独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部部长安田哲二]新材料/功能集成组首席研究员前田龙夫等人大规模集成电路（LSI）的功耗n 类型MOSFET(nMOSFET) 和硅锗 (SiGe)p 型由 MOSFET (pMOSFET) 组成的三维堆叠CMOS环形振荡器我创建了一个原型电路并成功地使其工作。
后硅材料）与传统 LSI 中使用的硅 (Si) 相比，可以在更低的电压下流过更多的电流。因此，结合这些后硅材料双通道 CMOS该电路有望显着降低功耗，同时保持高速等性能。此次，InGaAs-nMOSFET和SiGe-pMOSFET均采用绝缘膜制造，具有出色的高速性和节能性。细通道结构为了提高性能，采用了三维粘合集成技术，打造出节省空间的CMOS环形振荡器电路。该电路演示了低电压操作（电源电压 037 V）。这一成果有望实现下一代超低功耗LSI，有助于实现低碳社会。
该成果将于2014年6月10日至12日（当地时间）在美国夏威夷檀香山举行的2014 VLSI技术研讨会上公布。
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| InGaAs-nMOSFET/SiGe-pMOSFET 3D 堆叠 CMOS 的横截面电子显微镜图像 |
随着移动信息终端的爆炸式普及以及IT设备的功能不断增加，电子信息设备的功耗不断增加。为了降低电子信息设备的功耗，降低提供给安装在这些设备中的大规模集成电路(LSI)的电源电压是非常有效的。过去电源电压一直在逐渐降低，但近年来降低的速度已减慢至1V左右。这是由于构成晶体管的硅的物理特性的限制以及平面晶体管的结构限制。因此，我们采用了低电压工作的后硅材料，鳍结构和细线结构变得更加活跃。
AIST 的纳米电子研究部门一直与合作研究机构绿色纳米电子中心新材料和新结构 CMOS 开发小组的共同研究员 Tsutomu Tezuka 和重点研究专家 Hisashi Irizawa（两人目前都在东芝公司）合作，对使用 SiGe 和 InGaAs 的 MOSFET 进行研究和开发，目标是在 LSI 中实现更低的功耗和更高的性能。这次，我们的目标是通过增加晶体管结构的复杂程度来进一步提高电路的性能。
这项研究与开发得到了日本学术振兴会高级研究与开发支持计划（FIRST）的支持，该计划由科学技术政策委员会（2010 财年至 2013 财年）设计。
图1显示了我们这次原型制作的使用InGaAs和SiGe的三维堆叠CMOS的示意图和横截面图。上段的InGaAs-nMOSFET和下段的SiGe-pMOSFET都是在绝缘膜上形成的宽度约为30nm的薄沟道MOSFET。精确的三维堆叠使得上下MOSFET能够以大约10nm的精度对齐，这有望通过紧密布线来减少电路面积并提高性能。另外，SiGe的细线沟道是氧化浓缩法形成，沟道表面的Ge成分高达70%以上。另一方面，InGaAs 薄沟道是通过在制造下部 SiGe-pMOSFET 后将 InGaAs 层粘合在一起并蚀刻它们来形成的。此外，在接合InGaAs层之前，将形成在InGaAs-nMOSFET下方的TaN背栅层隔着绝缘膜沉积在SiGe-pMOSFET上。如图 1a 中的原理图所示，通过对这些上部和下部 MOSFET 进行布线来制作 CMOS 电路。
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| 图1 使用InGaAs和SiGe的三维堆叠CMOS示意图(a)和原型器件的横截面图(b) |
图 2 中使用 InGaAs 和 SiGe 制造的 CMOS逆变器平面InGaAs/Ge-CMOS反相器的传输特性和传统的Ge衬底。绝缘膜上的薄沟道结构抑制了每个MOSFET的源极和漏极之间的关断泄漏电流，从而即使在低电压下也能实现更陡峭的传输特性和正常的电路操作。
图 3 显示了 InGaAs-nMOSFET 和 SiGe-pMOSFET 的截止特性和背栅电压依赖性。由于它们都是薄沟道类型，因此这两种 MOSFET 的漏极电流开/关比均超过三个数量级，从而降低了功耗。此外，通过改变每个晶体管中形成的背栅电压，阈值电压可以控制。能够使用背栅电压独立控制每个MOSFET的阈值电压有助于降低整个电路的功耗。
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| 图 2 使用 InGaAs 和 SiGe 的三维堆叠 CMOS 反相器的传输特性 |
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| 图 3 使用 InGaAs 和 SiGe 的三维堆叠 CMOS 的截止特性和背栅电压依赖性 |
我们使用新开发的采用 InGaAs 和 SiGe 的三维堆叠 CMOS 反相器，制作了 CMOS 环形振荡器（一种典型的动态数字电路）原型。图4显示了21级CMOS环形振荡器的输出特性和连接成环的5级环形振荡器的显微图像。我们确认环形振荡器可在低至 037 V 的电源电压下工作（图 4a）。这被认为是由于良好的逆变器传输特性和元件之间的均匀特性。此外，还证实，当施加-20 V的背栅电压时，振荡频率会增加（图4b）。
通过施加这样的背栅电压来调节CMOS性能和功耗对于功耗控制是有用的，并且这次开发的三维堆叠CMOS电路作为实现超低功耗的双通道CMOS结构很有前景。
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| 图 4 使用 InGaAs 和 SiGe 通过三维堆叠 CMOS 原型制作的环形振荡器的输出特性和显微图像 |
我们将继续开发使用硅后材料的3D堆叠CMOS，旨在实现LSI的更高性能和更低功耗。此外，通过应用接合技术，我们的目标是实现硅难以实现的发光和光接收器件的三维集成，并开发将LSI和硅后器件组合到一颗芯片上的多功能集成器件。