單片三維集成是集成電路在后摩爾時(shí)代的重要發(fā)展方向，存儲(chǔ)與邏輯的單片集成可以大幅提升系統(tǒng)的帶寬與能效，是解決當(dāng)前集成電路領(lǐng)域面臨的“存儲(chǔ)墻”與“功耗墻”挑戰(zhàn)的主要技術(shù)路徑。此外，硅基工藝的高熱預(yù)算限制了其在后道工藝中實(shí)現(xiàn)有源器件的制備，因此，硅基后道兼容、低熱預(yù)算、高性能的新型半導(dǎo)體溝道成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域。以銦鎵鋅氧化物（IGZO）為代表的非晶氧化物半導(dǎo)體具有極佳的綜合性能，是后道兼容邏輯器件與存儲(chǔ)器件的主要候選材料。
北京大學(xué)集成電路學(xué)院/集成電路高精尖創(chuàng)新中心吳燕慶研究員-黃如院士團(tuán)隊(duì)在過去5年中面向單片三維集成中的半導(dǎo)體材料、界面、輸運(yùn)、器件、電路與關(guān)鍵集成技術(shù)開展了系統(tǒng)研究，經(jīng)過數(shù)年攻關(guān)，突破了非晶氧化物半導(dǎo)體在尺寸微縮時(shí)面臨的材料、工藝與器件瓶頸。團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的器件與電路在各方面性能上均達(dá)到了國際最高水平，填補(bǔ)了先進(jìn)集成電路領(lǐng)域在該方向上的空白，并建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的非晶氧化物半導(dǎo)體成套關(guān)鍵技術(shù)。在近日召開的第68屆國際電子器件大會(huì)IEDM中，團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)邏輯器件、存儲(chǔ)器技術(shù)、新型器件技術(shù)等分會(huì)議中入選5篇論文，其中兩篇報(bào)道了團(tuán)隊(duì)關(guān)于非晶氧化物半導(dǎo)體在邏輯與存儲(chǔ)方面的最新成果。
圖1. 近5年團(tuán)隊(duì)在氧化物半導(dǎo)體器件方面的代表性工作
長(zhǎng)久以來，研究最為廣泛的IGZO氧化物半導(dǎo)體的遷移率停留在10cm2/Vs左右，如何進(jìn)一步提升遷移率是一直以來該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)之一。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)在原子層沉積ALD工藝與物理氣相沉積PVD工藝兩個(gè)方面均開展了系統(tǒng)研究。在ALD生長(zhǎng)方面，優(yōu)化了超薄非晶氧化物半導(dǎo)體溝道的ALD生長(zhǎng)工藝，成功實(shí)現(xiàn)了10納米的超薄溝道,遷移率提升至43cm2/Vs，并系統(tǒng)研究了器件在180oC高溫下的工作特性。該工作實(shí)現(xiàn)了國際同類器件中最薄的ZnO溝道、最高的遷移率與器件開關(guān)比（IEEE EDL 40, 3, 419—422, 2019; IEEE EDL 42, 5, 716—719, 2021）；在PVD 生長(zhǎng)方面，優(yōu)化了超薄非晶氧化物半導(dǎo)體的磁控濺射工藝，結(jié)合ALD生長(zhǎng)的高質(zhì)量HfLaO介質(zhì)，成功將3.5納米超薄溝道中的遷移率大幅提升至60cm2/Vs左右。在國際上首次提出了通過量子限域效應(yīng)將金屬性氧化銦錫ITO轉(zhuǎn)變?yōu)閷捊麕О雽?dǎo)體性的突破性方法，與之前同類器件相比實(shí)現(xiàn)了相同關(guān)態(tài)特性下開態(tài)性能的全面大幅超越（Nature Mater. 18, 1091—1097, 2019）。
圖2. 超薄氧化物半導(dǎo)體的材料特性基本表征
氧化物半導(dǎo)體在當(dāng)前主要應(yīng)用于顯示面板的驅(qū)動(dòng)器件，特征尺寸為數(shù)十微米，與集成電路器件的特征尺寸存在上千倍的差距，如何進(jìn)一步縮短溝長(zhǎng)并提升性能是該技術(shù)跨入集成電路領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開展了氧化物半導(dǎo)體器件在尺寸微縮下的性能優(yōu)化研究，實(shí)現(xiàn)了10納米超短溝長(zhǎng)、1納米超薄EOT柵介質(zhì)與閾值電壓的可控正移，關(guān)態(tài)電流、開關(guān)比等方面超越國際同類器件十倍以上。研究了非晶氧化物半導(dǎo)體在超短溝道下的輸運(yùn)機(jī)制，首次實(shí)現(xiàn)了彈道輸運(yùn)，效率高達(dá)68.4%。器件開態(tài)電流在國際上首次突破1mA/μm，跨導(dǎo)大于1000μS/μm，超過同類器件5倍以上。短溝道效應(yīng)漏致勢(shì)壘降低（DIBL）僅為同樣厚度硅基SOI器件的一半。器件的截止頻率與最大振蕩頻率達(dá)國際最高水平。在邏輯電路方面，實(shí)現(xiàn)了高性能的環(huán)形振蕩器電路，單階延遲為0.4ns，超越之前同類器件兩倍以上（IEDM3.5.1—3.5.4, 2019，IEDM40.5.1—40.5.4, 2020）。上述兩項(xiàng)進(jìn)展均為當(dāng)年IEDM先進(jìn)邏輯會(huì)議唯一來自大陸的工作。
圖3. 基于超薄氧化物半導(dǎo)體的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)與電學(xué)特性
相比已經(jīng)發(fā)展至3納米節(jié)點(diǎn)的硅基集成電路器件，氧化物半導(dǎo)體的顯著特點(diǎn)在于其寬禁帶特性導(dǎo)致的極低關(guān)態(tài)漏電流，因此在DRAM應(yīng)用中對(duì)于提升數(shù)據(jù)保持時(shí)間和降低功耗具有極大的優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)前面臨的主要問題在于氧化物半導(dǎo)體高閾值電壓與高開態(tài)電流不可兼得，從而需要負(fù)保持電壓來實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)保持時(shí)間，并且寫入速度仍然遠(yuǎn)低于主流DRAM的水平。針對(duì)上述問題，團(tuán)隊(duì)針對(duì)性開展了溝道優(yōu)化與歐姆接觸優(yōu)化研究，通過原位氧離子處理的方式實(shí)現(xiàn)了兼具低載流子濃度與高遷移率的非晶氧化物半導(dǎo)體溝道。提出了采用ITO（銦錫氧化物）作為接觸中間層降低金屬接觸勢(shì)壘高度的有效方法，獲得了低至278Ω·μm的接觸電阻，達(dá)到國際最優(yōu)水平。所制備的IGZO器件實(shí)現(xiàn)了國際最高的跨導(dǎo)（637μS/μm）與開態(tài)電流（1207μA/μm），其中開態(tài)電流是此前文獻(xiàn)報(bào)道最高電流的2倍，器件開關(guān)比高達(dá)1011（IEDM 2.7.1—2.7.4, 2022），實(shí)現(xiàn)了閾值電壓在100pA*W/L的標(biāo)準(zhǔn)下大于1.2V，同時(shí)輸出電流在過驅(qū)動(dòng)電壓為1 V情況下達(dá)到24mA/mm，柵壓為0時(shí)的關(guān)態(tài)電流在常溫和85oC下均小于10-19A/mm，為國際最優(yōu)水平。所構(gòu)建的2T0C DRAM單元成功實(shí)現(xiàn)了10ns的超快寫入速度，以及斷電情況下室溫大于10ks、85oC下大于7ks的數(shù)據(jù)保持時(shí)間，分別為之前同類工作的10倍與100倍。此外，通過調(diào)節(jié)寫入管的字線和位線電壓，成功在常溫和85oC下實(shí)現(xiàn)了具有超高區(qū)分度和線性度的3-bit存儲(chǔ)，并可通過電壓協(xié)同調(diào)節(jié)進(jìn)一步擴(kuò)展存儲(chǔ)容量，展示了非晶氧化物半導(dǎo)體在大容量、高密度、非易失三維集成DRAM方向的應(yīng)用潛力（IEDM 26.6.1—26.6.4, 2022）。
圖4. 基于超薄氧化物半導(dǎo)體的2T0CDRAM結(jié)構(gòu)與電學(xué)特性
當(dāng)前，國際上普遍認(rèn)為下一代DRAM技術(shù)主要發(fā)展方向是通過三維堆疊從而提升存儲(chǔ)密度，氧化物半導(dǎo)體具備的獨(dú)特低熱預(yù)算特性使其在單片三維集成應(yīng)用中極具潛力。針對(duì)三維集成關(guān)鍵工藝缺乏、應(yīng)力導(dǎo)致溝道性能退化等問題，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了低熱預(yù)算下的高性能非晶氧化物半導(dǎo)體器件。在柔性聚酰亞胺襯底上制備了160nm溝長(zhǎng)的柔性射頻器件，實(shí)測(cè)截止頻率為2.1GHz，最大振蕩頻率為3.7GHz，性能為之前同類器件10倍以上。該器件在10mm彎曲半徑下彎折5萬次，在1mm彎曲半徑下彎折1千次，其直流與射頻特性仍能保持正常工作狀態(tài)，驗(yàn)證了其優(yōu)異的應(yīng)力特性（IEDM 8.2.1—8.2.4，2019）。在表面粗糙度優(yōu)化后的減薄聚酰亞胺襯底上進(jìn)一步將溝道長(zhǎng)度微縮為15納米，實(shí)現(xiàn)了國際最高水平的截止頻率11.8GHz，最大振蕩頻率達(dá)15GHz，首次實(shí)現(xiàn)了該類器件在4.3K和380K下的穩(wěn)定工作（Sci. Adv.8, eade4075, 2022）。
近5年，吳燕慶研究員-黃如院士團(tuán)隊(duì)在基于新型半導(dǎo)體溝道器件的先進(jìn)邏輯器件、存儲(chǔ)器件與射頻器件方面累計(jì)發(fā)表Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances與IEDM等30余篇。研究工作在國際上形成重要影響力，引起了包括英特爾、臺(tái)積電在內(nèi)的工業(yè)界的廣泛關(guān)注與多次引用。
以上論文的相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家基金委重大項(xiàng)目、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，以及國家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)、微納電子器件與集成技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、集成電路高精尖創(chuàng)新中心、集成電路科學(xué)與未來技術(shù)北京實(shí)驗(yàn)室等基地平臺(tái)的支持。
來源：北京大學(xué)
