【技术文章】通过设计背沟道界面提高垂直薄膜晶体管的电学性能

  虚拟现实、增强现实和全息显示等现代技术在显示设备的探索和各种相关工业应用中受到了相当大的关注。基于这些技术的系统中如果想要提供高质量的图像，必须达到较高的分辨率。由于这些应用通常在移动显示器上实现，因此非常需要将薄膜晶体管 (TFT) 的空间面积降低。使用垂直沟道结构来缩小尺寸的垂直 TFT (VTFT) 是其中一种很有效的方法。但随着显示技术的发展，对分辨率的要求越来越高，VTFT 的尺寸效率也受到了研究人员的较大重视。在制作 VTFT 时，会对侧壁的背沟道区域进行干法刻蚀，这会导致缺陷。因此，必须考虑反向沟道缺陷对 VTFT 性能下降的影响。所以，Kwang-Heum Lee ^a, Seung Hee Lee ^a, Sang-Joon Cho ^b, Chi-Sun Hwang ^c, Sang-Hee Ko Park ^a 的研发团队在这方面做出了进一步的研究，对于提高 VTFT 的电性能起到了至关重要(原文链接-https://doi.org/10.1016/j.mee.2021.111676)。在这项研究中，修改了反向沟道接口，以表明其属性会影响 VTFT 的电学特性。通过结构和电学分析，验证了涉及钝化损坏表面或制造更光滑界面的反向沟道界面过程相当大地提高了 VTFT 的电学性能。以下就是具体的实验内容：

图1.(a) VTFT示意图;(b)设备沿 A–A’方向的横截面;(c)VTFT 的光学显微图像,红色条表示沟道区域。

  为了研究反向沟道特性对 VTFT 电学特性的影响，研究使用了两种不同的方法。第一个涉及钝化间隔物侧壁的表面(图2(a))在垂直结构的开发过程中，该表面被干法蚀刻较大地损坏。在不存在光致抗蚀剂的情况下进行干法蚀刻以从电极的表面接触区域去除 SiO₂ 膜。(图2(b))过程称为反向沟道钝化(BCP)。图2(c)–(e) 显示了对测试样品进行的 BCP 过程的 TEM 分析结果。这使我们能够观察到垂直区域新沉积的 SiO₂ 膜几乎保持原有厚度；这会导致背沟道区域的薄膜表面被新沉积的 SiO₂ 覆盖，并且与初始间隔物侧壁相比，干法蚀刻对薄膜表面的破坏更小。

图2.(a)间隔物上的背沟道区域示意图;(b)背沟道钝化所涉及的顺序; (c-d)是测试图案的 TEM 图像表示间隔物的(c)顶部、(d)中部和(e)底部位置。右上角的箭头对应于相对于基底的垂直(V)和水平(H)方向。

  将该工艺应用于 VTFT 的制作，结果获得了如图3(a) 所示的背沟道钝化 VTFT（BCP-VTFT）。将 BCP-VTFT 的电学特性与未钝化的参考 VTFT 的电学特性进行了比较如图3 所示。与其他区域相比，发现反向沟道界面不均匀（意味着更高的粗糙度）。众所周知，由于载流子散射，反向沟道界面的粗糙度与 TFT 的电学性能密切相关。因此，为了提高 VTFT 的性能，需要有一个界面更光滑的反向沟道区域。

图3.(a)BCP-VTFT 的TEM图像;（b）参考（R）和BCP（P）VTFT的传递曲线。插图显示了在亚阈值区域放大的传输曲线。

  考虑到这一点，第二种方法是通过先进的光刻工艺来改善间隔物侧壁的表面形态。图4 显示了从高分辨率和低分辨率光刻（HR、LR）系统获得的间隔侧壁的 SEM 图像。与使用标准投影对准器的 LR 工艺相比，使用步进光刻工具的 HR 工艺在光刻胶掩膜的边缘产生了更陡的锥角。因此，我们可以减少由于垂直高能离子的轰击而在干法蚀刻过程中发生的光刻胶边缘退化，从而减少线边缘粗糙度 (LER) 和光刻胶图案的变形。由于干蚀刻方法的特性，这被转移到下面的间隔物侧壁。因此，HR 方法的样品显示出光滑的表面,而 LR 方法的样品显示出更粗糙的表面，具有更多的缺陷和/或散射点。

图4.间隔物侧壁的SEM结果以及(a)(d)LR处理;(b)(e)具有1μm厚间隔物的LR处理;(c)(f)HR处理的图像。

   利用这些方法制作了三种类型的 VTFT，并分析了它们的传输特性, 这三类间主要且唯一的区别是间隔物侧壁的表面形态。我们可以得出结论如图5 ，间隔侧壁的粗糙度越光滑，VTFT 器件的电学性能越好。

图5.对于0.1、2.1和4.1V的漏极电压(Vds)，(a)LR-VTFT、(b)LR-VTFT(带1μm间隔物)和(c)HR-VTFT的传输曲线。红线表示栅极漏电流。

图6.(a)LR和HR工艺的干蚀刻机制示意图，(b)用于侧壁轮廓测量的3D-AFM,(c)RMS SWR、顶部和底部SWA的分析位置，(d)HR-VTFT、LR-VTFT和LR-VTFT（1μm间隔物）样品的3D渲染，以及(e)SWR、底部和顶部SWA的比较。

ParkNX-3DM -用于高分辨率 3D 计量的

自动化工业原子力显微镜

   最后，本研究还有一个重要的验证过程，即通过在与制作三个 VTFT 相同的条件下制作的源极-间隔物-漏堆叠样品上进行的 3D-AFM，验证了背沟道区域的表面轮廓。3D-AFM 技术是新型先进的原子力显微镜扫描技术，这种新型 AFM 技术与倾斜的 AFM 扫描器(图6(b))和软件校正一起使用，能够获取精准的垂直表面形态和 3D 渲染图像。图6(c)和图6(d) 显示了从 AFM 结果重建的分析位置和 3D 渲染图，而从 AFM 提取的参数总结在图 6(e)中。与 SEM 图像(图4)的结果类似，HR VTFT 样品的侧壁粗糙度(SWR)的均方根(RMS)值最小，而顶部和底部侧壁角度(SWA)最大。该结果也支持之前对光刻工艺与干法蚀刻条件之间关系的解释，如图6 所示。因此，可以得出结论，由高分辨率、基于步进器的光刻胶形成的更陡锥角的光刻胶光刻工艺有助于减少干法蚀刻工艺造成的损坏，并提供更平滑的背面沟道形态，从而改善 VTFT 的电学特性。HR-VTFT 表现出出众的电学性能。此外，这些电学参数甚至可与传统平面 TFT 的电学参数相媲美，这意味着 VTFT 结构可以额外实现具有纳米级沟道长度和更小占位面积的更高电流驱动能力。从这个结果来看，我们相信将高性能 VTFT 集成到下一代显示器中将更接近现实。

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