酸化膜電荷（Oxide Charge）とは
～MOS構造における電気的特性に大きく影響する固定電荷～
■ 定義
**酸化膜電荷（Oxide Charge）**とは、MOS構造（Metal–Oxide–Semiconductor）の酸化膜（絶縁膜）内部または界面付近に存在する、電気的に固定された電荷のことを指します。
この電荷は、ゲート電極から印加される電界と無関係に存在し、MOSデバイスのしきい値電圧（Vth）や平坦バンド電圧（Vfb）などに大きな影響を与えるため、半導体評価における重要なパラメータです。
■ 酸化膜電荷の分類
| 種類 | 場所 | 特徴 |
|---|---|---|
| ✅ 固定電荷（Fixed Charge, Qf） | 酸化膜中・界面近傍 | 恒常的に存在し、電界に応じて移動しない |
| ✅ 移動イオン（Mobile Ions, Qm） | 酸化膜中（Na⁺など） | 温度やバイアスにより移動し、信頼性に影響 |
| ✅ トラップ電荷（Trapped Charge, Qt） | 酸化膜中 | 過去のバイアスストレスなどで捕獲された電荷 |
| ✅ 界面準位電荷（Interface States, Qit） | 酸化膜と半導体界面 | C–V特性に周波数依存性を与える |
■ 酸化膜電荷としきい値電圧の関係
MOS構造において、酸化膜電荷の存在はゲート電圧に対するチャネル形成条件（Vth）をシフトさせます。
特に固定電荷（Qf）は、以下のように平坦バンド電圧（Vfb）やしきい値電圧のずれの原因となります：
Vfb=Φms−QoxCoxV_{fb} = \Phi_{ms} - \frac{Q_{ox}}{C_{ox}}
-
Φms\Phi_{ms}：金属-半導体の仕事関数差
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QoxQ_{ox}：酸化膜電荷量（C/cm²）
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CoxC_{ox}：酸化膜容量（F/cm²）
■ 測定・抽出方法
| 方法 | 内容 |
|---|---|
| ✅ C–V測定（HF/LF） | 平坦バンド電圧のずれから間接的に推定 |
| ✅ ΔVfb法 | ストレス前後での平坦バンド電圧の変化量を比較 |
| ✅ 電荷ポンピング法（Charge Pumping） | トラップ密度をパルス応答から測定 |
| ✅ TDR法（Time Domain Reflectometry） | 微小な電荷変化を高時間分解で観測 |
■ 酸化膜電荷の影響と課題
| 項目 | 説明 |
|---|---|
| ✅ Vthのばらつき | デバイス間の電気的ばらつきの要因に |
| ✅ BTI（Bias Temperature Instability） | ストレスにより電荷トラップが蓄積 |
| ✅ MOSキャパシタの非対称C–V特性 | 酸化膜電荷分布の偏りが原因 |
| ✅ MEMS/センサ応答の誤差 | 電荷の時間的変化が出力に影響 |
■ 対応と評価のポイント
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| ✅ 高品質な酸化膜形成 | プラズマダメージやNa⁺混入の防止 |
| ✅ C–V測定条件の最適化 | 周波数・温度・バイアス掃引速度 |
| ✅ 解析ソフトとの連携 | QfやDitの自動抽出ツール活用 |
| ✅ パワーデバイスでは特に重要 | SiCやGaN MOS構造でのVth安定性に直結 |
■ まとめ
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 定義 | MOS構造内の酸化膜やその界面に存在する固定・移動可能な電荷 |
| 分類 | 固定電荷、移動イオン、トラップ電荷、界面準位電荷 |
| 測定法 | C–V測定、ΔVfb法、電荷ポンピング法など |
| 影響 | 平坦バンド電圧・しきい値電圧の変動、信頼性の劣化 |
| 活用分野 | パワーデバイス、センサ、集積回路のプロセス評価 |