濺射功率對(duì)MgZnO薄膜晶體管性能的影響

岳廷峰，高曉紅，劉建文，付 鈺，孟 冰

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

0 引言

近年來(lái)，ZnO基TFTs由于具有穩(wěn)定性好、遷移率高、制備工藝較為簡(jiǎn)單且可低溫制造的特點(diǎn)[1-2]，因此其在高分辨率、大尺寸平板顯示市場(chǎng)有較為廣泛的應(yīng)用.例如用于有源矩陣液晶顯示器(AM-LCD)、射頻識(shí)別標(biāo)簽、大面積傳感器和計(jì)算機(jī)中[3].尤其是在透明顯示方面，展現(xiàn)了卓越的應(yīng)用前景.盡管如此，ZnO基TFT依然存在著不可忽視的問(wèn)題.已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在基于ZnO的TFT中，器件特性包括場(chǎng)效應(yīng)遷移率、開(kāi)關(guān)比、亞閾值擺幅等電學(xué)性能均受到有源層中固有缺陷的影響.例如ZnO薄膜中會(huì)有較多的O空位、Zn間隙等本征缺陷，這些缺陷使得ZnO薄膜內(nèi)部有著較高的載流子濃度以及過(guò)大的關(guān)態(tài)電流，致使器件開(kāi)關(guān)比降低，從而導(dǎo)致器件失去了晶體管的意義，演變成柵壓控制型的電阻器.因此，本文研究的目的是如何通過(guò)合理有效的方式降低ZnO有源層中的載流子濃度[4]，從而獲得高質(zhì)量以及高性能的ZnO基TFT器件.

目前一般采用的是摻雜和合金兩種方式實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，從而獲得高性能且實(shí)用的薄膜晶體管[5-6].常見(jiàn)的摻雜元素包括Ga[7]，In[8]，Al[9]，Mg[10]等等.但從綠色環(huán)保、低成本制備的理念考慮，Mg元素也是首選材料之一.并且依據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，Mg元素的含量豐富，在地殼的含量排第8，易于獲取，市場(chǎng)價(jià)格便宜，可以實(shí)現(xiàn)低成本、規(guī)?；a(chǎn).從離子半徑來(lái)看，兩者的離子半徑的微小差異(Zn2+0.06 ?；Mg2+0.57 ?)使得摻雜不會(huì)造成明顯的晶格畸變[11-12]，可以避免因?yàn)榫Ц袷湓斐傻母呙芏热毕?，有利于高質(zhì)量的薄膜生長(zhǎng).

MgZnO薄膜材料常用的制備方法有原子層沉積法(ALD)[13]、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)[14]、溶膠凝膠法[15]、脈沖激光沉積法(PLD)[16]以及磁控濺射法[17]等.在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用磁控濺射的方法，因?yàn)槠渚哂胁僮鬏^為方便、制膜技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將摸索Mg摻雜ZnO薄膜材料的生長(zhǎng)條件，進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，制備出高性能、高穩(wěn)定性的MgZnO-TFT.

1 實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用的是厚度為100 nm熱氧化SiO2為柵介電層的p-Si襯底，通過(guò)射頻磁控濺射法在SiO2柵介電層上生長(zhǎng)MgZnO薄膜作為器件的溝道層，從而制備出底柵頂接觸型的MgZnO-TFT，器件的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.具體工藝如下：先將硅片沿背面切割成尺寸約為1 cm×1 cm大小的形狀，依次放入丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水中超聲清洗10 min左右，隨后取出用氮?dú)獯蹈?采用磁控濺射的方法沉積MgZnO薄膜，磁控設(shè)備使用的是Kurt J.Lesker公司的PVD 75型號(hào)，靶材采用的是純度為99.99 %的高純ZnO陶瓷靶及純度為99.99 %的高純金屬M(fèi)g靶，磁控設(shè)備進(jìn)行濺射之前，需將腔室真空度抽至5×10-5mTorr以下.將ZnO靶射頻功率設(shè)置為100 W.一組實(shí)驗(yàn)是由ZnO靶單獨(dú)濺射，另外3組實(shí)驗(yàn)是將Mg靶射頻功率設(shè)置為3 W,7 W,10 W分別進(jìn)行共濺射，沉積過(guò)程在室溫下進(jìn)行.沉積結(jié)束將片子取出進(jìn)行濕法光刻，分為勻膠、前烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜、刻蝕和去膠七個(gè)步驟.濕法光刻后用電子束蒸發(fā)設(shè)備鍍50 nm厚的金屬鋁作為源漏電極.器件的溝道長(zhǎng)為10 μm，寬為300 μm.對(duì)制備的器件采用Keysight B 1 500A型號(hào)的半導(dǎo)體參數(shù)儀測(cè)試其電學(xué)性能；采用英國(guó)牛津儀器集團(tuán)的原子力顯微鏡(AFM)對(duì)薄膜的表面形貌進(jìn)行探測(cè)；采用JEOL公司的JSM-7610 F型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)薄膜的表面形貌進(jìn)行研究.

圖1 TFT器件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TFT device

圖2 不同摻雜量MgZnO TFTs轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.2 Transfer characteristics of MgZnO TFTswith different doping contents

2 結(jié)果與討論

2.1 TFT器件性能分析

圖2為不同摻雜量的MgZnO TFTs轉(zhuǎn)移特性曲線.該轉(zhuǎn)移特性曲線是在一定的源漏電壓(VDS=15 V)下測(cè)得.隨著VGS從-20 V增大到40 V，TFT逐漸經(jīng)歷從關(guān)態(tài)到開(kāi)態(tài)的過(guò)程.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鎂摻雜對(duì)TFTs的各項(xiàng)電參數(shù)均有影響.

由圖2可知，在Mg靶材濺射功率為3 W時(shí)，MgZnO TFTs的各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)總體達(dá)到最佳，電學(xué)性能的改善主要是由于在ZnO中摻入Mg離子降低了氧空位的密度和相應(yīng)的電子陷阱.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

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

當(dāng)濺射功率為3 W時(shí)電流開(kāi)關(guān)比為Ion/Ioff=1.54×107, 電流開(kāi)關(guān)比總體呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì).MgZnO TFTs的飽和場(chǎng)效應(yīng)遷移率(1)式確定：

(1)

式中,W為溝道寬度；L溝道長(zhǎng)度，μm；COX為單位面積柵極絕緣層的電容，mF/cm2；Vth為閾值電壓，V；μsat為飽和場(chǎng)效應(yīng)遷移率，cm2·V-1.

根據(jù)(1)式計(jì)算得到Mg靶功率為3 W時(shí)，MgZnO TFTs閾值電壓為24 V，飽和場(chǎng)效應(yīng)遷移率為1.98 cm2·V-1，飽和場(chǎng)效應(yīng)遷移率也基本總體呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，閾值電壓總體變化不太明顯.亞閾值擺幅SS是分析缺陷態(tài)密度的一個(gè)重要參數(shù)，SS由(2)式確定：

(2)

該公式表示的含義是當(dāng)IDS增加一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)VGS的增加量，SS數(shù)值越小,則越能說(shuō)明絕緣層與溝道層界面態(tài)陷阱或溝道層中的缺陷態(tài)密度越小.通過(guò)計(jì)算得出,在Mg靶材功率為3 W時(shí)，MgZnO TFTs的亞閾值擺幅為1.1 V/decade.

綜上所述，在Mg靶材功率為3 W時(shí)，MgZnO TFTs的各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)得到改善，改善的主要原因是在有源層引入了更強(qiáng)的Mg-O鍵來(lái)抑制氧空位.界面缺陷態(tài)密度可以通過(guò)公式(3)確定：

(3)

式中，SS為亞閾值擺幅，V/decade；K玻爾茲曼常數(shù)，J/K；T絕對(duì)溫度，K.當(dāng)Mg靶濺射功率為3 W時(shí)，界面態(tài)密度最低，數(shù)值為3.82×1012cm-2·eV-1.

2.2 表面形貌分析

圖3(a)～(d)為不同濺射功率的MgZnO薄膜的SEM照片.Mg濺射功率為3 W,7 W,10 W時(shí)在MgZnO結(jié)構(gòu)中占的原子百分比(at.%)分別為1.54,3.50和4.67.

(a) 0 W

(b) 3 W

(c) 7 W

(d) 10 W

圖4(a)～(d)為不同濺射功率功率的MgZnO薄膜的AFM圖像.濺射功率為0 W,3 W,7 W,10 W的MgZnO薄膜的均方根粗糙度(RMS)分別為1.816 nm,1.168 nm,1.419 nm,1.482 nm，而ZnO的均方根粗糙度為1.816.與ZnO的均方根粗糙度相比較，MgZnO粗糙度降低較為明顯.原因是一定量的Mg摻雜減少了薄膜的表面空隙數(shù)，改善了薄膜的表面粗糙度，使得薄膜質(zhì)量變好.

圖4 不同濺射功率MgZnO薄膜的AFM圖像Fig.4 AFM images of MgZnO films with different sputtering powers

3 結(jié)論

本文在室溫下通過(guò)射頻磁控濺射技術(shù)，在100 nm厚的SiO2絕緣層硅襯底上制備了MgZnO薄膜及其晶體管.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Mg靶材濺射功率為3 W時(shí)，器件電學(xué)性對(duì)薄膜質(zhì)量最好，原因是少量Mg摻雜降低了氧空位的密度和相應(yīng)的電子陷阱，提升了電學(xué)性能以及Mg的摻雜，減少了表面空隙數(shù)，降低了薄膜表面粗糙度，改善了薄膜質(zhì)量.