有源層厚度對IGZO薄膜晶體管性能的影響

孟 冰，高曉紅，付 鈺，孫玉軒，王 森

吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院,長春 130000

0 引言

氧化鋅(ZnO)半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高遷移率、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點,是比較受歡迎的薄膜晶體管有源層材料之一.為了獲得性能更好的薄膜晶體管,對氧化鋅薄膜晶體管摻雜適量的銦離子和鎵離子.銦和鎵的離子半徑分別為0.62和0.81?,與鋅的離子半徑(0.74?)較為接近使得在摻雜過程中原子替位引起的晶格畸變較小.銦鎵鋅氧化物(IGZO)組分中的銦離子有利于載流子的高速運輸[1];鎵離子的摻入可以實現(xiàn)抑制氧空位等本征缺陷,實現(xiàn)對載流子的調(diào)控[2]. IGZO薄膜晶體管能在室溫條件下制備,有較高的場效應(yīng)遷移率、較好的穩(wěn)定性[3-4]、良好的均勻性和透光性等優(yōu)點,因此IGZO被視為下一代顯示器最有前途的材料.有源層材料的性質(zhì)影響薄膜晶體管的性能,而薄膜厚度對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、柵介質(zhì)層與有源層的界面缺陷等有一定影響,因此有源層厚度是IGZO-TFT性能的重要影響因素.近年來，國內(nèi)外學(xué)者報道了IGZO薄膜厚度,例如2018年Shashi K.Dargar 等[5]人制備有源層厚度為50 nm的IGZO薄膜晶體管,獲得了較好的遷移率.2020年Jaemin Kim等[6]人采用射頻磁控濺射制備的IGZO薄膜晶體管有源層厚度為30 nm,器件的開關(guān)電流比為2.62×107.為了進(jìn)一步提高IGZO-TFT的性能,我們研究了有源層厚度對薄膜晶體管的影響.本文采用磁控濺射的方法在室溫下沉積IGZO作為有源層并制備成TFT器件,使用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)表征IGZO薄膜,使用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測試TFT器件的電學(xué)性能,研究不同厚度的有源層對IGZO-TFT場效應(yīng)遷移率、閾值電壓、開關(guān)電流比、亞閾值擺幅的影響,并解釋了有源層厚度對IGZO薄膜晶體管性能的影響機理.

1 實驗

圖1 TFT器件結(jié)構(gòu)Fig.1 TFT device structure

實驗采用p-Si作為器件的柵極,其上生長有100 nm厚的熱氧化SiO2作為器件的絕緣層.首先將基片放入丙酮中超聲清洗10 min,再放入乙醇中超聲清洗10 min,

最后將基片放入去離子水中超聲清洗10 min.使用磁控濺射設(shè)備生長IGZO薄膜,濺射靶材采用的是IGZO陶瓷靶材,通過實驗確定薄膜沉積速率及時間.生長溫度為室溫,濺射壓強為8 mTorr,濺射功率為100 W,改變生長時間控制沉積薄膜的厚度,在氬氣下分別生長10 min,15 min,20 min的IGZO薄膜.沉積結(jié)束后將薄膜進(jìn)行濕法光刻,并采用電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍50 nm厚的Al作為源、漏電極,制備成TFT器件.本實驗中IGZO-TFT器件采用的是傳統(tǒng)的底柵結(jié)構(gòu),溝道長度為10 μm,寬度為300 μm,圖1為TFT器件的結(jié)構(gòu)示意圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 薄膜表面分析

薄膜的厚度對TFT器件性能有重要影響,本研究主要通過控制薄膜沉積時間來控制薄膜的厚度，采用掃描電子顯微鏡(SEM)表征了不同沉積時間的IGZO薄膜的厚度.圖2為不同沉積時間的IGZO薄膜的剖面掃描電子顯微鏡圖像和原子力顯微鏡圖像.電子顯微鏡圖像放大倍數(shù)為20萬倍,樣品a,b,c沉積時間分別為10 min,15 min和20 min，表征結(jié)果顯示薄膜厚度分別為33 nm,47 nm和59 nm,對應(yīng)的薄膜表面粗糙度RMS分別為653.800 pm,645.940 pm,660.322 pm,即當(dāng)薄膜沉積時間為15 min時，薄膜厚度為47 nm時,薄膜的粗糙度最小.

圖2 有源層厚度為(a)33 nm,(b)47 nm,(c)59 nm的IGZO薄膜剖面SEM和AFMFig.2 SEM and AFM images of IgZO thin films with active thickness of (a)33 nm,(b)47 nm, and (c)59 nm

2.2 TFT器件分析

圖3為不同有源層厚度制備的IGZO TFT的輸出特性曲線.從圖3可以看出,制備的不同有源層厚度IGZO TFT器件在同一柵壓下,薄膜晶體管輸出曲線呈現(xiàn)飽和特性,這表明柵極電壓VGS對薄膜晶體管的源漏電流IDS有很好的調(diào)控作用.源漏電流IDS隨著柵壓VGS的增大而增大,表明器件是N溝道場效應(yīng)晶體管,工作在增強型模式下.器件在低柵壓區(qū)域沒有電流擁擠的現(xiàn)象,說明TFT器件源漏電極和IGZO溝道層形成了良好的歐姆接觸.

圖3 不同有源層厚度的IGZO TFT輸出特性曲線Fig.3 IGZO TFT output characteristic curves with different active layer thicknesses

圖4為不同有源層厚度的IGZO TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線和IDS1/2-VGS曲線.源漏電壓VDS固定為5 V,柵極電壓從-5 V掃描到40 V. 從圖4中可以看出,當(dāng)IGZO有源層厚度為33 nm和47 nm時,器件的關(guān)態(tài)電流很小,約為10-12A數(shù)量級,有源層厚度增大到59 nm時,關(guān)態(tài)電流達(dá)到10-11A.隨著有源層厚度的增加,器件的開關(guān)電流比先增大后減小,當(dāng)IGZO膜厚為47 nm時,IGZO-TFT的開關(guān)電流比最好達(dá)到7.83×107.

圖4 不同有源層厚度IGZO TFT轉(zhuǎn)移特性和IDS1/2-VGS曲線Fig.4 IGZO TFT transfer characteristics and IDS1/2-VGS curves of different active layer thicknesses

IGZO TFT的電學(xué)性能參數(shù)見表1.

表1 TFT電學(xué)性能參數(shù)Table 1 Electrical performance parameters of TFT

當(dāng)有源層厚度為33 nm時,薄膜晶體管的遷移率最小,僅為0.798 cm2·(V·s)-1,原因是有源層較薄時,有源層與柵介質(zhì)層界面陷阱態(tài)密度達(dá)到7.33×1012cm-2·eV-1,IGZO/SiO2界面的缺陷較多,載流子容易被俘獲,導(dǎo)致遷移率較低,這也限制了器件的開關(guān)電流比; 將亞閾值擺幅代入公式(1)可計算界面陷阱態(tài)密度(DIT)：

(1)

式中,SS為亞閾值擺幅,(V·decade-1);k為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度,K;COX為單位面積電容,(mF·cm-2);e為自然常數(shù);q為單位電荷量,C.

隨著有源層厚度增加到47 nm,薄膜的界面陷阱態(tài)密度減小為6.35×1012cm-2·eV-1,場效應(yīng)遷移率增大為1.71 cm2·(V·s)-1,器件的開關(guān)電流比達(dá)到最佳為7.83×107,這可以歸因于薄膜的界面陷阱態(tài)密度減小,缺陷對載流子的俘獲作用減小,場效應(yīng)遷移率增加.載流子在運輸過程中被缺陷俘獲的數(shù)量隨之減少,參與導(dǎo)電的載流子更多,因此源漏電流變化的速率更快,導(dǎo)致器件的亞閾值擺幅減小.

有源層厚度增加到59 nm, 場效應(yīng)遷移率為1.30 cm2·(V·s)-1, 器件的開關(guān)電流比減小為6.87×106.界面態(tài)密度最大,同時載流子運輸層距離薄膜表面比較遠(yuǎn),形成了較高的界面態(tài)阻[7],導(dǎo)致遷移率減小;有源層過厚,在運輸過程中大量的自由載流子也會因相互碰撞而發(fā)生散射現(xiàn)象,導(dǎo)致亞閾值擺幅增大,電學(xué)性能劣化.

3 結(jié)論

本文使用射頻磁控濺射設(shè)備沉積不同厚度的IGZO薄膜并制備薄膜晶體管器件,研究有源層厚度對IGZO薄膜晶體管的影響.實驗結(jié)果顯示，薄膜厚度為47 nm時,薄膜表面粗糙度最低,薄膜沉積質(zhì)量最好.合適的有源層厚度能夠減小薄膜界面陷阱態(tài)密度,改變薄膜晶體管器件的電學(xué)性能.有源層較薄時,薄膜表面缺陷較多,導(dǎo)致薄膜的遷移率較低.有源層較厚會形成較高的界面態(tài)阻,且在運輸過程中載流子的散射現(xiàn)象增強,器件的電學(xué)性能下降.