通过氧气控制的 IGZO 通道沉积以增强铁电场效应晶体管的记忆窗

为数据饥渴的世界打造更聪明的存储

随着我们的手机、汽车和云服务消费越来越多的数据，存储信息的小芯片正被推到极限。本研究探讨了一种新的制造持久、低功耗存储器件的方法：在制作关键晶体管层时，微调氧气用量这一看似简单的工艺变量。研究人员通过精确控制这一看不见的成分，证明可以使未来的存储器更快、更可靠，更适合能效敏感的计算和人工智能应用。

为何需要新型存储器件

当今主流的非易失性存储器（如 NAND 闪存）正难以满足人工智能、物联网和自动驾驶等领域不断增长的需求。一种有前景的替代方案是铁电场效应晶体管（FeFET），它使用一种内部电极化可翻转并在断电后保持的特殊材料来存储数据。基于氧化铪的铁电层尤其有吸引力，因为它们易于集成到标准芯片制造流程中。然而，当这些铁电层与常用的硅通道配对时，界面处会形成一层薄薄的非期望薄膜，削弱电场并导致存储信息随时间衰减。为突破这一瓶颈，研究人员开始采用氧化物半导体，如铟镓锌氧化物（IGZO），因为它们天然能与基于铪的铁电层形成更干净、更兼容的界面。

将氧作为隐藏的控制旋钮

团队聚焦于 IGZO 沉积过程中氧气环境如何影响通道本身及其与由氧化铪锆构成的铁电层之间的边界。他们制造了顶栅晶体管，并在溅射沉积 IGZO 薄膜时将氧分压从 0% 到 20% 进行变化。基础电学测试表明，所有器件的表现都符合铁电存储的预期，但在“记忆窗”——区分两个存储态的电压范围——上存在显著差异。最佳点出现在约 5% 氧含量时，记忆窗达到了 1.85 伏，而更高或更低的氧含量都会缩小这一范围。

材料内部发生了什么

为弄清氧气为何产生如此影响，研究人员用一系列结构和光谱学工具对薄膜进行了探测。X 射线衍射确认铁电层的晶相和极化强度在所有氧含量下基本不变，排除了铁电层本身为原因。相反，对 IGZO 电子能带结构的测量显示，更多的氧抑制了氧空位——这些微小的缺失原子会提供自由电子。随着氧含量增加，这些施主的数量下降，导致通道中的载流子密度和迁移率降低。在非常高的氧含量下，IGZO 还变得密度更低、结构更稀松，使得在加热过程中来自铁电层的氢和金属原子更易扩散到通道内，在界面处形成额外缺陷。

界面、缺陷与切换速度

由于体相铁电性能保持不变，关键因素被证明是 IGZO 与铁电层之间界面的质量。利用 X 射线光电子能谱的深度剖析显示，5% 氧含量的薄膜具有最致密的结构和界面处最少的缺陷相关化学态。在该条件下制造的器件表现出最低的界面陷阱密度，这些微观陷阱位可以钉住铁电畴并阻碍其运动。通过跟踪极化随时间翻转速度的切换模型，团队发现优化后的器件切换更快且更均匀，而在氧含量过高或过低时制备的器件则表现出更宽、更慢的切换分布，与更高的缺陷水平相关联。

长期性能表现

从长远看，存储技术必须经受数十亿次的写擦循环并能保存数据多年。在严格的电应力测试下，以 5% 氧制备的晶体管在一百万次切换循环中保持了较大且稳定的记忆窗，并在数小时内显示出良好的数据保持性。相比之下，在非最优氧条件下制备的器件起始记忆窗较小，且随着缺陷积累并干扰切换，其性能退化更为明显。这个关于工艺条件、界面洁净度与长期行为之间的明确联系表明，在 IGZO 生长过程中控制氧含量是工程化稳健铁电存储的一种强有力手段。

对日常电子产品的意义

用通俗的话来说，研究表明在制造 IGZO 通道时将氧含量“调到位”可以显著改善铁电晶体管存储和保持信息的能力。在经过精心选择的氧水平下，器件更容易切换内部状态、在更长时间内记住该状态，并在磨损前经受更多的写入循环。这种以工艺为中心的方法为构建更快、更耐用且更节能的未来非易失性存储提供了切实可行的路径——这些都是推进 AI 硬件、边缘计算和数据密集型电子设备而不引发能耗激增的关键要素。

引用: Kang, H.Y., Cha, S.H., Jeong, Y.J. et al. ​​​Oxy​gen-controlled IGZO channel deposition for enhanced memory window in ferroelectric FETs. Sci Rep 16, 13962 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43896-9

关键词: 铁电存储, 氧化物半导体, IGZO 晶体管, 非易失性存储, 器件可靠性