利用N2O等离子体实现缺陷钝化与界面平滑处理，提升垂直通道氧化物TFT的迁移率与稳定性

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Defect passivation and interface smoothing by N2O plasma for enhanced mobility and stability in vertical channel oxide TFTs

　　

孙伟|彭聪|陈发祥|严国文|徐林|陈龙龙|邢如波|李希峰|张建华

中国上海市上海大学微电子学院，邮编201800

摘要

垂直薄膜晶体管的发展为突破平面架构的限制、推动电子技术进步提供了有力途径，但其性能却因背面通道界面处的等离子体诱导缺陷而受到严重制约。在此，我们提出一种高效的界面工程策略，即利用一氧化二氮等离子体处理来钝化In-Ga-Zn-O垂直薄膜晶体管中经过刻蚀的间隔层侧壁。系统分析表明，这种处理方式不仅能降低氧化硅间隔层的表面粗糙度，还能有效钝化悬挂键。因此，经过优化的垂直薄膜晶体管在电学性能上取得了显著提升，其场效应迁移率提高了一个数量级以上，开/关电流比提升了近两个数量级，且在负偏压应力下阈值电压仅发生0.2伏的变化。此外，多频率电容-电压分析将这些改进与界面陷阱密度的显著降低联系起来，进一步证明了N₂O等离子体在修复缺陷界面方面的关键作用。这项工作为制造可靠、高性能的垂直型电子器件提供了简便可行的方法。

引言

超高分辨率显示器的开发在很大程度上依赖于非晶态In-Ga-Zn-O（IGZO）薄膜晶体管，因为它们具有出色的电学性能[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。然而，在传统的平面架构中，沟道长度是由光刻技术决定的，通常在微米级别，这限制了像素密度的进一步提升。为了缩小器件尺寸，以实现更高的集成度和更快的开关速度[[7], [8], [9], [10]]，垂直沟道薄膜晶体管应运而生，成为一种具有变革意义的替代方案。垂直薄膜晶体管架构巧妙地将导电沟道形成在物理上分离的源极和漏极电极之间的间隔层垂直侧壁上。因此，垂直薄膜晶体管的沟道长度由间隔层厚度决定，这使得无需依赖复杂的图案化技术即可实现亚微米级的沟道长度。亚微米级的沟道长度不仅能够减小器件的尺寸，还能带来诸如更高的电流驱动能力等显著优势[[11], [12], [13]]。

然而，由于导电沟道是直接形成在干法刻蚀后的间隔层侧壁上，因此由此产生的背面通道界面容易受到刻蚀损伤的影响。刻蚀过程中的等离子体暴露会生成原子级的粗糙表面、悬挂键以及残留污染物，从而降低界面质量及器件性能[14,15]。这些缺陷会充当电荷捕获和散射中心，导致亚阈值摆幅下降、导通电流降低以及稳定性变差[16,17]。因此，减少背面通道界的缺陷对于提升垂直薄膜晶体管的电学性能至关重要。目前改善背面通道界面质量的常见方法包括高分辨率光刻技术[17]、插入钝化层[18]以及采用双有源层结构[19]。高分辨率光刻技术旨在通过精确的刻蚀工艺来最小化源极处的侧壁粗糙度[17]。插入钝化层则是在间隔层和有源层之间加入功能性中间层，以物理隔离并化学钝化有缺陷的界面[18]。双有源层结构则可以抑制背面通道缺陷对间隔层与有源层之间载流子传输的影响[19]。不过，这些方法往往需要先进的设备，且会增加工艺的复杂性。这种依赖性和复杂性不可避免地会给制造过程带来更多的变异性和不确定性。因此，迫切需要一种简单且稳定的方法来优化背面通道侧的界面。值得注意的是，近期的一些研究已经表明，一氧化二氮等离子体处理是一种高效的技术，它既能有效降低薄膜表面的粗糙度，又能同时钝化表面的悬挂键[[20], [21], [22]]。不过，关于利用等离子体处理来优化复杂垂直侧壁形态的研究还相对较少。

在这项工作中，我们提出了一种创新的基于等离子体的垂直薄膜晶体管界面工程策略，该策略利用N₂O等离子体处理间隔层刻蚀后的侧壁，从而有效抑制背面通道效应。这种处理方式通过物理轰击和化学反应的结合，降低了刻蚀后间隔层侧壁的表面粗糙度，同时还能钝化悬挂键。这种原位且损伤较小的界面修饰方法，为设计简单而有效的策略以实现高性能垂直晶体管的集成提供了重要思路。

章节节选

器件制备

制备过程首先是对玻璃基底进行超声清洗，依次使用丙酮、乙醇和去离子水清洗（每种液体清洗10分钟）。随后在室温下，通过直流溅射技术在500瓦的功率、0.6帕的压力以及22标准立方厘米/分钟的氩气流量条件下，依次沉积50纳米厚的钼层和50纳米厚的ITO层。接着，再通过等离子体增强化学气相沉积技术沉积300纳米厚的SiO₂间隔层，此时硅氢化物的气体流量为10标准立方厘米/分钟，一氧化二氮的气体流量为700标准立方厘米/分钟，射频功率为80瓦，

结果与讨论

图1(a)展示了垂直薄膜晶体管结构的示意性横截面图，清晰地显示了源极/漏极电极、垂直沟道以及沿侧壁分布的栅极结构。图1(b)则为通过扫描电子显微镜拍摄的横截面图像，证实了该器件已成功实现垂直集成，其中由干法刻蚀形成的陡峭侧壁构成了垂直沟道的核心区域。如补充材料中的图S1所示，IGZO层在整个结构中呈连续分布状态

结论

总之，通过通过对刻蚀后的间隔层侧壁进行N₂O等离子体钝化处理，我们成功制备出了高性能的垂直沟道IGZO薄膜晶体管。这种方法大幅提升了场效应迁移率，使得器件的开/关电流比达到了约10⁹，同时在偏压应力作用下，其阈值电压的稳定性也得到了显著改善。根据原子力显微镜和多频率电容-电压分析的结果，性能的提升源于界面粗糙度的有效降低以及界面的钝化处理

作者贡献说明

孙伟：数据整理、实验研究、方法设计、项目管理、结果验证、论文初稿撰写、论文审阅与修改。彭聪：定量分析、方法设计、论文审阅与修改。陈发祥：数据整理、项目管理、实验指导。严国文：定量分析、实验指导。徐林：定量分析、实验指导。陈龙龙：定量分析、方法设计、实验指导、结果验证、论文审阅与修改。邢如波：定量分析、实验指导。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持，相关资助项目编号分别为62304128、U22A6002以及62174105。