Tieftemperatur-ALD von In₂O₃-Nanofilmen für hochleistungsfähige Dünnfilmtransistoren

Zusammenfassung

Die atomare Lagenschichtabscheidung (ALD) von Indiumoxid (In₂O₃)-Nanofilmen wurde mit Cyclopentadienylindium (InCp) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) als Vorläuferstoffen untersucht. Die Filme können bei relativ niedrigen Temperaturen von 160–200 °C abgeschieden werden und zeigen eine konsistente Wachstumsrate von 1,4–1,5 Å pro Zyklus. Die Oberflächenrauheit nimmt mit der Temperatur allmählich zu, was auf verstärkte Kristallisation hinweist. Wenn die Abscheidungstemperatur von 150 auf 200 °C steigt, vergrößert sich die optische Bandlücke (E_g) von 3,42 auf 3,75 eV. Das Atomverhältnis von In zu O nähert sich dem stöchiometrischen Wert von In₂O₃ an, und der Kohlenstoffeinbau nimmt ab; bei 200 °C weist der Film ein In:O-Verhältnis von 1:1,36 ohne nachweisbaren Kohlenstoff auf. Hochleistungs-In₂O₃-Dünnfilmtransistoren (TFTs) mit einem Al₂O₃-Gatedielektrikum wurden gefertigt und an der Luft bei 300 °C nachgeglüht, wobei eine Feldeffekt-Mobilität von 7,8 cm²/V·s, ein Subthreshold-Swing von 0,32 V/dec und ein Ein-/Aus-Verhältnis von 10⁷ erreicht wurden, was auf die Passivierung von Sauerstoffvacanzen zurückgeführt wird.

Hintergrund

Indiumoxid (In₂O₃) ist ein transparenter Metalloxid-Halbleiter mit einer weiten Bandlücke (~3,7 eV) bei Raumtemperatur, hoher Transparenz im sichtbaren Licht und ausgezeichneter chemischer Stabilität. Es ist daher ein Schlüsselmaterial für photovoltaische Geräte, elektrochemische Sensoren und Flachbildschirme. Konventionelle Abscheidetechniken – Sputtern, Sol-Gel und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) – leiden oft unter schlechter Gleichmäßigkeit über große Flächen, ungenauer elementarer Zusammensetzung oder hohen Abscheidungstemperaturen (>300 °C). Diese Einschränkungen behindern die Erstellung gleichmäßig dicker, zusammensetzungstechnisch präziser In₂O₃-Filme bei niedrigen Temperaturen.

Die atomare Lagenschichtabscheidung (ALD) bietet überlegene Stufenbedeckung, atomare Dickenkontrolle, hervorragende Gleichmäßigkeit und niedrigere Prozesstemperaturen. Frühere ALD-Studien zu In₂O₃ verwendeten Vorläufer wie InCl₃–H₂O, InCl₃–H₂O₂, InCp–O₃, InCp–O₂–H₂O und (CH₃)₃In–H₂O. Diese Prozesse erfordern jedoch typischerweise Abscheidungstemperaturen von 200–500 °C, liefern niedrige Wachstumsraten (0,25–0,40 Å pro Zyklus) und produzieren korrosive HCl-Nebenprodukte, die Geräte und Filme beschädigen können. TMIn-basierte Vorläufer erreichen höhere Wachstumsraten (1,3–2 Å pro Zyklus), benötigen aber weiterhin Temperaturen über 200 °C.

In dieser Arbeit schlagen wir InCp und H₂O₂ als Vorläufer für die ALD von In₂O₃ vor, die eine Abscheidung bei niedrigeren Temperaturen mit zufriedenstellenden Wachstumsraten ermöglichen. Die resultierenden Filme wurden hinsichtlich struktureller, chemischer und optischer Eigenschaften charakterisiert und in TFTs mit ALD-Al₂O₃-Gatedielektrika integriert, um die elektrische Leistung zu bewerten.

Experimenteller Teil

Si(100)-Wafer wurden mit einem Standard-RCA-Prozess gereinigt und als Substrate verwendet. In₂O₃-Filme wurden auf den vorgereinigten Wafern mit einem Wuxi MNT Micro Nanotech ALD-System bei 150–210 °C abgeschieden. InCp (99,999 % Reinheit) und 30 % wässriges H₂O₂ wurden bei 130 °C bzw. 50 °C gehalten, mit Stickstoff als Spülgas. Zur Evaluierung der funktionalen Schicht wurden In₂O₃-Kanal-TFTs gefertigt: Ein 38 nm dickes Al₂O₃-Gatedielektrikum wurde bei 200 °C auf einem p-typ Si(100)-Substrat (<0,0015 Ω·cm) via Trimethylaluminium- und H₂O-ALD aufgewachsen; ein 20 nm dicker In₂O₃-Kanal wurde bei 160 °C abgeschieden; Ti/Au (30 nm/70 nm) Source/Drain-Kontakte wurden durch optische Lithografie, Elektronenstrahlverdampfung und Lift-off definiert. Die Bauteile wurden an der Luft bei 300 °C für unterschiedliche Zeiten nachgeglüht.

Die Charakterisierung umfasste Röntgenbeugung (Bruker D8 Discover), Rasterkraftmikroskopie (Bruker Icon), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (Kratos Axis Ultra DLD), UV-VIS-Spektroskopie und Ellipsometrie (Sopra GES-SE). Elektrische Messungen erfolgten mit einem Agilent B1500A Halbleiterparameteranalysator und einer Cascade-Probestation bei Raumtemperatur in Umgebungsluft.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt die Wachstumsrate in Abhängigkeit von der Substrattemperatur. Eine stabile Rate von ~1,46 Å pro Zyklus wird zwischen 160 und 200 °C erreicht, was ein schnelles Wachstumsfenster für ALD-In₂O₃ anzeigt. Bei 150 °C steigt die Rate aufgrund von InCp-Kondensation, während sie bei 210 °C durch thermische Zersetzung von InCp zunimmt. Abbildung 1b zeigt lineares Dickenwachstum mit der Anzahl der ALD-Zyklen bei 160 °C, was eine gleichmäßige Abscheidung bestätigt.

Röntgenbeugungsmuster (Abb. 2) zeigen, dass bei ≤160 °C abgeschiedene Filme amorph sind; bei 170 °C tritt beginnende Kristallinität auf, und bei 210 °C deuten ausgeprägte Peaks bei 2θ = 30,3° und 35,4° auf verstärktes Kornwachstum hin. Die Oberflächenmorphologie (Abb. 3) zeigt eine Zunahme der quadratischen Mittelrauheit (RMS) von 0,36 nm bei 160 °C auf 1,15 nm bei 210 °C, was mit der Kristallitengröße korreliert.

Hochauflösende XPS-Spektren (Abb. 4) zeigen bei 160 °C einen C-1s-Peak bei 289,8 eV (C–O), der bei 180 °C abnimmt und bei 200 °C verschwindet, was auf reduzierte Kohlenstoffkontamination bei höheren Temperaturen hinweist. In-3d-Spektren zeigen Dublett-Peaks bei 444,7 und 452,3 eV, die die In₂O₃-Bindung bestätigen. O-1s-Spektren zerfallen in O¹ (529,8 eV), O² (531,0 eV) und O³ (532,0 eV), die Gitter Sauerstoff, Sauerstoffvacanzen und –OH/CO-Spezies entsprechen. Mit steigender Temperatur steigt O¹ von 76 % auf 92 %, während O² von 16 % auf 4 % fällt, was eine signifikante Reduktion von Sauerstoffvacanzen und Hydroxylgruppen widerspiegelt.

Optische Absorption (Abb. 5) zeigt (αhν)² gegen Photonenenergie; die extrapolierten Bandlücken steigen von 3,42 auf 3,75 eV, wenn die Temperatur von 150 auf 200 °C ansteigt. Die Verbreiterung der Bandlücke wird auf reduzierte Sauerstoffvacanzen, geringere Kohlenstoffverunreinigungen und den Burstein-Moss-Shift durch erhöhte Trägerkonzentration in größeren Körnern zurückgeführt.

Die gefertigten TFTs zeigten zunächst einen leitenden Kanal aufgrund hoher Sauerstoffvacanzendichte. Das Nachglühen an der Luft bei 300 °C für 2 h führte zu typischem Schaltverhalten. Eine Verlängerung auf 10 h verschob die Schwelle positiv weiter und verbesserte den Subthreshold-Swing auf 0,32 V/dec. Bei 11 h verschlechterte sich die Leistung, wahrscheinlich durch übermäßige Kristallisationsänderungen oder Ti-Elektrodenoxidation. Ein 10 h geglühtes Bauelement erreichte eine Feldeffekt-Mobilität von 7,8 cm²/V·s, V_th von –3,7 V und ein Ein-/Aus-Verhältnis von 10⁷.

XPS-Analysen von Filmen, die 2–11 h geglüht wurden (Tabelle 3), zeigen, dass sich das In:O-Verhältnis dem stöchiometrischen 1:1,5-Wert annähert, was die Passivierung von Sauerstoffvacanzen bestätigt. Übermäßiges Glühen verschlechterte jedoch die Bauteilleistung, was die Notwendigkeit optimierter Glühzeiten unterstreicht.

Schlussfolgerungen

Die ALD von In₂O₃-Filmen mit InCp- und H₂O₂-Vorläufern liefert eine schnelle, gleichmäßige Wachstumsrate von 1,46 Å pro Zyklus bei 160–200 °C. Höhere Abscheidungstemperaturen erhöhen die Kristallinität und reduzieren markant Sauerstoffvacanzen und Kohlenstoffkontamination, wodurch die optische Bandlücke zunimmt. Als Kanalschicht in TFTs mit ALD-Al₂O₃-Gatedielektrika integriert, ergeben die In₂O₃-Filme nach 10 h Luftglühen bei 300 °C Bauteile mit einer Feldeffekt-Mobilität von 7,8 cm²/V·s, einem Subthreshold-Swing von 0,32 V/dec und einem Ein-/Aus-Verhältnis von 10⁷. Diese Ergebnisse demonstrieren die Eignung von tieftemperatur-ALD-In₂O₃ für hochleistungsfähige transparente Elektronik.