热原子层沉积法制备高性能氧化锡场效应晶体管

转自：Materials Today Communications

论文信息：Park C, Kim S, Lee D, et al. High-performance tin oxide field-effect transistors deposited by thermal atomic layer deposition[J]. Materials Today Communications, 2023, 37: 107064.

论文链接：journal homepage: www.elsevier.com/locate/mtcomm

研究背景

随着硅晶体管的横向集成接近其物理极限，在垂直集成方面也有了重大发展，也被称为超尺度。该方法旨在通过垂直堆叠组件来增加单位面积的设备密度。垂直集成的两个常见概念是“逻辑对逻辑”和“存储对逻辑”集成，其中晶体管与底层硅逻辑电路单片集成。对于这种单片三维(M3D)集成，集成工艺与Si技术的后端(BEOL)工艺兼容是至关重要的。这种兼容性确保了工艺温度不得超过400°C，这对于保护集成组件的金属互连是必要的。在集成过程中，保持低于该阈值的温度对于避免损坏脆弱的互连结构至关重要。

研究内容

本文研究了退火环境对SnO2基场效应晶体管(FET)性能的影响，同时坚持热预算约束(工艺温度< 450◦C)。采用热原子层沉积(T-ALD)法制备SnO2薄膜。在400◦C下退火2小时后，观察到在O2环境下退火导致SnO2薄膜具有过多的背景载流子，这使得通道难以完全耗尽。相反，在N2环境中退火导致了一个不稳定的通道，不能有效调制，尽管载流子浓度比O2退火膜低一个数量级。令人惊讶的是，在空气环境中退火的器件表现出最好的性能。X射线光发射光谱显示，在O2环境下退火导致更高的氧空位水平，而在N2环境下退火更有效地产生化学计量SnO。

为了形成SnO2台面，使用稀释的HCl溶液进行湿蚀刻。在此过程中观察到的典型蚀刻速率为0.26 nm/s。本研究主要研究了两种不同的通道尺寸:(15µm宽，30µm长)和(8µm宽，5µm长)。在台面蚀刻之后，样品在不同的环境条件下，即空气，O2或N2，在400°C下退火2小时。在退火之前必须对SnO2进行蚀刻，因为一旦SnO2经历再结晶，蚀刻速率就会显著降低。对于源(S)和漏(D)的沉积，采用电子束蒸发器沉积Ti/Au层。装置结构和工艺流程如图1所示。利用半导体参数分析仪(KEYSIGHT HP4156-C)对制备器件的电性能进行了分析。

图1 器件制作工艺示意图。

图2显示了研究不同条件下退火的SnO2通道场效应管的VDS-IDS特性。FET的通道宽度(W)/长度(L)为15/30µm。输出电流IDS测量栅极电压范围为−10-10 V，步长为2 V。本研究制造的所有器件均具有损耗型场效应管的典型输出特性。在不同的退火条件下，在O2中退火的SnO2通道(图2 (a))显示出比其他器件更高的输出电流，表明通道电导率更高。相反，在N2中退火的器件(图2(b))显示出低一个数量级的输出电流。这种较低的输出电流可归因于N2退火通道电导率的下降。虽然空气退火器件(图2(c))与O2退火器件相比具有较低的IDS，但它具有更好的掐断特性。

图2 (a) O2，(b) N2，(c)，空气，(d)有Al2O3钝化层的SnO2 FET的输出曲线。

未退火样品(图3(a))的O 1s谱可以解卷积成两个结合能，Sn2+-O和Sn4+-O的结合能分别为529.8±0.1和530.5±0.1 eV。在原样样品的情况下，XPS结果表明，由于缺乏VO，薄膜不导电，VO充当浅供体。此外，由于阳离子空位，SnO表现出p型电导率，这表明导电电子可能被阳离子空位补偿。三种退火条件均可形成VO，如图3(b)-(d)所示。然而，Sn4+-O和Sn2+-O键的相对数量在不同样品中有所不同。O2退火后的样品Sn4+-O和VO均显著增加。这可以部分归因于SnO2中VO的形成能比SnO低。XPS结果与霍尔和器件结果一致，也表明载流子浓度相对较高。然而，富氧环境增加VO的原因尚不清楚，其与抑制晶粒生长的潜在相关性有待进一步研究。空气退火样品显示出与O2退火样品相似的XPS光谱。不同之处在于在空气退火样品中观察到较高的Sn2+-O比例和较低的VO量。

图3 (a)原形，(b) O2退火，(c)空气退火，(d) N2退火SnO2薄膜的XPS光谱。

总结与展望

在本研究中，研究了退火环境对SnO2 FET器件性能的影响，目的是开发与BEOL兼容的器件。采用T-ALD沉积形成SnO2通道。观察到，400◦C O2退火导致薄膜中载流子数量过多，防止通道完全耗尽。另一方面，在N2环境下退火的薄膜可能由于晶界缺陷而表现出有限的调制。该器件具有更薄的通道，可以在增强模式下工作，同时保持优异的器件特性

虽然之前有关于利用溅射和自旋镀膜技术的SnO2基FET的报道，但本研究首次报道了使用T-ALD的SnO2 FET。与含N氧化物膜一样，SnO2也有望成为CMOS技术的超尺度通道材料。未来的研究将包括制造和分析亚微米通道，以进一步探索SnO2在先进器件应用中的潜力。