多価イオン照射による半導体試料改質の試み
電気通信大学
先進理工学科

情報理工学部

中村(信)研 久保田海1:背景及び目的

1-2 酸化物半導体

1-1 シリコンカーバイト(SiC)

Ni 酸化物半導体は光学的・電気的・磁気特SiC は Si に比べてバンドギャップ、飽和性、優れた化学安定性を持つ魅力的な材料でドリフト速度、絶縁破壊電界、熱伝導度が大ある。また、NiO は酸素過剰の状態になると、きいことから、次世代パワーデバイスの材料として注目されている。しかし、現在報告されている SiC-MOSFET は SiC の物性かNi3+イオンが増加し、これによって抵抗率が低減すると言われている。NiO 酸化物半導体のキャリア濃度や移動度の制御を行うことができればより高性能デバイス製作実現につなら期待される性能が達成されていない。そがると考えられる。[2]の最大の要因は MOS 界面におけるチャネ

1-3 多価イオン

ル移動度が小さいためチャネル部分での抵

一般に多価イオンとは原子や分子から 2 個抗が大きくなっていることである。これは以上の電子を取り除いたイオンである。多価酸化膜/SiC の界面特性が悪いためである。

イオンの持つ大きな特徴のひとつとして、そ図 1 に示す様に酸化膜/SiC 界面には結合の膨大な内部エネルギーが挙げられる。図 2を持たないダングリングボンドやカーボンに Bi イオンのイオン化エネルギーと内部エクラスターなどの多くの界面準位が存在すネルギーを価数の関数として示す。図 2 からる。Afanas’ev らによればその主要因はカ分かるように Bi+の内部エネルギーは 6eV 程ーボンクラスターだと考えられているた度であるが、Bi83+では約 600keV にも達する。

め、残留カーボンの除去、残留カーボンに[3]起因した欠陥の終端を行うことで界面準位を減少し MOS デバイス移動度の向上につながるとされている。[1]図 1 界面準位

図 2 Bi イオンのイオン化エネルギーと内部エネルギーこのような大きなエネルギーを持つ多価イができる。電子ビームと多価イオンはこの閉オンが物質と相互作用すると、中性原子や 1

じ込め磁場に巻き付く形で収束し、さらに電価イオンとは異なる非常に興味深い現象を起子ビームの空間電荷で径方向のポテンシャルこすことが知られている。

が形成され、多価イオンは径方向にもトラッ

1-4 本研究の目的プされる。

大きなポテンシャルエネルギーを持つ多価イオンが半導体との相互作用した際の結晶構造変化、電気特性変化を調べた報告は少なく非常に興味深い。本研究は SiC と NiO 半導体に着目し、多価イオンが SiC と NiO と相互作用したとき、その物性にどのような影響を与えるかを検討することを目的としている。そのために SiC 基板に多価イオンを照射した後に、MOS キャパシタを製作して界面準位密度を測定した。NiO は多価イオン照射後、電気伝導度を測定した。

2 装置
2-1 電子ビームイオントラップ(ElectronBeam Ion Trap:EBIT)
我々の研究室では、Tokyo-Electron Beam

図 3 EBIT の多価イオン生成原理Ion Trap(Tokyo-EBIT) と 小 型 -Electron

2-2 多価イオン輸送ビームライン

Beam Ion Trap(CoBIT)を用いて多価イオン

図 4 に Tokyo-EBIT の電子コレクターからを生成している。以下ではそれぞれ Tokyo-価数分析磁石までの装置概要を示す。

EBIT、CoBIT と記す。

Tokyo-EBIT では引き出された多価イオンビ

図 3 に EBIT の多価イオン生成原理図を示

ームは電子コレクターの負の電圧により加速す。EBIT は電子銃、ドリフトチューブ(DT)、される。その後ディフレクター、静電レンズ

電子コレクターの 3 つの部分で構成されていを通過後、価数選別され、実験チャンバーまる。電子銃から出射する電子ビームをトラッで輸送されていく。図 5 に CoBIT のビームプされたイオンに照射し、電子の逐次衝突にライン概要を示す。CoBIT でも、引き出されよって電離(逐次電離)が進行し多価イオンをた多価イオンビームは電子コレクターの負の生成する。DT は 3 つの円筒電極から成り(図電圧により加速される。その後、静電レンズ3)、DT1,DT3 を高電位、DT2 を低電位にするを通過後、静電偏向器で 90 度に曲げられ、実ことで井戸型ポテンシャルを作り、多価イオ験チャンバーまで輸送されていく。なお今回

ンを軸方向に閉じ込めることができる。また、の実験では価数分析器を使用していないため、DT の周囲には超伝導コイルが設置されておCoBIT 内で生成された全ての多価イオンを照り、軸方向に強力な閉じ込め磁場を作ること射している。

CoBIT 内部には 2 段の静電レンズが設置して中心磁場0.08T4Tある。

多価イオン

パルスモードリークモードファラデーカップ

MCPの引き出し
イオン量測定3-1 CoBIT 多価イオン照射実験
CoBIT では表 1 に示す実験パラメータで Ar多価イオンを生成した。ファラデーカップを用いて電流を測定したところ 4.0pA であった。
1 価の Ar イオンと仮定すると2.5 × 107 個、2価の Ar イオンと仮定すると1.3 × 107 個のイオンが毎秒照射されることを意味している。
照射した試料は MgO とサファイア基板上にエピキタシャル成長させた NiO である。試料は 10mm×10mm のサイズにカットしたものを使用した。その条件下で Ar 多価イオンを約
図 4 Tokyo-EBIT のビームラインと価数分析

8 時間照射した。

磁石

3-2 Tokyo-EBIT 多価イオン照射実験
Tokyo-EBIT では表 1 に示すような実験パラメータでKr 34+ 多価イオンを生成し、3kV で加速させ CREE 社製の n 型 4-SiC 基板に約 50時間をかけて、総計 2.0× 1010個照射した。
多価イオンの照射領域が直径 4mm の円であるのでそこから照射密度を求めた所
1.5 × 1011 cm−2であった。多価イオン照射後、熱酸化、POA、Al 電極形成を経て MOS キ
図 5 CoBIT のビームラインと静電レンズ

3 多価イオン照射実験4

表 1 照射実験パラメータ

生成する

CoBIT

Tokyo-EBIT

Ar

Kr

ガス導入圧力−7~10 Pa~10−5Pa

電子ビーム

~1keV

30keV

10mA

170mA

エネルギー

電流

多価イオン照射後の試料の評価

4-1 CoBIT を用いた照射実験の結果
表 2 と表 3 に結果を示す。表にある通り
NiO/MgO 試料は抵抗が上がり、NiO/sappireの方はほぼ変化が現れなかった。

多価イオン

電子ビーム

ャパシタを製作した。

表 2 NiO/MgO 照射実験結果
NiO/MgO

イオン照射を行ったグラフでは正方向へのシフトが見られる。

多価イオン

多価イオン

照射前

照射後界面準位密度測定の結果を図 7 に示す。こ

70

171

こでも熱酸化のみ、多価イオン照射を行った

表 3 NiO/sapphire 照射実験結果

グラフをそれぞれ黒色青色としている。多価

抵抗率[Ωcm]

NiO/sapphire

抵抗率[Ωcm]

多価イオン

多価イオンイオン照射を行ったグラフでは広いエネルギ

照射前照射後ー領域で界面準位密度が高いことが分かる。

2.0 × 10−4

1.9 × 10−4

C-V 特性と界面準位密度の上昇から多価イオ

4-2 Toky-EBIT を用いた照射実験の結果ン照射によりダングリングボンドが増えたことが考えられる。

5 まとめと今後の展望
CoBIT での照射実験では NiO/MgO 試料は抵抗が上がり、NiO/sappire の方はほぼ変化が現れなかった。照射した総イオン数が少ないのと、価数も低いことから次回の実験では、Tokyo-EBIT でより高価数イオンの照射を試
図 6 多価イオン章照射を行った試料の C-V特性(1MHz)みたいと思う。Tokyo-EBIT での照射実験では、SiC 基板に Kr34+を 1.5×1011cm-2 の密度で照射したところ、界面準位密度が上昇した。
条件を変えて（照射時間、使用する多価イオン）照射実験を継続させ、その機構を解明していきたい。
なお、本研究は野崎研究室との共同研究として行われた。

6 参考文献[1] 岩崎吉記:「シリコンカーバイトの絶縁ゲート型電界効果トランジスタに対するアンモニアプラズマ前処理と界面電子物性評価」奈良先端科学技術大学院大学
図 7 多価イオン照射を行った試料の界面準位密度
図 6 に示す黒色のグラフが熱酸化のみの CV 特性であり、青色のグラフが多価イオン照平成22 年博士学位論文[2] 陳玉明:「UV 酸化法による NiOx ニッケル酸化膜の作製及び評価」電気通信大学
平成 23 年度卒業論文射を行った C-V 特性である。また点線と実線[3] 工藤孝弘;「走査型プローブ顕微鏡によるはそれぞれ負から正に電圧を印加したもの、多価イオン照射痕の観測」電気通信大学

正から負に電圧を印加したものである。多価

平成 24 年度修士論文