倉田奨励金研究報告書 第 50 集｜2019 年度（第 51 回）助成■受領№1390（中間報告）

量子論に基づくシミュレーションによる高移動度 SiC-MOS 界面とその創製プロセスの設計

代表研究者

小野 倫也

神戸大学大学院工学研究科教授

1．研究目的SiC は次世代パワーデバイス用チャネル材料として期待されているものの、SiC-MOSFET の移動度は、SiC バルクの移動度に比べて極めて低く、材料の性能を生かしきれていない。MOSFET の低表 1. 窒素原子面密度。
結晶面

窒素原子面密度(atom/cm2)a

1.48×1015m

1.29×1015

Si(C)1.22×1015

い移動度は、MOS 構造作成時の熱酸化プロセスで界面に生成される欠陥が原因であると考えられている。酸化プロセス後に窒素系ガスアニール処理を施すことにより移動度が向上するという報告があるが、アニールガス原子の移動度向上に対する

図 1. (a)窒化膜を導入するバルクモデル。

役割やアニール後の界面原子構造は明らかになっ(b)窒化膜形成方向と窒化サイト。ていない。本研究では、富岳等の超並列スパコン

後、窒素系ガスアニールを施した場合、SiC/SiO2と第一原理計算を駆使したデバイス機能予測・設界面に1015個/cm2 オーダーの高密度で窒素原子計シミュレーションを実現すべく、第一原理電子が導入されることが分っている。しかしながら、状態・伝導特性計算のための実空間差分法に基づ導入後の原子構造については明らかになっていな

いた計算コード RSPACE の開発と、開発したい。そこで、本研究では図1に示すような4H-SiC

RSPACE と富岳を駆使した電子状態・伝導特性シバルクのSi(C)面方向、a面方向、m面方向に窒素ミュレーションの実施を目的としている。

を導入した窒化膜構造を形成し、その窒素原子面密度を評価した。窒化膜は、バルク中からSi原子2．研究内容を1個除去し、Si空孔1個に対し隣接するC原子4個窒素系ガスアニール処理が施された界面原子構をN原子に置換したものを1つの要素とし、各要素

造を、RSPACEを用いた第一原理シミュレーショを4つ並べることで界面を模した。4H-SiCのSi原ンにより探索した。4H-SiCは、Si面[(0001)面]、子は、kとhの2種類のサイトがある。それぞれのサC面[(000-1)面]、a面[(1-100)面]、m面[(11-20)

イトからSi原子を除去し、窒化膜形成エネルギー面]がMOSFETのチャネル材料としてよく使われを評価した。窒化膜の窒素原子面密度を表1に示す。

る。これらの面に対し熱酸化でSiO2膜を形成した

窒素原子面密度は、実験で観測されているものと倉田奨励金研究報告書 第 50 集｜2019 年度（第 51 回）助成同程度であり、本計算で得られた原子構造は、妥サイトのSi原子が除去された場合の両方において、当であると考えられる。

a面方向に窒化膜が広がる方が安定であることがわかる。窒化膜形成エネルギーの面方位依存性は、Si原子が隣接する窒素原子の数に相関があり、a面はN原子2個と隣接したSi原子が他の面に比べて多い。図2に、Si原子のN原子隣接数に対する局所状態密度の変化を示す。N原子の高い電気陰性度によりN原子と結合したSi原子のsp3軌道のエネルギーが下がる。その結果、窒化が発熱反応として進む。

図 2. Si 原子近傍の局所状態密度。(a)N 原子と隣接しない Si 原子。(b)N 原子 1 個と隣接する Si原子。(c) N 原子 2 個と隣接する Si 原子。窒化膜

図 3. Si(NH2)n(CH3)4−n 分子の最低エネルギーを導入するバルクモデル。の sp3 結合軌道の電子密度分布。
Si原子とN原子の結合が窒化膜形成エネルギー

表 3. Si(NH2)n(CH3)4−n 分子の全エネルギー。の面方位依存性に与える影響を詳しく調べるため、

n分子

E(n)[eV]

ΔE[eV]

Si(NH2)n(CH3)4−n分子の全エネルギーを計算した。

0Si(CH3)4−1767.2160.000

その結果を表3に示す。全エネルギーの変化量は、1Si(NH2)(CH3)3−1883.064−115.848

ΔE=E(n) −E(n−1)と定める。n=1の場合は、窒化2Si(NH2)2(CH3)2−1999.014−115.950

によるエネルギー減少幅が小さいが、n>1では、3Si(NH2)3(CH3)−2114.956−115.943

窒化によるエネルギー減少幅が大きい。図3に最低4Si(NH2)4−2230.921−115.965

エネルギーのsp3結合軌道の電子密度分布を示す。

表 2. 窒化膜形成エネルギーと隣接 N 原子数を分類に用いた Si 原子数。Si(0)は隣接 N 原子なし。Si(1)は隣接 N 原子 1 個。Si(2)は隣接 N 原子 2 個。
サイト 面方位 Etotal[eV]Nと結合したSi原子では、N原子近傍にsp3結合軌道の電子密度分布が局在していることがわかる。1つのN原子としか隣接しないSi原子のSi-N結合は、2つ以上のN原子と隣接するSi-N結合よりも強く

ΔE[eV] Si(0) Si(1) Si(2)局在し、電子の運動エネルギーが大きくなるため

ka−54100.663 0.000

32820安定化しない。このため、2つのN原子と隣接する

km−54098.206 0.614

281616Si原子数が最大化するa面が最も安定化する。

kSi−54098.368 0.574

242412以上の結果より、a面を使って作成したMOSに

ha−54098.737 0.481

281616窒素系ガスアニールを施せば、原子レベルで平坦

hm−54097.280 0.846

142412なMOS界面を生成でき、高い移動度が期待できる

hSi−54097.918 0.686

242412ことが示唆される。本研究で用いたモデルはSiC

次に、第一原理全エネルギー計算より、窒化膜バルク中に窒化膜を挿入したモデルであり、酸化形成エネルギーの面方位依存性を調べた。結果を膜まで計算モデルに含めたMOS構造でない。今後、表2に示す。kサイトのSi原子が除去された場合、h酸化膜まで含めたモデルを用いて窒化膜形成に対倉田奨励金研究報告書 第 50 集｜2019 年度（第 51 回）助成する酸化膜の影響を調べ、より現実的な系で評価する。また、第一原理伝導特性計算により、界面に導入された窒化膜構造がキャリア伝導に与える影響について評価し、高移動度MOS界面作成のための指針を得たい。

３．発表（研究成果の発表）
・Y. Egami, S. Tsukamoto, T. Ono: Calculation of
the Green's function in scattering region forfirst-principles electron-transport simulations,Phys. Rev. Research 3, 013038 1-9 (2021).
・A. Hashmi, K. Nakanishi, M. U. Farooq, T. Ono:
Ising ferromagnetism and robust half-metallicity
in two-dimensional honeycomb-kagome Cr2O3layer, npj 2D Mater. Appl. 4, 39 (2020).
・小松直貴，植本光治，小野倫也: 4H-SiCバルクにおける窒素添加異方性の第一原理計算, 2020
年第81回応用物理学会秋季学術講演会, (Sep.
8-11, 2020, Online, Japan).
・綱崎夢開，植本光治，小野倫也: 第一原理計算
によるwet酸化SiC(000-1)/SiO2界面の欠陥構造
解 析 , 応 用 物 理 学 会 第 68 回 春 季 学 術 講 演 会 ,(Mar. 16-19, 2021, Online, Japan).
・植本光治，小松直貴，小野倫也: 4H-SiC MOS
における窒素添加の第一原理計算，日本物理学会2020年秋季大会，(Sep. 8-11, 2020, Online,Japan).