SiC 高チャネル移動度トランジスタ

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きゅうたなみこし
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エレクトロニクス SiC 高チャネル移動度トランジスタ日吉透 * 増田健良和田圭司原田真築野孝並川靖生 SiC MOSFET with High Channel Mobility by Toru Hiyoshi, Takeyoshi Masuda, Keiji Wada, Shin Harada, Takashi Tsuno and Yasuo Namikawa SiC

1 エレクトロニクス SiC 高チャネル移動度トランジスタ日吉透 * 増田健良和田圭司原田真築野孝並川靖生 SiC MOSFET with High Channel Mobility by Toru Hiyoshi, Takeyoshi Masuda, Keiji Wada, Shin Harada, Takashi Tsuno and Yasuo Namikawa SiC (silicon carbide) MOS (metal oxide semiconductor) devices are promising candidates for high-power, high-speed, and high-temperature switches owing to their superior properties such as wide bandgap, high breakdown electric field, high saturation velocity, and high thermal conductivity. However, excellent device characteristics expected from these physical properties have not been achieved due to the issues related to SiO2/SiC interface properties. Although several methods to improve the interface state have been reported, the issues of SiO2/SiC interface have not been solved. In this paper, we tried to improve the interface properties by using 4H-SiC (-33-8) face. The fabricated MOSFET (Field Effect Transistor) showed high channel mobility compared with the conventional crystal face (4H-SiC (1)). In addition, the MOSFET showed a low on-resistance of 4 mω cm 2 with a blocking voltage of 89 V. Keywords: silicon carbide, MOSFET, transistor 1. 緒言東日本大震災における福島第一原子力発電所の事故を受け太陽光発電風力発電等の自然エネルギーの利用や電気エネルギーの高効率利用への注目が高まっている自然エネルギーによる発電は気象条件に左右されやすいという課題に加え火力発電や原子力発電に比べて発電量が少ないため発電された電力を効率良く送電利用する制御技術が求められる電力の制御技術一般はパワーエレクトロニクスと呼ばれ制御機器として様々な電力変換器が用いられているその電力変換器を構成しているのが電力用半導体装置 ( 以下パワーデバイス ) である電力変換ではパワーデバイスのスイッチングを用いて電力を制御するためパワーデバイスの損失低減が送電系統の高効率化に直結するまたモーター等の産業機器や家電の分野においてもインバータを構成しているのはパワーデバイスであり送電と同様にパワーデバイスの損失低減が重要になる現在パワーデバイスを支えている材料はシリコン (Si: Silicon) であるしかし Si パワーデバイスは技術の成熟により物性値で決まる性能限界に到達しようとしているそこで Si に代わるパワーデバイス用材料として注目されているのがワイドバンドギャップ半導体の炭化珪素 (SiC: Silicon Carbide) である SiC は Si に比べて絶縁破壊電界電子飽和速度熱伝導率が大きいという優れた物性を持つことから次世代のパワーデバイス材料として期待されている (1) SiC は 1993 年に報告されたショットキーバリアダイ (2) オード (SBD: Schottky Barrier Diode) 以降精力的な研究開発が続けられており現在では特にスイッチング素子の本命である MOSFET(metal oxide semiconductor Field Effect Transistor) の開発が盛んに行われている (3)(4) これまで SiC MOSFET は 4H-SiC(1) 上に作製されてきたが SiO2/SiC に存在する界面準位密度が高いために (5) (6) バルク移動度に対して 2 桁程度低いチャネル移動度しか得られていないこの界面準位密度を低減するためにデバイスを作製する結晶面方位として 4H-SiC(11-2) (7) や 4H-SiC(-1) (8) を利用すること SiO2/SiC を形成す (9) る SiC の酸化工程において酸窒化や POCl3 (1) を導入する方法などが提案されているしかし根本的な解決に至っていないのが現状であるこの界面準位密度を低減しチャネル移動度の向上を図るために我々は 4H-SiC(-33-8) を用いて MOSFET の試作を行った 4H-SiC(-33-8) を用いることで従来に比べて界面準位密度を 1 桁下げチャネル移動度を大幅に改善することに成功した本稿では 4H-SiC(-33-8) 上の MOS 界面の特性と MOSFET の基本特性について報告する 2. MOS デバイスの構造と製造プロセス図 1 に評価した MOS デバイスの断面構造図を示す図 1(a) は MOS キャパシタと呼ばれ SiO2/SiC の界面特性を調査するための素子である図 1(b) は横型 MOSFET でありチャネル移動度や閾値電圧の評価に用いるこの横型 MOSFET は図 1(c) に示す縦型 MOSFET のチャネル部 ( 13 ) SiC 高チャネル移動度トランジスタ

2 を切り出した構造となっている図 1(c) は前述の通り縦型 MOSFET であり大電流を縦方向に流すことができる製品に最も近い素子構造となる MOSFET をオン状態にするためには図 2 に示すようにゲート電極に閾値電圧 Vth よりも高いゲート電圧 (VG) を印加するこれによりチャネル領域に反転チャネル層が形成されソースとドレインが導通状態になりドレイン電流 (I D) が流れる MOSFET をオフさせるためにはゲート電圧を閾値電圧よりも低くするこのように MOSFET はゲート電極への電圧印加によってオンとオフを切り替えるスイッチング素子となるまたパワー MOSFET にはゲート電圧を印加していない状態ではオフを保つノーマリオフ特性が要求されるさらに SiC は高温下での使用も期待されているため高温下でのノーマリオフも必要とされるこのノーマリオフ特性を得るために本報告では p-well の濃度を制御した本報告で用いた基板はn 型 4H-SiC(-33-8) である 4H-SiC(-33-8) は図 3 に示すように基底面である (1) に対して <1-1> 方向に 54.7 傾けた面であるこの結晶面方位は Si の結晶における 3C-Si(1) に対応した結晶面である 3C-Si(1) と SiO2 の界面は界面準位密度が低いことから (11) SiC においても界面準位の低減が期待できる面である基板上のエピタキシャル成長層は化学的気相成長法によって成長するエピタキシャル成長層の濃度と膜厚はそれぞれ cm -3 1 µm である p 型と n 型の注入層はそれぞれ Al イオン注入とPイオン注入で形成した P-well の濃度は cm -3 の間で変化させたゲート酸化膜は SiC をドライ酸化することで形成しゲート酸化膜形成後には界面特性を改善させる目的で窒化処理を導入した (9) ゲート酸化膜の膜厚は約 45 nm であるゲート電極には n 型 poly-si を用いた横型 MOSFET のチャネル長 L ch は 1 µm( チャネル幅 Wch は 2 µm) 縦型 MOSFET のチャネル長は 1 µm である縦型 MOSFET はより精度の高いオン抵抗評価と耐圧試験を行うために銅タングステンベースのメタルパッケージに実装し電流電圧特性を評価した比較のために従来から用いられている n 型 4H-SiC(1) にも同様のデバイスを作製し評価を行った図 1 評価に用いた MOS デバイス (a)mos キャパシタ (b) 横型 MOSFET (c) 縦型 MOSFET 3. MOS デバイスの特性評価 3 1 SiO2/SiC の界面準位評価最初に SiO2/SiC に存在する界面準位密度の評価結果を示す評価は図 1(a) に示す MOS キャパシタを用いて行った界面準位密度は High-Low 法で評価した High-Low 法は MOS キャパシタの容量電圧特性を高周波 (C HF) と低周波 (C QS) で取得しそれらを比較することで界面準位密度を算出する方法である図 4 に界面準位密度の算出結果を示す横軸にバンドギャップ内の界面準位エネルギー (E C は導電帯エネル図 2 MOSFET の動作原理年 7 月 S E Iテクニカルレビュー第 18 3 号 ( 131 )

3 (1) 1 V =.1 V (338) µ V th = 3 V 図 3 4H-SiC(-33-8) 面 (1) (338) 図 5 横型 MOSFET の I D-VG 特性図 4 SiO2/SiC 界面の界面準位密度の比較ギー端 ) 縦軸に界面準位密度を示す (-33-8) 上の SiO2/SiC の界面準位密度は (1) 上に比べて約一桁低減されており欠陥の少ない良好な界面が形成されていることがわかるこの界面準位密度が少ない場合チャネル移動度が高くなることが報告されており (12) (-33-8) が高チャネル移動度を有することを示唆する結果となった 3 2 チャネル移動度と閾値電圧の評価 3 1 項では (-33-8) 上の SiO2/SiC に存在する界面準位を評価した本項では 4H-SiC(-33-8) 上に作製した横型 MOSFET の電気的特性から電子のチャネル移動度を評価する図 5 に横型 MOSFET(P-well 濃度 : cm -3 ) から得られた I D-VG 特性と I D-VG 特性から算出したチャネル移動度 µ FE ( 電界効果移動度 ) を示す MOSFET の駆動に用いられるゲート電圧域 (VG = 15 2 V) においてチャネル移動度は約 8 cm 2 /Vs となった比較のために作製した (1) 上の MOSFET ではチャネル移動度が 1 cm 2 /Vs 程度であったことから (-33-8) を用いることでチャネル移動度を大幅に改善できることがわかるまた上述の通り MOSFET にはノーマリオフという性能が求められるが (-33-8) 上の MOSFET の閾値電圧 Vth( サブスレッショルドスロープの立ち上がりから求めた閾値電圧 ) は 3 Vとなりノーマリオフ動作を確認することができた 3 3 閾値電圧とチャネル移動度の P-well 濃度依存性パワー MOSFET をノーマリオフ化するためには閾値電圧を高く設計しなければならない閾値電圧を制御するためには一般的に P-well の濃度を調整する方法が用いられる (P-well 濃度が高いほど閾値電圧は高くなる ) 本開発においても閾値電圧の制御を目的として閾値電圧の P-well 濃度依存性を調査したまたそれと同時にチャネル移動度の P-well 濃度依存性も評価した図 6 に閾値電圧とチャネル移動度の P-well 濃度依存性を示す閾値電圧は P-well の濃度が増加するとともに高くなることを確認した特に P-well 濃度が cm -3 以上となると閾値電圧が 3 V 以上となり十分に高い閾値電圧を維持することができるまたチャネル移動度については P-well の濃度増加によって低下するこれはドーパントが増加したことにより不純物散乱が顕著になるためであると考えられるしかし (-33-8) 面上では P-well の濃度が cm -3 以上となっても 6 cm 2 /Vs 以上の高いチャネル移動度を有していた (1) を用いた場合 P-well の濃度を cm -3 とするとチャネル移動度が 1 cm 2 /Vs 以下まで顕著に低下することが報告されている (13) 本結果より 4H-SiC(-33-8) はチャネル移動度を大きく低下させることなく閾値電圧を高く設計できる点が大きなアドバンテージとなる SiC は高温環境下での動作も期待されており高温下においても確実にノーマリオフ特性を維持しなければならないそこで (-33-8) 上の横型 MOSFET を用いて閾値電圧の温度依存性を取得した図 7 に P-well 濃度が cm -3 の横型 MOSFET から得られた閾値電圧の温度依存性を示す室温で 4 V 近くあった閾値電圧は 2 付近で 2.6 V まで低下するがノーマリオフの特性は維持できていることがわかる ( 132 ) SiC 高チャネル移動度トランジスタ

4 3 4 縦型 MOSFET の評価これまでの評価では SiO2/SiC の界面やチャネル部の特性を評価し (-33-8) の SiO2/SiC の特性が (1) に比べて優れていることを示したここでは実際の製品レベルに近い縦型 MOSFET のオン特性と逆方向特性について報告する µ ト電圧が V では電流が流れておらずノーマリオフの特性が得られていることがわかるまたゲート電圧 15 V ドレイン電圧 2 Vの時の電流密度は 5 A/cm 2 となり特性オン抵抗は 4 mω cm 2 を得ることができた同構造の縦型 MOSFET を (1) に作製した場合にはチャネル移動度が低いために特性オン抵抗が mω cm 2 となるこの比較からも (-33-8) を用いることで縦型 MOSFET においても大幅なオン抵抗低減が確認された図 9 にはこの縦型 MOSFET の逆方向電圧特性を示すが耐圧は 89 V となった (-33-8) は (1) に比べて絶縁破壊電界が低いことが報告されている (14) 本実験に用いた濃度 cm -3 膜厚 1 µmのエピタキシャル成長層の理想耐圧は約 1, V であり理想耐圧の約 9% が得られていることになる 2 V th µ FE V GS = 15 V 12 V 9 V 図 6 閾値電圧とチャネル移動度の P-well 濃度依存性 V V 図 8 縦型 MOSFET の I D-VD 特性図 7 閾値電圧の温度依存性縦型 MOSFET に用いた n 型エピタキシャル成長層の濃度と膜厚はそれぞれ cm -3 1 µm である P- well の濃度は cm -3 としたデバイスのチップサイズは 1.5mm 1.5mm であり詳細は記載しないが逆方向電圧印加時のデバイス内部の強電界を緩和するためにデバイス終端部には電界緩和構造を設けた図 8 に (-33-8) 上の縦型 MOSFET から得られた I D-VD 特性を示すゲート電圧は 15 Vで変化させたゲー図 9 縦型 MOSFET の逆方向特性年 7 月 S E Iテクニカルレビュー第 18 3 号 ( 133 )

4. 今後の展望現在耐圧数百 V から 3,3 V レベルの中耐圧領域では Si パワーデバイスの一つである IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) が活躍しているこの領域の応用としては電気自動車産業用モーター電鉄等のドライブに使用されるインバータが多く低損失化と省スペース化が強く望まれている SiC を用いることで Si IGBT

5 4. 今後の展望現在耐圧数百 V から 3,3 V レベルの中耐圧領域では Si パワーデバイスの一つである IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) が活躍しているこの領域の応用としては電気自動車産業用モーター電鉄等のドライブに使用されるインバータが多く低損失化と省スペース化が強く望まれている SiC を用いることで Si IGBT に比べ低損失化が可能であるが本開発で評価した 4H-SiC(- 33-8) は従来の SiC MOSFET 以上に損失を減らすことが可能となるまた高温環境下においても安定したノーマリオフ動作が得られたことから冷却機構の簡略化も可能であり省スペース化に大きく貢献できると考えられる今後はデバイス構造や製造プロセスの最適化によってより低損失な MOSFET の開発を目指すまたチップサイズの拡大により電流容量の拡大も図るさらにより高い耐圧域の応用も視野に入れた技術開発 ( 厚膜のエピタキシャル成長層やデバイス端部の終端構造の開発 ) にも取り組む (9) T. Kimoto, Y. Kanzaki, M. Noborio, H. Kawano and H. Matsunami, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 44, pp (25) (1)D. Okamoto, H. Yano, K. Hirata, T. Hatayama and T. Fuyuki, IEEE Electron Device Letters, vol. 31, pp (21) (11) E. Arnold, J. Ladell and G. Abowitz, Applied Physics Letters, vol. 13, pp (1968) (12)N. S. Saks, Hall Effect Studies of Electron Mobility and Trapping at the SiC/SiO2 Interface, Silicon Carbide Recent Major Advances, W. J. Choyke, H. Matsunami and G. Pensl, pp (23) (13)S.-H. Ryu, S. Dhar, S. Haney, A. Agarwal, A. Lelis, B. Geil, and C. Scozzie, Materials Science Forum, vols , pp (29) (14)S. Nakamura, H. Kumagai, T. Kimoto, and H. Matsunami, Applied Physics Letters, vol. 8, pp (22) 執筆者日吉透 * : パワーデバイス開発部 5. 結言 SiO2/SiC 界面特性の改善が SiC MOS デバイスの大きな課題であったが 4H-SiC(-33-8) を用いることで大幅に改善できることが示された MOSFET のチャネル移動度は 8 cm 2 /Vs となりサブスレッショルドスロープの立ち上がりから求めた閾値電圧も 3 V まで高くすることができたまた SiC は高温下での動作が期待されているが 2 においてもノーマリオフの動作を確認したさらに特性オン抵抗 4 mω cm 2 ( 耐圧 89 V) という低抵抗な縦型 MOSFET を実現した増田和田原田健良 : パワーデバイス開発部主査圭司 : パワーデバイス開発部主査真 : パワーデバイス開発部主席参考文献築野孝 : パワーデバイス開発部グループ長 ( 理学博士 ) (1) H. Matsunami and T. Kimoto, Material Science and Engineering, R2, pp (1997) (2) thinq!, (3) J. A. Cooper, Jr., M. R. Melloch, R. Singh, A. Agarwal, and J. W. Palmour, IEEE Transactions on Electron Devices vol. 49, pp (22) (4) M. Matin, A. Saha, and J. A. Cooper, Jr., IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 51, pp (24) (5) N. S. Saks, S. S. Mani, and A. K. Agarwal, Applied Physics Letters, vol.76, pp (2) (6) H. Yano, T. Hirao, T. Kimoto and H. Matsunami, Applied Physics Letters, vol. 78, pp (21) (7) H. Yano, T. Hirao, T. Kimoto, H. Matsunami, K. Asano and Y. Sugawara, IEEE Electron Device Letters, vol. 2, pp (1999) (8) K. Fukuda, M. Kato, K. Kojima and J. Senzaki, Applied Physics Letters, vol. 84, pp (24) 並川靖生 : 半導体技術研究所グループ長 ( 工学博士 ) * 主執筆者 ( 134 ) SiC 高チャネル移動度トランジスタ

高耐圧SiC MOSFET

高耐圧SiC MOSFET エレクトロニクス高耐圧 S i C M O S F E T 木村錬 * 内田光亮日吉透酒井光彦和田圭司御神村泰樹 SiC High Blocking Voltage Transistor by Ren Kimura, Kousuke Uchida, Toru Hiyoshi, Mitsuhiko Sakai, Keiji Wada and Yasuki Mikamura Recently,