第 5 章 Nuclear reaction analysis (NRA) を用いた水素による絶縁膜劣化機構解
5.7 まとめ
本章では、水素原子の移動挙動を実験的に明らかにし、ゲート電極界面からSi基板界 面に向けた水素の移動が、ゲート絶縁膜の劣化と非常に強く相関していることを明らかに した。ゲート電極界面に存在する水素源がSiO２/Si界面に移動し、膜中欠陥ならびに界 面準位を共に生成している。加えて、SILCの実測とシミュレーションの結果からSiO2バ ルク中欠陥が酸素欠損もしくはH bridgeであろうことを同定することに成功した。これ らNRA、電気的信頼性評価、SILCシミュレーション、および第一原理計算結果を合わせ て水素による絶縁膜劣化機構のモデルを提案した。本モデルにおいては、hot hole起因で カソード界面の水素結合が破壊され水素の移動が起こり、それらが膜中欠陥ならびに界面 準位を生成する。SILCを説明する酸素欠損もしくはH bridgeはSiO2バルク中のSi-DB などの電子リザーバーとなる欠陥近傍で起こるH2O放出を伴う酸素脱離反応で生成され ると考えられる。
参考文献
[1] D. J. Dimaria, et al., J. Appl. Phys., 73, p.3367, 1993.
[2] G. Ribes, et al., Microelectronics Reliability, vol. 45, p.1842, 2005.
[3] I. Hirano, et al., Proc. IEEE International Reliability Physics Symposium. p. 424, 2010.
[4] T. Grasser, Microelectron. Reliab., 52, p. 39, 2012.
[5] J. W. Lyding, et al., Appl. Phys. Lett., vol. 68, p.2526, 1996.
[6] M. A. Briere and D. Braunig, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 37, p. 1658, 1999.
[7] M. Wilde et al., J. Appl. Phys., vol. 92, p.4320, 2002.
[8] K. Fukutani, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 6, p. 153, 2002.
[9] Z. Liu, et al., ECS Transactions, 35(4), p.55, 2011.
[10] M. Suzuki, et al., International Conference on SSDM, p. 730, 2013.
[11] Y. Higashi, et al., Proc. IEEE Int. Reliability Physics Symp., 7B-2, 2016.
[12] L. M. Terman, Solid-State Electrons, 5, p.285, 1962 [13] K. Kato, Phys. Rev. B, vol. 85, p. 085307, 2012.
[14] K. Kato, J. Appl. Phys., vol. 113, 133512, 2013.
[15] Y. Higashi, et al., IEEE Trans, Elec. Dev, v61, p.4197, 2014.
[16] Y. Higashi, et al., Japan. J. Appl. Phys., Vol 54, 04DC14-1, 2015.
[17] J. F. Ziegler, J. P. Biersack and M. D. Ziegler, http://www.SRIM.org [18] D. B. Broan and N. S. Saks, J. Appl. Phys. 70, 3734, 1991.
[19] S. Takagi, N. Yasuda, and A. Toriumi, IEEE Trans. Elec. Dev. V46, p.335, 1999.
[20] S. Takagi, N. Yasuda, and A. Toriumi, IEEE Trans. Elec. Dev. V46, p.348, 1999.
[21] P. E. Blochl, J.H.Stathis, Phys. Rev. Lett. V83, 372, 1999.
[22] P. E. Blochl Phys. Rev. B, 62, 6158 2000.
[23] R. Degraeve, IEEE Trans. Elec. Dev. 45, 904, 1998.
[24] A. El-Sayed, et al., Phys. Rev. Lett., 114, 115503, 2015.
[25] A. El-Sayed, et al., Phys. Rev. B, 92, 014107, 2015.
[26] A. Alkauskas, et al., Phys. Rev. Lett., 101, 046405, 2008.
[27] A. E. Mattsson, et al., Phys. Rev. B, 73, 195123, 2006.
[28] C. Guerin, V. Huard, and A. Bravaix, J. Appl. Phys., 105, 114513, 2009.
[29] A. Yokozawa and Y. Miyamoto, J. Appl. Phys., 73, 1122, 1998.
[30] K. Deguchi, et al., in IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, 2000, p.327
[31] K. F. Schuegraf and C. Hu, IEEE Trans. Elec. Dev. 41, 761, 1994.
[32] J. Sune, IEEE Electron Device Lett., 22, 296, 2001.
[33] J. W. McPherson, Proc. IEEE Int. Reliability Physics Symp., 2007,p.209.
[34] D. J. Dimaria and E. Cartier, J. Appl. Phys., 78, p.3883, 1995.
[35] R. Rodriguez, et al. IEEE Elec. Dev. Lett. 21, p.251, 2000.
[36] R. Degraeve, IEEE IEDM Tech Dig. 1995, p.863
[37] R.Hasunuma, et al., Japan. J. Appl. Phys. 52, 031301, 2013
第 6 章 まとめ
本論文では、NAND Flash メモリおよびCMOSイメージセンサーで用いられるシリコ ンMOSゲートSiO2膜の欠陥の詳細解析ならびに絶縁膜劣化機構に関する研究成果をま とめたものである。以下に本研究の総括を行う。
第1章では、シリコンMOSゲートSiO2膜における界面欠陥や膜中欠陥がNAND Flash メモリやCMOSイメージセンサーなどの製品性能へ与える影響、それらの欠陥を理解す る重要性について述べた。またシリコン酸化膜の界面欠陥と膜中欠陥それぞれに想定され る欠陥種と主な生成機構について述べた。
第2章では、ゲート絶縁膜界面ならびに膜中の欠陥への電荷の捕獲、放出の挙動を模 擬することを目的として開発したnoise simulatorについて述べた。電荷捕獲放出の過渡 的な変化をシミュレーション可能なTransient noise simulator（TNS)と解析式をベース として短時間での解析を行えるFrequency domain noise simulatorの開発を行った。シ ミュレーションと実測でflicker noiseのばらつきを含めた詳細比較を行うことで、膜中欠 陥密度分布を抽出した。その結果、ゲートSiO2膜の膜中欠陥密度は、平均的にはおよそ 1017cm−3eV−1であり、さらにSTI端では1018cm−3eV−1程度と高密度になっていること を明らかとした。このSTI端における高密度な欠陥は、プラズマダメージなどにより形 成されていると考えられ、素子サイズが微細になるほど、より影響は大きくなる。さらに Random Telegraph Singnal noise解析で用いられている、捕獲放出の時定数比のゲートバ イアス依存性を利用した膜中欠陥位置導出方法の精度をシミュレーションで確認した。そ の結果、およそ5.5nm以下の膜厚の素子では、Si基板側とPoly-Siゲート側の両側のSiと の電荷捕獲放出が影響するため、大きな誤差が生じることを明らかとした。
第3章では、CMOSイメージセンサー(CIS)の黒沈み現象のモデル化のためCIS Read トランジスタのゲート絶縁膜界面および膜中欠陥における電子捕獲・放出・正孔対消滅シ ミュレーションを実施した。その結果、黒沈みがSi/SiO2界面近傍に位置し、Si伝導帯近 傍もしく価電子帯近傍に位置する欠陥により発生するとしたモデルで黒沈み現象を良好 に説明されることが示せた。黒沈みはゲートOn時に界面近傍の欠陥に捕獲された電子が ゲートOff時に正孔と対消滅することで発生していると考えられる。また負バイアススト レス印加により黒沈みが悪化する要因が、pMOSFETのNBTIと同様の機構でおこる界 面準位増加にあることを明らかとした。
第4章では、SILCシミュレーションと実測との比較からSILCに寄与する欠陥のエネ ルギー準位Etや格子緩和エネルギーSℏω0などの抽出を行った。その結果、以下の２通り
の欠陥分布が実測を良好に再現することを確認した。
Et=0.6〜1.6eVの場合、Sℏω0=1.26eV Et=0.0〜0.6eVの場合、Sℏω0=1.7eV
さらにSILCから見積もられる膜中欠陥密度がストレス時に注入される正孔量と相関があ り、べき乗の関係にあることを確認した。加えてSILCの ばらつきに関する計算から、実 測に見られる異常SILCと呼ばれる非常に大きなSILCのばらつきの発生原因について調 査した。その結果、これまで議論されてきた２つのトラップを介したtrap to trap トンネ リング電流のみでは実験で見られる異常SILCを説明することは困難であることを明らか にし、欠陥のエネルギー準位ならびに格子緩和エネルギーのばらつきが異常SILCの主な 原因である可能性を示した。
第5章では、Nuclear reaction analysisを用いた水素分析から水素原子の移動挙動を実 験的に明らかにし、ゲート電極界面からSi基板界面に向けた水素の移動が、ゲート絶縁 膜の劣化と強く相関していることを明らかにした。ゲート電極界面に存在する水素源が SiO２/Si界面に移動し、膜中欠陥ならびに界面準位を共に生成している。加えて、SILC で得られた膜中欠陥のエネルギー準位分布と第一原理計算で得られているエネルギー準位 との比較からSiO2バルク中欠陥が酸素欠損Si-SiもしくはH bridgeであろうことを同定 することに成功した。これらNRA、電気的信頼性評価、SILCシミュレーション、および 第一原理計算結果を合わせて水素による絶縁膜劣化機構のモデルを提案した。本モデルに おいては、hot hole起因でカソード界面の水素結合が破壊され水素の移動が起こり、それ らが膜中欠陥ならびに界面準位を生成する。SILCを説明する酸素欠損もしくはH bridge はSiO2バルク中のSi-DBなどの電子リザーバーとなる欠陥近傍で起こるH2O放出を伴う 酸素脱離反応で生成されると考えられる。
以上のように、開発した電荷捕獲放出シミュレーターを用いることで、初期膜中欠陥起
因のflicker noise、界面欠陥による電荷の捕獲、放出、正孔対消滅現象、ストレスによる
膜中欠陥生成によるSILCなどのSiO2膜界面ならびに膜中欠陥起因の信頼性問題の原因 を明らかとし、それぞれの原因を引き起こす欠陥種の同定を行った。加えて、NRAによ る分析結果などから水素により界面ならびに膜中の欠陥生成が引き起こされていること を明らかとした。
CISの黒沈みやSILCのシミュレーションから分かるように、ゲート絶縁膜欠陥に起因 する諸問題は、単に欠陥の数を反映しているわけではなく、その空間的な分布やエネル ギー準位などが大きく影響する。またデバイスの動作方法などに応じて問題となる欠陥種 や、その欠陥を介して生じる物理現象も異なる。それらに対して適切に対策を行うために は、シミュレーション計算、電気特性評価、および物理分析などにより個々の問題の原因 を明らかとすることが重要となる。本論文では、シリコンMOSゲートSiO2膜に関する 研究成果について述べたが、異なる材料や異なる構造のデバイスにおいても同様に重要と なる。
本論文で得られた絶縁膜信頼性に関する知見が今後の半導体開発の更なる発展の一助と なることを願う。
研究業績
原著論文
Observation of Very High Energy Gamma Rays From HESS J1804-216 with CANGAROO-III Telescopes
Yusuke Higashi, Hidetoshi Kubo, Tatsuo Yoshida , Enomoto Ryoji, and Toru Tanimori, et al.
The Astrophysical Journal, 683,p957, 2008
Unified transient and frequency domain noise simulation for random telegraph noise and flicker noise using a physics-based model
Yusuke Higashi, Nobuyuki Momo, Hiroshi Sasaki, Hisayo Sasaki Momose, Tatsuya Ohguro, Yuichiro Mitani, Takamitsu Ishihara, and Kazuya Matsuzawa
IEEE Transactions on Electron Devices, 61, p4197, 2014
Comprehensive studies on the accuracy of trap characterization by using advanced random telegraph noise simulator
Yusuke Higashi, Kazuya Matsuzawa, and Takamitsu Ishihara Japanese journal of applied physics, in press, 2015
(以下共著)
CANGAROO-III Search for Gamma Rays from Kepler’s Supernova Remnant Ryoji Enomoto, Yusuke Higashi, et al.
The Astrophysical Journal, 683, p.383, 2008
Error tolerance analysis of deep learning hardware using restricted Boltzmann machine towards low-power memory implementation
Takao Marukame, Kodai Ueyoshi, Tetsuya Asai, Masato Motomura, Alexandre Schmid,
Masamichi Suzuki, Yusuke Higashi, and Yuichiro Mitani
IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 99, 2016
国際学会発表およびproceedings(査読あり）
Observation of VHE gamma rays from HESS J1804-216 with CANGAROO-III Tele-scopes
Yusuke Higashi, Bicknell, G.V., Clay, R.W., et al.
International Cosmic Ray Conference, p.645, 2007
Comprehensive understanding of random telegraph noise with physics based simulation Yusuke Higashi, Nobuyuki Momo, Hisayo Sasaki Momose, Tatsuya Ohguro, and Kazuya Matsuzawa,
Symposium on VLSI Technology, p.200, 2011
Comprehensive Studies on the Accuracy of Traps Characterization by Using Advanced Random Telegraph Noise Simulator
Yusuke Higashi, Kazuya Matsuzawa, and Takamitsu Ishihara
International conference on Solid State Devices and Materials, p.868, 2014
Comprehensive characterization of generated trap sites in gate insulator using advanced stress-induced leakage current simulator
Yusuke Higashi, Jiezhi Che, and Takamitsu Ishihara
International conference on Solid State Devices and Materials, p.6566, 2015
Dynamical Observation of H-induced Gate Dielectric Degradation through Improved Nuclear Reaction Analysis System
Yusuke Higashi, Riichiro Takaishi, Masamichi Suzuki, Yasushi Nakasaki, Mitsuhiro Tomita, Yuichiro Mitani, Masuaki Matsumoto, Koichi Kato, Shohei Ogura, and Katsuyuki Fuku-tani IEEE International Reliability Physics Symposium, 7B-2, 2016
(以下共著)
90nm node RF CMOS technology with latch-up immunity on high-resistivity substrate Nobuyuki Momo, Yusuke Higashi, Masato Oda, Kazuya Matsuzawa, Koichi Kokubun, Tatsuya Ohguro, Hisayo Sasaki Momose, and Yoshiaki Toyoshima