通过使用原子层沉积的Al2O3/HfO2双层栅极绝缘层，提高了IGZO薄膜晶体管的电稳定性

《Frontiers in Materials》：Enhanced electrical stability of IGZO thin-film transistors using atomic layer deposited Al2O3/HfO2 dual-layer gate insulator

氢调控双Al?O?/HfO?层 gate insulator 提升IGZO TFTs PBTS稳定性研究。通过优化Al?O?（15 nm）/HfO?（5 nm）双层结构，有效控制氢扩散并减少IGZO/GI界面电子陷阱，使阈值电压偏移ΔVTH达-0.02 V（125°C，104 s），同时保持11.61 cm2/Vs饱和迁移率与114 mV/dec亚阈值摆幅。

　　
该研究聚焦于优化基于氧化铟镓锌（IGZO）的薄膜晶体管（TFT）门绝缘层（GI）结构，以提升在正偏压温度应力（PBTS）下的稳定性。研究团队通过原子层沉积（ALD）技术制备了Al?O?/HfO?双层绝缘结构，发现其厚度比例对氢（H）扩散和界面态密度具有关键调控作用。最终确定15 nm Al?O?/5 nm HfO?组合为最优方案，使阈值电压偏移（ΔVTH）达到-0.02 V，在高温（125℃）下承受10?秒应力测试仍保持稳定，同时实现11.61 cm2/V·s的饱和迁移率和114 mV/dec的亚阈值摆幅。

**研究背景与意义**
IGZO TFT因其高迁移率、大面积均匀性和低温工艺兼容性，成为显示与集成电路领域的重要候选材料。然而，高k绝缘体材料如HfO?易引入氢污染，导致阈值电压漂移（ΔVTH）和可靠性下降。现有研究多关注单一材料绝缘层的优化，而该工作创新性地采用Al?O?/HfO?双层结构，通过调控各层氢含量梯度，实现氢扩散路径的精准控制。

**核心创新点**
1. **氢浓度梯度设计**：ALD工艺中，HfO?层厚度（5 nm）显著低于Al?O?层（15 nm）。根据XPS和TOF-SIMS分析，Al?O?层氢含量仅7.9%，而HfO?层高达22.5%。这种梯度结构有效形成氢扩散势垒，抑制H向IGZO通道迁移。

2. **界面态钝化机制**：双层结构中，Al?O?作为外层可减少氢原子与IGZO界面接触，而较薄的HfO?层（仅5 nm）降低其整体氢含量，避免过度掺杂引发电子陷阱。透射电镜（TEM）显示各层界面清晰，无孔洞或分层现象。

3. **应力稳定性优化**：对比单层Al?O?（ΔVTH=+0.1 V）和HfO?（ΔVTH=-0.2 V）器件，双层结构通过平衡氢含量和界面态密度，实现ΔVTH接近零（-0.02 V）。在125℃高温下，应力测试显示该器件阈值电压漂移幅度仅为其他器件的1/5。

**关键实验验证**
- **氢扩散路径分析**：TOF-SIMS深度剖析显示，HfO?层氢浓度（1.69×103 a.u.）是Al?O?层的4倍。双层结构中，Al?O?层阻碍H向IGZO扩散，而HfO?层提供的梯度浓度确保H在界面附近被捕获，而非穿透至通道层。

- **界面态密度测量**：通过亚阈值摆幅（SS）和阈值电压公式反推，单层Al?O?器件的界面态密度（Dit）高达4.22×1012 cm?2/eV，而最优的Device 4将Dit降至2.2×1012 cm?2/eV，降幅达47%。

- **可靠性测试对比**：在相同PBTS条件下（125℃，10?秒，VGS=VTH+2V），单层Al?O?器件因界面态激活导致阈值上移10 mV，而单层HfO?因氢过度掺杂引发阈值下移20 mV。双层结构通过氢浓度梯度实现中间平衡，ΔVTH控制在-2 mV以内，显著优于单一材料结构。

**技术优势与应用前景**
该方案突破传统高k材料选择局限，通过Al?O?的化学钝化作用与HfO?的氢缓冲效应协同工作，在保持11.6 cm2/V·s高迁移率的同时，将亚阈值摆幅优化至114 mV/dec（接近理想值80-100 mV/dec）。这种设计不仅适用于AMOLED等显示驱动电路，更在集成传感器、存算一体芯片等复杂系统中展现出独特价值——其稳定性（ΔVTH=-0.02 V）已达到工业应用标准（通常要求ΔVTH≤±0.1 V）。

**研究局限性**
尽管实现了优异性能，但未提及长期稳定性（如10?秒以上测试）数据。此外，氢污染可能来源于ALD过程中水氧气的副反应，需进一步研究水氧分压对氢含量影响的精确控制方法。

**结论**
该研究为IGZO TFT的可靠性提升提供了新范式：通过Al?O?/HfO?双层绝缘结构，在氢浓度梯度调控下，成功实现界面态钝化与氢扩散抑制的协同优化。15 nm Al?O?/5 nm HfO?组合不仅使阈值电压漂移达到工业级水平，更在保持高迁移率的前提下，将亚阈值摆幅控制在可接受范围内，为未来集成CMOS-IGZO异质芯片奠定了材料基础。后续研究可结合氢同位素标记技术，进一步揭示氢在双层结构中的传输机制。