Mejora considerablemente las propiedades del transistor de germanio policristalino.

Una colaboración de investigación ha desarrollado una nueva tecnología de formación de película policristalina para lograr una tecnología de apilamiento tridimensional (3D) para circuitos integrados (LSI) a gran escala, mejorando en gran medida el rendimiento de los transistores de germanio (Ge) policristalino tipo N.

El Ge policristalino se puede formar a una temperatura más baja (500 °C o menos) que el silicio policristalino (Si) ampliamente utilizado. Esto permite que los circuitos CMOS se apilen directamente en circuitos integrados sin causar daño térmico, lo cual es prometedor como tecnología elemental para 3D-LSI. Además, la movilidad de los electrones y los huecos en el Ge es mayor que en el Si, por lo que se espera un funcionamiento a alta velocidad y a bajo voltaje. Se requieren transistores tipo N y tipo P para las operaciones de circuitos integrados. Los transistores tipo P de Ge policristalino ya han logrado un rendimiento suficiente que se acerca al de los transistores de Si monocristalinos convencionales. Sin embargo, la corriente impulsora de los transistores de tipo N es 10 veces o más inferior a la de los transistores de Si convencionales, lo que supuso un problema. La tecnología desarrollada aumentó la corriente impulsora aproximadamente 10 veces más que la de la tecnología convencional, por lo que se espera que la velocidad de funcionamiento de los circuitos integrados de Ge policristalino esté en el nivel requerido para el uso práctico y contribuya a la realización de dispositivos 3D-LSI.

Los detalles de la tecnología desarrollada se anunciaron en la “Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos 2014” que se celebrará en San Francisco, EE. UU., del 15 al 17 de diciembre de 2014.

Hoy en día, muchas personas disponen de dispositivos informáticos, como teléfonos inteligentes y tabletas, y la cantidad de información procesada ha aumentado drásticamente. Si bien se desea mejorar aún más la capacidad de procesamiento de información de los dispositivos de TI, la cantidad de energía que consumen está aumentando, por lo que proporcionar un consumo de energía ultrabajo a estos dispositivos de TI es importante para promover una sociedad que consuma menos energía. Si bien hasta ahora se ha logrado un alto rendimiento y un bajo consumo de energía de los LSI mediante la miniaturización de transistores, una mayor miniaturización ha demostrado ser un desafío tecnológico y económico. Mientras tanto, los circuitos integrados 3D en los que se han apilado múltiples LSI proporcionan no sólo una alta integración y un alto rendimiento sin necesidad de tecnología de miniaturización, sino también beneficios de ahorro de energía al reducir el retraso de los cables. Se ha desarrollado un medio para crear películas delgadas de LSI creadas individualmente y apilarlas, pero es costoso y no mejora suficientemente la densidad del cableado. Por lo tanto, es deseable tener una nueva tecnología 3D-LSI que forme circuitos CMOS para apilarlos continuamente en una capa de cableado de circuitos integrados CMOS y conectarlos a los cables superior e inferior.

Junto con Tsutomu Tezuka (especialista en investigación concentrada específica), Koji Usuda (especialista en investigación concentrada específica) (ambos actualmente en Toshiba Corporation) y otros del Grupo de Desarrollo CMOS de Nuevos Materiales/Nuevas Estructuras, el equipo de investigación colaborativo Green Nanoelectronics Center (GNC) establecido en el Instituto de Investigación en Nanoelectrónica de AIST, a finales de marzo de 2014, había realizado una investigación colaborativa relacionada con MOSFET de tipo P y tipo N utilizando Ge policristalino (Comunicado de prensa de AIST del 12 de diciembre de 2013). Esta investigación tuvo como objetivo desarrollar LSI de mayor rendimiento que consuman menos energía. A través de la presente investigación, se introdujeron nuevos procesos de producción que llevaron al desarrollo de transistores Ge policristalinos de tipo N con un rendimiento aún mayor.

Esta investigación se llevó a cabo (años fiscales 2010 a 2013) en GNC con la ayuda del Programa de Financiamiento para I+D Innovadora Líder Mundial en Ciencia y Tecnología de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, un sistema diseñado por el Consejo de Política Científica y Tecnológica.

Una película de Ge policristalino que forma transistores se forma de la siguiente manera: se forma una capa de óxido térmico (SiO2) sobre un sustrato de Si, luego se utiliza el método de proyección para depositar una película de Ge amorfa que luego se cristaliza mediante procesamiento térmico utilizando recocido con lámpara de flash ( FLA). Cuando esta película de Ge policristalino se utiliza para formar un transistor, la temperatura utilizada en los procesos posteriores al procesamiento térmico es de un máximo de 350 °C, sin causar daños, incluso si existe un circuito integrado que incluye cables de cobre sobre el sustrato. El prototipo de transistor tiene una estructura de transistor sin uniones con la forma de aleta que se muestra en los diagramas del resumen (diagrama conceptual y diagrama esquemático de estructura). El canal y las partes fuente/drenaje de un transistor tipo N sin unión deben ser del tipo N. Sin embargo, debido a que el Ge policristalino suele ser de tipo P, fue necesario convertir la capa de Ge policristalino a tipo N, manteniendo la calidad. Para ello, después del primer procesamiento térmico por el método FLA, se implantaron impurezas de tipo N (fósforo) y se realizó FLA por segunda vez para activar estas impurezas (Fig. 1). Este método FLA de dos pasos pudo producir una película de Ge policristalino de tipo N de alta calidad.

La movilidad del efecto Hall que representa la calidad de la película de Ge policristalino producida por este método se muestra en la Fig. 2. Tanto las películas de Ge policristalino de tipo N (electrones) como de tipo P (huecos) tenían una movilidad que superó la de las monocristalinas. Si. Esto muestra que se podría crear un transistor con propiedades superiores al Si monocristalino utilizando una película de Ge policristalino formada mediante el método desarrollado.

Se produjo un transistor de Ge policristalino de tipo N sin uniones (longitud de puerta: 70 nm) procesando la película de Ge policristalino de tipo N descrita anteriormente en forma de aleta y formando adicionalmente una aleación de níquel-geranio (aleación de Ni-Ge) en el regiones de origen y drenaje. Las características de transferencia y salida se muestran en la Fig. 3. El valor de la corriente de drenaje a un voltaje de funcionamiento de 1 V se acercó a casi 120 µA/µm, un valor aproximadamente 10 veces mayor que el valor convencional y equivalente a un MOSFET policristalino de tipo N de Si. de casi el mismo tamaño. Se cree que el método FLA de dos pasos mejoró la tasa de activación de las impurezas con respecto al valor convencional, disminuyendo la resistencia parasitaria. La tecnología desarrollada mejoró notablemente la velocidad de funcionamiento del transistor tipo N, anteriormente considerado el "cuello de botella" del funcionamiento del circuito integrado de los transistores Ge policristalinos. Los transistores de Si policristalino, que tienden a compararse con los transistores de Ge policristalinos, generalmente tienen un rendimiento peor que los transistores de Si monocristalino. El rendimiento de los transistores Ge policristalinos de tipo P ya supera al de los transistores de Si policristalinos y está a la par con el de los transistores de Si monocristalinos. De este modo, el método desarrollado avanzó mucho hacia la realización de circuitos CMOS Ge policristalinos de alto rendimiento.

En las propiedades de transmisión en la Fig. 3, la corriente en estado apagado es grande, por lo que la relación encendido/apagado cuando se aplicó 1 V fue solo de aproximadamente 10, lo cual fue problemático. Por lo tanto, para reducir la corriente fuera de estado, se introdujo una estructura que proporciona espacios entre los electrodos de Ni-Ge y la compuerta, reduciendo la corriente fuera de estado a 1/1000 (Fig. 4). Si bien la corriente en estado encendido disminuyó ligeramente, se puede esperar una corriente alta en estado encendido y una corriente baja en estado apagado optimizando los espacios entre los electrodos de Ni-Ge y la compuerta.

Los planes futuros incluyen la formación de un circuito integrado que combine Ge policristalino tipo P y tipo N. transistores sobre una película aislante y verificando el funcionamiento del circuito. Otros objetivos incluyen desarrollar un 3D-LSI con Ge policristalino apilado para miniaturizar en gran medida el LSI, aumentar el rendimiento y disminuir el consumo de energía.