氧化铟芯片为何备受关注？

低漏电特性使其在存储应用中极具潜力，尤其适用于无电容增益单元设计；

支持低温工艺大面积沉积，这一特性对后端工艺（BEOL）集成极具吸引力；

丰富的成分选择为设计人员提供了多样化方案，可按需实现特定性能 —— 氧化铟锡（ITO）、氧化铟（In₂O₃）、氧化铟镓（IGO）、氧化铟镓锌（IGZO）乃至氧化铟镓锌锡（IGZTO），均在部分应用场景中展现出良好前景。

随着半导体行业对单片三维集成技术的重视程度不断提升，铟基氧化物半导体正吸引越来越多的关注。

多样化的材料选择，让设计人员可通过调整成分，平衡阈值电压（Vₜ）与迁移率之间的权衡关系。例如，普渡大学的研究团队发现，增加氧化铟镓中的镓含量会降低载流子迁移率；而在低镓含量的基础上进行氟掺杂，可获得更优性能 —— 最终实现了约 10¹¹ 的开关电流比，亚阈值摆幅为 85 毫伏 / 十倍频 [1]。

在顶栅和双栅结构的氧化铟锡器件中，顶栅介质的原子层沉积过程往往会对沟道产生掺杂效应，导致阈值电压呈现负值。在去年 12 月举办的 IEEE 电子器件会议上，杜克大学的迪伦・马修斯及其团队公布了一项研究成果：他们采用氧化锆（ZrO₂）替代传统的氧化铪（HfO₂）作为介质材料，在温度高达 125℃的环境下，成功实现了正阈值电压。尽管该团队尚未实际制造短沟道器件，但通过模拟预测，20 纳米沟道长度下的导通电流可达 1.25 毫安 / 微米，亚阈值摆幅低于 100 毫伏 / 十倍频 [2]。

偏压温度不稳定性：正向与反向的双重挑战

遗憾的是，氧化铟在常规条件下呈非晶态，其内部结构固有无序性，存在大量电子态，因此极易出现偏压温度不稳定性，且其表现出的不稳定性行为比硅材料更为复杂。研究人员之所以探索多种铟基氧化物材料，部分原因在于金属阳离子有助于稳定氧空位行为。

而氧空位本身，正是影响偏压温度不稳定性的关键因素。尽管氧化物半导体在显示应用中已十分成熟，但与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的集成方案，仍处于探索阶段。杜克大学的研究团队还评估了射频功率、沉积压力和氧气退火条件对氧化铟锡沟道成分的影响，发现采用 90:10 的氩气 - 氧气混合气氛进行退火，可获得最佳性能，他们认为这是因为该条件下氧空位浓度达到了最优水平。

根据材料特性和偏压条件的不同，偏压温度不稳定性可能导致阈值电压向正向或反向偏移。这种偏移在存储应用中极具破坏性 —— 哪怕仅几毫伏的变化，都可能导致数据丢失。因此，深入理解偏压温度不稳定性行为，是铟基半导体商业化进程中亟待解决的关键挑战。

氢原子的去向之谜

除氧空格外，氢掺杂是另一关键影响因素。研究发现，氢原子似乎会在晶体管的氧化铪介质层中累积，这很可能是氧化铪沉积过程的副产物。在传统 CMOS 工艺中，最后一步工序是在形成气体（氢氮混合气体）中进行退火，以钝化缺陷并修复等离子体损伤；但佐治亚理工学院、应用材料公司、三星等机构的联合研究团队发现，采用氮气退火与形成气体退火，器件的偏压温度不稳定性行为几乎没有差异 [3]。

杜克大学的 Md・萨扎杜尔・拉赫曼及其团队在双栅氧化铟锡器件中发现，顶栅附近的氢原子会钝化氧空位，形成铟 - 氢 - 铟键（In-H-In）；而底栅附近的氢原子则会与自由氧结合，形成羟基共价键（OH）[4]。

新加坡国立大学的甘柳（Gan Liu）团队此前针对氧化铟镓锌场效应晶体管（IGZO FET）的研究表明，在正向直流应力下，氢原子会钝化沟道中的电子陷阱，增加载流子浓度并降低阈值电压 —— 也就是说，氢原子可削弱电子陷阱的影响。该团队还发现，沟道厚度约为 4 纳米时，器件的正向偏压温度不稳定性行为最为稳定；较薄沟道中，电子陷阱效应占主导；较厚沟道中，则以氢原子效应为主 [5]。随着沟道长度不断微缩，为最大限度减少短沟道效应，薄沟道设计成为主流选择。

甘柳团队近期针对氧化铟镓锌锡场效应晶体管（IGZTO FET）的研究进一步发现，正向偏压温度不稳定性行为还具有温度依赖性：低温环境下，电子陷阱效应占主导，导致阈值电压正向偏移；而在较高温度下（研究中约为 107℃），氢原子效应占据主导，阈值电压呈现反向偏移 [6]。

而在反向偏压条件下，氢原子的作用机制更为复杂：首先，栅极注入的电子会与介质中的氢离子（质子）结合，随后扩散至沟道；同时，沟道中原本存在的氢离子也可能扩散至介质层，导致介质层中正电荷累积。反向偏压下观察到的阈值电压反向偏移，正是这些效应共同作用下氢离子净迁移的结果。

实际器件的工作环境更接近交流应力，而非直流应力。交流频率决定了周期之间的恢复间隔。甘柳表示，在反向偏压交流应力下，净效应可忽略不计，阈值电压随时间几乎无变化；而正向偏压器件的阈值电压，则会随周期数增加逐渐向反向偏移。总体而言，铟基场效应晶体管在交流条件下的可靠性，似乎优于直流条件下的测试结果。

图 1：正向偏压条件下，交流应力导致阈值电压逐渐反向偏移；反向偏压条件下，交流应力的净效应可忽略不计。来源：

电子器件会议 [6]

加速测试的有效性存疑

在铟基晶体管观察到的诸多特殊行为中，高温环境下氢原子行为的变化尤为令人担忧 —— 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，在高温环境（85℃和 125℃）下，正向应力导致的阈值电压偏移量更小，但恢复速度也更慢，这与硅基器件的表现截然不同。高温似乎会钝化氧化铪 / 氧化铟锡界面附近的浅能级陷阱，同时生成新的深能级陷阱：浅能级陷阱的钝化解释了阈值电压偏移量减少的现象，而深能级陷阱则导致恢复速度变慢。不过，当器件温度恢复至室温后，这两种效应都会消失，器件回到未受应力时的状态。

图 2：氧化铟锡场效应晶体管中陷阱分布随温度的变化。标记 “×” 的陷阱在室温下存在，高温下被钝化；带圆圈的陷阱是高温环境下新增的缺陷。来源：IEEE 电子器件会议 [4]

商业化前景展望

从研究角度来看，铟基氧化物半导体系统的复杂性极具探索价值 —— 实验室可通过定制器件，深入研究氧、氢与金属成分之间的相互作用。

但对于三星、应用材料等资助这类研究的企业而言，其目标是推动商业化应用，因此需要材料在数千片晶圆和数百万个晶体管中，均能稳定呈现一致的性能。目前，这类材料的筛选与优化仍在进行中。

参考文献

[1] 张等，《氟阴离子掺杂超薄氧化铟镓晶体管：突破迁移率 - 稳定性权衡》，2023 年国际电子器件会议，美国旧金山，2023，第 1-4 页

[2] 马修斯等，《双栅氧化铟锡场效应晶体管首次实现氧化锆介质正阈值电压》，2025 年 IEEE 国际电子器件会议，美国旧金山，2025，第 1-4 页

[3] 郭等，《400℃后端形成气体退火过程中致密化掺杂氧化铟薄膜晶体管的缺陷动力学与偏压温度不稳定性实验与建模》，2025 年 IEEE 国际电子器件会议，美国旧金山，2025，第 1-4 页

[4] 拉赫曼等，《高温正向偏压温度不稳定性测试能否预测双栅氧化铟锡场效应晶体管的长期可靠性？》，2025 年 IEEE 国际电子器件会议，美国旧金山，2025，第 1-4 页

[5] 甘柳等，《揭示沟道厚度对 10 纳米以下氧化铟镓锌场效应晶体管正向偏压温度不稳定性和低频噪声的影响：氧化物半导体器件进阶的整体视角》，2023 年国际电子器件会议，美国旧金山，2023，第 1-4 页

[6] 甘柳等，《揭示氢原子在直流与交流应力下对氧化铟镓锌锡场效应晶体管反向 / 正向偏压温度不稳定性的影响：氢动力学深入分析与先进建模》，2024 年 IEEE 国际电子器件会议，美国旧金山，2024，第 1-4 页