東大、Si基板上に集積されたIII-V-OIチャネルMOSトランジスタを開発

東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻の横山正史特任研究員らの研究チームは、Si基板上にIII-V族化合物半導体を集積する技術を開発、Al₂O₃を埋め込み酸化膜層とするIII-V-On-Insulator(III-V-OI)基板を実現し、その基板上に作製したIII-V-OI MOSトランジスタにおいて高い電子移動度を実現することに成功したことを明らかにした。2010年6月15～17日に米国ハワイ州で開催されている半導体デバイスに関する国際会議「VLSI技術シンポジウム(2010 Symposium on VLSI Technology)」にてハイライトペーパーに選出されている。

半導体の性能向上を目指し、3次元構造トランジスタの研究開発が進められている一方、電流駆動力増大のために高移動度材料の導入も提案され、GeやIII-V族化合物半導体などの高移動度材料を利用したMOSトランジスタの研究も行われている。しかし、そうしたSi以外の材料をSiプラットフォーム上への集積することは、技術的課題が存在していた。

同研究チームは、基板貼り合わせ技術を利用して、III-V-OI-on-Si構造を開発、さらにIII-V MOSトランジスタを作製することで、高移動度チャネルを有するマルチゲート構造のMOSトランジスタの開発を提案してきており、これまでSiO₂を埋め込み酸化膜とするIII-V-OI基板の作製に成功、Siトランジスタよりも高い移動度のIII-V-OIトランジスタの実現に成功している。今回の研究では、III-V族化合物半導体と相性の良いAl₂O₃を埋め込み酸化膜層として採用したIII-V-OI-on-Si基板、および、そのIII-V-OIトランジスタを開発し、従来より高い移動度の実現を図った。

研究では、新たにAl₂O₃を埋め込み酸化膜とするIII-V-OI基板の作製に適した低温・低ダメージの基板接合技術を開発した。具体的には、III-V-OI MOSFETのIII-V族化合物半導体チャネルには、InP(001)基板上にエピタキシャル成長したInGaAsを利用。埋め込み酸化膜層には、原子層成膜装置(ALD)を用いて成膜したAl₂O₃膜を利用。

このAl₂O₃/InGaAs/InP(001)基板をSi(001)基板と直接基板接合を実施。高真空中でArビームを基板に照射、表面活性化を行い、高真空中で、Al₂O₃/InGaAs/InP(001)基板とSi(001)基板とを接合することで、室温でのIII-V-OI-on-Si構造を実現。その後、InPをInGaAsから選択性エッチングにより除去することで、InGaAs/Al₂O₃-SiのIII-V-OI-on-Si基板が完成する。

選択エッチングによるチャネル層の薄膜化は、SOI基板の薄膜化より容易で、低ダメージのプロセスを実現できるという。

作製されたIII-V-OI基板の接合界面を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察すると、InGaAs/Al₂O₃界面には、Arビームや基板貼り合わせによるダメージは見られず、良好な基板貼り合わせが実現できていることが判明。これにより、エピ成長させたInGaAs層を良好な結晶構造を保持したままSi基板上に積層することができることが確認された。なお、同基板接合技術は、大面積基板への応用も可能であるほか、絶縁層を介して基板を貼り合わせ方法であるため、III-Vチャネル以外のチャネル材料への応用も期待できるという。

また、同研究では、作製したIII-V-OI MOSFETトランジスタの特性評価も実施。Al₂O₃層を埋め込み酸化膜層に採用したことで、従来のSiO₂の埋め込み酸化膜層に比べ、実行移動度μ_effを向上させることに成功したほか、III-V-OI MOSFETのフロントゲート動作にも成功、Si基板上に集積したIII-V-OI MOSFETにおいて、Siトランジスタ比でおよそ3～5倍程度の電子移動度を実現した。

今回の成果について、同研究チームでは、論理LSIのSiチャネルをInGaAsなどの化合物半導体で置き換えた次世代超高速CMOSトランジスタの実現可能性が高まるだけでなく、電子デバイスと光デバイスなどの異種デバイスをモノリシック混載した複合機能LSIの実現も可能になる技術と期待を寄せており、今後は歪み技術の導入などによるチャネル層の最適化や埋め込み層の改善によるIII-V-OI nMOSトランジスタの高性能化やpMOSトランジスタの動作実証を行い、高移動度材料を用いたトランジスタの集積によるCMOSトランジスタの高性能化を目指すとしている。