揺らぎを排した量子スケールMOSFETにおける物理現象の探究と集積化応用の研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450135
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平本 俊郎 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (20192718)
• キーワード: 半導体 / シリコンMOSFET / 不揮発性メモリ / 量子効果 / しきい値電圧 / ナノテクノロジー / 保持時間 / 量子ドット

研究概要

サイズ揺らぎを極力抑制したナノスケールMOSFETの研究を行っている。今年度はまず、ナノスケール狭チャネルMOSトランジスタを、シリコン微結晶メモリに応用し、そのチャネル幅依存性とチャネル長依存性を実験により系統的に評価した。シリコン微結晶(量子ドット)は低圧CVDで形成し、その直径は約8nmである。この量子ドットに電子が注入されメモリの記憶ノートとして働く。このMOSトランジスタでは、しきい値電圧の絶対値は量子効果により上昇し、一方、しきい値電圧のシフトはボトルネック効果により大きくなることが期待される。実験により、両者のチャネル幅およびチャネル長依存性の実験結果が異なることから、量子効果とボトルネック効果の両方が予想通り働いていることを明らかにすることができた。一方,シリコンチャネルをナノスケールまで薄膜化した完全空乏型SOI MOSトランジスタの伝導特性を実験により詳細に調べた。薄膜中の量子効果により、基板バイアスを印加したときのしきい値電圧可変範囲が拡大することを明らかにした。また、膜厚が4nmから10nmと極めて薄いSOIにおけるキャリアの散乱機構を評価した結果、膜厚が10nm程度あれば、支配的な散乱機構はフォノン散乱であり、界面ラフネス散乱はほとんど無視できることを明らかにした。以上の結果から、サイズ揺らぎを抑制したナノスケールMOSFETでは、量子効果等の新しい物理現象が室温で発現し、これらの効果を積極的に利用することはMOSFETの性能向上に大きく寄与することを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] M.Saitoh, H.Majima, T.Hiramoto: "Tunneling Barrier Structure in Room-Temperature Operating Silicon Single-Electron and Single-Hole Transistors"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.42,Part1,No.4B. 2426-2428 (2003)
• [文献書誌] Toshiro Hiramoto, H.Majima, Masumi Saitoh: "Quantum effects and single-electron charging effects in nano-scale silicon MOSFETs at room temperature"Materials Science and Engineering B. Vol.101,Issues1-3. 24-27 (2003)
• [文献書誌] 平本俊郎: "ナノスケール狭チャネルMOSFETにおける量子効果"応用物理. Vol.72,No.9. 1167-1170 (2003)
• [文献書誌] Masumi Saitoh, Tasuku Murakami, Toshiro Hiramoto: "Large Coulomb Blockade Oscillations at Room Temperature in Ultra-Narrow Wire Channel MOSFETs Formed by Slight Oxidation Process"IEEE Transactions on Nanotechnology. Vol.2,No.4. 241-245 (2003)
• [文献書誌] G.Tsutsui, T.Nagumo, T.Hiramoto: "Enhancement of Adjustable Threshold Voltage Range by Substrate Bias Due to Quantum Confinement in Ultra Thin Body SOI pMOSFETs"IEEE Transactions on Nanotechnology. Vol.2,No.4. 314-318 (2003)
• [文献書誌] Masumi Saitoh, Toshiro Hiramoto: "Room-Temperature Observation of Negative Differential Conductance Due to Large Quantum Level Spacing in Silicon Single-Electron Transistor"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.43,No.2A. L210-L213 (2004)