通过Al2O3界面层工程抑制超薄IGZO薄膜晶体管的电学性能退化

推荐：针对超薄非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜晶体管(TFT)在厚度<5 nm时出现的迁移率骤降(～0.2 cm2/V·s)和电流拥挤现象，研究团队通过原子层沉积(ALD)技术引入Al2O3界面层(IL)，成功将3 nm器件的迁移率提升至～2.4 cm2/V·s。该研究揭示了Ti诱导氧化反应是性能退化的主因，为下一代电子器件开发提供了可扩展的界面工程方案。

　　

随着显示技术和存储器件的快速发展，非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)因其适中的电子迁移率、优异的均匀性和低温加工特性，成为新一代电子器件的明星材料。特别是在动态随机存取存储器(DRAM)领域，其宽禁带(E_G > 3 eV)和超低关态电流(<10^–22 A/μm)能显著降低漏电流并延长数据保持时间。然而，当器件尺寸不断缩小，IGZO沟道厚度减至5纳米以下时，一个棘手的问题出现了——电学性能断崖式下跌，迁移率骤降至约0.2 cm²/V·s，这严重制约了高密度集成器件的开发。

传统观点将这种退化归因于量子限制效应或载流子散射增强等本征因素，但越来越多的证据表明，金属/半导体接触界面的外因可能才是"罪魁祸首"。特别是当采用钛(Ti)作为电极材料时，其与IGZO之间强烈的氧化还原反应会引发连锁破坏：不仅会在界面形成氧化钛(TiO_x)绝缘层，还会导致铟(In)、镓(Ga)、锌(Zn)等金属阳离子的迁移，最终"蛀空"电子传导路径。更棘手的是，在超薄沟道中，这种破坏会从界面蔓延至整个沟道体区，使得传统掺杂或等离子体处理等改良手段束手无策。

为破解这一难题，首尔国立大学的JinKyu Lee、Soo-Yeon Lee团队在《Applied Surface Science Advances》发表创新研究。他们独辟蹊径地采用原子层沉积(ALD)技术，在Ti电极与IGZO之间插入超薄Al₂O₃界面层，构建金属-绝缘体-半导体(MIS)结构。这种设计巧妙地利用了ALD的自限制表面反应特性——虽然所用三甲基铝(TMA)前驱体与IGZO组分具有强反应性，但ALD的逐层生长机制能将化学反应严格限制在表面，形成致密且均匀的介电薄膜，而不会损伤下方沟道。

研究团队通过传输线模型(TLM)分析、透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线光谱(EDS)等关键技术，系统评估了不同厚度IGZO器件的电学特性变化。他们首先制备了沟道厚度为10、7、5和3纳米的系列器件，确认当厚度降至3纳米时，接触电阻(R_c)急剧增加，传输特性呈现明显的肖特基接触行为。通过Arrhenius曲线提取的肖特基势垒高度(SBH)显示，超薄器件中载流子输运机制从直接隧穿(DT)转变为陷阱辅助隧穿(TAT)，这与界面退化导致的电子积累受限密切相关。

高分辨TEM观察揭示了问题的根源：在无保护的Ti/IGZO界面处，热力学自发的氧化还原反应导致1.5纳米厚的TiO_x层形成。计算表明，Ti与IGZO组分(In₂O₃、Ga₂O₃、ZnO)反应的吉布斯自由能(ΔG)低至-502.5至-334.9 kJ/mol，这种强烈的热力学驱动力使Ti不断"掠夺"IGZO中的氧原子。而厚度优化后的Al₂O₃界面层(3纳米)通过双重机制实现保护：一方面，ALD工艺的自限制特性将TMA的还原反应约束在表面；另一方面，形成的Al₂O₃具有热力学稳定性(ΔG_{Ti+Al2O3→TiO2+Al} >0)，能有效阻隔Ti扩散。

电学测试证实，采用3纳米Al₂O₃界面层的器件，接触电阻从385 Ω·cm大幅降至38.1 Ω·cm，场效应迁移率提升12倍。更重要的是，这种改进并未牺牲器件的可靠性——负偏压温度应力(NBTS)测试显示阈值电压(V_th)偏移可忽略不计，短沟道器件也表现出优异的抗DIBL特性。EDS元素分布图谱直观显示，Al₂O₃界面层能完整保持IGZO的原始化学组成，而对照组的In信号则在界面区域出现明显扩散。

这项研究的意义不仅在于解决了超薄氧化物半导体的性能退化难题，更开创了界面工程的新范式。不同于传统增加导电性的方法容易引发短沟道效应，ALD沉积的Al₂O₃界面层能精准修复"问题接口"而不影响整体沟道特性。这种"微创手术"式的解决方案，为开发3D堆叠存储器、神经形态晶体管等下一代电子器件提供了关键技术支撑。正如作者在结论部分强调的，该策略具有出色的工艺兼容性，能够无缝集成到现有半导体制造流程中，展现出广阔的产业化前景。