英文原题：p-type Oxide Thin-film Transistor with Unprecedented Hole Field-effect Mobility for an All-Oxide CMOS CFET-like Inverter Suitable for Monolithic 3D Integration
作者：Jiqing Lu，Mei Shen，Xuewei Feng，Tian Tan，Haoyue Guo，Longyang Lin，Feichi Zhou*， and Yida Li*
背景介绍
三维单片集成电路（M3D IC）在硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）后端（BEOL）中的实现，使得超越摩尔定律的新计算架构成为可能。然而，这需要低热预算工艺（< 450 ℃）的高性能半导体。氧化物半导体因其低关态电流、较高的载流子迁移率、远低于450 ℃的低制备温度以及适用于晶圆级规模沉积的成熟工艺，成为潜在的低温度半导体。近些年，尽管在氧化物半导体研究中已经取得了显著进展，但大多数报道的工作集中在n型氧化物薄膜晶体管（TFTs），而在CMOS技术中对于大规模集成电路（VLSI）设计至关重要的高性能p型氧化物TFTs研究相对缺乏。
图1. 硅基BEOL的氧化物半导体三维单片集成示意图
文章亮点
近期，南方科技大学深港微电子学院在Nano Letters上发表了关于空穴迁移率创纪录的p型氧化物晶体管以及全氧化物三维垂直集成反相器的研究工作。薄膜物理表征揭示了，磁控溅射沉积过程中的氧分压（OPP）和Al2O3覆盖层后退火可以调控薄膜相组成实现自掺杂。通过反应磁控溅射制备的SnOx TFTs，其空穴场效应迁移率（µFE-hole）达到了前所未有的38.7 cm²/V·s，电流开关比（Ion/off）为2.5×10³，亚阈值摆动（SS）降低至240.9 mV/dec。并展示了基于IGZO TFTs和SnOx TFTs的平面和三维堆叠的高性能反相器。
图2. 器件在不同氧分压下的电学特性。（a）-（c） 0%，3%，6%氧分压下，SnOx TFTs的转移特性曲线。（d）3%氧分压下，SnOx TFT的迁移率提取。（e）20个SnOx TFTs的转移特性曲线。（f）富Sn薄膜价带的Sn 5s轨道杂化示意图。
3% OPP下，覆盖层后退火2 h最优SnOx TFTs的创纪录µFE-hole为38.7 cm²/V·s。此外，20个不同SnOx TFTs的电学特性变化相对较小，远高于此前研究工作的µFE-hole为25±5.8 cm²/V·s，阈值电压（VTH）为-1.1±0.1，Ion/off为（2.2±0.9）×10³，SS为257.1±42.1 mV/dec。富Sn SnOx薄膜中的Sn0金属相与SnO相在价带（VB）的杂化是实现高µFE-hole的关键。
图3. IGZO和SnOx全氧化物TFTs的平面和三维堆叠反相器：（a）原理图和光学显微镜图；（b）反相器的电压传输特性；（c）反相器的电压增益；（d）反相器的功耗。
以IGZO为n型TFTs，SnOx为p型TFTs，实现了适用于硅基CMOS BEOL的高性能平面和三维堆叠全氧化物反相器。在0.5-1.5 V的VDD电压下，平面反相器展现出理想的轨到轨特性，高电压增益以及在逻辑0具有超低静态功耗。此外，三维堆叠的反相器在VDD为1.5 V下实现了57的高电压增益，综合性能远优于已报道的全氧化物半导体CMOS反相器和n型氧化物伪CMOS反相器，展现了全氧化物反相器的潜力。
总结/展望
本研究通过优化SnOx薄膜反应磁控溅射磁的氧分压和Al2O3覆盖层后退火条件，实现了空穴迁移率创纪录的p型SnOx TFT，并展示了基于全氧化物TFTs在平面和三维堆叠CMOS反相器中的应用。研究成果为未来在硅基CMOS BEOL中实现氧化物半导体的M3D集成电路设计提供了有价值的方向。
相关论文发表在Nano Letters上，哈尔滨工业大学和南方科技大学联培博士研究生陆继清以及南方科技大学沈美为文章的共一作者。
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Nano Lett. 2024, 24, 48, 15260–15267
Publication Date: November 19, 2024
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03742
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Teri W. Odom
Northwestern University
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