独立行政机构产业技术综合研究所[会长：野间口佑]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部主任金丸正武]协同研究部绿色纳米电子中心[协同研究部主任横山直树]首席研究员Shinji Migita等人频道3 nm 的极小长度晶体管的操作
所开发的晶体管是利用硅晶体溶解在碱性溶液中时形成的V形凹槽制造的。通过调整溶解条件，使槽的顶端的锐度为3nm，将该部分作为通道。该结是使用一种新技术形成的，该技术将杂质均匀分布在整个硅晶体中。就电性能而言，当沟道厚度减小至1 nm且沟道长度为3 nm时，电流调节能力达到最大。此外，我们研究了电子流过晶体管的速度，发现在长度为 3 nm 的沟道内分散的影响被压制，呈准弹道流动。这意味着电力可以在没有能量损失的情况下流动，并有望降低集成电路的功耗。
有关该技术的更多信息，请参阅将于2012年12月10日至12日在美国旧金山举行的International Conference 2012国际电子器件会议(IEDM 2012)。
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| 沟道长度为 3 nm 的原型晶体管的电子显微镜图像 |
近年来，人们担心由于移动信息终端的普及和IT设备的功能增加而导致功耗增加，并且降低电子信息设备的功耗的社会需求正在增加。是电子信息设备的核心部件大规模集成电路（LSI）内置超过1亿个晶体管，内部进行高速运算处理。为了降低信息设备的功耗，有必要开发能够降低如此庞大数量的晶体管所消耗的能量的技术。
为了降低晶体管的能耗，世界各地正在从材料、结构、工作原理等多个角度进行研究和开发。在结构方面，小型化已成为重要的设计准则，目前，由尺寸相当于20 nm的三维结构晶体管组成的LSI已投入商用。此外，在研发中，人们对验证小型化至 10 nm 或更小的晶体管的性能越来越感兴趣。
绿色纳米电子中心 (GNC) 是一个合作研究机构，成立于 2010 年 4 月，旨在实施内阁府和日本学术振兴会运营的高级研究与开发支持计划 (FIRST) 选定的项目。它由五家公司（富士通株式会社、东芝株式会社、日立株式会社、瑞萨电子株式会社和爱发科株式会社）借调的研究人员和日本产业技术研究所的研究人员组成。自2011年以来，GNC一直在进行晶体管的研发，目标是将传统LSI的功耗降低1/10至1/100。
这项研究和开发是在高级研究和开发支持计划（FIRST）项目“绿色纳米电子核心技术开发”（首席研究员横山直树）的支持下进行的。
该技术是利用现有的半导体制造方法，结合纳米级结构控制技术和新的键合技术而开发的。图 1 显示了原型设计过程。将单晶硅粘合到绝缘膜上SOI板制造晶体管首先，用碱性溶液溶解硅单晶的有限区域，形成V形凹槽。利用硅的溶解速度根据其晶面而有很大变化的事实，保留特定的晶面并形成V形槽。通过调节熔化温度和时间，V形槽的尖端可以变得尖锐，曲率半径为3纳米。这部分成为晶体管的沟道。另一方面，通过精确调节V形槽的深度，可以自由设计SOI衬底的厚度。在形成V形槽结构之后，沉积栅极绝缘膜和栅电极膜并对其进行图案化以产生栅电极。来源和排水离子注入最后，采用高温热处理促进杂质扩散，确保杂质以高浓度均匀分布在整个硅晶体中。制造晶体管的传统方法会抑制杂质的扩散并产生浓度梯度。PN 结然而，在尺寸小于10nm的晶体管中难以形成PN结。因此，在本次开发中，为了克服这个问题，我们在不使用PN结的情况下通过栅电极创建了电场。能量屏障即可运行。图 2 显示了原型晶体管横截面结构的电子显微镜图像。
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图 1 所开发晶体管的原型制作过程 (a) 用碱性溶液溶解 SOI 衬底并形成 V 形凹槽。 (b)沉积栅极绝缘膜和电极膜。在处理栅极图案之后进行离子注入。 (c)通过热处理完成，使杂质以高浓度均匀分布。 V形槽的尖端具有3nm的尖锐曲率半径，成为晶体管的沟道。 |
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| 图2 原型晶体管横截面结构的电子显微镜图像 |
图3显示了沟道长度为3 nm的晶体管的电气特性。通过改变栅极电压，漏极电流超过六个数量级。漏极电压发生变化，也确认了晶体管的正常电流响应。
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图3 原型晶体管的电气特性 (a) 栅极电压和漏极电流之间的关系。图中的数字是漏极电压设置。 (b) 漏极电压和漏极电流之间的关系。通过以 02 V 增量改变栅极电压直至最大 20 V 来测量。这些测量结果证实晶体管正常工作。 |
沟道厚度也是提高晶体管性能的重要参数之一。图 4 显示了对 SOI 衬底通道部分厚度影响的系统研究结果。研究发现，将厚度减少到相当于 1 nm 对于实现高性能至关重要。在微型化的极限，有必要将结构控制在纳米尺寸。
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图 4 通道厚度在纳米尺度上变化时的电特性 通过改变 SOI 衬底沟道部分的厚度而制造的 3 nm 沟道长度晶体管的栅极电压和漏极电流之间的关系。将通道厚度减少至相当于 1 nm 对于高性能至关重要。 |
此外，图 5 显示了新开发的晶体管内电子速度的分析结果。电子以恒定的速度从源极流向漏极。在普通晶体管中，从源端注入的电子在沟道内散射，因此它们的速度逐渐降低。然而，在沟道长度为 3 nm 的晶体管中，电子到达漏极时几乎没有散射，因此速度保持恒定。无散射意味着晶体管内部没有能量损失。如果在未来的LSI中使用这种晶体管，预计能耗将会降低。
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图5 通道内电子速度分析结果 从源极注入的电子到达漏极而没有减速。这意味着大部分电子通过通道时不会被散射。 |
基于新开发的晶体管，我们将开展新原理晶体管的研究，以进一步降低功耗。