倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成■受領№1390

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

Design of high-mobility SiC-MOS interface and its generation process using
first-principles simulation
Principal Researcher

Tomoya Ono,
Graduate School of Engineering, Kobe University, Professor

様々な面方位の SiC-MOS 構造に対し、窒化アニール処理を施した界面の原子構造を第一原理計算で調べた。窒化膜形成エネルギーの観点から a 面を用いた MOS が窒化アニールに適した界面であること、アニールにより導入された N 原子は、SiC 基板の界面第 1 層に窒化膜を形成すること、SiO2 と窒化膜の間の界面遷移層はアニールの過程で消失することが分かった。また、窒素原子面密度は 1014 〜1015
atoms/cm2 であり、二次イオン質量分析法を用いた実験結果とよく一致していることを確認した。
Atomic structure of the 4H-SiC/SiO2 interface for the a, m, C, and Si faces after NO annealing wereinvestigated by first-principles calculation. Our proposed structures preferentially form at the topmost
layers of the SiC side of the interface, which agrees with the experimental finding of secondary-ion mass
spectrometry, that is, the N atoms accumulate at the interface. In addition, the electronic structure of theinterface after NO annealing, in which the CO bonds are removed and the nitride layer only at theinterface is inserted, is free from gap states. Our results imply that NO annealing can contribute to thereduction in the density of interface defects by forming the nitride layer.

1．研究内容し、Si 原子と結合しているという報告がある(R.

SiC は次世代パワーデバイス用チャネル材料と

Kosugi et al., Appl. Phys. Lett. 99, 182111 (2011))。

して期待されているものの、SiC-MOSFET の移動

2020 年度は、前述の実験事実に基づき SiC の C

度は、SiC バルクの移動度に比べて極めて低く、原子サイトを N 原子が置換すると仮定し、計算量材料の性能を生かしきれていない。酸化プロセス縮減のため酸化膜を含まないバルクモデルを用い

後の NO ガスアニールにより界面欠陥密度を低減て、NO ガスアニール後の窒化物の原子構造・電することで、移動度が向上するという報告がある。

子状態を調べた。そして、a 面が NO ガスアニー

しかし、アニールガス原子の移動度向上に対するルに最も適した MOS 界面であるという知見を得役割やアニール後の界面原子構造は明らかになった。しかし、酸化膜を含まないモデルでは、酸化ていない。これまでの実験によると、アニールで膜中の O 原子とアニールにより導入された N 原子導入された N 原子は、SiC の C 原子サイトを置換との相互作用を正確に考慮できていないという懸倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
自然科学・工学研究部門：1 年助成

応副生成物である N2 ガス分子と CO ガス分子は、それぞれ 0.25×10-1〜0.25×10-5atm、10-1〜10-5atmの範囲で化学ポテンシャルを変化させ、窒化膜の形成エネルギーを調べた。
図 2 に窒化膜の形成エネルギーを示す。a 面を用いた SiC/SiO2 界面に形成される窒化膜は、m 面、
図 1: 窒化膜形成計算モデル。(a)アニール前。(b)アニール後に第 1 層に窒化膜形成。(c)アニール後に第 2 層に窒化膜形成。⻘球は Si 原子、茶球は C 原子、赤球は O 原子、緑球は N 原子、灰球は H 原子である。図は a 面界面の例である。

Si 面、C 面の界面に形成される窒化膜よりも形成エネルギーが低い。この結果は、バルクモデルの計算結果と符合する。このように、界面モデルを用いた計算でも、バルクモデルを用いた計算結果と同様に、a 面を用いた MOS 界面が NO ガスアニールに適しているという結論を得た。次に、SiC/SiO2 界面に念があった。そこで 2021 年度は、SiC/SiO2 の酸原子レベルで平坦な窒化膜層が形成されることを化膜の影響を考慮するため、バルクモデルよりも確認するため、窒化膜が SiC/SiO2 界面の SiO2 直下原子数が多い界面モデルを用いて窒化物の原子構の SiC 第 1 層(top)に形成される場合と、図 1(c)の造・電子状態を解析した。a 面、m 面、Si 面、Cように界面遷移層を挟んだ SiC 第 2 層(2nd)に形成面の 4 種類の SiC/SiO2 界面に対し、NO ガスアニされる場合の形成エネルギーを比較した。図 2(a)ール前後の原子構造と全エネルギーを比較した。に CO 結合を有する界面モデル、図 2(b)に CO 結

SiC の C 原子が SiO2 の O 原子と CO 結合する構合を有さない界面モデルの結果を示す。
図 2(a)に示造も存在しうるため、a 面、m 面、C 面界面では、すように、CO 結合を有さない界面では top 層の形CO 結合を有する界面と有さない界面も比較した。

成エネルギーの方が低く、窒化膜は SiC/SiO2 界面に局在することが分かる。これは、NO ガスアニー
ルにより導入される N 原子が界面に局在するという二次イオン質量分析法を用いた実験結果と符合する。一方、図 2(b)に示す CO 結合を有する界面
では、遷移層を介して第 2 層に窒化膜が形成されや

図 2: CO 分子と N2 分子の分圧に対する窒化膜形成エネルギーの変化。(a)界面に CO 結合を有さない場合。(b) 界面に CO 結合を有する場合。形成エネルギーの低い方が窒化膜を形成しやすい。

すい。これは、第 1 層に窒化膜を形成する構造ではN と O の結合が界面に作られるが、Si、C、N、Oの中で電気陰性度の高い N と O の結合は電気的に反発しあい不安定となるため、形成エネルギーが高くなるためである。しかしながら、遷移層を持つ

図 1(a)に a 面界面の計算に用いた CO 結合を有さなNO アニール後界面の報告例は、我々の知る限りないアニール前の界面原子構造を、図 1(b)にアニールい。そこで、遷移層を介して第 2 層に窒化膜が形成により SiO2 直下の SiC 層(top)に窒化膜が形成されされた構造と図 1(c)のように CO 結合を有さないた界面原子構造を示す。このモデルの界面での N 原

界面で遷移層を挟まない構造の形成エネルギーを子面密度は 10 〜10比較した。図 3 に示すように、いずれの分圧におい1415atoms/cm であり、二次イオ2ン質量分析法を用いた実験結果とよく一致している。ても CO 結合除去による形成エネルギーが負とな

アニール温度は 1000K、NO ガスの分圧は 1atm、反ることから、遷移層は容易に酸化され、遷移層を挟倉田奨励金研究報告書 第 51 集｜2019 年度（第 51 回）助成
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以上のシミュレーションの結果より、NO ガスアニールにより導入された N 原子は SiC 基板の界面第 1 層に局在し平坦な窒化膜を形成すること、CO 結合に起因する界面遷移層はアニール過程で除去されることが明らかになった。

2．発表（研究成果の発表）
1. M. Uemoto, N. Komatsu, Y. Egami, T. Ono,
“First-principles study on structure and anisotropy of
図 3: CO 結合除去に要する形成エネルギー。負の絶対値が大きいほど除去されやすいことを意味する。

high N-atom density layer in 4H-SiC”, Journal of the
Physical Society of Japan, 90(12) 124713 (2021).
2. M. Tsunasaki, T. Ono, M. Uemoto, “Theoreticalinvestigation of vacancy related defects at 4H-SiC(000-1)/SiO2 interface after wet oxidation”, Japanese
Journal pf Applied Physics, 61 SH1001 (2022).
3. T. Ono, “DFT study on defects at SiC MOS interface:electronic structure and formation mechanism”, The 3rdInternational Workshop on Materials Science andAdvanced Electronics Created by Singularity(IWSingularity 2022)/The 2nd International Symposium
on Wide Gap Semiconductor Growth, Process and

図 4: 界面及び基板深部の局所状態密度。太線はSiC/SiO2 界面もしくは SiC/窒化膜界面の SiC側。細線は、基板深部。CO 結合を有する a 面界面では、SiC の禁制帯中に準位を作る。

Device Simulation (ISWGPDs 2022) (January 11-13,2022, Nagoya, Japan).
4. M. Tsunasaki, M. Uemoto, T. Ono, “DFT Studyon Defect Structures at SiC(000-1)/SiO2 Interface

まない構造に変化することが分かった。これらの結after Wet Oxidation”, 2021 International Workshop

果より、CO 結合を有する SiC/SiO2 界面に形成さon DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE

れる遷移層は、アニール時に酸化され消滅するもの

ELECTRON DEVICES (November 14-16, 2021,と予想される。最後に、図 4 に界面及び SiC 基板深Online).

部の局所状態密度を示す。アニール処理前のSiC/SiO2 界面における CO 結合は、SiC の禁制帯

5. N. Komatsu, Y. Egami, T. Ono, M. Uemoto, “DFT

中に欠陥準位を作る。界面における CO 結合がstudy on structure and anisotropy of high N-atom

MOS の移動度に及ぼす影響は未解明であるが、density layer in 4H-SiC”, 2021 International

NO ガスアニールは、このような禁制帯中に準位をConference on Solid State Devices and Materials作る構造を滅する。

(SSDM2021) (September 6-9, 2021, Sapporo, Japan).