Breakdown voltage in silicon carbide metal-oxide-semiconductor devices induced by ion beams

イオンビームにより誘起される炭化ケイ素 金属-酸化膜-半導体デバイスの破壊電圧

大島 武; 出来 真斗; 牧野 高紘; 岩本 直也; 小野田 忍; 平尾 敏雄*; 児島 一聡*; 富田 卓朗*; 松尾 繁樹*; 橋本 修一*

Oshima, Takeshi; Deki, Manato; Makino, Takahiro; Iwamoto, Naoya; Onoda, Shinobu; Hirao, Toshio*; Kojima, Kazutoshi*; Tomita, Takuro*; Matsuo, Shigeki*; Hashimoto, Shuichi*

炭化ケイ素(SiC)半導体デバイスのシングルイベント現象(SEGR)を把握するため、SiCエピタキシャル膜に金属-酸化膜-半導体キャパシタ(MOS)を作製し、イオン入射によりMOSキャパシタの酸化膜から検出される漏れ電流を調べた。n型六方晶(4H)SiCエピタキシャル基板上に1100C、60分間の水素燃焼酸化を行うことで6080nmのゲート酸化膜を形成し、Al金属蒸着によりMOSキャパシタを作製した。作製したMOSキャパシタのゲート電極に電圧を印加した状態で、18MeVの酸素(O)又はニッケル(Ni)イオンを照射し、照射中にゲート酸化膜から検出される漏れ電流を測定した。その結果、18MeV-Oイオン照射の場合、未照射試料でのゲート酸化膜絶縁破壊電界8.2MV/cmまで漏れ電流の急激な変化はないが、18MeV-Niイオンでは7.3MeV/cmの電界強度で漏れ電流の急激な上昇が観測されSEGRが発生することが明らかとなった。18MeV-Oの線エネルギー付与(LET)が7MeVcm/mgであるのに対し、Niは24MeVcm/mgであることから、Niの場合、Oに比べ高密度のエネルギーが付与されSEGRに至ったと結論できる。

Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors were fabricated on n-type 4H-SiC epitaxial layers, and the leakage current through the gate oxide during heavy ion irradiation was investigated in order to evaluate dielectric breakdown induced by heavy ions (Single Event Gate Rupture: SEGR). The gate oxide at thickness ranges between 60 and 80 nm was formed using pyrogenic oxidation at 1100 C for 60 min. Circular electrodes with 180 diameter were formed using Al evaporation and a lift-off technique. The leakage current observed through the gate oxide was monitored during 18 MeV oxygen (O) or nickel (Ni) ions. As a result, although no significant difference in the value of the electric field at the dielectric breakdown (around 8.2 MV/cm) was observed between non-irradiated and 18 MeV-O irradiated samples, the value decreased to be 7.3 MV/cm in the case of 18 MeV-Ni ion incidence. The Linier Energy Transfer (LET) for 18 MeV-O is 7 MeV cm/mg, and this value is smaller than that for 18 MeV-Ni (24 MeV cm/mg). Also, 18 MeV-Ni ions deposit energy in narrower regions than 18 MeV-O ions. Thus, it can be concluded that the high density of charge induced by 18 MeV-Ni ions triggers SEGR in SiC MOS capacitors.