退火氣氛對(duì)ZnO薄膜晶體管電學(xué)穩(wěn)定性的影響

張文通，高曉紅

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長春 130118

由于薄膜晶體管(Thin Film Transistor,英文縮寫為TFT)在有源矩陣液晶顯示器(Active matrix liquid crystal display,英文縮寫為AM-LCD)、射頻識(shí)別標(biāo)簽、大面積傳感器和計(jì)算機(jī)等電子市場上的廣泛應(yīng)用,人們對(duì)TFT進(jìn)行了大量的研究工作[1-2].與非晶硅和多晶硅薄膜晶體管相比,金屬氧化物半導(dǎo)體具有低成本、高透明、高遷移率和大面積均勻性等優(yōu)點(diǎn)[3-4],這使金屬氧化半導(dǎo)體成為最有前途的薄膜晶體管溝道層材料之一.

目前,未進(jìn)行摻雜的純ZnO薄膜晶體管無法得到應(yīng)用的原因常常是由于器件的電學(xué)性能不夠好或是器件穩(wěn)定性還不滿足要求.研究發(fā)現(xiàn)TFT的轉(zhuǎn)移曲線出現(xiàn)順時(shí)針滯回現(xiàn)象的主要原因之一是在柵壓正向掃描時(shí)界面陷阱電荷俘獲載流子,在柵壓負(fù)向掃描時(shí)由于陷阱占用部分載流子,使得達(dá)到同樣大的源漏電流IDS需要更高的柵壓[5],導(dǎo)致了閾值電壓正向偏移.研究者發(fā)現(xiàn),通過對(duì)薄膜退火可降低其界面陷阱密度,改善薄膜質(zhì)量[6-7].

本文擬通過使用射頻磁控濺射沉積ZnO溝道層材料制備成TFT,并進(jìn)行退火,改變不同的退火氣氛,摸索提高ZnO薄膜晶體管電學(xué)性能的方法,并提高器件轉(zhuǎn)移曲線的滯回穩(wěn)定性.利用X射線衍射(X-ray diffraction,英文縮寫為XRD)、光致發(fā)光(Photoluminescence,英文縮寫為PL)光譜對(duì)ZnO薄膜進(jìn)行表征,使用場發(fā)射(Field emission,英文縮寫為FE)掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,英文縮寫為SEM)、原子力顯微鏡(Atomic force microscopy,英文縮寫為AFM)觀察薄膜表面形貌.

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用美國kurtJ.Lesker的PVD 75型磁控濺射設(shè)備在具有100 nm SiO2介電層的Si(004)襯底上沉積40 nm厚的ZnO薄膜,氬氧比為95∶5,濺射氣壓為8 mTorr,濺射功率為100 W,襯底溫度為90 ℃.然后對(duì)薄膜進(jìn)行濕法光刻并蒸鍍Pt電極,制備成TFT器件.將器件進(jìn)行15 min的退火,退火氣氛分別為N2，O2和空氣.

圖1為TFT器件的結(jié)構(gòu)示意圖和光學(xué)顯微鏡下照片,溝道長度60 μm、寬度300 μm.對(duì)4個(gè)器件使用keysight B1500A半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測試電學(xué)性能,用布魯克公司的高分辨X射線衍射儀(D8 DISCOVER)分析ZnO薄膜的結(jié)晶情況,X射線源為Cu靶Kα,波長λ = 1.541 8 ?;采用HORIBA公司的光致發(fā)光/拉曼光譜儀測試ZnO薄膜的發(fā)光特性;采用日本電子株式會(huì)社的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-7610F)和牛津公司的原子力顯微鏡(MFP-3D)觀察ZnO薄膜表面形貌.

(a) (b)圖1 (a)TFT結(jié)構(gòu)示意圖和(b)光學(xué)顯微鏡下的TFT照片F(xiàn)ig.1 (a)TFT schematic diagram and (b)TFT photos under optical microscopy

2 結(jié)果與討論

2.1 TFT器件分析

圖2為不同退火氣氛下TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線和滯回曲線.

(a)

(b)

(c)

(d)

由圖(a)可見,N2氣氛下退火的器件出現(xiàn)了較好的電學(xué)性能,電流開關(guān)比Ion/Ioff為5.88×107,亞閾值擺幅SS為0.97 V/decade;

O2氣氛下退火的器件由于O原子會(huì)填補(bǔ)一部分的氧空位,氧空位的減少使溝道層中的載流子濃度下降,器件的開態(tài)電流降低了近1個(gè)數(shù)量級(jí);

空氣氣氛下退火的器件開態(tài)電流略有下降,關(guān)態(tài)電流提高了1個(gè)數(shù)量級(jí);

未退火的器件由于存在較多晶體缺陷,各項(xiàng)電學(xué)性能都較差,開關(guān)比僅為103.

器件的各項(xiàng)電學(xué)性能見表1.

表1 TFT的電學(xué)性能Table 1 Electrical performance of TFT

由圖2(b)～圖2(d)可分析出N2下退火的器件滯回穩(wěn)定性最高,閾值電壓偏移ΔVTH僅為0.2 V,在O2和空氣下退火的器件均出現(xiàn)了較大的閾值電壓偏移,分別為5.8 V和6 V.這是由于N2退火降低了界面陷阱電荷密度[8],在O2和空氣下沒有達(dá)到同樣的效果.從器件的亞閾值擺幅SS可計(jì)算得出柵介電層與溝道層之間的界面態(tài)密度DIT,由式(1)可得[2]:

(1)

式中,SS為亞閾值擺幅,V/decade;e為自然常數(shù);Cox為單位面積電容,mF/cm2;k為玻爾茲曼常數(shù),J/K;T為絕對(duì)溫度,K;q為單位電荷量,C.計(jì)算得出在N2下退火時(shí)的界面態(tài)密度DIT最低,為3.34×10121/(cm2·eV).

2.2 光致發(fā)光分析

圖3為不同退火氛圍下ZnO薄膜的PL光譜,激發(fā)光源為325 nm,在室溫下進(jìn)行測試.在380 nm附近的峰為ZnO的本征發(fā)光峰,峰位基本保持一致,表明退火氣氛沒有改變ZnO薄膜的禁帶寬度.

處于可見光范圍的發(fā)光峰為ZnO的缺陷發(fā)光峰[9],O2下退火的ZnO薄膜缺陷發(fā)光最弱,O2填補(bǔ)了一部分磁控濺射沉積ZnO薄膜時(shí)產(chǎn)生的氧空位,N2和空氣下退火的ZnO薄膜的缺陷峰比未退火的薄膜低,這是因?yàn)橥嘶鹗咕w中原子遷移,減少了位錯(cuò)、層錯(cuò)和晶格應(yīng)力等晶體缺陷.

而未退火的ZnO薄膜缺陷發(fā)光強(qiáng)度很高,大量的晶體缺陷不利于載流子傳輸,使得未退火的ZnO器件性能很差.

圖3 不同退火氣氛下ZnO薄膜的PL光譜Fig.3 PL spectra of ZnO thin films in different annealing atmospheres

圖4 不同退火氣氛下ZnO薄膜的XRD光譜Fig.4 XRD spectra of ZnO thin films in different rapid annealing atmospheres

2.3 XRD分析

圖4為不同退火氣氛下ZnO薄膜的XRD光譜,所有薄膜均出現(xiàn)了ZnO六方纖鋅礦的(002)衍射峰[10],晶體垂直于界面生長,未出現(xiàn)其他晶向.

未退火的ZnO薄膜2θ角為34.08°,退火后的ZnO薄膜2θ角均為34.4°,未退火薄膜的衍射峰向小角度偏移是由于在磁控濺射沉積時(shí)在薄膜中存在殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致晶格畸變?cè)斐傻?這種應(yīng)力可通過退火消除,這也是造成未退火的ZnO TFT電學(xué)性能不良的原因之一.

2.4 表面形貌分析

圖5(a)～圖5(d)為不同退火氣氛下ZnO薄膜的SEM照片.所有薄膜晶粒均致密均勻,未出現(xiàn)孔隙或團(tuán)簇現(xiàn)象.

(a) N2

(b) O2

(c) 空氣 (c) Air

(d) 未退火 (d) As deposited

圖6(a)～圖6(d)為不同退火氣氛下ZnO薄膜的AFM照片,N2，O2和空氣以及未退火的ZnO薄膜粗糙度RMS分別為3.661 nm,3.708 nm,3.412 nm和3.476 nm.不同的退火氣氛并未對(duì)ZnO薄膜的粗糙度和表面形貌造成明顯的改變.

(a) N2

(b) O2

(c) 空氣 (c) Air

(d) 未退火 (d) As deposited

3 結(jié)論

本文通過射頻磁控濺射在Si襯底上制備了ZnO薄膜晶體管,研究了不同退火氣氛對(duì)ZnO薄膜晶體管電學(xué)性能的影響,并對(duì)溝道層薄膜進(jìn)行了XRD與PL分析,發(fā)現(xiàn)退火可消除ZnO薄膜中由殘余拉壓力導(dǎo)致的晶格畸變,O2下退火有助于降低氧空位,同時(shí)使載流子濃度降低.通過SEM與AFM觀察,未發(fā)現(xiàn)退火氣氛對(duì)薄膜表面形貌造成影響.經(jīng)計(jì)算與實(shí)測,發(fā)現(xiàn)N2下300 ℃退火15 min的器件電學(xué)性能最佳,電流開關(guān)比為5.88×107,閾值電壓偏移ΔVTH為0.2 V,界面態(tài)密度DIT為3.34×1012cm-2eV-1.N2下退火能有效提高TFT的滯回穩(wěn)定性,并且不會(huì)降低TFT的電學(xué)性能.