集成电路制造工艺愈来愈靠近硅基晶体管的物理极限，并且现代社会对于计较硬件的算力、速率、能耗等提出了更高的要求，“冯·诺依曼架构”的“存储墙”问题严峻限定了算力的晋升。基在氧化物半导体忆阻器的存内计较体系，具备制备温度低（ 400 ℃）、速率快、功耗低及可3D集成等上风，有望成为新一代鞭策集成电路成长的主要计较硬件。1T1R（一个晶体管，一个电阻器）是忆阻器阵列最经常使用的技能之一，可以有用限定存储单位之间的潜行电流滋扰，而于这方面金属氧化物器件研究至关主要。

近日，南边科技年夜学深港微电子学院助理传授李毅达、林龙扬、周菲迟等课题组及南科年夜交织研究院沈美研究助理传授及深圳江波龙电子株式会社互助完成，于金属氧化物半导体器件范畴取患上多项研究结果，包括源漏缺陷调控低温ALD ZnO 薄膜晶体管迁徙率、HfO2钝化层改善ALD ZnO 薄膜晶体管不变性以和基在氧化铪合金的高机能忆阻器（HfZrO、HfZnO RRAM）。相干结果别离发表于国际微电子期刊IEEEElectron Device Letters (EDL)及集会IEEE Electron Devices Technology and Manufacturing(EDTM) Conference、IEEEChina Semiconductor Technology International Conference (CSTIC)及International Conference on Solid-State Devices and Materials (SSDM)。

高机能ALD ZnO 薄膜晶体管

氧化锌(ZnO)是一种经济、环保的金属氧化物半导体质料，于已往的几十年里被广泛运用在工业中。最近几年来，ZnO作为一种用在薄膜晶体管(TFT)的宽禁带半导体因其优秀的电学机能而遭到了广泛的研究。课题组作采用低温原子层沉积工艺制备了合用在后端工艺集成的低温ZnO薄膜晶体管。经由过程Ar等离子体调治源漏接触的缺陷密度，实现了具备高电子浓度的源漏接触设计，可以或许有用调治金属及半导体接触处的能带弯曲。经由过程XPS及AFM表征，阐了然等离子体处置惩罚先后ZnO半导体缺陷及外貌粗拙度的变化。优化Ar等离子体处置惩罚时间后，晶体管接触电阻显著降低为84 Ω/μm，有用场效应迁徙率提高了50%，到达39.2 cm2/Vs，是迄今为止利用ALD工艺于低温（200 ℃）下实现较高迁徙率的报导之一。此外，课题组也报导了一种空气不变，高迁徙率的 ALD ZnO 薄膜晶体管，使用10 nm ALD HfO2钝化层的ZnO 薄膜晶体管于空气中的不变性可以连结10天以上。（图一）。

图一：（左）ZnO晶体管束备工艺；（中）ZnO晶体管优化后的电学机能；（右）HfO2为钝化层的ZnO薄膜晶体管维持永劫间不变性，表现于转移曲线上

这一系列的事情对于氧化物半导体-金属接触的研究提供了方案及机制理解，为进一步集成氧化物半导体忆阻器阵列的存算一系统统奠基了基础。相干结果以（1）“Field-Effect Mobility Enhancement in Low Temperature ALD ZnO Thin-filmTransistors via Contact Defects Engineering Suitable for BEOL Integration”、（2）“Contact Resistance Reduction of Low Temperature Atomic Layer Deposition ZnO Thin Film Transistor Using Ar Plasma Surface Treatment”及（3）“Air Stable High Mobility ALD ZnO TFT with HfO2Passivation Layer Suitable forCMOS-BEOL Integration”为题别离发表于IEEE Device Letter 期刊、IEEEElectron Devices Technology and Manufacturing (EDTM) 、及IEEEChina Semiconductor Technology International Conference (CSTIC)集会上。（1）及（2）以南科年夜-哈工年夜联培博士生陆继清为第一作者，（3）以南科年夜深港微电子学院研究生王文辉为第一作者，南边科技年夜学为全数论文第一单元。

高机能合金氧化物（HZO、HfZnO）忆阻（RRAM）器用在超高密度嵌入式存储器

金属氧化物RRAM因为其布局简朴、运行速率快、能耗低，被认为是最具可行性的下一代候选存储器。同时，RRAM低功耗及高速编程特征，以和LTP及LTD等突触特征，满意了神经形态计较架构的切确要求，体现出作为人工突触的巨年夜潜力。跟着RRAM技能的不停成长，人们对于RRAM的事情电压、速率及能量等机能寄与了更高的指望。课题组提出了以合金的方式，体系性地对于RRAM工程设计，晋升机能。于一个事情中，课题组使用一种ALD工艺沉积的锌合金HfO2（HZnO）RRAM。与HfO2RRAM比拟，HZnO RRAM的Set电压显著降低(1.7 V/1 V)，改变能量降低一个数目级至3pJ。此外，HZnO RRAM还有体现出优良的LTP及LTD突触特征及靠得住性（85℃，连结时间105s）（图2、三）。

图二： （左）HfO2RRAM，（右）HZnO RRAM I-V曲线。

图三：（左）HZnO RRAM的LTP及LTD突触特征；（右）持续5个P/D周期的LTM特征。

于另外一个事情中，课题组使用共溅射要领实现高机能HfO2及ZrO2合金化的Hf1-xZr1-xO2（HZO）RRAM。共溅射要领可以矫捷利便调治质料的特征，如氧空位(Vo)及化学计量比。与HfO2及ZrO2RRAM比拟，HZORRAM的事情电压降低了30%，这是因为Zr合金化增长了氧空位。同时，直流轮回年夜在350次，连结时间跨越104s，快速改变时间降至10 ns，改变能量为20 pJ，以和具备优良的均一性（图四）。

图四：（左）四种差别化学计量比的RRAM20次直流轮回；（右）HZO RRAM交流脉冲改变

相干结果以（1）“Zinc-Alloyed Hfo2Based Artificial Synaptic RRAMWith Operating Voltages And Switching Energy Improvement For Ultra-High-Density Embedded Memory Applications” 及（2）“Hf1-xZrxO2RRAM Prepared via Co-Sputtering with High Uniformity, Fast Switching Time of 10 ns, and Low Switching Energy of 20 pJ”为题发表于IEEEChina Semiconductor Technology International Conference (CSTIC)及International Conference on Solid-State Devices and Materials (SSDM)集会上。（1）以南科年夜深港微电子学院研究生兰俊为第一作者，（2）以南科年夜深港微电子学院研究生朱泉舟为第一作者，南边科技年夜学为全数论文第一单元。

以上研究事情获得了国度天然科学基金、深圳市基础研究项目的资助，广东省三维集成工程技能研究中央、南科年夜阐发测试中央的撑持。

论文链接：

1.https://ieeexplore.ieee.org/document/9761217

2.https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9798319/

3.https://ieeexplore.ieee.org/document/9856860

4.https://ieeexplore.ieee.org/document/9856852

5.https://confit.atlas.jp/guide/event/ssdm2022/subject/F-2-04/advanced