Reduction of SiC-MOS Interface Traps and Improved MOSFET Performance by Phosphorus Incorporation into Gate Oxides

Abstract

We have developed a new technique, POCl3 annealing, to improve 4H-SiC MOS interface properties. In this paper effects of phosphorus incorporation into the gate oxide by POCl3 annealing on electrical properties of 4H-SiC MOS devices are introduced. POCl3 annealing is more effective to reduce interface state density (Dit) and near-interface traps (NITs), and to improve channel mobility compared with the conventional NO annealing. High-low C-V characteristics at room temperature, cyclic C-V characteristics at 80 K, and thermal stimulated current measurements for MOS capacitors revealed that most of Dits near the conduction band edge and NITs are greatly reduced to the detection limit level. I-V characteristics of MOSFETs showed that the channel mobility was improved to be 89 cm 2 /Vs, which is 3 times higher than that of the NO annealed MOSFETs. Chemical bond structures at the interface for NO and POCl3 annealed samples are also investigated by X-ray photoelectron spectroscopy. 1．は じ め に 電力は扱いやすいエネルギー形態であるため，人類の 生活レベルの発展に伴い，その消費量は増えてきた。各 種電気機器・IT 機器の利用増大や車両の電動化などが 進み，ますます電力消費量は増大するであろう。電力の 制御・変換には電力変換器が用いられ，そこでは電力用 半導体（パワーデバイス）が用いられる。電力を有効活 用するためパワーデバイスにも革新が求められており， 現有の Si から SiC への材料転換が有効である。SiC に は多数の結晶多形が存在するが，中でも 4H-SiC は，そ の優れた材料物性からパワーデバイスに適用すると電力 損失を大幅に削減できるため，注目を集めている 1) 。 SiC ショットキーダイオードは 2001 年に実用化され， その後改良が進んでいる。電力変換器にはダイオードと トランジスタが必要であるので，オール SiC 製の超低 損 失 電 力 変 換 器 を 実 現 す る た め に は SiC パ ワ ー MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-酸化膜-半導体型電界効果トランジス タ）の実現が不可欠である。従来，4H-SiC に形成した MOS 界面（SiO2/SiC 界面）には多数の欠陥が存在し， 特性の悪い MOSFET しか得られなかった。Si の MOS 界面欠陥の低減に効果的な手法（水素ガスを含んだ雰囲 気でのアニール）を SiC の MOS 界面に適用してもほと んど特性の改善は見られず，パワー MOSFET の実用化 は困難であった。その後，ゲート酸化膜の形成法や欠陥 低減のアニール法の改良により MOSFET 特性は改善さ * 現所属 筑波大学 数理物質科学研究科