核心要點(diǎn)

• 其低漏電特性在存儲器應(yīng)用中極具價值，尤其適用于無電容增益單元設(shè)計；

• 可通過低溫工藝實(shí)現(xiàn)大面積沉積，這對后段制程（BEOL）集成而言是非常理想的特性；

• 豐富的組分選擇為設(shè)計者提供了多種方案，以實(shí)現(xiàn)所需的特定性能。氧化銦錫（ITO）、In?O?、銦鎵氧化物（IGO）、銦鎵鋅氧化物（IGZO），乃至銦鎵鋅錫氧化物（IGZTO），均在相關(guān)研究中展現(xiàn)出良好前景。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)對單片三維（3D）集成的日益重視，銦基氧化物半導(dǎo)體正受到越來越多的關(guān)注。

豐富的材料選擇使設(shè)計者可通過調(diào)整組分，在閾值電壓（Vt）與遷移率之間取得平衡。例如，普渡大學(xué)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)：提高銦鎵氧化物中的鎵含量會降低載流子遷移率；保持低鎵含量并進(jìn)行氟摻雜可獲得更優(yōu)性能，實(shí)現(xiàn)約 1011 的開關(guān)電流比，亞閾值擺幅為 85 mV/dec。

在頂柵與雙柵 ITO 器件中，頂柵介質(zhì)層的原子層沉積過程常會對溝道產(chǎn)生摻雜，導(dǎo)致閾值電壓為負(fù)。在 12 月 IEEE 電子器件會議（IEDM）上，杜克大學(xué) Dylan Matthews 團(tuán)隊用 ZrO? 替代傳統(tǒng) HfO? 介質(zhì)，在最高 125°C 下實(shí)現(xiàn)了正閾值電壓。盡管未實(shí)際制備短溝道器件，但其預(yù)測 20nm 溝道可達(dá)到 1.25 mA/μm 的導(dǎo)通電流，亞閾值擺幅低于 100 mV/dec。

偏壓溫度不穩(wěn)定性（BTI）：正偏與負(fù)偏

遺憾的是，銦基氧化物在常規(guī)條件下為非晶態(tài)，結(jié)構(gòu)本征無序且存在大量電學(xué)態(tài)，易發(fā)生偏壓溫度不穩(wěn)定性（BTI），其 BTI 行為比硅基器件更復(fù)雜。研究者探索多種銦基氧化物，部分原因正是金屬陽離子有助于穩(wěn)定氧空位行為。

氧空位是影響 BTI 的主要因素。盡管氧化物半導(dǎo)體已在顯示領(lǐng)域成熟應(yīng)用，但其與 CMOS 兼容的集成方案仍有待深入探索。杜克大學(xué)團(tuán)隊還研究了射頻功率、沉積壓強(qiáng)與氧退火條件對 ITO 溝道組分的影響，在 90:10 氬氧氣氛中退火效果最佳，歸因于氧空位濃度達(dá)到最優(yōu)。

受材料與偏置條件影響，BTI 可導(dǎo)致閾值電壓正向或負(fù)向漂移。在存儲器應(yīng)用中，幾毫伏的漂移都可能造成數(shù)據(jù)丟失，因此理解銦基半導(dǎo)體的 BTI 行為是一項緊迫挑戰(zhàn)。

氫元素去向之謎

僅次于氧空位，氫摻雜是另一關(guān)鍵因素。氫易在晶體管 HfO? 介質(zhì)層中富集，大概率是 HfO? 沉積的副產(chǎn)物。

傳統(tǒng) CMOS 工藝最后一步會在 ** 形成氣（氫氮混合氣）** 中退火，以鈍化缺陷、修復(fù)等離子損傷。但佐治亞理工、應(yīng)用材料、三星等機(jī)構(gòu)的聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)：氮?dú)馔嘶鹋c形成氣退火對 BTI 行為影響差異很小。

杜克大學(xué)Md Sazzadur Rahman 團(tuán)隊在雙柵 ITO 器件中發(fā)現(xiàn)：

• 頂柵附近的氫可鈍化氧空位，形成 In–H–In 鍵；

• 底柵附近的氫與自由氧結(jié)合，形成 OH 共價鍵。

新加坡國立大學(xué) Gan Liu 團(tuán)隊對 IGZO 場效應(yīng)管的早期研究顯示：正直流偏壓應(yīng)力下，氫會鈍化溝道中的電子陷阱，提高載流子濃度并降低 Vt。溝道厚度約 4 nm 時，PBTI 穩(wěn)定性最佳。

在更薄溝道中，電子陷阱效應(yīng)占主導(dǎo)；更厚溝道中，氫效應(yīng)占主導(dǎo)�？s短溝道長度時，為抑制短溝道效應(yīng)，更薄的溝道更具優(yōu)勢。Liu 團(tuán)隊近期對 IGZTO 場效應(yīng)管的研究表明：PBTI 行為還與溫度相關(guān)：

• 低溫下，電子陷阱主導(dǎo)→ Vt 正漂；

• 高溫（約 107°C）下，氫效應(yīng)主導(dǎo) → Vt 負(fù)漂。

負(fù)偏壓條件下，氫的作用更為復(fù)雜：

1.柵極電子可與介質(zhì)中的氫離子（質(zhì)子）結(jié)合并擴(kuò)散入溝道；

2.溝道內(nèi)原有氫離子可擴(kuò)散進(jìn)入介質(zhì)層，增加正電荷積累。負(fù)偏壓下觀察到的 Vt 負(fù)漂，正是上述氫離子凈遷移的綜合結(jié)果。

實(shí)際器件更接近交流（AC）應(yīng)力而非直流（DC）應(yīng)力，交流頻率決定周期間的恢復(fù)時長。Liu 指出：

• 交流負(fù)偏壓應(yīng)力下，Vt 隨時間幾乎無變化，整體效應(yīng)可忽略；

• 正偏壓器件則隨循環(huán)次數(shù)增加出現(xiàn)漸進(jìn)式 Vt 負(fù)漂�？傮w而言，銦基 FET 在交流條件下的可靠性優(yōu)于直流測試結(jié)果。

圖1：在正偏壓條件下，交流應(yīng)力逐漸使過渡電壓向負(fù)方向移動。在負(fù)偏置條件下，交流應(yīng)力的凈效應(yīng)可以忽略不計。

加速可靠性測試：是否有效？

銦基晶體管的一個異常行為是：高溫下氫的行為變化，這對傳統(tǒng)加速可靠性測試的有效性提出質(zhì)疑。

Rahman 研究顯示：

• 高溫（85°C、125°C）下，正偏應(yīng)力導(dǎo)致的 Vt 漂移更小，但恢復(fù)更慢，與硅器件行為不同；

• 高溫會退火消除 HfO?/ITO 界面附近的淺陷阱，同時產(chǎn)生新的深陷阱。

缺陷退火解釋了 Vt 漂移減小，深缺陷則對應(yīng)更慢的恢復(fù)。而當(dāng)器件回到室溫，兩種效應(yīng)均消失，器件恢復(fù)無應(yīng)力狀態(tài)。

圖2：ITO FET中陷阱分布隨溫度變化。標(biāo)有“x”的陷阱在室溫下存在，高溫時退火。圈圈陷阱是高溫下出現(xiàn)的新缺陷。

面向產(chǎn)業(yè)化

從科研角度看，銦基氧化物半導(dǎo)體體系的復(fù)雜性極具研究價值，實(shí)驗(yàn)室可定制器件，研究氧、氫與金屬組分間的相互作用。

但對三星、應(yīng)用材料等推動產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)而言，需要的是能在數(shù)千片晶圓、數(shù)百萬個晶體管間保持性能一致的穩(wěn)定材料。目前，這類理想材料仍在探索中。

原文

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

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