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隨著半導(dǎo)體行業(yè)開始認(rèn)真對(duì)待單片式 3D 集成，銦基氧化物半導(dǎo)體正受到越來越多的關(guān)注。

多樣化的選擇使設(shè)計(jì)人員能夠調(diào)整組分，以平衡閾值電壓（Vt）與遷移率之間的權(quán)衡。例如，普渡大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，提高氧化銦鎵中的鎵含量會(huì)降低載流子遷移率。保持較低的鎵含量同時(shí)進(jìn)行氟摻雜可獲得更好的結(jié)果。他們實(shí)現(xiàn)了約 1011 的開關(guān)電流比，亞閾值擺幅為 85 mV/dec。

在頂柵和雙柵氧化銦錫（ITO）器件中，頂柵介質(zhì)的原子層沉積通常會(huì)對(duì)溝道產(chǎn)生摻雜，導(dǎo)致閾值電壓為負(fù)。在 12 月舉行的 IEEE 電子器件會(huì)議上發(fā)表的研究中，杜克大學(xué)的迪倫?馬修斯及其同事用 ZrO?取代了傳統(tǒng)的 HfO?介質(zhì)，在高達(dá) 125°C 的溫度下實(shí)現(xiàn)了正閾值電壓。盡管他們并未實(shí)際制造短溝道器件，但他們預(yù)測在 20nm 溝道中導(dǎo)通電流可達(dá) 1.25mA / 微米，亞閾值擺幅低于 100 mV/dec。

正、負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性

遺憾的是，銦氧化物在常規(guī)條件下為非晶態(tài)。因此，它們具有固有無序結(jié)構(gòu)和大量電學(xué)態(tài)。它們?nèi)菀壮霈F(xiàn)偏壓溫度不穩(wěn)定性（BTI），且 BTI 行為比硅中通常所見更為復(fù)雜。研究人員之所以考慮如此多不同的銦基氧化物，部分原因在于金屬陽離子有助于穩(wěn)定氧空位行為。

而氧空位是導(dǎo)致 BTI 行為的主要因素。雖然氧化物半導(dǎo)體在顯示應(yīng)用中已相當(dāng)成熟，但與 CMOS 兼容的集成方案仍相對(duì)未被探索。杜克大學(xué)的研究人員還評(píng)估了射頻功率、沉積壓力和氧退火條件對(duì) ITO 溝道組分的影響。在 90:10 氬氣 / 氧氣氣氛中退火效果最佳，他們將其歸因于氧空位濃度達(dá)到最優(yōu)。

根據(jù)材料和偏置條件的不同，BTI 可導(dǎo)致閾值電壓向正方向或負(fù)方向漂移。在存儲(chǔ)器應(yīng)用中，漂移尤其具有破壞性，即使幾毫伏的變化也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。理解 BTI 行為是銦基半導(dǎo)體面臨的緊迫挑戰(zhàn)。

氫去了哪里？

僅次于氧空位，氫摻雜是一個(gè)尤為重要的因素。氫似乎會(huì)積聚在晶體管的 HfO?介質(zhì)層中，這可能是 HfO?沉積的副產(chǎn)物。雖然在形成氣體（氫 / 氮混合物）中退火是傳統(tǒng) CMOS 工藝的最后一步 —— 用于鈍化缺陷并修復(fù)等離子體損傷 —— 但來自佐治亞理工、應(yīng)用材料、三星等機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)，氮?dú)馔嘶鹋c形成氣體退火對(duì) BTI 行為的影響差異很小。

在雙柵 ITO 器件中，杜克大學(xué)的穆罕默德?薩扎杜爾?拉赫曼及其同事發(fā)現(xiàn)，頂柵附近的氫有助于鈍化氧空位，形成 In-H-In 鍵。底柵附近的氫與游離氧結(jié)合形成 OH 共價(jià)鍵。

新加坡大學(xué)的劉剛及其同事早期對(duì) IGZO FET 的研究發(fā)現(xiàn)，在正（直流）應(yīng)力下，氫會(huì)鈍化溝道中的電子陷阱，提高載流子濃度并降低閾值電壓。也就是說，氫降低了電子陷阱的影響。在劉的研究中，溝道厚度約為 4nm 時(shí)實(shí)現(xiàn)了最穩(wěn)定的正偏壓溫度不穩(wěn)定性（PBTI）行為。

在更薄的溝道層中，電子陷阱效應(yīng)占主導(dǎo)；在較厚的層中，氫效應(yīng)占主導(dǎo)。 隨著溝道長度按比例縮小，更薄的溝道有利于最小化短溝道效應(yīng)。劉的團(tuán)隊(duì)近期對(duì) IGZTO FET 的研究發(fā)現(xiàn)，PBTI 行為也與溫度相關(guān)。在低溫下，電子陷阱占主導(dǎo)，導(dǎo)致閾值電壓正向漂移。在較高溫度下（其研究中約為 107°C），氫效應(yīng)占主導(dǎo)，閾值電壓漂移為負(fù)。

然而，在負(fù)偏壓條件下，氫的影響較為復(fù)雜。首先，來自柵極的電子會(huì)與介質(zhì)中的 H?離子（質(zhì)子）結(jié)合，然后擴(kuò)散到溝道中。同時(shí)，溝道中已存在的 H?離子會(huì)擴(kuò)散到介質(zhì)中，增加該處的正電荷積累。在負(fù)偏壓條件下觀察到的閾值電壓負(fù)漂移似乎是這些效應(yīng)導(dǎo)致的 H?離子凈移動(dòng)的結(jié)果。

實(shí)際器件中的條件更接近交流應(yīng)力，而非直流應(yīng)力。交流頻率決定了周期之間的恢復(fù)間隔時(shí)長。劉表示，在負(fù)偏壓交流應(yīng)力下，凈效應(yīng)可忽略不計(jì)，閾值電壓隨時(shí)間幾乎沒有變化。另一方面，正偏壓器件的閾值電壓會(huì)隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸負(fù)向漂移?？傮w而言，銦基 FET 在交流條件下似乎比直流結(jié)果所顯示的更可靠。

圖 1：在正偏置條件下，交流應(yīng)力會(huì)逐漸使轉(zhuǎn)換電壓向負(fù)方向移動(dòng)。在負(fù)偏置條件下，交流應(yīng)力的凈影響可以忽略不計(jì)。

加速測試，或許并非有效

在銦基晶體管中觀察到的異常行為中，高溫下氫行為的變化尤其令人擔(dān)憂。這對(duì)加速可靠性測試的有效性提出了質(zhì)疑。拉赫曼的研究發(fā)現(xiàn)，正應(yīng)力下的閾值電壓漂移在高溫（85°C 和 125°C）下更低，但恢復(fù)更慢。這與硅器件中觀察到的行為不同。高溫似乎會(huì)使 HfO?/ITO 界面附近的淺陷阱退火消失，同時(shí)產(chǎn)生新的深陷阱。

缺陷退火解釋了閾值電壓漂移減小的原因，而深缺陷則解釋了恢復(fù)時(shí)間變慢的原因。然而，一旦器件回到室溫，這兩種效應(yīng)都會(huì)消失，器件恢復(fù)到無應(yīng)力狀態(tài)下的行為。

圖 2：ITO FET 中陷阱分布隨溫度的變化。標(biāo)有“x”的陷阱在室溫下存在，但在高溫下退火。帶圓圈的陷阱是在高溫下出現(xiàn)的新缺陷。

邁向商業(yè)化

從研究角度來看，銦基氧化物半導(dǎo)體系統(tǒng)的復(fù)雜性極具吸引力。實(shí)驗(yàn)室可以定制器件，以研究氧、氫和金屬組分之間相互作用的任何方面。

不過，當(dāng)三星、應(yīng)用材料以及其他資助此項(xiàng)研究的公司著眼于商業(yè)應(yīng)用時(shí)，他們需要能夠在數(shù)千片晶圓、數(shù)百萬個(gè)晶體管上穩(wěn)定呈現(xiàn)一致性能的材料。找到這類材料仍在進(jìn)行中。

https://semiengineering.com/why-indium-oxide-chips-are-getting-so-much-attention/

（來源：Semiengineering）

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