從研究的角度來看，銦基氧化物半導(dǎo)體系統(tǒng)的復(fù)雜性令人著迷。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)對單片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。

多種多樣的選擇使設(shè)計人員能夠調(diào)整成分，以平衡轉(zhuǎn)變電壓(Vt)和遷移率之間的取舍。例如，普渡大學(xué)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，增加銦鎵氧化物中的鎵含量會降低載流子遷移率。在摻雜氟的同時保持低鎵含量能獲得更好的結(jié)果。他們實現(xiàn)了約1011的開關(guān)電流比，亞閾值擺幅為85mV/dec。

在頂柵和雙柵ITO（氧化銦錫）器件中，頂部電介質(zhì)的原子層沉積通常會摻雜溝道，導(dǎo)致負的閾值電壓。在12月的IEEE電子器件會議上展示的一項研究中，杜克大學(xué)的Dylan Matthews及其同事用ZrO2取代了傳統(tǒng)的HfO2電介質(zhì)，在高達125攝氏度的溫度下實現(xiàn)了正的閾值電壓。雖然他們并沒有實際制造短溝道器件，但他們預(yù)測在20nm溝道中，導(dǎo)通電流為1.25mA/μm，亞閾值擺幅低于100mV/dec。

偏置溫度不穩(wěn)定性，正向與負向

不幸的是，氧化銦在常溫下是無定形的。因此，它們具有固有的無序結(jié)構(gòu)和許多電學(xué)狀態(tài)。它們?nèi)菀资艿狡脺囟炔环€(wěn)定性(BTI)的影響，并且具有比硅通常所見更復(fù)雜的BTI行為。研究人員考慮如此多不同銦基氧化物的部分原因是金屬陽離子可以幫助穩(wěn)定氧空位行為。

反過來，氧空位是BTI行為的一個主要因素。雖然氧化物半導(dǎo)體在顯示應(yīng)用中已經(jīng)很成熟，但與CMOS兼容的集成方案相對來說還處于探索階段。杜克大學(xué)的研究人員還評估了射頻功率、沉積壓力和氧氣退火條件對ITO溝道成分的貢獻。在90:10的氬氧(Ar:O2)氣氛中退火獲得了最佳結(jié)果，他們將此歸因于最佳的氧空位濃度。

根據(jù)材料和偏置條件，BTI可能導(dǎo)致Vt向正向或負向偏移。這種偏移在存儲應(yīng)用中尤其具有破壞性，即使是幾毫伏的變化也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。理解BTI行為是銦基半導(dǎo)體面臨的緊迫挑戰(zhàn)。

氫去了哪里？

除了氧空位，氫摻雜是一個特別重要的因素。它似乎在晶體管的HfO2介電層中積聚，這可能是HfO2沉積的副產(chǎn)品。雖然在合成氣（氫氣/氮氣混合物）中退火是傳統(tǒng)CMOS工藝的最后一步——用于鈍化缺陷和修復(fù)等離子體損傷——但來自佐治亞理工學(xué)院、應(yīng)用材料公司和三星等多家機構(gòu)的研究人員進行的一項研究發(fā)現(xiàn)，氮氣和合成氣退火之間的BTI行為差異很小。

在雙柵ITO器件中，杜克大學(xué)的Md Sazzadur Rahman及其同事發(fā)現(xiàn)，頂柵附近的氫起到了鈍化氧空位的作用，形成了In-H-In鍵。在底柵附近，氫與游離氧結(jié)合形成OH共價鍵。

新加坡大學(xué)的Gan Liu及其同事早期對IGZO FET（場效應(yīng)晶體管）的研究發(fā)現(xiàn)，在正向（直流）應(yīng)力下，氫會鈍化溝道中的電子陷阱，從而增加載流子濃度并降低Vt。也就是說，氫降低了電子陷阱的影響。在Liu的研究中，最穩(wěn)定的PBTI（正偏置溫度不穩(wěn)定性）行為是在溝道厚度約為4nm時實現(xiàn)的。

電子俘獲效應(yīng)在較薄的層中占主導(dǎo)地位，而氫效應(yīng)在較厚的層中占主導(dǎo)地位。隨著溝道長度的縮小，較薄的溝道對于最大限度地減少短溝道效應(yīng)是可取的。Liu的團隊最近對IGZTO FET的研究發(fā)現(xiàn)，PBTI行為也與溫度有關(guān)。在低溫下，電子俘獲占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致正的Vt偏移。在較高溫度下（在他們的研究中約為107攝氏度），氫效應(yīng)占主導(dǎo)地位，Vt偏移為負。

然而，在負偏置條件下，氫的影響是復(fù)雜的。首先，來自柵極的電子可以與電介質(zhì)中的H+離子（質(zhì)子）結(jié)合，然后擴散到溝道中。同時，已經(jīng)存在于溝道中的H+離子可以擴散到電介質(zhì)中，增加那里正電荷的積累。在負偏置條件下觀察到的負Vt偏移似乎是由于這些效應(yīng)導(dǎo)致的H+離子的凈移動所致。

實際器件中的條件更接近于交流(AC)應(yīng)力，而不是直流(DC)應(yīng)力。交流頻率決定了周期之間恢復(fù)間隔的長度。Liu說，在負偏置交流應(yīng)力中，凈效應(yīng)可以忽略不計，Vt隨時間的變化很小。另一方面，正偏置器件隨著循環(huán)次數(shù)的增加，出現(xiàn)了逐漸的負向Vt偏移?？偟膩碚f，在交流條件下，銦基FET似乎比直流結(jié)果所顯示的更可靠。

加速測試，抑或不然

在銦基晶體管中觀察到的異常行為中，氫行為在高溫下的變化尤其令人擔(dān)憂。它對加速可靠性測試的有效性提出了質(zhì)疑。Rahman的研究發(fā)現(xiàn)，在正向應(yīng)力下，高溫（85和125攝氏度）下的Vt偏移較低，但恢復(fù)較慢。這與硅器件中觀察到的行為不同。高溫似乎退火了HfO2/ITO界面附近的淺層陷阱，同時產(chǎn)生了新的深層陷阱。

缺陷退火解釋了Vt偏移的減小，而深層缺陷可以解釋較慢的恢復(fù)時間。然而，一旦器件回到室溫，這兩種效應(yīng)都會消失，器件又恢復(fù)到未受應(yīng)力時的行為。

邁向商業(yè)化

從研究的角度來看，銦基氧化物半導(dǎo)體系統(tǒng)的復(fù)雜性令人著迷。實驗室可以定制器件，以探索氧、氫和金屬成分之間相互作用的任何他們想要探索的方面。

然而，隨著三星、應(yīng)用材料公司和其他贊助這項研究的公司著眼于商業(yè)應(yīng)用，他們將需要能夠在成千上萬片晶圓和數(shù)百萬個晶體管中可靠地提供相同行為的材料。尋找此類材料仍是一項正在進行的工作。

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