本文介绍了南方科技大学深港微电子学院的最新研究成果，即在Nano Letter上报道的一种反应磁控溅射SnOx薄膜晶体管（TFT）。该器件具有超高的空穴迁移率，并成功与CMOS结合，制造了全氧化物CMOS反相器，为实现超越摩尔缩放的新型计算架构提供了可能。此外，文章还提供了关于二维材料单晶和薄膜等耗材、器件和光刻掩膜版定制等微纳加工服务的信息。
该研究实现了前所未有的空穴迁移率，达到38.7 cm²/V·s，并且成功制造了全氧化物CMOS反相器，具有低功耗特性，推动了氧化物半导体技术的发展。
互补金属氧化物半导体（CMOS）后端线（BEOL）层中的单片3D集成电路（IC）需要寻找允许低热预算过程的高性能半导体。氧化物半导体是当前研究的热点，具有几个引人注目的优势，如低电流、高载流子迁移率、低加工温度等。
研究人员通过反应磁控溅射SnOx TFT，发现控制SnOx薄膜中O2掺入量的工艺步骤之间存在相互作用。采用优化的沉积工艺和退火工艺，实现了空穴场效应迁移率的大幅提升，并且成功制造了全氧化物CMOS反相器，显示出理想的rail-to-rail特性和超低静态功耗。
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【研究背景】
互补金属氧化物半导体（CMOS）后端线（BEOL）层中的单片3D （M3D）集成电路（IC）允许实现超越摩尔缩放的新型计算架构。然而，这需要寻找允许低热预算过程（<450°C）的高性能半导体。在潜在的低温可加工替代品中，如碳纳米管（CNTs）、二维过渡金属二硫族化合物（2D-TMDs）、及氧化物半导体。氧化物半导体与硅基半导体相比具有几个引人注目的优势，如低电流、相当高的载流子迁移率、低于450°C的低加工温度以及晶圆级沉积的工艺成熟度。然而当前对于氧化物半导体的研究大多数是n型的，但是p型半导体晶体管是CMOS技术及实现制造超大规模集成电路的关键。
【成果简介】
近期，南方科技大学深港微电子学院在Nano Letter上发文报道了一种反应磁控溅射 SnOx 薄膜晶体管（TFT），创新型地研究了SnOx沉积过程中O2分压（OPP）和封装后退火（PEA）条件对SnOx TFT电性能的影响。对于SnOx TFT的制备，使用Ti/Pt作为底栅电极，HfO2作为栅介质层。SnOx作为通道层，源漏电极使用的Ti/Au，使用Al2O3作为封装层。在SnOx沉积过程中，通过改变氧气分压（0%，3%，6%）来调控薄膜的电学性能。在封装后进行退火处理，优化条件为175°C下退火2小时。控制SnOx薄膜中O2掺入量的工艺步骤之间存在很强的相互作用。采用优化的3% OPP沉积工艺和175℃下2 h的PEA工艺，实现了空穴场效应迁移率 (μFE-hole) 达到前所未有的 38.7 cm2/V·s，开/关电流比 (Ion/off) 为 2.5 ×103，与已报道的基于 p 型氧化物的 TFT 的工作相比，其亚阈值摆幅 (SS) 为 240.9 mV/dec。
【突出亮点】
（1）
空前的空穴迁移率。该项工作展示了一种通过反应磁控溅射SnOx TFT，实现了前所未有的空穴迁移率（μFE
‑
hole）达到38.7 cm²/V·s，这是p型氧化物基TFTs中的一项重大突破。
（2）
与CMOS的有效结合。通过将SnOx薄膜晶体管与IGZO薄膜晶体管集成，研究人员成功制造了全氧化物CMOS反相器。这一创新尝试在氧化物半导体技术中实现了理想的rail-to-rail特性，并且显著降低了静态功耗。
（3）
低功耗电路设计。该全氧化物CMOS反相器实现了仅34pW的超低静态功耗，这一成果在氧化物半导体技术领域具有创新意义。显著的功耗降低对于未来设计超低功耗CMOS后端线路（BEOL）逻辑电路具有重要的推动作用。
【论文插图】
图1 氧化物基CMOS电路对BEOL集成的重要性以及兼容BEOL的SnOx TFT的工艺流程。(a)说明BEOL CMOS逻辑电路和基本单元氧化物CMOS逆变器需要p型氧化物TFT的示意图。（b, c） SnOx TFTs的关键制作工艺步骤及示意图。
图2 SnOx薄膜材料表征。无进一步退火的射频磁控溅射后的测量。（a
−
c） gxrd图谱，XPS Sn 3d5/2反褶积谱，以及在0%、3%和6% OPP下沉积SnOx薄膜Sn的化学结合态百分比和Rq的变化。175°C PEA处理2小时后的测量结果：（d
−
f） GIXRD图，XPS Sn 3d5/2反旋光谱，以及0%、3%和6% OPP作用下封装SnOx薄膜Sn的化学结合态百分比和Rq的变化。(g)相应SnOx通道的拉曼光谱。(h) 175℃退火2 h SnOx TFT的截面TEM显微图。(i)截面图像映射元素分布的EDS分析。
图 3 不同OPP下SnOx tft的电学特性（a
−
c）：在0%、3%和6% OPP下沉积的SnOx tft的传递曲线。(d)在3% OPP下沉积的SnOx TFT的迁移率。(e)测量的20种不同SnOx TFT的转移曲线。(f)富锡薄膜中Sn 5s轨道杂化的价带扩展示意图。
图 4 不同PEA持续时间的电特性。(a) SnOx tft在不同温度下退火后转移特性的变化。(b)氧化物tft的电学性能比较：SnOx tft的空穴场效应迁移率和SS值。
图 5 SnOx TFT和IGZO TFT集成CMOS逆变器，用于平面和堆叠cfet样设计。(a)示意图和显微照片；(b)各VDD电压转移特性；(c)不同VDD时的电压增益（|dVIN/dVOUT|）；(d)各VDD的功耗。
【文章信息】
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.
Jiqing Lu, Mei Shen, Xuewei Feng, et al.,
Nano Letters Article ASAP
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03742
Jiqing Lu, Mei Shen为本文的共同第一作者。
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