| 研究課題/領域番号 |
18K04244
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| 研究機関 | 東海大学 |
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研究代表者 |
小林 清輝 東海大学, 工学部, 教授 (90408005)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 不揮発性メモリ / シリコン窒化膜 / 電荷トラップ / 常磁性欠陥 / 電子保持特性 / 正孔捕獲 |
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| 研究実績の概要 |
シリコン窒化膜を構成する元素の一つであるSiおよび、Siに比べて電気陰性度が低い4族元素であるHfをシリコン窒化膜にドープし、それらが窒化膜の電荷トラップに及ぼす影響について調べた。具体的には、シリコン基板上に形成したブロッキング酸化膜－シリコン窒化膜－トンネル酸化膜三層絶縁膜の窒化膜中に3×1013 cm-2の密度でSiイオンまたはHfイオンを注入し、窒素雰囲気で600度の熱処理を加えた。比較のためイオン注入を施さずに熱処理のみを加えた試料も作成した。
各試料に波長254 nmの紫外線を照射しESR（Electron Spin Resonance）測定を行ったところ、イオン注入を施していない試料のK0センター（シリコン未結合手と考えられている）の密度は4×1013 cm-2であったのに対し、Siドープ試料のK0センター密度は2×1013 cm-2と減少した。また、上記と同様のプロセスを経て作製したメモリキャパシタの書込み消去特性を調べたところ、Siドープ試料の正孔捕獲密度が低いことが確認された。これらの結果は、K0センターが正孔トラップとして働くと考えることで説明できる。
一方、Hfドープを行った試料では、K0センターとは異なる常磁性欠陥が生成した。加えて、電子保持特性が著しく低下した。また、β-Si3N4結晶を構成するSiをHfに置き換えた系について第一原理計算を行ったところ、HfがSi3N4の伝導帯下端の直下に浅い準位を形成することが分かった。Hfドープ試料における電子保持特性の低下に対し、Hfにより形成された浅い準位が関与している可能性がある。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
シリコン窒化膜にSiをドープする実験では、窒化膜中のSi未結合手の密度と電荷捕獲メモリの消去特性の間に相関が見いだされ、期待した結果の一部が得られた。一方、Siに比べて電気陰性度が低いHfをシリコン窒化膜にドープする実験では、深いエネルギー準位を持つ点欠陥の生成を期待したが、電子保持特性が低下し、浅い準位の生成を示唆する結果となった。
第一原理計算によると、水素を捕らえた窒素空孔（ここではVN(H) type2と呼ぶ）を有するβ-Si3N4結晶では、Si-H σ stateおよびSi-Si σ* stateに起因すると考えられる二つの欠陥準位が禁制帯中に生じる。このVN(H) type2を構成する三つのSi原子の中の1個をHfに置き換えた点欠陥VN(H)-HfSi type2をβ-Si3N4結晶に設けた系について第一原理計算を行ったところ、二つのより深い欠陥準位が現れた。これは望ましい変化であるが、これらの二つの準位に加えて、Hfに起因する二つの浅い準位が伝導帯下端の直下に生じた。さらに、二つの浅い準位の起源について検討するために、β-Si3N4結晶を構成するSi原子1個をHfに置き換えた系について調べたところ、この系でも伝導帯下端の直下に二つの浅い準位が生じることが分かった。Hfドープ試料における電子保持特性の低下は、Hfによる浅い準位の生成が関与している可能性がある。
この浅い準位生成の対策のため、β-Si3N4に添加する元素の種類と禁制帯中の欠陥準位の関係を第一原理計算を用いて調査している。
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| 今後の研究の推進方策 |
Hfドープ試料における電子保持特性の低下に対し、Hfによる浅い準位の生成が関与している可能性がある。この浅い準位生成の対策のため、まずβ-Si3N4に添加する元素の種類と禁制帯中の欠陥準位の関係を第一原理計算を用いて調査している。この調査結果に基づいてHf以外の元素を選択し、シリコン窒化膜にドープする。さらに、Nに比べて電気陰性度が高いClまたはOをシリコン窒化膜にドープする実験も行い、これらの元素がシリコン窒化膜のトラップ準位に及ぼす影響について研究を進める。
また、シリコン窒化膜へのHfドープによってメモリキャパシタの正孔捕獲特性に変化が現れており、Hfと正孔捕獲特性の関係について調査を進める。
ここまでESRと電荷保持特性の測定が有効であった。本年度も、同様の実験手段を用いて研究を進める予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
一部、予想と異なる実験結果を得たため、学会発表を延期した。学会出張のための経費が余った。2019年度に学会発表を行う際に使用する。
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