氧化銦芯片，突然走紅

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隨著半導體行業開始認真對待單片式 3D 集成，銦基氧化物半導體正受到越來越多的關注。

多樣化的選擇使設計人員能夠調整組分，以平衡閾值電壓（Vt）與遷移率之間的權衡。例如，普渡大學的一個研究小組發現，提高氧化銦鎵中的鎵含量會降低載流子遷移率。保持較低的鎵含量同時進行氟摻雜可獲得更好的結果。他們實現了約 1011 的開關電流比，亞閾值擺幅為 85 mV/dec。

在頂柵和雙柵氧化銦錫（ITO）器件中，頂柵介質的原子層沉積通常會對溝道產生摻雜，導致閾值電壓為負。在 12 月舉行的 IEEE 電子器件會議上發表的研究中，杜克大學的迪倫?馬修斯及其同事用 ZrO?取代了傳統的 HfO?介質，在高達 125°C 的溫度下實現了正閾值電壓。盡管他們并未實際制造短溝道器件，但他們預測在 20nm 溝道中導通電流可達 1.25mA / 微米，亞閾值擺幅低于 100 mV/dec。

正、負偏壓溫度不穩定性

遺憾的是，銦氧化物在常規條件下為非晶態。因此，它們具有固有無序結構和大量電學態。它們容易出現偏壓溫度不穩定性（BTI），且 BTI 行為比硅中通常所見更為復雜。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定氧空位行為。

而氧空位是導致 BTI 行為的主要因素。雖然氧化物半導體在顯示應用中已相當成熟，但與 CMOS 兼容的集成方案仍相對未被探索。杜克大學的研究人員還評估了射頻功率、沉積壓力和氧退火條件對 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到最優。

根據材料和偏置條件的不同，BTI 可導致閾值電壓向正方向或負方向漂移。在存儲器應用中，漂移尤其具有破壞性，即使幾毫伏的變化也可能導致數據丟失。理解 BTI 行為是銦基半導體面臨的緊迫挑戰。

氫去了哪里？

僅次于氧空位，氫摻雜是一個尤為重要的因素。氫似乎會積聚在晶體管的 HfO?介質層中，這可能是 HfO?沉積的副產物。雖然在形成氣體（氫 / 氮混合物）中退火是傳統 CMOS 工藝的最后一步 —— 用于鈍化缺陷并修復等離子體損傷 —— 但來自佐治亞理工、應用材料、三星等機構的研究人員發現，氮氣退火與形成氣體退火對 BTI 行為的影響差異很小。

在雙柵 ITO 器件中，杜克大學的穆罕默德?薩扎杜爾?拉赫曼及其同事發現，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合形成 OH 共價鍵。

新加坡大學的劉剛及其同事早期對 IGZO FET 的研究發現，在正（直流）應力下，氫會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 時實現了最穩定的正偏壓溫度不穩定性（PBTI）行為。

在更薄的溝道層中，電子陷阱效應占主導；在較厚的層中，氫效應占主導。 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。劉的團隊近期對 IGZTO FET 的研究發現，PBTI 行為也與溫度相關。在低溫下，電子陷阱占主導，導致閾值電壓正向漂移。在較高溫度下（其研究中約為 107°C），氫效應占主導，閾值電壓漂移為負。

然而，在負偏壓條件下，氫的影響較為復雜。首先，來自柵極的電子會與介質中的 H?離子（質子）結合，然后擴散到溝道中。同時，溝道中已存在的 H?離子會擴散到介質中，增加該處的正電荷積累。在負偏壓條件下觀察到的閾值電壓負漂移似乎是這些效應導致的 H?離子凈移動的結果。

實際器件中的條件更接近交流應力，而非直流應力。交流頻率決定了周期之間的恢復間隔時長。劉表示，在負偏壓交流應力下，凈效應可忽略不計，閾值電壓隨時間幾乎沒有變化。另一方面，正偏壓器件的閾值電壓會隨循環次數增加逐漸負向漂移。總體而言，銦基 FET 在交流條件下似乎比直流結果所顯示的更可靠。

圖 1：在正偏置條件下，交流應力會逐漸使轉換電壓向負方向移動。在負偏置條件下，交流應力的凈影響可以忽略不計。

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憂。這對加速可靠性測試的有效性提出了質疑。拉赫曼的研究發現，正應力下的閾值電壓漂移在高溫（85°C 和 125°C）下更低，但恢復更慢。這與硅器件中觀察到的行為不同。高溫似乎會使 HfO?/ITO 界面附近的淺陷阱退火消失，同時產生新的深陷阱。

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時間變慢的原因。然而，一旦器件回到室溫，這兩種效應都會消失，器件恢復到無應力狀態下的行為。

圖 2：ITO FET 中陷阱分布隨溫度的變化。標有“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的新缺陷。

邁向商業化

從研究角度來看，銦基氧化物半導體系統的復雜性極具吸引力。實驗室可以定制器件，以研究氧、氫和金屬組分之間相互作用的任何方面。

不過，當三星、應用材料以及其他資助此項研究的公司著眼于商業應用時，他們需要能夠在數千片晶圓、數百萬個晶體管上穩定呈現一致性能的材料。找到這類材料仍在進行中。

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

（來源：Semiengineering）

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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