氧空位补偿钝化技术解决异质结氧化物晶体管迁移率与阈值电压冲突

《Small Structures》：Oxygen Vacancy Passivation by Compensation Technique to Address the Conflict Between Mobility and Threshold Voltage of Heterojunction Oxide Transistors

　　

氧化物晶体管在集成电路与实际应用中备受关注，但其面临场效应迁移率（μFE）与阈值电压（Vth）之间的本征冲突。研究人员提出一种补偿技术，可有效钝化氧空位并增强器件栅控能力，在InZnO/ZnO异质结晶体管中实现μFE与Vth的平衡。将背沟道区域用0.05 mol L?1 NH4Cl溶液处理30 s后，Vth由?1.51 V正向移至?0.75 V，亚阈值摆幅（SS）由246.50 mV dec?1降至96.90 mV dec?1，μFE维持在71.63至70.60 cm2 V?1 s?1的高水平。紫外光电子能谱（UPS）与X射线光电子能谱（XPS）分析表明该方法降低了沟道表面氧空位含量；密度泛函理论（DFT）揭示溶液中─OH基团经Zn–H–Zn桥接中间态钝化氧空位，室温下最终形成Zn–OH。基于处理后InZnO/ZnO晶体管制备的反相器增益由90 V/V提升至450 V/V，增强五倍。该电学补偿策略具备低温操作、低功耗与大面阵工艺兼容性，在后端线（BEOL）集成中具应用潜力。

研究背景与动机

氧化物晶体管因高迁移率、低漏电流及与硅基工艺兼容等优势，在集成电路、无电容动态随机存取存储器、单片三维电路与神经形态计算中被广泛研究。代表性非晶铟镓锌氧（IGZO）晶体管的场效应迁移率（μ_FE）常低于20 cm² V^?1 s^?1，限制其开关速度。异质结沟道（如InZnO/ZnO）利用界面势阱约束自由电子形成二维电子气（2DEG），可令μ_FE突破50 cm² V^?1 s^?1，但界面电子积累使阈值电压（V_th）负移，增大关态漏电并削弱栅控能力。现有退火、等离子体、介电插层等V_th调制手段多用于单层沟道，且在异质结中优化V_th往往伴随μ_FE衰减，二者解耦困难。因此，研究人员在《Small Structures》报道了InZnO/ZnO底栅晶体管，采用NH₄Cl溶液后处理补偿技术，实现V_th正向移动与μ_FE维持高位的解耦优化。

主要关键技术方法

研究人员在p++ Si/60 nm SiO₂衬底上磁控溅射100 nm ITO栅极，原子层沉积（ALD）10 nm HfO₂栅介质，溅射8 nm InZnO与ALD 14 nm ZnO构成异质结沟道，电子束蒸镀Ti/Au源漏。器件于室温下浸入0.01、0.05、0.10 mol L^?1 NH₄Cl溶液30 s，去离子水冲洗氮吹后100 ℃热板烘干。电学表征采用Agilent B1500A，提取μ_FE、V_th、SS及TLM接触电阻；材料表征联用HRTEM、EDS、AFM、ToF-SIMS、UPS、XPS、EPR、FT-IR与UV–vis；机理研究采用VASP平面波DFT（PBE-GGA，450 eV截断，15 ?真空层）与TCAD能带仿真。

研究结果

2.1 IZO/ZnO晶体管表征

HRTEM与EDS证实NH₄Cl处理前后层状结构完整、无界面互扩散；AFM显示RMS粗糙度维持在0.96–1.04 nm；ToF-SIMS与XPS深度剖析未发现NH₄⁺/Cl^?向介质层渗透，表明修饰仅限顶层表面。

2.2 IZO/ZnO晶体管电学性质

V_D=0.1 V下，随NH₄Cl浓度升高，V_th由?1.51 V移至?0.55 V，SS由240.50降至94.60 mV dec^?1；0.05 mol L^?1时V_th=?0.75 V、SS=96.90 mV dec^?1、μ_FE=70.60 cm² V^?1 s^?1。30 s为饱和处理时长。NBIS/PBS（11000 s）与60 ℃ PBTS（2000 s）测试显示ΔV_th漂移减小。TLM表明R_CON稳定于1.16–1.24 Ω·cm，R_CHAN占比由75%升至83%，栅控增强。UPS显示ZnO功函数由3.82升至3.91 eV，费米能级（E_F）远离导带底（E_CBM）；TCAD复现转移曲线并确认界面2DEG浓度下降。XPS O 1s分峰给出ZnO表面氧空位（V_O）占比由20.90%降至13.91%；EPR（g≈2.004）信号减弱；FT-IR中3200–3600 cm^?1处O–H伸缩振动增强。DFT给出质子钝化V_O总吉布斯自由能变化ΔG_total=?3.06 eV，决速步单质子吸附ΔG₁=0.48 eV，经Zn–H–Zn桥接终成Zn–OH。

基于0.05 mol L^?1处理构建耗尽负载反相器（驱动管L=5 μm，负载管L=10 μm），电压增益由90 V/V提升至450 V/V（V_DD=0.5–3.0 V），约五倍增强。

讨论与结论翻译

综上，研究人员提出一种补偿技术，可有效钝化氧空位并增强晶体管栅控能力，从而解决异质结晶体管μ_FE与V_th间的冲突。所采用NH₄Cl溶液后处理补偿技术在0.05 mol L^?1处理沟道表面30 s条件下，诱导V_th由?1.51 V正向移至?0.74 V，SS由246.50降至96.90 mV dec^?1，μ_FE达70.06 cm² V^?1 s^?1。处理后晶体管在PBS与NBIS下稳定性提升，栅控能力增强。UPS确认ZnO薄膜载流子浓度降低，XPS与EPR验证氧空位减少，DFT揭示溶液中─OH基团经Zn–H–Zn桥接中间态钝化氧空位并形成Zn–OH。基于InZnO/ZnO晶体管制备的反相器增益由90提升至450 V/V。该电学补偿技术具低温加工、低成本与大面阵工艺性，是后端线集成应用的潜力策略。