ナノシート酸化物半導体を用いたトランジスタ開発：原子層堆積法で均一にナノ薄膜形成

東京大学と奈良先端科学技術大学院大学の共同研究グループは、低温で形成できるナノシート酸化物半導体をチャネル材料に用いて、高性能かつ高信頼のトランジスタを開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

IGOナノシートをゲートで覆ったGate-All-Around構造を提案

　東京大学生産技術研究所の小林正治准教授と、奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学領域の浦岡行治教授らによる共同研究グループは2023年6月、低温で形成できるナノシート酸化物半導体をチャネル材料に用いて、高性能かつ高信頼のトランジスタを開発したと発表した。

　先端半導体は、さらなる高集積化や高機能化が求められている。こうした中で、三次元構造など半導体の高集積化を進めていくうえで期待されているのが「酸化物半導体」である。酸化物半導体は、既にフラットパネルディスプレイで用いられてきた。この材料を半導体集積回路へ応用するには、均一なナノ薄膜の製膜技術が重要になるという。

　研究グループは今回、原子層堆積法を用い酸化物半導体のナノ薄膜を形成する技術を開発した。具体的には、In₂O₃とGa₂O₃を原子層ごと、交互に成膜をしてInGaO（IGO）のナノ薄膜を形成した。このナノシートIGOをチャネル材料とするプレーナ型トランジスタを試作した。

試作したナノシート酸化物半導体トランジスタの模式図と透過型顕微鏡による断面像 出所：東京大学他

　この試作品を用いて、移動度としきい値シフトにおけるトレードオフの関係性について解明した。その上で、トレードオフの課題を解決するため、新たにIGOナノシートをゲートで覆った「Gate-All-Around構造」を開発した。新たな構造を採用したことで、「ノーマリーオフ動作」や「プレーナ型に対して駆動電流が2.6倍向上」「移動度は1.2倍向上」「しきい値電圧シフトの大幅な低減」を実現したという。

ナノシート酸化物半導体トランジスタの電気特性シミュレーション結果（左上）と実測結果（左下）。プレーナ型トランジスタと比較した移動度（右上）とバイアスストレスしきい値電圧シフト（右下）のグラフ 出所：東京大学他