氧化铟芯片，突然走红|fet|偏压|偏置|应力|晶体管

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随着半导体行业开始认真对待单片式 3D 集成，铟基氧化物半导体正受到越来越多的关注。

多样化的选择使设计人员能够调整组分，以平衡阈值电压（Vt）与迁移率之间的权衡。例如，普渡大学的一个研究小组发现，提高氧化铟镓中的镓含量会降低载流子迁移率。保持较低的镓含量同时进行氟掺杂可获得更好的结果。他们实现了约 10¹¹ 的开关电流比，亚阈值摆幅为 85 mV/dec。

在顶栅和双栅氧化铟锡（ITO）器件中，顶栅介质的原子层沉积通常会对沟道产生掺杂，导致阈值电压为负。在 12 月举行的 IEEE 电子器件会议上发表的研究中，杜克大学的迪伦・马修斯及其同事用 ZrO₂取代了传统的 HfO₂介质，在高达 125°C 的温度下实现了正阈值电压。尽管他们并未实际制造短沟道器件，但他们预测在 20nm 沟道中导通电流可达 1.25mA / 微米，亚阈值摆幅低于 100 mV/dec。

正、负偏压温度不稳定性

遗憾的是，铟氧化物在常规条件下为非晶态。因此，它们具有固有无序结构和大量电学态。它们容易出现偏压温度不稳定性（BTI），且 BTI 行为比硅中通常所见更为复杂。研究人员之所以考虑如此多不同的铟基氧化物，部分原因在于金属阳离子有助于稳定氧空位行为。

而氧空位是导致 BTI 行为的主要因素。虽然氧化物半导体在显示应用中已相当成熟，但与 CMOS 兼容的集成方案仍相对未被探索。杜克大学的研究人员还评估了射频功率、沉积压力和氧退火条件对 ITO 沟道组分的影响。在 90:10 氩气 / 氧气气氛中退火效果最佳，他们将其归因于氧空位浓度达到最优。

根据材料和偏置条件的不同，BTI 可导致阈值电压向正方向或负方向漂移。在存储器应用中，漂移尤其具有破坏性，即使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？

仅次于氧空位，氢掺杂是一个尤为重要的因素。氢似乎会积聚在晶体管的 HfO₂介质层中，这可能是 HfO₂沉积的副产物。虽然在形成气体（氢 / 氮混合物）中退火是传统 CMOS 工艺的最后一步 —— 用于钝化缺陷并修复等离子体损伤 —— 但来自佐治亚理工、应用材料、三星等机构的研究人员发现，氮气退火与形成气体退火对 BTI 行为的影响差异很小。

在双栅 ITO 器件中，杜克大学的穆罕默德・萨扎杜尔・拉赫曼及其同事发现，顶栅附近的氢有助于钝化氧空位，形成 In-H-In 键。底栅附近的氢与游离氧结合形成 OH 共价键。

新加坡大学的刘刚及其同事早期对 IGZO FET 的研究发现，在正（直流）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阈值电压。也就是说，氢降低了电子陷阱的影响。在刘的研究中，沟道厚度约为 4nm 时实现了最稳定的正偏压温度不稳定性（PBTI）行为。

在更薄的沟道层中，电子陷阱效应占主导；在较厚的层中，氢效应占主导。随着沟道长度按比例缩小，更薄的沟道有利于最小化短沟道效应。刘的团队近期对 IGZTO FET 的研究发现，PBTI 行为也与温度相关。在低温下，电子陷阱占主导，导致阈值电压正向漂移。在较高温度下（其研究中约为 107°C），氢效应占主导，阈值电压漂移为负。

然而，在负偏压条件下，氢的影响较为复杂。首先，来自栅极的电子会与介质中的 H⁺离子（质子）结合，然后扩散到沟道中。同时，沟道中已存在的 H⁺离子会扩散到介质中，增加该处的正电荷积累。在负偏压条件下观察到的阈值电压负漂移似乎是这些效应导致的 H⁺离子净移动的结果。

实际器件中的条件更接近交流应力，而非直流应力。交流频率决定了周期之间的恢复间隔时长。刘表示，在负偏压交流应力下，净效应可忽略不计，阈值电压随时间几乎没有变化。另一方面，正偏压器件的阈值电压会随循环次数增加逐渐负向漂移。总体而言，铟基 FET 在交流条件下似乎比直流结果所显示的更可靠。

图 1：在正偏置条件下，交流应力会逐渐使转换电压向负方向移动。在负偏置条件下，交流应力的净影响可以忽略不计。

加速测试，或许并非有效

在铟基晶体管中观察到的异常行为中，高温下氢行为的变化尤其令人担忧。这对加速可靠性测试的有效性提出了质疑。拉赫曼的研究发现，正应力下的阈值电压漂移在高温（85°C 和 125°C）下更低，但恢复更慢。这与硅器件中观察到的行为不同。高温似乎会使 HfO₂/ITO 界面附近的浅陷阱退火消失，同时产生新的深陷阱。

缺陷退火解释了阈值电压漂移减小的原因，而深缺陷则解释了恢复时间变慢的原因。然而，一旦器件回到室温，这两种效应都会消失，器件恢复到无应力状态下的行为。