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論文

Gate stack technologies for silicon carbide power MOS devices

細井 卓治*; 桐野 嵩史*; 上西 悠介*; 池口 大輔*; Chanthaphan, A.*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; et al.

Workshop digest of 2012 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD 2012), p.22 - 25, 2012/06

SiC is a promising material for high-power electronic devices. Although SiO$$_{2}$$ film can be grown on SiC by thermal oxidation, low channel mobility and poor gate oxide reliability are the critical issues for SiC power MOSFETs. In this work, we investigated the fundamental aspects of thermally-grown SiO$$_{2}$$/4H-SiC structures such as an energy band alighnment and flatband voltage instability. Both electrical characterization and XPS study revealed that a conduction band offset between SiO$$_{2}$$ and SiC is extrinsically increased. High temperature annealing in H$$_{2}$$ could passivate mobile ions existing in as-oxidized SiO$$_{2}$$/SiC structures. Post-oxidation annealing in Ar eliminates the mobile ions, but they are generated again by subsequent high-temperature hydrogen annealing. These features were not observed for SiO$$_{2}$$/Si structures, and thus considered to be inherent to thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC structures.

論文

Synchrotron radiation photoelectron spectroscopy study of thermally grown oxides on 4H-SiC(0001) Si-face and (000-1) C-face substrates

渡部 平司*; 細井 卓治*; 桐野 嵩史*; 上西 悠介*; Chanthaphan, A.*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; et al.

Materials Science Forum, 717-720, p.697 - 702, 2012/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:79.2

We investigated the interface between oxide and 4H-SiC(0001) Si-face or (000-1) C-face by synchrotron radiation photoelectron spectroscopy. The Si 2p$$_{3/2}$$ spectra were fitted with bulk SiC and SiO$$_{2}$$ together with intermediate oxides (Si$$^{1+}$$, Si$$^{2+}$$, Si$$^{3+}$$). The total amount of intermediate states was sufficiently small compared with that of the remaining oxides. This implies that the transition layer in the oxide is as thin as a few atomic layers. Moreover, the chemical composition in the bulk region was found to be almost identical to that of the initial SiC surface. These results indicate formation of a near-perfect SiO$$_{2}$$/SiC interface.

論文

Impact of interface defect passivation on conduction band offset at SiO$$_{2}$$/4H-SiC interface

細井 卓治*; 桐野 嵩史*; Chanthaphan, A.*; 上西 悠介*; 池口 大輔*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; et al.

Materials Science Forum, 717-720, p.721 - 724, 2012/05

 被引用回数:4 パーセンタイル:91.47

The energy band alignments of thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC structures were investigated by means of synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SR-PES) and electrical characterization of SiC-MOS capacitors. In order to determine the energy band alignments of SiO$$_{2}$$/SiC, band gaps of the thermal oxides and valence band offsets at the interface were examined by SR-PES. SiC-MOS capacitors with Al electrodes were also fabricated to evaluate interface state density and conduction band offset. Experimental results indicate that hydrogen atoms are effective to terminate carbon-related defects. It can be concluded that interface quality degradation due to hydrogen desorption by vacuum annealing causes reduction of conduction band offset for thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC structure.

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

Impact of stacked AlON/SiO$$_{2}$$ gate dielectrics for SiC power devices

渡部 平司*; 桐野 嵩史*; 上西 悠介*; Chanthaphan, A.*; 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.

ECS Transactions, 35(2), p.265 - 274, 2011/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:93.25

The use of AlON gate insulator for SiC-based MOS power devices is proposed. Although direct deposition of AlON on 4H-SiC substrate causes electrical degradation, the fabricated MOS capacitor with AlON/SiO$$_{2}$$ stacked gate dielectric shows no flatband voltage shift and negligible capacitance-voltage (C-V) hysteresis. Owing to the high dielectric constant of AlON, significant gate leakage reduction was achieved even at high temperatures. Moreover, in order to improve electrical properties of thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC interfaces, the impact of a combination treatment of nitrogen plasma exposure and forming gas annealing was investigated. Channel mobility enhancement of SiC-MOSFETs was consistent with the reduction in interface state density depending on the process conditions of the combination treatment, and obtained 50% mobility enhancement, while maintaining low gate leakage current.

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

Gate stack technologies for SiC power MOSFETs

渡部 平司*; 細井 卓治*; 桐野 嵩史*; 上西 悠介*; Chanthaphan, A.*; 池口 大輔*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; et al.

ECS Transactions, 41(3), p.77 - 90, 2011/00

 被引用回数:3 パーセンタイル:85.69

It is well known that SiC-based MOS devices have suffered from degraded electrical properties of thermally grown SiO$$_{2}$$/SiC interfaces, such as low inversion carrier mobility and deteriorated gate oxide reliability. This paper overviews the fundamental aspects of SiC-MOS devices and indicates intrinsic obstacles connected with an accumulation of both negative fixed charges and interface defects and with a small conduction band offset of the SiO$$_{2}$$/SiC interface which leading to the increased gate leakage current of MOS devices. To overcome these problems, we proposed using aluminum oxynitride insulators stacked on thin SiO$$_{2}$$ underlayers for SiC-MOS devices. Superior flatband voltage stability of AlON/SiO$$_{2}$$/SiC gate stacks was achieved by optimizing the thickness of the underlayer and nitrogen concentration in the high-k dielectrics. Moreover, we demonstrated reduced gate leakage current and improved current drivability of SiC-MOSFETs with AlON/SiO$$_{2}$$ gate stacks.

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

極薄EOT実現に向けたプラズマ窒化応用high-k/Geゲートスタックの提案

朽木 克博*; 岡本 学*; 秀島 伊織*; 上西 悠介*; 桐野 嵩史*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 細井 卓治*; 志村 考功*; et al.

no journal, , 

高性能Geデバイスの実現には、高誘電率絶縁膜形成とその界面制御技術の確立が必須である。ZrO$$_{2}$$薄膜をGe基板上に堆積し、その後熱酸化処理を施したスタックは、優れたMOS界面特性を示す一方で、GeO$$_{2}$$界面層が形成されることにより等価SiO$$_{2}$$換算膜厚(EOT: Equivalent Oxide Thickness)が2nm以上となってしまう。本研究では、高密度プラズマ窒化により形成したGe$$_{3}$$N$$_{4}$$膜の優れた熱的安定性・耐酸化性に注目し、ZrO$$_{2}$$/Ge3N$$_{4}$$/Ge構造を作製し、熱処理後の界面構造について大型放射光施設SPring-8のBL23SUを用いて光電子分光法により評価した。Ge3d及びN1s内殻準位スペクトルの高分解能測定から、823Kの熱酸化処理によって界面Ge$$_{3}$$N$$_{4}$$層はわずかに酸化するものの安定に存在することを確認し、また1.8nmのEOTを実現した。

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

SiO$$_{2}$$/4H-SiC界面構造と伝導帯オフセットの相関

桐野 嵩史*; Chanthaphan, A.*; 池口 大輔*; 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*; et al.

no journal, , 

SiO$$_{2}$$/SiC構造の界面特性と伝導帯オフセットの関係を詳細に調べるため、スパッタ成膜で形成したSiO$$_{2}$$/SiC構造の放射光XPS測定を行い、熱酸化SiO$$_{2}$$/SiC構造と比較した。スパッタ膜のSiO$$_{2}$$/SiC界面では熱酸化膜と比較して高価数成分が減少し、サブオキサイド成分の総量が少ないことが明らかとなった。またスパッタ試料のSiO$$_{2}$$ピークは熱酸化試料と比較して0.24eV高結合エネルギー側にシフトし、SiO$$_{2}$$/SiC界面の伝導帯オフセットが小さいことを示唆する結果を得た。O1sエネルギー損失スペクトルよりSiO$$_{2}$$のバンドギャップを、また、高運動エネルギー領域に見られる価電子帯スペクトルよりSiO$$_{2}$$/SiC構造の価電子帯オフセットを求めた。伝導帯オフセットは熱酸化膜よりスパッタ膜の方が約0.35eV小さい結果を得た。

口頭

SiO$$_{2}$$/4H-SiCエネルギーバンド構造に対する界面特性改善処理の影響

細井 卓治*; 桐野 嵩史*; Chanthaphan, A.*; 池口 大輔*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 志村 考功*; et al.

no journal, , 

SiC-MOSデバイスの信頼性を左右するSiO$$_{2}$$/SiC界面の伝導帯オフセットについて、放射光光電子分光法により評価した。SiO$$_{2}$$膜をスパッタ堆積により形成した場合、熱酸化膜よりも伝導帯オフセットが小さく、また高温水素ガスアニールにより熱酸化SiO$$_{2}$$/SiC界面の炭素不純物起因の界面欠陥は低減される一方で、伝導帯オフセットもまた減少することがわかった。

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.

口頭

高性能パワーデバイス用SiC-MOS構造の界面物性評価とその特性改善技術の開発

細井 卓治*; 桐野 嵩史*; Chanthaphan, A.*; 池口 大輔*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 箕谷 周平*; 中野 佑紀*; 中村 孝*; 志村 考功*; et al.

no journal, , 

シリコンカーバイド(SiC)は、高耐圧・低損失な次世代パワーMOSデバイス用材料として注目されている。熱酸化過程でSiC基板のSiがO$$_{2}$$と反応してSiO$$_{2}$$を形成する。残留炭素不純物がSiO$$_{2}$$/SiC界面に偏析して界面欠陥を生成することがSiCデバイス実現の大きな障壁となっている。また、SiO$$_{2}$$/SiC界面の伝導帯オフセットが小さいためにリーク電流が流れやすいのも問題である。本研究ではSiO$$_{2}$$層の形成方法や水素導入による界面改質処理がSiO$$_{2}$$/SiC界面構造と伝導帯オフセットに及ぼす影響を放射光光電子分光により評価した。高温水素ガスアニールを施した場合、熱酸化のみの試料と比較して高価数成分が減少してサブオキサイド総量が少ないことが明らかとなった。伝導帯オフセットは熱酸化試料と比較して小さい値を示した。熱酸化SiO$$_{2}$$/SiC構造の界面特性と伝導帯オフセットはトレードオフの関係にあり、高性能・高信頼SiC-MOSデバイスの実現にはこれらを両立させるプロセスの構築が必須である。

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