PL225166B1 - Sposób wytwarzania przezroczystego tranzystora MESFET - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania przezroczystego tranzystora MESFET, czyli przyrządu z prostującym złączem metal-półprzewodnik (ang. Metal-Semiconductor Field Effect Transistor), przeznaczonego do zastosowania w układach elektronicznych, w sensorach biomedycznych i optoelektronicznych, wytwarzanych zarówno na sztywnych, jak i giętkich podłożach.

Tranzystory typu MESFET są przyrządami przeznaczonymi do stosowania w szybkich układach scalonych o niskim poborze mocy, ponieważ napięcie bramka-źródło wymagane do przełączenia stanu tych tranzystorów jest niższe niż w tranzystorach z warstwą dielektryka bramkowego, a ruchliwość nośników w kanale odpowiada ruchliwości nośników w półprzewodniku. W kręgu zainteresowań badaczy jest zastosowanie do wytwarzania tranzystorów MESFET przezroczystych amorficznych półprzewodników tlenkowych, jak na przykład ln-Ga-Zn-O (IGZO). Zastosowanie tego półprzewodnika w tranzystorach zwiększa wachlarz potencjalnych zastosowań, od przezroczystych czujników biochemicznych, przez inteligentne okna i lustra, aż po wyświetlacze o u ltra-wysokiej rozdzielczości, zintegrowane np. z soczewkami kontaktowymi.

Jednym z głównych problemów związanych z technologią wytwarzania przezroczystych tranzystorów typu MESFET jest wytworzenie niezawodnych kontaktów Schottky'ego, stanowiących elektrodę bramki. Jednocześnie przezroczyste kontakty Schottky'ego do przezroczystych półprzewodników tlenkowych powinny charakteryzować się wysokim przewodnictwem elektrycznym, odpornością na utlenianie oraz wysoką transmisją optyczną. Podczas osadzania metalizacji na powierzchnię IGZO, ze względu na powinowactwo chemiczne do tlenu, często dochodzi do dyfuzji atomów tlenu (O) z półprzewodnika do obszaru przypowierzchniowego. Powoduje to powstanie zlokalizowanych stanów pułapkowych na interfejsie metal-półprzewodnik, co w efekcie prowadzi do zwężenia obszaru zubożonego i zwiększa prawdopodobieństwo tunelowania nośników przez barierę potencjału.

Z publikacji D. H. Lee i in., Electrochem. Solid St. 1 Q8-Q10 (2012) znany jest sposób wytworzenia tranzystora typu MESFET w konfiguracji bottom-gate, w którym złącze prostujące Pt/IGZO wykorzystano w roli elektrody bramki w przyrządzie. W sposobie tym najpierw na podłożu kwarcowym techniką osadzania warstw za pomocą działa elektronowego wytworzono metalizację bramki z platyny (Pt) o grubości 100 nm. Następnie, wykorzystując technikę ablacji laserowej wytworzono warstwę kanału z IGZO o grubości 230 nm oraz kontakty źródła i drenu z tlenku indowo-cynowego (ITO) o grubości 100 nm. W celu przywrócenia stechiometrii obszaru przypowierzchniowego bramka-kanał strukturę poddano procesowi wygrzewania w atmosferze utleniającej w temperaturze 200°C w czasie 60 minut. W wyniku tego sposobu otrzymano tranzystor, na który składają się: przezroczyste podłoże, przezroczysta warstwa kanału oraz elektrody źródła i drenu ale nieprzezroczysta (platyna) elektroda bramki. Ponadto, długotrwałe wygrzewanie w temperaturze 200°C jest przeszkodą w przypadku wytwarzania tranzystora tego typu na podłożu o relatywnie niskiej temperaturze topnienia (np. typu PET).

W publikacji M. Lorenz i in., Appl. Phys. Lett. 97, 243506 (2010) oraz patencie DE nr 102 009 030 045 B3 zademonstrowano alternatywne podejście zakładające wykorzystanie w roli bariery Schottky'ego tlenków metali, których skład atomowy jest skuteczny w zapobieganiu dyfuzji tlenu w obszarze złącza. W publikacjach tych przedstawiono sposób wytwarzania tranzystora typu MESFET w konfiguracji top-gate. W opisanym sposobie, najpierw na szklanym podłożu Corning 1737 techniką reaktywnego rozpylania magnetronowego w modzie RF osadzono warstwę kanału z amorficznego IGZO. Następnie za pomocą rozpylania katodowego w modzie DC i fotolitografii lift-off wykonano ze złota elektrody źródła i drenu. W ostatnim kroku techniką reaktywnego rozpylania katodowego w m odzie DC osadzono warstwę Ag_xO stanowiącą elektrodę bramki. W sposobie tym, otrzymano na przezroczystym podłożu tranzystor typu MESFET z przezroczystym kanałem i z przezroczystą elektrodą bramki. Przezroczystą elektrodę bramki tranzystora uzyskano wskutek, osadzenia bardzo cienkiej (~ 5 nm) warstwy Ag_xO. Tak cienka warstwa może jednak niekorzystnie wpływać na trwałość i niezawodności przyrządu. Natomiast metalizacja źródła i drenu jest nieprzezroczysta z uwagi na to, iż wytworzona została ze złota. Technologia wytwarzania tego tranzystora wymaga przeprowadzenia procesu wygrzewania warstwy kanału w temperaturze 150°C, co zmniejsza ilość materiałów, jakie mogą być użyte w charakterze elastycznego podłoża.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania w pełni przezroczystego tranzystora typu MESFET z kanałem z IGZO, bez konieczności wygrzewania warstw.

Sposób wytwarzania tranzystora MESFET według wynalazku polega na tym, że na przezroczystym podłożu osadza się warstwę kanału z IGZO, następnie warstwę przezroczystego przewodnika

PL 225 166 B1 tlenkowego o wysokiej pracy wyjścia stanowiącą elektrodę bramki oraz przezroczystą metalizację kontaktów źródła i drenu. W sposobie tym, najpierw w temperaturze pokojowej na przezroczystym podłożu, korzystnie na podłożu elastycznym, osadza się za pomocą reaktywnego magnetronowego rozpylania katodowego warstwę kanału IGZO o grubości < 30 nm. Osadzanie to prowadzi się w modzie RF, w plazmie Ar/O₂ o ciśnieniu < 1 Pa z ceramicznego targetu lnGaZnO₄, przy zawartości tlenu w atmosferze roboczej w zakresie od 0% do 1%. Następnie, za pomocą reaktywnego rozpylania katodowego i fotolitografii lift-off bezpośrednio na warstwie IGZO, wytwarza się elektrodę bramki w postaci warstwy Ru-Si-O o grubości nie przekraczającej 100 nm. W trakcie procesu osadzania katoda RuSi zasilana jest prądem stałym o natężeniu 80-100 mA, a zawartość tlenu w plazmie Ar/O₂ wynosi < 20%. Po zakończeniu tego procesu, przy pomocy techniki reaktywnego rozpylania katodowego w modzie DC oraz fotolitografii lift-off, na warstwie kanału IGZO po obu stronach elektrody bramki, w odległości nie większej niż 10 pm, wytwarza się kontakty źródła i drenu w postaci warstwy tlenku indowocynowego o grubości do 100 nm.

Sposób według wynalazku umożliwił realizację przezroczystego tranzystora typu MESFET z kanałem z amorficznego IGZO oraz barierą Schottky'ego wytworzoną w oparciu o przezroczysty tlenek przewodzący Ru-Si-O.

Sposób według wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania tranzystora typu MESFET z kanałem z IGZO w konfiguracji top-gate. W pierwszym kroku cienką warstwę IGZO o grubości 30 nm osadzono techniką reaktywnego magnetronowego rozpylania katodowego w modzie RF w plazmie Ar/O₂ o ciśnieniu 0,85 Pa z ceramicznego targetu lnGaZnO₄ na podłoże kwarcowe. Podczas osadzania warstwy kanału zawartość tlenu w atmosferze roboczej wynosiła 0,5%, a podłoże nie było intencjonalnie podgrzewane. Koncentracja oraz ruchliwość swobodnych nośników ładunku w warstwie, wyznaczone z pomiaru efektu Halla, wynosiły odpowiednio n = 2 x 10¹⁸ cm^-3 i μ = 7,3 ₂ cm /V · s. W następnym kroku, bez dodatkowej obróbki powierzchni IGZO, osadzono warstwę Ru-Si-O o grubości 100 nm stanowiącą elektrodę bramki przyrządu. W tym celu również wykorzystano technikę reaktywnego rozpylania katodowego, przy czym katoda RuSi zasilana była stałoprądowo, a zawartość tlenu w mieszaninie Ar/O₂ wynosiła 20%. Wysokość bariery Schottky'ego oraz współczynnik idealności wyznaczone z charakterystyki prądowo-napięciowej złącza wynosiły odpowiednio φ_Β = 0,9 eV i n = 1,62.

Transmisja optyczna złącza Ru-Si-O/IGZO przekraczała 70% dla promieniowania w widzialnym zakresie widma elektromagnetycznego. W ostatnim kroku po obu stronach bramki, w odległości 10 pm osadzono warstwę tlenku indowo-cynowego o grubości 100 nm stanowiącą kontakty źródła i drenu tranzystora. Rezystywność oraz transmisja optyczna kontaktów omowych wynosiły odpowiednio p = 9,3 x 10^-4 Ω cm^-2 oraz > 75%. Pomiary charakterystyk przejściowych i wyjściowych przyrządu wykazały, że przezroczysty tranzystor MESFET wytworzony zgodnie ze sposobem według wynalazku cechuje się stosunkiem prądu włączenia do wyłączenia ION/IOFF > 10⁴ A/A, nachyleniem charakterystyki przejściowej w zakresie podprogowym S = 230 mV/dek oraz ruchliwością nośników w kanale pCH = 7,1 cm²/V · s.

Elektroda bramki Ru-Si-O zapewnia syntezę wysokiego przewodnictwa elektrycznego cienkich warstw (powyżej 250 S/cm) i transmisji optycznej powyżej 70%. Wysoka praca wyjścia tego materiału (5,3 eV) oraz powinowactwo elektronowe IGZO (4,2 eV) umożliwiają wytworzenie złącza prostującego Ru-Si-O/IGZO i zastosowanie go jako elektrody bramki tranzystora MESFET. Szczególnie ważną zaletą tego sposobu jest fakt, że skład atomowy Ru-Si-O jest skuteczny w zapobieganiu migracji atomów tlenu z warstwy półprzewodnika w obszar złącza, co pozwala pominąć dodatkowy krok technologiczny związany ze zredukowaniem ilości energetycznych stanów pułapkowych na interfejsie bramkakanał. Wytworzenie wszystkich elementów tranzystora w temperaturze pokojowej pozwala na wytworzenie przyrządu na podłożu o niskiej temperaturze topnienia, jak np. folia PET. Ponadto, napięcie bramka-źródło potrzebne do przełączenia stanu tranzystora wynosi 1,5 V, co umożliwia zastosowanie przyrządu w urządzeniach o niskim poborze mocy.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania przezroczystego tranzystora MESFET w konfiguracji top-gate, w którym na przezroczystym podłożu osadza się warstwę kanału z IGZO, warstwę elektrody bramki oraz warstwy elektrod źródła i drenu, znamienny tym, że w temperaturze pokojowej, najpierw na przezroczystym podłożu, korzystnie elastycznym osadza się za pomocą reaktywnego magnetronowego rozpylania katodowego warstwę kanału IGZO o grubości < 30 nm, przy czym osadzanie to prowadzi się w modzie RF, w plazmie Ar/O₂ o ciśnieniu < 0,85 Pa z ceramicznego targetu lnGaZnO₄, przy zawartości tlenu w atmosferze roboczej w zakresie od 0% do 0,5%, następnie, za pomocą reaktywnego rozpylania katodowego bezpośrednio na warstwie IGZO, osadza się elektrodę bramki w postaci warstwy RuSi-O o grubości nie większej niż 100 nm, przy czym podczas tego osadzania katodę RuSi zasila się prądem stałym o natężeniu w zakresie 80-100 mA, a zawartość tlenu w plazmie Ar/O₂ wynosi < 20%, a po zakończeniu tego procesu, na warstwę kanału IGZO po obu stronach elektrody bramki w odległości nie większej niż 10 pm wytwarza się kontakty źródła i drenu w postaci warstwy tlenku indowocynowego o grubości < 100 nm.