炭化ケイ素半導体の酸化誘因欠陥の形成メカニズム解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24560365
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 土方 泰斗 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (70322021)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 炭化ケイ素(SiC)半導体 / 熱酸化 / 積層欠陥 / 転位 / 酸化界面 / SiおよびC原子放出現象 / フォトルミネッセンス / 分光偏光解析

Outline of Annual Research Achievements

HfO2/SiC基板の常圧酸化実験において、酸化時間を拡大することで、酸化膜表面でのSiO2膜成長（アクティブ酸化）から、SiO2/SiC界面での成長（パッシブ酸化）へ移行する様子の確認を試みた。角度分解X線光電子分光測定による深さ方向分析を行ったところ、酸化時間10分まではアクティブ酸化が支配的であったが、60分から酸化界面での成長が見られた。従い、筆者らがSiC酸化メカニズムとして推定していた「SiC酸化中におけるSiおよびC原子放出現象」と、「酸化膜成長に伴う表面酸化から界面酸化への移行」が初めて実験的によって確認された。
様々な基板面方位に対する酸化過程をその場観察し、面方位による酸化過程の違いを調べた。その結果、薄膜領域における酸化膜成長速度の活性化エネルギーは表面Si原子のバックボンド本数の違いと一致した。従い、面方位による酸化膜成長速度の違いは表面Si原子1個が酸化する際に切断されるSi-C結合エネルギーに比例するという、極めて合理的な結論が得られた。一方、膜厚が厚い領域での成長速度に対応する放物形速度定数Bは面方位に依存せず面方位で共通の値を示し、酸素のSiO2中における拡散係数の値と一致した。従って、厚膜領域では基板面方位の違いは影響せず、SiO2中における酸素の内向拡散に律速することがわかった。
熱酸化によって誘起されたSiC基板における欠陥を評価するため、フォトルミネッセンス(PL)イメージングによる観察を行った。その結果、第２年度までに明らかにされた酸化拡張型の積層欠陥(SF)に加え、発光波長を変えることで新たに線状の欠陥が形成することを突き止めた。また、その線状欠陥が酸化時間に伴って伸長し、更に、レーザ照射によって欠陥から三角形状のSFが形成/拡張することがわかった。欠陥の拡張方向から、線状欠陥は酸化界面付近に存在することがわかり、線状欠陥がSi酸化に見られる「酸化誘起SF」と同種であることが示唆された。

Research Products

• [Journal Article] Differences in SiC thermal oxidation process between crystalline surface orientations observed by in-situ spectroscopic ellipsometry (2015)
  • Author(s): D. Goto, Y. Hijikata, S. Yagi, and H. Yaguchi
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 117 Pages: 095306
  • DOI: 10.1063/1.4914050
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Recovery of the Electrical Characteristics of SiC MOSFETs Irradiated with Gamma-rays by Thermal Treatments (2015)
  • Author(s): T. Yokoseki, H. Abe, T. Makino, S. Onoda, Y. Tanaka, M. Kandori, T. Yoshie, Y. Hijikata and T. Ohshima
  • Journal Title: Materials Science Forum Volume: 821-823 Pages: 705-708
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.821-­823.705
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoluminescence Study of Oxidation-Induced Stacking Faults in 4H-SiC Epilayers (2015)
  • Author(s): Y. Miyano, S. Yagi, Y. Hijikata, H. Yaguchi
  • Journal Title: Materials Science Forum Volume: 821-823 Pages: 327-330
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.821-­823.327
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface orientation dependence of SiC oxidation process studied by in-situ spectroscopic ellipsometry (2015)
  • Author(s): D. Goto, S. Yagi, Y. Hijikata, H. Yaguchi
  • Journal Title: Materials Science Forum Volume: 821-823 Pages: 371-374
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.821-­823.374
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Radiation Response of Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Transistors in High Dose Region (2015)
  • Author(s): T. Ohshima, T. Yokoseki, K. Murata, T. Matsuda, S. Mitomo, H. Abe, T. Makino, S. Onoda, Y. Hijikata, Y. Tanaka, M. Kandori, S. Okubo, and T. Yoshie
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: - Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Radiation Response of Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Transistors in High Dose Region (2015)
  • Author(s): T. Ohshima, T. Yokoseki, K. Murata, T. Matsuda, S. Mitomo, H. Abe, T. Makino, S. Onoda, Y. Hijikata, Y. Tanaka, M. Kandori, S. Okubo, and T. Yoshie
  • Organizer: ISPlasma2015
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2015-03-27
  • Invited
• [Presentation] ゲートバイアス印加を伴うSiC MOSFETへのガンマ線照射効果 (2015)
  • Author(s): 村田 航一，三友 啓，松田 拓磨，横関貴史，牧野 高紘，阿部 浩之，小野田 忍，大久保 秀一，田中 雄季，神取 幹郎，吉江 徹，大島 武，土方 泰斗
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学（神奈川県・平塚市）
  • Year and Date: 2015-03-13
• [Presentation] 高温下ガンマ線照射したSiC MOSFETの耐放射線性評価 (2015)
  • Author(s): 松田拓磨，横関貴史，三友啓，村田航一，牧野高紘，阿部浩之，小野田忍，大久保秀一，田中雄季，神取幹郎，吉江徹，大島武，土方泰斗
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学（神奈川県・平塚市）
  • Year and Date: 2015-03-11
• [Presentation] SiC-MOSFETへのガンマ線照射効果の酸化膜作製プロセスによる違い (2015)
  • Author(s): 三友啓，松田拓磨，村田航一，横関貴史，牧野高紘，阿部浩之，小野田忍，大島武，大久保秀一，田中雄季，神取幹郎，吉江徹，土方泰斗
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学（神奈川県・平塚市）
  • Year and Date: 2015-03-11
• [Presentation] In-situ分光エリプソメータによるSiC酸化過程の面方位依存性測定 (II) (2014)
  • Author(s): 後藤 大祐、八木 修平、土方 泰斗、矢口 裕之
  • Organizer: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第１回講演会
  • Place of Presentation: ウインクあいち（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2014-11-19
• [Presentation] ガンマ線照射したSiC MOSFETの熱アニールによる特性劣化の回復 (2014)
  • Author(s): 横関貴史、阿部浩之、牧野高紘、小野田忍、田中雄季、神取幹郎、吉江徹、土方泰斗、大島武
  • Organizer: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第１回講演会
  • Place of Presentation: ウインクあいち（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2014-11-19
• [Presentation] フォトルミネッセンス法による4H-SiCエピ層中の酸化誘因欠陥の観察 (2014)
  • Author(s): 宮野祐太郎、八木修平、土方泰斗、矢口裕之
  • Organizer: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第１回講演会
  • Place of Presentation: ウインクあいち（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2014-11-19
• [Presentation] Photoluminescence Study of Oxidation-Induced Stacking Faults in 4H-SiC Epilayers (2014)
  • Author(s): Y. Miyano, S. Yagi, Y. Hijikata, H. Yaguchi
  • Organizer: 10th Europian Concerence on Silicon Carbide and Related Materilas
  • Place of Presentation: Grenoble, France
  • Year and Date: 2014-09-24
• [Presentation] Surface orientation dependence of SiC oxidation process studied by in-situ spectroscopic ellipsometry (2014)
  • Author(s): D. Goto, S. Yagi, Y. Hijikata, H. Yaguchi
  • Organizer: 10th Europian Concerence on Silicon Carbide and Related Materilas
  • Place of Presentation: Grenoble, France
  • Year and Date: 2014-09-24
• [Presentation] Recovery of the Electrical Characteristics of SiC MOSFETs Irradiated with Gamma-rays by Thermal Treatments (2014)
  • Author(s): T. Yokoseki, H. Abe, T. Makino, S. Onoda, Y. Tanaka, M. Kandori, T. Yoshie, Y. Hijikata and T. Ohshima
  • Organizer: 10th Europian Concerence on Silicon Carbide and Related Materilas
  • Place of Presentation: Grenoble, France
  • Year and Date: 2014-09-22
• [Presentation] SiC酸化へのArアニール導入による酸化膜成長速度の変化 (2014)
  • Author(s): 今野良太郎，八木修平，土方泰斗，矢口裕之
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-19
• [Presentation] ガンマ線照射したSiC MOSFETの特性の安定性 (2014)
  • Author(s): 横関貴史、牧野高紘、阿部浩之、小野田忍、大島武、田中雄季、神取幹郎、吉江徹、土方泰斗
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-19
• [Presentation] Gamma-Ray Irradiation Response of Silicon Carbide Semiconductor Devices: Extremely High Radiation Resistance (2014)
  • Author(s): S. Sato, S. Onoda, T. Makino, N. Fujuta, T. Ohshima1, T. Yokoseki, K. Tanaka, Y. Hijikata, Y. Tanaka, M. Kandori, T. Yoshie
  • Organizer: 7th International Youth Nuclear Congress
  • Place of Presentation: Burgos, Spain
  • Year and Date: 2014-07-09
• [Remarks] 土方泰斗のWeb Page
  • URL: http://www.opt.ees.saitama-u.ac.jp/~yasuto/index-j.html