４Ｈ－ＳｉＣ熱酸化界面構造の理解に基づくＭＯＳＦＥＴ高性能化のための材料設計

• 研究課題/領域番号: 15J10704
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平井 悠久 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2016年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2015年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: エネルギー / パワーエレクトロニクス / 電力変換 / 炭化珪素 / 界面 / プロセス技術 / 炭化ケイ素 / MOSFET / 熱酸化 / 移動度 / 二酸化ケイ素 / ワイドギャップ半導体

研究実績の概要

本研究は、電力の制御に関わる技術体系であるパワーエレクトロニクスにおける、要素素子の高性能化に関する研究である。シリコンカーバイド（SiC）は、次世代パワーエレクトロニクス材料として要素素子の性能を向上可能な物性を有しているが、SiCと絶縁膜を積層して形成するMOS界面に導入されてしまう界面欠陥の除去が技術的課題である。本研究は、SiC/SiO2からなるMOS界面の材料学的な構造を、電子デバイスにおいて重要となるナノメートル領域に対して調査し、電子デバイスの性能を向上させる手法を獲得することを目的として行った。
本年度は、昨年度に着目したウェット雰囲気を応用した実験により、4H-SiCのSi面上に形成したMOS界面の電気特性の評価を行った。ウェット雰囲気を用いて、MOS界面の特性を表す重要な指標であるチャネル移動度およびしきい電圧に注目して評価を行った。現状の技術では、これらはトレードオフ関係にあるが、本研究では両者を独立に制御する手法について検討した。その結果、界面近傍の領域のみを選択的に処理する低温（800度程度）ウェット処理を用いることで、チャネル移動度を現状の標準プロセスと同等以上に向上させつつ、しきい電圧を構成する一つの成分であるフラットバンド電圧の変動を独立に制御できることを明らかにした。これは、低温を用いることで界面にのみ選択的にウェット処理の効果を適用し、フラットバンド電圧変動の原因となる電荷の形成を抑制することが可能になったためと考えられる。本研究の成果の一部について、当該分野最大の国際会議であるICSCRM2017において口頭発表を行った。このように、チャネル移動度向上のためのSiC上のMOS界面形成に対するプロセス指針を提示した。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [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] 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 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] 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] 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
• [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
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 4H-SiC熱酸化に伴う基板表面領域における酸素原子侵入とそれに対する酸化条件の影響 (2017)
  • 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4回講演会
• [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: Hirai Hirohisa, Ishinoda Kei, Kita Koji
  • 学会等名: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM2017)
  • 国際学会
• [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: Hirai Hirohisa, Ishinoda Kei, Kita Koji
  • 学会等名: 48th IEEE Semiconductor Interface Specialists Conference (SISC2017)
  • 国際学会
• [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
  • 年月日: 2016-11-08
• [学会発表] Impacts on 4H-SiC MOSFET mobility of high temperature 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: 2016 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2016)
  • 発表場所: つくば国際会議場、茨城
  • 年月日: 2016-09-27
  • 国際学会
• [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73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
  • 年月日: 2016-09-16
• [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
  • 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
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会第二回講演会
  • 発表場所: 大阪国際交流センター、大阪府天王寺区
  • 年月日: 2015-11-09
• [学会発表] Low temperature oxidation induced byproduct at 4H-SiC/SiO2 interface characterized by infrared spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Hirai
  • 学会等名: The 11th TU-UT-SNU student workshop
  • 発表場所: Beidaihe, China
  • 年月日: 2015-10-21
• [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
  • 学会等名: 2015 Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM2015)
  • 発表場所: Giardini Naxos, Italy
  • 年月日: 2015-10-04
  • 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
  • 学会等名: 2015 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials (SSDM2015)
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター、札幌市白石区
  • 年月日: 2015-09-27
  • 国際学会
• [備考] 喜多研究室 - 東京大学
  • URL: http://www.scio.t.u-tokyo.ac.jp/publication.html