高品質界面を有するSiC MOS反転層チャネル移動度の制約因子の解明

• 研究課題/領域番号: 15H03969
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 喜多 浩之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00343145)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2016年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2015年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
• キーワード: 電気・電子材料 / 半導体物性 / パワーデバイス / 電界効果移動度 / デバイスプロセス / 熱酸化膜 / 炭化ケイ素 / 電界効果トランジスタ / 界面特性 / 電子・電気材料 / 表面・界面物性 / 省エネルギー / 電子デバイス・機器 / 欠陥準位 / 移動度

研究成果の概要

SiC MOSFETのチャネル移動度は界面形成手法に強く影響される。本研究では，通常のドライ酸化の条件改善だけでは移動度が改善しないが，ドライ酸化後に水蒸気酸化（ウェット酸化）を僅かに加えるだけでSi面でのチャネル移動度が大幅に向上し，且つそれに必要な酸化量がたかだか1nm未満であることを発見した。最も効果的な移動度の改善には，水蒸気に酸素を僅かに添加した雰囲気中でより低温下で酸化が有効であった。SiC界面近傍の＜2nmの領域のSiO2の赤外分光測定による解析から，ドライ酸化よりもウェット酸化の方がSiO2の構造歪みが低減されており，これが酸化膜中の欠陥準位の密度を低減する可能性が示唆された。

研究成果

• [雑誌論文] Thermal-oxidation-induced local lattice distortion at surface of 4H-SiC(0001) characterized by in-plane X-ray diffractometry", (2018)
  • 著者名/発表者名: Adhi Dwi Hatmanto and Koji Kita
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 11 号: 1 ページ: 011201-011201
  • DOI: 10.7567/apex.11.011201
  • NAID: 210000136054
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of high-temperature diluted-H2 annealing on effective mobility of SiC MOSFETs estimated by split capacitance-voltage technique (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Hirai and Koji Kita
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 号: 11 ページ: 1113021-4
  • DOI: 10.7567/jjap.56.111302
  • NAID: 210000148419
  • 査読あり
• [雑誌論文] Difference of Near-Interface SiO2 Structures between O2-oxidation and H2O-oxidation of 4H-SiC (0001) and Its Impact on MOS Interface Characteristics (2017)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita, Hirohisa Hirai, and Kei Ishinoda
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 80 (7) 号: 7 ページ: 123-128
  • DOI: 10.1149/08007.0123ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of origins of the critically different MOS interface characteristics between dry-oxidized and wet-oxidized silicon carbide (2017)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita, Hirohisa Hirai, Hiroyuki Kajifusa, Kohei Kuroyama, Kei Ishinoda
  • 雑誌名: Microelectronic Engineering 巻: 178 ページ: 186-189
  • DOI: 10.1016/j.mee.2017.05.042
  • 査読あり
• [雑誌論文] Difference of near-interface strain in SiO2 between thermal oxides grown on 4H-SiC by dry-O2 oxidation and H2O oxidation characterized by infrared spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Hirai and Koji Kita
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 号: 15 ページ: 152104-152104
  • DOI: 10.1063/1.4980093
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Design of Al2O3/SiO2 laminated stacks with multiple interface dipole layers to achieve large flatband voltage shifts of MOS capacitors (2017)
  • 著者名/発表者名: Hironobu Kamata and Koji Kita
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 号: 10
  • DOI: 10.1063/1.4978223
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Estimation of near-interface oxide trap density at SiO2/SiC metal-oxide-semiconductor interfaces by transient capacitance measurements at various temperatures (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuki Fujino and Koji Kita
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 120 号: 8
  • DOI: 10.1063/1.4961871
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of High-Temperature Diluted-H2 Annealing on Effective Mobility of 4H-SiC MOSFETs with Thermally-Grown SiO2 (2016)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Hirai and Koji Kita
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 4S ページ: 04ER16-04ER16
  • DOI: 10.7567/jjap.55.04er16
  • NAID: 210000146430
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantitative Characterization of Near-Interface Oxide Traps in 4H-SiC MOS Capacitors by Transient Capacitance Measurements (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Fujino and Koji Kita
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 69 (5) 号: 5 ページ: 219-225
  • DOI: 10.1149/06905.0219ecst
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 窒化処理後に低温ウェット酸化処理をした4H-SiC MOS構造における界面準位密度とウェット酸化膜成長量の関係性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 作田良太，西田水輝，平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Photo-assisted CV測定で評価するNITにみるNO-POAとwet-POA界面特性の違い (2018)
  • 著者名/発表者名: 西田水輝，作田良太，平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] SiC MOSキャパシタにおけるバイアス印加時のVFB安定性に低温ウェット酸化が与える効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小柳 潤，平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Thermal-oxidation-induced lattice distortion at 4H-SiC (0001) surface and its recovery by Ar annealing (2018)
  • 著者名/発表者名: Adhi Dwi Hatmanto and Koji Kita
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 4H-SiC MOS界面特性の制御のための熱酸化プロセスの設計 (2017)
  • 著者名/発表者名: 喜多浩之
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
  • 招待講演
• [学会発表] 4H-SiC C面上MOS界面特性のウェット酸化による酸化膜成長量依存性にみられる界面欠陥減少過程と膜中欠陥変化過程の速度的差異 (2017)
  • 著者名/発表者名: 平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] 酸化レートの変化からみた4H-SiC Si面ウェット酸化雰囲気中に共存する酸素の役割 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石野田圭，平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] O2共存H2O雰囲気での界面近傍酸化膜成長による4H-SiC MOSFET移動度の向上 (2017)
  • 著者名/発表者名: 平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] 希土類元素存在下でのSiC/SiO2界面での酸窒化の促進 (2017)
  • 著者名/発表者名: 作田良太，平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] Control of thermal oxidation of 4H-SiC (0001) to enhance MOSFET channel mobility by tuning partial pressures of oxidants (O2 and H2O) and oxidation temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Hirai, Kei Ishinoda and Koji Kita
  • 学会等名: 48th IEEE Semiconductor Interface Specialists Conference (SISC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Change of SiO(N) Thermal Growth Kinetics and Element Distribution on 4H-SiC by Foreign Elements (La and N) Introduction (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryota Sakuta, Hirohisa Hirai and Koji Kita
  • 学会等名: 2017 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices (2017 IWDTF)
  • 国際学会
• [学会発表] In-Plane X-ray Diffractometry Study on Thermal Oxidation-induced Anomalous Lattice Distortion at 4H-SiC Surfaces (2017)
  • 著者名/発表者名: Adhi Dwi Hatmanto and Koji Kita
  • 学会等名: 2017 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices (2017 IWDTF)
  • 国際学会
• [学会発表] Lattice Distortion Existing Locally on the Surface of Thermally Oxidaized 4H-SiC (0001) (2017)
  • 著者名/発表者名: Adhi Dwi Hatmanto and Koji Kita
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会 第4回講演会
• [学会発表] 異種元素導入（La, N）による4H-SiC上のSiO(N)成長速度と元素分布の変化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 作田良太，平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会 第4回講演会
• [学会発表] Difference of Near-Interface SiO2 Structures between O2-oxidation and H2O-oxidation of 4H-SiC (0001) and Its Impact on MOS Interface Characteristics (2017)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita, Hirohisa Hirai, and Kei Ishinoda
  • 学会等名: 232nd The Electrochemical Society (ECS) Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Interface-Selective Low-Temperature Wet-O2 Annealing to Enhance 4H-SiC (0001) MOSFET Mobility by Improving Near Interface SiO2 Quality (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Hirai, Kei Ishinoda and Koji Kita
  • 学会等名: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Oxidation-induced Lattice Distortion at 4H-SiC (0001) Surface Characterized by Surface Sensitive In-plane X-ray Diffractometry (2017)
  • 著者名/発表者名: Adhi Dwi Hatmanto and Koji Kita
  • 学会等名: 2017 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Kinetics of Enhanced Oxide Growth on 4H-SiC in O2 and H2O Coexisting Ambient (2017)
  • 著者名/発表者名: Kei Ishinoda and Koji Kita
  • 学会等名: 2017 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Origins of the Critically Different MOS Interface Characteristics between Dry-oxidized and Wet-Oxidized Silicon Carbide (2017)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita, Hirohisa Hirai, Hiroyuki Kajifusa, Kohei Kuroyama and Kei Ishinoda
  • 学会等名: 20th Conference on Insulating Films on Semiconductors (INFOS2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 4H-SiC C 面(000-1)のドライ及びウェット酸化条件によるMOS 界面特性への影響の理解 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梶房裕之，喜多浩之
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会 第３回講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-11-08
• [学会発表] ウェット酸化雰囲気に共存する酸素の効果の理解に基づく4H-SiC 各結晶面のウェット酸化プロセスの設計 (2016)
  • 著者名/発表者名: 平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会 第３回講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-11-08
• [学会発表] Impact of Sacrificial Cosumption of Substrate By Thermal Oxidation on Electron Mobility of 4H-SiC MOSFETs (2016)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita and Hirohisa Hirai
  • 学会等名: Pacific Rim Meeting on Electrochemcal and Solid State Science / 230th ECS Meeting
  • 発表場所: Honolulu, HI, USA
  • 年月日: 2016-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] Impacts on 4H-SiC MOSFET Mobility of High Temperatue Annealing in Oxidizing Or Inert Ambient before Gate Oxide Growth (2016)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Hirai and Koji Kita
  • 学会等名: International Conference of Solid State Device and Materials 2016
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-09-27
  • 国際学会
• [学会発表] Study on the Guideline to Control Dry and Wet Oxidation Conditions to Improve 4H-SiC (000-1) C-face MOS Interface Characteristics (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kajifusa and Koji Kita
  • 学会等名: International Conference of Solid State Device and Materials 2016
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-09-27
  • 国際学会
• [学会発表] Opportunities to Design Thermal Oxidation and Post-Oxidation Processes to Control 4H-SiC MOS Interface Characteristics (2016)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita
  • 学会等名: International Conference of Solid State Device and Materials 2016
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-09-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ウェット酸化条件の制御による4H-SiC C面上MOS界面特性への影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梶房裕之，喜多浩之
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 酸化性および還元性雰囲気におけるゲート酸化膜成長前の高温熱処理がSiC MOSFET移動度に与える影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 平井悠久，喜多浩之
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] 4H-SiCの熱酸化過程の理解に基づくMOS特性の制御とその課題 (2016)
  • 著者名/発表者名: 喜多浩之
  • 学会等名: 第35回電子材料シンポジウム(EMS-35)
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖（滋賀県守山市）
  • 年月日: 2016-07-06
• [学会発表] Control of SiC thermal oxidation processes for the improvement of MOSFET performance (2016)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita, Hirohisa Hirai, Yuki Fujino and Hiroyuki Kajifusa
  • 学会等名: 229th Meeting of the Electrochemical Society
  • 発表場所: San Diego, CA, USA
  • 年月日: 2016-05-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 4H-SiC m面上に形成された熱酸化膜の界面近傍における微視的構造の特徴の赤外分光法による解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒山 滉平，平井 悠久，山本 建策，金村 髙司，喜多 浩之
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 4H-SiC MOSFET移動度に対する熱酸化による基板特性劣化とダメージ層除去効果の競合 (2016)
  • 著者名/発表者名: 平井悠久，作田良太，喜多浩之
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 4H-SiC C面における高温・低O2分圧下ドライ酸化によるMOS界面特性の制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梶房裕之，喜多浩之
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 4H-SiC MOSキャパシタ界面近傍における電子と正孔の膜中トラップ密度分布の比較 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤野雄貴，喜多浩之
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] ４H-SiC/SiO2界面に対する高温ドライ酸化および高温希釈水素POAの効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 平井悠久, 喜多浩之
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会 第2回講演会
  • 発表場所: 大阪国際交流センター（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2015-11-09
  • 招待講演
• [学会発表] Quantitative Characterization of Near-Interface Oxide Traps in 4H-SiC MOS Capacitors by Transient Capacitance Measurements (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Fujino and Koji Kita
  • 学会等名: 228th Meeting of the Electrochemical Society
  • 発表場所: Phoenix, AZ, USA
  • 年月日: 2015-10-11
  • 国際学会
• [学会発表] Combination of High‐temperature Oxidation and Low‐temperature O2‐Annealing toward Nearly‐Ideal MOS Characteristics on 4H‐SiC (0001) (2015)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita, Richard Heihachiro Kikuchi, and Hirohisa Hirai
  • 学会等名: 2015 Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials
  • 発表場所: Giardini Naxos, Italy
  • 年月日: 2015-10-06
  • 国際学会
• [学会発表] Extraction of electron effective mobility of 4H‐SiC MOS inversion channel with thermally‐grown SiO2 by high‐frequency split C‐V technique (2015)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Hirai and Koji Kita
  • 学会等名: 2015 Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials
  • 発表場所: Giardini Naxos, Italy
  • 年月日: 2015-10-06
  • 国際学会
• [学会発表] Removal of Near-Interface Oxide Traps at SiO2/SiC Interface by Post-Oxidation Annealing in Reducing Ambient (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kajifusa and Koji Kita
  • 学会等名: 2015 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道 札幌市）
  • 年月日: 2015-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of Near-Interface Oxide Trap Density in SiC MOS Capacitors by Transient Capacitance Measurements at Various Temperatures (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Fujino and Koji Kita
  • 学会等名: 2015 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道 札幌市）
  • 年月日: 2015-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of High-Temperature Diluted-H2 Annealing on Effective Mobility of 4H-SiC MOSFETs with Thermally-Grown SiO2 (2015)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Hirai and Koji Kita
  • 学会等名: 2015 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道 札幌市）
  • 年月日: 2015-09-28
  • 国際学会
• [備考] 東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻 機能性ナノ薄膜工学 喜多研究室
  • URL: http://www.scio.t.u-tokyo.ac.jp/index.html
• [備考] 東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻 喜多研究室
  • URL: http://www.scio.t.u-tokyo.ac.jp/index.html