通过两阶段低温缺陷减少退火技术调控p型氧化亚锡的氧化态

《Solid-State Electronics》：Oxidation state modulation for p-Type stannous oxide with Two-Stage low temperature defect reduction annealing

两阶段低温缺陷减少退火处理显著提升了SnO薄膜晶体管的性能，on/off比达1.22×10^4，载流子迁移率提高至0.44 cm2/V·s，关态电流降低50.2%且亚阈值摆幅未恶化。研究揭示了Sn2?比例优化与缺陷协同调控的内在机制。

　　

Zhibo Zeng|Kai-Jhih Gan|Wenjie Lei|Shiyu Zeng|Jialong Xiang|Bojun Zhang|Kuei-Shu Chang-Liao|Cheng-Chang Yu|Po-Chung Huang|Dun-Bao Ruan

福州大学-晋江联合微电子研究所物理与信息工程学院，中国福州350108

摘要

本研究采用两阶段低温缺陷还原退火处理来调节氧化态并减少氧化锡（SnO）薄膜晶体管（TFT）的缺陷。随着Sn²⁺比例的增加和缺陷的减少，p型SnO TFT的器件稳定性和载流子迁移率得到了提升。经过两阶段低温缺陷还原退火处理的SnO TFT具有1.22 × 10⁴的开关比、0.44 cm²/V·s的场效应迁移率，以及50.2%的I_OFF降低，且未出现亚阈值摆幅下降。通过对材料的详细分析，本文很好地探讨了SnO中缺陷减少的内部物理机制。这些发现有望为高性能TFT提供技术方法。

引言

非晶氧化物半导体（AOS）薄膜晶体管（TFT）因其优异的电学性能、较低的沉积温度和出色的可扩展性而被广泛认为是下一代高性能电子技术的核心[[1], [2], [3], [4]]。目前报道的大多数AOS TFT成果都是基于n型器件[5,6]。为了与后端互补金属氧化物半导体工艺兼容并匹配n型AOS TFT的性能，需要开发高迁移率的p型TFT。近期研究重点关注了包括SnO、CuO和NiO在内的多种p型材料[7]。价带最大值（VBM）是载流子传输的关键能级。大多数p型TFT的VBM主要由局域化的O 2p轨道决定，这导致了较低的迁移率。SnO具有独特的能带结构，其VBM主要由Sn 5s和O 2p轨道的强杂化形成。根据第一性原理计算，SnO中载流子的理论最大迁移率为60 cm²/V·s[8,9]。这一值与高性能n型氧化物的迁移率相当，从而简化了电路设计过程[[10], [11], [12]]。然而，SnO薄膜的特性在很大程度上取决于制备方法和价态组成[[13], [14], [15], [16], [17]]。

由于Sn²⁺状态的热力学不稳定性，SnO容易发生价态波动。在器件制备过程中，Sn²⁺状态可能会还原为金属锡（Sn⁰）或氧化为Sn⁴⁺[[18], [19], [20], [21], [22], [23]]。这些转变会显著降低薄膜的电学性能和基于SnO的器件的稳定性。以往的研究主要集中在单阶段优化各个参数上，如时间、温度和气氛[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]]。为了提高器件性能，常用的方法是在空气环境中将器件退火60分钟（200°C）。室温下的磁控溅射具有高均匀性、精确的厚度控制和大面积兼容性等优点，因此适用于SnO薄膜的制备。但室温磁控溅射的SnO薄膜存在明显的局限性，表现为非晶结构、低价态Sn杂质和间隙Sn（Sn_i）缺陷。然而，这些研究中尚未实现缺陷减少与Sn组成调节之间的完全协同优化。

本研究采用两阶段低温缺陷还原退火方法系统地研究了快速热退火（RTA）对SnO薄膜氧化态调节的影响。电学表征表明，在不降低导通状态电流的情况下，可以提高迁移率并降低关断状态电流。本研究为高性能p型SnO TFT的制备和氧化态调节提供了新的策略。

实验部分

实验

为了制备底栅p型SnO TFT，首先使用三甲基铝（TMAi, Al(CH₃)₃作为铝前驱体，通过原子层沉积（ALD）方法沉积了10 nm厚的Al₂O₃层作为栅极介质。然后，使用直径为2英寸的金属Sn靶材，通过直流磁控溅射在Al₂O₃栅极介质上沉积了约16 nm厚的SnO层。在器件制备过程中，使用阴影掩模定义了TFT沟道图案，其宽度（W）为500 μm，长度（L）为50 μm。

结果与讨论

本研究通过两阶段低温缺陷还原退火处理提高了SnO TFT的性能。样品的分割和工艺流程如图1(a)和表1所示。这些样品的命名如下：(S1) 未处理（原始沉积状态）；(S2) 单次退火（SA）；(S3) TA-O₂（使用O₂进行两阶段退火）；(S4) TA-N₂（使用N₂进行两阶段退火），如图1(b)所示。该处理包括两个阶段：第一阶段是在空气环境中退火，

结论

本研究探讨了不同气氛下两阶段退火处理对SnO p型TFT的影响。使用TA-N₂处理成功提高了p型SnO TFT的电学性能。TA-N₂样品的开关比显著提高至1.22 × 10⁴，关断状态电流降低（从6.59 × 10^-9 A降至9.17 × 10^-10 A），μ_FE从0.31 cm²/V·s增加到0.44 cm²/V·s，且未出现亚阈值摆幅下降。通过详细的材料分析

CRediT作者贡献声明

Zhibo Zeng：撰写 – 原始草稿。 Kai-Jhih Gan：撰写 – 审阅与编辑。 Wenjie Lei：实验研究。 Shiyu Zeng：实验研究。 Jialong Xiang：实验研究。 Bojun Zhang：实验研究。 Kuei-Shu Chang-Liao：资源支持。 Cheng-Chang Yu：资源支持。 Po-Chung Huang：资源支持。 Dun-Bao Ruan：监督与资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号62204043、92464206和62574046）的支持；同时也得到了MIND项目（项目编号MINDKT202405和MINDKT202501）的支持。