基于P摻雜SiO2為柵介質(zhì)的超低壓側(cè)柵薄膜晶體管*

朱德明 門(mén)傳玲 曹 敏吳國(guó)棟

1)(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)

2)(中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，寧波 315201)

(2012年11月9日收到;2013年2月3日收到修改稿)

1 引言

最近，一種側(cè)柵結(jié)構(gòu)的新型場(chǎng)效應(yīng)薄膜晶體管受到了廣泛關(guān)注[1,2].該器件在制備過(guò)程中采用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，其源，漏，柵極都在同一平面內(nèi)[2]，器件結(jié)構(gòu)得到極大簡(jiǎn)化，從而降低了制備難度并減小了工藝成本.這種新型的側(cè)柵場(chǎng)效應(yīng)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，在未來(lái)的邏輯電路和存儲(chǔ)電路的應(yīng)用中都極具前景[3,4].然而，其制備工藝中通常需要精準(zhǔn)的光刻技術(shù)，使得該器件的制備過(guò)程仍然比較復(fù)雜.并且側(cè)柵結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的柵介質(zhì)的等效電容基于兩個(gè)電容的串聯(lián)模型[5]，因而電容較小，工作電壓高，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用于實(shí)際的便攜式電子產(chǎn)品中.

為了實(shí)現(xiàn)器件在低電壓下工作，國(guó)內(nèi)外很多課題組研究采用具有雙電層大電容特性的聚合物電解質(zhì)或離子液充當(dāng)柵介質(zhì)[6-8]，來(lái)增大器件電容，提高柵極與溝道層間的電容耦合，從而降低薄膜晶體管的工作電壓.近來(lái)，Crispin[9,10]等人報(bào)道了一種新型的利用聚合物電解質(zhì)來(lái)作柵介質(zhì)的有機(jī)雙電層薄膜晶體管，柵介質(zhì)單位面積電容高達(dá)10μF/cm2，工作電壓可降低至1V左右.但有機(jī)薄膜晶體管存在遷移率低(＜1 cm2/V·s)，熱穩(wěn)定性差，制備過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)[11]，因此，急需探索研究出具有高遷移率，性能穩(wěn)定，制備過(guò)程簡(jiǎn)單的薄膜晶體管.

近來(lái)，本課題組采用具有雙電層效應(yīng)的P摻雜SiO2作為柵介質(zhì)，在室溫下制備了一種新型的側(cè)柵結(jié)構(gòu)薄膜晶體管.由于采用獨(dú)特的側(cè)柵結(jié)構(gòu)，在射頻磁控濺射過(guò)程中，僅僅利用一塊鎳掩模板，無(wú)需復(fù)雜的光刻步驟，就可同時(shí)沉積出ITO源、漏、柵電極和溝道，其中溝道層通過(guò)掩模板衍射自組裝形成，濺射出的ITO顆粒通過(guò)衍射作用進(jìn)入并沉積在鎳掩模板覆蓋的區(qū)域，這樣在ITO源漏極形成的同時(shí)，兩極之間由于ITO衍射作用形成一層薄薄的ITO溝道層.并對(duì)這種晶體管的電學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，而且對(duì)在P摻雜SiO2柵介質(zhì)層與溝道層界面處形成的超大雙電層電容(8μF/cm2)機(jī)理進(jìn)行了著重分析.結(jié)果表明，這種P摻雜SiO2薄膜晶體管具有極低的工作電壓1 V，小的亞閾值擺幅82 mV/dec、高的遷移率18.35 cm2/V·s和大的開(kāi)關(guān)電流比1.1×106等優(yōu)良性能.

2 實(shí)驗(yàn)

如圖1(a)所示，該器件以ITO導(dǎo)電玻璃為襯底.首先，向抽真空至3×10-3Pa的PECVD腔體中通入Ar啟輝，5 min穩(wěn)定后，再以SiH4(其中摻有體積分?jǐn)?shù)為5%的PH3)和O2為反應(yīng)氣體，反應(yīng)過(guò)程的壓強(qiáng)為30 Pa，Ar、SiH4(PH3體積分?jǐn)?shù)5%)、O2的流量比為60：10：60，射頻電源的功率為100 W，沉積時(shí)間為60 min，得到約4μm厚的P摻雜SiO2柵介質(zhì)層.然后，在已制備好的P摻雜SiO2表面固定一塊鎳掩模板，在0.5 Pa的Ar氣環(huán)境中射頻磁控濺射沉積一層約200 nm厚ITO源、漏、柵電極，濺射出的ITO顆粒會(huì)通過(guò)衍射作用進(jìn)入并沉積在鎳掩模板覆蓋的區(qū)域，這樣ITO源漏極形成的同時(shí)，兩極之間一層薄薄的ITO溝道層就由于衍射同時(shí)形成了，溝道層最薄處厚度約30 nm，沉積過(guò)程如圖1(b)所示.本實(shí)驗(yàn)采用ITO靶材(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的In2O3和10%的SnO2)，射頻電源的功率為100 W，濺射時(shí)間為15 min.整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都在室溫下完成.如圖2所示，柱狀微孔結(jié)構(gòu)的P摻雜SiO2柵介質(zhì)截面形貌采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡測(cè)試(HitachiS-4800SEM).器件的電學(xué)特性由Keithley4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀在室溫下無(wú)光環(huán)境中測(cè)試得到.

3 結(jié)果與討論

在本文提到的側(cè)柵結(jié)構(gòu)中，如圖1(a)所示，側(cè)柵結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的柵介質(zhì)的等效電容基于兩個(gè)電容串聯(lián)的模型得到，每個(gè)電容都是一個(gè)單獨(dú)的雙電層電容，C1和C2能很好的通過(guò)ITO層串聯(lián)起來(lái)[4].

從圖3(a)可以看出，電容隨頻率的減小而增大，并到1 Hz時(shí)達(dá)到最大值8μF/cm2.然而，根據(jù)傳統(tǒng)的電容理論：C= εoεr/d(εo是真空介電常數(shù)，εr是相對(duì)介電常數(shù)，d是柵介質(zhì)厚度)計(jì)算得到的電容為8.6×10-4μF/cm2.很明顯，理論計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果小了四個(gè)數(shù)量級(jí).對(duì)此，我們提出用雙電層理論來(lái)解釋這種超級(jí)大電容形成的原因[12,13]：在本課題組以前的研究中，SiO2柵介質(zhì)與溝道界面處也能形成雙電層電容2.7μF/cm2[14]，本文中形成的大電容，是由于P的摻入，柵介質(zhì)中含有P3+，空氣中的H2O分子能滲透到這種疏松的孔隙柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)中(如圖2所示)，與P3+結(jié)合形成H3PO3，相對(duì)于傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)，它會(huì)產(chǎn)生更多的H+;并且P的摻入，會(huì)使Si-OH+-Si的鍵能變?nèi)?，因而質(zhì)子導(dǎo)電性增強(qiáng)[15].從圖2可以看出，這種P摻雜SiO2柵介質(zhì)具有疏松、柱狀的排列結(jié)構(gòu)，其間存在很多孔隙，正是由于具有這種疏松的孔隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)給柵極外加正向偏壓時(shí)，H+通過(guò)柱狀陣列的間隙向柵介質(zhì)和溝道層表面移動(dòng)，在溝道層內(nèi)產(chǎn)生大量的相反電荷，形成雙電層，從而獲得大電容.

圖1 (a)器件結(jié)構(gòu)示意圖;(b)ITO沉積過(guò)程示意圖

圖2 P摻雜SiO2掃描電鏡圖

圖3 (a)電容和相位角隨頻率變化的曲線(xiàn);(b)P摻雜SiO2柵介質(zhì)漏電流曲線(xiàn)

圖3(b)為P摻雜SiO2柵介質(zhì)漏電流曲線(xiàn).1 V偏壓下漏電流約為3 nA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聚合物電解質(zhì)的漏電流(～0.1μA)[9-11].所得的漏電流比溝道電流小5個(gè)數(shù)量級(jí)，這就表明P摻雜SiO2柵介質(zhì)沒(méi)有明顯的電化學(xué)現(xiàn)象，離子電流也很小，具有較好的絕緣特性，能夠保證器件的正常工作而不受柵漏電流的影響[13,16].

圖4(a)是該器件的輸出特性曲線(xiàn)(Ids-Vds).Vds由0 V掃描至1 V，同時(shí)，Vgs由0 V掃描至1 V，每次增加0.2 V.由圖4(a)可知，較高的Vds下器件顯示出了良好的電流飽和特性，而在較低Vds下Ids也具有很好的線(xiàn)性特性，器件具有良好的歐姆接觸，在偏壓Vds=1 V和Vgs=1 V下具有較高的飽和電流(～200μA).由于P摻雜SiO2柵介質(zhì)和溝道界面處的雙電層效應(yīng)，形成了較大電容，所以本器件顯示出了超低的工作電壓1 V.

圖4 (a)該器件的Ids-Vds輸出特性曲線(xiàn);(b)該器件的Ids-Vgs轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，以及Vds=1 V下對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)

上式中 L為溝道長(zhǎng)度 80μm，W 為溝道寬度1000μm，Ci為 P摻雜 SiO2柵介質(zhì)單位面積電容.通過(guò)計(jì)算可得，飽和區(qū)場(chǎng)效應(yīng)遷移率μFE約為 18.35 cm2/V·s.

圖5 該器件的脈沖響應(yīng)曲線(xiàn)

圖5為該器件的脈沖響應(yīng)圖.在Vds外加電壓1 V，Vg外加-1 V和1 V的脈沖測(cè)試信號(hào)下，沒(méi)有明顯的電流損失，并且維持穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)電流比，這表明ITO溝道層和這種顆粒膜P摻雜SiO2柵介質(zhì)之間沒(méi)有明顯的電化學(xué)摻雜發(fā)生[14]，器件顯示出了較好的穩(wěn)定性.

4 結(jié)論

采用P摻雜SiO2作為柵介質(zhì)，應(yīng)用于側(cè)柵結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管中，在柵極外加正壓情況下，具有更多的H+等可移動(dòng)離子移動(dòng)到柵介質(zhì)絕緣層的上表面與溝道感應(yīng)電子形成極強(qiáng)雙電層效應(yīng)，獲得大電容(8μF/cm2).使該器件具有超低的工作電壓1 V，小的亞閾值擺幅82 mV/dec、高的遷移率18.35 cm2/V·s和大的開(kāi)關(guān)電流比1.1×106.并且采用獨(dú)特的側(cè)柵結(jié)構(gòu)，在射頻磁控濺射過(guò)程中，利用一步掩膜法，就可同時(shí)沉積出ITO源、漏、柵電極和溝道，因而極大的簡(jiǎn)化了制備流程，降低了工藝成本.因此，這種P摻雜SiO2側(cè)柵結(jié)構(gòu)薄膜晶體管在未來(lái)的低功耗電子器件及新型傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用中都極具前景.

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