有源層厚度對(duì)氧化銦鎵鋅薄膜晶體管性能的影響

吳 捷，門(mén)傳玲

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200082）

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有源層厚度對(duì)氧化銦鎵鋅薄膜晶體管性能的影響

吳 捷，門(mén)傳玲

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200082）

摘要:使用磁控濺射法制備了IGZO-TFT，研究有源層厚度對(duì)其電學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，器件的閾值電壓和開(kāi)關(guān)比會(huì)隨著有源層厚度的增大而減小，而器件的亞閾值擺幅和飽和遷移率則會(huì)隨有源層厚度的增大而增大。此外，還研究了有源層厚度對(duì)器件偏壓穩(wěn)定性的影響。有源層厚度越大的器件，其閾值電壓漂移也會(huì)越大。這主要與半導(dǎo)體層中所增加的缺陷態(tài)密度有關(guān)。

關(guān)鍵詞:氧化銦鎵鋅；薄膜晶體管；有源層厚度；遷移率；氧空位；穩(wěn)定性

吳捷（1991－），男，浙江溫州人，研究生，研究方向?yàn)镮GZO-TFT的工藝與制備，E-mail:wujiecn@foxmail.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-05-31 11:09:35 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.012.html

薄膜晶體管（TFT）是一種用于有源矩陣顯示器的開(kāi)關(guān)器件。傳統(tǒng)的TFT都是使用非晶硅作為有源層材料，雖然其工藝簡(jiǎn)單，但是卻有著遷移率低、穩(wěn)定性差、漏電流大、不透光等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前的需求。后來(lái)，研究人員又開(kāi)發(fā)出了低溫多晶硅的工藝。雖然低溫多晶硅TFT遷移率高、漏電流小、穩(wěn)定性好，但卻存在著工藝復(fù)雜，成本較高，大面積制備時(shí)均勻性差等缺點(diǎn)[1]。

近年來(lái)，非晶氧化物半導(dǎo)體（AOS）作為一種非常具有應(yīng)用前景的電學(xué)材料而備受關(guān)注。它最大的一個(gè)特點(diǎn)是可以在低溫下制備，并且制備出的薄膜表面粗糙度低，具有較高的透光性[1]。在這類(lèi)材料中，尤其以氧化銦鎵鋅（IGZO）最受矚目。自2004年?yáng)|京工業(yè)大學(xué)Hosono課題組成功制備出以IGZO為有源層材料的TFT后[2]，IGZO-TFT得到了業(yè)界和研究人員的廣泛關(guān)注。IGZO是一種n型半導(dǎo)體，帶隙在3.5 eV左右。其組分中的In3+可以形成5 s電子軌道，有利于載流子的高速傳輸；Ga的摻入所形成的Ga—O鍵遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于Zn—O鍵和In—O鍵，可抑制氧空位的形成；Zn2+則可形成穩(wěn)定的四面體結(jié)構(gòu)，保證IGZO可以形成穩(wěn)定的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，由于其導(dǎo)帶是由金屬陽(yáng)離子的球形s軌道組成的，它們與鄰近金屬離子的s軌道相互重疊，電子的傳輸軌道并不受結(jié)構(gòu)的有序性影響，因此即使在非晶態(tài)下也有很高的遷移率[3]，在大面積制備時(shí)能保持很好的均勻性。目前，已有許多研究報(bào)道了不同實(shí)驗(yàn)條件[4-6]和制備方法[7]對(duì)IGZO-TFT的影響。

本文采用磁控濺射法制備IGZO-TFT，研究不同的有源層厚度對(duì)IGZO-TFT遷移率、閾值電壓、亞閾值擺幅、開(kāi)關(guān)比和偏壓穩(wěn)定性的影響，并從氧空位和氧吸附的角度分析有源層厚度的不同對(duì)器件的電學(xué)性能和穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響。

1　 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中IGZO-TFT器件使用的是傳統(tǒng)的底柵頂接觸結(jié)構(gòu)。使用n型重?fù)诫sSi片作為器件的襯底，并同時(shí)作為器件的柵電極。硅片上有一層300 nm的熱氧化SiO2，作為器件的絕緣層。IGZO有源層使用中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的FJL560型磁控濺射儀制備，所用的靶材為IGZO陶瓷靶（摩爾比（In:Ga:Zn）=2:2:1），直徑為60mm，濺射氣體為純氬氣，體積流量為20 sccm，濺射功率密度為1.77 W/cm2。最后再使用掩膜板，濺射一層ITO作為器件的源漏電極，其溝道的寬度和長(zhǎng)度分別為400和150 nm。根據(jù)濺射時(shí)間的不同分別制備了IGZO厚度為17，34，68，102 nm的TFT。使用Bruker DektakXT臺(tái)階儀表征薄膜的厚度；使用Keithley 4200scs半導(dǎo)體測(cè)試儀對(duì)器件進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試。

2　 結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)性能分析

如圖1所示為不同有源層厚度的IGZO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)（VGS表示柵電壓，IDS表示漏源電流），測(cè)試時(shí)，漏源電壓為20 V，柵電壓掃描范圍為–15～+40 V。從圖中可以很明顯地分辨出關(guān)態(tài)區(qū)和開(kāi)態(tài)區(qū)，說(shuō)明柵電壓對(duì)TFT的開(kāi)關(guān)態(tài)有較好的調(diào)控作用。

圖1 不同有源層厚度IGZO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)Fig1 Transfer characteristic of IGZO-TFT with different active layer thicknesses

在TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)中，當(dāng)VGS≤Voff（關(guān)態(tài)電壓）時(shí)，TFT處于截止區(qū)，此時(shí)溝道中的電流為漏電流，即關(guān)態(tài)電流；當(dāng)Voff＜VGS＜VTH（VTH表示閾值電壓）時(shí)，TFT處于亞閾值區(qū)；當(dāng)VDS＞VGS–VTH時(shí)，TFT進(jìn)入飽和工作區(qū)，此時(shí)TFT中的電流和電壓滿(mǎn)足以下關(guān)系[8]：

式中：μ表示遷移率；W表示溝道寬度；L表示溝道長(zhǎng)度；Ci表示絕緣層單位面積的電容。

TFT的電學(xué)特性主要由四個(gè)參數(shù)來(lái)表征，分別為遷移率、閾值電壓、開(kāi)關(guān)比和亞閾值擺幅。由上式可以得到：

根據(jù)圖2所示的不同有源層厚度IGZO-TFT的IDS1/2-VGS曲線(xiàn)，做直線(xiàn)部分的延長(zhǎng)線(xiàn)，求出該延長(zhǎng)線(xiàn)的斜率和與X軸的焦點(diǎn)，可得到TFT的閾值電壓和飽和遷移率[8]。

圖2 不同有源層厚度IGZO-TFT的IDS1/2-VGS曲線(xiàn)Fig2 IDS1/2-VGScurves of IGZO-TFT with different active layer thicknesses

閾值電壓是指使源漏電極間形成導(dǎo)電溝道所需要的柵電壓，即表示TFT處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)所需的最小柵電壓。

遷移率是指載流子在單位電場(chǎng)下的漂移速度，是TFT最重要的性能參數(shù)之一。用K表示IDS1/2-VGS曲線(xiàn)直線(xiàn)部分的斜率，則遷移率的計(jì)算公式為：

開(kāi)關(guān)比被定義為開(kāi)態(tài)電流和關(guān)態(tài)電流的比值，它反映了器件開(kāi)啟和關(guān)閉的能力。開(kāi)態(tài)電流越大，器件的驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)；關(guān)態(tài)電流越小，器件的漏電流則越小。

亞閾值擺幅是指在亞閾值區(qū)，源漏電流增加一個(gè)數(shù)量級(jí)所需要增加的柵電壓，計(jì)算公式為：

它可以反映TFT從關(guān)態(tài)到開(kāi)態(tài)的變化速度，亞閾值擺幅越小，TFT在開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)之間變化得就越快，柵電壓對(duì)TFT的調(diào)控能力越強(qiáng)。除此之外，SS值的大小還反映了TFT的絕緣層/半導(dǎo)體層界面缺陷以及半導(dǎo)體層內(nèi)缺陷的多少，它們間的關(guān)系如下所示[9]：式中：k表示玻爾茲曼常數(shù)；T表示熱力學(xué)溫度；q表示電荷常數(shù)；e表示自然底數(shù)；εS表示半導(dǎo)體層的相對(duì)介電常數(shù)；NBS表示半導(dǎo)體內(nèi)部的缺陷密度；NSS表示絕緣層/半導(dǎo)體層界面的缺陷密度。

表1為不同有源層厚度IGZO-TFT的性能參數(shù)。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著有源層厚度從17 nm增加到68 nm，SS值也從0.93 V/dec增加到2.33 V/dec，表明隨著有源層厚度的增加，TFT中的缺陷也在不斷增加。由于在制備IGZO時(shí)，除了沉積時(shí)間不同，其余實(shí)驗(yàn)條件都一致，因此絕緣層/半導(dǎo)體層界面狀況不會(huì)有太大變化，即NSS不受有源層厚度的影響，而半導(dǎo)體層內(nèi)部的缺陷NBS會(huì)隨著沉積厚度的增加而增加，使得TFT從關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)換到開(kāi)態(tài)的過(guò)程中，在溝道中積累的部分電子被缺陷俘獲，IDS增長(zhǎng)變慢，最終導(dǎo)致SS值的增大[10]。

表1 不同有源層厚度IGZO-TFT的性能參數(shù)Tab.1 Electrical properties of IGZO-TFT with different active layer thicknesses

隨著有源層厚度的增大，TFT的開(kāi)關(guān)比在不斷減小，這主要與關(guān)態(tài)漏電流的增大有關(guān)。薄膜的厚度越小，其電阻率越大，因此對(duì)于IGZO分別為17 和34 nm的TFT，其厚度越小，電阻率越大，關(guān)態(tài)漏電流越小。此外，半導(dǎo)體層中的缺陷也會(huì)給漏電流提供一個(gè)傳輸通道[11]，使得在IGZO更厚的TFT中，有更大的漏電流，最終導(dǎo)致其開(kāi)關(guān)比的減小。

從表1的數(shù)據(jù)中可看出，隨著IGZO厚度的增加，VTH不斷減小。通常來(lái)說(shuō)，VTH的減小與溝道中的載流子濃度大小有關(guān)。在IGZO中，其缺陷的形式共有以下幾種，分別為In、Ga、Zn等金屬陽(yáng)離子形成的缺陷以及由氧的脫離而形成的空位缺陷。根據(jù)密度泛函理論的計(jì)算[12]，在這幾種缺陷中，形成氧空位所需的能量是最小的，因此在IGZO層中會(huì)有大量的氧空位。而每形成一個(gè)淺施主能級(jí)的氧空位時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)自由電子[13]：

在IGZO厚度更大的TFT中，缺陷更多，其自由電子也越多，可以在更小的柵電壓下形成導(dǎo)電溝道，因此VTH也更小。

半導(dǎo)體層中載流子濃度大小對(duì)于TFT有著較大的影響，載流子濃度越大，遷移率也越大[14]。從表1中的計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著IGZO厚度的增大，TFT的遷移率也在不斷增大，這是因?yàn)楹穸却蟮腎GZO中氧空位也更多，會(huì)產(chǎn)生更多的自由電子，因而遷移率也更大。此外，由于本實(shí)驗(yàn)中制備的TFT沒(méi)有鈍化保護(hù)層，其背溝道表面直接裸露于空氣中，因此臨近背溝道表面的部分會(huì)受環(huán)境中氧的影響，發(fā)生吸附反應(yīng)[15]：

導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)載流子濃度的降低。由于氧的吸附反應(yīng)只發(fā)生在背溝道表面附近區(qū)域，對(duì)于IGZO厚度較大的TFT，其載流子濃度受其影響較小，因此對(duì)于17和34 nm的TFT來(lái)說(shuō)，厚度小，受到的影響就會(huì)更大，遷移率也更小。此外對(duì)于厚度較小的TFT，其電子傳輸軌道更接近絕緣層/半導(dǎo)體層界面和背溝道表面，在載流子傳輸過(guò)程中，更易發(fā)生晶界散射，導(dǎo)致載流子遷移率的降低[16]。

2.2 柵偏壓穩(wěn)定性分析

為了研究有源層厚度對(duì)IGZO-TFT穩(wěn)定性的影響，還對(duì)TFT做了柵極正偏壓下的穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試在無(wú)光照的環(huán)境中進(jìn)行，柵偏壓為20 V，漏源電壓為10 V，偏壓時(shí)間分別為300，600，1200，1 800 s，每經(jīng)過(guò)一段偏壓時(shí)間掃描一次轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，其測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的柵極正偏壓應(yīng)力之后，其轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)都出現(xiàn)了正向的漂移。通常認(rèn)為產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是半導(dǎo)體層中的自由電子被絕緣層/半導(dǎo)體層界面的缺陷和半導(dǎo)體層內(nèi)部的缺陷所捕獲[17]，因而需要施加更大的柵電壓產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。同時(shí)，被捕獲的電子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，使柵電壓在溝道中的有效電場(chǎng)變小，導(dǎo)致閾值電壓的增大[18]。

在IGZO中，氧空位除了會(huì)形成淺施主能級(jí)態(tài)提供自由電子外，還會(huì)因?yàn)橹車(chē)?yáng)離子結(jié)構(gòu)的不同形成深能級(jí)陷阱[12]，捕獲半導(dǎo)體層中的電子。由計(jì)算可以得出，經(jīng)過(guò)1 800 s的偏壓測(cè)試后，隨著有源層厚度的增加，ΔVTH也在不斷增大，分別為5.33，7.12，10.24，15.45 V，而從圖3中可以看出，各曲線(xiàn)的SS值并未發(fā)生顯著變化，說(shuō)明在柵偏壓應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中并未生成新的缺陷。有源層厚度越小的TFT，其內(nèi)部的缺陷少，對(duì)自由電子的捕獲越少，因此對(duì)閾值電壓的影響更小，ΔVTH的變化也越?。欢性磳雍穸容^大的TFT，其內(nèi)部有著較多的缺陷，會(huì)捕獲更多的自由電子，導(dǎo)致更大的閾值電壓漂移，器件的偏壓穩(wěn)定性也越差。

圖3 柵極正偏壓下IGZO-TFT轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的變化Fig3 Transfer characteristic curves of IGZO-TFT under positive bias stress test with active layer thickness of (a)17nm, (b)34nm, (c)68nm and (d)102nm

3　 結(jié)論

IGZO-TFT性能的好壞，對(duì)其應(yīng)用有著極其重要的影響。本文使用磁控濺射法制備了有源層厚度分別為17，34，68，102 nm的IGZO-TFT，研究了有源層厚度對(duì)器件的電學(xué)性能和穩(wěn)定性的影響。IGZO厚度從17 nm增大到102 nm時(shí)，器件的遷移率從4.97cm2/(V·s)增大到13.8cm2/(V·s)，亞閾值擺幅從0.93 V/dec增大到4.54 V/dec，閾值電壓從14.3 V減小到3.3 V，開(kāi)關(guān)比從8.1×107減小到2.4×106。這主要與半導(dǎo)體中缺陷態(tài)密度的增加有關(guān)。當(dāng)IGZO的厚度隨著沉積時(shí)間增長(zhǎng)的時(shí)候，其內(nèi)部的缺陷也會(huì)越多，在這些缺陷中有一部分會(huì)形成淺施主能級(jí)的氧空位，提供大量的自由電子，降低溝道的電阻率，提高器件的遷移率，減小閾值電壓，同時(shí)還會(huì)增大關(guān)態(tài)電流；還有一部分則會(huì)形成深能級(jí)缺陷，捕獲溝道中移動(dòng)的自由電子，導(dǎo)致亞閾值擺幅的增大。同時(shí)這些缺陷也會(huì)影響器件的穩(wěn)定性，缺陷越多，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的柵極正偏壓應(yīng)力之后，會(huì)捕獲溝道中的電子，并形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)抵消柵電壓的作用，導(dǎo)致了器件發(fā)生閾值電壓的漂移。因此，除了濺射功率、溫度、壓強(qiáng)、氧分壓等工藝條件外，有源層的厚度也會(huì)影響TFT的各方面性能，應(yīng)該合理選擇和確定有源層的厚度，以獲得更好的電學(xué)性能和穩(wěn)定性。

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（編輯：陳豐）

Effect of active layer thickness on the performance of IGZO thin-film-transistors

WU Jie, MEN Chuanlin
(Scool of Energy＆amp;Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200082, China)

Abstract:IGZO-TFTs with different active layer thicknesses were prepared using magnetron sputtering method. It is observed that with the increasing of active layer thickness, the threshold voltage and on/off ratio decrease, while the subthreshold swing and mobility keep an upward tendency. The variation of threshold voltage shift was studied additionally. The results indicate that the enhancement of active layer thickness has a negative impact on the device stability. It is considered as the consequence of growing trap state density in the semiconductor resulting from the increment of active layer thickness.

Key words:IGZO; thin-film-transistors; active layer thickness; mobility; oxygen vacancies; stability

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.009

中圖分類(lèi)號(hào):TN321

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2028（2016）06-0044-04

收稿日期：2016-03-21 通訊作者：門(mén)傳玲

基金項(xiàng)目：上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（No. 13ZR1428200）；上海理工大學(xué)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目培育基金資助（No. 14XPM06）

作者簡(jiǎn)介：門(mén)傳玲（1970－），女，安徽長(zhǎng)豐人，副教授，博士，主要從事功能材料的制備與應(yīng)用的研究；