大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 1/60
先進パワーデバイスにおける新規ゲート絶縁膜開発と
放射光利用MOS界面評価事例
大阪大学大学院工学研究科
渡部平司
SPring-8利用推進協議会第4回次世代先端デバイス研究会/
第13回SPring-8先端利用技術ワークショップ2017.3.21 AP品川京急第2ビル
転載不可
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 2/60
概要
■ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
■ SiCパワーデバイス開発
- 熱酸化膜界面の構造欠陥評価
- SiO2/SiC界面エネルギーバンド構造
- 窒化界面の評価と今後の課題
■ GaN-MOSデバイス開発
- AlGaN/GaN MOS-HFET用堆積絶縁膜
- GaN表面の熱酸化過程評価
- 極薄GaOx界面層によるMOS界面特性改善
■まとめ
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 3/60
概要
■ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
■ SiCパワーデバイス開発
- 熱酸化膜界面の構造欠陥評価
- SiO2/SiC界面エネルギーバンド構造
- 窒化界面の評価と今後の課題
■ GaN-MOSデバイス開発
- AlGaN/GaN MOS-HFET用堆積絶縁膜
- GaN表面の熱酸化過程評価
- 極薄GaOx界面層によるMOS界面特性改善
■まとめ
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研究背景
発電
DC
AC AC
ACAC
DC 1500V
パワーデバイス:電力変換
※低損失・高温動作
LSI: 情報処理※高速動作・低消費電力
DC 3.3~12VAC 100V DC 10~20V
変電・送電
AC 100, 200V
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電力変換装置の例~インバータ~
バッテリーDC~200V
モーター
エンジン
インバータ
発電機電気自動車・ハイブリッドカー
電圧 周波数変換
電圧整流
ACDC
電圧インバータDCAC
インバータエアコン
設定温度
室温
時間
ON-OFF制御
インバータ制御
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インバータを構成するパワー半導体素子
整流素子とスイッチング素子から構成
シリコンだと極限環境下で使用不可&材料物性で決まる性能限界に到達
バッテリー
モーター
整流素子(ダイオード)
スイッチング素子(トランジスタ)
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シリコンカーバイド(SiC)の結晶構造
結晶構造 4H 6H 3C
バンドギャップ (eV) 3.26 3.02 2.23
電子移動度 (cm2/Vs) 1000 450 1000
絶縁破壊電界 (MV/cm) 2.8 3.0 1.5
飽和ドリフト速度 (cm/s) 2.2107 1.9107 2.7107
比誘電率 9.7 9.7 9.7
熱伝導率 (W/cmK) 4.9 4.9 4.9
ウェハ供給(エピ成長含む)と物性の観点から
4Hが主流
C原子Si原子
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SiとSiCの物性比較
バンドギャップ
熱伝導率
絶縁破壊電界飽和ドリフト速度
電子移動度
SiCSi
高温安定動作 & 高冷却効率(Si: 175C, SiC: 300C)
冷却機構小型化
熱源(エンジン・モーター)の近くに設置可能
高耐圧(Siの10倍)
大電流
低損失化
熱酸化によるSiO2形成
ドーピングによるp/n制御さらにSiとの類似点として
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SiCによる低損失化 ~縦型MOSFET~
n--SiC
ドレイン
絶縁膜
ゲート
n+n+
p+ n+ p+
pp
ソース ソース
n+-SiC
n--Si
ドレイン
絶縁膜
ゲート
n+n+
p+ n+ p+
pp
ソース ソース
n+-Si
電流
Siと同耐圧で、
オン抵抗が1/1000
DMOSトランジスタ
厚さ1/10
キャリア濃度100倍
Si
SiC
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 10/60
概要
■ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
■ SiCパワーデバイス開発
- 熱酸化膜界面の構造欠陥評価
- SiO2/SiC界面エネルギーバンド構造
- 窒化界面の評価と今後の課題
■ GaN-MOSデバイス開発
- AlGaN/GaN MOS-HFET用堆積絶縁膜
- GaN表面の熱酸化過程評価
- 極薄GaOx界面層によるMOS界面特性改善
■まとめ
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熱酸化SiC-MOSデバイスの課題
➢ SiC-MOSFET
Metalsource
gate
n+ p
n+
n-
SiO2n+p
drain
source
Ion
Metalsource
gate
n+ p
n+
n-
SiO2n+p
drain
source
Ion
O2
熱酸化
SiO2
SiC
COx
SiC界面欠陥
O2
熱酸化
SiO2
SiC
COx
SiC界面欠陥
・ Normally-off スイッチングデバイス
・ 熱酸化によるSiO2ゲート絶縁膜形成
・ 反転層チャネル移動度の劣化
・ ゲート絶縁膜信頼性劣化
・ ゲートリーク電流増大((000-1)C面)
・ 閾値低下と閾値変動の問題 ・・・
【物理的要因】
界面遷移層、炭素不純物
エピ層中結晶欠陥
MOS界面のラフネス
伝導帯オフセット減少 ・・・
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熱酸化SiO2ゲート絶縁膜の問題T.L. Biggerstaff et al., Appl. Phys. Lett. 95, 032108 (2009).
➢ Thick transition layer (~nm)
➢ C-rich layer (~20%)
➢ Correlation with mobilitydegradation in SiC-MOSFET
Z-contrast image
EELS mapping P
eak m
ob
ilit
y
Transition layer width
Abrupt 4H-SiC/SiO2 interface (MEIS)X. Zhun et al., Appl. Phys. Lett. 97, 071908 (2010).
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 13/60
放射光実験施設(SPring-8 BL23SU)
日本原子力研究開発機構吉越章隆 博士
L/L室
表面クリーニング室
SPM室
反応分析室
Ring
・ 放射光XPS
・ LEED/SPM複合分析
・ 超音速分子線(反応ガス)照射
・ 真空アニール
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光電子分光法によるSiO2/Si界面先行研究➢ Si2p高分解能測定⇒ スピン分離(2p3/2, 2p1/2)⇒サブオキサイド分離(Si
1+~Si3+)F. J. Himpsel et al., Phys. Rev. B38, 6084 (1988).
➢ SiO2/Si界面の急峻性評価⇒原子層毎酸化反応K. Ohishi and T. Hattori, Jpn. J. Appl. Phys. 33, L675 (1994).
SiO2
SiO2/Si
Si 2p spectra
raw data
intermediate state(Si1+, Si2+, Si3+)
2p3/2 + 2p1/2
B.G subtractiondeconvolution (2p3/2)
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熱酸化SiO2/4H-SiC界面の放射光XPS分析
Binding Energy (eV)
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
)
SiO2
SiC
Si1+
(b) Si 2p3/2 1 min ox.
Si2+Si3+
106 105 104 103 102 101
Si-C bond(Si 2p3/2)
(a) Si 2p
1 min
3 min
10 min
after cleaning
dry oxidation30 min
107 106 105 104 103 102 101
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
)
Binding Energy (eV)
ウエット洗浄4H-SiC(0001)Si面のドライ酸化@1100℃(~30min)(例えば10分酸化⇒3.5nm(電気特性評価))
・SiC-MOS界面に厚い構造遷移層は存在しない(原子レベルで急峻)
H. Watanabe et al., Appl. Phys. Lett. 99, 021907 (2011).
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 16/60
熱酸化SiO2/4H-SiC界面の放射光XPS分析
288 287 286 285 284 283 282
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
)
Binding Energy(eV)
Si2p/C1s
as-epi. 1.54
thick oxide 1.52
Si2p/C1s
as-epi. 1.54
thick oxide 1.52
C0+
C 1s
Binding Energy (eV)
Inte
ns
ity (
arb
. u
nit
)
adsorbate(contamination)
C-Si bulk
C-C bonds
Binding Energy (eV)
Inte
ns
ity (
arb
. u
nit
)
as-oxidized(contaminated)
in-situ anneal
C 1s
C-Si bond
289 288 287 286 285 284 283
Binding Energy (eV)
Inte
ns
ity (
arb
. u
nit
)
as-oxidized(contaminated)
in-situ anneal
C 1s
C-Si bond
289 288 287 286 285 284 283
炭素との結合に注目(真空加熱により表面吸着物除去@500℃)
・ 熱酸化SiO2/SiC界面は主にSi-O結合で構成されている
・ C-rich層の存在は確認されない
H. Watanabe et al., Appl. Phys. Lett. 99, 021907 (2011).
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 17/60
熱酸化SiO2/SiC界面の急峻性
106 105 104 103 102 101
Si 2p3/2
SiO2
SiC
Si1+
Si2+
Si3+
Binding Energy (eV)
Inte
ns
ity (
arb
. u
nit
)
SiO2: 3.5nm
106 105 104 103 102 101
Si 2p3/2
SiO2
SiC
Si1+
Si2+
Si3+
Binding Energy (eV)
Inte
ns
ity (
arb
. u
nit
)
SiO2: 3.5nm
SiO2/Si interface
H. Watanabe et al., Appl. Phys. Lett. 99, 021907 (2011).
Oxidation Time (min)
No
rmali
zed
In
ten
sit
y
1 10 303
1
0.3
3
[Isub-O(Si1++Si2++Si3+)]
[ISiC(Si-C bulk)]
3.5 nm5.7 nm
4H-SiC(0001) @1100C
Si2p3/2サブオキサイド成分の熱酸化膜厚依存性(< 10nm)
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SiC-MOSキャパシタの評価
Gate Voltage (V)C
ap
acit
an
ce (
F)
measuredideal
VFBSiC
Fixed oxide charge (Qox)
← Flatband voltage (VFB) shift
Interface state density (Dit)
← C-V slope (Terman method)
Al
SiO2
SiO2
SiC
Al
Al
SiO2
4H-SiC (Si-face)
Al
Al
Dry oxidation (Si-face@1100C)
Post oxidation annealing @900C
Gate electrode (Al)
Back contact (Al)
C-V measurement (@1MHz)
Fabrication of SiC-MOS capacitor
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 19/60
SiO2/SiC界面電気特性の酸化膜厚依存性
Al
n-type 4H-SiC
pure-SiO2(3~80 nm)
pure-SiO2
Al
SiC-MOSキャパシタのC-V特性から界面欠陥準位密度(Dit)と固定電荷(Qox)を算出
0 10 20 30 40 50 60 70 800
2
4
6
8
1
10
Dit
Vfb
Oxide Thickness (nm)
Fla
tba
nd
Vo
lta
ge
(V
)
Dit
(×1
01
2 c
m-2
eV
-1@
Ec-
E =
0.3
6 e
V)
Al/SiO2/SiC capacitor
0 10 20 30 40 50 60 70 800
2
4
6
8
1
10
Dit
Vfb
Oxide Thickness (nm)
Fla
tba
nd
Vo
lta
ge
(V
)
Dit
(×1
01
2 c
m-2
eV
-1@
Ec-
E =
0.3
6 e
V)
Al/SiO2/SiC capacitor
1.3×1012 cm-2
Qox=2.3×1011 cm-2
熱酸化の進行に伴い電気特性を劣化させる界面欠陥が蓄積
(厚膜で特性劣化が顕著 ←微量の炭素クラスタが原因?)
H. Watanabe et al., Appl. Phys. Lett. 99, 021907 (2011).
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 20/60
概要
■ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
■ SiCパワーデバイス開発
- 熱酸化膜界面の構造欠陥評価
- SiO2/SiC界面エネルギーバンド構造
- 窒化界面の評価と今後の課題
■ GaN-MOSデバイス開発
- AlGaN/GaN MOS-HFET用堆積絶縁膜
- GaN表面の熱酸化過程評価
- 極薄GaOx界面層によるMOS界面特性改善
■まとめ
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 21/60
C面に形成したSiC-MOSFETの課題
Si面(0001)
C面(000-1)
4H-SiCの結晶構造
(11-20)
Si原子
C原子
4H-SiC構造
2.5Å
2.5 Å
⇒高チャネル移動度 (50 cm2/Vs)
C面に形成したMOSキャパシタ
C面に形成したSiO2絶縁膜の信頼性劣化要因の解明が必要
T. Hatakeyama et al., Mat. Sci. Forum 600-603, 783 (2009).
T. Kimoto et al., Jpn. J. Appl. Phys. 44, 3 (2005).
C面上のSiC-MOSFET
⇒酸化膜の信頼性劣化が顕著
4H-SiC
SiO2
Ale-
A
Al
最表面にSi原子
最表面にC原子
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 22/60
エネルギーバンド構造評価手法
Ec
Evh
E
V.L.
Eg
= Eg①②
Eg
Energy loss signal
②
①
K.E.
h
V.L.
①②
Ec
Ev
② ①
B.E. 0
バンドギャップ 価電子帯オフセット
Ev
Ev
4H-
SiCSiO2
3.26 eV
Ec=Eg-Ev-3.26 eV
Eg
Ec
① + ②(measured)
SiO2/SiC界面の伝導帯オフセット評価 ← 放射光XPS利用
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 23/60
SiO2/SiC界面のエネルギーバンド構造評価
15 10 5 0 -5
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
)
Loss Energy (eV)
8.7 eV
Si-face
TOA = 90
O 1sエネルギー損失スペクトル 価電子帯スペクトル
文献値 (8.9 ~ 9.0 eV) とほぼ一致⇒ Si面とC面で違いはない
EC(Si面: 2.69 eV、C面: 2.29 eV)
⇒ C面の方がECが0.4 eV小さい
C-face
9 8 7 6 5 4 3 2
2.75 eV
3.15 eV
Si-face
C-face
Binding Energy (eV)
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
)
①SiO2/SiC(measured)
②SiC
①SiO2/SiCmeasured
②SiC
①-②
①-②
H. Watanabe et al., Mater. Sci. Forum 679-680, 386 (2011).SiO2(3nm)/4H-SiC
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 24/60
4H-SiC(0001)Si及び(000-1)C面のバンド構造H. Watanabe et al., Mater. Sci. Forum 679-680, 386 (2011).
・ C面はSi面と比較して本質的に伝導帯オフセットが小さい
・ 酸化膜厚増加と共に界面近傍に負の固定電荷が蓄積し、バンドオフセットが変調される(C面で顕著)
← 界面特性向上とMOSFET閾値低下のトレードオフ
2.71 2.71 eVeV
2.75 eV
4H-
SiCSiO2
2.31 2.31 eVeV
3.15 eV
4H-
SiCSiO2
2.56 2.56 eVeV
2.8 eV
4H-
SiCSiO2
2.81 2.81 eVeV
2.65 eV
4H-
SiCSiO2
Si-face C-face
SiO2=3 nmSiO2=40 nm + HF
SiO2=3 nmSiO2=40 nm + HF
2.69 eV 2.79 eV 2.29 eV 2.54 eV
2.71 2.71 eVeV
2.75 eV
4H-
SiCSiO2
2.31 2.31 eVeV
3.15 eV
4H-
SiCSiO2
2.56 2.56 eVeV
2.8 eV
4H-
SiCSiO2
2.81 2.81 eVeV
2.65 eV
4H-
SiCSiO2
Si-face C-face
SiO2=3 nmSiO2=40 nm + HF
SiO2=3 nmSiO2=40 nm + HF
2.69 eV 2.79 eV 2.29 eV 2.54 eV2.69 eV
2.75 eV
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 25/60
概要
■ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
■ SiCパワーデバイス開発
- 熱酸化膜界面の構造欠陥評価
- SiO2/SiC界面エネルギーバンド構造
- 窒化界面の評価と今後の課題
■ GaN-MOSデバイス開発
- AlGaN/GaN MOS-HFET用堆積絶縁膜
- GaN表面の熱酸化過程評価
- 極薄GaOx界面層によるMOS界面特性改善
■まとめ
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 26/60
熱酸化SiO2/SiC界面特性改善技術
ラフネス・結晶欠陥起因の膜厚不均一
多量の界面欠陥(界面準位,固定電荷)
Si
SiO2
O2 O2
SiC
SiO2
COxO2
Si SiC
酸化温度 8001000 10001400
界面欠陥 SiダングリングボンドC-C結合, 格子間炭素,
Si-Si結合, etc
界面欠陥終端化アニール処理
H2(~500C)NO, N2O, H2, NH3,
POCl3, etc (>1000C)
転位
2SiC+3O22SiO2+2COSi+O2SiO2
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 27/60
SiO2/SiC界面のNO窒化に関する報告 SiO2/SiC界面の窒素量はアニール時間と温度に依存
1175C
J. Rozen et al.,
IEEE Trans Electron Dev. 58, 3808 (2011).
R. Kosugi et al.,
Appl. Phys. Lett. 99, 182111 (2011).
J. Rozen et al.,
J. Appl. Phys. 105, 124506 (2009).
H. Yoshioka et al.,
Mat. Sci. Forum 778-780, 418 (2014).
J. Appl. Phys. 112, 024520 (2012).
界面窒素量の増加に対して、移動度の向上は飽和傾向
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 28/60
窒素導入量と界面特性
4H-SiC
SiO2
SiO2etched
h e-
4H-SiC(0001) w/ n-epilayer (ND=51015 cm3)
Ion implantation & activation for MOSFET
Thermal oxidation in dry O2 (1300C, 60 min) 75 nm
NO annealing (1250C, 90 or 180 min)
N2 annealing (1250C, 60 min)
Gate & contact formation
Electrical measurement
Etch back by diluted HF (3 nm)
SR-XPS @SPring-8(h=686.5 eV, TOA=90)
SamplePeak FE(cm2/Vs)
CET
(nm)VFB (V)
w/o NO 5-8 76.5 0.81
NO(90) 36-38 74.9 0.08
NO(180) 30-34 74.9 -0.06
0.2 0.3 0.4 0.5 0.610
10
1011
1012
Dit (
cm
-2e
V-1)
Ec-E (eV)
w/o NO
NO(180)
NO(90)
C-s method
過剰な窒化は移動度を劣化
T. Hosoi et al., ECSCRM2014.
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 29/60
SiO2/SiC窒化界面の評価
286 284 282
Binding Energy (eV)
106 104 102 100
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
)
Binding Energy (eV)
402 400 398 396
Binding Energy (eV)
希HFで除去できず
Si 2p C 1s N 1sw/o NO
NO(180)
NO(90)
4H-SiC
SiO2etched
4H-SiC
SiO2
SiO2etched
NOアニールによりSiO2ピークは低BE側にシフト
N量(N 1s信号強度)はNOアニール時間に依存(スペクトル形状(=結合状態)に変化なし)
Nの大部分が希HFで除去できない界面層(or 基板)中に存在
※SiC基板信号で結合エネルギーと強度を規格化T. Hosoi et al., ECSCRM2014.
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 30/60
NOアニール処理と正孔トラップ挙動
酸化膜中のキャリア捕獲挙動に対するNOアニールの影響
J. Rozen et al., J. Appl. Phys. 105, 124506 (2009).
電子
正孔
抑制
促進
-10 -5 0 5 100.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
C/C
OX
Gate Voltage (V)
w/ UV
@2 kHz
w/o UV
: 100 m
: 400 m
NO(90)
n型4H-SiC(0001)
ドライO2酸化 (1300C, 75 nm)
NOアニール (1250C, 90 or 180分)
Al電極蒸着 (Φ:100, 200, 400 m)
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 31/60
SiO2/Si界面窒化による正孔トラップ促進
Post-oxidation annealing (POA) in NO (or N2O)
チャネル移動度向上に限界 3040 cm2/Vs
正孔トラップの増加 Vth instability
Y. Katsu et al., Mat. Sci. Forum 858, 599 (2016).
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 32/60
市販SiC MOSFETCompany A (Oct. 2015)
Company B (Nov. 2015)
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 33/60
概要
■ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
■ SiCパワーデバイス開発
- 熱酸化膜界面の構造欠陥評価
- SiO2/SiC界面エネルギーバンド構造
- 窒化界面の評価と今後の課題
■ GaN-MOSデバイス開発
- AlGaN/GaN MOS-HFET用堆積絶縁膜
- GaN表面の熱酸化過程評価
- 極薄GaOx界面層によるMOS界面特性改善
■まとめ
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 34/60
GaNパワーデバイスの優位性
GaN
Si
GaN:高周波・高出力パワーデバイスの実現
電子移動度
バンドギャップ(高温環境動作)
熱伝導率
飽和電子速度(小型化・高速動作)
絶縁破壊電界強度(高耐圧)
Metal AlGaN GaN
EF
EC2DEG
Si,GaNの物性値比較 二次元電子ガスの利用
AlGaN
GaN
PSP PSE
PSP
高キャリア移動度
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 35/60
AlGaN/GaN MOS-HFETの検討
Cu
rre
nt
Gate Voltage
Sub
i-GaN
i-AlGaN
リーク電流大
Source gate drain
2DEG
ノーマリーオフ&リーク電流小(大電力化)
リーク小
ドレイン電流大
ショットキーゲート型HFET
I-V特性
MOS型HFET
Sub
i-GaN
ドレイン電流大
Source gate drain
絶縁膜
ドレイン電流大
ゲート絶縁膜
ドレイン電流小
AlGaN/GaN HEMT:高周波スイッチング素子携帯電話基地局の送信用増幅器
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 36/60
MOS-HFET用堆積ゲート絶縁膜
SiC-MOS:高温熱酸化SiO2
GaN MOSデバイス: 堆積絶縁膜
HfO2 (ハフニア) Al2O3 (アルミナ)
✕界面特性✕絶縁膜膜質
X. Qin et al., J Mater. Sci: Mater Electron 26, 4638 (2015).
Al2O3 HfO2
MOS-HFETの実現
ゲート絶縁膜の膜質 絶縁膜/AlGaN界面の品質
→ デバイス特性を決定(閾値電圧変動、駆動力)
絶縁膜界面特性及び膜質の向上が急務
i-GaN
i-AlGaN
i-GaN
i-AlGaN
絶縁膜
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 37/60
AlONゲート絶縁膜(SiC-MOS)
GaN-MOSへのAlON応用 ・ 閾値電圧安定性向上・ 界面特性改善(AlON/AlGaNの相性)
T. Hosoi et al., IEDM (2012) 7.4.
SiCSiO2 (7 nm)
Al2O3(60 nm)
Al
0 10 20 30 40
0
5
10
15
Fla
tba
nd
Vo
lta
ge
(V
)Accumulation Voltage (V)
Al2O3(CET=44 nm)
AlON(CET=42 nm)
on 7-nm-SiO2
-10 0 10 200.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Gate Voltage (V)
Cap
acit
an
ce
(
F/c
m2)
sweep:
-10VVacc -10V
Al2O3/7-nm-SiO2(CET*=44 nm)
30 V
Vacc5-20 V 25 e
- injection
Al2O3膜への電子注入 ⇒窒素添加による信頼性向上
■パワーデバイス用絶縁膜としてはALD-Al2O3応用が中心
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 38/60
放射光XPSによる絶縁膜界面構造評価
AlGaN/GaN on Si(111)基板
HCl洗浄(5%)
Al2O3 or AlON成膜反応性スパッタリング (2 nm)
Al2O3: Ar/O2 混合ガスAlON: N2/O2混合ガス
熱処理 (N2, 800°C, 3 min:膜質改善)
放射光XPS (TOA=90°, h=1253 eV)
AlON
GaN
AlGaN
GaN
AlGaN
Al2O3
@ SPring-8 BL23SU
スペクトル変化から絶縁膜界面の熱安定性(反応層)を評価
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 39/60
放射光XPSによる絶縁膜反応解析
GaN
AlGaN
AlON
GaN
AlGaNAlOx
Al2O3
※ AlGaN基板からのGa3d信号強度で規格化表面敏感条件
Al2O3/AlGaN: AlOx界面反応層の成長を示唆
AlON/AlGaN: 優れた界面安定性を確認
R. Asahara et al., Appl. Phys. Express 9, 101002 (2016).
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 40/60
断面TEM及びAFM観察
5 nm5 nm
AlONAl2O3
AlGaN
I.L.
・ Al2O3膜の結晶化・ 表面ラフネス発生・ 界面反応層(AlOx)が形成
・ 非晶質AlON膜・ 平滑な表面形状を維持・ 急峻なAlON/AlGaN界面
■ Al2O3膜の窒化(AlON)による結晶化温度上昇
■ AlGaN表面への窒素プラズマ照射による安定化
熱処理後(窒素雰囲気, 800°C, 3分間)
R. Asahara et al., Appl. Phys. Express 9, 101002 (2016).
AFM (11 m2) AFM (11 m2)
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 41/60
AlGaN/GaN MOSキャパシタの基本特性
2段階のC-Vカーブ
Cap
acit
an
ce
(F
/cm
2)
Gate Voltage (V)
<C-V特性>
V1 V2
① ② ③
2DEG
MOSSub
i-GaN
i-AlGaN
gate
絶縁膜
① Vg < V1
② V1< Vg< V2
Sub
i-GaN
i-AlGaN
絶縁膜
③ Vth2< Vg
Sub
i-GaN
i-AlGaN
AlGaN/GaN界面 絶縁膜/AlGaN界面
負バイアスによる空乏化
gate gate
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 42/60
AlGaN/GaN MOSキャパシタのC-V特性R. Asahara et al., Appl. Phys. Express 9, 101002 (2016).
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 40.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 40.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
AlONAl2O3
1MHz
1kHz
Gate Voltage (V)
Ca
pac
ita
nce
(F
/cm
2)
1MHz
1kHz
Cap
ac
ita
nc
e(
F/c
m2)
Gate Voltage (V)
GaNAlGaN
Al2O3
e-
e-e-
e-
GaNAlGaN
AlON
CET=6.8 nm CET=7.9 nm
e-
e- e- 300 mV
90 mV
e-
e-
①
②
①
②
■ Al2O3絶縁膜でも典型的な2段階C-Vカーブを取得(ALD-Al2O3膜に対する優位性: 室温酸素ラジカル照射)
■ AlON絶縁膜によるヒステリシスと周波数分散の低減
⇒電荷注入耐性と界面電気特性の向上(AlON膜質&窒素/酸素プラズマ照射効果)
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 43/60
界面準位密度(Dit)評価結果R. Asahara et al., Appl. Phys. Express 9, 101002 (2016).
GaN
AlGaN
AlON
GaN
AlGaN
Al2O3
AlOx
Al2O3/AlGaN
Dit= 4.8-7.61011 cm-2eV-1
AlON/AlGaN
Dit= 1.2-1.41011 cm-2eV-1
1000 10000 1000000
10
20
30
40
50
60
Gp/
(nF
/cm
2)
Frequency (Hz)
Al2O3
AlON
0.23 V
Vg= 0.12 V 0.18 V 0.21 V0.15 V
0.26 V
0.29 V
0.32 V
Vg= 0.35 V
<コンダクタンス法>
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 44/60
概要
■ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
■ SiCパワーデバイス開発
- 熱酸化膜界面の構造欠陥評価
- SiO2/SiC界面エネルギーバンド構造
- 窒化界面の評価と今後の課題
■ GaN-MOSデバイス開発
- AlGaN/GaN MOS-HFET用堆積絶縁膜
- GaN表面の熱酸化過程評価
- 極薄GaOx界面層によるMOS界面特性改善
■まとめ
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 45/60
GaN縦型パワーデバイスの可能性
<横型デバイス>
n--GaN
n+ n+p+ p+
Metal
Gate
SourceSource
Insulator
Drain
Current
n+-GaN sub.
<縦型デバイス>
Buffer layerSi sub.
Gate DrainSource
GaNCurrent
AlGaN
2次元電子ガス
高移動度2次元電子ガス高耐圧化/大電流動作
高周波用デバイス
大電力用デバイス
Metal
課題・GaN on GaN基板の高品質化・GaN上MOS構造の作製技術
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 46/60
GaN-MOSデバイスの技術課題
n--GaN
n+ n+p+ p+
Metal
Gate
SourceSource
Insulator
Drain
n+-GaN 欠陥
Insulator
GaN
表面近傍の窒素空孔 [2, 3]
絶縁膜/GaN界面の欠陥低減が必要
絶縁膜/GaN界面の欠陥[1] R. Nakasaki et al., IEIC Technical Report 99, 19 (1999).
[2] K. J. Chen et al., Phys. Status Solidi A 212, 1059 (2015).
[3] T. Hashizume et al., Appl. Surf. Sci. 234, 387 (2004).
O
Ga
VN
Ga
O
Ga
N N
Ga
N
N
Ga
Ga
N
Ga
VN
Ga
N
O
GaN-MOSデバイス用堆積絶縁膜(CVD-Si3N4&ALD-Al2O3)
多数の界面欠陥⇒デバイス性能の低下
不均質な自然酸化膜 [1, 2]
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 47/60
熱酸化Ga2O3の問題点
表面&界面形状Y. Zhou et al., Solid-State Electron.
52, 756 (2008).
Ga2O3/GaNバンド構造M. Grodzicki et al., Appl. Surf. Sci.
304, 20 (2014).
電子に対して低障壁ΔEC⇒ リーク電流の増加
Ga2O3 GaN
Ev
EC
4.9 eV3.4 eV
0.35 eV
1.15 eV2 μm
厚膜化⇒ ラフネスの増加
表面
Si: 熱酸化SiO2を絶縁膜として良好なMOSFET動作
GaN: 熱酸化により酸化ガリウム(Ga2O3)が形成
SiO2Si GaN
層状酸化
2 μm
界面
Ga2O3
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 48/60
GaN表面の熱酸化過程評価
n-GaN/Si (欠陥密度 ~108 cm-2)
自立n-GaN (欠陥密度 ~105 cm-2)
塩酸洗浄 (5%, 10 min)
大気圧O2ガス中で熱酸化 (700~1000C, 30 min)
分析評価
XPS: 表面酸化過程
AFM: 表面形状
酸化温度
Ar Ar
O2
30 min
自立n-GaN
300nm
n-GaN/Si
300nm
欠陥
・ Al Kα: 1487eV, TOA=90º・ Ga 2p3/2スペクトルを解析
観察領域: 1μm1μm
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 49/60
GaN/Si基板表面の熱酸化過程
・ 酸化膜成長に伴い表面ラフネスが増大
・ 800℃以上で欠陥部位から酸化物粒が成長
700ºC 800ºCw/o 850ºC 900ºC 1000ºC
300nm 300nm 300nm 300nm 300nm 300nm
w/o
300nm
800ºC
300nm
1000ºC
300nm
900ºC
300nm
断面SEM像(1000ºC)
700ºC 800ºCw/o 850ºC 900ºC 1000ºC
300nm 300nm 300nm 300nm 300nm 300nm
w/o
300nm
800ºC
300nm
1000ºC
300nm
900ºC
300nm
AFM像(大気圧O2ガス,30 min)
250 nm
欠陥
800ºC
300nm
⇒ MOSデバイス応用×
T. Yamada et al., J. Appl. Phys. 121, 035303 (2017).
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 50/60
低転位密度自立GaN基板の表面酸化T. Yamada et al., J. Appl. Phys. 121, 035303 (2017).
n-GaN/GaN (欠陥密度: ~105 cm-2)
RMS=0.19 nm 0.14 nm 0.62 nm
3.35 nm
800C
0 4.0(nm)
洗浄後
0 4.0(nm) 0 20.0(nm)
800C
0 4.0(nm)
洗浄後
0 4.0(nm) 0 4.0(nm)
0.26 nm 0.31 nm
900C
900C
n-GaN/Si (欠陥密度: ~108 cm-2)
Ga2O3膜厚(分光エリプソ)
800℃: 1.0 nm900℃: 3.7 nm
⇒ Ga2O3界面層の可能性
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
600 700 800 900 10000.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
600 700 800 900 1000
15
25
35
20.0
25.030.0
w/o
RM
S r
ou
gh
ness
(n
m)
Oxidation temperature (ºC)
n-GaN/Si
自立n-GaN
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 51/60
GaN表面酸化過程のXPS評価
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5255305350.0
1.0
2.0
3.0
152025Binding energy (eV) Binding energy (eV)
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
s)
1000ºC
900ºC
850ºC
800ºC
750ºC
700ºC
w/o
1000ºC
900ºC
850ºC
800ºC
750ºC
700ºCw/o
Ga 3d O 1s
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
600 700 800 900 1000 1100
0.0
1.0
2.0
3.0
152025
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
525530535
Inte
ns
ity (
arb
. u
nit
s)
w/o
Oxidation temperature (ºC)
O 1
sin
teg
rate
d in
t.
Ga 3d
O 1s
Ga 3d O 1s Ga 2p
光電子の脱出深さ
深い 浅い
Ga-N成分 O-Ga成分
(1 nm)
T. Yamada et al., J. Appl. Phys. 121, 035303 (2017).
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 52/60
初期酸化過程の評価N
orm
ali
zed
inte
nsit
y (
a.
u.)
Binding energy (eV)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
1116111811201122
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
1116111811201122
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
1116111811201122
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
1116111811201122
w/o
1000ºC
750ºC
800ºC
850ºC
900ºC
700ºC
w/o
1000ºC
800ºC
900ºC
(a) GaN/Si BE shift:
0.41 eV
BE shift:
0.40 eV
(b) GaN/GaN
0
0
T. Yamada et al., J. Appl. Phys. 121, 035303 (2017).
0.0
1.0
2.0
3.0
600 700 800 900
Oxidation temperature (ºC)
GaN/Si
GaN/GaN
w/o0.0
1.0
2.0
3.0
600 700 800 900G
a-O
/Ga-N
in
t. r
ati
o (
a. u
.)
0
・ ケミカルシフト量の決定(Ga-O/Ga-N)
・ 初期酸化の飽和傾向と900℃以上での酸化膜(島状)成長を確認
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 53/60
放射光XPSによる高感度測定T. Yamada et al., J. Appl. Phys. 121, 035303 (2017).
GaN(s) + O2(g)→
Ga2O3(s) + GaOx(s,g) + NOx(g)
GaN
SiO2層
SiO2/GaN界面にNOx成分が蓄積
NOx
Inte
ns
ity (
a.
u.)
Binding energy (eV)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
395400405
HCl
as-depo
600ºC
700ºC
800ºC
900ºC
1000ºC
N-O
N-Ga
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 54/60
概要
■ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
■ SiCパワーデバイス開発
- 熱酸化膜界面の構造欠陥評価
- SiO2/SiC界面エネルギーバンド構造
- 窒化界面の評価と今後の課題
■ GaN-MOSデバイス開発
- AlGaN/GaN MOS-HFET用堆積絶縁膜
- GaN表面の熱酸化過程評価
- 極薄GaOx界面層によるMOS界面特性改善
■まとめ
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 55/60
GaOx界面層の挿入による電気特性改善
熱酸化
GaN GaN
SiO2
SiO2成膜(15nm)薄いGaOx層
リーク電流の抑制
900ºC熱酸化(RMS: 0.6 nm)
2.5um
O2O2O2O2
界面の平坦性
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 56/60
後酸化によるSiO2/GaOx/GaN構造形成
■ TEOS-SiO2堆積後の後酸化で極薄GaOx界面層を形成
GaN
SiO2層
SiO2/GaN構造の酸化
GaN
GaN表面の直接酸化
GaOx界面層(GaOx IL)
GaOx層
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 57/60
SiO2/GaOx/GaN界面の放射光XPS分析
GaN
SiO2
20 nm
2 nm光電子
(hν = 1253.6 eV)
(BE較正: N 1sピーク位置)
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 58/60
GaOx界面層の成長過程評価
ピーク分離解析 Ga-O/Ga-N強度比の変化
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 59/60
SiO2/GaOx/GaNキャパシタの電気特性評価
■ コンダクタンス法による界面準位密度評価
良質なGaOx/GaN界面特性を確認(酸化層の積極的な利用)
大阪大学大学院工学研究科 渡部研究室 60/60
概要
■ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
■ SiCパワーデバイス開発
- 熱酸化膜界面の構造欠陥評価
- SiO2/SiC界面エネルギーバンド構造
- 窒化界面の評価と今後の課題
■ GaN-MOSデバイス開発
- AlGaN/GaN MOS-HFET用堆積絶縁膜
- GaN表面の熱酸化過程評価
- 極薄GaOx界面層によるMOS界面特性改善
■まとめ