Значительное улучшение свойств поликристаллического германиевого транзистора.

Исследовательский коллектив разработал новую технологию формирования поликристаллической пленки для реализации технологии трехмерной (3D) укладки для крупномасштабных интегральных схем (БИС), что значительно повышает производительность поликристаллических германиевых (Ge) транзисторов N-типа.

Поликристаллический Ge может образовываться при более низкой температуре (500 °C или ниже), чем широко используемый поликристаллический кремний (Si). Это позволяет устанавливать КМОП-схемы непосредственно на интегральные схемы без термического повреждения, что является перспективным в качестве элементарной технологии для 3D-LSI. Кроме того, подвижность электронов и дырок в Ge выше, чем в Si, поэтому ожидается высокоскоростная работа и работа при низком напряжении. Транзисторы N-типа и P-типа необходимы для работы интегральных схем. Транзисторы P-типа из поликристаллического германия уже достигли достаточных характеристик, приближающихся к характеристикам обычных транзисторов из монокристаллического кремния. Однако управляющий ток транзисторов N-типа ниже, чем у обычных Si-транзисторов, в 10 и более раз, что было проблемой. Разработанная технология увеличила ток возбуждения примерно в 10 раз по сравнению с традиционной технологией, поэтому ожидается, что скорость работы интегральных схем из поликристаллического германия будет на уровне, необходимом для практического использования и будет способствовать реализации устройств 3D-LSI.

Подробности разработанной технологии были анонсированы на «Международной конференции электронных устройств 2014», которая пройдет в Сан-Франциско, США, 15-17 декабря 2014 года.

В наши дни у многих людей есть ИТ-устройства, такие как смартфоны и планшеты, и объем обрабатываемой информации резко увеличился. Хотя дальнейшее улучшение возможностей обработки информации ИТ-устройствами желательно, количество потребляемой ими энергии увеличивается, поэтому обеспечение сверхнизкого энергопотребления этих ИТ-устройств важно для развития общества, которое потребляет меньше энергии. Хотя высокая производительность и низкое энергопотребление БИС до сих пор достигались за счет миниатюризации транзисторов, дальнейшая миниатюризация оказалась технологически и экономически сложной задачей. Между тем, 3D-интегральные схемы, в которых объединены несколько БИС, обеспечивают не только высокую степень интеграции и высокую производительность без необходимости использования технологии миниатюризации, но и преимущества в энергосбережении за счет уменьшения задержки проводов. Был разработан способ создания тонких пленок индивидуально созданных БИС и их укладки друг на друга, но он является дорогостоящим и недостаточно улучшает плотность проводки. Поэтому желательно иметь новую технологию 3D-LSI, которая формирует КМОП-схемы таким образом, чтобы непрерывно укладывать их в слой разводки интегральных схем КМОП и соединять их с верхним и нижним проводами.

Совместно с Цутому Тэдзукой (специалистом по концентрированным исследованиям), Кодзи Усудой (специалистом по концентрированным исследованиям) (оба в настоящее время работают в корпорации Toshiba) и другими членами группы разработки новых материалов/новой структуры КМОП, совместная исследовательская группа Центра зеленой наноэлектроники (GNC) Компания, созданная в Научно-исследовательском институте наноэлектроники АИСТ, к концу марта 2014 г. провела совместные исследования, связанные с МОП-транзисторами P-типа и N-типа с использованием поликристаллического Ge (пресс-релиз АИСТ от 12 декабря 2013 г.). Это исследование было направлено на разработку более производительных БИС, потребляющих меньше энергии. Благодаря настоящим исследованиям были внедрены новые производственные процессы, которые привели к разработке поликристаллических Ge-транзисторов N-типа с еще более высокими характеристиками.

Это исследование было проведено (с 2010 по 2013 финансовый год) в GNC при поддержке Программы финансирования ведущих мировых инновационных исследований и разработок в области науки и технологий Японского общества содействия науке, системы, разработанной Советом по научно-технической политике.

Поликристаллическая пленка Ge, образующая транзисторы, формируется следующим образом: на подложке Si формируется термооксидный слой (SiO2), затем методом напыления наносится аморфная пленка Ge, которая затем кристаллизуется термической обработкой с использованием импульсного лампового отжига ( ФЛА). Когда эта поликристаллическая пленка Ge используется для формирования транзистора, температура, используемая в процессах после термической обработки, составляет максимум 350 ° C, не вызывая повреждений, даже если на подложке имеется интегральная схема, включающая медные провода. Транзистор-прототип имеет беспереходную транзисторную структуру с формой ребра, показанной на схемах в аннотации (принципиальная схема и принципиальная схема структуры). Все части канала и истока/стока транзистора N-типа без перехода должны быть N-типа. Однако, поскольку поликристаллический Ge обычно относится к P-типу, необходимо было преобразовать слой поликристаллического Ge в N-тип, сохранив при этом качество. Для этого после первой термообработки методом FLA были имплантированы примеси N-типа (фосфор) и проведен второй раз FLA для активации этих примесей (рис. 1). Этот двухэтапный метод FLA позволил получить высококачественную поликристаллическую пленку Ge N-типа.

Подвижность по эффекту Холла, отражающая качество поликристаллической пленки Ge, полученной этим методом, показана на рис. 2. Поликристаллические пленки Ge как N-типа (электроны), так и P-типа (дырки) имели подвижность, превосходящую подвижность монокристаллических пленок Ge. Си. Это показывает, что с использованием поликристаллической пленки Ge, сформированной разработанным методом, можно создать транзистор со свойствами, превосходящими монокристаллический кремний.

Беспереходный поликристаллический Ge транзистор N-типа (длина затвора: 70 нм) был изготовлен путем обработки поликристаллической пленки Ge N-типа, описанной выше, в ребристую форму и дополнительного формирования сплава никеля-герани (сплав Ni-Ge) в области источника и стока. Передаточные и выходные характеристики показаны на рис. 3. Значение тока стока при рабочем напряжении 1 В приблизилось почти к 120 мкА/мкм, что примерно в 10 раз превышает обычное значение и эквивалентно поликристаллическому Si N-типу MOSFET. почти одинакового размера. Считается, что двухэтапный метод FLA улучшил скорость активации примесей по сравнению с обычным значением, снизив паразитарную устойчивость. Разработанная технология заметно улучшила быстродействие транзистора N-типа, ранее считавшегося «узким местом» работы интегральных схем поликристаллических германиевых транзисторов. Транзисторы из поликристаллического кремния, которые обычно сравнивают с транзисторами из поликристаллического германия, обычно имеют худшие характеристики, чем транзисторы из монокристаллического кремния. По своим характеристикам поликристаллические Ge-транзисторы P-типа уже превосходят поликристаллические Si-транзисторы и находятся на одном уровне с монокристаллическими Si-транзисторами. Таким образом, разработанный метод позволил добиться значительного прогресса в реализации высокопроизводительных поликристаллических гелевых КМОП-схем.

В свойствах передачи на рис. 3 ток в выключенном состоянии велик, поэтому коэффициент включения/выключения при подаче 1 В составлял всего около 10, что было проблематично. Поэтому, чтобы уменьшить ток в закрытом состоянии, была введена конструкция, обеспечивающая промежутки между Ni-Ge электродами и затвором, снижающая ток в закрытом состоянии до 1/1000 (рис. 4). Хотя ток во включенном состоянии немного снизился, можно ожидать высокого тока во включенном состоянии и низкого тока в закрытом состоянии за счет оптимизации пространства между Ni-Ge электродами и затвором.

В планы на будущее входит создание интегральной схемы, объединяющей поликристаллический Ge P-типа и N-типа. транзисторы на изоляционную пленку и проверяем работу схемы. Дальнейшие цели включают разработку 3D-БИС с многослойным поликристаллическим германием, чтобы значительно миниатюризировать БИС, повысить производительность и снизить энергопотребление.