ワイドギャップ半導体ＭＩＳ構造における絨毯爆撃状絶縁破壊痕形成モデルの新構築

• Project/Area Number: 26870043
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Thin film/Surface and interfacial physical properties; Electronic materials/Electric materials
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 佐藤 創志 東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 助教 (80649749)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2016: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2015: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2014: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: SiC / TDDB / TZDB / 酸化膜 / 絶縁破壊 / 破壊痕 / 炭化ケイ素 / MOS構造 / 経時劣化絶縁破壊 / 発光解析 / OBIRCH解析 / キーワード / 信頼性物理

Outline of Annual Research Achievements

ワイドバンドギャップ半導体材料としてSiC基板を用い、厚さ40 nmの熱酸化膜上にAl電極及びpoly-Si電極を形成したMOSキャパシタにおける絶縁破壊痕形成メカニズムの解明に取り組み、以下に述べる知見を明らかにした。
１．破壊痕の表面には、厚さ2nm程度のC層と数十nmのSi-rich層が形成されることを、透過型電子顕微鏡による観察および組成分析により明らかにし、これに関するモデルを提案した。　２．電極材料が低融点材料であるAlでも高融点材料であるSiでも、破壊痕は形成され、破壊痕形状の電極材料の融点に対する依存性は小さい。　３．破壊痕の形状は測定系の時定数に依存しており、本研究における標準である測定系に対して1kΩの外部抵抗を付加することで、標準条件では絨毯爆撃状に形成される破壊痕が、数個のみ形成されるようになった。また、抵抗を付加することで、破壊痕がシリーズに形成される様子も明らかになった。　４．絶縁破壊後のゲート抵抗は、標準測定条件では高抵抗値モードと低抵抗値モードの両方が見られた。一方、直列抵抗を付加することで、高抵抗値モードの頻度が大きくなった。　５．絶縁破壊後に低抵抗モードであるMOSキャパシタについて、発光解析と透過型電子顕微鏡観察を行うことにより、破壊痕底部にSiCエピタキシャル層縦方向の欠陥が存在することを明らかにした。また、Al電極を用いた場合には、欠陥部にはAlとSiCの反応により形成された合金層が見られた。一方、poly-Si電極を用いた場合は、欠陥部分での電極材料と基板材料の反応は見られなかった。　６．絶縁破壊痕にみられる基板縦方向の欠陥は、SiC基板製造プロセス起因か絶縁破壊起因かを明らかにする実験方法の実証を行った。X線トポグラフを用いることで、MOSキャパシタ形成後もSiCエピタキシャル層表面の結晶欠陥の評価が可能であることを実証した。

Research Products

• [Journal Article] Formation mechanism of concave by dielectric breakdown on silicon carbide metal-oxide-semiconductor capacitor (2016)
  • Author(s): Soshi Sato, Kikuo Yamabe, Tetsuo Endoh, Masaaki Niwa
  • Journal Title: Microelectronics Reliability Volume: 58 Pages: 185-191
  • DOI: 10.1016/j.microrel.2015.09.016
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Failure Analysis of a SiC MOS Capacitor with a Poly-Si Gate Electrode (2016)
  • Author(s): Soshi Sato, Kikuo Yamabe, Tetsuo Endoh, Masaaki Niwa
  • Journal Title: Materials Science Forum Volume: 858 Pages: 485-488
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.858.485
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] A Schottky barrier between SiC epitaxial layer and Al-C-Si alloy formed by dielectric breakdown of SiC MOS capacitor with aluminum electrode (2016)
  • Author(s): Soshi Sato, Kikuo Yamabe, Tetsuo Endoh, Masaaki Niwa
  • Organizer: 23rd International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits
  • Place of Presentation: Marina Bay Sands, Singapole
  • Year and Date: 2016-07-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SiC MOSキャパシタに見られる絨毯爆撃状破壊痕 (2016)
  • Author(s): 佐藤創志
  • Organizer: NWDTF in Sendai および通研プロジェクト合同委員会
  • Place of Presentation: 東北大学国際集積エレクトロニクス研究開発センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-05
  • Invited
• [Presentation] Poly-Si電極を用いたSiC MOSキャパシタの絶縁破壊後に見出した特徴的な破壊箇所 (2016)
  • Author(s): 佐藤創志、山部紀久夫、遠藤哲郎、丹羽正昭
  • Organizer: 電子デバイス界面テクノロジー研究会－材料・プロセス・デバイス特性の物理― (第21回研究会）
  • Place of Presentation: 東レ総合研修センター（静岡県三島市）
  • Year and Date: 2016-01-21
• [Presentation] Failure Analysis of SiC MOS Capacitor with Poly‐Si Electrode (2015)
  • Author(s): Soshi Sato, Kikuo Yamabe, Tetsuo Endoh, Masaaki Niwa
  • Organizer: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2015
  • Place of Presentation: Giardini Naxos, Italy
  • Year and Date: 2015-10-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Series Resistance on Dielectric Breakdown Phenomenon of Silicon Carbide MOS Capacitor (2015)
  • Author(s): S. Sato, Y. Hiroi, K. Yamabe, M. Kitabatake, T. Endoh and M. Niwa
  • Organizer: 22nd International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits
  • Place of Presentation: Hsinchu Science Park, Hsinchu, Taiwan
  • Year and Date: 2015-06-29 – 2015-07-02
• [Presentation] Effect of Series Resistance on Dielectric Breakdown Phenomenon of Silicon Carbide MOS Capacitor (2015)
  • Author(s): Soshi Sato, Kikuo Yamabe, Tetsuo Endoh, Masaaki Niwa
  • Organizer: 22nd International Symposium on the Physical & Failure Analysis of Integrated Circuits
  • Place of Presentation: Lakeshore Hotel, Hsinchu, Taiwan
  • Year and Date: 2015-06-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SiC MOSキャパシタのTZDB測定時動画撮影による絨毯爆撃状破壊痕形成メカニズムの解明 (2015)
  • Author(s): 佐藤 創志、廣井 佑紀、山部 紀久夫、北畠 真、遠藤 哲郎、丹羽 正昭
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス (神奈川県平塚市)
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14