Deposisi-Lapisan Atom dari Nano-film Indium Oksida untuk Transistor Film Tipis
Abstrak
Deposisi lapisan atom (ALD) dari In2 O3 nano-film telah diselidiki menggunakan cyclopentadienyl indium (InCp) dan hidrogen peroksida (H2 O2 ) sebagai prekursor. Dalam2 O3 film dapat disimpan secara istimewa pada suhu yang relatif rendah 160-200 °C, menunjukkan tingkat pertumbuhan yang stabil 1,4-1,5 /siklus. Kekasaran permukaan film yang diendapkan meningkat secara bertahap dengan suhu pengendapan, yang dikaitkan dengan peningkatan kristalisasi film pada suhu pengendapan yang lebih tinggi. Saat suhu deposisi meningkat dari 150 menjadi 200 °C, celah pita optik (Eg ) dari film yang diendapkan naik dari 3,42 menjadi 3,75 eV. Selain itu, dengan peningkatan suhu pengendapan, rasio atom In terhadap O dalam film yang diendapkan secara bertahap bergeser ke arah rasio atom In2 O3 , dan kandungan karbon juga berkurang beberapa derajat. Untuk suhu deposisi 200 °C, film yang diendapkan menunjukkan rasio In:O 1:1,36 dan tidak ada penggabungan karbon. Selanjutnya, performa tinggi Dalam2 O3 transistor film tipis dengan Al2 O3 dielektrik gerbang dicapai dengan pasca-anil di udara pada 300 °C untuk waktu yang tepat, menunjukkan mobilitas efek medan 7,8 cm
2
/V⋅s, ayunan subambang 0,32 V/des, dan rasio arus hidup/mati 10
7
. Ini dianggap berasal dari pasifnya kekosongan oksigen di saluran perangkat.
Latar Belakang
Indium oksida (Dalam2 O3 ) adalah semikonduktor oksida logam transparan, yang menunjukkan celah pita lebar ~3,7 eV pada suhu kamar, transparansi tinggi untuk cahaya tampak, dan stabilitas kimia yang sangat baik [1, 2]. Oleh karena itu, Dalam2 O3 telah diselidiki untuk berbagai aplikasi seperti perangkat fotovoltaik, sensor elektrokimia, dan tampilan panel datar [3,4,5]. Sejauh ini, beberapa teknik pengendapan telah dikembangkan untuk mempersiapkan In2 O3 film tipis, termasuk sputtering [6, 7], sol-gel [8, 9], dan deposisi uap kimia (CVD) [10, 11]. Namun, teknik sputtering dan sol-gel biasanya memiliki keseragaman yang buruk di area yang luas serta komposisi unsur yang tidak tepat; teknik CVD umumnya membutuhkan suhu deposisi yang relatif tinggi> 300 °C. Kelemahan ini membuatnya sulit untuk mencapai seragam Di2 O3 film dengan ketebalan yang tepat dan kontrol komposisi pada suhu deposisi rendah.
Dalam beberapa tahun terakhir, deposisi lapisan atom (ALD) telah muncul sebagai pendekatan yang menjanjikan yang dapat menghasilkan cakupan langkah yang sangat baik, kemampuan pengendalian ketebalan skala atom, keseragaman yang baik, dan suhu deposisi yang relatif rendah. Dengan demikian, pertumbuhan In2 O3 film tipis telah dieksplorasi dengan menggunakan ALD dengan prekursor yang berbeda, termasuk InCl3 -H2 O [12], InCl3 -H2 O2 [13], InCp-O3 [14], InCp-O2 -H2 O [15], dan Dalam (CH3 )3 -H2 O [16]. Dalam hal prekursor InCl3 -H2 O dan InCl3 -H2 O2 , suhu pengendapan untuk In2 O3 film harus ditingkatkan hingga ~ 300–500 °C [13]; sementara itu, InCl3 wadah harus dipanaskan hingga 285 °C untuk mendapatkan cukup InCl3 uap [15]. Selain itu, produk sampingan dari HCl yang korosif dapat merusak peralatan ALD dan menggores endapan di2 O3 film [17], dan tingkat pertumbuhan In2 O3 serendah 0,25–0,40 /siklus. Meskipun prekursor lain seperti TMIn-H2 O dan TMIn-H2 O2 telah diadopsi untuk ALD Di2 O3 film, suhu deposisi masih tinggi (yaitu, 200–450 °C) meskipun tingkat pertumbuhannya relatif besar (1,3–2 /siklus) [18].
Dalam karya ini, InCp dan H2 O2 diusulkan sebagai prekursor ALD Di2 O3 film tipis, dengan demikian In2 O3 film tipis berhasil disimpan pada suhu yang lebih rendah, menunjukkan tingkat pertumbuhan yang memuaskan. Selain itu, sifat fisik dan kimia dari film yang diendapkan dikarakterisasi. Selanjutnya, In2 O3 transistor film tipis (TFT) dengan ALD Al2 O3 dielektrik gerbang telah dibuat, menunjukkan kinerja listrik yang baik, seperti mobilitas efek medan 7,8 cm
2
V
−1
s
−1
, dan rasio aktif/nonaktif 10
7
dll.
Eksperimental
Wafer Si (100) dibersihkan menggunakan proses Radio Corporation of America standar, yang berfungsi sebagai substrat awal. Di2 O3 film tipis diendapkan ke substrat Si (100) yang telah dibersihkan sebelumnya menggunakan peralatan ALD (Wuxi MNT Micro Nanotech Co., LTD, China) pada suhu yang relatif rendah 150–210 °C, di mana suhu InCp (Fornano Electronic Technology Co., LTD, China, pengotor:99,999%) dan H2 O2 (30% larutan berair) prekursor dipertahankan pada 130 dan 50 ° C, masing-masing. Gas nitrogen digunakan sebagai gas pembersih. Untuk mendemonstrasikan fungsi ALD Di2 O3 film tipis, In2 O3 TFT saluran berbasis dibuat sebagai proses berikut. Pertama, 38-nm Al2 O3 film dielektrik gerbang ditumbuhkan pada substrat Si (100) tipe-p yang telah dibersihkan (< 0.0015 ·cm) pada 200 °C oleh ALD menggunakan trimetilaluminium dan H2 O, dan substrat silikon resistivitas rendah seperti itu berfungsi sebagai gerbang belakang. Kemudian, 20-nm Dalam2 O3 lapisan saluran ditumbuhkan pada Al2 O3 film pada 160 °C. Kontak sumber/pembuangan tumpukan Ti/Au (30 nm/70 nm) dibentuk secara bergantian oleh litografi optik, penguapan berkas elektron, dan proses pengangkatan. Terakhir, perangkat fabrikasi dianil pada suhu 300 °C di udara untuk waktu yang berbeda.
Kristalinitas, morfologi permukaan, komposisi unsur, koefisien penyerapan, dan ketebalan In2 O3 film dicirikan oleh difraksi sinar-X (XRD) (Bruker D8 Discover), mikroskop gaya atom (AFM) (Bruker Icon), spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Kratos Axis Ultra DLD), spektroskopi ultraviolet-tampak (UV- VIS), dan ellipsometer (Sopra GES-SE, Prancis), masing-masing. Pengukuran listrik perangkat dilakukan menggunakan penganalisis parameter semikonduktor (B1500A, Agilent Technologies, Jepang) dengan stasiun probe Cascade di udara sekitar pada suhu kamar.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1a menunjukkan tingkat pertumbuhan In2 O3 film sebagai fungsi dari suhu substrat. Ditemukan bahwa tingkat pertumbuhan stabil ~ 1,46 /siklus dicapai dalam kisaran 160 ~ 200 °C, menunjukkan tingkat pertumbuhan yang cepat dan jendela suhu yang ditentukan dengan baik untuk ALD Dalam2 O3 film. Ketika suhu substrat diturunkan hingga 150 °C atau dinaikkan hingga 210 °C, laju pertumbuhan yang dihasilkan menjadi lebih besar [19, 20]. Yang pertama dikaitkan dengan kondensasi InCp pada substrat, sedangkan yang terakhir disebabkan oleh dekomposisi termal InCp pada suhu yang lebih tinggi. Selanjutnya, evolusi yang disimpan dalam2 O3 ketebalan film dievaluasi sebagai fungsi dari siklus ALD, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Jelas bahwa In2 O3 ketebalan film meningkat secara linier dengan jumlah siklus pengendapan, menunjukkan pertumbuhan yang cukup seragam.
a Tingkat pertumbuhan ALD Dalam2 O3 film pada substrat Si sebagai fungsi suhu substrat, dan b ketergantungan In2 O3 ketebalan film pada jumlah siklus ALD pada 160 °C
Untuk mengamati evolusi In2 O3 tekstur film dengan suhu pengendapan, pola XRD dari In2 O3 film yang diendapkan pada suhu yang berbeda disajikan pada Gambar. 2. Ketika suhu deposisi tidak melebihi 160 °C, tidak ada puncak difraksi yang dapat diamati. Ini menunjukkan bahwa deposit Di2 O3 film pada suhu yang lebih rendah bersifat amorf. Ketika suhu pengendapan meningkat hingga 170 °C, beberapa puncak difraksi mulai muncul. Selanjutnya, dengan suhu pengendapan secara bertahap meningkat menjadi 210 °C, intensitas puncak difraksi meningkat secara dramatis, biasanya ditunjukkan oleh puncak pada 2θ = 30,3° dan 35,4°. Hal ini menunjukkan bahwa kristalinitas dan ukuran butir as-deposited In2 O3 film ditingkatkan secara bertahap dengan meningkatkan suhu deposisi. Gambar 3 menunjukkan morfologi permukaan dari perwakilan In2 O3 film disimpan pada suhu yang berbeda. Ditemukan bahwa permukaan film menjadi semakin kasar dengan meningkatnya suhu pengendapan, yaitu, kekasaran root-mean-square (RMS) yang dihasilkan meningkat dari 0,36 menjadi 1,15 nm dengan meningkatnya suhu pengendapan dari 160 menjadi 210 °C. Ini harus terkait dengan kristalinitas In2 O3 film. Dalam hal suhu pengendapan 160 °C, endapan In2 O3 film amorf, dan menunjukkan permukaan yang sangat halus. Ketika suhu deposisi mencapai 180 ° C, film yang diendapkan menjadi polikristalin. Ini berarti bahwa film yang dihasilkan mengandung banyak butiran kristal, dan ukuran butiran menjadi semakin besar dengan meningkatnya suhu pengendapan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Ini sesuai dengan pengamatan kami bahwa ukuran bukit kecil pada permukaan film meningkat secara bertahap dengan menaikkan suhu deposisi, sehingga menghasilkan nilai RMS yang meningkat.
Pola difraksi sinar-X In2 O3 film disimpan pada suhu yang berbeda selama 250 siklus
Gambar AFM dari In2 O3 film disimpan pada suhu yang berbeda:a 160 °C, b 180 °C, c 200 °C dan d 210 °C. Siklus pengendapan ditetapkan pada 250 untuk setiap film
Gambar 4 menunjukkan resolusi tinggi C 1 s, Dalam spektrum XPS 3d dan O1s dari In2 O3 film disimpan pada suhu yang berbeda. Mengenai spektrum C1 s XPS yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, film yang disimpan pada 160 °C menampilkan puncak pada 289,8 eV, yang seharusnya sesuai dengan C-O [21]. Ketika suhu deposisi dinaikkan hingga 180 ° C, puncaknya menjadi jauh lebih lemah. Selanjutnya, dalam hal suhu deposisi 200 °C, puncak C1 s menghilang. Dengan demikian menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu pengendapan maka semakin kecil pengotor C pada endapan In2 O3 film. Gambar 4b menggambarkan spektrum In 3d XPS dari In2 O3 film, dengan jelas menunjukkan puncak Gaussian satu-ganda pada 444,7 dan 452,3 eV, yang terkait dengan In 3d5/2 dan Dalam 3d5/2 tingkat inti untuk Dalam2 O3 [22, 23]. Spektrum O1 s XPS ditunjukkan pada Gambar. 4c. Ditemukan bahwa spektrum O 1 s untuk setiap sampel dapat dipisahkan dengan baik menjadi tiga puncak, yang masing-masing terletak pada 529,8, 531,0, dan 532,0 eV. Puncak ini sesuai dengan O
2−
ion terikat dengan logam (O1), kekosongan oksigen (O2) dan –OH/CO (O3), masing-masing [24, 25]. Saat suhu deposisi meningkat dari 160 menjadi 200 °C, persentase relatif O1 meningkat dari 76 menjadi 92%; dan persentase relatif O2 menurun secara bertahap dari 16 menjadi 4%. Selain itu, persentase relatif O3 juga menunjukkan tren menurun. Hasil ini menunjukkan bahwa suhu deposisi yang lebih tinggi bermanfaat untuk mengurangi konsentrasi kekosongan oksigen pada film yang diendapkan serta gugus hidroksil dan ikatan C−O. Selanjutnya, komposisi unsur In2 O3 film yang diendapkan pada suhu yang berbeda tercantum dalam Tabel 1. Menariknya, rasio atom In/O dalam film yang diendapkan menurun derajat dengan meningkatnya suhu deposisi. Namun, bahkan untuk In2 . murni O3 film yang diendapkan pada 200 °C, rasio atom (1:1,36) In/O masih lebih besar dari rasio atomik (1:1,5) In2 O3 . Ini mengungkapkan bahwa ALD Di2 O3 film umumnya kaya akan kekosongan oksigen.
Resolusi tinggi a C 1s, b Dalam 3d, dan c Spektrum XPS O 1 dari In2 O3 film disimpan pada 160, 180, dan 200 ° C, masing-masing. Untuk menghilangkan kontaminan permukaan tambahan, semua sampel digores dengan bombardir ion Ar in-situ selama 6 menit sebelum pengumpulan sinyal
Gambar 5a menunjukkan variasi (αhν)
2
sebagai fungsi energi foton untuk sebagai-diendapkan Dalam2 O3 film pada suhu deposisi yang berbeda. Celah pita optik (Eg ) dari Dalam2 O3 film dapat ditentukan dengan hubungan Tauc:hν = A(hν-Eg )
n
[26], di mana α adalah koefisien penyerapan, A adalah konstanta, h adalah konstanta Plank, ν adalah frekuensi, dan eksponen n mencirikan sifat transisi pita. Di sini, n = 1/2, menunjukkan bahwa Dalam2 O3 adalah semikonduktor dengan transisi yang diizinkan secara langsung. Eg diekstraksi dengan mengekstrapolasi bagian garis lurus ke bias energi di α = 0. E . yang diekstraksi g untuk Dalam2 O3 film ditunjukkan pada Gambar. 5b. Terlihat bahwa Eg meningkat dari 3,42 menjadi 3,75 eV dengan menaikkan suhu pengendapan dari 150 menjadi 200 °C. E . yang meningkat g pada suhu deposisi yang lebih tinggi dapat dihasilkan dari pengurangan kekosongan oksigen dan pengotor C dalam film yang diendapkan. Faktanya, peneliti lain juga melaporkan bahwa ketika banyak kekosongan oksigen ada di ZnO, keadaan pengotor menjadi lebih terdelokalisasi dan tumpang tindih dengan tepi pita valensi, sehingga menyebabkan penyempitan celah pita [27]. Selain itu, kristalinitas yang ditingkatkan secara bertahap sebagai fungsi suhu pengendapan dapat mempengaruhi celah pita optik In2 O3 film. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Saat suhu pengendapan naik, ukuran butir endapan In2 O3 film meningkat, ditunjukkan pada Gambar. 2. Hal ini menyebabkan penurunan kepadatan batas butir dalam film. Karena elektron mudah terperangkap dalam batas butir, jumlah elektron bebas akan meningkat pada In2 O3 film dengan batas butir yang lebih sedikit [28, 29]. Oleh karena itu, peningkatan konsentrasi elektron seperti itu menghasilkan celah pita optik yang lebih besar karena pergeseran Burstein-Moss [30].
a Plotting (αhν)
2
vs energi foton untuk In2 O3 film disimpan pada suhu yang berbeda; b ketergantungan celah pita yang diekstraksi (Eg ) dari Dalam2 O3 pada suhu pengendapan
Untuk mendemonstrasikan fungsi ALD Di2 O3 film bertindak sebagai saluran TFT, In2 O3 -TFT berbasis saluran dengan lapisan atom Al2 O3 dielektrik gerbang dibuat. Gambar 6a menunjukkan karakteristik transfer In2 O3 TFT. Ditemukan bahwa perangkat buatan tidak menunjukkan karakteristik sakelar yang khas dari transistor efek medan, tetapi seperti konduktor antara sumber dan saluran. Ini harus dikaitkan dengan adanya banyak kekosongan oksigen di In2 O3 saluran karena kekosongan oksigen dapat memasok elektron bebas. Oleh karena itu, demi mengurangi konsentrasi kekosongan oksigen di In2 O3 saluran, post-annealing di udara dilakukan pada 300 °C. Jelas bahwa In2 O3 TFT menunjukkan perilaku switching yang khas setelah anil 2 jam. Hal ini menunjukkan bahwa post-annealing di udara dapat meningkatkan kinerja perangkat secara signifikan. Selanjutnya, saat waktu anil meningkat secara bertahap hingga 10 jam, tegangan ambang (Vth ) dari TFT bergeser ke arah bias positif, dan ayunan sub-ambang (SS) meningkat sedikit demi sedikit. Namun, ketika waktu anil meningkat menjadi 11 jam, kinerja perangkat mulai menurun. Perlu dicatat bahwa hidrogen dapat dimasukkan ke dalam film selama proses fabrikasi, bertindak sebagai perangkap elektron dengan membentuk ikatan –OH di saluran atau pada antarmuka antara saluran dan dielektrik [31]. Perangkap elektron ini mungkin mengakibatkan degradasi SS. Setelah anil di udara, ikatan OH dikurangi dengan penggabungan O2 molekul [32]. Hal ini dapat menyebabkan penurunan kepadatan perangkap, sehingga meningkatkan SS perangkat. Dalam hal 10 jam anil di udara, In2 O3 TFT menunjukkan mobilitas efek medan (μEF ) dari 7,8 cm
2
V
−1
s
−1
, sebuah Vth 3,7 V, SS 0,32 V/des, dan rasio arus hidup/mati (Ion /Sayamati ) dari 10
7
. Karakteristik keluaran yang sesuai juga disajikan pada Gambar. 6b, menunjukkan perilaku menjepit dan saturasi arus yang jelas di bawah berbagai tegangan gerbang positif. Selanjutnya, kurva output juga menunjukkan n -jenis peningkatan mode. Sebagai perbandingan, Tabel 2 merangkum karakteristik ALD yang dilaporkan Di2 O3 film dan TFTs dari kelompok penelitian yang berbeda [33,34,35,36,37]. Hal ini menunjukkan bahwa In2 . kami O3 film menunjukkan tingkat pertumbuhan yang unggul pada suhu yang relatif rendah, dan perangkat yang dibuat juga menunjukkan SS kecil. Namun, kinerja perangkat secara umum tidak begitu sempurna, yang dapat ditingkatkan melalui beberapa proses dan pengoptimalan struktur perangkat.
a Karakteristik transfer In2 O3 TFT anil pada 300 °C di udara untuk waktu yang berbeda; b Karakteristik keluaran dari In2 O3 TFT dianil pada 300 °C di udara selama 10 jam
Untuk memahami dengan baik pengaruh post-annealing di udara pada komposisi In2 O3 saluran, In2 O3 film dianil pada 300 ° C untuk waktu yang berbeda, dan kemudian dianalisis dengan menggunakan XPS. Tabel 3 mencantumkan persentase unsur dari berbagai film anil. Ketika waktu annealing meningkat dari 2 menjadi 11 jam, rasio atom In:O menurun dari 1:1.22 menjadi 1:1.48, secara bertahap mendekati rasio (1:1.5) dari stoikiometri In2 O3 . Ini lebih lanjut menegaskan bahwa peningkatan waktu anil di udara secara efektif mengurangi kepadatan kekosongan oksigen di In2 O3 film. Oleh karena itu, peningkatan kinerja In2 O3 TFT harus terutama dikaitkan dengan pasivasi kekosongan oksigen yang dapat ditempatkan di saluran curah dan / atau antarmuka antara saluran dan dielektrik [25]. Namun, anil yang berlebihan menurunkan kinerja perangkat, seperti yang diungkapkan oleh anil 11 jam. Ini dapat dianggap berasal dari perubahan kristalisasi In2 O3 lapisan saluran serta kemungkinan oksidasi elektroda Ti selama pasca-anil berlebihan di udara. Dengan demikian, waktu anil yang tepat diperlukan untuk mencapai kinerja yang baik dari In2 O3 TFT.
Kesimpulan
Pertumbuhan ALD yang cepat dari In2 O3 film telah dicapai pada suhu yang relatif rendah (160–200 °C) dengan InCp dan H2 O2 prekursor, menunjukkan tingkat pertumbuhan seragam 1,46 /siklus. Ketika suhu deposisi meningkat, kristalisasi film yang diendapkan ditingkatkan secara bertahap. Sementara itu, kekosongan oksigen dan ketidakmurnian karbon dalam film yang diendapkan juga berkurang secara signifikan. Hal ini menyebabkan peningkatan Eg dari Dalam2 O3 . Selanjutnya, dengan ALD Di2 O3 lapisan saluran, TFT dengan ALD Al2 O3 dielektrik dibuat. Saat waktu pasca-anil di udara diperpanjang, kinerja listrik In2 O3 TFT ditingkatkan dengan jelas hingga 10 jam anil. Hal ini terutama disebabkan oleh pasivasi kekosongan oksigen yang terletak di saluran curah dan/atau antarmuka antara saluran dan dielektrik setelah anil di udara. Dalam hal anil 10 jam, perangkat menunjukkan kinerja yang baik seperti mobilitas efek medan 7,8 cm
2
/V⋅s, ayunan subambang 0,32 V/des, dan rasio arus hidup/mati 10
7
. Dalam hal suhu deposisi 200 °C, film yang diendapkan menunjukkan rasio In:O 1:1,36 tanpa karbon yang terdeteksi, sehingga mengungkapkan adanya kekosongan oksigen dalam film yang diendapkan.
