《Applied Surface Science》：Oxygen-source-driven dielectric and interface engineering of ALD Al2O3 for high-performance and stable p-type SnO thin-film transistors
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氧源调控原子层沉积Al2O3栅介质对p型SnO薄膜晶体管性能与稳定性的影响研究。通过H2O、O2等离子体和O3三种氧源沉积的ALD Al2O3栅介质，系统调控了氧空位密度和界面陷阱，实现了线性场效应迁移率1.35 cm2/V·s、亚阈值摆幅0.24 V/dec、高关断/导通电流比10^6的SnO TFT最优性能，且经10000秒应力测试阈值电压漂移仅-0.52 V。
彭代|宋家龙|董朝然|高泽宁|张俊明|王一鸣|张嘉伟|李旭翔|辛倩|宋阿敏
中国山东省济南市山东大学集成电路学院纳米器件与集成技术中心，邮编250100
摘要
本文系统研究了在原子层沉积（ALD）Al2 O3 栅介电层中选择不同氧源对p型SnO薄膜晶体管（TFTs）性能和稳定性的影响。通过使用H2 O、O2 等离子体和O3 作为氧前驱体来调节介电表面化学性质，有效控制了SnO TFTs的界面陷阱密度和偏压应力稳定性。采用H2 O制备的Al2 O3 的TFTs表现出1.35 cm2 /V?s的线性场效应迁移率、0.24 V/dec的陡峭亚阈值摆幅以及超过106 的导通/关断电流比。结合XPS分析的电学表征表明，H2 O基工艺降低了氧空位和界面/近界面陷阱的密度。横截面透射电子显微镜（TEM）进一步表明，这种介电表面促进了SnO的微观结构优化，而O3 基样品则观察到了垂直取向的晶界。因此，实现了优异的偏压应力稳定性，在10,000秒的应力作用下阈值电压仅发生了-0.52 V的变化。本研究表明，在ALD Al2 O3 中采用氧源工程是一种实现高性能和稳定p型氧化物TFT的有效策略。
引言
2 O
3 ）因其高介电常数、优异的热稳定性和与原子层沉积（ALD）的兼容性而被广泛用作氧化物TFT的栅介电层，这使得在适合BEOL集成的相对较低温度下能够生长出高质量的薄膜[18]、[20]、[21]。然而，ALD Al
2 O
3 的电学性质对氧相关缺陷和氢的掺入非常敏感，这些性质在很大程度上取决于沉积过程中氧源的选择[22]、[23]、[24]。先前的研究表明，不同的氧前驱体可以显著改变Al
2 O
3 中的氧空位（O
Vac ）密度、羟基含量和等离子体诱导的缺陷，从而影响介电泄漏、电荷陷阱和可靠性[24]、[25]、[26]。尽管有这些认识，但关于ALD Al
2 O
3 中氧源依赖的缺陷如何影响p型SnO TFTs的界面质量和偏压稳定性的系统理解仍然不足。
在这项工作中，系统研究了在ALD Al
2 O
3 栅介电层中通过控制氧源进行缺陷工程以优化p型SnO TFTs的性能。使用H
2 O、O
2 等离子体和O
3 作为氧源沉积Al
2 O
3 薄膜，从而有目的地调节氧相关缺陷和界面陷阱态。将这些介电层集成到SnO TFTs中后，全面考察了介电缺陷化学性质对电荷陷阱行为、载流子传输和偏压应力稳定性的影响。这些结果建立了氧前驱体选择、介电缺陷态、界面质量和器件稳定性之间的直接关联，为BEOL兼容的p型氧化物TFTs的栅介电层和界面工程提供了实用指导。
结果与讨论
图1展示了底部栅极、顶部接触p型SnO TFTs的制备过程。使用三甲铝（TMA）作为Al前驱体，并结合三种不同的氧源（H2 O、O2 等离子体和O3 ）沉积ALD Al2 O3 栅介电层，随后进行SnO通道沉积、沉积后退火、S/D电极形成和SiNx 钝化处理。ALD Al2 O3 薄膜的相应沉积参数总结在表1中。
结论
<总结来说，本文系统研究了在ald>
2 O
3 栅介电层中通过控制氧源进行缺陷工程对其p型SnO TFT性能和稳定性的影响。通过使用H
2 O、O
2 等离子体和O
3 作为氧源，有目的地调节了Al
2 O
3 的缺陷化学性质和电活性陷阱态。XPS和MOS电容器分析显示，氧相关缺陷态Δ
V FB 和
N BT显著依赖于氧源的选择。这些结果表明...
CRediT作者贡献声明
彭代： 撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析。
宋家龙： 验证、数据分析。
董朝然： 软件开发、数据分析。
高泽宁： 验证、数据分析。
张俊明： 软件开发、数据分析。
王一鸣： 数据分析。
张嘉伟： 验证、软件开发、数据分析。
李旭翔： 撰写——审稿与编辑、监督、方法论制定、资金申请、概念构思。
辛倩： 撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
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致谢
<本工作得到了山东省自然科学基金（zr2025zd32、zr2022zd05和zr2022zd04）的财政支持。>
