低功耗IGZO TFTs通过基于原子层沉积的H2O处理改善正偏压稳定性

《Journal of Low Power Electronics and Applications》：Low-Power IGZO TFTs with Improved Positive Bias Stability via Atomic Layer Deposition-Based H2O Treatment

　　

在本文中，研究人员提出了一种基于无等离子体原子层沉积（ALD）的H₂O后处理方法，通过H₂O处理周期数精确调控氧化铟镓锌（IGZO）薄膜晶体管（TFT）中的氢相关（H-related）陷阱。在优化条件下，沟道长度为70 nm的缩比器件展现出近乎理想的亚阈值摆幅（SS）62.9 mV/dec、低阈值电压（V_TH）0.18 V、可接受的静态漏电流，以及在过驱动电压和漏极电压均为1 V时的高驱动电流3.29 μA/μm。此外，经过处理的器件在1000秒正偏压应力（PBS）后仅显示出13 mV的V_TH漂移，相比于原始器件提升了94%。这些改进归因于H₂O处理后引入了两种不同极性的氢相关陷阱。进一步，研究人员系统阐明了H-related陷阱对偏压稳定性的影响以及V_TH漂移的机制。这些结果确立了一个优化的氢掺入窗口，该窗口最大化有益效果，同时平衡由过量氢掺入引起的严重氢诱导退化。因此，可以实现具有快速开关、低功耗操作、高性能和高可靠性的缩比IGZO TFT，为后端（BEOL）兼容电子器件和单片三维集成应用提供了强大潜力。

**论文解读：基于ALD的H₂O处理实现低功耗IGZO TFTs的正偏压稳定性提升**

**研究背景、问题与目的**
随着人工智能、高性能计算和物联网等新兴技术的快速发展，现代电子系统对大规模数据处理和高能效转换的需求日益增长，低功耗已成为下一代电子器件最关键的指标之一。总功耗由动态功耗（P_Dynamic = C_Total·V_DD²·f）和静态功耗（P_Static = I_OFF·V_DD）组成，降低供电电压V_DD和静态漏电流I_OFF是实现低功耗的有效途径。非晶氧化物半导体（AOS），尤其是氧化铟镓锌（IGZO），因其高电子迁移率、低漏电流、大面积均匀性和低温工艺兼容性，成为替代传统硅基半导体的候选材料，并已广泛应用于显示面板、逻辑器件、传感器等领域。然而，随着器件尺寸持续缩小，IGZO薄膜晶体管（TFT）面临短沟道效应导致的阈值电压（V_TH）滚降、亚阈值摆幅（SS）退化以及偏压应力下的可靠性问题。其中，正偏压应力（PBS）引起的V_TH不稳定性尤为关键，主要源于氧空位、弱键合氧和氢相关（H-related）缺陷等本征结构无序。H-related缺陷可充当浅施主提供自由电子并增强迁移率，或通过钝化陷阱形成深受主，但氢的极性易在H⁺和H^?之间转换，少量氢掺入即可显著改变电学特性。传统方法如等离子体处理、高温退火等存在热预算高、可控性差或表面损伤等问题，且对短沟道器件的适用性有限。因此，本研究旨在开发一种温和、可控的氢掺入方法，以精确调控H-related陷阱，在提升性能的同时抑制退化，并系统阐明其影响机制。论文发表在《Journal of Low Power Electronics and Applications》。

**主要技术方法**
研究人员采用基于等离子体增强原子层沉积（PEALD）的无等离子体H₂O后处理方法，在250℃、0.048 Torr条件下对背栅（BG）IGZO TFT（沟道宽度W=1 μm，沟道长度L=70 nm和10 μm）进行6、12、18和24个H₂O循环处理，每个H₂O脉冲宽度0.06 s，随后N₂吹扫5秒。通过X射线光电子能谱（XPS）分析O 1s谱的化学键合变化，并利用低频电容-电压（C-V）测量提取亚带隙态密度（DoS）分布，以揭示不同极性H-related陷阱的浓度和能级分布。

**研究结果**

**2.1 电学特性**
通过对比不同H₂O处理周期下短沟道器件的转移特性，研究人员发现随着处理周期增加，开态电流（I_ON）逐渐增大，V_TH持续负向漂移，表明H-related物种充当施主缺陷。在优化的18周期条件下，器件展现出优异的I_ON（3.29 μA/μm）和优化的V_TH（0.18 V），SS接近理想值（62.9 mV/dec），迟滞降至56.8 mV（较原始器件降低约50%）。当周期增至24时，器件转为耗尽型，静态漏电流显著增加，开关比下降，表明过量氢掺入引入过多施主和受主缺陷。

**2.2 氢相关缺陷分析**
XPS O 1s谱显示，H₂O处理后O–H键比例从29.3%增至37%，证实氢掺入；同时氧空位（V_O）和金属-氧（M–O）键比例降低，表明氢有助于钝化氧相关缺陷。C-V分析显示平带电压（V_FB）负向漂移，归因于氢引起的功函数降低或正电荷引入。DoS分布提取出两个高斯峰，分别位于E_C ? 0.25 eV和E_C ? 0.48 eV，对应H-related施主和受主缺陷。施主型缺陷通过H⁺释放自由电子，增强载流子输运；受主型缺陷通过M–H键钝化V_O和悬挂键，抑制亚带隙缺陷和载流子俘获。

**2.3 偏压稳定性与V_TH漂移机制**
在PBS（V_OV = +2 V，V_D = 0.1 V）下，原始器件中电子俘获主导V_TH正漂移；H₂O处理后，氢优先与氧键合形成H⁺并释放电子，产生施主陷阱，有效补偿电子俘获引起的正漂移。1000秒后，处理后的短沟道器件仅偏移13 mV，较原始器件改善94%，且符合半经典幂律模型。在负偏压应力（NBS）下，处理后的器件V_TH负漂移略有增加（从?0.71 V增至?0.87 V），归因于H-related受主态在能带弯曲下释放电子，导致额外负漂移。但由于增强型器件通常在PBS下工作，PBS稳定性的提升更为关键。

**2.4 低功耗IGZO TFTs性能与可靠性基准比较**
与先前文献报道的IGZO器件相比，H₂O处理后的70 nm BG IGZO TFT在SS、V_TH、驱动电流和PBS稳定性方面均处于领先水平，展示了其作为后处理方法的竞争力。

**讨论与结论**
研究讨论部分指出，通过可控氢掺入，H₂O处理在提升电学性能（如迁移率、SS、I_ON）与抑制氢诱导退化之间取得了最佳平衡。XPS和DoS分析证实了两种极性H-related陷阱的存在，并阐明了其对载流子输运、栅控能力和偏压稳定性的影响。PBS稳定性的大幅改善主要源于施主陷阱补偿电子俘获，而NBS稳定性的轻微退化可通过优化器件设计进一步缓解。该工作为缩比IGZO TFT实现低功耗、高性能和高可靠性提供了可行途径，尤其适用于后端（BEOL）兼容电子器件和单片三维集成（M3D）应用。

**结论翻译**：本文提出了一种基于ALD的无等离子体H₂O处理方法，通过可控氢掺入有效调制IGZO薄膜TFT中的H-related缺陷，并成功证明了其在激进缩比短沟道器件中的适用性。优化后，沟道长度为70 nm的IGZO TFT同时展现出近乎理想的SS、低V_TH、可接受的静态漏电流、高驱动能力以及优异的PBS稳定性。通过XPS和DoS分析，本研究进一步揭示了由氢相关陷阱诱导的施主和受主缺陷，阐明了其对载流子输运、栅控能力、偏压稳定性的影响以及V_TH漂移的机制。这些改进归因于H₂O处理后形成两种不同极性的H-related陷阱。氢主要作为浅施主提供自由电子，从而增强载流子输运；同时，另一部分氢通过形成M–H键钝化氧空位和悬挂键，从而抑制电子俘获。这些结果表明，可控氢掺入在增强电学性能与氢诱导退化之间取得了最佳平衡，使得缩比IGZO TFT能够实现低功耗操作、高性能和高可靠性，为未来高密度BEOL兼容电子器件和M3D集成应用提供了可行途径。