氮掺杂介孔镍钴氧化物在析氧和尿素氧化反应中的应用

本研究针对非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜晶体管(TFT)在动态随机存取存储器(DRAM)应用中存在的氢致可靠性问题，开发了一种新型SiON与二氧化氮等离子体处理层(SNL)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，并有效抑制了热应力导致的沟道边缘侵蚀(ΔL仅增加0.11μm)。这项研究为下一代高性能存储器和逻辑器件提供了可靠的氧化物半导体解决方案。

　　

在当今人工智能加速发展的时代，存储器技术正朝着以内存为中心的新型架构转变。非晶氧化物半导体(AOS)特别是非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)因其优异的大面积均匀性、低泄漏电流和可扩展的制备特性，已成为有机发光二极管(OLED)显示背板的主流选择，并开始受到高性能逻辑和动态随机存取存储器(DRAM)领域的关注。

然而，将a-IGZO半导体从显示应用扩展到存储器器件面临着一个根本性挑战：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。在传统硅基DRAM制造中，通常采用富氢双层钝化堆叠结构（SiO₂覆盖致密SiN_X）来钝化界面缺陷并防止外部因素影响。但当这种策略应用于a-IGZO半导体时却遇到了严重问题——a-IGZO对氢极其敏感，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)，同时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。

更令人担忧的是，随着器件尺寸持续缩小，即使是微量的氢渗透到有源沟道中，也会显著改变氧化物半导体的电导率，导致短沟道效应和沟道边缘侵蚀(ΔL)的形成。虽然研究人员已经探索了使用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。

为了解决这些局限性并实现a-IGZO半导体的DRAM级性能，迫切需要一种新颖的方法——不仅要在加工过程中限制氢掺入，还要确保在器件整个使用寿命期间保持持续的屏障功能和缺陷钝化能力。

在这项研究中，研究人员受到三维NAND(3D NAND)闪存集成的启发，开发了一种创新的策略，采用SiON层结合二氧化氮等离子体处理(SNL)来同时抑制a-IGZO TFT中的氢掺入和阻断氢扩散路径。SiON提供了与SiN_X相当的致密钝化层，同时表现出更低的热膨胀系数(CTE)，有助于抑制热驱动的氢扩散。与传统的SiN_X不同，SiON能够有效控制氢迁移而不影响薄膜密度，从而为a-IGZO沟道创造更加 robust可靠的环境。

研究人员主要通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备了自对准共面a-IGZO TFT，采用射频溅射沉积a-IGZO沟道层，并通过调控SiH₄、N₂O和N₂气体流量比优化SiON钝化层沉积条件。关键创新在于在SiON沉积前进行了氮等离子体处理，促进了活性氮物种掺入a-IGZO沟道表面。利用X射线光电子能谱(XPS)分析化学键合状态，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布分析，并通过Keithley 4200源测量单元系统评估器件的电学特性。

2.1. a-IGZO TFT的电学特性

通过比较不同钝化方案的转移特性曲线发现，SNL TFT在保持或略微改善开态电流的同时，显著降低了关态电流。统计数据显示，SNL TFT的场效应迁移率(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小，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)测试证实SiON比传统SiO₂具有更致密的微观结构和更优异的防潮性能。

2.2. a-IGZO TFT中电学不稳定性的机理分析

在正负偏压温度和光照应力(PBTS和NBTiS)条件下，SNL TFT表现出显著改善的V_th稳定性。PB测试中，原始TFT的V_th从-177mV漂移至-18mV，而SNL TFT的漂移明显减小。机理研究表明，早期阶段的施主产生导致负ΔV_th，随后过氧化物陷阱形成引起正ΔV_th。SNL工艺通过氮掺入部分替代了表面氧空位(V_O)，有效抑制了氢扩散路径，限制了氢相关键的形成。

2.3. 电荷陷阱诱导的不稳定性及其在a-IGZO TFT中的恢复

通过应力-恢复测量区分了浅陷阱和深陷阱行为。SNL TFT显示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分量证实SNL结构有效抑制了浅施主产生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

在沟道击穿(CBD)和后续NBTiS条件下，SNL TFT表现出显著更高的击穿电压和改善的稳定性。结果表明SNL结构不仅增强了初始器件性能，还显著减轻了极端应力下氢相关缺陷和V_O的产生，促进了 robust的沟道完整性。

2.5. a-IGZO TFT中氢诱导沟道修饰的机理分析

载流子浓度分析和瞬态电流应力(TCS)测量表明，SNL结构有效限制了氢向内扩散，最小化了ΔL扩张，保持了沟道均匀性。TCS结果显示SNL TFT在高低电流应力下的瞬态电流偏差显著降低，证实氮掺入成功钝化或阻断了潜在的氢扩散路径。

2.6. a-IGZO TFT的化学键合状态和元素分布

TEM-EDS元素 mapping显示SNL薄膜中氮不仅分布在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%大幅降至1.39%，证实SNL工艺有效抑制了加工过程中的氢掺入。N 1s光谱显示形成了N-Mⁿ⁺和N-O键，表明氮原子成功掺入IGZO层，可能占据了先前的氧空位点。

本研究成功证明了一种通过采用SNL来抑制a-IGZO薄膜中氢掺入和扩散的简便有效策略。研究发现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有源层内氢相关的不稳定性。与原始器件相比，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。

这些结果表明，利用氮基缺陷工程和扩散控制策略能够实现超可靠、 robust沟道的氧化物晶体管，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途径。此外，所提出的无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，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器件中a-IGZO TFT的大规模生产。

该研究的创新之处在于不仅提供了材料级的改进，还通过全面的电学应力分析和化学表征揭示了氢致降解的机理，为设计更可靠的氧化物半导体器件提供了重要见解。随着物联网、人工智能和下一代存储器技术的快速发展，这种能够同时实现高性能和高可靠性的氧化物半导体技术将在未来电子器件中发挥越来越重要的作用。