極微細半導体素子のしきい値電圧ばらつき解析のための離散不純物モデルの構築

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550315
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 佐野 伸行 筑波大学, 物理工学系, 助教授 (90282334)
• キーワード: 不純物ゆらぎ / MOSFET / モンテカルロ法 / ドリフト拡散法 / 半導体デバイス / 特性ばらつき / デバイスシミュレーション

研究概要

Si-MOSFETの基板内不純物の離散的なばらつきに伴ったデバイス特性ばらつきについて、不純物ばらつきの統計性を厳密に考慮した擬1次元近似のもとでの確率分布関数を導出した。さらに、その確率分布関数を典型的なデバイス構造に適用することにより、いくつかの新たな知見を得た。具体的な検討内容と成果は、以下のようにまとめられる。
1.デバイス基板内をシート状に分割して各シートに含まれる不純物数のゆらぎをポアソン分布として考慮し、界面での表面電場のゆらぎに対する確率密度関数を求めた。そのうえで、しきい値電圧ゆらぎ等についての厳密な確率密度関数を初めて導出した。
2.導出した確率密度関数を典型的構造をもった微細MOSFETに適用した結果、デバイスの微細化に伴って、しきい値電圧ゆらぎ分布関数が通常仮定されている正規分布から大幅にずれてくることが判明した。
3.確率密度関数には、n-MOSFETについてはしきい値電圧のばらつきに下限値が、PMOSFETについては上限値が存在することを見い出した。これは、不純物ゆらぎに伴ったデバイス特性ばらつきの実験による直接的検証になり得るものである。

研究成果

• [文献書誌] Nobuyuki Sano et al.: "On Discrete Random Dopant Modeling in Drift-Diffusion Simulations : Physical Meaning of 'Atomistic' Dopants"Microelectronics Reliability. Vol.42. 189-199 (2002)
• [文献書誌] Nobuyuki Sano et al.: "Device Modeling and Simulations toward Sub-10 nm Semiconductor Devices"IEEE Trans. Nanotechnology. Vol.1. 63-71 (2002)
• [文献書誌] Takashi Kurusu et al.: "Significance of the Long-range Part of the Potential on the Mobility in Impure Semiconductors"Physica B. Vol.314. 198-202 (2002)
• [文献書誌] Nobuyuki Sano et al.: "Probability Distribution of Threshold Voltage Fluctuation in Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors"Jpn. J. AppI. Phys.. Vol.41. L552-L554 (2002)
• [文献書誌] 鳥山 周一 他: "微細MOSFETにおけるデバイス特性バラツキに関する理論的考察"シリコンテクノロジー研究会. Vol.45. 22-26 (2002)
• [文献書誌] Shuichi Toriyama et al.: "Probability Distribution Functions of Threshold Voltage Fluctuations due to Random Impurities in Deca-nano MOSFETs"4-th International Symposium on Nanostructures and Mesoscopic Structures (nanoMES-2003). (印刷中). (2003)