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成果報告書詳細
管理番号20190000000615
タイトル平成26年度―平成30年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)/次世代パワーエレクトロニクス 将来のパワーエレクトロニクスを支える基盤研究開発 超高次非線形誘電率顕微鏡法を用いたSiC基板材料及びパワーエレクトロニクス素子の高性能化に資する評価技術の開発
公開日2019/6/25
報告書年度2014 - 2018
委託先名国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P14029
部署名IoT推進部
和文要約本研究では,走査型非線形誘電率顕微鏡(Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy; 以下SNDMと記す)をベースとして SiC-MOSFETにおけるチャネル移動度低下の原因とされるSiO2/SiC界面における界面準位の空間分布をナノスケールで評価可能な局所DLTSの新規開発に成功した.また,同手法の性能を大幅に向上させると同時に,利用性を高め実用化に近いレベルにまで到達させた.さらに,得られたDitの空間分布に基づくSiC-MOSFETのデバイスシミュレーションを行う環境を構築し,実測で得られたナノスケールのDit分布によるチャネル移動度低下メカニズムの一端を明らかにした.その成果を以下に要約する.
(1) SNDMを用いて,SiO2/SiC試料の観察を行った結果,界面状態の不均一に起因すると考えられる特有の分布を生じることを明らかにした.また,様々な異なる処理を行った試料の観察を行うことで,SNDM像の不均一とDitの値やチャネル移動度との間に強い相関があることを明らかにし,界面状態の面内不均一がチャネル移動度の大幅低下に強く関与することを示唆する結果を得た.また,本結果は,SiCウェハをSNDM観察するのみで,Ditをある程度見積可能であることを意味するため,SNDMは簡便なウェハ評価手法として期待される.
(2) (1)の結果を受け,SNDMをベースにして,絶縁膜/基板界面におけるDitの面内分布の可視化,定量化が可能な局所DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)を新規に提案,確立した.DLTSでは,電極を試料に取り付け,パルス電圧印加に対する容量応答から,Ditとそのエネルギー深さを評価する.既存のDLTSの空間分解能は高々数100μmであるのに対して,本研究課題では,先鋭な導電性探針を測定用の電極として用いると同時にSNDMの高い容量感度を活かすことで,ナノメートルスケールの空間分解能を実現した.局所DLTSを用いて,Dit低減のためPost Oxidation Annealing (POA)した試料を評価した結果,POA処理によってDitは減少する一方,面内不均一は増加することを見出した.局所DLTSの実現は本研究課題において最重要の成果と位置付けられる.
(3) 続いて,局所DLTSの改良に取り組み,伝統的なアナログ変復調を組み合わせた方式から,高速ディジタイザを用いた新規手法を提案し,その結果,広帯域・高分解能かつ高速で,なおかつ復調系のキャリブレーションが不要な時間分解・局所DLTSを確立した.結果として高スループットで多数の試料を評価可能となり,局所DLTSを実用化に近いレベルに到達させることができた.
(4) 局所DLTSで実測されたDit分布に基づいてSiCデバイス特性予測を行えるシミュレーション環境を構築した.その結果,Ditが同一の面内平均値を持つ場合でも,Dit分布の不均一のみに依存してチャネル移動度が低下することを明らかにした.特に,Ditを低減した場合,チャネル移動度はある程度向上する一方,Ditの不均一が残存することで,Dit低減の効果が十分に得られないことを明らかにし,Ditを減少させると同時にその分布の不均一を低減することの重要性を提言した.
英文要約Title: Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (SIP), Next-generation power electronics, Development of Evaluation Techniques for High Quality SiC Substrates and High Performance Power Electronics Devices Using Super-Higher-Order Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy (FY2014-FY2018) Final Report

In this study, we have established a novel and unique method called local deep level transient spectroscopy (local DLTS) on the basis of scanning nonlinear dielectric microscopy (SNDM) for the nanoscale evaluation of SiO2/SiC interfaces. Local DLTS has been continuously improved in its usability as well as measurement performance and now reaching almost at a practical level. We have also developed new device simulation environment for SiC-MOSFET in order to clarify the degradation of channel mobility by non-uniform spatial distribution of interface defects, which can be experimentally measured by local DLTS. The accomplishments of this study are summarized as follows:
(1) We found that SNDM images reflect spatially non-uniform interface states on SiO2/SiC interfaces. Interestingly, the strength of non-uniformity shows positive strong correlation with interface defect density (Dit) and channel mobility values, which suggests that the non-uniformity of interface states is closely connected to the degradation of channel mobility on SiO2/SiC interfaces. The result here also shows that SNDM imaging is an easy-to-use method for the quality evaluation of SiC wafers.
(2) Based on the initial result above, we proposed and established local DLTS, which allows the quantitative nanoscale Dit mapping on insulator/semiconductor interfaces based on SNDM. In stark contrast to conventional DLTS, local DLTS can give spatially resolved Dit maps on SiO2/SiC interfaces with nanometer scale resolution. We actually used local DLTS to evaluate SiO2/SiC interfaces with different post-oxidation annealing (POA) processes. We concluded that these typical POA processes significantly decrease Dit but, simultaneously, enhance its non-uniformity. The establishment of local DLTS is the most important outcome of this study.
(3) Local DLTS has been improved nearly at a practical level on the basis of a newly developed time-solved SNDM setup using a high-speed digitizer. This time-resolved local DLTS has superior performance to the proto-type local DLTS based on traditional analog frequency demodulation in measurement bandwidth, spatial resolution, and measurement time. In addition, the time-resolved local DLTS does not need complicated calibration of associated analog demodulation setup, which allows much higher throughput of measurement.
(4) We established a new device simulation environment for SiC-MOSFETs with non-uniform Dit distribution, which can be experimentally measured by local DLTS. We showed that the non-uniformity of Dit causes the significant degradation of channel mobility. In particular, even if Dit is reduced, SiC-MOSFET with non-uniform Dit cannot achieve channel mobility as high as those expected for the devices with uniform Dit. The results tell us that both Dit and its non-uniformity should be reduced to maximize channel mobility up to the expected level.
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