近日，南方科技大学材料科学与工程系Yury Illarionov副教授团队围绕双栅极ITO/HfO₂场效应晶体管体系展开深入研究，通过系统性可靠性分析（包括通用迟滞映射、偏压温度不稳定性测试及TCAD模拟），首次揭示顶部栅极金属电极对非晶氧化物沟道的全包裹覆盖是器件长期稳定性的核心保障，相关成果以“Long-Term Operational Stability of Dual-Gated ITO/HfO₂ Field-Effect Transistors via Full Top-Gate Coverage: A Comprehensive Bias Stress Mapping”为题发表于学术期刊ACS Nano。

图1.ITO/HfO₂晶体管结构与基础物理机制

氧化铟锡（ITO）是一种具有潜力的薄膜半导体材料，适用于先进芯片（如3D集成）中的晶体管。然而，制造可保障芯片长期稳定工作的ITO晶体管，挑战在于需构建高质量的栅极堆叠，并保持顶栅稳定性，以避免阈值电压负漂移。本研究通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）成像证实，顶部栅极金属对4nm厚ITO沟道实现了完全包裹，与上下对称的15nm HfO₂栅介质夹心结构相结合，可从物理层面彻底阻隔H^⁺、氧气对顶部氧化层的渗透。器件的背栅与顶栅均可通过施加相反的栅极偏压，精准调制至0V开启状态，呈现出超低迟滞和漂移的高稳定性。经研究人员进一步分析发现，HfO₂的上部缺陷带高于导带底能级，使缺陷态难以被费米能级触及，从而阻断了电荷捕获；而在MoS₂体系中，HfO₂缺陷带紧邻费米能级，电荷捕获概率显著提升，进而导致迟滞效应增大。

图2.顶栅扫描范围优化对滞后效应的影响以及TCAD能带模拟

为了验证低迟滞效应的主因是HfO₂缺陷带与ITO能级的相对位置，研究团队采用自主开发的长期迟滞动态分析技术，在晶体管的转移曲线上系统扫描三千个电流点，构建了滞后幅度（ΔVH）与扫描频率（1/tsw）的全息映射关系，最终获得了通用迟滞函数。此外，研究团队利用Minimos-NT建立了高精度的半导体器件仿真技术（TCAD）可靠性模型，通过引入能带对齐框架，设定陷阱密度、有效质量、介电常数、缺陷带宽和捕获截面等关键参数，定性复现了测量的转移特性、阈值电压调制以及对滞后幅度的调控。在零偏关断条件以及背栅和顶栅调控下，器件在总扫描时长为6.6ks时，表现出低至25mV和60mV的迟滞（源自于上迟滞函数）。基于上述测试方法，团队将背栅HfO₂缺陷作为固定电荷,聚焦于优化顶栅电压扫描范围（VTGmin/VTGmax）对滞后效应的影响，并结合TCAD能带进行模拟验证。结果表明，当VTGmin更负时，迟滞主要由HfO₂的下缺陷带决定，费米能级下降，空穴被捕获导致显著滞后。然而，当VTGmin接近于0时，费米能级上升，下缺陷带的大部分进入较低的非活性区，缺陷保持中性，仅剩上缺陷带参与，但其位于ITO导带之上，因此能够降低滞后幅度。另一方面，滞后幅度会随着VTGmax的增大而呈现上升趋势，当费米能级进一步上移时，上缺陷带中更多的拖尾态会参与电子捕获。TCAD模拟展示了滞后幅度的变化，证实了定量能带工程分析是研究ITO/HfO₂晶体管迟滞的核心方法。

图3.ITO/HfO₂晶体管在静态偏压应力下的长期稳定性

在此基础上，研究团队在双栅极ITO晶体管上开展了正偏压温度不稳定性（PBTI）实验，通过优化测试方法（10 ks预稳定及零偏压关断条件）系统评估了器件的长期可靠性。结果显示，典型PBTI导致的阈值电压漂移为正几十毫伏，无负漂移现象，验证了常温下顺时针迟滞动力学。时间分辨电流曲线展示了在高栅压应力（3V）、应力时间延长（30ks）下，背栅和顶栅出现的漂移衰减现象。顶栅还出现了额外的正电荷贡献，可在长期导通状态下自我修复。该现象可能源于背栅的固定正电荷注入补偿了电子捕获或是氧空位缓慢漂移以及H^⁺杂质迁移，非覆盖缺陷所导致。因此，与此前的工作（在室温下，顶栅上观察到严重的PBTI负阈值电压漂移）相比，器件被有效地抑制到持续施加至少10ks的应力情况下，印证了顶部氧化物的全金属覆盖的重要性。

图4.ITO/HfO₂晶体管在高温环境下的可靠性极限

该双栅极ITO晶体管在高温下保持高稳定性：在25°C至105°C温度范围内，背栅的滞后幅度始终控制在数十毫伏内，仅在105°C低频扫描时出现微弱的逆时针迟滞，表明背栅HfO₂中可移动电荷浓度极低；顶栅对温度变化更敏感，85°C时低频扫描激活逆时针迟滞，105°C时出现显著逆时针迟滞，并伴随阈值电压负漂移，且部分器件在85°C/10 ks应力条件下负漂移仅小于50mV。顶栅的低电荷迁移特性主要源于其缓慢的氧空位，而并非工艺诱导的H^⁺离子。

图5.可靠性性能对比

与包括IMEC、Intel等先进工艺制备的二硫化钼（MoS₂）基场效应晶体管FET相比，本研究的ITO/HfO₂器件在零偏关断和迟滞上表现出显著优势。经等效氧化层厚度（EOT）归一化处理后，器件滞后幅度始终显著低于所有对比器件。制备器件的核心优势在于，在室温中，施加30ks应力后正阈值电压漂移量较小，且在85°C以上激活的负漂移量仍低于同类研究的室温测试数据。全顶栅覆盖能够有效阻隔污染物，而且ITO/HfO₂缺陷带能级匹配优于MoS₂基系统，从根本上降低缺陷捕获的活性。此外，研究团队沿用了在二维材料晶体管方向提出的标准化迟滞分析框架，在ITO/HfO₂可实现量产的前提下，为后摩尔时代的非晶氧化物器件可靠性提供了新的评估范式。

南方科技大学材料科学与工程系2024级博士生黄坚明为论文第一作者，美国杜克大学Tania Roy教授和Yury Illarionov为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和南方科技大学高水平专项基金等项目支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5c17437

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍

编辑：任奕霏