Deposición por Capas Atómicas a Baja Temperatura de Nanopelículas de In₂O₃ para Transistores de Película Fina de Alto Rendimiento

Introducción

El óxido de indio (In₂O₃) es un semiconductor de óxido metálico transparente con una banda prohibida ancha (~3,7 eV) a temperatura ambiente, alta transparencia a luz visible y excelente estabilidad química. Es por tanto un material clave para dispositivos fotovoltaicos, sensores electroquímicos y pantallas planas. Técnicas de deposición convencionales —pulverización catódica, sol-gel y deposición química de vapor (CVD)— a menudo sufren de mala uniformidad en grandes áreas, composición elemental inexacta o altas temperaturas de deposición (>300 °C). Estas limitaciones dificultan la creación de películas de In₂O₃ uniformemente gruesas y composicionalmente precisas a bajas temperaturas.

La deposición por capas atómicas (ALD) ofrece cobertura de escalones superior, control de espesor a escala atómica, excelente uniformidad y temperaturas de procesamiento más bajas. Estudios previos de ALD de In₂O₃ han empleado precursores como InCl₃–H₂O, InCl₃–H₂O₂, InCp–O₃, InCp–O₂–H₂O y (CH₃)₃In–H₂O. Sin embargo, estos procesos típicamente requieren temperaturas de 200–500 °C, producen tasas de crecimiento bajas (0,25–0,40 Å por ciclo) y generan subproductos corrosivos de HCl que pueden dañar equipos y la película. Precursores basados en TMIn logran tasas de crecimiento más altas (1,3–2 Å por ciclo) pero aún requieren temperaturas arriba de 200 °C.

En este trabajo, proponemos InCp y H₂O₂ como precursores para ALD de In₂O₃, permitiendo deposición a temperaturas más bajas con tasas de crecimiento satisfactorias. Las películas resultantes se caracterizaron por sus propiedades estructurales, químicas y ópticas, e integraron en TFTs con dieléctricos de compuerta Al₂O₃ depositados por ALD para evaluar rendimiento eléctrico.

Experimental

Obleas Si (100) se limpiaron con proceso RCA estándar para servir como sustratos. Películas de In₂O₃ se depositaron en obleas prelimpiadas usando un sistema ALD Wuxi MNT Micro Nanotech a 150–210 °C. InCp (pureza 99,999 %) y H₂O₂ acuoso al 30 % se mantuvieron a 130 °C y 50 °C respectivamente, con gas de purga nitrógeno. Para evaluar la película funcional, se fabricaron TFTs con canal In₂O₃: un dieléctrico de compuerta Al₂O₃ de 38 nm se creció a 200 °C sobre sustrato p-Si (100) (<0,0015 Ω·cm) vía ALD de trimetilaluminio y H₂O; un canal In₂O₃ de 20 nm se depositó a 160 °C; contactos fuente/drenaje Ti/Au (30 nm/70 nm) se definieron por litografía óptica, evaporación por haz de electrones y lift-off. Los dispositivos se recocieron en aire a 300 °C por tiempos variables.

La caracterización incluyó difracción de rayos X (Bruker D8 Discover), microscopía de fuerza atómica (Bruker Icon), espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (Kratos Axis Ultra DLD), espectroscopía UV-VIS y elipsometría (Sopra GES-SE). Mediciones eléctricas emplearon un analizador de parámetros semiconductor Agilent B1500A con estación de sondas Cascade a temperatura ambiente en aire ambiente.

Resultados y Discusión

La Figura 1a ilustra la tasa de crecimiento versus temperatura de sustrato. Una tasa estable de ~1,46 Å por ciclo se logra entre 160 y 200 °C, indicando una ventana de crecimiento rápido para ALD In₂O₃. A 150 °C la tasa sube por condensación de InCp, mientras que a 210 °C aumenta por descomposición térmica de InCp. La Figura 1b muestra crecimiento lineal del espesor con el número de ciclos ALD a 160 °C, confirmando deposición uniforme.

a Tasa de crecimiento de película ALD In₂O₃ en Si en función de temperatura de sustrato, y b dependencia del espesor de la película con el número de ciclos ALD a 160 °C.

Patrones de difracción de rayos X (Fig. 2) revelan que películas depositadas a ≤160 °C son amorfas; a 170 °C aparece cristalinidad incipiente, y a 210 °C picos pronunciados a 2θ = 30,3° y 35,4° indican crecimiento de grano mejorado. Morfología superficial (Fig. 3) muestra aumento de rugosidad cuadrática media (RMS) de 0,36 nm a 160 °C a 1,15 nm a 210 °C, correlacionando con tamaño de cristalitos.

Patrones de difracción de rayos X de películas In₂O₃ depositadas a diferentes temperaturas por 250 ciclos.

Imágenes AFM de películas In₂O₃ a 160 °C (a), 180 °C (b), 200 °C (c) y 210 °C (d), con 250 ciclos cada una.

Espectros XPS de alta resolución (Fig. 4) muestran un pico C 1s a 289,8 eV (C–O) a 160 °C, que disminuye a 180 °C y desaparece a 200 °C, indicando contaminación de carbono reducida a temperaturas mayores. Espectros In 3d muestran picos dobletes a 444,7 y 452,3 eV, confirmando enlace In₂O₃. Espectros O 1s se descomponen en componentes O¹ (529,8 eV), O² (531,0 eV) y O³ (532,0 eV), correspondientes a oxígeno de red, vacancias de oxígeno y especies –OH/CO respectivamente. Al aumentar temperatura, O¹ sube de 76 % a 92 %, mientras O² baja de 16 % a 4 %, reflejando reducción significativa de vacancias de oxígeno e hidroxilos.

Espectros de alta resolución a C 1s, b In 3d y c O 1s de películas In₂O₃ depositadas a 160, 180 y 200 °C. Muestras grabadas con bombardeo Ar in-situ 6 min antes de medición.

Absorción óptica (Fig. 5) muestra (αhν)² versus energía de fotón; las bandas prohibidas extrapoladas aumentan de 3,42 a 3,75 eV al subir temperatura de 150 a 200 °C. El ensanchamiento de banda se atribuye a vacancias de oxígeno reducidas, menores impurezas de carbono y desplazamiento Burstein-Moss por mayor concentración de portadores en granos mayores.

a (αhν)² vs energía de fotón para películas In₂O₃ a diferentes temperaturas; b banda prohibida extraída vs temperatura de deposición.

Los TFTs fabricados mostraron inicialmente canal conductor por alta densidad de vacancias de oxígeno. El recocido en aire a 300 °C por 2 h introdujo comportamiento de conmutación típico. Extender recocido a 10 h desplazó voltaje umbral positivamente y mejoró subumbral a 0,32 V/dec. A 11 h el rendimiento degradó, probablemente por cambios excesivos de cristalización u oxidación de electrodos Ti. Un dispositivo recocido 10 h alcanzó movilidad de efecto de campo 7,8 cm²/V·s, V_th de –3,7 V y relación encendido/apagado 10⁷.

a Características de transferencia de TFTs In₂O₃ recocidos a 300 °C por varios tiempos; b Características de salida tras 10 h recocido.

Análisis XPS de películas recocidas 2–11 h (Tabla 3) muestra relación In:O acercándose al valor estequiométrico 1:1,5, confirmando pasivación de vacancias de oxígeno. Recocido excesivo deterioró rendimiento, subrayando necesidad de tiempo de recocido optimizado.

Conclusiones

ALD de películas In₂O₃ usando precursores InCp y H₂O₂ entrega tasa de crecimiento rápida y uniforme de 1,46 Å por ciclo a 160–200 °C. Temperaturas de deposición mayores mejoran cristalinidad mientras reducen marcadamente vacancias de oxígeno y contaminación de carbono, aumentando banda óptica prohibida. Cuando se incorporan como capa de canal en TFTs con dieléctricos Al₂O₃ por ALD, las películas In₂O₃ producen dispositivos que, tras 10 h recocido en aire a 300 °C, exhiben movilidad 7,8 cm²/V·s, subumbral 0,32 V/dec y relación encendido/apagado 10⁷. Estos resultados demuestran viabilidad de ALD In₂O₃ a baja temperatura para electrónica transparente de alto rendimiento.