シリコントランジスタ中の単一ドーパントの位置同定

小野行徳 Mohammed A. H. Khalafalla 西口克彦 藤原 聡
量子電子物性研究部

 電界効果トランジスタの微細化に伴い、トランジスタ中ドーパントの数や位置の揺らぎに起 因した特性ばらつきが大きな問題となっている。一方、シリコン中の少数個のドーパントを利 用した新しい電子デバイスの可能性も検討されはじめている。このため、トランジスタ中の単 一のドーパントを検出し、その位置を特定し、さらには、電子状態を制御する技術の確立が 重要となる。我々はこれまでに、トランジスタ中の単一ボロンの検出に成功するとともに、少 数個のボロンを含むトランジスタの特性を詳細に調べてきた[1]。 今回、単一のボロンの深さ 方向の位置(酸化膜界面からの距離)を同定することに成功した[2]。
 ゲート長が40 nmで、チャネルにボロンをドープしたナノトランジスタをsilicon-on-insulator基板上に作製した[3]。 作製においては、ソース、ドレインからチャネルへのドーパント拡散を防ぐために、ソース、ドレインとチャネルの間に電気的に形成可能なリードを挿入した。これにより、極低濃度のチャネルドーパントの影響を調べることが可能となった。図1は、フロントゲート(VF)と基板ゲート(VB)の関数として、dLogG/dVF(Gはコンダクタンス)を6 Kの温度で測定した結果である。ボロンを含まないトランジスタの結果[図1(a)]と比べると、単一ボロンを有するトランジスタでは、矢印で示されるコンダクタンス変調が新たに観測される。この変調は、ボロン原子による単一の正孔の捕獲に起因している。ボロン原子と各ゲートとの容量解析により、変調の現れる位置とパターンは、ボロン原子の界面からの距離に依存することが明らかとなった。 図1(b)、(c)は、それぞれ、ボロン原子がフロントゲート界面近傍、およびシリコン層のほぼ中央に位置している場合の測定結果を示している。同様な容量解析を、ドレイン電圧をパラメータに行うことにより、横方向(チャネルに沿って電流が流れる方向)の位置も調べることができると期待される。
 本測定手法を発展させることにより、トランジスタ中の個々のドーパントの位置を特定する 技術を確立できるものと期待される。

[1] Y. Ono et al., Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 102106.
[2] M. A. H. Khalafalla et al., Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 263513.
[3] Y. Ono et al., Appl. Surf. Sci. 254 (2008) 6252.
 

図1  コンダクタンス測定結果。 (a)ボロン原子を含まない場合、(b)単一ボロン原子がフロント界面近傍にある場合、(c)シリコン層の中央にある場合。OX、BOXはフロントおよび基板ゲート酸化膜を表す。

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