非晶鎂銦錫氧薄膜晶體管的制備及退火對(duì)其性能的影響

王 韜， 張希清(北京交通大學(xué) 光電子技術(shù)研究所， 北京 100044)

非晶鎂銦錫氧薄膜晶體管的制備及退火對(duì)其性能的影響

王 韜， 張希清*
(北京交通大學(xué) 光電子技術(shù)研究所， 北京 100044)

為了優(yōu)化鎂銦錫氧薄膜晶體管(MITO-TFT)的性能，采用磁控濺射法制備MITO-TFT并分別研究了退火溫度和退火氣氛(O2流量)對(duì)器件性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，O2流量為400 cm3/min、退火溫度為750 ℃的MITO薄膜為非晶態(tài)，且其對(duì)應(yīng)薄膜晶體管有最佳性能，其飽和遷移率為12.66 cm2/(V·s)，閾值電壓為0.8 V，開關(guān)比達(dá)到107。適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜梢杂行p少缺陷與界面態(tài)密度，并提高器件性能。

MITO-TFT； 氧化物半導(dǎo)體； 遷移率； 退火溫度； 退火氧氣流量

1 引 言

近年來(lái)，以氧化鋅(ZnO)及其二元、三元衍生物如銦鋅氧(IZO)、鋅錫氧(ZTO)、鋅銦錫氧(ZITO)、銦鎵鋅氧(IGZO)等為代表的氧化物薄膜晶體管(TFT)受到了研究人員的廣泛關(guān)注[1-11]。氧化物晶體管具有較高的遷移率、可見光透明、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，使其在新型顯示技術(shù)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。但是ZnO存在如氧空位(Vo)、鋅填隙(Zni)等本征缺陷，且其在常溫下為多晶態(tài)，這影響了ZnO-TFT的穩(wěn)定性?？紤]到氧化鎂(MgO)相比ZnO具有更大的禁帶寬度(MgO：7.8eV，ZnO：3.4eV)，更強(qiáng)的M—O鍵能(393.7kJ/mol)[12]，因此本文嘗試以MgO為有源層的主要材料制備氧化物TFT器件。目前已有將少量MgO摻雜入ZnO、In2O3制成TFT有源層的報(bào)道，以抑制本征缺陷的形成，提高器件穩(wěn)定性[13-17]。另一方面，由于MgO優(yōu)良的絕緣性和致密性，也有研究者將MgO作為TFT的絕緣層或惰性層[18-22]。然而截至目前，將MgO作為TFT有源層主要材料的報(bào)道尚屬空白?？紤]到MgO較低的導(dǎo)電性能和載流子濃度，本文將一定比例的In2O3、SnO2混入MgO。In2O3與SnO2是典型的寬禁帶半導(dǎo)體且其金屬離子符合細(xì)野秀雄[23-24]提出的對(duì)于氧化物半導(dǎo)體金屬離子的核外電子排布要求((n-1)d10ns0(n≥4))。

本文使用磁控濺射法制備了Mg-In-Sn-O(MITO)TFT，并通過對(duì)有源層的退火處理優(yōu)化器件性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)MITO薄膜在400cm3/min的O2氣體保護(hù)下750℃退火后得到的器件性能最佳。

2 實(shí)驗(yàn)方法

底柵交疊型MITO-TFT的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文采用單面熱氧化的重?fù)诫sp-Si作為襯底，SiO2層厚度為300nm。在制備有源層前，將圓形硅片切割分離成尺寸約為1.5cm×1.5cm的襯底，然后分別使用丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水清潔襯底表面雜質(zhì)，用高純氮?dú)獯蹈蓚溆?。MITO有源層的沉積使用Alliance Line420磁控濺射設(shè)備，選用MgO-In2O3-SnO2混合燒結(jié)的陶瓷靶，其中各組分的量比為n(MgO)∶n(In2O3)∶n(SnO2)=80%∶16%∶4%。將襯底與靶材置入濺射腔體后，抽真空至2×10-3Pa，再通入流量為30cm3/min的氬氣(Ar)為工作氣體，開始起輝濺射，濺射過程中工作氣壓為2×10-2Pa，濺射功率為100W。在正式沉積有源層之前，先進(jìn)行500s預(yù)濺射以去除靶材存放時(shí)表面吸附的雜質(zhì)。通過調(diào)整濺射時(shí)間控制有源層薄膜厚度，有源層厚度為25nm。有源層制備完成后，將其置入石英管，通入高純O230min以排除管中空氣。在O2氣氛保護(hù)下，退火30min。將石英管從管式爐中取出，繼續(xù)通入O2直至樣品冷卻至室溫后取出樣品。為研究退火保護(hù)氣氛對(duì)器件性能的影響，分別調(diào)節(jié)氧氣流量為0，200，400，600cm3/min。為研究退火溫度對(duì)器件性能的影響，設(shè)定退火溫度分別為650，700，750，800，850℃。Al源/漏電極使用厚度為0.1mm的不銹鋼掩模版以熱蒸發(fā)的方式制備，同樣采取熱蒸發(fā)法在Si襯底背面制備Al柵電極。Al電極厚度約為200nm。TFT的溝道長(zhǎng)為50μm，寬長(zhǎng)比W/L=1。

圖1 MITO-TFT截面結(jié)構(gòu)示意圖

器件制備完成后，在室溫大氣遮蔽光照的條件下，使用Keithley SCS-4200半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)對(duì)器件電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，使用Bruker D8Focus X射線衍射(XRD)設(shè)備對(duì)薄膜晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究(Cu Kα波長(zhǎng))。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1退火溫度對(duì)MITO-TFT性能的影響

將退火時(shí)的O2流量設(shè)置為400cm3/min。圖2(a)給出了750℃退火器件的輸出特性曲線。其中柵極電壓(VGS)掃描范圍為0～50V，步長(zhǎng)為10V；源漏電壓(VDS)測(cè)量范圍為0～80V。由圖2(a)可以看出，750℃退火的MITO-TFT表現(xiàn)出典型的n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性，且能在較大VDS下表現(xiàn)出較好的飽和特性。圖2(b)～(f)分別給出了MITO薄膜經(jīng)過650，700，750，800，850℃退火后其對(duì)應(yīng)薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線，VGS的掃描范圍為-3～100V，VDS為40V。表1給出了MITO-TFT的各項(xiàng)電學(xué)性能參數(shù)隨退火溫度的變化情況。其中器件的飽和遷移率(μSAT)和閾值電壓(VTH)是由器件的轉(zhuǎn)移特性曲線經(jīng)線性擬合得到的，其表達(dá)式為:

(1)

這里IDS為源漏電流，Ci為絕緣層單位面積電容，W和L分別為溝道寬和長(zhǎng)。當(dāng)退火溫度由650℃上升到750℃時(shí)，器件的閾值電壓由22V下降到0.8V，μSAT由1.79cm2/(V·s)增加到12.66cm2/(V·s)，開關(guān)比由1.40×106增加至1.99×107，亞閾值擺幅(KSS)由2.88V/dec下降到1.85V/dec。以上變化表明，當(dāng)退火溫度由650℃上升到750℃時(shí)，器件性能整體變好。當(dāng)退火溫度進(jìn)一步上升到850℃時(shí)，閾值電壓由0.8V上升到32.8V，遷移率下降到0.31cm2/(V·s)，開關(guān)比(Ion/Ioff)下降到1.85×105，亞閾值擺幅由1.85V/dec上升到2.65V/dec，器件性能明顯下降。

為了進(jìn)一步研究退火溫度對(duì)器件性能影響的機(jī)理，本文對(duì)各退火溫度下的MITO薄膜進(jìn)行了XRD測(cè)試。圖3為各退火溫度下MITO薄膜的XRD圖譜，其中未退火的MITO薄膜作為對(duì)照組參與測(cè)試。由圖中可以明顯看出，當(dāng)退火溫度低于750℃時(shí)，并沒有明顯的衍射峰出現(xiàn) (位于2θ=23°附近的波包來(lái)自測(cè)試樣品的石英襯底)，MITO薄膜在低于750℃的退火處理下依然保持非晶態(tài)。根據(jù)先前的報(bào)道，In-Sn-O薄膜的結(jié)晶溫度大約為180～230℃(與制備條件及薄膜組分有關(guān))，這說明MgO抑制了In-Sn-O的結(jié)晶趨勢(shì)，此時(shí)退火處理并未改變薄膜的結(jié)構(gòu)，因而器件性能的提升主要來(lái)自于退火處理減少了有源層與SiO2絕緣層界面的缺陷態(tài)密度并提高了薄膜質(zhì)量。有源層/絕緣層的最大界面態(tài)密度可表示為以下關(guān)系[25]：

(2)

圖2750℃退火的MITO-TFT的輸出特性曲線(a)以及650℃(b)、700℃(c)、750℃(d)、800℃(e)、850℃(f)下退火的MITO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線。

Fig.2Output characteristics of MITO-TFT annealed at750℃(a) and transfer characteristics of MITO-TFTs annealed at650℃(b)，700℃(c)，750℃(d)，800℃(e)，850℃(f), respectively.

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；q為單位電荷量；KSS為亞閾值擺幅，代表IDS增加一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)VGS的變化速率，表示為：

(3)

經(jīng)過計(jì)算，650，700，750℃退火下器件最大界面態(tài)密度Nt分別為3.4×1012，3.1×1012，2.2×1012cm-2，可見當(dāng)退火溫度從650℃提高到750℃時(shí)，界面態(tài)密度減小，載流子受到的散射減弱，且更容易積累形成導(dǎo)電溝道，因此器件的遷移率升高，閾值電壓降低。而當(dāng)退火溫度提高到850℃時(shí)，可以明顯看出MITO薄膜的XRD圖譜存在多個(gè)衍射峰，其中2θ=21.3°，31.0°，235.9°的衍射峰分別對(duì)應(yīng)立方In2O3的(211)、(222)和(400)晶向，這說明MITO薄膜由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài)。

表1 不同退火溫度下MITO-TFT的性能參數(shù)

圖3 未退火及不同溫度退火MITO薄膜的XRD圖譜

Fig.3 XRD patterns of MITO thin film as-deposited and annealed at different temperature

理論上，晶態(tài)半導(dǎo)體遷移率高于非晶態(tài)，但是器件性能在850 ℃退火下大幅度下降，這似乎與常識(shí)矛盾。一種可能的解釋是對(duì)于In2O3來(lái)說，其載流子傳輸通路由In離子的5s軌道形成，由于其5s軌道的球?qū)ΨQ性使其遷移率對(duì)結(jié)晶性不敏感，因此非晶態(tài)下仍能保持較高遷移率，而過高溫度退火處理會(huì)使薄膜產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)缺陷，反而使薄膜質(zhì)量變差，載流子受到更多散射，因此器件遷移率降低，閾值電壓增大。

3.2 退火氣氛對(duì)MITO-TFT性能的影響

由于在退火過程中金屬氧化物半導(dǎo)體如ZnO、In2O3等易發(fā)生氧元素逸出導(dǎo)致氧空位缺陷，因此在退火過程中提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體是必不可少的。適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體可以減少退火產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷，保持器件性能。本節(jié)使用高純O2作為MITO薄膜退火過程中的保護(hù)氣體，著重研究了保護(hù)O2流量對(duì)器件性能的影響，根據(jù)上節(jié)討論結(jié)果，本節(jié)中退火溫度均設(shè)置為750 ℃。

圖4 不同O2流量下退火的MITO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線

Fig.4 Transfer characteristics of MITO-TFTs annealed with different O2flow rate

圖4分別給出了MITO薄膜在O2流量為0，200，400，600 cm3/min下退火的薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。其中0 cm3/min代表退火時(shí)未通入任何保護(hù)氣體，薄膜直接在大氣環(huán)境中進(jìn)行退火。未通入O2的器件其飽和遷移率為0.46 cm2/(V·s)，閾值電壓為39.2 V，開關(guān)比為2.64×104。器件遷移率很低且Ioff較大，造成這種現(xiàn)象的原因有可能是背溝道(即有源層靠近大氣一側(cè))發(fā)生了氧元素的逸出，產(chǎn)生了大量氧空位。這說明在空氣中直接退火會(huì)削弱退火處理對(duì)薄膜缺陷的消除作用[26]。當(dāng)O2流量從200 cm3/min增加到400 cm3/min時(shí)，器件的遷移率從8.97 cm2/(V·s)提高到了12.66 cm2/(V·s)，閾值電壓從11.6 V減小到0.8 V，開關(guān)比從8.89×105提高到1.99×107，Ioff從3.78×10-10下降到2.98×10-11。以上變化說明隨著流量的增加，O2對(duì)薄膜的保護(hù)作用增強(qiáng)，尤其是有效抑制了氧空位的生成。進(jìn)一步加大O2流量到600 cm3/min后，器件的飽和遷移率下降到8.43 cm2/(V·s)，閾值電壓增大到16.2V，Ion和Ioff均有一定程度減小因而開關(guān)比變化不大。造成以上變化的可能原因是過量的O2流量使得薄膜中產(chǎn)生氧原子填隙(Oi)等缺陷，導(dǎo)致器件性能降低[27]。

表2 不同退火O2流量下MITO-TFT的器件參數(shù)

4 結(jié) 論

本文使用磁控濺射制備了MITO-TFT并分別研究了退火溫度和退火O2流量對(duì)MITO-TFT性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)退火溫度為750 ℃、O2流量為400 cm3/min時(shí)，器件性能最佳。當(dāng)退火溫度由650 ℃升高到750 ℃時(shí)，器件性能尤其是遷移率指標(biāo)明顯提高，說明適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟瓤梢杂行p少界面態(tài)密度并提高成膜質(zhì)量；當(dāng)進(jìn)一步升高退火溫度到850 ℃時(shí)，器件性能大幅下降，這主要是因?yàn)楸∧姆蔷B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài)，晶界的出現(xiàn)使得載流子的散射變強(qiáng)。在空氣中退火得到的器件性能較差，可能的原因是氧元素逸出導(dǎo)致氧空位變多。O2流量在400 cm3/min時(shí)器件性能最好，繼續(xù)增大O2流量會(huì)導(dǎo)致有效退火溫度降低，造成器件性能下降。值得注意的是，由于MITO-TFT需要較高的退火溫度，因此現(xiàn)階段的MITO-TFT并不能很好地應(yīng)用于平板顯示領(lǐng)域。其制備條件與組分比例仍需進(jìn)一步優(yōu)化以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

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王韜(1992-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，2010年于電子科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事金屬氧化物薄膜晶體管方面的研究。

E-mail: 14121639@bjtu.edu.cn張希清(1961-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，1995年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事發(fā)光、顯示與新能源技術(shù)等方面的研究。

E-mail: xqzhang@bjtu.edu.cn

FabricationandEffectofAnnealingTreatmentonPerformanceofAmorphousMg-In-Sn-OThinFilmTransistor

WANGTao,ZHANGXi-qing*

(InstituteofOptoelectronicTechnology,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:xqzhang@bjtu.edu.cn

In order to optimize the performance of Mg-In-Sn-O thin film transistors (MITO-TFTs), MITO-TFTs were fabricated by radio frequency magnetron sputtering. The electrical properties on the effect of the annealing temperature and annealing ambient (O2flow rate) were investigated. The750℃ annealed MITO thin film with400cm3/min O2flow is amorphous and the corresponding TFT shows best performance with saturation field effect mobility of12.66cm2/(V·s), threshold voltage of0.8V and on/off ratio reaches107. Proper annealing will reduce defect and interface states density， improve the device performance effectively.

MITO-TFT; oxide semiconductor; filed effect mobility; annealing temperature; annealing O2flow rate

1000-7032(2017)11-1539-06

TN321+.5

A

10.3788/fgxb20173811.1539

2017-03-22；

2017-05-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(51372016,61275022)資助項(xiàng)目

Supported by National Natural Science Foundation of China(51372016,61275022)