组分工程：原子层沉积生长铟镓氧化物薄膜晶体管的迟滞抑制与电学特性增强

《Applied Surface Science》：Composition engineering for hysteresis suppression and enhanced electrical characteristics in ALD-Grown Indium–Gallium oxide thin-film transistors

　　

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  ALD超循环工程可精确控制InGaO薄膜中Ga的掺入。
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  增加Ga的掺入可抑制与氧缺陷相关的缺陷。
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  通过Ga掺入，界面陷阱密度降低了约50%。
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  双扫描迟滞从2.1 V显著抑制至0.2 V。

引言

单体三维（M3D）集成要求在金属化（BEOL）工艺的热预算范围内进行晶体管制造，即在预先制备好的晶体管和互连结构上形成额外的器件层[1], [2], [3], [4], [5]。传统硅（Si）基沟道技术依赖高温结晶和掺杂激活工艺，限制了其在BEOL条件下的适用性。氧化物半导体因其低温工艺适用性、高电子迁移率和低关态电流而成为BEOL集成的有前景的沟道材料[6], [7], [8]。

在各种二元氧化物半导体中，In₂O₃因其源自空间延展的In 5 s轨道的高电子迁移率和低关态电流特性而作为沟道材料被广泛研究[9], [10]。In–O网络是许多In基氧化物半导体中的主要导电通路，可实现高效的载流子输运。然而，In₂O₃固有的高载流子浓度和与氧缺陷相关的缺陷往往导致负的阈值电压（V_th）、迟滞行为和电学不稳定性，这可能限制器件可靠性和实际应用[11], [12], [13]。

已采用多种沉积技术，包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD），用于氧化物半导体的制备。PVD工艺由于其方向性沉积特性，通常存在较差的台阶覆盖率，而CVD工艺通常需要较高的工艺温度才能获得高质量的氧化物半导体薄膜。相比之下，ALD通过自限性表面反应提供了优异的保形性、精确的厚度控制和优越的均匀性。此外，ALD超循环工程可通过循环比例控制实现对薄膜组成的系统调节，为研究成分依赖的结构和电学特性提供了一个多功能平台[14], [15], [16]。

为了改善氧化物半导体的电学特性，已探索了各种方法，如工艺优化、沉积后处理和成分工程[17], [18]。在这些策略中，成分调制提供了通过改变沟道成分来控制缺陷特性的直接途径。特别是，Ga的掺入已被广泛采用，因为与In–O键相比，更强的Ga–O键可以抑制与氧缺陷相关的缺陷和过剩载流子的产生。因此，精确控制Ga掺入对于理解沟道成分、缺陷特性和晶体管性能之间的关系至关重要。尽管已有几项研究报告了Ga掺入对氧化物半导体沟道的有益效果，但系统研究ALD超循环控制的Ga掺入与缺陷特性、有效陷阱密度（D_it,eff）和双扫描迟滞行为之间的关联仍然有限。特别是，Ga循环比对ALD生长的铟镓氧化物（IGO）薄膜晶体管的结构演化、化学键合状态、载流子输运特性和电学特性的影响尚未得到全面阐明。

在本研究中，利用ALD超循环工程制备了五种不同In:Ga循环比（10:0、12:1、4:1、3:1和1.5:1）的ALD生长IGO薄膜晶体管。系统地研究了Ga掺入对IGO薄膜结构、化学和电学特性的影响。特别关注于理解Ga循环比、与氧缺陷相关的缺陷、D_it,eff、载流子输运行为和双扫描迟滞特性之间的关系。研究结果为实现电学稳定的氧化物半导体TFT的成分工程策略提供了见解，使其适用于低温BEOL兼容集成。

章节摘要

薄膜制备与器件制造

In₂O₃和IGO薄膜使用流动波式ALD系统（PLATINA-100，Nainsol Co., Ltd）沉积。分别采用二甲基氨基丙基二甲基铟（DADI，Lake Materials Co., Ltd.）和三甲基镓（TMGa，Lake Materials Co., Ltd.）作为In和Ga的前驱体。DADI气瓶维持在50 °C以确保足够的蒸气压，而TMGa气瓶保持在室温。高纯Ar（>99.999%）作为载气和吹扫气，流量为

结果与讨论

图3(a)展示了通过EDXRF测定的In和Ga的面密度随In ALD循环比的变化关系，总In₂O₃循环数保持在120。随着Ga循环比的增加，Ga的面密度相应增加。相比之下，尽管In₂O₃循环数固定，In的面密度却降低了。这种行为归因于DADI前驱体的自限性表面反应，该反应会留下未反应的表面羟基（–OH）位点。因此，

结论

在本研究中，采用ALD超循环工程系统控制IGO薄膜晶体管中Ga的掺入，并研究了其对薄膜结构、化学和电学特性的影响。增加Ga循环比逐步抑制了Bixbyite In₂O₃的结晶度，同时改变了氧化物半导体沟道的化学键合环境。XPS分析显示，与氧缺陷相关的O 1s分量随

CRediT作者贡献声明

Kang Choi：撰写—原稿、可视化、验证、方法论、调查研究、形式分析、数据管理。Dong-Geun Kim：验证、方法论、形式分析。Su-Jin Sim：验证、方法论、形式分析。Ji-Hoon Ahn：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由韩国前瞻半导体研究合作与高技术方案（K-CHIPS）资助（RS-2025-02219463（25077-15FC）），由韩国贸易、产业和能源部（MOTIE）提供资金支持。

Kang Choi|Dong-Geun Kim|Su-Jin Sim|Ji-Hoon Ahn