東大ら,ナノシート酸化物半導体トランジスタを開発

東京大学と奈良先端科学技術大学院大学は,原子層堆積法を用いて酸化物半導体のナノ薄膜を成膜する技術により,低温で形成可能なナノシート酸化物半導体をチャネル材料とする高性能で高信頼性なトランジスタの開発に成功した(ニュースリリース)。

半導体は大規模集積化が進められており,現在,三次元集積化により,さらなる高集積化と高機能化が進もうとしている。従来のシリコン基板上に形成される半導体集積回路の配線層にトランジスタを形成することで,高機能回路を三次元積層して高集積化することができる。

そのためには低温で形成できる半導体材料が必要であり,また,その材料を用いたトランジスタは高集積化のために微細化しても高性能・高信頼性を有する必要がある。

酸化物半導体は,これまでフラットパネルディスプレーで用いられてきた半導体材料だが,半導体集積回路への応用にはナノ薄膜の均一な成膜が必要であり,また,それを用いた高性能・高信頼性なトランジスタ技術の開発が望まれていた。

研究グループは,原子層ごとに成膜が可能で,均一な膜厚が得られる,原子層堆積法による酸化物半導体のナノ薄膜の成膜方法を開発し,ナノシート酸化物半導体をチャネル材料とする高性能で高信頼性なトランジスタを開発した。

具体的には,In2O3とGa2O3を原子層ごとに交互に成膜することでInGaO(IGO)のナノ薄膜を成膜する手法を開発した。ナノシートIGOをチャネル材料とするプレーナー型トランジスタを試作・評価し,性能指標である移動度と信頼性指標であるバイアスストレス閾値電圧シフトを系統的に調査し,移動度と閾値シフトの間のトレードオフ関係を明らかにした。

また,そのトレードオフを解消するために,IGOナノシートをゲートで覆ったGate-All-Around構造を提案し,試作評価を行なった結果,ノーマリーオフ動作,プレーナー型に対して2.6倍の駆動電流向上,1.2倍の移動度向上,閾値電圧シフトの大幅な低減を実現した。

この研究により,原子層堆積法による酸化物半導体のナノ薄膜の均一な成膜が可能となった。研究グループは今後,高移動度で高信頼性な酸化物半導体ナノ薄膜の開発を推進し,微細なトランジスタや三次元構造のトランジスタへと展開し,半導体の三次元高集積化に資する研究開発を行なっていくという。

さらに,半導体のさらなる高集積化とそれによる高機能化が可能となり,エネルギー効率の高いコンピューティングを実現することによって,ビッグデータを利活用す
る社会サービスの展開が期待されるとしている。

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