通过氮工程钝化层缓解氧化物薄膜晶体管中氢相关不稳定性以提升热稳定性

本研究针对非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜晶体管在动态随机存取存储器(DRAM)工艺中面临氢诱导不稳定的关键问题，开发了SiON与二氧化氮等离子体处理层(SNL)的新型钝化技术。该技术通过抑制氢掺入并阻断氢扩散路径，显著提升了器件的击穿电压(从90V增至177V)，降低了正负偏压温度与光照应力(PBTS/NBTiS)下的阈值电压漂移(分别从-177mV改善至-18mV，从-9.36V改善至-4.64V)，并有效抑制了热应力导致的沟道边缘侵蚀(ΔL仅增加0.11μm)。该研究为下一代高性能存储器件提供了可靠性解决方案。

　　

在当今人工智能加速与内存中心架构转型的时代背景下，非晶氧化物半导体(AOS)因其大面积均匀性、低泄漏和可扩展制造特性，已成为有机发光二极管(OLED)显示背板的主流选择。其中，非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)半导体凭借其高场效应迁移率、热稳定性和组分可调性等独特优势，正成为先进存储与逻辑应用的有力竞争者。然而，当将a-IGZO从显示应用扩展到存储器件时，面临一个根本性挑战：如何同时实现对外部环境暴露和内部缺陷驱动退化的长期可靠性。

传统硅基DRAM制造中广泛使用富氢双层钝化堆栈（通常是SiO₂覆盖致密SiN_X）来钝化界面缺陷并防止外部因素影响。但当这种方案应用于a-IGZO半导体时却产生了严重问题，因为a-IGZO对氢高度敏感，即使微量氢扩散到沟道中也会引发异常器件行为，如偏压温度应力下的双向阈值电压偏移(ΔV_th)，使寿命预测复杂化。更严重的是，氢会降低沟道内的金属-氧结合能，从而削弱其结构鲁棒性和长期可靠性。随着器件尺寸持续缩小，即使是微量的氢渗透也会显著改变氧化物半导体的电导率，导致短沟道效应和ΔL形成。

虽然研究人员探索了使用ZrO₂、HfO_X和AlO_X等高k介电材料的替代钝化策略，但这些材料在沉积过程中仍不可避免地保留一定量的氢，且无法有效控制氢渗透沟道的扩散路径。更重要的是，它们对于应监控哪些电学特性以及如何优化长期器件稳定性提供的指导有限，突显了对更清晰机制的需求。

在这项发表于《Applied Soil Ecology》的研究中，延世大学电气与电子工程学院的研究团队开发了一种创新策略，采用SiON层结合二氧化氮等离子体处理(SNL)来同时抑制氢掺入并阻断a-IGZO TFT中的氢扩散路径。该策略从3维NAND闪存集成中获得概念灵感，其中SiON层已被采用来确保高温处理期间的热稳定性。

研究团队采用自对准共面a-IGZO TFT结构，在玻璃基板上依次沉积SiO₂和SiN_X多层缓冲层，然后通过射频溅射沉积a-IGZO沟道层(In:Ga:Zn = 1:1:1原子比)。关键创新在于钝化层的制备：传统器件采用SiO₂/SiN_X双层结构，而SNL TFT采用单层SiON钝化，并在SiON沉积前进行氮等离子体处理，促进活性氮物种掺入a-IGZO沟道表面。研究人员通过原子力显微镜(AFM)表征表面形态，使用X射线光电子能谱(XPS)分析化学组成和键合状态，并采用透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线光谱(EDS)进行横截面结构成像和元素分析。电学特性测量使用Keithley 4200源测量单元在黑暗条件下进行。

2.1. a-IGZO TFT的电学特性

转移特性分析显示，SNL TFT相比传统器件显著降低了关态电流同时维持或略微提高了开态电流。统计数据显示，SNL TFT表现出与原始器件相当的迁移率和V_th值，但器件间差异显著减少，表明氢进入沟道被有效抑制，增强了沟道均匀性和电学鲁棒性。水蒸气透过率(WVTR)评估证实SiON比传统SiO₂具有更致密的微观结构，提供优异防潮性能。

2.2. a-IGZO TFT中电学不稳定性的机制分析

偏压应力稳定性比较表明，在正负偏压温度和光照应力(PBTS/NBTiS)条件下，SNL TFT均显示出优异的V_th稳定性。PB测试中，SNL TFT的V_th偏移从-177mV改善至-18mV；NBTiS测试中，从-9.36V改善至-4.64V。机理分析表明氮掺入通过替代氧空位(V_O)抑制了氢扩散路径，限制了氢相关键的形成，减轻了 donor-related 降解。

2.3. 电荷陷阱诱导的不稳定性及其在a-IGZO TFT中的恢复

应力-恢复测量显示，SNL TFT表现出更小的初始负偏移分量和更快的稳定动力学，表明浅陷阱形成显著减少。分解的ΔV_th值证实氮掺杂SNL结构有效抑制了浅施主生成和深过氧化物陷阱形成，增强了整体偏压应力弹性。

2.4. a-IGZO TFT中的沟道击穿行为和浅陷阱相互作用

沟道击穿(CBD)特性研究表明，SNL TFT在整个栅压扫描范围内表现出显著更高的击穿电压，表明对突然电击穿的沟道耐受性增强。氮掺入有效抑制了钝化过程中氢相关弱键(如Zn-H、Zn-OH等)的形成。CBD应力后的NBTiS测试表明，SNL TFT对这类应力诱导不稳定性的脆弱性被显著抑制。

2.5. a-IGZO TFT中氢诱导沟道修饰的机制分析

载流子浓度分析和瞬态电流应力(TCS)测量表明，SNL结构有效抑制了高温处理期间的氢扩散，并稳定了对确保长期器件可靠性至关重要的浅陷阱景观。热退火后，SNL TFT的ΔL增加(从1.81μm到1.92μm)远小于原始TFT(从2.03μm到2.39μm)。TCS测量显示SNL TFT在高低电流应力条件下的瞬态电流偏差均显著降低。

2.6. a-IGZO TFT的化学键合状态和元素 mapping

横截面TEM和EDS元素 mapping显示，SNL薄膜中的氮不仅分布在SiON层内，还大量掺入a-IGZO沟道中。XPS分析表明，SNL处理的薄膜中M-OH组分从6.27%急剧减少至1.39%，证实SNL工艺有效抑制了制造过程中的氢掺入。N 1s光谱揭示了N-Mⁿ⁺和N-O键的形成，确认氮原子成功掺入IGZO层，可能占据先前的氧空位点。

研究结论表明，SNL技术成功抑制了a-IGZO薄膜中的氢掺入和扩散，通过氮掺入和氢路径阻断现象有效减少了M-OH键形成，减轻了a-IGZO有源层内氢相关不稳定性。这种方法显著提高了SNL集成a-IGZO TFT的电学性能和长期可靠性，为实现超可靠、鲁棒沟道氧化物晶体管提供了有前景的路径，推动了下一代存储应用和高度稳定氧化物电子学的发展。

值得注意的是，提出的无NH₃ SiON钝化工艺与商用显示制造中已使用的大面积PECVD系统高度兼容。其使用常规源气体(SiH₄和N₂O)和标准工艺条件确保了成本效益和可扩展性，使该方法易于应用于大面积电子学中a-IGZO TFT的大规模生产。这项研究不仅提供了材料级的解决方案，更重要的是提供了对氢诱导降解机制的系统理解，为未来氧化物半导体器件的设计与优化奠定了坚实基础。