2013 Fiscal Year Annual Research Report
炭化ケイ素（SiC）MOS界面準位の起源と移動度劣化メカニズムの分光学的解明
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25286054
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
藤ノ木 享英 (梅田 享英) 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (10361354)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小杉 亮治 独立行政法人産業技術総合研究所, 先進パワーエレクトロニクス研究センター, 主任研究員 (10356991)
岡本 光央 独立行政法人産業技術総合研究所, 先進パワーエレクトロニクス研究センター, 研究員 (60450665)
原田 信介 独立行政法人産業技術総合研究所, 先進パワーエレクトロニクス研究センター, 研究員 (20392649)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 炭化ケイ素 / MOS界面 / 電子スピン共鳴分光 / 界面窒素 / チャネルドーピング / 界面水素 / しきい値シフト / 移動度劣化 |
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| Research Abstract |
産業技術総合研究所先進パワーエレクトロニクス研究センター（以下産総研）と協力して、4H-SiC MOS試料の作製、及び、その分光評価を行った。以下、4H-SiC(0001)Si面、4H-SiC(000-1)C面の2つに分けて報告する。
Si面では標準的に「界面窒化処理」がMOS電気特性の改善に使われている。窒化処理によって、(1)チャネルへの窒素ドナードーピング、(2)1e10乗台/cm2の界面準位の減少、(3)1e14乗台/cm2の大量の界面固定窒素の発生の3つの現象が起こることを私達は明らかにしている。このうち(1)のチャネルドーピング量について、窒素濃度をなるべく減らした高純度4H-SiC基板と電子スピン共鳴分光（ESR）法を使って定量に成功した。基板に800～1430℃の酸窒化処理（酸化膜厚5nm）を施したところ、チャネルドーピングによって増加した窒素ドナーESR信号を捉えることに成功し、その濃度は窒化処理温度1000～1100℃で最大となり、面密度で1e13乗台/cm2、体積密度で1e19乗台/cm3（チャネル厚さ0.5nmを仮定）と非常に高濃度に達することが分かった。
C面においては「界面水素処理」がMOS電気特性を劇的に改善することが知られている。その理由を調べるために、4H-SiC MOSFETと電流検出ESR法（EDMR）を使って、水素に反応するC面特有の界面欠陥（C面固有欠陥）の観察を行った。水素脱離効果のあるガンマ線照射をMOSFETに施して界面欠陥の水素終端率を変え、EDMRでその変化を詳しく調べた。その結果、水素脱離によってC面固有欠陥が増加していき、それと連動してMOSFETのしきい値電圧シフト（Vthシフト）が発生することが分かった。しかし、MOSFETのチャネル移動度は水素脱離の影響を受けないことも分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
4H-SiC Si面MOS、C面MOSともに、予定としていた評価研究を完了できた。それぞれのMOS界面において標準的に使用されているプロセスについての重要な知見を得ることができた。これらの成果は独立に学術論文として発表できるレベルのものであり、次年度に論文化を目指す。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度の研究で、C面4H-SiC MOSFETのC面固有欠陥のEDMR信号とVthシフトに明瞭な相関が見出された。EDMRで見えている界面欠陥がVthシフトの原因になっていることが明らかになったので、次は、界面欠陥の起源がなにかをEDMR分光で突き止める研究を行う。EDMRスペクトルに現れている「13C超微細分裂」を詳しく解析すれば、C面固有欠陥の起源に迫ることができるはずである。
一方で、C面固有欠陥と移動度劣化との間には相関は見いだせなかった。前年度の研究ではMOS界面にガンマ線照射を施してMOS電気特性を変化させたが、この方法ではVthシフトは起こせても移動度劣化は引き起こせなかったからである。そこで前年度とは別の方法（アニール等）で移動度劣化を引き起こしたC面4H-SiC MOSFETを作製して、界面欠陥と移動度劣化の関係を調査する予定である。
他方、Si面4H-SiC MOS界面では、界面窒化処理によるチャネルドーピングの定量的な評価を行うことができた。ドーピングには明瞭な窒化処理温度依存性があり、1000～1100℃の範囲でピークを取ることが分かったので、なぜドーピング反応が1000～1100℃で起こるのか、それ以上の温度ではどのような化学反応が界面で進行するのかを解明するのが次の目標となる。界面窒化試料をさらに細かく水準を振ることで、反応の詳細を追跡していく予定である。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
発注済み1件の支払処理が年度内に完了しなかったため
次年度使用額については発注済み。内容は「ワイヤーボンディング加工費」。
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[Journal Article] Improvement of channel mobility in 4H-SiC C-face MOSFETs by H2 rich wet re-oxidation2014
Author(s)
M. Okamoto, Y. Makibuchi, M. Araoka, M. Miyazato, N. Sugahara, T. Tsutsumi, Y. Ohnishi, H. Kimura, S. Harada, K. Fukuda, A. Ohtsuki, H. Okumura
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Journal Title
Materials Science Forum
Volume: 778-780
Pages: 975-978
Peer Reviewed
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[Presentation] Improvement of channel mobility in 4H-SiC C-face MOSFETs by H2 rich wet re-oxidation
Author(s)
M. Okamoto, Y. Makibuchi, M. Araoka, M. Miyazato, N. Sugahara, T. Tsutsumi, Y. Ohnishi, H. Kimura, S. Harada, K. Fukuda, A. Ohtsuki, H. Okumura
Organizer
International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2013
Place of Presentation
Phoenix Seagaia Resort, Miyazaki, Japan
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