ATR-FTIR法を用いたSiC基板上La2O3と SiNとの界面反応の解析 Interface reaction analysis of La2O3/SiC upon annealing by ATR-FTIR 東工大フロンティア研1, 東工大総理工2, 三菱電機株式会社3, ○雷一鳴1, 宗清修1, 角嶋邦之2, 川那子高暢2,片岡好則2, 西山彰2, 杉井信之2, 若林整2, 筒井一生2, 名取研二1, 岩井洋1, 古橋壮之3, 三浦成久3, 山川聡3 Tokyo Tech. FRC 1, Tokyo Tech. IGSSE 2, Mitsubishi Electric Corp.3, ○Y. M. Lei 1, S. Munekiyo 1, K. Kakushima 2,T. Kawanago 2, Y. Kataoka 2, A. Nishiyama 2, N. Sugii 2, H. Wakabayashi 2, K. Tsutsui 2, K. Natori 1, H. Iwai 1, M.Furuhashi 3, N.Miura 3 and S. Yamakawa 3 1 高効率変換半導体パワーデバイス基板の物理特性比較材料 Si SiC GaN Eg(ev) bandgap 1.1 3.2 3.4 EBD(106V/cm) 0.3 3 3.5 μ(cm2/Vs) mobility 1450 900 2000 Vsat(106cm/s) 10 22 25 1.5 5 1.3 Breakdown field Saturated velocity ĸ(W/cm2K) Thermal conductivity 出力パワー密度の傾向 M. Ohashi et al, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 60, no. 2, pp. 528-534 SiCパワーデバイスは現行のSiパワーデバイスに比べ・動作可能の電圧は高い・損失が小さい・小型、軽量化できる・高速動作可能・動作可能の温度が高い SiCは次世代のパワーデバイスとして期待できる 2 SiCパワーデバイスの課題 SiCは熱酸化でSiO2膜を形成できるが、界面特性は不十分。モビリティと界面準位密度の関係図多くの報告モビリティ向上必要！ http://jstshingi.jp/abst/p/10/1 018/naist1.pdf 界面準位密度下げると共にモビリティが向上！ http://www.iisb.fraunhofer.de/de/mobisic.html SiCパワーデバイスの高性能化には界面準位密度低減必要 3 界面特性改善へのアプローチ  NO,N2Oガスアニール • 酸化窒素ガスアニールで表面を窒酸化することで、界面準位密度を低減する。  SiO2/SiC界面にLaSiOx層を挿入 • 最近LaSiOx膜を界面層とすると、低い界面準位密度が達成される報告があった[1] TaN/W La2O3とSiCの反応で Ditが低減チャネル移動度の向上が期待できる！ SiO2 LaSiOx Drain sic Source [1] X. Yang, et al., ICSCRM Th-2B-5 (2013). 4 SiC基板上のLa2O3堆積反応 La2O32nm/SiC界面の断面TEM図(1000℃, 5%O2アニール後） SiO2 La-silicate 15nm 11.8nm <0001> <1120> 4H-SiC SiC酸化スピードの異方性・ SiO2層は堆積したLa2O3よりも厚い。・ La-silicateは島のようにSiO2層中に存在する。・ SiO2層はstepがあるのところに薄くみえて、膜厚は不均一。テラス C-face (1120)face ステップテラスとステップの反応スピードが違う Si-face 膜厚不均一 SiC上異方性がない界面反応が必要 5 本発表の目的本発表の目的は界面反応に異方性がないLasilicateの形成手法を探索する。今回はSiNとLa2O3の反応を利用して、 La-silicate の形成を検討する。 6 デバイスプロセス n-SiC(0001)基板基板洗浄(SPM、HF) PECVDでSiN層を堆積 La2O3堆積（電子線蒸着） La2O3 /SiC直接反応 La2O3 SiO2 n-SiC substrate n-SiC substrate La2O3 /SiN反応 La2O3 SiO2 SiN La-silicate n-SiC substrate n-SiC substrate FTIR 測定 PECVDでSiO2堆積アニール（5%O2/95%N2）アニール（5%O2/95%N2） FTIR 測定 XPS, TEM分析 TEM用 FTIR用 TEOS La2O3（4nm） La2O3（4nm） SiN(2nm, 1.5nm, 0nm) SiN(2nm) n-SiC substrate n-SiC substrate 7 SiN膜厚とアニール温度による界面反応 SiN 1.5nm SiN 2nm La2O3 4nm/SiN2nm/SiC) O2 Absorbance (a.u.) Absorbance (a.u.) La-O-Si-O 900゜C 950゜C La-O-Si-O 950゜C La-O-Si-O 900゜C 1200 1150 (C) O2 anneal:500oC—1000oC Si-O-Si 950゜C 1250 La2O3 4nm/SiNなし/SiC) O2 anneal:500oC—1000oC Si-O-Si 1300 1000゜C 1000゜C La2O3 4nm/SiN1.5nm/SiC) (B) (A) anneal:500oC—1000oC Absorbance (a.u.) 1000゜C SiNなし 1100 1050 wavenumbers(cm-1) 1000 1300 1250 900゜C 1200 1150 1100 1050 wavenumbers(cm-1) 1000 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 wavenumbers(cm-1) 950℃でLa-silicateの形成を確認しました。 8 XPS深さ方向分析によるLa2O3、SiNの分布図サンプル： La2O3 4nm/SiN 2nm/SiC 80 O 60 Si O 50 C 40 Si Si 30 20 La アニール温度：800oC O 70 Atomic concentration (%) Atomic concentration (%) 70 60 O Si 50 C 40 Si Si 30 20 La 10 10 N C 0 80 アニール温度：500oC 10 20 Sputter time (min) N C 30 0 10 20 30 Sputter time (min) SiNは熱処理温度の上昇と共に拡散する 9 La2O3/SiN/SiC界面層断面TEM画像サンプル： SiO2/La2O3 4nm/SiN 2nm/SiC アニール温度：1000oC La-silicate SiC(0001) SiO2 50nm SiC(0001) 10nm ・形成された La-silicateは連続のレイアになっている。・ La-silicateは局部的にSiO2層の中に大きく拡散した。 10 EELS線分析結果 EELS線分析結果試料名：No.1 Intensity[a.u.] N-K O-K La-M 0 EELS線分析箇所 (ADF-STEM像) 5 10 15 20 Distance[nm] 25 30 35 EELS線分析結果形成されたLa-silicateはほぼ窒素が含まない 11 まとめ • La2O3とSiNをSiC基板上に堆積し、FTIR、XPS、TEMを用いて、絶縁膜の反応分析を行いました。 • SiNの低温熱処理後の拡散を観察されましたが、高温アニールで形成した反応物は窒素が含まないことを確認しました。 • SiC基板上にLa2O3とSiNの堆積後の熱処理により、連続のLasilicate界面層を形成しましたが、 La-silicateは局部的にSiO2層の中に大きく拡散し、塊状のLa-silicateを形成されました。 12 ご清聴ありがとうございました。 13 〇Ｐ．１１左右の写真たぶん倍率が違うのではと思うのですが、スケールバーは同じ１０ｎｍになっています。確認ください。 14 SiC(0001) 50nm SiC(0001) 50nm 15 XPSによる界面層構成分析サンプル：La2O32nm/SiC La-silicate 542 540 538 536 534 532 530 528 526 524 Binding energy(ev) Si2s (90゜) Intensity[a.u.] Intensity[a.u.] O1s (90゜) SiO2 SiO2 La-silicate SiC 164 162 160 158 156 154 152 150 148 146 144 Binding energy(ev) ・形成された絶縁膜はSiO2が支配的・La-silicateはSiO2と比較して少ない 16 Yasuto Hijikata et al,「Physics and Technology of Silicon Carbide Devices」 Chapter 9 17 ＦＦＴ測定結果格子のデータが一致しています 18 SiN挿入/なしのアニール後の表面ラフネス比較 La2O3 4nm/SiN2nm/SiC) La2O3 4nm/SiNなし/SiC) RMS: 1.80nm RMS: 2.35nm SiN挿入により、表面ラフネスの減少が確認した 19 SiN挿入による界面均一化提案 La2O3 /SiC直接反応 La2O3 5%O2 annealing n-SiC substrate La2O3 n-SiC substrate SiO2 n-SiC substrate La2O3 /SiC直接反応阻止 La2O3 /SiN反応 SiN n-SiC substrate SiN SiO2 La-silicate n-SiC substrate n-SiC substrate La2O3 La2O3 5%O2 annealing SiN,La2O3の反応によって良好なLa-silicate層を作る 20 デバイスプロセス n-SiC(0001)基板 n-SiC(0001)基板基板洗浄(SPM、HF) 基板洗浄(SPM、HF) PECVDでSiN層を堆積 PECVDでSiN層を堆積 La2O3堆積（電子線蒸着） La2O3堆積（電子線蒸着） FTIR 測定 PECVDでSiO2堆積アニール（5%O2/95%N2）アニール（5%O2/95%N2） FTIR 測定 XPS, TEM分析 TEM用 FTIR用 TEOS La2O3（4nm） La2O3（4nm） SiN(2nm, 1.5nm, 0nm) SiN(2nm) n-SiC substrate n-SiC substrate 21 SiN挿入/無しの酸化した表面の比較サンプル： La2O3 4nm/SiN 2nm/SiC サンプル： La2O3 2nm/SiC SiO2 SiO2 SiC(0001) La-silicate La-silicate 10nm SiC(0001) 10nm SiNの挿入により、酸化表面の均一性向上を確認した。 22 La2O3なしとLa2O32nm堆積の酸化効果の比較 SiC(La2O3なし)) (a) (b) La2O32nm/SiC) 5%O2 anneal:500oC—1000oC 5%O2 anneal:500oC—1000oC Absorbance (a.u.) Absorbance (a.u.) 1000oC Si-O-Si 1000oC Si-O-Si 950oC La-O-Si 900oC 600oC 1300 1250 1200 1150 1100 1050 wavenumbers(cm-1) 1000 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 wavenumbers(cm-1) La2O3膜堆積後の熱処理でSiC基板の酸化を増長する 7 SiC(0001) 50nm SiC(0001) 50nm 24 酸化の膜厚依存性仮説 O2 O2 CO ラジカル酸素の酸化増長効果 O* O* CO CO La2O3 界面層 SiC熱酸化モデル La2O3膜の中にラジカル酸素（O*）が形成し、酸化反応を増長する。 [3] SiC 拡散関係膜厚関係 𝑑𝑋 𝐽𝑠 𝐾𝑓 𝐶𝑂2 − 𝐾𝑟 𝐶𝐶𝑂 + 𝐾𝑔 𝐶𝑂∗ = = 𝑑𝑡 𝑁0 𝑁0 𝐾𝑓 𝐶𝑂2 − 𝐾𝑟 𝐶𝐶𝑂 + 𝐾𝑔 𝐶𝑂∗ 𝑋= 𝑑𝑡 𝑁0 𝑋：酸化膜厚 𝑡：時間 𝐾𝑓 ,𝐾𝑓 ,𝐾𝑔 :反応速度定数 La2O3膜厚が増加すると 𝐾𝑔𝐶𝑂 ∗ +(𝑘𝑓𝐶𝑂2 − 𝐾𝑟𝐶𝐶𝑂) 𝐾𝑔𝐶𝑂 ∗ 𝐶𝑂2 ,𝐶𝑂 ∗,𝐶𝐶𝑂：反応界面の各ガスの濃度 𝑁0:単位体積当りの酸化種の分子数 O2とCOガスの拡散が難しくなる La2O3膜内形成するO*が増加 𝐶𝑂2 − 𝐶𝐶𝑂 𝐶𝑂 ∗ 𝐾𝑓 𝐶𝑂2 − 𝐾𝑟 𝐶𝐶𝑂 La2O3膜厚(t) 最初はO*の増加により酸化を増長するが、O*増加の飽和とO2に由来する酸化の激減により、酸化スピードが減少 [3]K. Kakushima, et al., Solid-State Electronic, vol. 54, pp. 720-723, 2010. 9 SiN挿入による界面均一化提案 La2O3 /SiC直接反応 La2O3 5%O2 annealing n-SiC substrate La2O3 n-SiC substrate SiO2 n-SiC substrate La2O3 /SiC直接反応阻止 La2O3 /SiN反応 SiN n-SiC substrate SiN SiO2 La-silicate n-SiC substrate n-SiC substrate La2O3 La2O3 5%O2 annealing SiN,La2O3の反応によって良好なLa-silicate層を作る 23 SiO2膜厚不均一性の説明 SiC酸化スピードの異方性ステップ制御エピタキシーステップ (0001)面 C-face (1120)face テラス Si-face オフ角 [4] オフ角；4° ステップステップ <0001> <1120> テラス 4H-SiC ステップテラス面とステップ面の反応スピードが違う膜厚不均一 [4] Y. Song et al., J. Appl. Phys. 95 (2004) 4953.