Laagtemperatuur ALD van In₂O₃-nanofilms voor hoogpresterende dunne-filmtransistoren

Samenvatting

Atoomlaagdepositie (ALD) van indiumoxide (In₂O₃) nanofilms werd onderzocht met cyclopentadienylindium (InCp) en waterstofperoxide (H₂O₂) als precursors. De films kunnen bij relatief lage temperaturen van 160–200 °C gedeponeerd worden, met een consistente groeisnelheid van 1,4–1,5 Å per cyclus. Oppervlakteruwigheid neemt geleidelijk toe met temperatuur, wat verbeterde kristallisatie weerspiegelt. Naarmate de depositietemperatuur stijgt van 150 tot 200 °C, neemt de optische bandkloof (E_g) toe van 3,42 tot 3,75 eV. De atomaire verhouding In:O verschuift naar de stoichiometrische waarde van In₂O₃, en koolstofincorporatie neemt af; bij 200 °C toont de film een In:O-verhouding van 1:1,36 zonder detecteerbare koolstof. Hoogpresterende In₂O₃ dunne-filmtransistoren (TFTs) met een Al₂O₃-gatedielektrikum werden geproduceerd en na-geanneald in lucht bij 300 °C, wat resulteerde in een veld-effectmobiliteit van 7,8 cm²/V·s, een subdrempelhelling van 0,32 V/dec en een aan/uit-verhouding van 10⁷, toegeschreven aan zuurstofvacaturepassivering.

Achtergrond

Indiumoxide (In₂O₃) is een transparante metaaloxide-semiconductor met een brede bandkloof (~3,7 eV) bij kamertemperatuur, hoge zichtbare-lichtdoorlatendheid en uitstekende chemische stabiliteit. Het is daarom een sleutelmateriaal voor fotovoltaïsche apparaten, electrochemische sensoren en platpanelschermen. Conventionele depositietechnieken – sputtering, sol-gel en chemische dampdepositie (CVD) – lijden vaak onder slechte uniformiteit over grote oppervlakken, onnauwkeurige elementaire samenstelling of hoge depositietemperaturen (>300 °C). Deze beperkingen hinderen de creatie van uniform dikke, samenstellingsprecieze In₂O₃-films bij lage temperaturen.

Atoomlaagdepositie (ALD) biedt superieure stapdekking, atoomschaaldiktecontrole, uitstekende uniformiteit en lagere verwerkingstemperaturen. Eerdere ALD-studies van In₂O₃ gebruikten precursors zoals InCl₃–H₂O, InCl₃–H₂O₂, InCp–O₃, InCp–O₂–H₂O en (CH₃)₃In–H₂O. Deze processen vereisen echter meestal depositietemperaturen van 200–500 °C, leveren lage groeisnelheden (0,25–0,40 Å per cyclus) en produceren bijtende HCl-bijproducten die apparatuur en film kunnen beschadigen. TMIn-gebaseerde precursors bereiken hogere groeisnelheden (1,3–2 Å per cyclus) maar vereisen nog steeds temperaturen boven 200 °C.

In dit werk stellen we InCp en H₂O₂ voor als precursors voor ALD van In₂O₃, wat depositie bij lagere temperaturen met voldoende groeisnelheden mogelijk maakt. De resulterende films werden gekarakteriseerd voor structurele, chemische en optische eigenschappen, en geïntegreerd in TFTs met ALD Al₂O₃-gatedielektrika om elektrische prestaties te beoordelen.

Experimenteel

Si (100) wafers werden gereinigd met een standaard RCA-proces om als substraten te dienen. In₂O₃-films werden gedeponeerd op de voorgereine wafers met een Wuxi MNT Micro Nanotech ALD-systeem bij 150–210 °C. InCp (99,999 % zuiverheid) en 30 % waterige H₂O₂ precursors werden respectievelijk bij 130 °C en 50 °C gehouden, met stikstof als purgeringsgas. Om de functionele film te evalueren, werden In₂O₃-kanaal-TFTs geproduceerd: een 38-nm Al₂O₃-gatedielektrikum werd gegroeid bij 200 °C op een p-type Si (100) substraat (<0,0015 Ω·cm) via trimethylaluminium en H₂O ALD; een 20-nm In₂O₃-kanaal werd gedeponeerd bij 160 °C; Ti/Au (30 nm/70 nm) bron/putcontacten werden gedefinieerd door optische lithografie, elektronenbundelverdamping en lift-off. Apparaten werden na-geanneald in lucht bij 300 °C voor variërende tijden.

Karakterisatie omvatte röntgendiffractie (Bruker D8 Discover), atoommachtmicroscopie (Bruker Icon), röntgenfoto-elektronspectroscopie (Kratos Axis Ultra DLD), UV-VIS-spectroscopie en ellipsometrie (Sopra GES-SE). Elektrische metingen gebruikten een Agilent B1500A semiconductorparameteranalyser met een Cascade-probestation bij kamertemperatuur in omringende lucht.

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont de groeisnelheid versus substrat-temperatuur. Een stabiele snelheid van ~1,46 Å per cyclus wordt bereikt tussen 160 en 200 °C, wat een snel groeivenster voor ALD In₂O₃ aangeeft. Bij 150 °C stijgt de snelheid door InCp-condensatie, terwijl bij 210 °C deze toeneemt door thermische decompositie van InCp. Figuur 1b toont lineaire diktegroei met het aantal ALD-cycli bij 160 °C, wat uniform depositie bevestigt.

Röntgendiffractiepatronen (fig. 2) onthullen dat films gedeponeerd bij ≤160 °C amorf zijn; bij 170 °C verschijnt vroege kristallijnheid, en bij 210 °C duiden duidelijke pieken bij 2θ = 30,3° en 35,4° op verbeterde korrelgroei. Oppervlaktemorfologie (fig. 3) toont een toename in root-mean-square (RMS) ruwigheid van 0,36 nm bij 160 °C tot 1,15 nm bij 210 °C, gecorreleerd met kristallijngrootte.

Hoogresolutie XPS-spectra (fig. 4) tonen een C 1s-piek bij 289,8 eV (C–O) bij 160 °C, die afneemt bij 180 °C en verdwijnt bij 200 °C, wat aangeeft dat koolstofverontreiniging afneemt met hogere temperaturen. In 3d-spectra tonen dubbelpieken bij 444,7 en 452,3 eV, wat In₂O₃-binding bevestigt. O 1s-spectra decomponeren in O¹ (529,8 eV), O² (531,0 eV) en O³ (532,0 eV) componenten, overeenkomend met roosterzuurstof, zuurstofvacatures en –OH/CO-specie respectievelijk. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt O¹ toe van 76 % tot 92 %, terwijl O² afneemt van 16 % tot 4 %, wat een significante reductie in zuurstofvacatures en hydroxgroepen weerspiegelt.

Optische absorptie (fig. 5) toont (αhν)² versus fotonenergie; de geëxtrapoleerde bandkloven nemen toe van 3,42 tot 3,75 eV naarmate de temperatuur stijgt van 150 tot 200 °C. De verbrede bandkloof wordt toegeschreven aan verminderde zuurstofvacatures, lagere koolstofverontreinigingen en de Burstein-Moss-verschuiving door verhoogde ladingsdragersconcentratie in grotere korrels.

De geproduceerde TFTs vertoonden initieel een geleidend kanaal door hoge zuurstofvacatuurdichtheid. Na-annealing in lucht bij 300 °C gedurende 2 uur introduceerde typisch schakelgedrag. Verlenging van annealing tot 10 uur verschoven de drempelspanning verder positief en verbeterde de subdrempelhelling tot 0,32 V/dec. Bij 11 uur verslechterde de prestatie, waarschijnlijk door excessieve kristallisatieveranderingen of Ti-elektrode-oxidatie. Een 10-uur geanneald apparaat bereikte een veld-effectmobiliteit van 7,8 cm²/V·s, V_th van –3,7 V en een aan/uit-verhouding van 10⁷.

XPS-analyse van films geanneald gedurende 2–11 uur (tabel 3) toont de In:O-verhouding naderen aan de stoichiometrische 1:1,5 waarde, wat zuurstofvacaturepassivering bevestigt. Excessieve annealing verslechterde echter de apparaatprestaties, wat de noodzaak van geoptimaliseerde annealtime onderstreept.

Conclusies

ALD van In₂O₃-films met InCp en H₂O₂ precursors levert een snelle, uniforme groeisnelheid van 1,46 Å per cyclus bij 160–200 °C. Hogere depositietemperaturen verbeteren kristallijnheid en verminderen zuurstofvacatures en koolstofverontreiniging aanzienlijk, wat de optische bandkloof verhoogt. Wanneer geïntegreerd als kanallaag in TFTs met ALD Al₂O₃-gatedielektrika, leveren de In₂O₃-films apparaten die, na 10 uur luchtannealing bij 300 °C, een veld-effectmobiliteit van 7,8 cm²/V·s, een subdrempelhelling van 0,32 V/dec en een aan/uit-verhouding van 10⁷ vertonen. Deze resultaten tonen de haalbaarheid van laagtemperatuur ALD In₂O₃ voor hoogpresterende transparante elektronica.