為什么氧化銦芯片備受關注

核心要點

• 其低漏電特性在存儲器應用中極具價值，尤其適用于無電容增益單元設計；

• 可通過低溫工藝實現大面積沉積，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計者提供了多種方案，以實現所需的特定性能。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），均在相關研究中展現出良好前景。

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

豐富的材料選擇使設計者可通過調整組分，在閾值電壓（Vt）與遷移率之間取得平衡。例如，普渡大學團隊發現：提高銦鎵氧化物中的鎵含量會降低載流子遷移率；保持低鎵含量并進行氟摻雜可獲得更優性能，實現約 1011 的開關電流比，亞閾值擺幅為 85 mV/dec。

在頂柵與雙柵 ITO 器件中，頂柵介質層的原子層沉積過程常會對溝道產生摻雜，導致閾值電壓為負。在 12 月 IEEE 電子器件會議（IEDM）上，杜克大學 Dylan Matthews 團隊用 ZrO? 替代傳統 HfO? 介質，在最高 125°C 下實現了正閾值電壓。盡管未實際制備短溝道器件，但其預測 20nm 溝道可達到 1.25 mA/μm 的導通電流，亞閾值擺幅低于 100 mV/dec。

偏壓溫度不穩定性（BTI）：正偏與負偏

遺憾的是，銦基氧化物在常規條件下為非晶態，結構本征無序且存在大量電學態，易發生偏壓溫度不穩定性（BTI），其 BTI 行為比硅基器件更復雜。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。盡管氧化物半導體已在顯示領域成熟應用，但其與 CMOS 兼容的集成方案仍有待深入探索。杜克大學團隊還研究了射頻功率、沉積壓強與氧退火條件對 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到最優。

受材料與偏置條件影響，BTI 可導致閾值電壓正向或負向漂移。在存儲器應用中，幾毫伏的漂移都可能造成數據丟失，因此理解銦基半導體的 BTI 行為是一項緊迫挑戰。

氫元素去向之謎

僅次于氧空位，氫摻雜是另一關鍵因素。氫易在晶體管 HfO? 介質層中富集，大概率是 HfO? 沉積的副產物。

傳統 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、修復等離子損傷。但佐治亞理工、應用材料、三星等機構的聯合研究發現：氮氣退火與形成氣退火對 BTI 行為影響差異很小。

杜克大學Md Sazzadur Rahman 團隊在雙柵 ITO 器件中發現：

• 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合，形成 OH 共價鍵。

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

在更薄溝道中，電子陷阱效應占主導；更厚溝道中，氫效應占主導。縮短溝道長度時，為抑制短溝道效應，更薄的溝道更具優勢。Liu 團隊近期對 IGZTO 場效應管的研究表明：PBTI 行為還與溫度相關：

• 低溫下，電子陷阱主導→ Vt 正漂；

• 高溫（約 107°C）下，氫效應主導 → Vt 負漂。

負偏壓條件下，氫的作用更為復雜：

1.柵極電子可與介質中的氫離子（質子）結合并擴散入溝道；

2.溝道內原有氫離子可擴散進入介質層，增加正電荷積累。負偏壓下觀察到的 Vt 負漂，正是上述氫離子凈遷移的綜合結果。

實際器件更接近交流（AC）應力而非直流（DC）應力，交流頻率決定周期間的恢復時長。Liu 指出：

• 交流負偏壓應力下，Vt 隨時間幾乎無變化，整體效應可忽略；

• 正偏壓器件則隨循環次數增加出現漸進式 Vt 負漂。總體而言，銦基 FET 在交流條件下的可靠性優于直流測試結果。

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

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，這對傳統加速可靠性測試的有效性提出質疑。

Rahman 研究顯示：

• 高溫（85°C、125°C）下，正偏應力導致的 Vt 漂移更小，但恢復更慢，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，同時產生新的深陷阱。

缺陷退火解釋了 Vt 漂移減小，深缺陷則對應更慢的恢復。而當器件回到室溫，兩種效應均消失，器件恢復無應力狀態。

圖2：ITO FET中陷阱分布隨溫度變化。標有“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的新缺陷。

面向產業化

從科研角度看，銦基氧化物半導體體系的復雜性極具研究價值，實驗室可定制器件，研究氧、氫與金屬組分間的相互作用。

但對三星、應用材料等推動產業化的企業而言，需要的是能在數千片晶圓、數百萬個晶體管間保持性能一致的穩定材料。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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