ALD Suhu Rendah Nanofilm In₂O₃ untuk Transistor Tipis Film Berkinerja Tinggi

Abstrak

Penetapan lapisan nano oksida indium (In₂O₃) melalui penetapan lapisan atom (ALD) diperiksa menggunakan siklopentadienil indium (InCp) dan peroksida hidrogen (H₂O₂) sebagai prekursor. Film dapat ditetapkan pada suhu relatif rendah 160–200 °C, dengan laju pertumbuhan konsisten 1,4–1,5 Å per siklus. Keasaran permukaan meningkat secara bertahap dengan suhu, yang mencerminkan kristalisasi yang ditingkatkan. Seiring bertambahnya suhu penetapan dari 150 ke 200 °C, jarak antarband optik (E_g) meningkat dari 3,42 ke 3,75 eV. Rasio atom In ke O bergeser menuju nilai stoikiometri In₂O₃, dan penyerapan karbon berkurang; pada 200 °C film menunjukkan rasio In:O 1:1,36 tanpa karbon yang terdeteksi. Transistor tipis film (TFT) In₂O₃ berkinerja tinggi dengan dielektrik gerbang Al₂O₃ difabrikasi dan dianil di udara pada 300 °C, mencapai mobilitas pengaruh medan 7,8 cm²/V·s, swing ambang 0,32 V/dec, dan rasio on/off 10⁷, yang diatribusikan pada passivasi rongga oksigen.

Latar Belakang

Oksida indium (In₂O₃) adalah semi-okonduktor logam-oksa transparan dengan jarak antarband lebar (~3,7 eV) pada suhu kamar, transparansi cahaya tampak yang tinggi, dan stabilitas kimia yang luar biasa. Oleh karena itu, ia merupakan material kunci untuk perangkat fotovoltaik, sensor elektrokimia, dan tampilan datar. Teknik penetapan konvensional—sputtering, sol-gel, dan penetapan uap kimia (CVD)—seringkali menderita ketidakteraturan pada area luas, komposisi unsur yang tidak akurat, atau suhu penetapan yang tinggi (>300 °C). Keterbatasan ini menghambat penciptaan film In₂O₃ tebal seragam, komposisi yang tepat pada suhu rendah.

Penetapan lapisan atom (ALD) menawarkan penutupan langkah yang unggul, kontrol ketebalan skala atom, ketidakteraturan yang baik, dan suhu pemrosesan yang lebih rendah. Studi ALD sebelumnya dari In₂O₃ telah menggunakan prekursor seperti InCl₃–H₂O, InCl₃–H₂O₂, InCp–O₃, InCp–O₂–H₂O, dan (CH₃)₃In–H₂O. Namun, proses ini biasanya memerlukan suhu penetapan 200–500 °C, menghasilkan laju pertumbuhan rendah (0,25–0,40 Å per siklus), dan menghasilkan副produk HCl yang korosif yang dapat merusak peralatan dan film. Prekursor berbasis TMIn mencapai laju pertumbuhan yang lebih tinggi (1,3–2 Å per siklus) tetapi masih memerlukan suhu di atas 200 °C.

Dalam karya ini, kami mengusulkan InCp dan H₂O₂ sebagai prekursor untuk ALD In₂O₃, yang memungkinkan penetapan pada suhu yang lebih rendah dengan laju pertumbuhan yang memuaskan. Film yang dihasilkan dikarakterisasi untuk properti struktural, kimiawi, dan optik, dan diintegrasikan ke dalam TFT dengan dielektrik gerbang Al₂O₃ ALD untuk menilai performa listrik.

Eksperimen

Wafer Si (100) dibersihkan dengan proses RCA standar untuk berfungsi sebagai substrat. Film In₂O₃ ditetapkan pada wafer yang telah dibersihkan menggunakan sistem ALD Wuxi MNT Micro Nanotech pada 150–210 °C. InCp (kebersihan 99,999 %) dan H₂O₂ air 30 % sebagai prekursor dipertahankan pada 130 °C dan 50 °C, masing-masing, dengan gas pengusir nitrogen. Untuk mengevaluasi film fungsional, TFT saluran In₂O₃ difabrikasi: dielektrik gerbang Al₂O₃ tebal 38 nm ditetapkan pada 200 °C pada substrat p-tipe Si (100) (<0,0015 Ω·cm) melalui trimethylaluminium dan H₂O ALD; saluran In₂O₃ tebal 20 nm ditetapkan pada 160 °C; kontak sumber/keluaran Ti/Au (30 nm/70 nm) ditetapkan melalui litografi optik, evaporasi sinar elektron, dan lift-off. Perangkat dianil di udara pada 300 °C untuk waktu yang bervariasi.

Karakterisasi termasuk difraksi sinar-X (Bruker D8 Discover), mikroskopi gaya atom (Bruker Icon), spektroskopi fotoemisi X (Kratos Axis Ultra DLD), spektroskopi UV-VIS, dan elipsometri (Sopra GES-SE). Pengukuran listrik menggunakan analyzer parameter semiconductor Agilent B1500A dengan stasiun probe Cascade pada suhu kamar di udara ambiente.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1a menggambarkan laju pertumbuhan versus suhu substrat. Laju stabil sekitar 1,46 Å per siklus dicapai antara 160 dan 200 °C, yang menunjukkan jendela pertumbuhan cepat untuk ALD In₂O₃. Pada 150 °C laju meningkat karena kondensasi InCp, sementara pada 210 °C meningkat karena dekomposisi termal InCp. Gambar 1b menunjukkan pertumbuhan tektes linier dengan jumlah siklus ALD pada 160 °C, yang mengonfirmasi penetapan seragam.

a Laju pertumbuhan film ALD In₂O₃ pada Si sebagai fungsi suhu substrat, dan b ketergantungan tektes film pada jumlah siklus ALD pada 160 °C.

Pola difraksi sinar-X (Gambar 2) mengungkapkan bahwa film yang ditetapkan pada ≤160 °C amorf; pada 170 °C kristalin awal muncul, dan pada 210 °C puncak tergamba pada 2θ = 30,3° dan 35,4° menunjukkan pertumbuhan butir yang ditingkatkan. Morfologi permukaan (Gambar 3) menunjukkan peningkatan RMS roughness dari 0,36 nm pada 160 °C ke 1,15 nm pada 210 °C, yang berkorelasi dengan ukuran kristalit.

Pola difraksi sinar-X film In₂O₃ yang ditetapkan pada suhu yang berbeda untuk 250 siklus.

Citra AFM film In₂O₃ pada 160 °C (a), 180 °C (b), 200 °C (c), dan 210 °C (d), masing-masing 250 siklus.

Spektrum XPS resolusi tinggi (Gambar 4) menunjukkan puncak C 1s pada 289,8 eV (C–O) pada 160 °C, yang berkurang pada 180 °C dan hilang pada 200 °C, yang menunjukkan penurunan kontaminasi karbon pada suhu yang lebih tinggi. Spektrum In 3d menampilkan puncak ganda pada 444,7 dan 452,3 eV, yang mengonfirmasi ikatan In₂O₃. Spektrum O 1s terdekomposisi menjadi komponen O¹ (529,8 eV), O² (531,0 eV), dan O³ (532,0 eV), yang masing-masing sesuai dengan oksigen jaring, rongga oksigen, dan spesies –OH/CO. Seiring bertambahnya suhu, O¹ meningkat dari 76 % ke 92 %, sementara O² turun dari 16 % ke 4 %, yang mencerminkan penurunan signifikan rongga oksigen dan grup hidroksil.

Spektrum resolusi tinggi a C 1s, b In 3d, dan c O 1s film In₂O₃ yang ditetapkan pada 160, 180, dan 200 °C. Sampel dietch dengan bombardir ion Ar in-situ selama 6 menit sebelum pengukuran.

Serapan optik (Gambar 5) menunjukkan (αhν)² versus energi foton; jarak antarband yang di-ekstrapolasi meningkat dari 3,42 ke 3,75 eV seiring bertambahnya suhu dari 150 ke 200 °C. Perlebaran jarak antarband diatribusikan pada penurunan rongga oksigen, penurunan pengotoran karbon, dan pergeseran Burstein–Moss yang disebabkan oleh peningkatan konsentrasi penguat dalam butir yang lebih besar.

a (αhν)² vs energi foton untuk film In₂O₃ pada suhu yang berbeda; b ketergantungan jarak antarband yang diekstrak pada suhu penetapan.

TFT yang difabrikasi awalnya menampilkan saluran konduktif karena densitas rongga oksigen yang tinggi. Anil di udara pada 300 °C selama 2 jam memperkenalkan perilaku switching umum. Memperpanjang anil menjadi 10 jam lebih menggeser tegangan ambang secara positif dan memperbaiki swing ambang menjadi 0,32 V/dec. Pada 11 jam, performa menurun, kemungkinan karena perubahan kristalisasi yang berlebihan atau oksidasi elektroda Ti. Perangkat yang dianil selama 10 jam mencapai mobilitas pengaruh medan 7,8 cm²/V·s, V_th sebesar –3,7 V, dan rasio on/off 10⁷.

a Karakteristik transfer TFT In₂O₃ yang dianil pada 300 °C untuk waktu yang berbeda; b Karakteristik keluaran setelah anil 10 jam.

Analisis XPS film yang dianil selama 2–11 jam (Tabel 3) menunjukkan rasio In:O mendekati nilai stoikiometri 1:1,5, mengonfirmasi passivasi rongga oksigen. Anil yang berlebihan, justru, merusak performa perangkat, yang menekankan kebutuhan akan waktu anil yang dioptimalkan.

Kesimpulan

ALD film In₂O₃ menggunakan prekursor InCp dan H₂O₂ memberikan laju pertumbuhan cepat dan seragam 1,46 Å per siklus pada 160–200 °C. Suhu penetapan yang lebih tinggi meningkatkan kristalin sambil secara signifikan mengurangi rongga oksigen dan kontaminasi karbon, sehingga meningkatkan jarak antarband optik. Ketika diintegrasikan sebagai lapisan saluran dalam TFT dengan dielektrik gerbang Al₂O₃ ALD, film In₂O₃ menghasilkan perangkat yang, setelah 10 jam anil di udara pada 300 °C, menunjukkan mobilitas pengaruh medan 7,8 cm²/V·s, swing ambang 0,32 V/dec, dan rasio on/off 10⁷. Hasil ini menunjukkan kelayakan ALD In₂O₃ suhu rendah untuk elektronik transparan berkinerja tinggi.