[論文レビュー] The effect of low-energy ion-implantation on the electrical transport properties of Si-SiO2 MOSFETs

Dane R. McCamey, Matthew Francis+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2004

Semiconductor materials and devices参考文献 16被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、5nmの熱 thermoxidized シリコン酸化膜を有するSi-SiO2 MOSFETにおいて、低温DC輸送測定を用いて低エネルギーリンイオンドーピングに起因する電気的に活性なトラップを定量的に評価した。その結果、各イオンドーパーが電離したドナーに起因して、1イオンあたり0.08 ± 0.03個の追加トラップが生成され、イオンドーピングによる損傷とは異なることが判明した。また、2×10¹² cm⁻²のドーズでドナー活性度はほぼ100%に達しており、単一原子量子デバイスへの実現可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

Using silicon MOSFETs with thin (5nm) thermally grown SiO2 gate dielectrics, we characterize the density of electrically active traps at low-temperature after 16keV phosphorus ion-implantation through the oxide. We find that, after rapid thermal annealing at 1000oC for 5 seconds, each implanted P ion contributes an additional 0.08 plus/minus 0.03 electrically active traps, whilst no increase in the number of traps is seen for comparable silicon implants. This result shows that the additional traps are ionized P donors, and not damage due to the implantation process. We also find, using the room temperature threshold voltage shift, that the electrical activation of donors at an implant density of 2x10^12 cm^-2 is ~100%.

研究の動機と目的

• 低温（4.2 K）での電気的活性トラップのイオンドーピングに起因する特性評価。
• リンまたはケイ素のイオンドーピングがSi-SiO2界面領域におけるトラップ密度をどのように変化させるかの特定。
• 低ドーズでのドーパーの電気的活性度の評価。
• 低エネルギーイオンドーピングが将来の単電子および量子コンピューティングデバイスとどのように適合するかの評価。
• 電離ドナーに起因するトラップ形成とイオンドーピングによる損傷に起因するトラップ形成を区別すること。

提案手法

• 5nmの熱 thermoxidized シリコン酸化膜を有するMOSFETを用い、4.2 KでのDCコンダクタンスおよびホール測定を実施した。
• 移動度 vs. 載体密度（μ vs. n）解析を用いて、n_crit（臨界密度）を抽出した。これは、μ vs. log(n)のn_crit以上の領域における線形外挿法により解釈され、トラップ密度とされた。
• 室温でのしきい値電圧シフトを測定し、ΔV_th = q × n_act / C_imp を用いて活性化ドナー密度を算出した。C_impは酸化膜およびシリコン層の静電容量から計算された。
• ドーピング深さのモデル化にデルタドーピング近似を適用し、しきい値電圧シフトの計算を検証した。
• 文献からのイオン分布モデリングを用いて、Si-SiO2界面から10nm以内に存在するイオンの割合を推定した。ここでは電子波動関数が局在化している。
• PドーピングおよびSiドーピングのデバイスにおけるトラップ密度を比較し、電離ドナーの寄与を損傷とは分離して特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温（4.2 K）における低エネルギーリンイオンドーピングが、Si-SiO2 MOSFETにおける電気的に活性なトラップ密度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 観察されたトラップは、リンドナーの電離に起因するか、それともイオンドーピングによる損傷に起因するか？
• RQ3 低ドーズでのドーパーの電気的活性度はどの程度か？
• RQ4 ドーパーイオンのSi-SiO2界面からの空間的分布が、電子輸送およびトラップ形成にどのように影響を与えるか？
• RQ5 イオンドーピングを用いて、最小限のトラップ干渉を伴いながら、単一原子量子デバイスを信頼性高く作製可能か？

主な発見

• 低温下で、各リンイオンドーパーが0.08 ± 0.03個の電気的に活性なトラップを寄与しており、電離ドナーがトラップの主な要因であると示された。
• ケイ素ドーピングでは、1イオンあたり0.009 ± 0.005個の追加トラップしか生成せず、リンドーピングと比較してトラップ密度に与える影響は最小限であった。
• 追加トラップは、高温アニール（RTA）後にトラップ密度が増加しないこと、およびドーズに比例する線形相関から、イオンドーピング損傷ではなく電離リンドナーに起因することが確認された。
• ドーズが2×10¹² cm⁻²に達する段階で、ドナー活性度はほぼ100%に達し、5×10¹² cm⁻²では約60%に低下した。
• 未ドーピングデバイスの測定トラップ密度は2.1 ± 0.3 × 10¹¹ cm⁻²であり、これは21.8 ± 1.7 nmのトラップ間隔に対応し、ケイン量子コンピュータ提案における20nmのキュービット間隔と同等のスケールであった。
• 臨界密度はリンドーピングドーズに比例して線形に増加し、電子波動関数が局在化する界面から10nm以内に10%のイオンが存在するという仮定と整合的であり、観察された散乱および移動度低下を説明できる。