为什么氧化铟芯片备受关注

核心要点

• 其低漏电特性在存储器应用中极具价值，尤其适用于无电容增益单元设计；

• 可通过低温工艺实现大面积沉积，这对后段制程（BEOL）集成而言是非常理想的特性；

• 丰富的组分选择为设计者提供了多种方案，以实现所需的特定性能。氧化铟锡（ITO）、In₂O₃、铟镓氧化物（IGO）、铟镓锌氧化物（IGZO），乃至铟镓锌锡氧化物（IGZTO），均在相关研究中展现出良好前景。

随着半导体行业对单片三维（3D）集成的日益重视，铟基氧化物半导体正受到越来越多的关注。

丰富的材料选择使设计者可通过调整组分，在阈值电压（Vt）与迁移率之间取得平衡。例如，普渡大学团队发现：提高铟镓氧化物中的镓含量会降低载流子迁移率；保持低镓含量并进行氟掺杂可获得更优性能，实现约 10¹¹ 的开关电流比，亚阈值摆幅为 85 mV/dec。

在顶栅与双栅 ITO 器件中，顶栅介质层的原子层沉积过程常会对沟道产生掺杂，导致阈值电压为负。在 12 月 IEEE 电子器件会议（IEDM）上，杜克大学 Dylan Matthews 团队用 ZrO₂ 替代传统 HfO₂ 介质，在最高 125°C 下实现了正阈值电压。尽管未实际制备短沟道器件，但其预测 20nm 沟道可达到 1.25 mA/μm 的导通电流，亚阈值摆幅低于 100 mV/dec。

偏压温度不稳定性（BTI）：正偏与负偏

遗憾的是，铟基氧化物在常规条件下为非晶态，结构本征无序且存在大量电学态，易发生偏压温度不稳定性（BTI），其 BTI 行为比硅基器件更复杂。研究者探索多种铟基氧化物，部分原因正是金属阳离子有助于稳定氧空位行为。

氧空位是影响 BTI 的主要因素。尽管氧化物半导体已在显示领域成熟应用，但其与 CMOS 兼容的集成方案仍有待深入探索。杜克大学团队还研究了射频功率、沉积压强与氧退火条件对 ITO 沟道组分的影响，在 90:10 氩氧气氛中退火效果最佳，归因于氧空位浓度达到最优。

受材料与偏置条件影响，BTI 可导致阈值电压正向或负向漂移。在存储器应用中，几毫伏的漂移都可能造成数据丢失，因此理解铟基半导体的 BTI 行为是一项紧迫挑战。

氢元素去向之谜

仅次于氧空位，氢掺杂是另一关键因素。氢易在晶体管 HfO₂ 介质层中富集，大概率是 HfO₂ 沉积的副产物。

传统 CMOS 工艺最后一步会在 ** 形成气（氢氮混合气）** 中退火，以钝化缺陷、修复等离子损伤。但佐治亚理工、应用材料、三星等机构的联合研究发现：氮气退火与形成气退火对 BTI 行为影响差异很小。

杜克大学Md Sazzadur Rahman 团队在双栅 ITO 器件中发现：

• 顶栅附近的氢可钝化氧空位，形成 In–H–In 键；

• 底栅附近的氢与自由氧结合，形成 OH 共价键。

新加坡国立大学 Gan Liu 团队对 IGZO 场效应管的早期研究显示：正直流偏压应力下，氢会钝化沟道中的电子陷阱，提高载流子浓度并降低 Vt。沟道厚度约 4 nm 时，PBTI 稳定性最佳。

在更薄沟道中，电子陷阱效应占主导；更厚沟道中，氢效应占主导。缩短沟道长度时，为抑制短沟道效应，更薄的沟道更具优势。Liu 团队近期对 IGZTO 场效应管的研究表明：PBTI 行为还与温度相关：

• 低温下，电子陷阱主导→ Vt 正漂；

• 高温（约 107°C）下，氢效应主导 → Vt 负漂。

负偏压条件下，氢的作用更为复杂：

1.栅极电子可与介质中的氢离子（质子）结合并扩散入沟道；

2.沟道内原有氢离子可扩散进入介质层，增加正电荷积累。负偏压下观察到的 Vt 负漂，正是上述氢离子净迁移的综合结果。

实际器件更接近交流（AC）应力而非直流（DC）应力，交流频率决定周期间的恢复时长。Liu 指出：

• 交流负偏压应力下，Vt 随时间几乎无变化，整体效应可忽略；

• 正偏压器件则随循环次数增加出现渐进式 Vt 负漂。总体而言，铟基 FET 在交流条件下的可靠性优于直流测试结果。

图1：在正偏压条件下，交流应力逐渐使过渡电压向负方向移动。在负偏置条件下，交流应力的净效应可以忽略不计。

加速可靠性测试：是否有效？

铟基晶体管的一个异常行为是：高温下氢的行为变化，这对传统加速可靠性测试的有效性提出质疑。

Rahman 研究显示：

• 高温（85°C、125°C）下，正偏应力导致的 Vt 漂移更小，但恢复更慢，与硅器件行为不同；

• 高温会退火消除 HfO₂/ITO 界面附近的浅陷阱，同时产生新的深陷阱。

缺陷退火解释了 Vt 漂移减小，深缺陷则对应更慢的恢复。而当器件回到室温，两种效应均消失，器件恢复无应力状态。

图2：ITO FET中陷阱分布随温度变化。标有“x”的陷阱在室温下存在，高温时退火。圈圈陷阱是高温下出现的新缺陷。

面向产业化

从科研角度看，铟基氧化物半导体体系的复杂性极具研究价值，实验室可定制器件，研究氧、氢与金属组分间的相互作用。

但对三星、应用材料等推动产业化的企业而言，需要的是能在数千片晶圆、数百万个晶体管间保持性能一致的稳定材料。目前，这类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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