電子線照射前後の Si1-XCX S/D n-MOSFET の特性評価 ○堀眞聡，浅井勇輝，米岡将士，角田功，高倉健一郎（熊本高等専門学校） E. Simoen，C. Claeys （imec） 1. はじめに電子線照射後の Si1-XCX S/D n-MOSFET の評価は，伝達特近年の集積回路は，主に Si-MOSFET で構成されている．性により行った．伝達特性は，ドレイン電圧を 0.5 V 印加 Si-MOSFET の性能向上は，素子寸法の微細化によって実現しながらゲート電圧を－0.5～1.2 V までステップ電圧 0.01 されてきた．しかしながら，微細化技術のみを用いて V で変化させてドレイン電流を測定した． Si-MOSFET を高性能化させる方法には物理的な限界が迫りつつある．従って，Si の集積化技術を根本的に改革することが急務となっている．この背景のもと，Si 半導体に異種原子をドープし高速化・電力損失の低減等を発現させる研究が国内外で行われている．その中でも注目を集めているのが，ひずみ Si を用いた MOSFET である．具体例としては，ソース/ドレイン（S/D）に少量の炭素（C）を加え，チャネル部分の Si の結晶格子をひずませ，電子の移動度を向上させた MOSFET がある．図 1. Si1-XCX S/D n-MOSFET の構造図さらに近年，半導体の利用範囲は地球上だけでなく，宇宙空間にある人工衛星や宇宙ステーションにまで及んでい 3. 実験結果及び考察る．しかしながら，宇宙空間には電子線や陽子線，中性子電子線照射前の MOSFET の伝達特性と最大電子移動度線といった放射線が過剰に存在しているため，半導体デバをそれぞれ図 2，3 に示す．C 添加によりドレイン電流値， (1) ．従っ最大電子移動度が共に増加していることが確認できる．こて，宇宙空間において半導体を使用する際には，半導体デれは，S/D への C 添加によりチャネル部分の Si にひずみバイスへの放射線照射による影響を考慮する必要がある．が加わったことが原因と考えられる．イスに導入される欠陥により特性に务化が生じるそこで本研究では， Si1-XCX （ X = 0, 1.0, 1.5% ） S/D 続いて，電子線照射後の伝達特性と最大電子移動度をそ n-MOSFET に与える電子線照射効果を伝達特性の観点かられぞれ図 4，5 に示す．ドレイン電流は，C の濃度に関係評価したので報告する．なく減少した．また，減少量は，電子線照射量の増加に伴い顕著になった．これは，照射量の増加により，チャネル 2. 実験方法部分に生じる結晶欠陥が増加したことが原因であると考評価試料は，共同研究を行っている imec が作製したえられる．最大電子移動度についても，電子線照射による Si1-XCX （X = 0, 1.0, 1.5 %） S/D n-MOSFET を用いた．务化が見られた．しかしながら，電子線照射前の C 無添 Si1-XCX S/D n-MOSFET の構造図を図 1 に示す．MOSFET 加 MOSFET（図 5 中実線）より，照射後の C 添加 MOSFET のチャネル長とチャネル幅はそれぞれ 0.25 µm と 10 µm，（図 5 中破線）の最大電子移動度は高くなっている．以上ゲート酸化膜は膜厚 1.5 nm である．の結果から，C を添加してチャネル部分にひずみを加えるこの試料に，日本原子力研究開発機構・高崎量子応用研ことよる移動度の向上は，電子線照射でチャネル部分に発究所の電子加速器を用いて電子線照射（加速エネルギー：生した結晶欠陥に起因する移動度の务化よりも大きくな 2 MeV，照射温度：室温）を大気中にて行った．ここで，ることが分かる． 16 2 17 2 電子線の照射量は 1x10 e/cm および 1x10 e/cm とした． Maximum Electron Mobility [cm /Vs] Drain Current [mA] 6 5 4 170 2 X=0% X=1.0% X=1.5% 3 2 1 0 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 Gate Voltage [V] 165 160 155 150 145 140 0.0 0.5 1.0 1.5 Carbon Concentration [%] 図 3. 電子線照射前の最大電子移動度 Maximum Electron Mobility [cm /Vs] 図 2. 電子線照射前の伝達特性 before 16 1x10 e/cm2 17 1x10 e/cm2 5 4 3 2 X=1.5% 1 X=0% 0 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 Gate Voltage [V] 図 4. 電子線照射後の伝達特性 4. 170 2 Drain Current [mA] 6 まとめ本研究では，MOSFET の S/D に少量の C を加えることにより，チャネルにひずみ Si を導入した Si1-XCX S/D 160 150 140 before 16 2 17 2 1x10 e/cm 130 1x10 e/cm 120 0.0 0.5 1.0 1.5 Carbon Concentration [%] 図 5. 電子線照射後の最大電子移動度 5. 謝辞本研究の一部は，平成 24 年度原子力機構施設利用総合共同研究の支援により実施されました． n-MOSFET に与える電子線照射効果を電気的特性の観点から評価した．電子線照射前においては，S/D への C 添加によりチャ 6. 参考文献 (1) 大西一功，松田純夫：半導体素子に対する放射線照射ネル部分にひずみが形成されたため，ドレイン電流値，最効果，電子情報通信学会誌 Vol.85，No.9，pp.662-669，大電子移動度が向上した．Si1-XCX S/D n-MOSFET に電子 (2002)．線照射を行うと，電子線照射量の増加に伴い，チャネル部分の結晶欠陥が増加したため，ドレイン電流値，最大電子移動度が务化した．また，C を加えたことによる移動度の向上分は，電子線照射による务化分を上回ることを確認した．お問合わせ先：熊本高専高倉健一郎 Tel：096-242-6074 e-mail：[email protected]