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論文

Synchrotron X-ray photoelectron spectroscopy study on thermally grown SiO$$_{2}$$/4H-SiC(0001) interface and its correlation with electrical properties

渡部 平司*; 細井 卓治*; 桐野 嵩史*; 景井 悠介*; 上西 悠介*; Chanthaphan, A.*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 志村 考功*

Applied Physics Letters, 99(2), p.021907_1 - 021907_3, 2011/07

 被引用回数:104 パーセンタイル:95.84(Physics, Applied)

The correlation between atomic structure and the electrical properties of thermally grown SiO$$_{2}$$/4H-SiC(0001) interfaces was investigated by synchrotron X-ray photoelectron spectroscopy together with electrical measurements of SiC-MOS capacitors. We found that the oxide interface was dominated by Si-O bonds and that there existed no distinct C-rich layer beneath the SiC substrate despite literature. In contrast, intermediate oxide states in Si core-level spectra attributable to atomic scale roughness and imperfection just at the oxide interface increased as thermal oxidation progressed. Electrical characterization of corresponding SiC-MOS capacitors also indicated an accumulation of both negative fixed charges and interface defects, which correlates well with the structural change in the oxide interface and provides insight into the electrical degradation of thermally grown SiC-MOS devices.

論文

Energy band structure of SiO$$_{2}$$/4H-SiC interfaces and its modulation induced by intrinsic and extrinsic interface charge transfer

渡部 平司*; 桐野 嵩史*; 景井 悠介*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 細井 卓治*; et al.

Materials Science Forum, 679-680, p.386 - 389, 2011/03

 被引用回数:19 パーセンタイル:99.43

In this study, we investigated the energy band structure of SiO$$_{2}$$/4H-SiC fabricated on (0001) Si- and (000-1) C-face substrates by means of synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy, and discuss intrinsic and extrinsic effects of interface structure and electrical defects on the band offset modulation. It was found that valence band offset of the SiO$$_{2}$$/SiC for the C-face substrate was about 0.4 eV larger than that for the Si-face. Our photoelectron analysis revealed that the conduction band offset that determines gate leakage current and resultant gate oxide reliability of SiCMOS devices crucially depends on substrate orientation. Moreover, we found that the fixed charges accumulated at the SiO$$_{2}$$/SiC interface modulate the energy band structure to enlarge conduction band offset and that this extrinsic band structure modulation is again recovered by post treatments for defect termination.

論文

Zr0$$_{2}$$ゲー卜絶縁膜を用いたGe MOSデバイスの界面設計

細井 卓治*; 岡本 学*; 朽木 克博*; 景井 悠介*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 志村 考功*; 渡部 平司*

応用物理学会薄膜・表面物理分科会/シリコンテクノロジー分科会共催特別研究会研究報告, p.145 - 148, 2010/01

われわれはリーク電流を減少させて優れた界面特性を持った高品質のhigh-$$k$$/Geゲートスタックを開発した。この製作にはGe基板上への直接ZrO$$_{2}$$デポジションとその加熱酸化が行われた。放射光光電子分光によると、ZrO$$_{2}$$/Ge構造の823Kでの熱酸化はZrO$$_{2}$$とGeの相互拡散がかりでなく、GeO$$_{2}$$界面層の生成をもたらした。等価酸化膜厚(EOT)は1.9nmで、界面準位密度はAu/ZrO$$_{2}$$/Geキャパシタで10$$^{11}$$cm$$^{-2}$$eV$$^{-1}$$と小さかった。さらに、Zr0$$_{2}$$層上にA1$$_{2}$$0$$_{3}$$を形成するとさらにEOTを小さくできることを見いだした。界面準位密度はAl$$_{2}$$O$$_{3}$$/ZrO$$_{2}$$/Geの30分の加熱で5.3$$times$$10$$^{10}$$cm$$^{-2}$$eV$$^{-1}$$であった。10分加熱では1.6nmまでEOTを低減できた。その場合のリーク電流は従来のpoly-Si/SiO$$_{2}$$/Siスタックに比べて二桁低い。

口頭

プラズマ窒化SiC表面の熱酸化により形成したSiO$$_{2}$$/SiC界面の放射光XPS評価

景井 悠介*; 小園 幸平*; 朽木 克博*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

no journal, , 

高密度プラズマ窒化処理を行った4H-SiC(0001)基板について、熱酸化の進行とともにSiO$$_{2}$$/SiC界面構造がどのように変化するのかを光電子分光法により調べた。Si2pスペクトルに注目し、Siの中間窒化状態及び中間酸化状態について評価を行った結果、通常の熱酸化膜界面に対して、プラズマ窒化処理後に酸化を行うことでSiO$$_{2}$$/SiC界面の中間酸化状態の生成を大幅に抑制できることがわかった。MOSキャパシタの電気特性評価を行ったところ、プラズマ窒化後の熱酸化で形成したSiO$$_{2}$$/SiC界面で欠陥密度が半減していたことから、Siの中間酸化状態成分が電気的欠陥の生成に関与していることが明らかとなった。

口頭

界面特性に優れたAl$$_{2}$$O$$_{3}$$/ZrO$$_{2}$$/GeO$$_{2}$$積層構造ゲート絶縁膜の作製と評価

岡本 学*; 朽木 克博*; 景井 悠介*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

no journal, , 

High-k/GeスタックとしてAl$$_{2}$$O$$_{3}$$/ZrO$$_{2}$$/GeO$$_{2}$$/Geスタックを作製し、その構造並びに電気特性評価を行った。光電子スペクトルにはGeO$$_{2}$$界面層の成長を示すケミカルシフト成分(Ge$$^{4+}$$)に加え、ZrGeO反応層及びこれらの中間状態の存在を示す成分を確認できた。この絶縁膜上にAu電極を形成してAu/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/ZrO$$_{2}$$/GeO$$_{2}$$/Geキャパシタを作製し、室温にてC-V測定を行った。ヒステリシスは21mVと小さく、周波数分散の少ない良好な特性を得た。低温コンダクタンス法で求めたミッドギャップ近傍の界面準位密度は5.3$$times$$10$$^{10}$$cm$$^{-2}$$eV$$^{-1}$$であり、界面特性に優れたHigh-k/Geスタックの作製に成功した。

口頭

4H-SiC(000$$bar{1}$$)面の熱酸化により形成したSiO$$_{2}$$/SiC界面の放射光XPS評価

桐野 嵩史*; 景井 悠介*; 岡本 学*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 細井 卓治*; et al.

no journal, , 

SiCの(000$$bar{1}$$)$$_{C}$$面の界面特性及び信頼性劣化要因の解明を目指して、(000$$bar{1}$$)$$_{Si}$$及び(000$$bar{1}$$)$$_{C}$$面に形成したSiO$$_{2}$$/SiC界面の化学結合状態を放射光XPSを用いて評価した。Si2pピークからSi2p$$_{3/2}$$成分を抽出した。SiC基板と酸化膜からの信号に加えて、価数が異なるサブオキサイド成分が観察された。(000$$bar{1}$$)$$_{C}$$面に形成した酸化膜界面では(000$$bar{1}$$)$$_{Si}$$面と比較してSi$$^{1+}$$成分は少ないが高価数成分が増大し、サブオキサイド成分の総量が多いことが明らかとなった。また(000$$bar{1}$$)$$_{C}$$面に形成した酸化膜の結合エネルギーは(000$$bar{1}$$)$$_{Si}$$面と比較して0.22eV高エネルギー側にシフトし、SiO$$_{2}$$/SiC界面での伝導帯バンドオフセットが小さいことを示唆する結果を得た。

口頭

プラズマ窒化技術とAlON/SiO$$_{2}$$積層絶縁膜によるSiC-MOSデバイスの高機能化

渡部 平司*; 景井 悠介*; 小園 幸平*; 桐野 嵩史*; 渡邊 優*; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; et al.

no journal, , 

SiC-MOSFETはノーマリーオフ型の高性能パワーデバイスとして期待されている。しかし、熱酸化SiC-MOS界面には残留炭素等に起因する電気的欠陥が高密度に存在し、チャネル移動度の劣化が著しい。また実用化に向けてゲート絶縁膜の信頼性向上が必須であるが、絶縁劣化機構の詳細な理解には至っていない。われわれはSiC-MOSデバイスの高機能化を目的として、プラズマ窒化技術を応用したMOS界面の高品質化、及び窒化アルミナ(AlON)高誘電率絶縁膜と薄いSiO$$_{2}$$下地層との積層構造による絶縁特性と信頼性向上技術を研究している。本講演では、これらの技術について最近の研究成果を報告する。

口頭

放射光XPSによる熱酸化Si0$$_{2}$$/4H中SiC界面のエネルギーバンド構造分析

桐野 嵩史*; 景井 悠介*; 岡本 学*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 細井 卓治*; et al.

no journal, , 

SiC-MOSFETではSi0$$_{2}$$/SiC界面欠陥に起因する移動度劣化によってチャネル抵抗が増大するため、物性値から期待されるデバイス性能が得られていないのが現状である。4H-SiC(000-1)c面基板上に作製したMOSFETでは4H-SiC(0001)Si面と比較して高いチャネル移動度が得られることが知られているが、酸化膜の信頼性劣化が顕著である。また、従来の4H-SiC(0001)Si面と比較してSiO$$_{2}$$/SiC界面の伝導帯オフセット並びに界面準位密度のエネルギー分布が異なることも指摘されているが、これらの物理的な起源については明らかにされていない。われわれはSiC(000-1)c面の界面特性及び信頼性劣化要因の解明を目指し、放射光XPSを用いて(0001)Si面及び(000-1)c面に形成したSi0$$_{2}$$/SiC界面の化学結合状態並びにエネルギーバンド構造を評価した。

口頭

放射光XPSによるSiO$$_{2}$$/4H-SiC構造の伝導帯オフセット評価

桐野 嵩史*; 景井 悠介*; 岡本 学*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 細井 卓治*; et al.

no journal, , 

4H-SiC基板上に形成した熱酸化SiO$$_{2}$$/SiC構造は、水素を導入することにより界面特性が向上する一方で、基板面方位によっては信頼性が劣化することが知られている。そこで、4H-SiC(000-1)C面及び(0001)Si面基板上に形成した熱酸化SiO$$_{2}$$/SiCについて、高温水素ガスアニールを施す前後でのエネルギーバンド構造を評価するため、放射光XPSによりO1sエネルギー損失スペクトルからSiO$$_{2}$$のバンドギャップを、価電子帯スペクトルよりSiO$$_{2}$$/SiC価電子帯オフセットを算出した。その結果、(000-1)C面上に形成した酸化膜の伝導帯オフセットは水素ガスアニールにより0.1eV減少することがわかった。

口頭

熱酸化SiO$$_{2}$$/4H-SiC界面原子構造と伝導帯オフセット評価

渡部 平司*; 桐野 嵩史*; 景井 悠介*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 細井 卓治*; et al.

no journal, , 

SiC-MOSFETではSiO$$_{2}$$/SiC界面欠陥に起因する移動度劣化によってチャネル抵抗が増大する。4H-SiC(000-1)C面基板上に作製したMOSFETでは、4H-SiC(0001)Si面と比較して高いチャネル移動度が得られることが知られているが、一方で酸化膜の信頼性劣化が顕著であることが報告されている。また、従来の4H-SiC(0001)Si面と比較してSiO$$_{2}$$/SiC界面の伝導帯オフセット、並びに、界面準位密度のエネルギー分布が異なることも指摘されているが、これらの物理的な起源については明らかにされていない。よってわれわれは、(000-1)C面の界面特性及び信頼性劣化要因の解明を目指し、放射光XPSを用いて(0001)Si及び(000-1)C面に形成した熱酸化SiO$$_{2}$$/SiC界面の化学結合状態並びにエネルギーバンド構造を評価した。

口頭

Energy band structure of thermally grown SiO$$_{2}$$/4H-SiC interfaces and its modulation induced by post-oxidation treatments

桐野 崇史*; 景井 悠介*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

no journal, , 

In this study, we investigated the energy band structure of thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC structures fabricated on (0001) Si-face and (000-1) C-face substrates by means of synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy (SR-XPS) and electrical characterization of SiC-MOS capacitors. Thereafter, the intrinsic and extrinsic effects of interface structure and electrical defects on the band offset modulation are discussed. Postoxidation treatment modulated an energy band structure of SiC-MOS devices. The trade-off relation between the conduction band offset and interface quality needs to be considered.

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