Низкотемпературное АОС нанопленок In₂O₃ для высокопроизводительных тонкопленочных транзисторов

Аннотация

Атомно-слойное осаждение (АОС) нанопленок оксида индия (In₂O₃) изучалось с использованием циклопентадиенила индия (InCp) и перекиси водорода (H₂O₂) в качестве предшественников. Пленки осаждаются при относительно низких температурах 160–200 °C, демонстрируя стабильную скорость роста 1,4–1,5 Å за цикл. Шероховатость поверхности постепенно увеличивается с температурой, отражая усиленную кристаллизацию. По мере повышения температуры осаждения от 150 до 200 °C оптическая запрещенная зона (E_g) увеличивается с 3,42 до 3,75 эВ. Атомное соотношение In к O сближается со стехиометрическим значением In₂O₃, а примесь углерода уменьшается; при 200 °C пленка показывает соотношение In:O 1:1,36 без детектируемого углерода. Высокопроизводительные тонкопленочные транзисторы (ТПТ) на базе In₂O₃ с диэлектриком Al₂O₃ были изготовлены и отожжены в воздухе при 300 °C, достигнув подвижности по полю 7,8 см²/В·с, субпорогового склона 0,32 В/дек и отношения вкл/выкл 10⁷, что атрибутируется пассивации кислородных вакансий.

Введение

Оксид индия (In₂O₃) — прозрачный полупроводник металл-оксида с широкой запрещенной зоной (~3,7 эВ) при комнатной температуре, высокой прозрачностью в видимом диапазоне и отличной химической стабильностью. Поэтому это ключевой материал для фотоэлектрических устройств, электрохимических датчиков и плоских панельных дисплеев. Конвенциальные методы осаждения — распыление, сол-гель, химическое осаждение из паровой фазы (ХОС) — часто страдают от плохой однородности на больших площадях, неточного элементного состава или высоких температур осаждения (>300 °C). Эти ограничения препятствуют созданию однородно толстых, композиционно точных пленок In₂O₃ при низких температурах.

Атомно-слойное осаждение (АОС) предлагает превосходное покрытие ступенек, атомный контроль толщины, отличную однородность и более низкие температуры обработки. Предыдущие исследования АОС In₂O₃ использовали предшественники такие как InCl₃–H₂O, InCl₃–H₂O₂, InCp–O₃, InCp–O₂–H₂O и (CH₃)₃In–H₂O. Однако эти процессы обычно требуют температур осаждения 200–500 °C, дают низкие скорости роста (0,25–0,40 Å за цикл) и производят коррозионные побочные продукты HCl, которые могут повреждать оборудование и пленку. Предшественники на основе TMIn достигают более высоких скоростей роста (1,3–2 Å за цикл), но все равно требуют температур выше 200 °C.

В этой работе мы предлагаем InCp и H₂O₂ в качестве предшественников для АОС In₂O₃, обеспечивая осаждение при более низких температурах с удовлетворительными скоростями роста. Полученные пленки характеризовали по структурным, химическим и оптическим свойствам, а также интегрировали в ТПТ с АОС диэлектриками Al₂O₃ для оценки электрических характеристик.

Эксперимент

Si (100) подложки очищали стандартным RCA-процессом. In₂O₃ пленки осаждали на предочищенные подложки в системе АОС Wuxi MNT Micro Nanotech при 150–210 °C. InCp (чистота 99,999%) и 30% водный H₂O₂ содержали при 130 °C и 50 °C соответственно, с азотной продувкой. Для оценки функциональной пленки изготовили ТПТ с каналом In₂O₃: 38-нм диэлектрик Al₂O₃ вырос при 200 °C на p-Si (100) (<0,0015 Ом·см) через АОС триметилалюминий и H₂O; 20-нм канал In₂O₃ осадили при 160 °C; контакты источник/сток Ti/Au (30 нм/70 нм) определяли оптической литографией, электронно-лучевым испарением и lift-off. Устройства отжигали в воздухе при 300 °C в течение разного времени.

Характеризация включала рентгеновскую дифракцию (Bruker D8 Discover), атомно-силовую микроскопию (Bruker Icon), рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (Kratos Axis Ultra DLD), УФ-ВИС спектроскопию и эллипсометрию (Sopra GES-SE). Электрические измерения проводили на Agilent B1500A с каскадной пробной станцией при комнатной температуре в воздухе.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1а иллюстрирует скорость роста в зависимости от температуры подложки. Стабильная скорость ~1,46 Å за цикл достигается между 160 и 200 °C, указывая на быстрое окно роста для АОС In₂O₃. При 150 °C скорость растет из-за конденсации InCp, а при 210 °C — из-за термического разложения InCp. Рисунок 1б показывает линейный рост толщины с числом циклов АОС при 160 °C, подтверждая однородное осаждение.

а Скорость роста АОС In₂O₃ пленки на Si в зависимости от температуры подложки, и б зависимость толщины пленки от числа циклов АОС при 160 °C.

Рентгеновские дифракционные паттерны (Рис. 2) показывают, что пленки, осажденные при ≤160 °C, аморфны; при 170 °C появляется начальная кристалличность, а при 210 °C выраженные пики при 2θ = 30,3° и 35,4° указывают на усиленный рост зерен. Поверхностная морфология (Рис. 3) показывает увеличение среднеквадратичной (RMS) шероховатости с 0,36 нм при 160 °C до 1,15 нм при 210 °C, коррелирующей с размером кристаллитов.

Рентгеновские дифракционные паттерны In₂O₃ пленок, осажденных при разных температурах за 250 циклов.

АСМ изображения In₂O₃ пленок при 160 °C (а), 180 °C (б), 200 °C (в) и 210 °C (г), по 250 циклов каждая.

Высокоразрешающие РФЭ спектры (Рис. 4) показывают пик C 1s при 289,8 эВ (C–O) при 160 °C, который уменьшается при 180 °C и исчезает при 200 °C, указывая на снижение углеродного загрязнения при более высоких температурах. In 3d спектры показывают дублеты при 444,7 и 452,3 эВ, подтверждая связи In₂O₃. O 1s спектры декомпозируются на компоненты O¹ (529,8 эВ), O² (531,0 эВ) и O³ (532,0 эВ), соответствующие решетчатому кислороду, кислородным вакансиям и –OH/CO видам соответственно. По мере повышения температуры O¹ растет с 76% до 92%, а O² падает с 16% до 4%, отражая значительное снижение кислородных вакансий и гидроксильных групп.

Высокоразрешающие а C 1s, б In 3d и в O 1s спектры In₂O₃ пленок, осажденных при 160, 180 и 200 °C. Образцы этражили in-situ Ar ионами 6 мин перед измерением.

Оптическое поглощение (Рис. 5) показывает (αhν)² против энергии фотона; экстраполированные запрещенные зоны увеличиваются с 3,42 до 3,75 эВ по мере повышения температуры от 150 до 200 °C. Расширение запрещенной зоны атрибутируется снижению кислородных вакансий, более низким углеродным примесям и сдвигу Берштейна-Мосса, вызванному увеличением концентрации носителей в более крупных зернах.

а (αhν)² vs энергия фотона для In₂O₃ пленок при разных температурах; б зависимость запрещенной зоны от температуры осаждения.

Изготовленные ТПТ изначально показывали проводящий канал из-за высокой плотности кислородных вакансий. Отжиг в воздухе при 300 °C в течение 2 ч придал типичное коммутационное поведение. Увеличение отжига до 10 ч дополнительно сдвинуло пороговое напряжение в положительную сторону и улучшило субпороговый склон до 0,32 В/дек. При 11 ч производительность деградировала, вероятно из-за избыточных изменений кристаллизации или окисления Ti электродов. Устройство с 10-часовым отжигом достигло подвижности по полю 7,8 см²/В·с, V_th –3,7 В и отношения вкл/выкл 10⁷.

а Передаточные характеристики In₂O₃ ТПТ, отожженных при 300 °C разное время; б Выхлопные характеристики после 10 ч отжига.

РФЭ анализ пленок, отожженных 2–11 ч (Таблица 3), показывает соотношение In:O, приближающееся к стехиометрическому 1:1,5, подтверждая пассивацию кислородных вакансий. Однако избыточный отжиг ухудшал характеристики устройств, подчеркивая необходимость оптимизации времени отжига.

Заключение

АОС In₂O₃ пленок с предшественниками InCp и H₂O₂ обеспечивает быструю, однородную скорость роста 1,46 Å за цикл при 160–200 °C. Более высокие температуры осаждения усиливают кристалличность, одновременно значительно снижая кислородные вакансии и углеродное загрязнение, тем самым увеличивая оптическую запрещенную зону. При использовании в качестве канального слоя в ТПТ с АОС диэлектриками Al₂O₃, In₂O₃ пленки дают устройства, которые после 10-часового отжига в воздухе при 300 °C демонстрируют подвижность по полю 7,8 см²/В·с, субпороговый склон 0,32 В/дек и отношение вкл/выкл 10⁷. Эти результаты демонстрируют пригодность низкотемпературного АОС In₂O₃ для высокопроизводительной прозрачной электроники.