为了实现高密度的单位单元，器件的尺寸逐渐减小到几纳米，晶体管的结构也从传统的平面结构发展到更复杂的三维结构。在这种情况下，迫切需要在具有高纵横比的沟槽结构中沉积薄膜。原子层沉积(ALD)是一种基于表面半反应的各向同性沉积技术，它不仅可以在高纵深比结构中具有良好的保形性，也可以灵活和精确控制薄膜的成分和厚度。然而，ALD多组分薄膜沉积过程中的成核延迟导致薄膜厚度和成分偏离预期，其机理仍不清楚。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的宁洪龙研究员和姚日晖教授课题组从原子薄层表面特性和前驱体分子空间位阻的角度揭示了多组分薄膜沉积过程中成核延迟现象的主要机制，并基于此设计了基于三步(ABO) ALD循环的互补超循环工艺，成功抑制了成核延迟并提高了成膜质量。由互补超循环工艺制备的增强型ITZO薄膜晶体管(TFT)实现了出色的电气特性(迁移率(μ):27.31 cm² V^-1 s^-1，阈值电压漂移(ΔVth): +0.8V/-0.4V(@±1 MV cm^-1，3600 s)。这项工作为ALD制备低缺陷密度的单/多组分氧化物建立了一个通用框架，直接解决了高性能电子制造中的一个关键瓶颈。

当使用超循环工艺沉积多组分薄膜时，由每个两步子循环形成的表面通常被认为是没有可及反应位点的原子单层。然而，由于前体的空间位阻，通常难以提供理想化的致密原子单层。事实上，如图2a所示，A前体的空间位阻阻碍了其余A前体对剩余表面反应位点的利用。这导致衬底上吸附的分子之间的间隙。这些间隙在配体去除后进一步扩大，这是因为羟基的体积比原始配体的体积小。在注入前驱体B后，B分子之间的空间位阻阻止B完全占据底部单层上的所有反应位置。因此，间隙反应位点可以部分被B分子占据，导致两个单层的原子空位。因此，在常规超循环过程的执行过程中，部分前体B负责填充前一步骤中的间隙位置，而另一部分吸附在现有表面上，导致较慢的GPC。众所周知，在二元材料的沉积过程中，不足的前体剂量会导致比饱和GPC更低的GPC，这是由于缺少未完全占据所有可用反应位置的前体。同样，在多组分材料的沉积过程中，原子空位的出现会导致GPC和薄膜密度显著下降(图2a)。在互补超循环过程(图2b)的情况下，B前体在A前体氧化之前占据间隙反应位置，形成几乎饱和的单层，A和B前体都没有原子空位。因此，由前体B发起的下一个子周期避免了填充效应，并且GPC接近理想情况(图3)。

图1. 薄膜沉积的工艺流程图

图2. (a) 常规超循环中成核延迟行为形成机制的示意图；(b)互补超循环中的分子(原子)堆叠示意图

图3. InSnO、SnZnO、ZnInO和InSnO-SnZnO-ZnInO薄膜的GPC和密度

图4.(a)底栅顶接触ITZOTFT以及在ITZO-A和ITZO-B沟道层的原子堆叠结构和载流子输运的示意图；(b)以ITZO-A和ITZO-B为沟道层的TFT转移曲线；(c)以ITZO-B为沟道层的TFT的负偏压稳定性测试结果；(d)以ITZO-B为沟道层的TFT的正偏压稳定性测试结果

相关研究成果以“EliminatingNucleation Delay for Atomic Layer-Deposited LowDefect Dense Multi-ComponentThin Films through Preoccupation of Interstitial Sites”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17,25922-25933上，其中通讯作者为宁洪龙和姚日晖教授，第一作者为苏国平博士生。该研究工作得到了国家自然科学基金、发光材料与器件全国重点实验室自主研究项目等科研项目等科研项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c22420