負電荷層對a-IGZO TFT閾值電壓的影響

丁 磊,張方輝

(陜西科技大學理學院,陜西西安 710021)

負電荷層對a-IGZO TFT閾值電壓的影響

丁 磊*,張方輝

(陜西科技大學理學院,陜西西安 710021)

采用脈沖直流磁控濺射的方式沉積In-Ga-Zn-O(IGZO)膜層作為TFT的有源層。在TFT溝道處的有源層和絕緣層的界面上,通過濺射法制作一定厚度的負電荷層對閾值電壓(Vth)進行調(diào)制,使得Vth由-3.8 V升高至-0.3 V,器件由耗盡型向增強型轉(zhuǎn)變。通過增加Al2O3作為負電荷層,可有效地將Vth控制在0 V附近,并且提高其器件穩(wěn)定性,得到較好的電學特性:電流開關比Ion/Ioff＞109,亞閾值擺幅SS為0.2 V/dec,閾值電壓Vth為-0.3 V,遷移率μ為9.2 cm2/(V·s)。

a-IGZO薄膜晶體管;磁控濺射法;負電荷層;平帶電勢;閾值電壓

1 引 言

近年來,金屬氧化物因具有更高的電子遷移率[1-2]而得到平板顯示業(yè)界的廣泛關注和深入開發(fā)。非晶氧化銦鎵鋅薄膜晶體管(a-IGZO TFT)是當前最具產(chǎn)業(yè)化潛力的金屬氧化物TFT技術之一,是最被業(yè)界看好的有源有機電致發(fā)光(AMOLED)驅(qū)動方式。

然而,由于IGZO制作過程中受環(huán)境等的影響,a-IGZO TFT存在穩(wěn)定性問題[3-4]。TFT的Vth漂移是其中的主要問題之一。TFT的Vth是使半導體表面產(chǎn)生反型層(即溝道)時所需要加載的柵極電壓。由于氧化物半導體的耐熱性不高,在TFT制造過程的熱處理期間,可能會形成氧空位等,從而導致形成晶格缺陷,產(chǎn)生載流子陷阱,引起TFT的Vth漂移[5]。因此,將氧化物半導體用于TFT的溝道會引起正常的導通操作(其中,沒有施加流過柵電壓的特定漏極電流)或耗盡型操作。此外,除了上述的晶格缺陷引起的雜質(zhì)能級外,通過混合諸如氫的特定元素而產(chǎn)生了相似的雜質(zhì)能級[6],使TFT的Vth在負方向上偏移。

目前為止,為了使TFT的Vth控制在0 V附近,研究者們分別進行了退火條件[5,7-8]、在電路設計上進行補償[9-10]、改變TFT溝道的長度[11]、改變鍍膜方式[12-13]、鍍膜參數(shù)[14-16]、溝道鈍化[17-18]等的研究,來改進氧化物TFT的電學特性。

本文通過在有源層和絕緣層之間增加一個低平帶電勢的膜層,使得半導體表面表現(xiàn)出反型層,由此控制TFT器件的工作方式由耗盡型向增強型轉(zhuǎn)變。本文基于采用脈沖直流濺射法制作的頂柵結構a-IGZO TFT,根據(jù)不同材料的平帶電勢,選擇Al2O3作為負電荷層薄膜,通過對膜層制備技術及器件性能的研究,以改善TFT器件電學特性及其穩(wěn)定性。

2 實 驗

2.1 材料平帶電勢的測量

在考察材料的平帶電勢時,制作了Al2O3、SiO2和SiNx3種薄膜進行對比研究,其制作條件均與器件中絕緣層的制備條件相同。不同的半導體材料,電極電位不同;同一種半導體材料,不同的溶液,或者pH值不同,電極電位也不同。根據(jù)不同材料的平帶電勢不同,可以從平帶電勢的值來估計所采用材料制備的薄膜晶體管Vth是在正方向上偏移還是在負方向上偏移。

首先將要考察的薄膜材料制作在導電的玻璃襯底上,然后制作所需測量的材料膜層,接著再其上蒸鍍金屬電極。采用電化學方法測量膜層的平帶電勢,其中,工作電極為所測薄膜電極(是指所測薄膜/溶液這樣一個整體),對電極為鉑對電極,參比電極為飽和甘汞電極。實驗中由254 nm紫外波長提供一固定波長的單色光。由上海辰華儀器有限公司生產(chǎn)的CHI604D型電化學工作站給電極施加掃描電壓,電壓的掃描范圍為-2～2 V,頻率為1 000 Hz,振幅為5 mV。電解液為0.5 mol/L的硫酸鈉水溶液。實驗中,為了保證測量的準確性以及避免上一次測試條件對下一次測試結果的影響,每做一次測量都要更換新的工作電極和電解液。

2.2 a-IGZO TFT器件制作

本研究采用脈沖直流(Pulsed DC,ENI RPG-50)方式在常溫下濺射沉積IGZO膜和絕緣層,制作頂柵頂接觸的TFT器件,結構如圖1所示,溝道尺寸W/L=0.5 mm/0.1 mm。首先,在玻璃基板上濺射Ar-IGZO和O2-IGZO[19],厚度分別為20 nm和5 nm,并使用濕法刻蝕得到溝道圖形。之后,在350℃干氧環(huán)境中退火1 h。在IGZO膜上采用常溫脈沖直流反應濺射具有低平帶電勢的Al2O320 nm作為負電荷層,Al2O3膜的濺射功率為100 W,濺射氣體中氧的體積分數(shù)為13％,制作氣壓為0.5 Pa。并于負電荷層Al2O3上再濺射制作SiO2/SiNx(20 nm/300 nm)絕緣層。然后,在絕緣層上采用脈沖直流濺射制作Mo(100 nm)柵電極。柵絕緣層與柵電極的圖案相同,采用SF6干法刻蝕一次性實現(xiàn)圖形化制作。接著,采用SU-8光刻膠在有源層上定義出源漏電極接觸區(qū)。最后,采用脈沖直流濺射及干法刻蝕得到Mo源漏電極(100 nm)。

圖1 頂柵頂接觸器件結構示意圖Fig.1 Schematic of top-gate＆amp;top-contact TFT structure

實驗中使用LCRMeter(GWINSTEK LCR-819)測量柵絕緣層退火前后的電容和損耗,采用Keithley2420/2635源表組成的測試系統(tǒng),測量柵絕緣層退火前后的耐壓性能,采用Agilent B1500A半導體測試儀測量TFT器件的電學特性。

3 結果與討論

3.1 材料平帶電勢的分析

為了選擇合適的平帶電勢,首先采用電化學法測試Al2O3、和SiNx的平帶電勢,結果如圖2所示。其中SiO2相對于標準氫電極的平帶電勢為-0.36V,SiNx為-0.21 V,Al2O3的平帶電勢值最小為-1.43 V,這意味著當IGZO界面處增加具有低平帶電勢的Al2O3膜層時,Vth將朝正向偏移。

圖2 不同樣品材料相對標準氫電極的平帶電勢Fig.2 Flat potential of different materials with relativestandard hydrogen electrode

3.2 a-IGZO TFT器件的分析

實驗中,按上述實驗條件制作了兩種器件結構:無Al2O3膜層的器件A和有Al2O3膜層的器件B。

假設對應器件工作在飽和區(qū)(VD≥VG-Vth),此時源漏電流(ID)的表達式為:

由公式(1)可以推出:

其中,L/W為溝道的寬長比,Vth為閾值電壓,Ci為單位面積柵電容,μFE為場效應遷移率。因此TFT的場效應遷移率μFE可由飽和區(qū)域的VGS-I1/2D對應特性曲線的斜率帶入到式(2)中得到,即從圖3兩種器件的轉(zhuǎn)移特性曲線對比圖的曲線斜率得到。VGS-I1/2D曲線的直線段延伸出的直線與橫坐標的交點為器件的閾值電壓Vth。實驗制備器件對應電學特征曲線參數(shù)見表1。根據(jù)上述計算可知,器件B的Vth相對于器件A要往正向偏3.5 V,同時器件B的遷移率也高于器件A的遷移率。因此,加入Al2O3的TFT器件具有更好的電學特性。

表1 兩種TFT器件的特性參數(shù)值Table 1 Parameters of two kinds of TFT devices

圖3 兩種TFT器件的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.3 Transfer characteristics of two kinds of TFT devices

3.3 含負電荷層的a-IGZO TFT器件穩(wěn)定性分析

圖4為器件B的回滯曲線,圖5為空氣放置52 h前后的器件穩(wěn)定性測試轉(zhuǎn)移曲線。通過對比圖中上升和下降曲線,可以看出TFT器件的穩(wěn)定性變化情況。由圖4和圖5可知,對于增加了負電荷層的a-IGZO TFT器件,其回滯曲線中Vth往負向偏0.7 V,SS上升1 V/dec,μ上升1 cm2/ (V·s);而在空氣中放置52 h后,器件轉(zhuǎn)移曲線往負向偏0.4 V,SS不變,μ上升2.6 cm2/(V· s)。實驗結果表明,增加了Al2O3負電荷層的a-IGZO TFT器件具有良好的電學穩(wěn)定性。

圖4 器件B的回滯曲線Fig.4 Hysteresis curve of device B

綜合而言,我們認為Vth的變化,是由具有低平帶電勢的Al2O3膜層相當于被負充電所引起的。器件中,由于存在Al2O3膜層這一較低帶電勢,當給器件加柵電壓時,在總的Vth中增加了這一個平帶電勢部分,對器件的Vth進行了調(diào)制,所以得到的器件Vth往正向偏,器件由耗盡型向增強型轉(zhuǎn)變。

圖5 空氣中放置52 h前后的器件B的轉(zhuǎn)移曲線Fig.5 Transfer characteristics before and after aging of 52 h in the air ambience of device B

4 結 論

采用脈沖直流方式,在常溫下濺射制作了頂柵頂接觸結構的a-IGZO TFT器件,并在有源層和絕緣層之間增加了具有低平帶電勢的Al2O3膜作為負電荷層。實驗發(fā)現(xiàn),通過在有源層與絕緣層間增加負電荷層,可以有效地使閾值電壓往正方向偏,并提高器件穩(wěn)定性,得到較好的電學特性: Ion/Ioff＞109,SS為0.2 V/dec,Vth為-0.3 V,μ為9.2 cm2/(V·s)。

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丁磊(1985-),男,河北衡水人,博士,講師,2015年于蘇州大學FUNSOM研究院獲得博士學位,主要從事有機電致發(fā)光器件的研究。

E-mail:dinglei@sust.edu.cn

Effects of Negative Charge Layer on The Threshold Voltage of a-IGZO TFT

DING Lei*,ZHANG Fang-hui
(College of Science,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China) *Corresponding Author,E-mail:dinglei@sust.edu.cn

TFT device with In-Ga-Zn-O(IGZO)film as the active layer deposited by pulse DC sputtering was fabricated.An Al2O3film which was also deposited by sputtering was sandwiched between the active layer and an insulating layer.The Al2O3acted as a negative charge layer for threshold voltage modulation(Vth).It raised the Vthfrom-3.8 V to-0.3 V,enhancing the formation of a depletion mode device.The application of Al2O3as a negative layer can effectively control Vtharound 0 V and enhance the stability of the device.Improved device characteristics such as:on/off current ratio(Ion/Ioff)＞109,sub-threshold slope(SS)of 0.2 V/dec,Vthof-0.3 V,and mobility (μ)of 9.2 cm2/(V·s)were therefore achieved.

a-IGZO TFT;MS sputtering;negative charge layer;flat band potential;threshold voltage

TN304

:ADOI:10.3788/fgxb20153611.1320

1000-7032(2015)11-1320-05

2015-08-10;

:2015-09-14

國家自然科學基金(61076066);陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃(2011KTCQ01-09);陜西科技大學學術帶頭人專項(2013XSD14)資助項目