In?O?场效应晶体管（FET）与SiO?和Al?O?绝缘体之间的高温界面稳定性，使得通道尺寸能够实现3纳米的缩小

《Applied Surface Science》：High-temperature interfacial stability of In 2O 3 FETs with SiO 2 versus Al 2O 3 insulators enabling 3?nm channel scaling

氧化亚铜（In?O?）作为新型DRAM通道材料，其界面热稳定性和介电材料选择至关重要。研究显示SiO?介电层在700℃退火后界面陷阱密度降低18%，而Al?O?介电层增加26.4%。5nm通道厚度的In?O? FET经700℃退火后迁移率仍＞80 cm2/V·s，但3nm Al?O?-包覆器件迁移率骤降至3.55 cm2/V·s，而SiO?-包覆器件保持80.3 cm2/V·s。结果表明SiO?因优异化学稳定性和低扩散特性，更适合作In?O?通道的介电层，这对3D堆叠DRAM工艺优化具有重要指导意义。

　　

吴海珍|李俊烨|裴俊英|孙智恩|李智勋|朴昌均|金杜浩|金民赫|李俊硕|赵成贤|李东焕|俞镇赫|朴镇成

汉阳大学材料科学与工程系，韩国首尔城东区王新路222号，邮编04763

摘要

动态随机存取存储器（DRAM）的持续缩放要求通道材料在高温处理过程中保持电稳定性和数据保留能力。氧化物半导体，特别是氧化铟（In₂O₃），具有宽带隙、高电子迁移率以及优异的均匀性，使其成为先进DRAM架构的有希望的候选材料。在这项研究中，我们系统地研究了在代表DRAM后端处理条件的高温下，In₂O₃通道与氧化铝（Al₂O₃）和二氧化硅（SiO₂）电介质之间的界面和热稳定性。电容-电压测量结果显示，经过700°C退火后，In₂O₃/Al₂O₃堆栈的界面陷阱密度增加了26%，而In₂O₃/SiO₂堆栈的陷阱密度减少了18%，表明SiO₂具有更优越的界面稳定性。具有5纳米通道厚度的In₂O₃场效应晶体管（FET）在700°C退火后仍保持高场效应迁移率（>80 cm² V^?1 s^?1），这与钝化层材料无关。当通道厚度为3纳米时，经过Al₂O₃钝化的In₂O₃FET的迁移率显著下降，而经过SiO₂钝化的器件则保持高迁移率。与Al₂O₃相比，SiO₂在高温退火后表现出更好的化学稳定性和扩散稳定性，这突显了界面扩散和缺陷形成对超薄In₂O₃通道性能的关键影响。本研究强调了电介质选择、界面控制以及通道厚度优化对于在下一代DRAM器件中可靠集成氧化物-半导体通道的重要性。

引言

动态随机存取存储器（DRAM）基于硅基的“一个晶体管一个电容器”（1T1C）单元架构。为了满足对高性能、高集成密度和低功耗运算的需求，人们一直在追求设备的持续缩放[1]、[2]。在早期的平面金属-氧化物-半导体场效应晶体管（FET）基DRAM中，结构演进的方向是在二维布局内延长有效通道长度，以减轻短通道效应并缓解因微型化导致的数据保留性能下降问题。这一发展导致了嵌入式通道阵列晶体管（RCAT）、球形RCAT和埋入式通道阵列晶体管的出现，随后又转向了三维（3D）全环绕栅极和全环绕通道架构[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。硅的本征窄带隙（约1.1 eV）从根本上限制了隧穿泄漏的抑制。随着器件尺寸的缩小，直接隧穿和漏极诱导的势垒降低效应加剧，导致关态泄漏电流增加[8]。由此产生的电荷损失缩短了存储节点的保留时间，需要更频繁的刷新操作，从而显著增加了功耗。功耗分析预测，在未来的DRAM中，刷新操作将占总能耗的40%-50%，成为限制能效的主要因素[9]、[10]。这种过度的刷新功耗不仅与低功耗设计目标相矛盾，还对进一步的密度缩放和垂直堆叠构成了根本性瓶颈。因此，需要采用能够在缩放几何结构下保持电稳定性和数据保留性能的新半导体。

氧化物半导体由于具有宽带隙（约3.0 eV）、本征低泄漏电流和高电子迁移率，以及优异的薄膜均匀性和与低温沉积的兼容性，为克服这些限制提供了可行的途径[11]。自2004年Nomura等人首次展示以来，氧化物-半导体薄膜晶体管已在显示技术中得到商业化，并在需要高稳定性和低待机功耗的逻辑和存储应用中引起了关注[12]。它们的宽带隙有效抑制了热激活的载流子，而各向同性的s轨道导带使得即使在非晶或纳米级薄膜中也能实现高电子迁移率。实验研究表明，基于氧化物半导体的DRAM器件在动态功耗和数据保留特性方面取得了显著降低；例如，基于氧化铟镓锌（IGZO）的1T1C结构在写入/读取功耗上减少了70%以上，数据保留时间超过了10天，比传统硅基DRAM长七个数量级[13]、[14]。氧化铟（In₂O₃）在这些应用中具有特别有利的特性。其球形对称性和铟5s轨道的强重叠导致有效电子质量较小，从而在非晶和超薄（<5 nm）薄膜中都能保持高迁移率[15]、[16]。作为仅由铟和氧组成的二元氧化物，In₂O₃相比IGZO等多组分氧化物具有更优异的成分均匀性和工艺重复性，同时简化了制造过程并降低了成本[17]。通过原子层沉积（ALD）技术制备的热生长In₂O₃薄膜在高纵横比（40:1）沟槽结构中也表现出超过95%的保形性，满足了3D DRAM架构中垂直晶体管的几何要求[18]。这些特性共同使In₂O₃成为实现高性能和低功耗先进存储系统的有力候选材料。

将In₂O₃通道集成到DRAM制造中，要求在前端和后端制造过程中反复经历高温（>600°C）处理时，通道-电介质界面具有结构和化学稳定性[19]、[20]。迄今为止的大多数研究将退火温度限制在400°C以下，因此In₂O₃在高温下的热稳定性尚未得到充分研究[21]、[22]。此外，确定能够在这种热条件下保持界面完整性的电介质材料仍然至关重要。传统的Si/二氧化硅（SiO₂）界面表现出非常低的界面陷阱密度（约10¹⁰ cm^?2 eV^?1）和高化学稳定性，而In₂O₃/SiO₂界面通常表现出较高的陷阱密度，约为10¹¹ cm^?2 eV^?1[23]、[24]。这种差异源于Si-O键的解离能（约799 kJ mol^?1）高于In-O键（约346 kJ mol^?1），这促进了金属阳离子的扩散、氧空位的形成、电荷捕获甚至在高温下的互扩散[25]、[26]、[27]。这种热激活的扩散可能导致界面处的成分和结构变化，从而引起阈值电压偏移、亚阈值摆幅下降和泄漏电流增加。因此，了解在DRAM相关热预算下，In₂O₃的界面和热稳定性及其与通道厚度和电介质组合的关系至关重要。

在这项研究中，系统地研究了在代表DRAM后端处理条件的高温下In₂O₃氧化物-半导体通道的行为，特别关注了其与SiO₂和氧化铝（Al₂O₃）电介质的界面和热稳定性。电容-电压（C–V）分析显示，经过700°C退火后，In₂O₃/Al₂O₃堆栈的界面陷阱密度相对于沉积态增加了约26.4%，而In₂O₃/SiO₂堆栈的陷阱密度减少了18.2%，表明SiO₂具有更优越的界面稳定性。使用SiO₂或Al₂O₃钝化层制备了底栅极和底接触（BGBC）In₂O₃FET，以评估高温暴露后的电稳定性。两种具有5纳米厚通道的器件在退火后均保持了高于80 cm² V^?1 s^?1的高场效应迁移率；然而，当通道厚度降至3纳米时，Al₂O₃钝化器件的迁移率急剧下降至3.55 cm² V^?1 s^?1，而在相同条件下SiO₂钝化器件的迁移率仍保持在80.3 cm² V^?1 s^?1。这些发现表明，尽管Al₂O₃的介电常数更高，但在热处理过程中的界面扩散和缺陷形成严重降低了超薄In₂O₃通道的电性能。相比之下，SiO₂表现出更优异的化学稳定性和扩散抗性，保持了界面质量并确保了晶体管的稳定运行。这些结果共同表明，将氧化物-半导体通道可靠集成到DRAM制造中需要仔细控制界面反应、电介质选择和高温条件下的通道厚度调整。

章节摘录

薄膜沉积与表征

In₂O₃薄膜是在220°C的工艺温度下使用（3-二甲氨基丙基）二甲基铟前驱体和臭氧（O₃）反应物通过原子层沉积（ALD）技术制备的。Al₂O₃和SiO₂薄膜则分别使用三甲基铝（TMA）和双（二乙胺）硅烷前驱体，在300°C的工艺温度下使用O₃反应物通过ALD技术制备。这些薄膜在干燥空气环境中于400、600、700或800°C下退火1小时。In₂O₃与绝缘薄膜（Al₂O₃和SiO₂）之间的界面陷阱密度

结果与讨论

我们首先比较了不同退火温度下In₂O₃氧化物半导体与Al₂O₃或SiO₂绝缘体之间的界面特性，用于DRAM应用。相应地在p⁺⁺ Si晶圆上堆叠了5纳米的In₂O₃和10纳米的绝缘体（Al₂O₃或SiO₂），然后进行退火（沉积态、400°C、600°C、700°C和800°C）。之后，制备了带有沉积ITO电极的MIS器件，并在-5至5伏的电压范围内进行了C–V测量

结论

我们系统研究了带有Al₂O₃和SiO₂钝化层的In₂O₃FET的高温稳定性和界面特性。电学表征显示，带有Al₂O₃钝化层的器件在700°C退火后界面陷阱密度显著增加且迁移率严重下降，而SiO₂钝化层的器件则保持了稳定的电性能。全面的深度剖面分析证实，在高温退火过程中，铝发生了扩散

CRediT作者贡献声明

吴海珍：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，形式分析，数据管理，概念构思。李俊烨：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，形式分析，概念构思。裴俊英：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究。孙智恩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论。李智勋：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了Jusung Engineering Co. Ltd.的支持。本工作得到了韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）资助的产业技术研发计划（编号：20017382）的支持。本工作还得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（编号：RS-2023-00260527）。本工作还得到了韩国政府（MSIT）资助的技术创新计划（或工业战略技术发展计划）（编号：RS-2025-25454815）的支持。