[論文レビュー] 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 Kobayashi+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2020

Silicon Carbide Semiconductor Technologies参考文献 36被引用数 62

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算により4H-SiC/SiO2界面における炭素関連欠陥が酸化条件に極めて敏感であることが明らかになった。酸素過剰環境下では、SiC本体に存在する二重炭素反位 (C2)Si が支配的となり、伝導帯近傍に深い準位を形成し、nチャネルMOSFETの性能を低下させる。酸素不足条件下では、界面に存在するSi-C-C-Si欠陥が最も安定し、同様にnチャネル移動度を低下させる。結果から、欠陥形成を低減するには高温・酸素不足酸化がエネルギー的に有利であると示唆される。

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.

研究の動機と目的

• SiC (0001)/SiO2系における炭素関連欠陥の安定な原子配置を、SiC、SiO2、および界面で特定すること。
• 酸素過剰と酸素不足の異なる酸化条件下でのこれらの欠陥の熱力学的安定性を特定すること。
• 安定欠陥の電子的エネルギー準位を評価し、MOSFET性能に与える影響を検討すること。
• SiC熱酸化プロセスの最適化に理論的根拠を提供し、界面状態密度を低減すること。

提案手法

• 4H-SiCのバンドギャップを正確に記述できるよう、HSE06混合関数を用いた第一原理密度汎関数理論(DFT)計算を実施。
• VASPを用いて構造最適化および電子構造計算を実施。プロジェクター補間波関数(PAW)法と400 eVの平面波カットオフを用いた。
• 欠陥形成エネルギーは EF = ED − E0 − Σniμi の式で計算。化学ポテンシャルμiは、炭素過剰・酸素過剰および炭素過剰・酸素不足の条件下で、Si, SiC, SiO2, CO2, O2, CO, SiH4 からの値を参照した。
• 気相種（O2, CO, CO2, SiH4）に対して、熱化学表を用いて温度依存のエンタルピーおよびエントロピー補正を適用。
• 欠陥は3つの異なる領域にモデル化された：128原子の4H-SiCスーパーセル（SiC側）、72原子のα石英SiO2スーパーセル（SiO2側）、128原子のSiC表面スラブ（界面）。
• 合計114通りの初期欠陥配置（SiC上23、SiO2上12、界面で79）を体系的に安定性および電子的準位の評価に用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の酸化条件下において、SiC、SiO2、およびSiC/SiO2界面で炭素関連欠陥のどの配置が熱力学的に安定か？
• RQ2 酸素過剰と酸素不足の環境が、炭素欠陥の形成エネルギーおよび安定性にどのように影響するか？
• RQ3 最も安定な欠陥の電子的エネルギー準位は何か？ そして、MOSFET性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 本研究の結果は、高温（1720 K）・酸素不足酸化および低pO2のAr中での酸化後アニール後に界面欠陥が減少するという実験的観察を説明できるか？

主な発見

• 酸素過剰条件下では、SiC本体に存在する二重炭素反位 (C2)Si が最も安定した欠陥であり、1600 KにおけるCOおよびCO2分子と同等の形成エネルギーを示した。
• (C2)Si欠陥は、伝導帯端（EC）から0.1 eV（hサイト）および0.4 eV（kサイト）の準位を形成し、nチャネルMOSFETの重要なトラップとなる。
• 酸素不足条件下では、界面に存在するSi-C-C-Si欠陥が最も安定し、EC − 0.1 eVの準位を形成し、nチャネル性能を低下させる。
• 酸素過剰条件下では、複数の界面炭素二重体欠陥（例：Si-CO-CO2、Si-CO-CO-Si）が安定であり、価電子帯端付近の準位を形成し、pチャネルMOSFETに影響を与える。
• 本研究は、高温（1720 K）・酸素不足酸化および酸化後アニールにより欠陥が減少するという実験的報告を説明できる。
• 酸素不足条件であっても、Si-C-C-Si欠陥はnチャネルデバイスの移動度に影響を及ぼす継続的問題のままである。