早稲田大学大学院
先進理工学研究科
博 士 論 文 概 要
論 文 題 目
Fabrication and Evaluation of
Transistors with Discrete-Dopant Array
Using Single-Ion Implantation
シングルイオン注入法を用いた離散的
ドーパントアレイを有するトランジスタの
作製と評価に関する研究
申 請 者
Masahiro
HORI
堀
匡寛
ナノ理工学専攻 分子ナノ工学研究
2011 年 12 月1 半導体シリコン(Si)の電気伝導性を制御するために、極微量の不純物原子が意図的にシリコンウェハ に導入される。従来、注入された不純物原子の分布はウェハ面内で均一であると見なされてきた。し かしながら、極度に微細化されたナノスケールの金属-酸化膜-シリコン電界効果トランジスタ （MOSFET）では、チャネル領域中のドーパント原子数が100個以下に減少し、その結果、トランジ スタの動作解析において、もはや一様な不純物原子分布を仮定できなくなった。加えて、この離散的 な不純物原子分布は、チャネル中に含まれる不純物原子の位置と個数のばらつきをもたらし、量産さ れるトランジスタの歩留まりを低下させた。 この問題の原因を解明するには、シングルイオン注入法の活用が効果的である。シングルイオン注 入法を用いれば、位置と個数を制御しながらドーパント原子をシリコンウェハに注入でき、それ故、 チャネル中のドーパント原子分布がトランジスタの電気的特性に与える影響を解明できる。筆者は、 シングルイオン注入法を改良することにより、微細MOSFETのチャネル領域に、確実に1個ずつドー パント原子を打ち込むことに成功した。そして、チャネル中の不純物原子配置を意図的に変えた評価 用素子グループ（TEG）を作製し、それらの電気的特性を測定した。加えて、チャネル中に少数個の 不純物原子だけが含まれるような単一ドーパントデバイスを作製し、低温における電子輸送特性を解 析した。本論文は、シングルイオン注入法の性能向上、離散的な不純物分布を有する MOSFET の電 気的特性評価、および、単一ドーパントデバイスの作製と評価結果に関して述べたものであり、5章か ら成る。以下に各章の概要について述べる。 第1章「Introduction」では、最初に、チャネル中のドーパント原子の位置と個数の揺らぎがもたら す問題点について述べる。そして、その揺らぎを解消するためのシングルイオン注入法の効果的な活 用と改良すべき点、および、不純物分布制御と電気伝導特性評価に関する研究の概要について述べる。
第2章「Single-ion implantation principle and the controllability enhancement」では、シングル イオン注入法の欠点であった注入イオン単一性に関する問題について述べ、注入イオン個数を高精度 に制御できる新手法を提案する。従来のシングルイオン注入法は、放出 2 次電子の検出によって、基 板に照射されたイオンの個数を計数していたため、約 10%の確率でイオンが照射されない場合や、2 個以上のイオンが同時に照射される場合があった。その原因は、イオンが基板表面に入射したにも関 わらず、2次電子が放出されないことにあった。筆者は、Silicon-on-Insulator (SOI)ウェハにイオン注 入を行う際に、負の基板バイアスを印加すれば放出 2 次電子個数を増加させられることに着目し、基 板バイアスを印加しながらSOIウェハ上のMOSFETのチャネル領域にイオン注入を施した。そして、 2次電子放出個数と印加基板バイアスとの関係を詳細に調査した。その結果、－5 Vの基板バイアスを 印加すると、1個のイオン入射に伴って平均で6.33個の電子が基板表面から放出されること、これに より1個のイオン入射を99%以上の確率で検出できることを見出した。この技術は、3章で述べるチャ ネル中不純物の位置と個数の制御の基盤をなすと同時に、4章で述べる単一ドーパントデバイス作製の 基盤となる。
第3章「Impact of a few dopant positions controlled by deterministic single-ion doping on the electron transport property of field-effect transistors」では、チャネル中の離散的なドーパント分布
が MOSFET のドレイン電流と相互コンダクタンスに与える影響について論じる。SOI 基板上にチャ ネル長を500 nmに、チャネル幅を段階的に100 nmから1000 nmまで変化させたMOSFETのTEG を試作した。シングルイオン注入法を用いて、リン(P)原子をチャネル中で規則的に配置させたデバイ スと、ランダムに配置させたデバイスとを作製した。さらに、リン原子の分布を意図的に非対称にソー ス側に偏在させ、ソース端子とドレイン端子を入れ替えて測定することにより、リン原子がソース側 に偏在するデバイスと、ドレイン側に偏在するデバイスの両方の特性を一度に評価できるように工夫 した。試作MOSFETの電流-電圧特性の評価結果から、リン原子の配置に起因してドレイン電流にば らつきが生じることを明らかにした。さらに、ドレイン電流値の比較結果から、ドレイン側に配置し たデバイスのドレイン電流が、ソース側に配置したデバイスのドレイン電流よりも相対的に大きくな ることを見出した。相互コンダクタンスを比較した結果、ドレイン側で規則的に配置したデバイスの 相互コンダクタンスが、ソース側でランダムに配置したデバイスの相互コンダクタンスよりも 23.4% だけ増加する結果を得た。リン原子をドレイン側に位置させることにより、ソース側での不純物散乱 を抑制できることに加え、リン原子の規則的な分布が一様なチャネルポテンシャルを形成し、その結 果としてチャネル中に均一な電流パスが形成されることが上記の理由である。一方、チャネルサイズ の影響を調査した結果から、リン原子の配置が電子輸送特性に与える影響が、チャネルサイズの縮小 に伴って大きくなることを示した。以上の結果は、次世代のナノスケールデバイス作製において、個々 のドーパント原子の位置を精密に制御することにより、不純物散乱を抑制でき、電子輸送特性を改善 できることを示している。
第 4 章 「Quantum transport property in Si field-effect transistors with deterministically
implanted single-donors at 4 K」では、単一ドーパントデバイスの試作とそのデバイスの低温電子輸 送特性について述べる。シングルイオン注入法を用いて、チャネル領域中にリン(P)イオンまたはヒ素 (As)イオンを注入し、チャネル長方向に沿って1ドット(2個)、3ドット(6個)、5ドット(10個)のドー パントを有するデバイスを試作した。チャネル幅は100 nmであり、チャネル長は、1ドットデバイス および3ドットデバイスで200 nm、5ドットデバイスでは500 nmである。4.2 Kで電気的特性を評 価した結果、1ドットデバイスでは、しきい値電圧以下において局所的な電流ピークが観察された。こ れは、電子がドナー準位を介して量子輸送されたためである。電流ピークの数は、注入イオン個数と 一致しており、筆者が改良したシングルイオン注入法の高い個数制御性を間接的に裏付けた。3ドット デバイスでは、広がりを持つ電流ピークが観察された。これは、隣接したドナー原子の波動関数の重 なりを考慮したHubbardモデルでよく説明できる。5ドットデバイスでは、局所的なピークと非局所 的なピークの両方が観測された。イオン注入前ではこのような電流ピークが観測されなかったことに 加え、1つ目のピーク(D0状態)からしきい値電圧(伝導帯下端)までのイオン化エネルギーが 45.5 meV と観測され、この値がバルクSi中のリンのイオン化エネルギーと非常に近い値を示したことから、注
3 オン注入法が単一ドーパントデバイス開発に大きく貢献することを示している。 第5章「Conclusions」で本研究の結論を述べる。本研究で筆者は、ナノスケールMOSFETの不純 物揺らぎという問題に着目し、(1)高い精度で注入イオンの位置と個数を制御できるようにシングルイ オン注入法を改良し、この技術を基盤として、(2)チャネル不純物の位置揺らぎがナノスケール MOSFET の電気的特性に与える影響を実験的に検証し、さらに、(3)シングルドーパントデバイスの 低温電子輸送特性を明らかにした。これらの結果は、筆者によって改良されたシングルイオン注入法 が、ナノスケールMOSFETのチャネル不純物の位置と個数の揺らぎと、MOSFETの電気的特性との 関係を明らかにするものであり、加えて、チャネル中に意図的に少数個のドーパント原子のみを注入 したシングルドーパントデバイスの動作を明らかにするものである。
Ｎｏ.
1早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
氏 名 堀 匡 寛 印
（２０１１年 １１月 現在）
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む） 学術論文 ○ 学術論文 ○ 学術論文 ○ 学術論文 （共著） 学術論文 （共著） 学術論文 （共著） 学術論文 （共著） 学術論文 （共著） 国際学会 ○ 国際学会 国際学会 ○M. Hori, T. Shinada, Y. Ono, A. Komatsubara, K. Kumagai, T. Tanii, T. Endoh, and I. Ohdomari, “Impact of a few Dopant Positions Controlled by Deterministic Single-Ion Doping on the Transconductance of Field-Effect Transistors”, Applied Physics Letters 99, 062103 (2011).
M. Hori, T. Shinada, K. Taira, A. Komatsubara, Y. Ono, T. Tanii, T. Endoh, and I. Ohdomari, “Enhancing Single-Ion Detection Efficiency by Applying Substrate Bias Voltage for Deterministic Single-Ion Doping”, Applied Physics Express 4, 046501 (2011).
M. Hori, T. Shinada, K. Taira, N. Shimamoto, T. Tanii, T. Endoh, and I. Ohdomari, “Performance Enhancement of Semiconductor Devices by Control of Discrete Dopant Distribution”,
Nanotechnology 20, 365205 (2009).
T. Shinada, M. Hori, F. Guagliardo, G. Ferrari, A. Komatsubara, K. Kumagai, T. Tanii, T. Endoh, Y. Ono, and E. Prati, “Quantum transport in deterministically implanted single-dopants in Si FETs”, IEDM Tech. Dig., pp697-700 (2011).
品田賢宏, 堀匡寛, 平圭吾, 小松原彰, 小野行徳, 谷井孝至, 遠藤哲郎, 大泊巌, “単一原子 ドーピング法と離散的ドーパントデバイス評価”, 電子デバイス研究会, 電気学会, EDD-11-35, pp1-4, 2011年3月
T. Shinada, M. Hori, Y. Ono, K. Taira, A. Komatsubara, T. Tanii, T. Endoh, and I. Ohdomari, “Reliable Single Atom Doping and Discrete Dopant Effects on Transistor Performance”, IEDM Tech. Dig., pp592-595 (2010).
T. Shinada, M. Hori, Y. Ono, K. Taira, A. Komatsubara, T. Tanii, T. Endoh and I. Ohdomari, “Performance evaluation of MOSFETs with discrete dopant distribution by one-by-one doping method”, Proc. SPIE Advanced Lithography 7637, 763711 (2010).
T. Shinada, T. Kurosawa, H. Nakayama, Y. Zhu, M. Hori and I. Ohdomari, “A reliable method for the counting and control of single ions for single-dopant controlled devices”, Nanotechnology 19, 345202 (2008).
M. Hori, Y. Ono, K. Komatsubara, K. Kumagai, T. Tanii, T. Endoh, I. Ohdomari and T. Shinada “Impact of a Few Dopant Positions Controlled by Single-Ion Implantation on Transconductance of FETs”, Proceedings of TECHCON 2011, 8.8, pp1-4, Texas, America, September 2011. M. Hori, Y. Ono, K. Komatsubara, K. Kumagai, T. Tanii, T. Endoh, I. Ohdomari and T. Shinada “Impact of a few Dopant Positions Controlled by Single-Ion Implantation on Transconductance of FETs”, 11th International Workshop on Junction Technology (IWJT2011), pp75-76, Kyoto, June 2011. M. Hori, T. Shinada, K. Taira, T. Tanii, Y. Ono, T. Endoh and I. Ohdomari, “Improving Single Dopant Detection Efficiency by Controlling Substrate Bias in Single Ion Implantation Method”, Proceedings of TECHCON 2010, 8.5, pp1-4, Texas, America, September 2010.
Ｎｏ.
2早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む） 国際学会 ○ 国際学会 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名）M. Hori, T. Shinada, K. Taira, T. Tanii, T. Endo and I. Ohdomari, “Performance evaluation of semiconductor device with asymmetric discrete dopant distribution”, Proceedings of TECHCON 2009, 3.9, pp1-4, Texas, America, September 2009.
M. Hori, T. Shinada, K. Taira, N. Shimamoto, I. Ohdomari, “Performance evaluation of
semiconductor device with asymmetric dopant distribution”, International Symposium on Surface Science and Nanotechnology (ISSS-5), Waseda Univ., 306, November 2008.
T. Shinada, M. Hori, F. Guagliardo, G. Ferrari, A. Komatsubara, K. Kumagai, T. Tanii, T. Endoh, Y. Ono, and E. Prati, “Quantum transport in deterministically implanted single-dopants in Si FETs”, International Electron Device Meeting (IEDM 2011), Washington DC, December 2011. E. Prati, M. Hori, F. Guagliarldo, G. Ferrari, T. Shinada, “Quantum transport in a deterministically implanted phosphorous attay in a Silicon nanostructure”, 2011 Silicon Nanoelectronics Workshop, Kyoto, June 2011.
T. Shinada, M. Hori, Y. Ono, K. Taira, A. Komatsubara, T. Tanii, T. Endoh and I. Ohdomari, “Reliable Single Atom Doping and Discrete Dopant Effects on Transistor Performance”, International Electron Device Meeting (IEDM 2010), San Francisco, CA, December 2010. T. Shinada, M. Hori, K. Taira, T. Tanii, Y. Ono, T. Endoh, I. Ohdomari, "Performance evaluation of transistors with discrete dopants by single-ion doping method", 21st International Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry, Fort Worth, TX, USA, August 2010. T. Shinada, M. Hori, K. Taira and I. Ohdomari, “Performance evaluation of MOSFETs with discrete dopant distribution by one-by-one doping method”, SPIE Advanced Lithography 2010, California, February 2010.
T. Shinada, M. Hori, K. Taira, T. Endoh, I. Ohdomari, “Recent advance in single-ion implantation method for single-dopant devices”, 9th International Workshop on Junction Technology
(IWJT2009), Kyoto, Japan, June 2009.
T. Shinada, M. Hori, K. Taira and I. Ohdomari, “Single Ion Implantation for Single-Dopant Controlled Devices”, 20th International Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry (CAARI2008), Fort Worth, Texas, USA, August 2008.
T. Shinada, M. Hori, K. Taira and I. Ohdomari, “Single Ion Implantation for Fluctuation Control”, 17th International Conference on Ion Implantation Technology (IIT2008), Monterey, California, USA, June 2008.
T. Shinada, T. Kurosawa, M. Hori, I. Ohdomari, “Enhancing Semiconductor Device Performance using Ordered Dopant Arrays”, International Workshop on Materials and Life Science using Nuclear Probes from Heavy-Ion Accelerators, Wako, April 2008.
T. Shinada, T. Kurosawa, M. Hori, I. Ohdomari, “Semiconductors with ordered dopant array”, International Workshop on Intelligent Nanoprocess, Sendai, December 2007.
T. Shinada, T. Kurosawa, M. Hori, I. Ohdomari, “Semiconductors with ordered single-dopant arrays”, Silicon Nanoelectronics Workshop, Lorentz center, Leiden, Netherlands, September 2007.
Ｎｏ.
3早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む） 国際学会 （連名） 国際学会 （連名） 国内学会 国内学会 国内学会 国内学会 国内学会 国内学会 （連名） 国内学会 （連名） 国内学会 （連名） 国内学会 （連名） 国内学会 （連名）T. Shinada, H. Nakayama, T. Kurosawa, Y. Zhu, M. Hori, I. Ohdomari, “Reliable method for doping single-impurity atoms into nanodevices”, 15th International Conference on
Composites/Nano Engineering (ICCE-15), Hainan Island, China, July 2007.
T. Shinada, T. Kurosawa, M. Hori, I. Ohdomari, “Enhancing semiconductor device performance using ordered dopant arrays”, 2007 Silicon Nanoelectronics Workshop, Kyoto, June 2007. 堀匡寛, E. Prati, F. Guagliarldo, 小野行徳, 小松原彰, 熊谷国憲, 谷井孝至, 遠藤哲郎, 大泊 巌, 品田賢宏, “単一イオン注入法による位置と個数を制御したデバイスの低温伝導特性 評価” ,秋季第72回応用物理学会学術講演会,山形大学,山形,2011年9月 堀匡寛, 品田賢宏, 平圭吾, 小松原彰, 小野行徳, 谷井孝至, 遠藤哲郎, 大泊巌，“ドーパン ト位置制御による電界効果トランジスタの相互コンダクタンス評価” ,春季第58回応用物 理学関係連合講演会,神奈川工大学,神奈川,2011年3月 堀匡寛, 小松原彰, 品田賢宏, 小野行徳, 平圭吾, 谷井孝至, 遠藤哲郎, 大泊巌，“基板バイ アス印加による単一イオン個数制御性の検証” ,秋季第71回応用物理学会学術講演会,長崎 大学,長崎,2010年9月 堀匡寛, 品田賢宏, 平圭吾, 遠藤哲郎, 谷井孝至, 大泊巌，“シングルイオン注入法の基板 バイアス印加による単一性改善に関する研究” ,秋季第 70 回応用物理学会学術講演会,富 山大学,富山,2009年9月 堀匡寛, 品田賢宏, 平圭吾, 島本直伸, 大泊巌，“非対称な不純物原子配置を有する半導体 デバイスの電気的特性評価” ,秋季第69回応用物理学会学術講演会,中部大学,愛知,2008年9 月 品田賢宏, 堀匡寛, 小野行徳, 田部道晴, “単一イオン注入プロセス:1nm精度への挑戦” ,秋 季第72回応用物理学会学術講演会シンポジウム,山形大学,山形,2011年9月 小松原彰, 堀匡寛, 熊谷国憲, 小野行徳, 谷井孝至, 遠藤哲郎, 大泊巌, 品田賢宏, “砒素イ オン注入によるドーパント位置制御効果” ,秋季第72回応用物理学会学術講演会,山形大学,山 形,2011年9月 品田賢宏, 堀匡寛, 平圭吾, 小松原彰, 小野行徳, 谷井孝至, 遠藤哲郎, 大泊巌, “単一原子 ドーピング法と離散的ドーパントデバイス評価” ,電子デバイス研究会「グリーンITにおけ る電子デバイス」,群馬,2011年3月 平圭吾, 品田賢宏, 堀匡寛, 谷井孝至, 遠藤哲郎, 大泊巌, “離散的ドーパント位置のデバ イス特性に及ぼす影響調査” , 秋季第70回応用物理学会学術講演会,富山大学,富山,2009年 9月 黒沢智紀, 品田賢宏, 堀匡寛, 島本直伸, 大泊巌, “ナノホールアレイマスクによる不純物
