SiC/SiO2界面の原子構造解析：
アニール後界面を中心に
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

目次

1. Wet酸化SiC(000-1)/SiO2界面におけるC面欠陥の原子構造

M. Tsunasaki, T. Ono, M. Uemoto, to be submitted to Jpn. J. Appl. Phys.

2. ステップを持ったSiC/SiO2界面の電子状態

K. Yokota, M. Ohmoto, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

3. 窒素系ガスアニール後のSiC/SiO2界面原子構造
M. Uemoto, N. Komatsu, Y. Egami, T. Ono, J. Phys. Soc. Jpn. 90, 124713 (2021)
N. Komatsu, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

2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)

104103バルクの移動度

移動度低下の原因となる界面欠陥の例
GateSource
Drain

102
101
1000

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)3

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

梅田らによるwet酸化C面界面のEDMR観測 (T. Umeda et al., APL 115, 151602 (2019))
VSi、VCに関連する欠陥

SiC

CSiVC basal

CSiVC c-axial VSiVC basal VSiVC c-axial(000-1)面wet酸化で検出(C面欠陥)
 これらのうち2種類のみがwet酸化(000-1)面でEDMRで検出される。
 他の酸化界面ではこれらの欠陥は未検出。
 Wet酸化で検出される量は、CSiVc c-axial >> VSiVc basal >> その他の欠陥、の順。

wet酸化C面界面でC面欠陥が特徴的に観測される理由を探索
4

Calculation condition of interface
・Calculation code：・# of atoms：240(before introducing defects)

Surface atoms are
terminated with OH

・Cell size：8.72[Å]×5.04[Å]×28.75[Å]・# of k points：2×2×1
・# of real-space grids：27×16×88
・Exchange-correction functional： LDA
・Pseudopotential：PAW method

Bottom atoms areterminated with HSiCOH5

CSiVCの界面原子構造
Si top界面

C top界面

HOCc axial

basal

c axialbasal

c axialbasal

Si
未結合手形成エネルギーの差
ModelΔEform(eV)(a) c axial

0.00(c) c axial+1.73(d) basal+0.91(e) c axial+2.14• 全ての場合において、C top界面のc axialが最安定• Si top界面の場合は、c axialのみが安定

C top
Si top
実験結果と一致

6VSiVCの界面原子構造
Si top界面

C top界面

HOCc axial

basal

c axialbasal

c axialbasal

Si
未結合手形成エネルギーの差Model

ΔEform(eV)(i) c axial+0.11(j) basal

0.00(k) c axial+1.02(l) basal+0.67• 全ての場合において、C top界面のbasalが最安定• Si top界面の場合も、basalの方が安定

C top
Si top
実験結果と一致7なぜwet酸化界面のみにC面欠陥が現れるのか?
CSiVCはVSiを、VSiVCはVCを前駆体として欠陥形成
eV
5VSiの形成エネルギー
SinCn + O2 → Sin-1Cn + SiO2

①SinCn + 2H2O → Sin-1CnH4 + SiO2②①SinCn + 2H2O → SinCn-1 + CH4 + O2 ④

1.40③②-6.50③drywet3.98-5VCの形成エネルギー
SinCn + 1/2O2 → SinCn-1 + CO0生成

VSi④

非生成-8.87

VC

VSiとVCの形成エネルギー

Wet酸化の方がC面欠陥生成の前駆体となるVSi、VCを形成しやすい。
まとめc axialとbasalの選択性は、C面における未結合手の向きが原因
Wet酸化のみに現れる特異性は、Cの未結合手終端による前駆体
VSi、VCの生成確率増加が原因(C原子の未結合手が欠陥生成の鍵)8

目次

1. Wet酸化SiC(000-1)/SiO2界面におけるC面欠陥の原子構造

M. Tsunasaki, T. Ono, M. Uemoto, to be submitted to Jpn. J. Appl. Phys.

2. ステップを持ったSiC/SiO2界面の電子状態

K. Yokota, M. Ohmoto, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

3. 窒素系ガスアニール後のSiC/SiO2界面原子構造
M. Uemoto, N. Komatsu, Y. Egami, T. Ono, J. Phys. Soc. Jpn. 90, 124713 (2021)
N. Komatsu, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

94H-SiC(0001)/SiO2界面の電子状態
C.J. Kirkham, T. Ono, J. Phys. Soc. Jpn 85, 024701 (2016)

h面

z (Å)

C(h)
B(k)
A(h)
B(k)

伝導帯端準位

z (Å)

k面

B(k)
A(h)
B(k)
C(h)

伝導帯端準位

4H-SiC(0001)/SiO2界面は、界面がh面かk面かによって伝導帯の形状が異なる界面のSTEM像
SiO2
ステップ
SiC

4H-SiC(0001)面は、基板作製のプロセスの都合により、原子レベルでステップを持つ基板が多い
ステップ及びステップ端は、界面電子状態にどのような影響を与えるだろうか？

T.Ono, C.J. Kirtham, S. Saito, Y. Ohshima
Phys. Rev. B 96, 115311 (2017)104H-SiCステップ界面の電子状態計算
ステップを持った4H-SiC界面

1配位…

面直方向高さ(Å)
Z(Å)

層
123
43配位

界面のDOS

15DOS
H

1050-5L-10-15-1.5-1.0-0.5

0.0

0.5

1.0

1 .5

2.0

E nergy(eV)
エネルギー(eV)

伝導帯端が出現する場所
ステップ上段/下段

hサイト/kサイト

kサイト/hサイト

3配位/1配位

3層目

4層目

1配位/3配位

3層目

2層目• ステップ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• ステップ下段伝導帯端準位のエネルギーが上昇すると、上段下の伝導帯端準位のエネルギーも上昇

11

ステップ下段端での電子状態変化
h面(上)/k面(下)
下段端部
下段中央部

ステップを持った4H-SiC界面

15101055Z(Å)

1配位

Z(Å)

層
12343配位

1500-5-5-10-10-15-15-1.5-1.0-0.5

0.0

0.5

1.0

1 .5

2.0-1.5-1.0

E nergy(eV)

-0.5

0.0

0.5

1.0

1 .5

2.0

1 .5

2.0

E nergy(eV)…

端部でのステップの影響小

1515

101055Z(Å)Z(Å)

k面(上)/h面(下)
下段端部
下段中央部

00-5-5-10-10-15-15-1.5-1.0-0.5

0.0

0.5

1.0

1 .5

E nergy(eV)

2.0-1.5-1.0-0.5

0.0

0.5

1.0E nergy(eV)

端部でのステップの影響大

上段のみならず下段の電子状態も影響をステップ端の受ける原子レベルでのラフネスは要回避

12目次

1. Wet酸化SiC(000-1)/SiO2界面におけるC面欠陥の原子構造

M. Tsunasaki, T. Ono, M. Uemoto, to be submitted to Jpn. J. Appl. Phys.

2. ステップを持ったSiC/SiO2界面の電子状態

K. Yokota, M. Ohmoto, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

3. 窒素系ガスアニール後のSiC/SiO2界面原子構造
M. Uemoto, N. Komatsu, Y. Egami, T. Ono, J. Phys. Soc. Jpn. 90, 124713 (2021)
N. Komatsu, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

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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1021022

1021

SiONC1011020

100

1019

10-1

1018

10-21017
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).

14

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).

15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

16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
窒素分圧に対する形成エネルギー• 𝐸𝐸𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 < 0より窒化構造は安定• a面窒化が最も安定

17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？

18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-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
19

SiC/SiO2界面における窒化膜形成エネルギーm face

C face

窒素分圧に対する形成エネルギー[1100][0001][0001][1100]

a faceSi face

酸化膜付き界面でもa面窒化が最安定
まとめ
a面窒素ガス系アニールで原子レベルで平坦な界面が得られる[1120][0001][1100][1100]

20

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
第一原理計算コードRSPACEを用いて、SiC-MOS界面の電子状態を調べた。
1. Wet酸化SiC(000-1)/SiO2界面におけるC面欠陥の原子構造

M. Tsunasaki, T. Ono, M. Uemoto, to be submitted to Jpn. J. Appl. Phys.

• c axialとbasalの選択性は、C面における未結合手の向きが原因• Wet酸化のみに現れる特異性は、Cの未結合手終端による前駆体
VSi、VCの生成確率増加が原因(C原子の未結合手が欠陥生成の鍵)
2. ステップを持ったSiC(0001)/SiO2界面の電子状態

K. Yokota, M. Ohmoto, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

• 上段のみならず下段の電子状態も影響をステップ端の受ける• 影響の範囲は深さ方向で1nm、面平行方向で>1.5nm
3. 窒素系ガスアニール後のSiC/SiO2界面原子構造

M. Uemoto, N. Komatsu, Y. Egami, T. Ono, J. Phys. Soc. Jpn. 90, 124713 (2021)
N. Komatsu, M. Uemoto, T. Ono, in preparation.

• 窒化膜構造の格子定数はSiCと親和性良• 窒化膜はa面方向に成長する。
(a面界面が原子レベルに平坦な界面を作りやすい)
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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