夏普推进IGZO量产氧化物半导体备受关注

本文是以高竞争率著称的IEDM（International Electron Devices Meeting，国际电子元件会议）的回顾。在2012年12月于美国举行的“IEDM 2012”上，被采用的4篇论文中，有2篇是有关氧化物半导体的成果。可以看出Si（硅）行业对该材料备受关注。

三星集团发布支持“4K以上”分辨率的新材料

氧化物半导体具有可在低温下制备、性能高且透明的特点，正在以高精细显示器的驱动晶体管为中心实现实用化，夏普于2012年针对液晶面板开始量产的“IGZO（In-Ga-Zn-O）”就是一个典型代表。松下和索尼在2013年1月举行的“2013 International CES”上分别展出的56英寸4K×2K（3840×2160像素）有机EL面板也采用了氧化物半导体TFT作为驱动晶体管。在本届IEDM上亮相的是应该称为“后IGZO”的新材料和有可能使氧化物半导体的应用范围扩展到显示器以外领域的技术。

三星尖端技术研究所（SAIT）和首尔大学的共同研究小组提出将ZnON-TFT作为面向4K×2K以上分辨率的新一代显示器的候补氧化物半导体TFT的提案（演讲序号5.6）（图1、图2）。ZnON的带隙只有1.3eV，与原来面向显示器驱动TFT推出的氧化物半导体相比，载流子迁移率和工作稳定性都很出色。研究人员在演讲中介绍称，在对ZnON-TFT进行光照并加载电压的条件下，能够以3V以下的驱动电压获得接近100cm2/Vs的载流子迁移率。

图1：SAIT和首尔大学共同开发的ZnON-TFT （点击放大）

图2：ZnON的构造和特性（点击放大）
瑞萨为氧化物半导体应用于CMOS电路开辟道路

氧化物半导体的应用领域不仅局限于显示器驱动晶体管，现在还提出了在玻璃基板和柔性基板上集成使用氧化物半导体的透明运算电路等独特应用。不过，氧化物半导体存在难以实现CMOS电路的缺点，因为很难形成p型晶体管，以前推出的In-Ga-Zn-O晶体管全是n型。

瑞萨电子发布了有可能改变这一现状的技术。该公司使用p型非晶氧化物半导体开发出了晶体管，并确认能正常工作（演讲序号18.8）。这一成果有助于实现CMOS电路，瑞萨电子技术开发本部先行研究统括部统括部长林喜宏介绍说：“氧化物半导体的应用范围将大幅扩大。”

此次瑞萨开发的是在逻辑LSI多层布线内嵌入BEOL（back-end of line）晶体管的技术。通过将LSI多层布线的一部分作为栅极电极及源极、漏极使用，只需追加1～2块掩模便可形成晶体管。因此，几乎不会增加芯片制造成本，便可在逻辑LSI的多层布线内嵌入驱动高电压的电源接口电路（图3）。

由于多层布线需要在400℃以下的低温条件下进行，因此瑞萨开发出了使用可在低温制备的氧化物半导体作为BEOL晶体管通道材料的技术，并利用使用非晶In-Ga-Zn-O作通道的n型晶体管开发出了逆变器电路。不过，只用n型晶体管构成电源接口时，与CMOS电路相比，电路结构容易变得复杂，且耗电量也容易增加。

因此，此次为实现p型晶体管，瑞萨采用了SnO（氧化亚锡）这种非晶氧化物半导体（图4、图5）。由于SnO采用常用成膜方法时容易变成结晶质，导致很多晶界特性不均。 因此，瑞萨改善了成膜条件，开发出了能够形成完全非晶态SnO膜的技术。


图3：利用非晶氧化物半导体实现CMOS电路（点击放大）

图4：瑞萨开发的SnO晶体管的截面（点击放大）

图5：SnO的特点（点击放大）

图6：瑞萨开发的SnO晶体管的特性（点击放大）
已证实利用p型SnO可实现良好的晶体管特性

以前，p型SnO晶体管方面的研究主要以大学为中心在进行，但导通/截止比低，只有两位数，很难实用化。此次，瑞萨通过在栅极和漏极的重叠处设置偏移（缝隙），降低了截止时的漏电流（图6），从而使导通/截止比达到五位数，是以前的1000倍，耐压也达到40V以上。

此次的p型SnO晶体管的通态电流很小，只有n型In-Ga-Zn-O晶体管的1/10。不过，这一问题可以通过调整电路设计解决，比如改变n型晶体管和p型晶体管的器件尺寸等。瑞萨指出，“面向CMOS化的制造技术方面的课题已经基本解决”，下一步将着手进行CMOS电路的设计。（记者：大下 淳一，《日经电子》）