国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部主任 Tetsuji Yasuda] AIST 特别研究员 Wen Hsin Chang、3D 集成系统组高级研究员 Hisashi Irisawa 和同一研究部首席研究员 Tatsuro Maeda 被视为超越硅 (Si) 性能的有前途的材料锗 (Ge)厚度小于10 nm。此外，当这种纳米级均匀的Ge超薄膜夹在绝缘膜之间时，Ge超薄膜中的电子移动性得到显着改善。这是一种颠覆关于半导体的传统观点的现象，传统观点认为，在夹在绝缘膜之间的5nm或更小的半导体薄膜中，由于界面不均匀和半导体薄膜厚度波动的影响，电子迁移率显着降低。
Ge 是常规大规模集成电路（LSI）中使用的Si相比，它具有更高的迁移率，并且可以在更低的电压下流过更多的电流，使得可以通过用Ge代替Si来提高LSI的速度。这次，半导体转移随着技术的进步，我们已经能够制造出夹在绝缘膜之间的10纳米以下的超薄Ge结构，这是朝着实现更高速度和更低功耗的Ge基LSI（Ge-LSI）迈出的重要一步。此外，此次发现的超薄Ge薄膜中电子迁移率迅速增加的现象不仅有望应用于高性能、超低功耗Ge-LSI的实现，而且有望应用于新型电子和光学器件。
该技术的详细内容将于6月5日至8日在京都举行的2017年VLSI技术研讨会上公布。
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| 超薄Ge结构截面的透射电子显微镜图像 |
随着移动信息终端的普及以及由于IT设备的功能增加而导致的功耗的增加，需要降低电子信息设备的功耗。为此，构成板载 LSI 的每个组件都必须晶体管的工作电压是有效的。到目前为止的晶体管细化工作电压因此而逐渐降低，但已接近LSI中使用的Si的物理特性的物理极限，近年来一直停滞在1V左右。因此，电子而不是Si洞移动性并在低电压下工作。
Ge 被认为是最早观察到晶体管现象的半导体。由于易于集成，Si 长期以来一直用于晶体管，但自 2000 年左右以来，Ge 固有的高晶体管性能已被重新评估。在产业技术研究院，高性能Ge晶体管的研究始于国家研究开发公司新能源和产业技术开发组织的“下一代半导体材料和工艺基础设施（MIRAI）项目（2001-2012）”，随后独立行政机构日本学术振兴会的高级研究和开发支持计划（FIRST）（2009-2011）以及在同一项目下建立的合作研究机构绿色纳米电子中心，目前正在研究中在纳米电子学研究部进行（AIST 新闻公告 2011 年 9 月 27 日、AIST 新闻公告 2014 年 6 月 9 日）。在此期间，旨在提高Ge晶体管性能的各种基础技术稳步进展，但原本预期实际应用的时间却被推迟了。高品质单晶造成这种情况的主要原因是Ge薄膜的形成困难，AIST利用自己的低温键合技术和先进的半导体转移方法开发了形成高质量Ge薄膜的技术。
我们现在已经开发出一种通过改进半导体转移技术来制造厚度为10 nm的单晶Ge薄膜的方法。图 1 概述了新开发的超薄 Ge 结构形成方法，即 HEtero 层剥离 (HELLO) 方法。首先，在砷化镓 (GaAs) 基板上剥落层形成砷化铝（AlAs）层，并在其顶部形成高质量的超薄锗/硅锗/锗（Ge/SiGe/Ge）多层结构异质外延生长让它发生吧。 SiGe层的选择如下所述蚀刻在此过程中成为蚀刻停止层。这里的关键是生长 AlAs 和 SiGe 层等晶体，它们具有显着不同的化学性质，但与 Ge 晶体的晶格匹配。然后是氧化铝（Al2O3)沉积绝缘膜。 Al2O3/Ge/SiGe/Ge/AlAs层后，二氧化硅(SiO2) 与带有薄膜的 Si 基板接合。当仅用化学溶液溶解作为剥离层的AlAs层并剥离GaAs基板时，Al2O3/Ge/SiGe/Ge层的Si基板。此外，当选择性蚀刻并依次去除转移的Ge/SiGe/Ge层的上Ge层和SiGe层时，在绝缘膜上形成均匀的超薄Ge结构。最终，这种超薄Ge结构的厚度将通过在原子层水平上反复蚀刻来精确控制。
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| 图1 超薄Ge结构的形成过程 |
图 2 显示了这种超薄 Ge 结构的横截面透射电子显微镜图像。上、下Al2O3观察到夹在绝缘膜之间的清晰Ge晶格图像，并使用精确的膜厚控制方法分别形成了（a）3 nm和（b）9 nm的均匀单晶Ge超薄膜。另外，图2是晶体管原型制作完成后的照片，底部是SiO2带薄膜的Si衬底，顶部是氮化钽（TaN）金属栅电极层。
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| 图2 超薄Ge结构横截面的透射电子显微镜图像 |
另外，超薄单晶Ge薄膜的电子迁移率从13 nm到3 nm片层电子密度在确认依赖性时，我们观察到随着薄膜从 13 nm 变薄至 3 nm，电子迁移率迅速增加的现象（图 3）。片层电子密度 5x1012厘米-2处，移动性增加了25倍。此前有报道称，在夹在上下绝缘膜之间的Si和Ge等半导体薄膜中，由于上下绝缘层与半导体薄膜之间的界面的不均匀性以及半导体薄膜厚度波动的影响，电子迁移率在膜厚为5nm以下时显着降低。然而，这一发现可以说颠覆了传统观点。
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| 图3 超薄Ge层中电子迁移率与片层电子密度的关系 |
此次发现的现象是，由于纳米结构的原因，超薄Ge结构比单晶Ge具有更大的效果。能带结构的巨大变化造成的。这是第一性原理计算，10nm以下的Ge结构具有量子结构，电子为(001)晶轴电子在被限制在 方向时选择性地占据L谷有效质量显着减小且有效质量小伽谷的能量差将会减少，并且 Г 谷的电子占有率将会增加（图 4）。其结果，认为有助于电子传导的有效质量小的电子数增加，电子迁移率提高。这一发现是第一个支持第一性原理计算预测的实验结果。
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| 图4 Ge薄膜的能带结构((a)膜厚10nm以上，(b)膜厚10nm以下) |
超薄Ge薄膜对能带结构的调制使电子和空穴等载流子的传输特性发生显着变化。该特性不仅有望有助于超低功耗LSI，还将应用于新型量子效应器件和光学器件。
这一结果是实现Ge-LSI的重大机遇，但其物理机制仍不清楚，可期待迁移率的进一步提高。在未来两年内，我们将建立更精确的细化过程，展示改进的流动性，并阐明其机制。该公司还计划在三年内将技术转让给私营公司。