1. 低漏電特性使其在存儲應用中極具潛力，尤其適用于無電容增益單元設計；

2. 支持低溫工藝大面積沉積，這一特性對后端工藝（BEOL）集成極具吸引力；

3. 豐富的成分選擇為設計人員提供了多樣化方案，可按需實現特定性能 —— 氧化銦錫（ITO）、氧化銦（In?O?）、氧化銦鎵（IGO）、氧化銦鎵鋅（IGZO）乃至氧化銦鎵鋅錫（IGZTO），均在部分應用場景中展現出良好前景。

隨著半導體行業對單片三維集成技術的重視程度不斷提升，銦基氧化物半導體正吸引越來越多的關注。

多樣化的材料選擇，讓設計人員可通過調整成分，平衡閾值電壓（V?）與遷移率之間的權衡關系。例如，普渡大學的研究團隊發現，增加氧化銦鎵中的鎵含量會降低載流子遷移率；而在低鎵含量的基礎上進行氟摻雜，可獲得更優性能 —— 最終實現了約 1011 的開關電流比，亞閾值擺幅為 85 毫伏 / 十倍頻 [1]。

在頂柵和雙柵結構的氧化銦錫器件中，頂柵介質的原子層沉積過程往往會對溝道產生摻雜效應，導致閾值電壓呈現負值。在去年 12 月舉辦的 IEEE 電子器件會議（IEDM）上，杜克大學的迪倫?馬修斯及其團隊公布了一項研究成果：他們采用氧化鋯（ZrO?）替代傳統的氧化鉿（HfO?）作為介質材料，在溫度高達 125℃的環境下，成功實現了正閾值電壓。盡管該團隊尚未實際制造短溝道器件，但通過模擬預測，20 納米溝道長度下的導通電流可達 1.25 毫安 / 微米，亞閾值擺幅低于 100 毫伏 / 十倍頻 [2]。

偏壓溫度不穩定性：正向與反向的雙重挑戰

遺憾的是，氧化銦在常規條件下呈非晶態，其內部結構固有無序性，存在大量電子態，因此極易出現偏壓溫度不穩定性（BTI），且其表現出的不穩定性行為比硅材料更為復雜。研究人員之所以探索多種銦基氧化物材料，部分原因在于金屬陽離子有助于穩定氧空位行為。

而氧空位本身，正是影響偏壓溫度不穩定性的關鍵因素。盡管氧化物半導體在顯示應用中已十分成熟，但與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容的集成方案，仍處于探索階段。杜克大學的研究團隊還評估了射頻功率、沉積壓力和氧氣退火條件對氧化銦錫溝道成分的影響，發現采用 90:10 的氬氣 - 氧氣混合氣氛進行退火，可獲得最佳性能，他們認為這是因為該條件下氧空位濃度達到了最優水平。

根據材料特性和偏壓條件的不同，偏壓溫度不穩定性可能導致閾值電壓向正向或反向偏移。這種偏移在存儲應用中極具破壞性 —— 哪怕僅幾毫伏的變化，都可能導致數據丟失。因此，深入理解偏壓溫度不穩定性行為，是銦基半導體商業化進程中亟待解決的關鍵挑戰。

氫原子的去向之謎

除氧空格外，氫摻雜是另一關鍵影響因素。研究發現，氫原子似乎會在晶體管的氧化鉿介質層中累積，這很可能是氧化鉿沉積過程的副產物。在傳統 CMOS 工藝中，最后一步工序是在形成氣體（氫氮混合氣體）中進行退火，以鈍化缺陷并修復等離子體損傷；但佐治亞理工學院、應用材料公司、三星等機構的聯合研究團隊發現，采用氮氣退火與形成氣體退火，器件的偏壓溫度不穩定性行為幾乎沒有差異 [3]。

杜克大學的 Md?薩扎杜爾?拉赫曼及其團隊在雙柵氧化銦錫器件中發現，頂柵附近的氫原子會鈍化氧空位，形成銦 - 氫 - 銦鍵（In-H-In）；而底柵附近的氫原子則會與自由氧結合，形成羥基共價鍵（OH）[4]。

新加坡國立大學的甘柳（Gan Liu）團隊此前針對氧化銦鎵鋅場效應晶體管（IGZO FET）的研究表明，在正向直流應力下，氫原子會鈍化溝道中的電子陷阱，增加載流子濃度并降低閾值電壓 —— 也就是說，氫原子可削弱電子陷阱的影響。該團隊還發現，溝道厚度約為 4 納米時，器件的正向偏壓溫度不穩定性（PBTI）行為最為穩定；較薄溝道中，電子陷阱效應占主導；較厚溝道中，則以氫原子效應為主 [5]。隨著溝道長度不斷微縮，為最大限度減少短溝道效應，薄溝道設計成為主流選擇。

甘柳團隊近期針對氧化銦鎵鋅錫場效應晶體管（IGZTO FET）的研究進一步發現，正向偏壓溫度不穩定性行為還具有溫度依賴性：低溫環境下，電子陷阱效應占主導，導致閾值電壓正向偏移；而在較高溫度下（研究中約為 107℃），氫原子效應占據主導，閾值電壓呈現反向偏移 [6]。

而在反向偏壓條件下，氫原子的作用機制更為復雜：首先，柵極注入的電子會與介質中的氫離子（質子）結合，隨后擴散至溝道；同時，溝道中原本存在的氫離子也可能擴散至介質層，導致介質層中正電荷累積。反向偏壓下觀察到的閾值電壓反向偏移，正是這些效應共同作用下氫離子凈遷移的結果。

實際器件的工作環境更接近交流應力，而非直流應力。交流頻率決定了周期之間的恢復間隔。甘柳表示，在反向偏壓交流應力下，凈效應可忽略不計，閾值電壓隨時間幾乎無變化；而正向偏壓器件的閾值電壓，則會隨周期數增加逐漸向反向偏移。總體而言，銦基場效應晶體管在交流條件下的可靠性，似乎優于直流條件下的測試結果。

圖 1：正向偏壓條件下，交流應力導致閾值電壓逐漸反向偏移；反向偏壓條件下，交流應力的凈效應可忽略不計。來源：IEEE 電子器件會議 [6]

加速測試的有效性存疑

在銦基晶體管觀察到的諸多特殊行為中，高溫環境下氫原子行為的變化尤為令人擔憂 —— 這對加速可靠性測試的有效性提出了質疑。拉赫曼的研究發現，在高溫環境（85℃和 125℃）下，正向應力導致的閾值電壓偏移量更小，但恢復速度也更慢，這與硅基器件的表現截然不同。高溫似乎會鈍化氧化鉿 / 氧化銦錫界面附近的淺能級陷阱，同時生成新的深能級陷阱：淺能級陷阱的鈍化解釋了閾值電壓偏移量減少的現象，而深能級陷阱則導致恢復速度變慢。不過，當器件溫度恢復至室溫后，這兩種效應都會消失，器件回到未受應力時的狀態。

圖 2：氧化銦錫場效應晶體管中陷阱分布隨溫度的變化。標記 “×” 的陷阱在室溫下存在，高溫下被鈍化；帶圓圈的陷阱是高溫環境下新增的缺陷。來源：IEEE 電子器件會議 [4]

商業化前景展望

從研究角度來看，銦基氧化物半導體系統的復雜性極具探索價值 —— 實驗室可通過定制器件，深入研究氧、氫與金屬成分之間的相互作用。

但對于三星、應用材料等資助這類研究的企業而言，其目標是推動商業化應用，因此需要材料在數千片晶圓和數百萬個晶體管中，均能穩定呈現一致的性能。目前，這類材料的篩選與優化仍在進行中。

參考文獻

[1] 張等，《氟陰離子摻雜超薄氧化銦鎵晶體管：突破遷移率 - 穩定性權衡》，2023 年國際電子器件會議，美國舊金山，2023，第 1-4 頁

[2] 馬修斯等，《雙柵氧化銦錫場效應晶體管首次實現氧化鋯介質正閾值電壓》，2025 年 IEEE 國際電子器件會議，美國舊金山，2025，第 1-4 頁

[3] 郭等，《400℃后端形成氣體退火過程中致密化摻雜氧化銦薄膜晶體管的缺陷動力學與偏壓溫度不穩定性實驗與建模》，2025 年 IEEE 國際電子器件會議，美國舊金山，2025，第 1-4 頁

[4] 拉赫曼等，《高溫正向偏壓溫度不穩定性測試能否預測雙柵氧化銦錫場效應晶體管的長期可靠性？》，2025 年 IEEE 國際電子器件會議，美國舊金山，2025，第 1-4 頁

[5] 甘柳等，《揭示溝道厚度對 10 納米以下氧化銦鎵鋅場效應晶體管正向偏壓溫度不穩定性和低頻噪聲的影響：氧化物半導體器件進階的整體視角》，2023 年國際電子器件會議，美國舊金山，2023，第 1-4 頁

[6] 甘柳等，《揭示氫原子在直流與交流應力下對氧化銦鎵鋅錫場效應晶體管反向 / 正向偏壓溫度不穩定性的影響：氫動力學深入分析與先進建模》，2024 年 IEEE 國際電子器件會議，美國舊金山，2024，第 1-4 頁