氧化物随即存储器因其较长的保持时间和有利于三维堆叠的优点,成为国际学术和产业界的关注点,其中In₂O₃-基薄膜晶体管由于其高迁移率而备受关注。In₂O₃中氧的不稳定性直接影响到器件的可靠性,为克服这一问题,传统的Ga或Zn掺杂需要较高的掺杂浓度,在提升器件可靠性的同时减低了迁移率。因此,需要提出更新的氧化物半导体材料体系,突破In₂O₃-基薄膜晶体管的迁移率和可靠性制约问题。

针对这一问题,微电子所高频高压中心研究团队提出了一种通过GeO₂和In₂O₃共溅射的方法,利用GeO₂主动消耗氧空位的机制,制备了Ge掺杂的InGeO薄膜晶体管。研究人员通过材料表征,对其进行了迁移率和可靠性测试,证明了该材料体系可以大大提升器件的可靠性,同时不过度损失In₂O₃的本征迁移率,在实验上验证了GeO₂对氧空位的消耗作用。通过自主搭建的“可变光电流法(VPM)”测试系统,表征了Ge掺杂对In₂O₃深能级缺陷的调控。根据该机理,研究人员得到了突破迁移率、可靠性制约的InGeO薄膜晶体管。

该研究成果以题为“Ge-doped In₂O₃: First Demonstration of Utilizing Ge as Oxygen Vacancy Consumer to Break the Mobility/Reliability Tradeoff for High Performance Oxide TFTs”入选2024年VLSI会议,并做口头报告。微电子所王嘉义助理研究员、白子恒助理研究员为共同第一作者,王盛凯研究员、李泠研究员为通讯作者。

(a) (b) Ge掺杂与传统的掺杂调控In₂O₃-基薄膜晶体管性能的比较;

InGeO TFT的(c) 转移特性曲线和(d) 正偏压、(e) 负偏压可靠性;

(f) 本研究与国内外其它研究结果对比