Dopant diffusion paths in polycrystalline silicon gate of three-dimensional metal-oxide-semiconductor field effect transistor investigated by atom probe tomography

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26289097
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50344718)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永井 康介 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (10302209) ; 清水 康雄 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40581963)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: アトムプローブ

Outline of Annual Research Achievements

次世代３次元構造トランジスタの特定の微細領域におけるドーパント拡散過程を最新のUVレーザー型３次元アトムプローブ法を用いて明らかにするために、トレンチ構造トランジスタの多結晶Siゲート中のドーパントの拡散経路について、最新のレーザーパルス型局所電極３次元アトムプローブを用いて、粒界、粒内、ゲート酸化膜界面を区別してドーパント分布の熱処理依存性を調べた。３次元アトムプローブ測定で得られる３次元アトムマップは、原子の３次元位置と元素情報を含んでおり、粒界、粒内、酸化膜界面に注目し、プロセス熱処理におけるそれぞれのドーパント分布の変化を調べることでドーパントの拡散経路を調べた結果、n-typeトランジスタのゲートドーパントのPとp-typeトランジスタのゲートドーパントのBでメインの拡散メカニズムが異なることが明らかになった。Ｐは多結晶Siの粒界拡散が酸化膜界面拡散や粒内拡散よりも速く、多結晶Siゲート中のPの拡散は粒界拡散が支配的であった。一方、Bは粒界拡散だけではなく粒内拡散も支配的であり、Pの粒界拡散よりもBの拡散のほうが速いこともわかった。
またAsの粒界拡散におけるPやBのpre-dopingの効果を調べ、Pをpre-dopingした場合にはAsの粒界拡散は促進され、一方、Bをpre-dopingした場合にはAsの粒界拡散は抑制されることがわかった。
３次元アトムプローブ測定におけるSi中のB分布のレーザーエネルギー依存性についても詳細に調べ、レーザーエネルギーが高い場合には、Si中のB分布にアーティファクトが生じることがわかった。Si中のB分布は、あるレーザーエネルギー以下であれば、アーティファクトが生じないことを明らかにし、Si中のBの測定におけるレーザーエネルギーの上限を提案した。上述の測定はその条件を満たしており、アーティファクトによるものではないことも確認した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Influence of laser power on atom probe tomographic analysis of boron distribution in silicon (2017)
  • Author(s): Y. Tu, H. Takamizawa, B. Han, Y. Shimizu, K. Inoue, T. Toyama, F. Yano, A. Nishida, and Y. Nagai
  • Journal Title: Ultramicroscopy Volume: 173 Pages: 58-63
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ultramic.2016.11.023
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Quantitative analysis of hydrogen in SiO2/SiN/SiO2 stacks using atom probe tomography (2016)
  • Author(s): Y. Kunimune, Y. Shimada, Y. Sakurai, M. Inoue, A. Nishida, B. Han, Y. Tu, H. Takamizawa, Y. Shimizu, K. Inoue, F. Yano, Y. Nagai, T. Katayama, and T. Ide
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 6 Pages: 045121/1-7
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4948558
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Predoping effects of boron and phosphorous on arsenic diffusion along grain boundaries in polycrystalline silicon investigated by atom probe tomography (2016)
  • Author(s): H. Takamizawa, Y. Shimizu, K. Inoue, Y. Nozawa, T. Toyama, F. Yano, M. Inoue, A. Nishida, and Y. Nagai
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 9 Pages: 106601/1-4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7567/APEX.9.106601
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Boron distributions in individual core-shell Ge/Si and Si/Ge heterostructured nanowires (2016)
  • Author(s): B. Han, Y. Shimizu, J. Wipakorn, K. Nishibe, Y. Tu, K. Inoue, N. Fukata, and Y. Nagai
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 8 Pages: 19811-19815
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Influence of high power laser on B distribution in Si obtained by atom probe tomography (2016)
  • Author(s): 5.Y. Tu, H. Takamizawa, Y. Shimizu, K. Inoue, T. Toyama, F. Yano, A. Nishida, and Y. Nagai:
  • Organizer: Atom Probe Tomography & Microscopy (APT&M)
  • Place of Presentation: Gyeongju, South Korea
  • Year and Date: 2016-06-12 – 2016-06-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atom probe tomographic study of dopant distribution controlling for future silicon nanoelectronics, (2016)
  • Author(s): 1Y. Shimizu, B. Han, Y. Tu, K. Inoue, and Y. Nagai:
  • Organizer: Summit of Materials Science 2016 (SMS2016),
  • Place of Presentation: Tohoku University, Sendai
  • Year and Date: 2016-05-18 – 2016-05-20
  • Int'l Joint Research