本文是以高競爭率著稱的IEDM（International Electron Devices Meeting，國際電子元件會議）的回顧。在2012年12月于美國舉行的“IEDM 2012”上，被采用的4篇論文中，有2篇是有關氧化物半導體的成果?？梢钥闯鯯i（硅）行業(yè)對該材料備受關注。

三星集團發(fā)布支持“4K以上”分辨率的新材料

氧化物半導體具有可在低溫下制備、性能高且透明的特點，正在以高精細顯示器的驅(qū)動晶體管為中心實現(xiàn)實用化，夏普于2012年針對液晶面板開始量產(chǎn)的“IGZO（In-Ga-Zn-O）”就是一個典型代表。松下和索尼在2013年1月舉行的“2013 International CES”上分別展出的56英寸4K×2K（3840×2160像素）有機EL面板也采用了氧化物半導體TFT作為驅(qū)動晶體管。在本屆IEDM上亮相的是應該稱為“后IGZO”的新材料和有可能使氧化物半導體的應用范圍擴展到顯示器以外領域的技術。

三星尖端技術研究所（SAIT）和首爾大學的共同研究小組提出將ZnON-TFT作為面向4K×2K以上分辨率的新一代顯示器的候補氧化物半導體TFT的提案（演講序號5.6）（圖1、圖2）。ZnON的帶隙只有1.3eV，與原來面向顯示器驅(qū)動TFT推出的氧化物半導體相比，載流子遷移率和工作穩(wěn)定性都很出色。研究人員在演講中介紹稱，在對ZnON-TFT進行光照并加載電壓的條件下，能夠以3V以下的驅(qū)動電壓獲得接近100cm2/Vs的載流子遷移率。

圖1：SAIT和首爾大學共同開發(fā)的ZnON-TFT （點擊放大）

圖2：ZnON的構造和特性（點擊放大）
瑞薩為氧化物半導體應用于CMOS電路開辟道路

氧化物半導體的應用領域不僅局限于顯示器驅(qū)動晶體管，現(xiàn)在還提出了在玻璃基板和柔性基板上集成使用氧化物半導體的透明運算電路等獨特應用。不過，氧化物半導體存在難以實現(xiàn)CMOS電路的缺點，因為很難形成p型晶體管，以前推出的In-Ga-Zn-O晶體管全是n型。

瑞薩電子發(fā)布了有可能改變這一現(xiàn)狀的技術。該公司使用p型非晶氧化物半導體開發(fā)出了晶體管，并確認能正常工作（演講序號18.8）。這一成果有助于實現(xiàn)CMOS電路，瑞薩電子技術開發(fā)本部先行研究統(tǒng)括部統(tǒng)括部長林喜宏介紹說：“氧化物半導體的應用范圍將大幅擴大。”

此次瑞薩開發(fā)的是在邏輯LSI多層布線內(nèi)嵌入BEOL（back-end of line）晶體管的技術。通過將LSI多層布線的一部分作為柵極電極及源極、漏極使用，只需追加1～2塊掩模便可形成晶體管。因此，幾乎不會增加芯片制造成本，便可在邏輯LSI的多層布線內(nèi)嵌入驅(qū)動高電壓的電源接口電路（圖3）。

由于多層布線需要在400℃以下的低溫條件下進行，因此瑞薩開發(fā)出了使用可在低溫制備的氧化物半導體作為BEOL晶體管通道材料的技術，并利用使用非晶In-Ga-Zn-O作通道的n型晶體管開發(fā)出了逆變器電路。不過，只用n型晶體管構成電源接口時，與CMOS電路相比，電路結(jié)構容易變得復雜，且耗電量也容易增加。

因此，此次為實現(xiàn)p型晶體管，瑞薩采用了SnO（氧化亞錫）這種非晶氧化物半導體（圖4、圖5）。由于SnO采用常用成膜方法時容易變成結(jié)晶質(zhì)，導致很多晶界特性不均。 因此，瑞薩改善了成膜條件，開發(fā)出了能夠形成完全非晶態(tài)SnO膜的技術。


圖3：利用非晶氧化物半導體實現(xiàn)CMOS電路（點擊放大）

圖4：瑞薩開發(fā)的SnO晶體管的截面（點擊放大）

圖5：SnO的特點（點擊放大）

圖6：瑞薩開發(fā)的SnO晶體管的特性（點擊放大）
已證實利用p型SnO可實現(xiàn)良好的晶體管特性

以前，p型SnO晶體管方面的研究主要以大學為中心在進行，但導通/截止比低，只有兩位數(shù)，很難實用化。此次，瑞薩通過在柵極和漏極的重疊處設置偏移（縫隙），降低了截止時的漏電流（圖6），從而使導通/截止比達到五位數(shù)，是以前的1000倍，耐壓也達到40V以上。

此次的p型SnO晶體管的通態(tài)電流很小，只有n型In-Ga-Zn-O晶體管的1/10。不過，這一問題可以通過調(diào)整電路設計解決，比如改變n型晶體管和p型晶體管的器件尺寸等。瑞薩指出，“面向CMOS化的制造技術方面的課題已經(jīng)基本解決”，下一步將著手進行CMOS電路的設計。（記者：大下 淳一，《日經(jīng)電子》）