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【IEDM】III-V族半导体FET亮相逻辑CMOS相关成果接连发布

DATE	2007/12/18

　　【日经BP社报道】

英特尔开发的In_0.7Ga_0.3As沟道HEMT的积层构造

美国麻省理工学院开发的InAs沟道HEMT的构造

　　在“2007 IEDM”上发布的提高CMOS性能的技术中，亮点之一当属面向逻辑CMOS的III-V族半导体通道FET（III-V FET）。

Si-CMOS相关人员也热切关注III-V族

　　在12月9日的短期会议“Emerging Nanotechnology and Nanoelectronics”上，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology,简称MIT）的J. A. del Alamo教授发表了题为“CMOS Extension via III-V Compound Semiconductors”的演讲，并详细点评综述了逻辑应用III-V FET的现状和可行性。J. A. del Alamo教授认为，将III-V族半导体的高电子迁移率应用到逻辑nMOS场效应管中，这一点十分具有吸引力。另外，还提到了以下课题：（1）在硅底板上形成高质量III-V层，（2）与高介电率（high-k）膜形成良好的MIS界面，（3）实现三维构造，（4）实现高性能pMOS场效应管，（5）实现可微细化的自动调整增强（Self Align Enhancement）型FET构造。

　　与这个演讲相呼应，在第一天（12月11日）的“Quantum, Power, and Compound Semiconductor Devices - III-V FETs for Microwave, Millimiter Wave and Digital Applications”分会（会议23）上，八场演讲中有五场（包括特邀演讲在内）涉及逻辑III-V FET技术。这场分会还聚集了许多Si-CMOS的相关人员，会场出现爆满盛况。上述五场演讲中，从元件构造来看，有两场涉及MIS FET，三场涉及HEMT；从通道材料来看，有四场涉及InGaAs，一场涉及InAs。上述五场演讲的发表者均来自美国，其中来自企业（美国飞思卡尔半导体和美国英特尔）的演讲有两场，来自大学的演讲有三场。

英特尔发布InGaAs通道HEMT

　　英特尔报告的研究成果是：在硅底板上堆积1.3μm的GaAs/InAlAs缓冲层后，形成In_0.7Ga_0.3As通道HEMT，与利用磷化铟(InP)底板的方式相比，可获得毫不逊色的结晶性和元件特性（“Heterogeneous Integration of Enhancement Mode In_0.7Ga_0.3As Quantum Well Transistor on Silicon Substrate using Thin (<2μm) Composite Buffer Architecture for High-Speed and Low-voltage (0.5V) Logic Applications”：演讲序号23.5）。在栅极长80nm、电源电压为0.5V的情况下，可获得0.32mA/μm的ON电流。

　　美国麻省理工学院报告了两项研究成果：注意到可扩展性（Scalability），因此即使是极薄的通道，也可获得高迁移率的InAs通道HEMT（“Logic Performance of 40nm InAs HEMTs”：演讲序号23.6）；采用了可减小源电阻和元件尺寸的自动调整构造的InGaAs通道HEMT（“90nm Self-Aligned InGaAs HEMT for Logic Applications”：演讲序号23.7）。InAs HEMT通过采用5nm的极薄通道，在栅极长40nm的情况下，仍可获得较高的短通道效应，与硅相比较，可获得1.6倍的电子注入速度。

通过MIS FET实现1.05mA/μm的ON电流

　　飞思卡尔的Passlack发表了有关MIS FET的特邀演讲，他表示有望在In_0.75Ga_0.25As通道中获得相当于Si MOS场效应管的3倍以上的性能（“High Mobility III-V MOSFETs for RF and Digital Applications”：演讲序号23.4）。不过，实际试制的元件，尚未获得充分的截止（Cutoff）特性，MOS界面的优化是问题所在。

　　另外，美国普渡大学（Purdue University）报告的研究成果是：将基于ALD的Al₂O₃和HfO₂作为栅极绝缘膜的倒置型（Inversion）InGaAs MIS FET的电气特性（“High Performance Submicron Inversion-Type Enhancement-Mode InGaAs MOSFETs with ALD Al₂O₃, HfO₂ and HfAlO as Gate Dielectrics”：演讲序号23.8）。在拥有0.4μm长栅极和10nm厚Al₂O₃栅极绝缘膜的In_0.65Ga_0.35As MIS FET中，可获得1.05mA/μm（漏极电压为2V，栅极电压为4V）的ON电流，作为VIII-V MIS FET来讲，这是迄今为止获得的最大电流。

要想达到实用化水平，尚需进一步突破

　　正如前面所提到的，关注逻辑应用的III-V FET的开发，正在以美国为中心呈现活跃态势，多个机构开始报告具有高驱动力的元件特性。另一方面，元件构造和尺寸等尚未达到可与微细Si CMOS相媲美的水平，在硅平台上实现微细III-V FET的路途将会崎岖不平。正如第二天（12月10日）的“Performance Analysis and Transport Modeling”分会（会议5）上的演讲所陈述的，如果采用接近极限的终极构造和尺寸，对于硅来讲，III-V通道将不会起到太大作用。

　　旨在替代硅的III-V通道FET，刚刚有了研究头绪。要想达到实用化水平，尚需制定可带来更大突破的科学性研发框架、积累充分的实验数据、选择合适的应用工艺、探索应用范围。（特约撰稿人：东京大学研究生院工程学研究系电子工程学专业　高木信一）

■日文原文
【IEDM】III-V族半導体チャネルFET，ロジックCMOS向けの成果が相次ぐ

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