低温气氛退火调控IGZO晶体管中氢动态演化以改善正偏压温度不稳定性

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Dynamic Evolution of Hydrogen in IGZO Transistors for PBTI Improvement by Low-Temperature Atmosphere Annealing

本文针对IGZO晶体管的PBTI可靠性问题，研究了低温空气退火对氢行为演化的影响。通过模型解耦分析发现，退火后氢诱导的退化被抑制了10.67%-26.02%，并提出了氢状态转换的物理模型。该研究为优化IGZO器件可靠性提供了重要理论基础。

　　

随着物联网和人工智能技术的快速发展，新型存储器件对高性能、低功耗的需求日益迫切。铟镓锌氧化物(IGZO)场效应晶体管因其优异的电学特性，在动态随机存储器(DRAM)应用中展现出巨大潜力，特别是在2晶体管0电容(2T0C)架构中，其长保持时间特性成为关键优势。然而，在实际应用过程中，正偏压温度不稳定性(PBTI)成为制约器件可靠性的主要瓶颈。

在IGZO晶体管中，PBTI主要受电子俘获(e-trapping)和氢掺杂(H-doping)两种机制共同影响，其中氢掺杂在高温条件下尤为显著。氢原子在IGZO薄膜中具有双重作用：一方面能够钝化缺陷，另一方面又会引入退化性掺杂，这种矛盾效应给可靠性工程带来了重大挑战。尽管已有研究对氢掺杂行为进行了一定探索，但现有模型通常只关注沟道内的氢行为，对高介电常数(HK)介质中氢起源的关注较为有限。

为了解决这一科学问题，研究人员在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上发表了一项重要研究，通过低温气氛退火技术，系统研究了IGZO/HfO₂晶体管中氢的动态演化行为及其对PBTI可靠性的改善作用。

研究团队采用了几项关键技术方法：制备了背栅结构的IGZO晶体管，通道长度为0.5μm，宽度为2μm；通过200°C空气退火处理实现氢状态调控；利用超快速测量技术进行PBTI可靠性评估；采用模型解耦方法分离电子俘获和氢掺杂的贡献；结合X射线光电子能谱(XPS)和二次离子质谱(SIMS)进行物理表征。

初始I_d-V_g特性和XPS分析

研究发现，退火后器件的转移特性曲线出现明显变化，导通电流显著增加，阈值电压(V_th)从退火前的0.15V负向漂移至-0.3V。XPS分析表明，虽然氧空位浓度有所降低，但O-H键含量显著增加，证实了氢自掺杂效应的存在。氢与IGZO中的氧结合释放自由载流子，使沟道导电性增强，从而导致阈值电压负向漂移。

PBTI建模和解耦

通过宽温度范围的PBTI测试发现，低温条件下仅观察到正阈值电压漂移，而高温条件下 degradation 先呈现正漂移随后转为负漂移。这表明存在两种退化机制：电子俘获主导低温正漂移，氢掺杂主导高温负漂移。研究人员采用饱和模型对低温PBTI数据进行拟合，提取温度相关参数后外推预测高温电子俘获行为，从而有效分离氢掺杂的贡献。

电子俘获模型参数提取

从饱和模型中提取的温度相关参数显示，基线器件的激活能(E_ae)为13-35.6 meV，而退火后器件为26.5-65.8 meV。这些参数使得能够准确预测高温电子俘获行为，为氢掺杂贡献的分离提供基础。

高温PBTI特性与模型验证

在375K和400K高温条件下，模型与实验数据高度吻合，验证了解耦过程的可靠性。电子俘获和氢掺杂的个体贡献被清晰区分，它们的组合准确再现了测量的ΔV_th变化趋势。

物理机制理解

定量分析表明，在所有测试条件下，退火器件的ΔV_th均显著降低，氢掺杂退化被有效抑制。在350K、365K、375K和400K温度下，退化分别减少了26.02%、25.53%、15.25%和10.67%。值得注意的是，SIMS结果显示高k层中的氢浓度在退火前后基本不变，表明改善效果源于氢化学状态的改变而非含量的减少。

研究人员提出了氢状态演化的物理模型：低温退火过程中，IGZO沟道内的氢发生自掺杂形成羟基，引入额外载流子导致阈值电压负漂移；同时，HfO₂中的带正电羟基物种(H_O-H)转变为电中性的空位束缚氢(H_VO)，抑制了氢向IGZO的扩散，从而减弱氢掺杂效应。

机制验证

从能量角度分析，退火后氢相关退化模型的激活能降低，表明氢掺杂的温度敏感性减弱，为氢钝化提供了证据。此外，通过比较不同栅介质(O₃基和H₂O基)器件的PBTI特性发现，氧基器件虽然氢浓度较低，但表现出更强的氢掺杂效应，这归因于其较高的晶格氧含量促进了H_O-H的形成。

本研究通过系统研究低温退火过程中氢演化对IGZO器件初始特性和可靠性的影响，揭示了氢自掺杂导致阈值电压负漂移的物理机制，同时发现氢在高k介质中的状态转换能够有效抑制氢掺杂效应。这些发现不仅深化了对氧化物半导体器件中氢行为的理解，还为未来IGZO基晶体管技术中氢控制的优化提供了重要的理论和实验基础。该研究为开发高性能、高可靠性的IGZO存储器器件指明了新的技术路径，特别是在氢工程调控方面提供了创新思路，有望推动氧化物半导体技术在先进存储领域的广泛应用。