ均一性に難あり  MCZ法は、コストに優れ主にLSI用途として発展（LSIは横型デバイスであり、表面品質が重要）  パワーは縦型デバイスであり、ウェハ全体の品質が重要（究極のウェハ技術へのチャレンジ）  ドープ均一性のよいNTD（中性子照射）の影響評価が必要 (※）MCZ法は、酸素析出核（ライフタイム低下要因）形成を促進する炭素の極限的な低濃度化がキーワード１．研究開発の背景、目的、目標１．２．従来の課題、目的、目標＜具体的な最終開発目標＞ ①Si-IGBTで従来比30%損失低減が可能な先進SiIGBT構造を提案。 ②このIGBT構造を実現するために必要な仕様のウェハを、量産性に優れたのMCZ法で、大口径200mmφ の量産技術の確立とサンプル出荷。 ③MCZ法で炭素濃度５E14atoms/cm3以下の極低炭素濃度で、FZ並みの高ライフタイム３ms以上のMCZ 結晶育成を実現すること。 4 ２．研究開発体制、研究開発内容 5 ２．２．研究開発内容（１）MCZ法における不純物・欠陥低減の可能性の検証（２）不純物・欠陥評価（３）大口径パワー用MCZウェハ作成技術の実証（４）先進IGBT構造の提案２．研究開発体制、研究開発内容 6 ２．２．研究開発内容（１）MCZ法における不純物・欠陥低減の可能性の検証 1. Introduction 炭素は原料Siに高濃度２. Crystal growth CZの方がFZより低炭素化に有利（偏析の効果）流れの制御＆蒸発 ⇒[Cs]:E13台実証 (1) Reduction of CO generation from the heater ⇒ Gas flow path of SiO (2) Evaporation of CO from the Si melt ⇒ CO concentration above the melt surface ２．研究開発体制、研究開発内容２．２．研究開発内容（２）不純物・欠陥評価３. PL measurements 7 4. Bulk lifetime CZ-Siの低炭素化により FZ-Siを超えるライフタイムを実証高感度PL測定の G-line(Ci-Cs) を利用 PLによる炭素濃度定量用検量線を作成 As-grown ⇔ 低温過程 ⇒ 600℃－700℃ 酸素析出核 C-V-O複合欠陥高温過程＞900℃ 酸素析出物ＳｉＯ2析出物３．成果、実績、展望等３．１．成果 IGBT用８インチMCZウェハ量産技術の確立した。 8インチMCZ結晶は、目標を超える炭素濃度 2E14atoms/cm3以下、バルクライフタイム50msと、 FZ結晶をしのぐ結果を得られた。先進Si-IGBTに対し、従来比損失30%低減の試算と必要なウェハ仕様の提示ができた。大口径パワー用MCZウェハ作成技術の実証は、サンプル出荷先デバイスユーザが決まらず、サンプル出荷は未達成となった。しかし、続く、実証開発フェーズで、デバイスメーカと、デバイス評価を実施することで、プログラムが、進行中である。 8 ３．成果、実績、展望等３．２．実績等学会発表等 18件国内発表 11件、海外発表 4件論文発表 3件特許出願 13件（国内出願 5件、外国出願 8件） 9 ３．成果、実績、展望等 10 ３．３．今後の展望  成果の実用化可能性 2015年度実証開発フェーズに採択され、2015年度よりIGBT製造メーカとも連携し、低炭素MCZウェハを使用したIGBTの損失低減効果を検証する。IGBT製造者と、ウェハの性能を確認し情報を共有しながらサンプル出荷、量産へつなげていくため、事業化は短期間で進む。  波及効果 200mm低炭素MCZ結晶育成技術を300mmウェハにも適用する。300mm化にあたっては結晶育成の環境が異なることから新たな課題が存在する。300mm化に伴う課題解決を、2015年度実証開発フェーズにて実施する。パワーデバイスだけでなく最先端LSI用ウェハへの応用展開の可能性あり。３．成果、実績、展望等３．４．原油換算省エネ効果 *原油削減量(kL/年） = 消費エネルギーkWh/年 / *,***kＪ / kL 2020年時点： 12.7万 kL/年 (累計： 44万kL ) 2030年時点： 88.9 万kL/年 (累計： 487万kL ) 11