氏名　土田　秀一
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博乙第134号
学位授与の日付　平成11年3月25日
学位論文の題目　Study on characterization and control of surface　adsorbates and oxides on SiC using FTIR-ATR　（FTlR-ATRによるSiC上の表面吸着質ならびに酸化物の評価・制御に関する研究）

論文審査委員
　主査　教授　八井　浄
　副査　助教授　斎藤　秀俊
　副査　助教授　伊藤　治彦
　副査　助教授　安井　寛治
　副査　東北大学電気通信研究所　教授　庭野　道夫

• 論文目次
• 論文要旨

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Index
1.　Introduction　p.1
1.1 Status of power electronics for power systems　p.1
1.2 Possibility of SiC semiconductor devices　p.3
1.3 Recent developments on SiC　p.6
1.3.1 Bulk growth　p.6
1.3.2 Epitaxial growth　p.8
1.3　3Devices and processes　p.9
1.4 Aim of thrs study　p.10
1.5 Construction of this thesis　p.12
References　p.14

2.　Infrared spectroscopy　p.17
2.1 Background　p.17
2.2 Configuration of infrared spectroscopy for SiC surfaces　p.19
2.3 Theoretical background　p.20
2.3.1 Adsorbate layer model　p.20
2.3.2 Two-1ayer model　p.21
2.3.3 Three-layer model　p.23
2.3.4 Theoretical aspects of ATR spectroscopy using Ge prism　p.25
2.4 Experimental setup　p.30
2.5 Conclusions　p.31
References　p.32

3.　Bulk absorption　p.33
3.1 Background　p.33
3.2 Optical constants of SiC　p.33
3.3 Total reflection　p.36
3.4 Lattice absorption　p.38
3. SConclusions　p.40
References　p.41

4.　Chemical treatment　p.42
4.1 Background　p.42
4.2 HF treated surfaces　p.43
4.3 Chemical oxides　p.52
4.3.1 Experimental procedure and results　p.52
4.3.2 Effects of H2O2 treatment　p.54
4.3.3 Structure of the chemical oxide formed by the H2SO4 treatment　p.56
4.4　Conclusions　p.59
References　p.60

5.　Heat treatment in hydrogen　p.62
5.1 Background　p.62
5.2 Experimental　p.64
5.3 （0001） surface　p.66
5.3.1 Results　p.66
5.3.2 Assignments of Si-H stretch modes　p.68
5.3.3 Hydrogen termination mechanism of （0001） surface　p.70
5.3.4 Aging effects　p.74
5.4 （0001） surface　p.77
5.4.1 Results　p.77
5.4.2 Assignments of C-H stretching yibrations　p.77
5.4.3 Hydrogen etching and hydrogenation of （0001） surface　p.81
5.4.4 Aging effects　p.83
5.5 Conclusions　p.85
References　p.86

6. Thermal oxidation　p.88
6.1 Background　p.88
6.2 Experimental procedure　p.89
6.3 Si02 films on 6H-SiC　p.91
6.3.1 Optical constants of amorphous Si02　p.91
6.3.2 Evaluation of Si02 films on SiC　p.92
6.3.3 TO mode frequency of Si-O-Si stretch mode　p.96
6.3.4 LO mode frequency of Si-O-Si stretch mode　p.101
6.4 Conclusions　p.103
References　p.104

7.　Concluding remarks　p.106
7.1　Summary of this thesis　p.106
7.2　Future prospects　p.107

Acknowledgments　p.108

　Study on characterization and control of surface adsorbates and oxides on SiC using FTIR-ATR
　（FTlR-ATRによるSiC上の表面吸着質ならびに酸化物の評価・制御に関する研究）
　SiC単結晶の表面処理技術の高度化を目的として，全反射赤外分光（FTIR-ATR）法を用いたSiC単結晶の表面吸着質ならびに酸化物の評価・制御技術に関する研究を行った。その結果，6H-SiC（0001）面を終端するSi-H結合，ならびに（0001）面を終端するC-H結合と帰属できる振動モードの観測に初めて成功した。また，化学溶液処理（HF溶液，H202溶液，H2SO4溶液）のSiC（0001）面と（0001）面に対する表面処理効果には面方位依存性が存在することを明らかにした。さらに，SiC上の熱酸化膜の構造をSi-O-Si伸縮振動波形より議論した。本研究により得られた結果は以下の通りである。
（1）HF処理の6H-SiC（0001）面に対する表面処理効果を調べた。その結果，HF処理後のSiC（0001）面からは、CHx種の存在を示すC-H伸縮振動ならびにSi-OH種、H20の存在を示すO-H伸繍振動が観測され，Si-H振動は観測されなかった。このことより，HF処理によって、Si-H結合で終端されたSi結晶表面が通常得られるものの，SiC（0001）面においてはSi-H結合種では主に終端されずに、結果としてCHx種.Si-OH種.H20で覆われた表面が得られたことを明らかにした。
（2）水素ガス中での高温熱処理・冷却プロセスによって，SiC（0001）面上にSi-H結合種を形成可能であることを初めて明らかにした。観測された数種のSi-H伸縮振動モードをそれらの振動周波数とバックボンド原子種との関係，ならびにSi-H結合種の化学的特性を基に考察し，水素ガス中熱処理後のSiC（0001）面上にはバックボンドにC原子およびO原子が結合された数種のSi-H結合が存在することを示唆した。これらのSi-H結合種の処理温度依存性を調べた結果，（0001）表面を終端するものと考えられるSi-H結合（C3Si-H:2130cm-1）を高度に規則化するための処理条件を得た。以上の結果により，これまで未知であったSiC（0001）表面上のSi-H結合種の存在ならびにその挙動を明らかにすることができた。
（3）水素ガス中熱処理によって形成された（0001）表面のSi-H結合が，処理後4日間の大気中放置後においても明確に観測可能なことを示した。このことから，（0001）表面上のSi-H結合が大気接触に対してある程度の安定性を持つことを明らかにした。また同時に，大気中放置に伴うCH2.CH3振動モードによる吸収強度の増大を観測し，大気中のCHx種が水素ガス中熱処理された（0001）表面の汚染要因となることが判明した。
（4）水素ガス中熱処理後の（0001）面より，表面を終端するものと考えられる非常に細い半値幅（1.6cm-1）のC-H伸縮振動（2850cm-1）を初めて観測した。これにより.水素ガス中熱処理を適用することにより（0001）表面を平坦化するとともにその表面にC-H結合を形成することが可能なことを示した。（0001）表面とは対照的に，水素ガス中熱処理後の（0001）面からは明確なSi-H振動は観測されなかいように，SiC{0001}には表面結合種（Si-H，C-H）の明確な面方位依存性が存在することを初めて明らかにした。
（5）SiC（0001）面と（0001）面の化学溶液処理に対する酸化特性を調べた結果，高温H2SO4溶液処理によって（0001）面にはSi-O-Si結合を持つ酸化物を形成可能であるが，同一の処理では（0001）面にはSi-O-Si結合がほとんど形成されないこと、水素中ガス処理によって形成された表面Si-H結合はH202溶液処理によってほぼ完全に酸化されることを明らかにした。また、H202溶液処理やH2SO4溶液処理によって形成される6H-SiC（0001）上の酸化物の構造（光学定数分散）は，熱酸化膜のそれとは大きく異なることを示した.
（6）6H-SiC単結晶上の熱酸化膜のもつSi-O-Si伸縮振動を調べた結果，10nm以上の比較的厚い酸化膜の平均的光学定数分散は溶融石英のそれに近いこと，界面近傍数nm以下の領域には厚い酸化膜や溶融石英とは異なった光学定数分散（膜厚の低下に伴うSi-O-Si伸縮振動のTOモードの低周波シフト）を持つ領域が存在することを明らかにした。また、界面近傍数nm以下の領域における酸化膜の光学定数分散は，酸化温度（酸化温度が低いほど低周波シフト量が増大）やアニール処理（アニール処理により低周波シフト量が低減）によって変化することを示した。
　以上により，各種表面処理後におけるSiC単結晶上のSi-H，C-H，O-H，Si-O-Si結合種の観測技術を確立するとともに、水素ガス中熱処理による6H-SiC{0001}面の水素化手法を明らかにした。