SiC/SiO2窒化界面
神戸大学大学院工学研究科
小野倫也、植本光治、小松直貴、綱崎夢開、横田和真
北海道大学大学院工学研究院
江上喜幸

SiCを用いたパワーデバイスが抱える問題点
パワーデバイス
DC⇔AC(交直)、 DC⇔DC(電圧)、AC⇔AC(周波数)などの電力変換素子

社会的なニーズ

損失
損失

損失
損失

SiCパワーデバイスの課題
バルク状態に比して大幅に低い移動度
移動度 (cm2/V·s)

104

103

バルクの移動度

移動度低下の原因となる界面欠陥の例
Gate
Source
Drain

102
101
100
0

MOSの移動度
界面欠陥での散乱による移動度低下

表面ラフネスによる移動度低下

5 10 15 20
ゲート電圧 (V)

出典:岡本他, IEEE EDL 31, 710 (2010)2

NOアニール処理
NOアニールによる移動度向上

アニール無T. Hatakeyama et al., APEX 10 046601 (2017)

N濃度 (atoms/cc)

アニール有10210221021SiONC1011020

100101910-1101810-21017
405060 70 80
深さ (nm)Si, C, O濃度 (atom%)

熱酸化後のSiC/SiO2界面をNOアニールすることにより、移動度が向上する。

NOアニール後のSIMSプロファイル

10-390 100

N原子は界面近傍に局在
Atom Probe Microscopyの結果※ではもっと狭い領域に集中※山田他, 第78回応用物理学会秋期学術講演会,
5a-A203-3 (2017).

3

MOS界面におけるN原子界面面密度
SiC/SiO2界面におけるN原子とC原子の比
面方位

N面密度(cm-2)

C面密度(cm-2)

Si-face(0001)

3.5×1014[†]

1.22×1015

C-face(000-1)

1.06×1015[†]

1.22×1015

a-face(11-20)

9.5×1014[†]

1.48×1015

m-face(1-100)

9.8×1014[*]

1.29×1015

Si(C)面m面
z[0001][†] S. Dhar et al., J. Appl. Phys. 97, 074902 (2005).
[*] K. Hamada et al., e-J. Surf. Sci. Nanotech. 15, 109 (2017).

y[1120]x[1100]a面

SiC• N原子面密度はC原子面密度に匹敵(～1015cm-2)• N原子はSi原子と結合
K. Hamada et al., e-J. Surf. Sci. Nanotech. 15 109 (2017).
R, Kosugi et al., Appl. Phys. Lett. 99 182111 (2011).

4窒化後の原子構造
本研究で提案する原子構造：Si空孔(VSi)とCサイトN置換(NC)で構成されたモデル
拡大図

構造

2H-SiC(SiC)2Si3N4除去

正面図

側面図

a=3.07Å
c=4.92ÅN置換

a=2.98Åc=4.87Å

除去&
O追加

(SiC)Si4N4O2[1120]
CSi

a=3.10Åc=4.82Å[0001][0001]

O

格子定数[1100]

N(SiC)2Si3N4、(SiC)Si4N4O2の格子定数と、2H-SiCの格子定数差は最大３%界面での格子定数ミスマッチによる未結合手は生成されにくい

5

計算モデルとN原子面密度計算モデル

窒素原子の挿入位置
a面

kサイト

m面

Si面

hサイト
Z[0001]

Y[1120]
X[1100]N原子面密度面方位Exp.(cm-2)

本モデル(cm-2)

C面密度(cm-2)

Si-face(0001)

3.5×1014[†]

1.22×1015

1.22×1015

C-face(000-1)

1.06×1015[†]

1.22×1015

1.22×1015

a-face(11-20)

9.5×1014[†]

1.29×1015

1.48×1015

m-face(1-100)

9.8×1014[*]

1.48×1015

1.29×1015[†] S. Dhar et al., J. Appl. Phys. 97, 074902 (2005).
[*] K. Hamada et al., e-J. Surf. Sci. Nanotech. 15, 109 (2017).

実験研究で報告されている密度と概ね一致

6

窒化膜形成エネルギーの面方位依存性形成エネルギーの定義：
𝐸𝐸𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 = 𝐸𝐸 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂2 + 𝐸𝐸 𝑆𝑆𝑖𝑖3 𝑁𝑁4 + 4𝜇𝜇𝐶𝐶𝐶𝐶 + 2𝜇𝜇𝑁𝑁 − 4𝐸𝐸 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 − 6𝜇𝜇𝑁𝑁𝑁𝑁
形成エネルギー• 𝐸𝐸𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 < 0より窒化構造は安定• a面窒化が最も安定

7窒化膜の状態密度母材となるSiCのエネルギーギャップ中に欠陥準位を作らない
8

形成エネルギーの面方位依存性の検討
NC原子n個に隣接するSi原子の数: Si(n)NC原子2個と隣接するSi原子Si(2)はa面が最多何故Si(2)が安定化するのか？

9

界面の局所状態密度

窒化によりsp3結合準位のエネルギーが低下

10孤立分子を用いた形成エネルギー面方位依存性の検討
形成エネルギーの定義：∆𝐸𝐸 𝑛𝑛 = 𝐸𝐸 𝑛𝑛 − 𝐸𝐸 𝑛𝑛 − 1形成エネルギー• Siが4個のNCと結合するn=4は、構造上界面で形成できない• 界面で形成可能ななかでは、n=2が最安定

11結合軌道の電子密度分布

sp3混成軌道の電子密度は、Si-NもしくはSi-Cの同種結合に分布

n=1(n=3)の場合はSi-N(Si-C)結合に局在

Si-C、Si-N結合にmoderateに分布する
n=2が最も安定化

局在により運動エネルギーが増加

a面が窒化膜挿入で最も安定化する原因は、エネルギー的に安定したSi(2)構造が最も多く形成される
12

<a面、m面表面モデルでの評価

a面、m面表面モデルでもm面窒化が安定
表面に酸化膜を乗せたモデルも計算中

13wet酸化C面界面に出現するC面欠陥M. Tsunasaki, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

 これらのうち2種類がwet酸化(000-1)面でのみEDMRで検出されるという報告(Ｃ面欠陥)。
(T. Umeda et al., APL 115, 151602 (2019))

 Wet酸化で検出される量は、CSiVc c-axial >> VSiVc basal >> その他の欠陥、の順。
(T. Umeda, private communication)

 他の酸化界面ではこれらの欠陥は未検出。
SiC

Si
C

CSiVC basal

CSiVC c-axial VSiVC basal VSiVC c-axial(000-1)面wet酸化で検出形成エネルギーの比較
界面欠陥形成エネルギー

CSiVC c-axial@第1層 0.00 eV
CSiVC basal@第2層+0.91 eV

CSiVC c-axial@第2層 +1.73 eV
VSiVC basal@第2層0.00 eV

VSiVC c-axial@第2層 +0.11 eV

14

4H-SiCステップ界面の電子状態計算
K. Yokota, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

ステップを持った4H-SiC界面

3配位

DOS
H…

面直方向高さ (Å)

層12
3
4

1配位

界面のDOS

L
エネルギー (eV)

伝導帯端が出現する場所
Step上段

hサイト

kサイト

3配位

3層目

4層目

1配位

3層目

2層目

• Step上段テラス領域が狭いと伝導帯端準位のエネルギーが上昇• Step下段伝導帯端のエネルギーが増加すると、上段下の伝導帯端準位のエネルギーも上昇

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20万原子規模の第一原理伝導特性計算
Y. Egami, S. Tsukamoto, T. Ono, Phys. Rev. Research 3 013038 (2021).

(第一原理計算では世界最大規模)

シフトCGとグリーン関数連結法により、伝導計算の大幅な高速化に成功

不純物が周期的に入ることにより、透過率スペクトルがスパイキーになる。
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まとめと今後の予定
M. Uemoto, N. Komatsu, Y. Egami, T. Ono, arXiv:2009.01627

第一原理計算コードRSPACEを用いて、NOアニール後のSiC-MOS界面の原子構造を調べた。
 提案する構造は、SiC結晶との格子定数差が3%未満であり、界面において格子定数ミスマッチによる未結合手を作らない
 構造は熱力学的に安定、かつN原子面密度が実験結果と概ね一致
 SiCのバンドギャップ中に欠陥準位を作らない sp3結合軌道のエネルギー解析より、NOアニールは熱力学的にa面が最適
 バルクモデルでなく表面モデルでもa面優位であることが分った。
今後、富岳等を活用した移動度予測と、高移動度界面創製プロセスのデザインを行う。
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