[논문 리뷰] Structure and energetics of carbon defects in SiC (0001)/SiO2 systems at realistic temperatures: Defects in SiC, SiO2, and at their interface

小林拓真, Takuma Kobayashi외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 11.

Silicon Carbide Semiconductor Technologies참고 문헌 36인용 수 62

한 줄 요약

이 처음부터 원자구조적 연구는 4H-SiC/SiO2 인터페이스에서 탄소 관련 결함이 산화 조건에 매우 민감하게 반응함을 밝혀냈다: 산소가 풍부한 환경에서는 SiC 격자 내 이탄소 반대위치((C2)Si)가 지배적이며, 도체 밴드 근처에 깊은 에너지 수준을 만들며 n채널 MOSFET 성능을 떨어뜨린다; 산소가 부족한 조건에서는 인터페이스의 Si-C-C-Si 결함이 가장 안정적이며 유사하게 n채널 이동도를 떨어뜨린다. 결과적으로 고온, 산소가 부족한 산화 조건이 결함 생성을 줄이기 위해 에너적으로 유리하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We report first-principles calculations that reveal the atomic forms, stability, and energy levels of carbon-related defects in SiC (0001)/SiO$_{ m 2}$ systems. We clarify the stable position (SiC side, SiO$_{ m 2}$ side, or just at the SiC/SiO$_{ m 2}$ interface) of defects depending on the oxidation environment. Under an O-rich condition, the di-carbon antisite ((C$_{ m 2}$)$_{ m Si}$) in the SiC side is stable and critical for $n$-channel MOSFETs, whereas the di-carbon defect (Si-C-C-Si) at the interface becomes critical under an O-poor condition. Our results suggest that the oxidation of SiC under a high-temperature O-poor condition is favorable in reducing the defects, in consistent with recent experimental reports.

연구 동기 및 목표

• 실제 산화 조건 하에서 SiC(0001)/SiO2 시스템에서 탄소 관련 결함의 안정한 원자 구조를 규명하는 것.
• 다양한 산화 조건(산소 풍부 대비 산소 부족) 하에서 이러한 결함의 열역학적 안정성을 결정하는 것.
• 안정한 결함의 전자 에너지 수준을 평가하고 MOSFET 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.
• SiC 열산화 공정을 최적화하여 인터페이스 상태 밀도를 줄이기 위한 이론적 근거를 제공하는 것.

제안 방법

• 4H-SiC의 밴드 갭을 정확히 기술하기 위해 HSE06 하이브리드 함수를 사용한 처음부터 원자구조적 밀도함수이론(DFT) 계산.
• VASP를 사용하여 구조 최적화 및 전자 구조 계산를 수행하였으며, 프rojector augmented wave (PAW) 방법과 400 eV 평면파 커팅을 사용함.
• 결함 생성 에너지 EF = ED − E0 − Σniμi 공식을 사용하여 계산하였으며, 화학적 황금 μi는 C-rich, O-rich 및 C-rich, O-poor 조건 하에서 기준 상ases(Si, SiC, SiO2, CO2, O2, CO, SiH4)로부터 유도됨.
• 기체상 종양(O2, CO, CO2, SiH4)에 대해 열역학적 표를 사용하여 온도 의존성 엔탈피 및 엔트로피 보정을 적용함.
• 세 가지 별도 영역에서 결함을 모델링함: 128원자 4H-SiC 초세포(SiC 측), 72원자 α-세로티크 SiO2 초세포(SiO2 측), 128원자 SiC 표면 슬립(인터페이스).
• 안정성 및 전자 수준을 체계적으로 평가하기 위해 총 114개의 초기 결함 구조(23개 SiC, 12개 SiO2, 79개 인터페이스)를 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 산화 조건 하에서 SiC, SiO2 및 SiC/SiO2 인터페이스에서 탄소 관련 결함의 구조가 열역학적으로 안정한가?
• RQ2 산소가 풍부한지 부족한지에 따라 탄소 결함의 생성 에너지와 안정성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 가장 안정한 결함의 전자 에너지 수준은 무엇이며, MOSFET 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 결과는 고온(1720 K), 산소가 부족한 산화 후 결함 감소를 관찰한 실험 결과를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 산소가 풍부한 조건에서는 SiC 격자 내 이탄소 반대위치((C2)Si)가 가장 안정한 결함이며, 1600 K에서 CO 및 CO2 분자와 유사한 생성 에너지를 가짐.
• (C2)Si 결함은 도체 밴드에서 EC − 0.1 eV(h-위치) 및 EC − 0.4 eV(k-위치)에 결함 수준을 만들며, 이는 n채널 MOSFET에 중요한 트랩으로 작용함.
• 산소가 부족한 조건에서는 인터페이스의 Si-C-C-Si 결함이 가장 안정적이며, EC − 0.1 eV에 결함 수준을 만들며 이로 인해 n채널 성능이 떨어짐.
• 산소가 풍부한 조건에서는 여러 인터페이스 탄소 이중결함(Si-CO-CO2, Si-CO-CO-Si 등)이 안정적이며, 발화 밴드 가장자리 근처의 수준을 만들며 p채널 MOSFET 성능에 영향을 줌.
• 고온(1720 K) 산소가 부족한 산화 및 저pO2 아르곤 분雰위에서의 산화 후 열처리 후 결함 감소를 관찰한 실험 결과를 이 연구가 설명할 수 있음.
• 산소가 부족한 조건은 결함 밀도를 줄이지만, Si-C-C-Si 결함은 여전히 n채널 장치 이동도에 영향을 주는 지속적인 문제로 남아 있음.