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単一電子トラップ直視技術の開発とそれを用いた極薄ゲート絶縁膜の劣化機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 13305005
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 表面界面物性
研究機関名古屋大学

研究代表者

近藤 博基 (2004)  名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50345930)

安田 幸夫 (2001-2003)  名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60126951)

研究分担者 財満 鎭明  名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (70158947)
酒井 朗  名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20314031)
安田 幸夫  高知工科大学, 総合研究所, 教授 (60126951)
近藤 博基  名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50345930)
池田 浩也  名古屋大学, 工学研究科, 助手 (00262882)
研究期間 (年度) 2001 – 2004
研究課題ステータス 完了 (2004年度)
配分額 *注記
56,550千円 (直接経費: 43,500千円、間接経費: 13,050千円)
2004年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2003年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2002年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2001年度: 47,320千円 (直接経費: 36,400千円、間接経費: 10,920千円)
キーワード走査型トンネル顕微鏡 / 走査トンネル分光 / 電流検出型原子間力顕微鏡 / 極薄シリコン酸化膜 / 電荷トラップ / Metal-oxide-Semiconductor / 絶縁破壊 / MOSキャパシタ / ゲートSiO_2膜 / 高誘電率ゲート絶縁膜 / La_2O_3-Al_2O_3複合膜 / 電流スポット / ストレス誘起欠陥 / ゲート絶縁膜 / 金属酸化膜 / 高誘電率材料 / ストレス誘起リーク電流 / 走査プローブ顕微鏡 / HfO_2 / 透過電子顕微鏡 / 電気伝導特性
研究概要

走査型トンネル顕微鏡(STM)および電流検出型原子間力顕微鏡(C-AFM)を用いて、極薄シリコン酸化膜(SiO_2膜)ならびにゲートSiO_2膜の劣化現象を原子スケールまたはナノスケールで観察し、劣化機構に関して多くの知見を得た。
STM及び走査型トンネル分光法(STS)を用いた研究では、極薄SiO_2膜中での電荷トラップ現象を原子尺度で評価した。具体的には、Si(100)面に形成した極薄SiO_2膜にSTM探針を用いて電子を注入し、局所的な電子状態の変化について検討したところ、STM像にSiO_2膜中の正電荷トラップに起因する輝点が観測された。これらの正電荷トラップは、酸化前に存在する表面ダイマー欠損と密接な相関があり、酸化直後に既に存在するものと電子注入によって現れるものの2種類に区別することができる。表面の欠陥密度が異なるSi基板を用いた比較から、酸化直後のSiO_2膜中に存在する正電荷トラップの起源はクラスター化したダイマー欠損であり、電子注入によって生成される正電荷トラップの起源はSi(100)-2xl表面に存在する点欠陥であることが示唆された。注入領域と輝点密度分布の関係によると、電子注入によって現れる正電荷トラップは、STM探針から注入された電子によってSi基板で電子・正孔対が生成され、その正孔がSi/SiO_2界面のトラップサイトに捕獲されたものであると考えられる。
一方、C-AFMを用いた研究では、MOS(Metal-oxide-Semiconductor)キャパシタのゲート絶縁膜において動作時に発生する局所的な劣化を、ナノスケール観察するための一連の手法を開発した。定電流ストレスを印加したゲート酸化膜の電流像において、周囲よりも一桁以上電流値の高いナノスケールサイズのリーク電流スポットが観察された。このリークスポットは、酸化膜中のストレス誘起欠陥にトラップされた正孔に起因すると考えられる。ストレス印加したゲート酸化膜では、リークスポット以外のバックグラウンド領域にも正孔がトラップされているが、リークスポットにはより多くのホールがトラップされており、この正孔が局所的に形成する電界によってFNトンネル電流が増大し、リークスポットとなっていると考えられる。同一エリアでC-AFM観察を繰り返すと、ストレス誘起欠陥での正孔の充放電を示唆するリーク電流の増減が見られたが、リークスポットとバックグラウンド領域では異なる傾向が見られ、これらの領域では欠陥構造が異なることが考えられる。また、高電界でC-AFM観察すると、リークスポットでは優先的に絶縁破壊が発生することがわかった。
以上、本研究の成果は、従来のMOSデバイス特性から得られる平均的情報の考察では得られないものばかりである。今後、デバイスサイズがナノスケール領域に入っている次世代ULSIデバイスの研究開発においては、走査プローブ顕微鏡を用いたゲート絶縁膜の性能、信頼性評価は必須のものと考えられる。

報告書

(5件)
  • 2004 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 2003 実績報告書
  • 2002 実績報告書
  • 2001 実績報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2004 2003 2002 2001 その他

すべて 雑誌論文 (22件) 文献書誌 (3件)

  • [雑誌論文] Microscopic Analysis of Stress-Induced Leakage Current in Stressed Gate SiO_2 Films Using Conductive Atomic Force Microscopy2004

    • 著者名/発表者名
      Y.Watanabe, A.Seko, H.Kondo, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 43(2A)

    • NAID

      10012038848

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Conductive Atomic Force Microscopy Analysis for Local Electrical Characteristics in Stressed SiO_2 Gate Films2004

    • 著者名/発表者名
      Y.Watanabe, A.Seko, H.Kondo, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 43(4B)

      ページ: 1843-1847

    • NAID

      10012948668

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Detection and Characterization of Stress-Induced Defects In Gate SiO_2 Films by Conductive Atomic Force Microscopy2004

    • 著者名/発表者名
      Y.Watanabe, A.Seko, H.Kondo, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 43(7B)

      ページ: 4679-4682

    • NAID

      10013431900

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Behavior of Local Current Leadage in Stressed Gate SiO_2 Films Analyzed by Conductive Atomic Force Microscopy2004

    • 著者名/発表者名
      A.Seko, Y.Watanabe, H.Kondo, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 43(7B)

      ページ: 4683-4686

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] 電流注入ストレスを加えたゲート酸化膜の電流検出型原子間力顕微鏡による解析2004

    • 著者名/発表者名
      世古明義, 渡辺行彦, 近藤博基, 酒井朗, 財満鎭明, 安田幸夫
    • 雑誌名

      信学論 J87-C (8)

      ページ: 616-624

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Detection and Characterization of Stress-Induced Defects in Gate SiO_2 Films by Conductive Atomic Force Microscopy2004

    • 著者名/発表者名
      Y.Watanabe, A.Seko, H.Kondo, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 43(7B)

      ページ: 4679-4682

    • NAID

      10013431900

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Behavior of Local Current Leakage in Stressed Gate SiO_2 Films Analyzed by Conductive Atomic Force Microscopy2004

    • 著者名/発表者名
      A.Seko, Y.Watanabe, H.Kondo, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 43(7B)

      ページ: 4683-4686

    • NAID

      10013431909

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Conductive Atomic Force Microscopy Analysis for Local Electrical Characteristics in Stressed SiO_2 Gate Films2004

    • 著者名/発表者名
      Yukihiko Watanabe, Akiyoshi Seko, Hiroki Kondo, Akira Sakai, Shigeaki Zaima, Yukio Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal Applied Physics Vol.43, No.4B

      ページ: 1843-1847

    • NAID

      10012948668

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Detection and Characterization of Stress-Induced Defects in Gate SiO_2 Films by Conductive Atomic Force Microscopy2004

    • 著者名/発表者名
      Yukihiko Watanabe, Akiyoshi Seko, Hiroki Kondo, Akira Sakai, Shigeaki Zaima, Yukio Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal Applied Physics Vol.43, No.7B

      ページ: 4679-4682

    • NAID

      10013431900

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Behavior of Local Current Leakage in Stressed Gate SiO_2 Films Analyzed by Conductive Atomic Force Microscopy2004

    • 著者名/発表者名
      Akiyoshi Seko, Yukihiko Watanabe, Hiroki Kondo, Akira Sakai, Shigeaki Zaima, Yukio Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal Applied Physics Vol.43, No.7B

      ページ: 4683-4686

    • NAID

      10013431909

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Local Leakage Current of HfO_2 Thin Films Characterized by Conducting Atomic Force Microscopy2003

    • 著者名/発表者名
      H.Ikeda, T.Goto, M.Sakashita, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 42(4B)

      ページ: 1949-1953

    • NAID

      10010800794

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] 電子注入ストレスを加えたゲート酸化膜の電流検出型原子間力顕微鏡による解析2003

    • 著者名/発表者名
      世古明義, 渡辺行彦, 近藤博基, 酒井朗, 財満鎭明, 安田幸夫
    • 雑誌名

      Technical report of IEICE(信学技報) 103

      ページ: 1-6

    • NAID

      110003202684

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Characterization of defect traps in SiO_2 thin films influence of temperature on defects2002

    • 著者名/発表者名
      H.Ikeda, D.Matsushita, S.Naito, K.Ohmori, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 41(4B)

      ページ: 2463-2467

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Microscopic Analysis of Stress-Induced Leakage Current in Stressed Gate SiO_2 Films Using Conductive Atomic Force Microscopy2002

    • 著者名/発表者名
      J.-Y.Rosaye, N.Kurumado, M.Sakashita, H.Ikeda, A.Sakai, P.Mialhe, J.-P.Charles, S.Zaima, Y.Yasuda, Y.Watanabe
    • 雑誌名

      Microelectronics Journal 33(5-6)

      ページ: 429-436

    • NAID

      10012038848

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Structural and electrical characteristics of HfO_2 films fabricated by pulsed laser deposition2002

    • 著者名/発表者名
      H.Ikeda, S.Goto, K.Honda, M.Sakashita, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 41(4B)

      ページ: 2476-2479

    • NAID

      110003310815

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Growth processes and electrical characteristics of silicon nitride films formed on Si(100) by radical nitrogen.2002

    • 著者名/発表者名
      H.Ikeda, D.Matsushita, S.Naito, K.Ohmori, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 41(4B)

      ページ: 2463-2467

    • NAID

      10015752767

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Characterization of defect traps in SiO_2 thin films influence of temperature on defects2002

    • 著者名/発表者名
      J.-Y.Rosaye, N.Kurumado, M.Sakashita, H.Ikeda, A.Sakai, P.Mialhe, J.-P.Charles, S.Zaima, Y.Yasuda, Y.Watanabe
    • 雑誌名

      Microelectronics Journal 33(5-6)

      ページ: 429-436

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Real-time observation of initial oxdation on highly B-doped Si(100)-2xl surfaces using scanning tunneling microscopy2001

    • 著者名/発表者名
      K.Ohmori, M.Tsukakoshi, H.Ikeda, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Proc.of the 25th International conference on the Physics of Semiconductors

      ページ: 329-330

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Local electrical characteristics of ultra-thin SiO_2 films formed on Si(100) surfaces2001

    • 著者名/発表者名
      H.Ikeda, N.Kurumado, K.Ohmori, M.Sakashita, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Surface Science 493

      ページ: 653-658

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Microscopic Observation of X-ray Irradiation Damages in Ultra-Thin SiO_2 Films2001

    • 著者名/発表者名
      K.Ohmori, T.Goto, H.Ikeda, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics 40(4)

      ページ: 2823-2826

    • NAID

      10017197998

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Characterization of deffect traps in SiO_2 thin films2001

    • 著者名/発表者名
      J.-Y.Rosaye, P.Mialhe, J.-P.Charles, M.Sakashita, H.Ikeda, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Active and Passive Elec.Comp. 24

      ページ: 169-175

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [雑誌論文] Real-time observation of initial oxidation on highly B-doped Si(100)-2x1 surfaces using scanning tunneling microscopy2001

    • 著者名/発表者名
      K.Ohmori, M.Tsukakoshi, H.Ikeda, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda
    • 雑誌名

      Proc.of the 25th International conference on the Physics of Semiconductors

      ページ: 329-330

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2004 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Y.Watanabe, A.Seko, H.Kondo, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda: "Microscopic Analysis of Stress-Induced Leakage Current in Stressed Gate SiO2 Films Using Conductive Atomic Force Microscopy"Japanese Journal of Applied Physics. 43. L144-L147 (2004)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] H.Ikeda, D.Matsushita, S.Naito, K.Ohmori, A.Sakai, S.Zaima, Y.Yasuda: "Growth processes and electrical characteristics of silicon nitride films formed on Si(100) by radical nitrogen"Japanese Journal Applied Physics. Vol.41 Part1,4B. 2463-2467 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] K. Ohmori, M. Tsukakoshi, H. Ikeda, A. Sakai, S. Zaima, Y. Yasuda: "Real-time observation of initial oxidation on highly B-doped Si(100)-2×1 surfaces using scanning tunneling microscopy"Proceedings of 25th International Conference on the Physics of Semiconductors. 329-330 (2001)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書

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公開日: 2001-04-01   更新日: 2016-04-21  

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