量子効果を積極利用した薄膜SOI MOSFETの性能向上とばらつき低減の研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10555117
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平本 俊郎 東京大学, 大規模集積システム設計教育研究センター, 助教授 (20192718)
• 研究分担者: 藤島 実 東京大学, 工学部・電子情報工学科, 講師 (60251352) ; 桜井 貴康 東京大学, 国際・産学共同研究センター, 教授 (90282590) ; 柴田 直 東京大学, 工学部・電子情報学科, 教授 (00187402) ; 池田 隆英 株式会社 日立製作所, デバイス開発センター, 副技師長(研究職)
• キーワード: SOI / MOSFET / 量子効果 / 特性ばらつき / 有限要素法 / しきい値電圧 / 量子閉じ込め / スケーリング

研究概要

本研究は,MOSFETをスケーリングしたときに発生する諸問題を,量子効果を積極的に利用して回避し,さらに特性向上とばらつき低減を達成することである.これまでに,極めて細いチャネルをもつMOSFETにおいて,量子効果によるしきい値電圧の上昇を室温において観測することに成功しているが,本年度は追試実験を行い,さらに精密なデータを取得して量子効果の影響を詳しく調べた.実験では,量子力学的効果を顕著にするため,膜厚方向だけでなく,横方向にも電子を閉じこめるため,極めてチャネル幅の狭いMOSFETを異方性エッチングを用いて作製した.チャネル幅2nm程度から100nm程度まで変化させた.本年度は,作製時に利用するレジスト材料を変え,極めて細いチャネル幅の再現性を大幅に向上させた.このMOSFETのしきい値電圧は,チャネル幅が10nm以下になると急激に上昇する.これらの実験事実を説明するため,有限要素法を用いて2次元シュレディンガー方程式を解き,チャネル中の電子の基底状態を計算したところ,しきい値電圧の上昇は量子閉じこめ効果による基底準位の上昇が原因であることが明らかとなり,また,実験と計算が良い一致を示すことがわかった.以上により,線幅が10nm以下の極微細MOSFETでは,室温においても量子効果が特性に直接影響を及ぼすことが明らかとなった.一方,極めて微細なシリコンドットを用いたメモリ構造の研究も進め,クーロンブロッケード現象を積極的に利用することにより,デバイスのサイズばらつき等の影響を抑制できることを明らかにした.

研究成果

• [文献書誌] Toshiro Hiramoto,H.Ishikuro, and H.Majima (Invited): "Highly Integrated Single Electron Devices and Giga-bit Lithography"Journal of Photopolymer Science and Technology. vol.12,No.3. 417-422 (1999)
• [文献書誌] Toshiro Hiramoto (Invited): "To fill the gap between Si-ULSI and nanodevices"International Journal of High Speed Electronics and Systems (IJHSES). (掲載予定). (2000)
• [文献書誌] H.Majima,H.Ishikuro, and T.Hiramoto: "Threshold Voltage Shift in Ultra-Narrow MOSFETs by Quantum Mechanical Narrow Channel Effect"Abstracts of 1999 Silicon Nanoelectronics Workshop. 76-77 (1999)
• [文献書誌] H.Majima,H.Ishikuro, and T.Hiramoto: "Threshold Voltage Increase by Quantum Mechanical Narrow Channel Effect in Ultra-Narrow MOSFETs"Technical Digest of 1999 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM). 379-382 (1999)