利用氮氧化硅与二氧化氮等离子处理层（SNL）协同抑制氢扩散实现非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管的高可靠性

针对氢致非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）薄膜晶体管（TFT）的阈值电压漂移（ΔVth）及可靠性退化问题，本研究提出采用SiON与二氧化氮等离子处理层（SNL）的新型钝化策略。该技术通过抑制氢掺入并阻断氢扩散路径，显著提升器件的击穿电压（从90 V增至177 V）、降低PBTS/NBTiS应力下的ΔVth偏移，并有效抑制瞬态电流偏差，为高性能存储器应用提供关键解决方案。

　　

在当今AI加速与内存中心架构快速发展的背景下，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）显示背板广泛采用的关键材料。其中，非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）凭借高场效应迁移率、热稳定性和组分可调性，在先进存储与逻辑应用中展现出巨大潜力。然而，将a-IGZO从显示器件扩展至存储器应用面临根本性挑战：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？传统动态随机存取存储器（DRAM）工艺中广泛采用富氢SiH₄基介质（如SiO₂、SiN_X或SiCOH）进行缺陷钝化和性能增强，但应用于a-IGZO通道时，氢会引发异常非单调阈值电压（V_th）漂移，并通过削弱通道键合结构降低可靠性。即使采用ZrO₂、HfO_X和AlO_X等高k介质材料，仍无法有效控制氢穿透通道的扩散路径，且缺乏对长期器件稳定性的明确机制指导。

为解决这些局限性，研究人员受三维NAND闪存集成中采用SiON层确保高温处理热稳定性的启发，开发了一种新型策略：采用氮氧化硅（SiON）与二氧化氮等离子处理（SNL）相结合，同步抑制a-IGZO薄膜晶体管（TFT）中的氢掺入和阻断氢扩散路径。该研究通过综合化学分析和详细电应力测量，验证了缺陷钝化和载流子调制的潜在机制，证实氮掺入和氢路径阻断现象有效减少了金属-羟基（M-OH）键形成，缓解了a-IGZO有源层内氢相关不稳定性，显著提升了SNL集成a-IGZO TFT的电性能和长期可靠性。这项研究为推进下一代存储器应用和高度稳定的氧化物电子器件提供了有前景的路径。相关成果发表在《Applied Soil Ecology》上。

研究团队通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）制备自对准共面a-IGZO TFT，采用射频溅射沉积a-IGZO通道层（In:Ga:Zn = 1:1:1原子比），并优化SiON钝化层沉积条件（气体流量比N:Si ≈ 0.68:3）。关键实验技术包括：电学特性测量（Keithley 4200源测量单元）、X射线光电子能谱（XPS）分析化学组成和键合状态、透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDS）进行截面结构成像和元素分析、瞬态电流应力（TCS）和偏压温度应力（BTS）测试评估器件可靠性，以及原子力显微镜（AFM）表征表面形态。样本来源于延世大学电气与电子工程学院实验室制备的器件阵列。

2.1. a-IGZO TFT的电学特性

通过比较不同钝化方案的传输特性，发现SNL TFT在关断电流显著降低的同时保持或略微改善导通电流，场效应迁移率（μ_FE）和阈值电压（V_th）与原始器件相当，但器件间差异显著减少，表明氢进入通道被有效抑制，增强了通道均匀性和电稳健性。

2.2. a-IGZO TFT中电不稳定性的机制分析

在正负偏压温度和照明应力（PBTS/NBTiS）条件下，SNL TFT表现出优异的V_th稳定性。PBTS中原始TFT的V_th从-177 mV漂移至-18 mV（11小时），而SNL TFT漂移显著 mitigated。机制上，氮掺入通过替代氧空位（V_O）抑制氢扩散路径，限制氢相关键形成，减轻 donor 相关退化。

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初始负降解（ND）组分更小且稳定更快，表明浅陷阱形成减少。分解的ΔV_th值证实氮掺杂SNL结构有效抑制浅 donor 生成和深过氧化物陷阱形成，增强偏压应力弹性。

2.4. a-IGZO TFT中的通道击穿行为和浅陷阱相互作用

通道击穿（CBD）测试中，SNL TFT击穿电压显著高于原始TFT，表明氮掺入抑制氢相关弱键形成（如Zn-H、Zn-OH），增强通道耐久性。NBTiS测试中，SNL TFT在CBD应力后退化程度（ΔV_th增加约22%）远低于原始器件（约69%），凸显其对应力诱导不稳定的抑制能力。

2.5. a-IGZO TFT中氢诱导通道修饰的机制分析

载流子浓度分析和TCS测量表明，热应力（230°C、1小时）下原始TFT通道边缘扩张（ΔL）更大（从2.03增至2.39 μm），而SNL TFT仅从1.81增至1.92 μm，氮掺入限制氢内扩散，最小化ΔL扩张。TCS中SNL TFT瞬态电流偏差显著降低（高电流应力下从1.42%降至0.23%，低电流应力下从1.27%降至0.10%），证实浅陷阱形成被抑制。

2.6. a-IGZO TFT的化学键合状态和元素映射

TEM-EDS和XPS分析显示，SNL薄膜中氮分布于SiON层和a-IGZO通道内，表明等离子处理促进氮物种（N*）替代V_O。XPS O 1s谱中，SNL的M-OH组分从6.27%降至1.39%，证实氢掺入被抑制；N 1s谱揭示N-Mⁿ⁺（如N-Ga）和N-O键形成，说明氮成功掺入IGZO层，提升结构稳定性。

研究结论表明，SNL策略通过抑制氢掺入和扩散，有效提升a-IGZO TFT的可靠性和性能。氮掺入和氢路径阻断减少M-OH键形成，缓解氢相关不稳定性，显著改善器件在电应力、热应力和光照条件下的稳定性。该技术兼容大面积PECVD系统，使用常规源气体（SiH₄和N₂O）和标准工艺条件，具备成本效益和可扩展性，适用于大规模生产。这项工作为实现超可靠、稳健通道氧化物晶体管提供了关键见解，推动下一代存储器应用和高度稳定氧化物电子器件的发展。