原子レベル平坦界面トランジスタによる電気的特性ばらつき・ノイズの極小化

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26820121
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 黒田 理人 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40581294)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 電子デバイス・機器 / 電子デバイス・集積回路 / しきい値ばらつき / ランダムテレグラフノイズ / 原子レベル平坦化

研究実績の概要

平成26年度にはゲート絶縁膜／Si界面の原子レベル平坦化技術を大規模集積回路製造工程に導入するために2種類の方針に基づくプロセス技術を開発した。平成27年度には、本プロセス技術を従来の半導体生産工場へ適用する際に新規に導入する工程数が少ない、Si表面の原子レベル平坦化プロセスをゲート絶縁膜形成直前に導入する方針において、最小加工寸法0.22umのプロセステクノロジをベースとしてSi表面原子レベル平坦化のための高純度アルゴン雰囲気下における熱処理プロセスの温度・ガス流量等のプロセス条件の最適化を行った。その結果、熱処理温度を800℃とすることで、直径200mm全面において平坦化の効果の1つであるゲート絶縁膜の破壊耐圧・寿命の向上がばらつき少なく得られることを明らかにした。また、製造後の微細トランジスタのゲート絶縁膜／Si界面の平坦性を原子間力顕微鏡を用いて測定した結果、原子ステップ・テラスから構成される原子レベル平坦性が得られていることを確認した。以上から、大口径ウェハ用いた大規模集積回路製造工程に原子レベル平坦化技術を導入することが出来たことを実証した。さらに大規模アレイテスト回路を用いて100万個を超える測定対象トランジスタ郡のランダムテレグラフノイズを統計的に測定・解析した結果、従来の平坦性を有する素子と比べて原子レベル平坦性を有する素子においては、ゲート絶縁膜中のトラップによるキャリアの捕獲・放出に起因するノイズ振幅が小さいことが明らかになった。この結果は平坦性の向上によりMOSトランジスタのゲート絶縁膜／Si界面のポテンシャルのばらつきが抑制された効果を示すものであり、平坦化によるノイズ抑制の効果を実験的に実証すると共に、低減メカニズムを理論的に明らかにすることができた。

研究成果

• [雑誌論文] Analysis and reduction of leakage current of 2 kV monolithic isolator with wide trench spiral isolation structure (2016)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Takeuchi, Rihito Kuroda and Shigetoshi Sugawa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 ページ: 04EF07-1-5
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.04EF07
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis and Reduction Technologies of Floating Diffusion Capacitance in CMOS Image Sensor for Photon-Countable Sensitivity (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumiaki Kusuhara, Shunichi Wakashima, Satoshi Nasuno, Rihito Kuroda, Shigetoshi Sugawa
  • 雑誌名: ITE Transactions on Media Technology and Applications 巻: 4 ページ: 91-98
  • DOI: 10.3169/mta.4.91
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Floating Capacitor Load Readout Operation for Small, Low Power Consumption and High S/N Ratio CMOS Image Sensors (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunichi Wakashima, Fumiaki Kusuhara, Rihito Kuroda, Shigetoshi Sugawa
  • 雑誌名: ITE Transactions on Media Technology and Applications 巻: 4 ページ: 99-108
  • DOI: 10.3169/mta.4.99
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A High Quantum Efficiency High Readout Speed 1024 Pixel Ultraviolet-Visible-Near Infrared Waveband Photodiode Array (2016)
  • 著者名/発表者名: Rihito Kuroda, Takahiro Akutsu, Yasumasa Koda, Kenji Takubo, Hideki Tominaga, Ryuta Hirose, Tomohiro Karasawa, Shigetoshi Sugawa
  • 雑誌名: ITE Transactions on Media Technology and Applications 巻: 4 ページ: 109-115
  • DOI: 10.3169/mta.4.109
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A CMOS Image Sensor with 240 μV/e- Conversion Gain, 200 ke- Full Well Capacity, 190-1000 nm Spectral Response and High Robustness to UV light (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Nasuno, Shunichi Wakashima, Fumiaki Kusuhara, Rihito Kuroda, Shigetoshi Sugawa
  • 雑誌名: ITE Transactions on Media Technology and Applications 巻: 4 ページ: 116-122
  • DOI: 10.3169/mta.4.116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A 20Mfps Global Shutter CMOS Image Sensor with Improved Light Sensitivity and Power Consumption Performances (2016)
  • 著者名/発表者名: Rihito Kuroda, Yasuhisa Tochigi, Ken Miyauchi, Tohru Takeda, Hidetake Sugo, Fan Shao, Shigetoshi Sugawa
  • 雑誌名: ITE Transactions on Media Technology and Applications 巻: 4 ページ: 149-154
  • DOI: 10.3169/mta.4.149
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low Temperature Atomically Flattening of Si Surface of Shallow Trench Isolation Pattern (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Goto, R. Kuroda, T. Suwa, A. Teramoto, N. Akagawa, D. Kimoto, S. Sugawa, T. Ohmi, Y. Kamata, Y. Kumagai, and K. Shibusawa
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 66 ページ: 285-292
  • DOI: 10.1149/06605.0285ecst
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Process Temperature of Al2O3 Atomic Layer Deposition Using Accurate Process Gasses Supply System (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Sugita, Y. Koda, T. Suwa, R. Kuroda, T. Goto, H. Ishii, S. Yamashita, A. Teramoto, S. Sugawa, and T. Ohmi
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 66 ページ: 305-314
  • DOI: 10.1149/06604.0305ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurement and Analysis of Seismic Response in Semiconductor Manufacturing Equipment (2015)
  • 著者名/発表者名: Kaori Komoda, Masashi Sakuma, Masakazu Yata, Yoshio Yamazaki, Fuminobu Imaizumi, Rihito Kuroda and Shigetoshi Sugawa
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING 巻: 28 ページ: 289-296
  • DOI: 10.1109/TSM.2015.2427807
  • 査読あり
• [雑誌論文] Introduction of Atomically Flattening of Si Surface to Large-Scale Integration Process Employing Shallow Trench Isolation (2015)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Goto, Rihito Kuroda, Naoya Akagawa, Tomoyuki Suwa, Akinobu Teramoto, Xiang Li, Toshiki Obara, Daiki Kimoto, Shigetoshi Sugawa, Yutaka Kamata, Yuki Kumagai, and Katsuhiko Shibusawa
  • 雑誌名: ECS Journal of Solid State Science and Technology 巻: 5 ページ: P67-P72
  • DOI: 10.1149/2.0221602jss
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Random Telegraph Noise Measurement and Analysis based on Arrayed Test Circuit toward High S/N CMOS Image Sensors (2016)
  • 著者名/発表者名: Rihito Kuroda, Akinobu Teramoto and Shigetoshi Sugawa
  • 学会等名: 29th IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures
  • 発表場所: メルパルク横浜（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2016-03-28 – 2016-03-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Wide dynamic range LOFIC CMOS image sensors: principle, achievements and extendibility (2016)
  • 著者名/発表者名: Rihito Kuroda and Shigetoshi Sugawa
  • 学会等名: International Forum on Detectors for Photon Science
  • 発表場所: 富士ビューホテル（山梨県・富士河口湖町）
  • 年月日: 2016-02-29 – 2016-03-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CMOSイメージセンサの高速化・高感度化・広光波長帯域化技術 (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒田理人, 須川成利
  • 学会等名: 第191回研究集会 シリコンテクノロジー分科会ナノ・接合技術研究会「接合技術の新展開(応用物理学会シリコンテクノロジー分科会)
  • 発表場所: 宝塚大学梅田キャンパス（大阪府・大阪市）
  • 年月日: 2016-02-27 – 2016-02-27
  • 招待講演
• [学会発表] Advanced CMOS Image Sensor Development (2015)
  • 著者名/発表者名: Rihito Kuroda
  • 学会等名: Tohoku Univ. - imec Seminar 2015 Sendai Symposium on Analytical Science 2015 Joint Seminar on "Unobtrusive Sensing & Daily Health Screening"
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2015-11-13 – 2015-11-13
  • 国際学会
• [学会発表] An Ultraviolet Radiation Sensor Using Differential Spectral Response of Silicon Photodiodes (2015)
  • 著者名/発表者名: Yhang Ricardo Sipauba Carvalho da Silva, Yasumasa Koda, Satoshi Nasuno, Rihito Kuroda, Shigetoshi Sugawa
  • 学会等名: IEEE Sensors 2015
  • 発表場所: Busan, South Korea
  • 年月日: 2015-11-01 – 2015-11-04
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical Properties of MOSFETs Introducing Atomically Flat Gate Insulator/Silicon Interface (2015)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Goto, Rihito Kuroda, Tomoyuki Suwa, Akinobu Teramoto, Toshiki Obara, Daiki Kimoto, Shigetoshi Sugawa, Yutaka Kamata, Yuki Kumagai, Katsuhiko Shibusawa
  • 学会等名: 電子情報通信学会 シリコン材料デバイス研究会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2015-10-29 – 2015-10-30
• [学会発表] Analysis and reduction of leakage current of 2kV monolithic isolator with wide trench spiral isolation structure (2015)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Takeuchi, Rihito Kuroda and Shigetoshi Sugawa
  • 学会等名: 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: 札幌コンベンション センター（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2015-09-27 – 2015-09-30
  • 国際学会
• [学会発表] 電荷電圧変換ゲイン240uV/e-、飽和電子数200ke-、感度波長帯域190-1000nmを有するCMOSイメージセンサ (2015)
  • 著者名/発表者名: 那須野悟史, 若嶋駿一, 楠原史章, 黒田理人, 須川成利
  • 学会等名: 映像情報メディア学会技術報告 情報センシング研究会
  • 発表場所: 機会振興会館（東京都・港区）
  • 年月日: 2015-09-18 – 2015-09-18
• [学会発表] フローティングディフュージョン容量成分の解析・低減技術と高感度・高飽和CMOSイメージセンサへの適用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 楠原史章, 若嶋駿一, 那須野悟史, 黒田理人, 須川成利
  • 学会等名: 映像情報メディア学会技術報告 情報センシング研究会
  • 発表場所: 機会振興会館（東京都・港区）
  • 年月日: 2015-09-18 – 2015-09-18
• [学会発表] A Linear Response Single Exposure CMOS Image Sensor with 0.5e- Readout Noise and 76ke- Full Well Capacity (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunichi Wakashima, Fumiaki Kusuhara, Rihito Kuroda and Shigetoshi Sugawa
  • 学会等名: 2015 SYMPOSIUM ON VLSI CIRCUITS
  • 発表場所: リーガロイヤルホテル京都（京都府・京都市）
  • 年月日: 2015-06-15 – 2015-06-19
  • 国際学会
• [学会発表] A 80% QE High Readout Speed 1024 Pixel Linear Photodiode Array for UV-VIS-NIR Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Rihito Kuroda, Takahiro Akutsu, Yasumasa Koda, Kenji Takubo, Hideki Tominaga, Ryuuta Hirose, Tomohiro Karasawa and Shigetoshi Sugawa
  • 学会等名: 2015 INTERNATIONAL IMAGE SENSOR WORKSHOP
  • 発表場所: Vaals, Netherlands
  • 年月日: 2015-06-08 – 2015-06-11
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis and Reduction of Floating Diffusion Capacitance Components of CMOS Image Sensor for Photon-Countable Sensitivity (2015)
  • 著者名/発表者名: Fumiaki Kusuhara, Shunichi Wakashima, Satoshi Nasuno, Rihito Kuroda and Shigetoshi Sugawa
  • 学会等名: 2015 INTERNATIONAL IMAGE SENSOR WORKSHOP
  • 発表場所: Vaals, Netherlands
  • 年月日: 2015-06-08 – 2015-06-11
  • 国際学会
• [学会発表] A 20Mfps Global Shutter CMOS Image Sensor with Improved Sensitivity and Power Consumption (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigetoshi Sugawa, Rihito Kuroda, Tohru Takeda, Fan Shao, Ken Miyauchi and Yasuhisa Tochigi
  • 学会等名: 2015 INTERNATIONAL IMAGE SENSOR WORKSHOP
  • 発表場所: Vaals, Netherlands
  • 年月日: 2015-06-08 – 2015-06-11
  • 国際学会
• [学会発表] A CMOS Image Sensor with 240μV/e- Conversion Gain, 200ke- Full Well Capacity and 190-1000nm Spectral Response (2015)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Nasuno, Shunichi Wakashima, Fumiaki Kusuhara, Rihito Kuroda, Shigetoshi Sugawa
  • 学会等名: 2015 INTERNATIONAL IMAGE SENSOR WORKSHOP
  • 発表場所: Vaals, Netherlands
  • 年月日: 2015-06-08 – 2015-06-11
  • 国際学会
• [学会発表] Low Temperature Atomically Flattening of Si Surface of Shallow Trench Isolation Pattern (2015)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Goto, Rihito Kuroda, Tomoyuki Suwa, Akinobu Teramoto, Naoya Akagawa, Daiki Kimoto, Shigetoshi Sugawa, Tadahiro Ohmi, Yutaka Kamata, Yuki Kumagai and Katsuhiko Shibusawa
  • 学会等名: 227th Meeting of The Electrochemical Society
  • 発表場所: Chicago, USA
  • 年月日: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of Process Temperature of Al2O3 Atomic Layer Deposition Using Accurate Process Gasses Supply System (2015)
  • 著者名/発表者名: Hisaya Sugita, Yasukasa Koda, Tomoyuki Suwa, Rihito Kuroda, Tetsuya Goto, Hidekazu Ishii, Satoru Yamashita, Akinobu Teramoto, Shigetoshi Sugawa, and Tadahiro Ohmi
  • 学会等名: 227th Meeting of The Electrochemical Society
  • 発表場所: Chicago, USA
  • 年月日: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • 国際学会
• [学会発表] ゲート絶縁膜/Si界面の原子オーダー平坦化によるランダムテレグラフノイズ低減効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 黒田理人, 後藤哲也, 赤川直也, 木本大幾, 寺本章伸, 須川 成利
  • 学会等名: 映像情報メディア学会技術報告 情報センシング研究会
  • 発表場所: 東京理科大学森戸記念館（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2015-05-08 – 2015-05-08
• [学会発表] UV/VIS/NIR imaging technologies: challenges and opportunities (2015)
  • 著者名/発表者名: Rihito Kuroda, Shigetoshi Sugawa
  • 学会等名: 2015 SPIE Sensing Technology + Applications
  • 発表場所: Baltimore, USA
  • 年月日: 2015-04-20 – 2015-04-24
  • 国際学会 / 招待講演