高功率脉冲磁控溅射中溅射压强对IGZO薄膜结构有序化的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Pressure-dependent structural ordering of IGZO thin films by high-power pulsed magnetron sputtering

　　

研究人员系统研究了在高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)沉积In–Ga–Zn–O(IGZO)薄膜过程中，溅射压强对薄膜结构与电学性能的影响。通过将沉积压强控制在0.65至3.0?Pa之间，HPPMS沉积过程中的等离子体特性发生显著改变。光学发射光谱(OES)显示较低压强下电离物种发射的相对贡献增加，表明薄膜生长过程中等离子体活性增强。尽管整个沉积过程中衬底温度低于70?°C，X射线衍射(XRD)分析表明在约1.5?Pa的优化压强区域内出现了结构有序且部分结晶的IGZO相。X射线光电子能谱(XPS)进一步证明优化生长条件促进了金属–氧键合，同时降低了与缺氧键合环境相关的高结合能O 1s组分。沉积后退火后，由1.5?Pa沉积薄膜制成的IGZO薄膜晶体管(TFT)在所有研究条件中表现出最小的亚阈值摆幅。这些改善与压强控制薄膜生长带来的结构有序性增强及缺陷密度降低有关。本研究结果表明溅射压强在调控HPPMS沉积IGZO薄膜结构演变中起关键作用，并为低温沉积条件下压强控制生长行为提供了深入见解。

研究背景方面，宽禁带氧化物半导体在下一代电子学中占据重要地位，其中非晶In-Ga-Zn-O(a-IGZO)已成为先进显示背板薄膜晶体管(TFT)的标准沟道材料，并因极低漏电流在2T0C动态随机存取存储器(DRAM)与存内计算架构中受到关注。然而非晶网络固有的结构无序会产生亚隙缺陷态与氧相关亚稳缺陷，导致阈值电压不稳定、偏压应力退化与载流子陷阱效应，在高密度存储与单片三维集成中尤为关键。传统热结晶需高于300?°C，与后端布线(BEOL)低温约束不兼容。研究人员此前已证明高功率脉冲磁控溅射(HPPMS)可在低温下诱导IGZO结构有序，但溅射压强如何系统调控等离子体特性、结构演变、化学键态与电学性能尚未厘清。该论文发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，其意义在于提出一种压强可控、与BEOL兼容的非平衡低温结构有序路线。

关键技术方法上，研究人员在圆柱形不锈钢腔体中使用直径2英寸的烧结In:Ga:Zn:O=1:1:1:4?at%靶材，以HPPMS（峰值功率密度约1?kW/cm²、脉宽9?μs、频率500?Hz、占空比0.45%）在总压0.65–3.0?Pa、氧流量比O₂/(Ar+O₂)=2%条件下于n型Si/SiO₂与石英衬底沉积30?nm薄膜；衬底无主动加热，温升由热电偶监测。表征采用光学发射光谱(OES)测等离子体物种强度比，X射线衍射(XRD)判结构，X射线光电子能谱(XPS)以Mg-Kα源与C 1s=284.8?eV定标并解卷积O 1s，所有TFT样品统一在干O₂中400?°C退火60?分钟，再经光刻剥离制底栅顶接触TFT（沟道宽200?μm、长100?μm，Ti源漏120?nm），用Keithley 4200-SCS测转移/输出特性并按饱和区公式提取场效应迁移率μ_FE与亚阈值摆幅S。

研究结果部分，3. Results and discussion中首先给出等离子体特性：OES显示随压强降低Ar⁺/Ar、In⁺/In、Ga⁺/Ga、Zn⁺/Zn、O⁺/O强度比上升，归因于低压下电子平均自由程增大、碰撞频率降低使电离与激发相对增强，但OES仅作定性指示。衬底温度曲线表明全压强下低于70?°C，高压略升温源于气相碰撞热化，排除常规热结晶主导。XRD显示3.0?Pa近非晶，约1.5?Pa出现(220)与(440)衍射峰，证明低压HPPMS的非平衡离子辅助生长可在宏观低温下促成有序前驱结构，且1.5?Pa附近因电离、输运、碰撞与表面能量窗口匹配而最优，过低压强(0.65?Pa)因过高能粒子通量引入损伤，过高压强(3.0?Pa)因碰撞热化能损过大抑制重排。O 1s XPS将谱峰分为晶格M–O(~530.1?eV)、缺氧/氧空位相关高结合能组(~531.1?eV)与羟基(~532.3?eV)；随压强系统变化，1.5?Pa下M–O占比最高、高结合能组最低。400?°C退火后所有样品高结合能组下降，但1.5?Pa样品降幅最大，说明沉积前驱结构决定后续热弛豫效率。TFT电学显示退火后1.5?Pa器件μ_FE≈7.88?cm²/Vs、S≈0.27?V/dec为最优；0.65?Pa虽表观μ_FE高但关态电流大、开关不稳；3.0?Pa驱动电流衰败、亚阈值劣化。该趋势与XRD有序度、XPS缺氧组衰减一致，符合亚植模型(subplantation)能量窗口概念：压强经气相碰撞调制到达粒子能谱，1.5?Pa处于促进有序且不过损伤的区间。

讨论部分指出，压强并非单调越低越好，而是通过对入射物种能谱、通量、碰撞热化与表面重排平衡来调控前驱网络；1.5?Pa前驱态在统一退火下最利晶格氧网恢复与陷阱抑制，证明HPPMS沉积压强是低温氧化物半导体结构演生的主控参量之一，且前驱结构记忆效应显著影响退火力响应。

结论部分翻译如下：本研究系统考察溅射压强对HPPMS沉积IGZO薄膜结构演变与电学性质的影响。光学发射光谱揭示压强降低使电离物种发射相对贡献增加，提示到达衬底能谱的压强依赖性。尽管沉积时衬底低于70?°C，仍在约1.5?Pa观察到最强结构有序，表明非平衡离子辅助生长而非常规热激活主导演变。化学分析显示优化压强促进金属–氧键并削减缺氧相关高结合能O 1s组；同条件干O₂退火后1.5?Pa薄膜该组衰减最大且TFT亚阈值摆幅最小，证明沉积前驱结构统摄后续热弛豫。因此1.5?Pa HPPMS可在低工艺热预算下获有序IGZO，为后端兼容氧化物电子提供压强调控路线。