XAFS

XAFSとはX-ray Absorption Fine Structure （X線吸収微細構造）の略称。測定原理は、試料に X線を照射し目的元素の吸収端付近のX線吸収係数(μ)を測定し、X線のエネルギー(E)を掃引すること で、Eとμの関係を取得する。そこから窒素の置換サイトや窒素の結合状態を知るものである¹⁸⁾。特徴 としては、蛍光法、電子収量法の適用により、薄膜試料の測定も可能となる。しかし一般的なスペクト

図2-6-2 HAXPES N1s Si-Nピーク波形のSi2-N-O結合、Si-N-O2 or C-N結合ピーク分離

図2-6-3 XPS N1s Si-Nピーク波形のSi2-N-O結合、Si-N-O2 or C-N結合ピーク分離

ル解釈法がないため、本研究では、第一原理計算スペクトルと比較することにより結合状態を推定した。

X線源として「あいちSR」を利用し、全電子収量法を適用した。第一原理計算により求めたX線吸収 波形と、計測波形を図2-6-4に示す。測定波形を第一原理計算で求めたシミュレーション波形と比較し て確認できたことは、

・415eV以下のN吸収端スペクトルはSiCのCのNへの置換やSi3N4のスペクトルに類似している

・SiCのSiのNへの置換やSiCの格子間Nは認められなかった

ということである。すなわちSiC結晶側にSi3N4またはSiCのCからNへの置換が存在することが確 認できた。この結果はHAXPESやXPSの結果をサポートするものである。なおNを含まないDでも

415～435eVに上凸あり、窒素吸収端スペクトルにもCのXAFS振動が現れていると考える。

2.7 考察

分析結果と電気特性との間の以下の相関を確認した。

・界面窒素面密度は高い方が移動度高く、Ditが下がり、C-V特性も全て良好である。

・これは過去に報告されているSi面, C面, Siの評価結果と同傾向である。

・窒素は界面にのみ多量に存在し多くはSi-N結合で、１割程度がSi2-N-O, Si-N-O2結合である。

・窒素は界面の炭素と置き換わっている。

・m面の界面窒素面密度は飽和値をもち、今回初めて9.8E+14/cm²程度と確認された。

・この量はm面の界面Si(C )面密度の約1.5倍であることも初めて確認された

・Si面の界面窒素面密度は4.80E14/cm²で界面炭素面密度の約0.4倍であった。

・堆積酸化膜に対し十分なアニール効果を出すためには1150℃以上は必要。

・NO-POA温度の高温化により酸化膜界面の歪が減少した。

・同じくNO-POA温度高温化により酸素欠損が増加し、ホールトラップ増加の懸念が確認された。

表2-7-1に第２章における測定結果の一覧を示す。

図2-6-4 XAFS測定結果

以下に、物理分析結果と電気的特性の関係一覧を示す。

最も明確な関係がみられることは、界面窒素面密度は高い方が移動度高く良好な特性となることである。

これは界面窒素面密度の増加により界面準位密度が低下し移動度が向上することによる。他の特性とし ては、酸素欠損とC-Vヒステリシス、VFB、Ditとの間に明確な相関がみられる。ただ酸素欠損が多いこ とでこのような結果につながるとは考え難く、それらの特性を向上させるNO-POAの高温化により酸 素欠損が増加しているためである。このことは、今回評価できなかった前述のホールトラップ増加の可 能性を示し、MOSFET移動度向上と酸化膜閾値安定化とはトレードオフの関係にあることを示し、

NO-POAの限界を指摘する意見³⁾と一致する結果となった。

表2-7-1 NO-POA条件違いによる物理分析、電気特性測定結果一覧

以上の結果より、m面においても他のSi面、C面、a面などと同様にNO-POAの効果は確認でき、

1300℃の高温NO-POAによりMOS界面特性は改善されることが分かった。ただNO-POAによる界面

窒素面密度には飽和値がある為、窒素面密度増加による移動度の向上検討自体が困難であることが分か った。またその飽和値はm面特有のものであった。Si面やC面でも界面窒素が飽和することは知られ ているが、その飽和のメカニズムは明らかになっていない。界面窒素量を増やすことでMOS特性の一 層の特性向上の可能性は残るが、NO-POAによる窒素密度飽和のメカニズムを明らかにすることなしに はこれ以上の特性向上は困難であることが分かった。

当研究では第３章以降で、ｍ面における窒素飽和のメカニズムを考察するものとする。

図2-7-1 NO-POAをプロセスパラメータとして変化させることにより得られたMOSキャパシタ

/ MOSFETの電気的特性とMOS界面並びに酸化膜内部の物理分析結果との相関一覧

2.8 参考文献

1) Katsuhiro Kutsuki, Sachiko Kawaji, Yukihiko Watanabe, Masatoshi Tsujimura, Toru Onishi, Hirokazu Fujiwara, Kensaku Yamamoto, Takashi Kanemura, “Impact of Al Doping Concentration at Channel Region on Mobility and Threshold Voltage Instability in 4H-SiC Trench N-MOSFETs”, Materials Science Forum, Volume 858, pp. 607-610 (2016)

2) Hiroshi Yano, Hiroshi Nakao, Hidenori Mikami, Tomoaki Hatayama, Yukiharu Uraoka, and Takashi Fuyuki, “Anomalously anisotropic channel mobility on trench sidewalls in 4 H - Si C trench-gate metal-oxide-semiconductor field-effect transistors fabricated on 8° off substrates”, APPLIED PHYSICS LETTERS 90, 042102 (2007)

3) John Rozen, Xingguang Zhu, A.C.Ahyi, J.R.Williams and L.C.Feldman, “The Limits of post oxidation Annealing in NO”, Materials Science Forum, Vols.645-648 (2010), PP 693-696

4) John Rozen, “Tailoring Oxide/Silicon Carbide Interfaces: NO Annealing and Beyond”, Physics and Technology of Silicon Carbide Devices, book edited by Yasuto Hijikata, ISBN 978-953-51-0917-4, Published: October 16, 2012 under CC BY 3.0 license.

5) Yuichiro Nanen, Muneharu Kato, Jun Suda, and Tsunenobu Kimoto, “Effects of Nitridation on 4H-SiC MOSFETs Fabricated on Various Crystal Faces”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 60, NO. 3, MARCH 2013, pp. 1260-1262

6) Hironori Yoshioka (吉岡裕典), Junji Senzaki (先崎純寿), Atsushi Shimozato (下里淳),

Yasunori Tanaka (田中保宣), and Hajime Okumura (奥村元), “Effects of interface state density on 4H-SiC n-channel field-effect mobility”, Applied Physics Letters 104, 083516 (2014)

7) Hironori Yoshioka, Takashi Nakamura, and Tsunenobu Kimoto, “Accurate evaluation of interface state density in SiC metal-oxide-semiconductor structures using surface potential based on

depletion capacitance”, Journal of Applied Physics 111, 014502 (2012)

8) Z.‐Q. Yao, H. B. Harrison, S. Dimitrijev, D. Sweatman, and Y. T. Yeow, “High quality ultrathin dielectric films grown on silicon in a nitric oxide ambient”, Appl. Phys. Lett. 64 (26), 27 June 1994 9) John Rozen, Sarit Dhar, M. E. Zvanut, J. R. Williams, and L. C. Feldman, “Density of interface states, electron traps, and hole traps as a function of the nitrogen density in SiO2 on SiC”,

JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 105, 124506 (2009)

10)S. Dhar, L. C. Feldman, K.-C. Chang, Y. Cao, L. M. Porter, J. Bentley, and J. R. Williams,

“Nitridation anisotropy in SiO2 ∕ 4 H – SiC”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 97, 074902 (2005) 11) G. Pennington and C. R. Ashman, “Nitrogen passivation of (0001) 4 H - Si C silicon-face

dangling bonds”, APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 072106 (2007)

12) V. Afanas’ev and A. Stesmans, “Hole traps in oxide layers thermally grown on SiC”, Appl. Phys.

Lett. 69 (15), 7 October 1996

13)

Hirohisa Hirai and Koji Kita, “Structural difference between near interface oxides grown on Si