学理に基づく高品質SiC/酸化膜界面の形成とロバストデバイスへの展開

基于理论和稳健器件开发的高质量 SiC/氧化膜界面的形成

基本信息

批准号：
21H04563
负责人：
木本恒暢
金额：
$ 27.46万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04563/
关键词：
炭化珪素 MOS界面酸化膜 MOSFET チャネル移動度

项目摘要

SiC(炭化珪素)は優れた物性を有する広禁制帯幅半導体であり、現行のSi半導体の材料限界を桁違いに打破する高耐電圧・低損失トランジスタや、厳環境で安定に動作する集積回路を実現できる。本研究では、代表者が提案する独自手法により形成したSiC MOS界面を用いて、高性能トランジスタの実証を目指した。得られた具体的な成果は以下の通りである。(1) SiCの酸化を徹底的に排除して形成した高品質SiC/SiO2界面（MOS界面）の伝導帯端近傍の界面準位密度を独自の容量-電圧(C-V)特性解析法により精密に評価した。この結果、新規手法では、従来技術（熱酸化とNOガス処理）に比べて界面準位密度を1/2～1/5に低減できていることを明らかにした。また、この高品質MOS界面を得るためには、酸化膜形成前に高温（1300℃）での水素ガス処理が有効であることを見出した。(2) 上記の独自手法により形成したゲート酸化膜を有するSiCのnチャネルMOSFET（MOS界面を利用したトランジスタ）を作製し、特性を評価した。作製したMOSFETは良好な特性を示し、従来手法で作製したSiC MOSFETに比べて2倍という高いチャネル移動度（80 cm2/Vs）を得た。また、新規手法で作製したMOSFETのサブスレッショルド特性は非常に急峻であり、MOS界面における低い界面準位密度を反映している。(3) 新規手法により形成した酸化膜（SiO2膜）の絶縁性を評価したところ、酸化膜電界が約5 MV/cmまではほとんどリーク電流が観測されず、11 MV/cm以上という非常に高い絶縁破壊電界を得た。このように、独自手法により形成したSiC MOS構造は非常に高品質であり、将来のSiC MOSデバイスの高性能化に大きく貢献すると考えられる。

SIC（碳化硅）是一种具有出色物理特性的宽孔宽度半导体，并且可以实现高电压，低损失的晶体管，可通过数量级的阶数打破当前SI半导体的材料极限，并且在严格的环境中稳定运行。在这项研究中，我们旨在使用代表提出的独特方法形成的SIC MOS界面来证明高性能晶体管。获得的特定结果如下：（1）使用唯一的电容电压（C-V）特征分析方法，精确评估了通过彻底消除SIC氧化而形成的高质量SIC/SIO2接口（MOS接口）附近的界面状态密度（MOS接口）。结果，与常规技术相比，新方法已经能够将界面状态密度从1/2降低到1/5（热氧化和无气处理）。此外，已经发现在氧化膜形成之前，在高温（1300°C）处的氢气处理有效地获得了这种高质量的MOS界面。（2）制造了使用上述独特技术形成的栅极氧化物膜的N通道SIC MOSFET（使用MOS界面的晶体管），并评估了其特性。准备好的MOSFET表现出良好的性质，并且能够获得通道迁移率（80 cm2/vs），其高度是常规SIC MOSFET的两倍。此外，使用新方法制造的MOSFET的子阈值特性非常陡峭，反映了MOS界面处的低接口状态密度。（3）当评估了使用新方法形成的氧化物膜（SIO2膜）的绝缘性能时，当氧化物膜电场约为5 mV/cm时几乎没有观察到泄漏电流，并且获得了11 mV/cm或更多的极高的击穿电场。因此，使用独特方法形成的SIC MOS结构具有极高的质量，并且被认为对SIC MOS设备性能的未来性能做出了重大贡献。