A Study on High-Mobility SiC MOSFETs with Interfacial Silicate Layer for Harsh Environment Electronics

概要

博 士 論 文
A st u d y o n Hi g h -M o bilit y Si C M O S F E T s
wit h I nt e rf a ci al Sili c at e L a y e r
f o r H a r s h E n vi r o n m e nt El e ct r o ni c s

極 限 環 境 エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 現 に 向 け た
界 面 ケ イ 酸 塩 層 を 有 す る
高 移 動 度 Si C M O S F E T s の 研 究

村

岡

幸

輔

広 島 大 学 大 学 院 先 端 物 質 科 学 研 究 科
2020 年 3 月

目 次
1. 主 論 文
A st u d y o n Hi g h -M o bilit y Si C M O S F E Ts wit h Int erf a ci al S ili c at e L a y er f or H ars h E n vir o n m e nt
El e ctr o ni cs
（ 極 限 環 境 エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 現 に 向 け た 界 面 ケ イ 酸 塩 層 を 有 す る 高 移 動 度 Si C
M O S F E Ts の 研 究 ）

2. 公 表 論 文
( 1) E n h a n c e d -O xi d ati o n a n d I nt erf a c e M o difi c ati o n o n 4 H -Si C( 0 0 0 1) S u bstr at e Usi n g
Al k ali n e E art h M et al
K os u k e M ur a o k a, Hir os hi S e z a ki, S eiji Is hi k a w a, T o m o n ori M a e d a, T a d as hi S at o,
T a k a m ar o Ki k k a w a , a n d S hi n -I c hir o K ur o ki
M at eri als S ci e n c e F or u m 8 9 7 , 3 4 8 -3 5 1 (2 0 1 7 ).
( 2) C orr el ati o n b et w e e n Fi el d Eff e ct M o bilit y a n d A c c u m ul ati o n C o n d u ct a n c e at 4 H -Si C
M O S I nt erf a c e wit h B ari u m
K os u k e M ur a o k a, S eiji Is hi k a w a, Hir os hi S e z a ki, T o m o n ori M a e d a , a n d S hi n -I c hir o
K ur o ki
M at eri als S ci e n c e F or u m 9 2 4 , 4 7 7 -4 8 1 ( 2 0 18 ).
( 3) C h ar a ct eri z ati o n of B a -I ntr o d u c e d T hi n G at e O xi d e o n 4 H -Si C
K os u k e M ur a o k a, S eiji Is hi k a w a, Hir os hi S e z a ki, T o m o n ori
K ur o ki
M at eri als S ci e n c e F or u m 9 6 3 , 4 5 1 -4 5 5 ( 2 01 9 ).

M a e d a , a n d S hi n -I c hir o

( 4) G a m m a -r a y irr a di ati o n-i n d u c e d m o bilit y e n h a n c e m e nt of 4 H-Si C N M O S F E Ts wit h a B a sili c at e i nt erf a c e l a y er
K os u k e M ur a o k a, Hir os hi S e z a ki , S eiji Is hi k a w a, T o m o n ori M a e d a, T a k a hir o M a ki n o,
A ki n ori T a k e y a m a, T a k es hi O hs hi m a , a n d S hi n -I c hir o K ur o ki
J a p a n es e J o ur n al of A p pli e d P h ysi cs, 5 8( 8) , 0 8 1 0 0 7-7 ( 2 0 1 9).

i

3. 参 考 論 文
( 1) Eff e cts of C F 4 S urf a c e Et c hi n g o n 4 H -Si C M O S C a p a cit ors
K. K o b a y a k a w a, K. M ur a o k a, H. S e z a ki, S. Is hi k a w a, T. M a e d a, a n d S .-I. K ur o ki
M at eri als S ci e n c e F or u m 9 2 4 , 4 6 5 -4 6 8 ( 2 01 8 ).
( 2) O xi d ati o n at Cs Pr e -A ds or b e d Si/ 6 H -Si C( 0 0 0 1) -( 3× 3) R e c o nstr u ct e d S urf a c es St u di e d
Usi n g M et ast a bl e -I n d u c e d El e ctr o n S p e ctr os c o p y
T o m o n ori I k ari, T a k ut o N a k a m ur a, K a e d e Hir a y a m a, K os u k e M ur a o k a, J u n k o Is hii, a n d
M as a mi c hi N ait o h ,
e -J o ur n al of S urf a c e S ci e n c e a n d N a n ot e c h n ol o g y 1 4 , 1 0 3-1 0 6 ( 2 0 1 6).

ii

主 論 文

iii

C o nt e nts
C h a pt e r 1: I nt r o d u cti o n

1

1. 1 H ars h e n vir o n m e nt e l e ctr o ni cs, 1
1. 1. 1 R a di ati o n eff e cts o n s e mi c o n d u ct or d e vi c es , 2
1. 1. 2 P erf or m a n c e of M O S d e vi c es u n d er hi g h -t e m p er at ur e, 5
1. 2 S ili c o n c ar bi d e a n d its s p e ci ali z e d a p pli c ati o ns , 7
1. 2. 1 P h ysi c al pr o p erti es , 7
1. 2. 2 R a di ati o n h ar d e n e d el e ctr o ni cs , 8
1. 2. 3 H i g h-t e m p er at e el e ctr o ni cs , 9
1. 3 O pti mi z ati o n of S i C M O S i nt erf a c e, 1 1
1. 3. 1 G at e o xi d e e n gi n e eri n g , 1 2
1. 3. 2 C h a n n el e n gi n e eri n g , 1 4
1. 4 M oti v ati o n a n d p ur p os e , 1 4
1. 5 Diss ert ati o n o v er vi e w , 1 5
R ef er e n c e s, 1 7

C h a pt e r 2: Eff e cts of Si O 2 / B a O2 l a y e rs o n i nt e rf a ci al p r o p e rti es i n
B a -i n c o r p o r ati o n m et h o d
21
2. 1 I ntr o d u cti o n, 2 1
2. 2 E x p eri m e nt al , 2 3
2. 2. 1 S a m pl e pr e p ar ati o n , 2 3
2. 2. 2 C h ar a ct eri z ati o n , 2 4
2. 3 R es ults a n d dis c ussi o n , 2 6
2. 3. 1 Str u ct ur al a n d i nt erf a ci al pr o p erti es , 2 6
2. 3. 2 E v al u ati o n of i nt erf a c e tr a p d e nsit y , 2 8
2. 3. 3 Distri b uti o n of B a wit h a n d wit h o ut c a p -Si O 2 l a y er, 3 0
2. 3. 4 S t oi c hi o m etr y of i nt erf a ci al B a-sili c at e l a y er, 3 1
2. 4 C o n cl usi o ns , 3 4
R ef er e n c e s, 3 5
iv

C h a pt e r 3 : Hi g h -t e m p e r at u r e c h a r a ct e risti cs of Si C M O S F E Ts wit h
i nt e rf a ci al B a-sili c at e l a y e r
37
3. 1 Intr o d u cti o n , 3 7
3. 2 E x p eri m e nt al pr o c e d ur e , 3 8
3. 3 R es ults a n d dis c ussi o n , 4 1
3. 3. 1 I nfl u e n c es of c a p-Si O 2 t hi c k n ess o n hi g h-t e m p er at ur e c h ar a ct eristi cs, 4 1
3. 3. 2 I nfl u e n c es of hi g h -t e m p er at ur e m e as ur e m e nt o n Si C M O S F E Ts, 45
3. 3. 3 T h er m all y gr o w n Si O 2 a n d B a -i n c or p or at e d Si O2 , 4 8
3. 4 C o n cl usi o ns , 4 9
R ef er e n c es , 5 0

C h a pt e r 4 : R a di ati o n eff e cts of Si C M O S F E Ts wit h i nt e rf a ci al B a sili c at e l a y e r
51
4. 1 I ntr o d u cti o n, 5 1
4. 2 E x p eri m e nt al pr o c e d ur e , 5 2
4. 2. 1 D e vi c e f a bri c ati o n , 5 2
4. 2. 2 G a m m a -r a y irr a di ati o n, 5 3
4. 3 R es ults a n d dis c ussi o n , 5 5
4. 3. 1 Mi d g a p -s u bt hr es h ol d t e c h ni q u e , 5 5
4. 3. 2 D e gr a d ati o n of I D – V G c h ar a ct eristi cs d u e t o TI D eff e ct , 5 7
4. 3. 3 L e a k a g e c urr e nt o n I D – V D S c h ar a ct eristi cs , 6 1
4. 3. 4 Im p a ct of bi dir e cti o n al s w e e p, li g ht ill u mi n ati o n, a n d hi g h t e m p er at ur e o n
irr a di at e d M O S F E Ts , 6 6
4. 4 C o n cl usi o n s, 6 9
R ef er e n c es , 7 0
C h a pt e r 5 : R a di ati o n -i n d u c e d m o bilit y e n h a n c e m e nt eff e ct
72
5. 1 I ntr o d u cti o n, 7 2
5. 2 R es ults a n d dis c ussi o n , 7 3
5. 2. 1 Bi as -t e m p er at ur e str ess t est, 7 3
5. 2. 2 T e m p er at ur e d e p e n d e n c e of m o bilit y , 76
5. 2. 3 E sti m ati o n of eff e cti v e m o bilit y , 7 7
5. 2. 4 R a di ati o n -i n d u c e d n arr o w c h a n n el eff e ct ( RI N C E), 7 8
v

5. 2. 5 A n al ysis usi n g g at e -t o-c h a n n el c o n d u ct a n c e ( G G C ), 8 0
5. 2. 5. 1 R el ati o ns hi p b et w e e n c h a n n el wi dt h a n d G G C , 8 0
5. 2. 5. 2 I nfl u e n c e of p arti al r e c o v er y o n G G C , 8 3
5. 2. 6 Pr o p os al f or t h e m e c h a nis m of R a di ati o n -i n d u c e d m o bilit y e n h a n c e m e nt
eff e ct , 8 5
5. 3 C o n cl usi o n s, 8 8
R ef er e n c es , 8 9

C h a pt e r 6 : C o n cl usi o n s

91

A c k n o wl e d g e m e nt s

93

A p p e n di x es

94

A.
B.
C.
D.

List of sy m b ols , 94
L ist of a cr o n y ms/ a b br e vi ati o ns, 9 8
L ist of p u bli c ati o ns, 9 9
List of a w ar ds, 1 0 4

vi

C h a pt e r 1
I nt ro d u cti o n
1. 1 H a rs h e n vi r o n m e nt el e ct r o ni cs
In 1 9 4 7, t h e p oi nt- c o nt a ct tr a nsist or w as i n v e nt e d b y B ar d e e n, Br att ai n, a n d S h o c kl e y.
Si n c e t h e n, a l ot of s e mi c o n d u ct or d e vi c es h a v e b e e n d e v el o p e d. N o w a d a ys, w e c a n s e e
v ari o us el e ctr o ni c d e vi c es b uilt of tr a nsist ors ( e. g., s m art p h o n e) i n d ail y lif e.
R e c e ntl y, s o m e r es e ar c h gr o u ps att e m pt t o d e v el o p el e ctr o ni cs o p er a bl e e v e n
u n d er a n e xtr e m e e n vir o n m e nt, w h er e a c o n v e nti o n al s e mi c o n d u ct or d e vi c e w o ul d f ail
s u c h as hi g h-t e m p er at ur e a n d hi g h-r a di ati o n e n vir o n m e nts. T h e s p e ci ali z e d t e c h n ol o g y
a n d t h e s ci e n c e f or t his ar e c all e d t h e h ars h e n vir o n m e nt el e ctr o ni cs.
Fi g ur e 1. 1 c h arts e n d- us e a p pli c ati o ns f or r a di ati o n a n d hi g h-t em p er at ur e
e n vir o n m e nts [ 1]. T h e h ori z o nt al a xis s h o ws a q u a ntit y of e n er g y d e p ositi o n p er u nit
m ass b y i o ni zi n g r a di ati o ns i n a p pli c ati o ns. As i n di c at e d i n t h e fi g ur e, s e v er al

Fi g. 1. 1.

A p pli c ati o ns f or t h e h ars h e n vir o n m e nts.
1

a p pli c ati o ns a n d s yst e ms str o n gl y r e q uir e t h e h ars h e n vir o n m e nt el e ctr o ni cs. A m o n g
t h em, a n u cl e ar p o w er pl a nt wit h a m elt d o w n a c ci d e nt es p e ci all y r e q uir es hi g h
r a di ati o n- h ar d n ess o v er 1 0 0 k G y a n d hi g h-t e m p er at ur e r eli a bilit y at a t e m p er at ur e o v er
5 0 0° C.
B ef or e e x pl ai ni n g h o w t o e n h a n c e b ot h h ar d n ess es of s e mi c o n d u ct or d e vi c es, t h e
i nfl u e n c es of t h e h ars h e n vir o n m e nts o n t h e d e vi c es ar e m e nti o n e d i n s u bs e cti o ns 1. 1. 1
a n d 1. 1. 2.

1. 1. 1 R a di ati o n eff e cts o n s e mi c o n d u ct or d e vi c es
Io ni zi n g r a di ati o n is r o u g hl y c at e g ori z e d i nt o t hr e e t y p es b y i n ci d e nt p arti cl es: a si n gl e
hi g hl y e n er g eti c c h ar g e d- p arti cl e ( al p h a p arti cl e, h e a v y i o n), li g ht p arti cl e ( n e utr o n,
el e ctr o n), p h ot o n ( X-r a y, γ -r a y). T h es e i n ci d e nt p arti cl es i nt er a ct wit h s o m e m at eri al i n a
s e mi c o n d u ct or d e vi c e. T h e d o mi n a nt r a di ati o n r es p o ns es ar e s h o w n i n Fi g. 1. 2 . It is
m ai nl y c h a n g e d b y t h e t y p e of i n ci d e nt p arti cl e, t h e ki n eti c e n er g y, a n d a n a p pli e d
el e ctri c fi el d.
T h e i n ci d e nt c h ar g e d- p arti cl e c a us es t h e si n gl e e v e nt eff e cts ( S E Es) o n t h e
s e mi c o n d u ct or r e gi o n. A n i n ci d e nt hi g h- e n er g eti c p arti cl e g e n er at es a l ot of
el e ctr o n- h ol e p airs al o n g its p at h. T h e i niti al n u m b er of el e ctr o n- h ol e p airs ( N p ) is
es ti m at e d wit h t h e f or m ul a:
N p = E k /E e- h , ( 1. 1)

Fi g. 1. 2.

Cl assifi c ati o n of t h e r a di ati o n a n d i nt er a cti o n m e c h a nis m. ...

この論文で使われている画像