氧化铟半导体，颇受关注

从研究的角度来看，铟基氧化物半导体系统的复杂性令人着迷。

随着半导体行业对单片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。

多种多样的选择使设计人员能够调整成分，以平衡转变电压(Vt)和迁移率之间的取舍。例如，普渡大学的一个研究小组发现，增加铟镓氧化物中的镓含量会降低载流子迁移率。在掺杂氟的同时保持低镓含量能获得更好的结果。他们实现了约1011的开关电流比，亚阈值摆幅为85mV/dec。

在顶栅和双栅ITO（氧化铟锡）器件中，顶部电介质的原子层沉积通常会掺杂沟道，导致负的阈值电压。在12月的IEEE电子器件会议上展示的一项研究中，杜克大学的Dylan Matthews及其同事用ZrO2取代了传统的HfO2电介质，在高达125摄氏度的温度下实现了正的阈值电压。虽然他们并没有实际制造短沟道器件，但他们预测在20nm沟道中，导通电流为1.25mA/μm，亚阈值摆幅低于100mV/dec。

偏置温度不稳定性，正向与负向

不幸的是，氧化铟在常温下是无定形的。因此，它们具有固有的无序结构和许多电学状态。它们容易受到偏置温度不稳定性(BTI)的影响，并且具有比硅通常所见更复杂的BTI行为。研究人员考虑如此多不同铟基氧化物的部分原因是金属阳离子可以帮助稳定氧空位行为。

反过来，氧空位是BTI行为的一个主要因素。虽然氧化物半导体在显示应用中已经很成熟，但与CMOS兼容的集成方案相对来说还处于探索阶段。杜克大学的研究人员还评估了射频功率、沉积压力和氧气退火条件对ITO沟道成分的贡献。在90:10的氩氧(Ar:O2)气氛中退火获得了最佳结果，他们将此归因于最佳的氧空位浓度。

根据材料和偏置条件，BTI可能导致Vt向正向或负向偏移。这种偏移在存储应用中尤其具有破坏性，即使是几毫伏的变化也可能导致数据丢失。理解BTI行为是铟基半导体面临的紧迫挑战。

氢去了哪里？

除了氧空位，氢掺杂是一个特别重要的因素。它似乎在晶体管的HfO2介电层中积聚，这可能是HfO2沉积的副产品。虽然在合成气（氢气/氮气混合物）中退火是传统CMOS工艺的最后一步——用于钝化缺陷和修复等离子体损伤——但来自佐治亚理工学院、应用材料公司和三星等多家机构的研究人员进行的一项研究发现，氮气和合成气退火之间的BTI行为差异很小。

在双栅ITO器件中，杜克大学的Md Sazzadur Rahman及其同事发现，顶栅附近的氢起到了钝化氧空位的作用，形成了In-H-In键。在底栅附近，氢与游离氧结合形成OH共价键。

新加坡大学的Gan Liu及其同事早期对IGZO FET（场效应晶体管）的研究发现，在正向（直流）应力下，氢会钝化沟道中的电子陷阱，从而增加载流子浓度并降低Vt。也就是说，氢降低了电子陷阱的影响。在Liu的研究中，最稳定的PBTI（正偏置温度不稳定性）行为是在沟道厚度约为4nm时实现的。

电子俘获效应在较薄的层中占主导地位，而氢效应在较厚的层中占主导地位。随着沟道长度的缩小，较薄的沟道对于最大限度地减少短沟道效应是可取的。Liu的团队最近对IGZTO FET的研究发现，PBTI行为也与温度有关。在低温下，电子俘获占主导地位，导致正的Vt偏移。在较高温度下（在他们的研究中约为107摄氏度），氢效应占主导地位，Vt偏移为负。

然而，在负偏置条件下，氢的影响是复杂的。首先，来自栅极的电子可以与电介质中的H+离子（质子）结合，然后扩散到沟道中。同时，已经存在于沟道中的H+离子可以扩散到电介质中，增加那里正电荷的积累。在负偏置条件下观察到的负Vt偏移似乎是由于这些效应导致的H+离子的净移动所致。

实际器件中的条件更接近于交流(AC)应力，而不是直流(DC)应力。交流频率决定了周期之间恢复间隔的长度。Liu说，在负偏置交流应力中，净效应可以忽略不计，Vt随时间的变化很小。另一方面，正偏置器件随着循环次数的增加，出现了逐渐的负向Vt偏移。总的来说，在交流条件下，铟基FET似乎比直流结果所显示的更可靠。

加速测试，抑或不然

在铟基晶体管中观察到的异常行为中，氢行为在高温下的变化尤其令人担忧。它对加速可靠性测试的有效性提出了质疑。Rahman的研究发现，在正向应力下，高温（85和125摄氏度）下的Vt偏移较低，但恢复较慢。这与硅器件中观察到的行为不同。高温似乎退火了HfO2/ITO界面附近的浅层陷阱，同时产生了新的深层陷阱。

缺陷退火解释了Vt偏移的减小，而深层缺陷可以解释较慢的恢复时间。然而，一旦器件回到室温，这两种效应都会消失，器件又恢复到未受应力时的行为。

迈向商业化

从研究的角度来看，铟基氧化物半导体系统的复杂性令人着迷。实验室可以定制器件，以探索氧、氢和金属成分之间相互作用的任何他们想要探索的方面。

然而，随着三星、应用材料公司和其他赞助这项研究的公司着眼于商业应用，他们将需要能够在成千上万片晶圆和数百万个晶体管中可靠地提供相同行为的材料。寻找此类材料仍是一项正在进行的工作。

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