초저전압으로 동작하는 터널 트랜지스터의 고성능화와 장수명 실증

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-26

- 대규모 센서 네트워크에서의 응용에 기대 / 터널 트랜지스터는 기존 전계 효과 트랜지스터에 비해 10만 배 이상이나 장수명 / 양극성의 터널 트랜지스터를 동시에 고성능화 / 일본 최첨단 연구 개발 지원 프로그램(FIRST)의 프로젝트 ′그린・나노 일렉트로닉스의 코어 기술개발′의 조성에 의한 성과 - 일본 독립 행정법인 산업기술 종합 연구소(이하, AIST) 나노 일렉트로닉스 연구부문 실리콘 나노 디바이스 그룹 연구 그룹은 향후 전력 절약 디바이스로서 유망시되고 있는 터널 트랜지스터(터널 FET)(주 1)의 고성능화와 장수명을 실증하였다. 그리고 대규모 센서 네트워크(주 2) 회로의 구동에 필요한 CMOS(주 3) 회로의 구성에 빠뜨릴 수 없는 정형・부형 두 개의 터널 FET를 비용 우위성이 높은 실리콘 플랫폼 상에 형성하는 프로세스를 개발하여 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)(주 4)의 물리적 한계를 밑도는 Sub-threshold Swing(SS)(주 5)의 값과 대폭적인 전류 구동력의 증강을 얻는 것에 성공했다. 이것에 의해 터널 FET를 대규모 센서 네트워크 회로의 구동에 사용하면 장수명, 비용의 우위성 및 보다 작은 전압의 전원에서도 작동할 수 있다는 점에서 회로의 설치나 유지비용을 큰 폭으로 삭감할 수 있다고 기대할 수 있다고 한다. 개발의 사회적 배경으로 의료, 방범, 농업, 교통, 건조물(다리, 빌딩) 등이 다양한 분야에서 센서를 이용하여 상시 검사・감시를 실시하는 무선 센서 네트워크화가 급속히 보급되고 있다. 일본에서 급속하게 진행되는 고령화에 따라 무선 센서 네트워크는 향후보다 대규모화할 것으로 예상되기 때문에 센서에는 지금까지 전력 절약화에 이어 설치 후 교체 비용을 절약하기 위하여 고장나지 않고 장기간 사용할 수 있는 것이 요구되고 있다. 현재 센서에는 MOSFET로부터 구성되는 회로가 이용되고 있지만 보다 전력 절약 구동이 가능한 터널 FET로의 절환이 최근 검토되고 있다. 이를 위하여 터널 FET의 저전압 영역에서의 고성능화, 저비용 그리고 장기 수명을 담보할 수 있을지가 주요 기술이 된다. AIST 나노 일렉트로닉스 연구부문에 설치된 제휴 연구체 그린・나노 일렉트로닉스 센터(GNC)는 대규모 집적회로(LSI)의 소비 전력을 10분의 1 이하로 하기 위한 새로운 동작 원리 CMOS 디바이스의 연구・개발을 실시하고 있다. 그 디바이스로서 기존의 CMOS 트랜지스터와 친화성이 높은 터널 FET에 주력하였다. 그 성과로서 종형(縱型) 구조나 터널 접합에서의 중간 준위 도입에 의한 터널 FET의 고성능화가 진행되고 있다. 본 연구 개발은 독립 행정법인 일본 학술 진흥회의 최첨단 연구 개발 지원 프로그램(FIRST)의 프로젝트 ′그린・나노 일렉트로닉스의 코어 기술개발′의 조성을 받아 실시되고 있다고 한다. 본 연구에서는 우선 교환 비용의 삭감을 목표로 한 터널 FET의 장기 신뢰성의 검증을 실시하였다. 평가에 이용한 소자는 부형(負型) 터널 FET, 비교에 이용한 소자는 부형 MOSFET이다. 역치 전압(주 6)이 50mV 변환하였을 때의 시간을 장기 수명으로 하였다. 통상의 동작 전압으로 장기 신뢰성 평가를 실시하면 수명에 이를 때까지 10년 이상 걸려 현실적인 평가가 되지 않는다. 따라서 가한 전압을 크게 한 가속 시험에 의해 얻을 수 있는 실측 수명을 동작 전압 영역까지 외부 삽입하여 수명을 예측하였다. 장기 수명을 평가한 결과는 예를 들면 게이트 전압을 1.5V 가할 경우 기존의 MOSFET에서는 천 수 백 초 밖에 수명이 없는데 대해 터널 FET의 경우 수명이 10년이 되어 MOSFET에 비해 극적으로 향상되었다. 1V 이하의 구동 전압으로 100년 이상의 동작 수명을 보증할 수 있어 저전압 동작의 센서 구동 회로로서 반영구적으로 사용할 수 있는 것을 나타내고 있다. 다음에 터널 FET의 대폭적인 수명 향상의 고찰을 실시하였다. 장기 수명 평가는 게이트에 전압을 가하면서 동작 상태를 상정하여 드레인에 전압을 0.5V 가한 상태로 가속 시험을 실시하고 있다. MOSFET와 터널 FET의 장기 수명에 미치는 영향을 집계하면 우선 MOSFET의 경우 주로 소스로부터의 전자 주입에 의해서 장기 수명을 결정할 수 있다. 한편, 터널 FET의 경우 정형 소스와 부형 드레인으로 극성이 달라 특히 정형 소스와 게이트 단에서 전계 집중이 발생한다. 이 전계 집중에 관해서는 지금까지 신뢰성에 악영향을 미치는 것이 염려되고 있었다. 그러나 그 영향이 거의 없는 것을 이번에 처음으로 밝혔다. 그리고 터널 FET의 극성의 차이가 장기 수명을 일으키는 원인에도 관계되는 것을 처음으로 밝혔다. 터널 FET의 장기 수명을 결정하는 전자 주입은 부형 드레인에서만 일어나는 것을 밝혔다. 이번 가속 시험에서는 부형 드레인에 전압을 가하고 있기 때문에 게이트와 드레인 사이의 전압 차이가 작게 되어 부형 드레인으로부터의 전자 공급이 큰 폭으로 억제된다. 이것이 터널 FET의 장수명의 이유라고 한다. 이상의 결과로부터 저전압으로 동작하는 터널 FET를 센서 구동용 디바이스로서 사용했을 경우 무교환으로 반영구적인 사용이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 그리고 실제로 전력 절약・대규모 센서 네트워크를 구축하는 것을 전제로 터널 FET의 요소 기술의 개발을 실시하였다. 기존 MOSFET에서는 전자의 열 확산에 의해 캐리어의 주입을 실시하기 때문에 온・오프 특성의 정도를 나타내는 Sub-threshold Swing값은 약 60 mV/자릿수(桁)가 물리적인 하한이다. 이것에 대해 터널 FET에서는 터널 효과(주 7)에 의해 캐리어 주입을 실시하기 때문에 60mV/자리수를 밑도는 Sub-threshold Swing값이 원리적으로 가능하다. Sub-threshold Swing은 트랜지스터를 얼마만큼 작은 전압으로 온(on)할 수 있는지를 나타내는 지표이다. 회로 중에서는 트랜지스터는 스위치로서 작동하므로 터널 FET에 의한 스위치를 온시키는데 필요한 전압은 MOSFET의 그것보다 작아 회로를 작동하는 전원의 전압을 내릴 수 있는 것에 의한 소비 전력의 삭감과 전지, 전원의 소형화가 가능하게 된다. 이러한 이점으로부터 세계 각국의 유력 연구기관에서는 고성능 터널 FET의 개발에 주력하고 있다. 그러나 지금까지의 보고 예는 단일극성의 터널 FET 단체(單體)만으로의 최적화에 한정되어 있었다. 한편, 회로의 가장 기본적인 요소인 CMOS 인버터는 정 및 부 형 트랜지스터가 필요하기 때문에 실제 회로에 응용하려면 양극성의 터널 FET를 동일 플랫폼 상에서 작성하는 것이 필수라고 한다. 따라서 이번에 양극성 터널 FET를 일괄로 제작하여 저비용으로 회로 구축이 가능하게 되는 새로운 작성 프로세스를 개발하였다. 터널 접합에 결정의 결함이 있으면 Sub-threshold Swing의 열화를 일으키는 것이 알려져 있어 접합 형성 전 통상 이용되는 불화수소산을 이용한 세정을 실시했을 경우 표면에 상당히 얇은 산화 피막이 잔류하여 결정의 결함 원인이 되는 것이 X선 광전자 분광법(주 8)에 따르는 분석으로 밝혀졌다. 이를 위하여 표면 산화와 산화층의 제거를 여러 차례 반복하는 것으로 잔류하는 산화 피막을 제거하여 정・부 양극성 터널 FET로 결함이 없는 접합을 얻을 수 있었다. 그 결과 Sub-threshold Swing뿐만 아니라 전류 구동력도 정・부의 터널 FET 양자에 있어 크게 개선하여 이번에 처음으로 양극성 터널 FET로 MOSFET의 이론 한계인 60mV/자리수를 밑도는 Sub-threshold Swing의 값을 얻을 수 있었다. 또한 이전과 비교하여도 약 1,000배의 전류 구동력의 향상을 볼 수 있었다. 양극성 터널 FET의 고성능화 실현은 이러한 것들을 기본 구성요소로 하는 CMOS의 전력 절약화에 직결하는 성과이다. 향후 회수 에너지 등이 미소한 전력에서도 디바이스를 구동할 수 있는 회로에서의 응용 등 상당한 큰 메리트를 기대할 수 있었다고 한다. 향후 터널 트랜지스터의 새로운 고성능화를 실시하여 대규모 센서 네트워크용 전력 절약 디바이스로의 치환을 목표로 할 예정이라고 한다. (주 1) 터널 트랜지스터 트랜지스터의 스위칭에 터널 효과를 이용하는 것으로써 온・오프의 변환을 실현하여 저전압의 동작을 목표로 한 새로운 원리의 트랜지스터로 트랜지스터는, 소스, 드레인, 게이트의 3단자로부터 되는 소자이다. 소스가 입력 단자, 드레인이 출력 단자에 해당하고 소스와 드레인 간 흐르는 전류를 게이트 전극에 흐르는 전압으로 제어하고 온・오프의 스위치 동작이나 신호 증폭을 실시한다. 불순물을 첨가하여 성질을 조정한 반도체로 구성된다. (주 2) 센서 네트워크 다수의 무선 기능 센서를 생활공간 안에 배치하여 에너지 관리, 환경 관리, 건강 관리 등에 이용하는 네트워크. (주 3) CMOS 논리 회로의 기본 구성의 하나로 입력치를 반전하여 출력한다. 정형 트랜지스터, 부형 트랜지스터 각 1개로 구성된다. (주 4) 전계 효과 트랜지스터 실리콘 등의 반도체 기판 상에 산화막을 개입시켜 게이트 전극을 형성하여 그 양측으로 소스, 드레인 전극을 형성한 트랜지스터로 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor라고 한다. (주 5) Sub-threshold Swing(SS) 트랜지스터에 있어서 전류를 한 자릿수 증가시키는데 필요한 게이트 전압의 변화량으로 이 값이 작을 수록 전류의 온・오프를 급격하게 교체된다. 기존 MOSFET에서는 전자의 열 확산에 의해 캐리어의 주입을 실시하기 때문에 Sub-threshold Swing은 60mV/자리수가 물리적인 하한이다. 이것에 대해 터널 FET에서는 터널 효과에 의해 캐리어 주입을 실시하기 때문에 60 mV/자리수를 밑도는 Sub-threshold Swing값이 원리적으로 가능하다. S팩터 SS라고도 부른다. (주 6) 역치(閾値) 전압(threshold voltage) 트랜지스터는 게이트에 어느 일정한 전압을 가하는 것으로 소스와 드레인의 두 개의 전극 간 도통하는 스위치로서 동작한다. 이 때 두 개의 전극 간에 전류가 흐르기 시작하는 최소의 게이트 전압을 ′역치 전압′이라고 부르며 트랜지스터 성능을 결정하는 파라미터의 하나이다. (주 7) 터널 효과 전위에 의한 벽을 넘지 않는 에너지의 전자에서도 어느 확률로 그 장벽을 넘어 반대 측에 통과하는 현상. (주 8) X선 광전자 분광법 X선을 물질 표면에 조사하는 것으로 방출되는 전자(광전자)의 에너지를 측정하고 표면에 존재하는 물질의 전자 상태를 조사하는 분석 기술. http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2014/pr20141216_2/pr20141216_2.html