半導体デバイスの高・低温放射線照射に関する研究

2004 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 14550660
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 金属物性
• 研究機関: 熊本電波工業高等専門学校
• 研究代表者: 紫垣 一貞 独立行政法人国立高等専門学校機構 熊本電波工業高等専門学校, 電子工学科, 助教授 (50044722)
• 研究分担者: 大山 英典 独立行政法人国立高等専門学校機構 熊本電波工業高等専門学校, 電子工学科, 教授 (80152271) ; 葉山 清輝 独立行政法人国立高等専門学校機構 熊本電波工業高等専門学校, 情報通信工学科, 助教授 (00238148) ; 工藤 友裕 独立行政法人国立高等専門学校機構 熊本電波工業高等専門学校, 電子工学科, 助教授 (90225160) ; 博多 哲也 独立行政法人国立高等専門学校機構 熊本電波工業高等専門学校, 電子制御工学科, 助教授 (60237899) ; 高倉 健一郎 独立行政法人国立高等専門学校機構 熊本電波工業高等専門学校, 電子工学科, 助手 (70353349)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2004
• キーワード: 半導体デバイス / 高工ネルギー粒子 / 宇宙空間 / 照射損傷 / 劣化 / 格子欠陥 / 熱処理 / 回復

研究概要

次世代においても使用可能な先端半導体デバイスの高性能化の一環としての半導体デバイスの放射線損傷は研究が世界的規模で遂行されている。一方、実使用状態でのより精度の高い損傷機構の解明が要求されているが、照射装置の放射化の危険性から照射温度が室温に限定等の未解決な問題点が残されている。
こうした背景から本研究では、照射線源として、電子線、ガンマ線、中性子線を、デバイスとしてSiとInGaAsフォトダイオード、ゲート長が0.1 0.4μmでゲート酸化膜の厚さが3nmの作製方法が異なるMOSトランジスタ、並びにSOI(Silicon On Insulator) MOSトランジスタを各々取り上げた。それらに対して、より実際の放射線環境に近づけるために25℃から300℃までの高低温照射を実施した。
主な研究成果は次の通りである。
1.高温照射による劣化は室温照射より低減される。これは、照射による特性劣化と熱処理による回復が同時に進行しているためであり、実際の宇宙空間でのデバイス使用において、高温雰囲気に保つことに劣化を防ぐ等の応用が期待できる。
2.SiやInGaAsフォトダイオードの低温中性子線温照射による電気的、光学的特性の劣化は、常温のそれに比べて激しい。これは、低温では劣化の主原因ある格子欠陥の導入が照射温度の低下と共に、減少したことによると思われる。また、Siフォトダイオードではその劣化の活性化エネルギーが0.15eVでそれが単一格子空孔の生成エネルギーと等しい。
3.完全に空乏した(FD)SOIMOSトランジスタにおいても、常温照射によるしきい値の負方向シフトやフロント・バックチャネルの相互コンダクタンス減少が高温照射では軽減される。

研究成果

• [雑誌論文] Anomalous threshold voltage change by 2 MeV electron irradiation at 100℃ in deep submicron metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Hayama et al.
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. Vol.84 ページ: 3088-3090
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A study on radiation damage of IGBTs by 2-MeV electrons at different irradiation temperature (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama et al.
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Methods B Vol.219-220 ページ: 676-679
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Radiation damages of InGaAs photodiodes by high-temperature electron irradiation (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama et al.
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Methods B Vol.219-220 ページ: 718-721
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Electron irradiation effect on thermal donors in CZ-Si (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Takakura et al.
  • 雑誌名: Eur.Phys.J.Appl.Phys. Vol.27 ページ: 133-135
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Degradation of electrical performance and floating body effect in ultra thin gate oxide FD-SOI n-MOSFETs by 7.5-MeV proton irradiation (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Hayama et al.
  • 雑誌名: Microelectron.Reliab. Vol.44 ページ: 1721-1726
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Impact of 7.5-MeV proton irradiation on front-back gate coupling effect in ultra thin gate oxide FD-SOI n-MOSFETs (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Hayama et al.
  • 雑誌名: IEEE Trans.on Nucl.and Sci. Vol.51 ページ: 3795-3800
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Anomalous threshold voltage change by 2 MeV electron irradiation at 100 ℃ in deep submicron metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (2004)
  • 著者名/発表者名: H.K.Hayama, Ohyama, E.Simoen, J.M.Rafi, A.Mercha, C.Claeys
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 84 ページ: 3088-3090
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Radiation damages of InGaAs photodiodes by high-temperature electron irradiation (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, K.Takakura, M.Nakabayashi, T.Hirao, S.Onoda, T.Kamiya, E.Simoen, C.Claeys, S.Kuboyama, K.Oka, S.Matsuda
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Methods B 219-220 ページ: 718-721
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Electron irradiation effect on thermal donors in CZ-Si (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Takakura, H.Ohyama, H.Murakawa, T.Yoshida, J.M.Rafi, R.Job, A.Ulyashin, E.Simoen, C.Claeys
  • 雑誌名: Eur.Phys.J.Appl.Phys. 27 ページ: 133-135
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Degradation of electrical performance and floating body effect in ultra thin gate oxide FD-SOI n-MOSFETs by 7.5-MeV proton irradition (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Hayama, K.Takakura, H.Ohyama, A.Marcha, E.Simoen, C.Claeys, J.M.Rafi, M.Kokkoris
  • 雑誌名: Microelectron.Reliab. 44 ページ: 1721-1726
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Impact of 7.5-MeV proton irradiation on front-back gate coupling effect in ultra thin gate oxide FD-SOI n-MOSFETs (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Hayama, K.Takakura, H.Ohyama, J.M.Rafi, A.Mercha, Simoen, C.Claeys
  • 雑誌名: IEEE Trans.on Nucl.and Sci 51 ページ: 3795-3800
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Damage coefficient in high-temperature particle- and g-irradiated silicon p-i-n diode (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, K.Takakura, K.Hayama, S.Kuboyama, Y.Deguchi, S.Matsuda, E.Simoen, C.Claeys
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 82 ページ: 296-298
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Radiation damage in Si photodiodes by high temperature irradiation (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, K.Takakura, E.Simoen, K.Kobayashi, C.Claeys, J.Uemura, T.Kishikawa
  • 雑誌名: Physica E 16 ページ: 533-538
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effects of irradiation temperature on radiation damage in electron-irradiated MOS FETs (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, K.Hayama, K.Takakura, E.Simoen, C.Claeys
  • 雑誌名: Microelectronic Engineering 66 ページ: 530-535
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Radiation damage of Si photodides by high-temperature irradiation (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, K.Takakura, K.Shigaki, T.Jono, E.Simoen, C.Claeys, J.Uemura, T.Kishikawa
  • 雑誌名: Microelectronic Engineering 66 ページ: 536-541
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Irradiation temperature dependence of radiation damage in STI diodes (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, K.Hayama, K.Takakura, T.Miura, K.Shigaki, T.Jono, E.Simoen, A.Poyai, C.Claeys
  • 雑誌名: Microelectronic Engineering 66 ページ: 517-521
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Radiation damage induced in Si photodiodes by high-temperature neutron irradiation (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, E.Simoen, C.Claeys, K.Takakura, T.Jono, H.Matsuoka, J.Uemura, T.Kishikawa
  • 雑誌名: Journal of Materials Science. 14 ページ: 437-440
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Influence of irradiation temperature on electron-irradiated STI diodes (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, K.Hayama, K.Takakura, T.Miura, K.Shigaki, T.Jono, E.Simoen, A.Poyai, C.Claeys
  • 雑誌名: Journal of Materials Science 14 ページ: 451-454
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Recovery behaviour resulting from thermal annealing in n-MOSFETs irradiated by 20-MeV protons (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Takakura, H.Ohyama, A.Ueda, M.Nakabayashi, K.Hayama, K.Kobayashi, E.Simoen, K.Kobayashi, E.Simoen, A.Mercha, C.Claeys
  • 雑誌名: Semicond.Sci.Technology 18 ページ: 506-511
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Induced lattice defects in InGaAs photodides by high-temperature electron irradiation (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, K.Kobayashi, J.Vanhellemont, E.Simoen, C.Claeys, K.Takakura, T.Hirao, S.Onoda
  • 雑誌名: Physica B 340-342 ページ: 337-340
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Comparison of electron irradiation effect on thermal donors in CZ and oxygen doped FZ silicon (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Takakura, H.Ohyama, T.Yoshida, H.Murakawa, J.M.Rafi, R.Job, A.Ulyashin, E.Simoen, C.Claeys
  • 雑誌名: Physica B 340-342 ページ: 1022-1025
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Radiation effects on n-MOSFETs fabricated in a BiCMOS process (2002)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, E.Simoen, C.Claeys, K.Hayama, M.Nakabayashi, A.Ueda, K.Kobayashi
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Methods B 186 ページ: 419-423
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Radiation damage of polycrystalline Silicon films (2002)
  • 著者名/発表者名: H.Ohyama, M.Nakabayashi, E.Simoen, C.Claeys, K.Tanaka, K.Kobayashi
  • 雑誌名: Nucl.Instrum.Methods B 186 ページ: 176-180
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より