退火溫度對基于Bi1.5Zn1.05Nb1.5O7柵絕緣層的ZnO-TFTs性能的影響

張 琦，葉 偉，孫芳莉，蕭 生，杜鵬飛

（1. 陜西理工大學機械工程學院，陜西漢中 723001；2. 西北工業(yè)集團有限公司，陜西西安 710043）

1 引言

二十一世紀是信息化時代，社會的信息化推動了平板顯示器和傳感器向大面積、高清晰度、高分辨率、低價化和人性化的方向發(fā)展，薄膜晶體管作為平板顯示器和傳感器的核心元件已經(jīng)被廣泛研究與應用［1，2］，在各種薄膜晶體管中，氧化鋅薄膜晶體管（ZnO-TFTs）具有良好的電學和光學性能，光敏感性低、較高的電子遷移率、可見光透明及可以低溫制備等優(yōu)點使得它們將在下一代TFT得到廣泛應用［3，4］，隨著芯片集成度的不斷增加，功耗將成為影響超大規(guī)模集成電路及器件一個主要因素，隨著器件特征尺寸的不斷減小，柵氧化層的厚度將不斷減小，最后厚度逐漸接近原子距離，導致隧道效應作用明顯，使得柵極漏電流成為必須考慮的問題［5］. 如果采用高k柵介質材料，在保證器件性能的同時就可以提高柵介質層的等效厚度，這樣可以大大降低直接遂穿效應和柵介質承受的電場強度，從而可以消除由隧穿引起的大漏電流，研究表明，在相同等效氧化層厚度下，如果采用高k柵介質層，TFT器件漏電流密度將降低4個數(shù)量級以上［6］，目前通常被用作ZnO-TFTs 柵絕緣層的主要有Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7（BZN）［7～11］、Gd2O3［12］、Al2O3［13～15］、HfO2-GPTMS［16］、ZrOx［17，18］以及La2O3［19］等高k柵介質材料，在上述柵介質材料中，BZN 具有較高介電常數(shù)、損耗小和漏電流低等優(yōu)點，同時具有驅動電壓低、響應速度快、集成度高、低溫沉積、便攜性強和透明等特點，使得其在ZnO-TFT 中有著非常廣泛的應用前景，Kim 等［9］研究人員采用Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7作為ZnO-TFTs 的柵絕緣層取得了優(yōu)良的器件性能，器件獲得了低于5 V 的閾值電壓，Cho等［20］研究人員采用MgO-Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7作為柵絕緣層也獲得了優(yōu)良的性能，但BZN 薄膜在制備過程中，易損失Zn和Nb元素，使其氧空位增加，陷阱增多，薄膜質量變差，本項目組研究人員采用Zn 和Nb 元素過量的BZN薄膜作為ZnO-TFTs的柵絕緣層，研究表明，在元素過量5%時，ZnO-TFTs的漏電流降低了幾乎2個數(shù)量級，且在Zn 元素過量5%（Bi1.5Zn1.05Nb1.5O7，BZN-5）時，器件獲得較好的電學性能，Jiang 等［21］研究人員使用P（VDFTrFE-CFE）作為薄膜晶體管的柵絕緣層，研究了不同溫度下器件的電學性能，發(fā)現(xiàn)較高的退火溫度能提高器件性能，在退火溫度為250 ℃時，器件遷移率獲得最大值13.6 cm2/Vs，Li等［22］研究人員采用ALD 方法制備了SiO2基氧化鋅薄膜晶體管，研究發(fā)現(xiàn)退火溫度為200 ℃時，器件獲得的Ion/Ioff高達109，器件性能得到了提高，由此，可以發(fā)現(xiàn)，退火溫度對器件的性能具有重大的影響，因此，更深入研究退火溫度對BZN-5基ZnO-TFTs性能的影響具有重要的意義.

本文采用BZN-5薄膜作為ZnO-TFTs的柵絕緣層，詳細研究退火溫度對BZN-5薄膜和ZnO-TFTs性能的影響.

2 實驗

本文采用射頻磁控濺射法，在Pt/SiO2/Si基片上常溫制備了具有底柵結構的BZN-5 基ZnO-TFTs，ZnO-TFTs的結構如圖1（a）所示. 首先，制備厚度為100 nm的Pt薄膜作為ZnO-TFTs的柵電極；然后使用純度為99.99%，直徑為3英寸的BZN-5陶瓷靶，制備厚度為200 nm的BZN-5 薄膜，濺射功率為150 W，真空度為2 Pa 和Ar/O2比為85/15；使用純度為99.99%，直徑為3英寸的ZnO靶材，制備厚度為40 nm的ZnO薄膜，濺射功率為100 W，真空度為1 Pa 和Ar/O2比為19/1 的條件下；使用Lift-Off 工藝在ZnO有源層上制備出寬長比為40：1的源漏電極，并使用熱蒸發(fā)的方法制備出厚度為100 nm 的Ti/Au 薄膜作為源、漏電極，最后將所獲得的器件分別在N2氣氛中退火300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃，時間為30 min.

本項研究中，使用X 射線衍射儀（XRD，ESCALAB MK-II）來分析BZN-5 柵絕緣層的相結構，XRD 的掃描步長為0.02（°）/s，掃描速率為10（°）/min；使用Agilent 4980 A 阻抗分析儀來測試分析BZN-5 柵絕緣層在1 kHz～1 MHz間的介電特性，并用該設備來測量頻率為1 MHz，電壓設置為0～5 V 的BZN-5 柵絕緣層的C-E特性，測試結構如圖1（b）所示；使用Keithley 4200-SCS 半導體分析儀來研究BZN-5 柵絕緣層的I-E特性和ZnOTFTs 的I-V性能，測試I-E特性時，電壓從0 V 增加到5 V，電壓步長為0.05 V，ZnO-TFTs 的輸出特性測試時，漏源電壓VDS從0 V 增加到5 V，步長為0.05 V，同時，柵源電壓VGS從0 V 增加到4 V，步長為1 V；ZnO-TFTs 的轉移特性測試時，VGS從0 V 增加到5 V，步長為0.05 V，同時，VDS保持4 V 不變；使用掃描電鏡（SEM，F(xiàn)EI Quanta 250 FEG）來研究柵絕緣層的表面形貌.

3 結果與討論

3.1 BZN-5薄膜的SEM形貌分析

圖2 所示為BZN-5 薄膜的SEM 形貌圖，從圖可知，所獲得的BZN-5 薄膜膜層表面比較平整，沒有裂紋出現(xiàn)，隨著退火溫度從300 ℃升高到500 ℃時，原子團聚變少且變小，當溫度繼續(xù)升高時，原子團聚增多且變大，在退火溫度為500 ℃時，BZN-5 薄膜獲得較好的薄膜質量. 分析認為，在溫度較高時，薄膜原子能獲得了較高的能量，使其能在表面自由運動，缺陷減少，薄膜質量變好，但溫度更高時，薄膜原子獲得更高的能量，運動更加劇烈，導致薄膜缺陷和原子團聚增加，質量變差.

圖2 BZN-5薄膜的SEM測試圖

3.2 BZN-5薄膜的XRD衍射和I-E特性分析

BZN-5 薄膜的XRD 衍射如圖3（a）所示，由圖可知，在衍射角從20°變化到65°時，除了在2θ=40°處出現(xiàn)屬于Pt的衍射峰外，沒有其他衍射峰存在，表明所獲得的BZN-5薄膜具有非晶特性.

在場強為0 至220 kV/cm 時，BZN-5 薄膜所獲得的I-E特性曲線如圖3（b）所示，由圖可知，BZN-5薄膜的漏電流密度受退火溫度的影響較大，在場強為220 kV/cm時，當退火溫度從300 ℃升高到500 ℃時，BZN-5薄膜的漏 電 流 密 度 分 別 為2.6×10-5A/cm2、3.5×10-6A/cm2和2.26×10-6A/cm2，漏電流密度從10-5降低到10-6，表明薄膜的質量變好，降低了薄膜缺陷，性能得到了提高，在退火溫度為500 ℃時，漏電流密度最低，繼續(xù)升溫時，漏電密度從2.26×10-6A/cm2升高到1.17×10-5A/cm2，漏電流密度從10-6升高到10-5，漏電流增加. 分析認為，隨著溫度的升高，基片上離子所獲得的動能增大，離子的運動性增強，使得BZN-5 薄膜的缺陷減少，性能提高，漏電流減少，當溫度繼續(xù)升高時，離子的團聚增大，陷阱增多，使得薄膜的性能變差，漏電流增大.

圖3 BZN-5薄膜的XRD測試圖和I-E特性測試圖

3.3 BZN-5薄膜的介電特性和C-E特性分析

BZN-5 薄膜的介電特性如圖4（a）所示，由圖可知，薄膜的介電特性與溫度不成正比，隨著溫度的升高，介電常數(shù)先升高后降低，在退火溫度為500 ℃時，取得最大的介電常數(shù)72，但薄膜的介電損耗變化不大，都低于1%. 電容密度如圖4（b）所示，隨著退火溫度的升高，電容密度從165 nF/cm2升高到222 nF/cm2，然后降低到186 nF/cm2，在退火溫度為500oC 時，取得最大的電容密度222 nF/cm2. 這主要歸功于退火溫度的升高薄膜質量變好，漏電流密度降低，缺陷減少，使得薄膜的電容密度增加，當繼續(xù)升高時，薄膜缺陷增多，漏電流密度增加，質量變差，導致了薄膜電容密度變低.

圖4 BZN-5薄膜的介電和C-E特性圖

3.4 ZnO-TFTs的電學性能分析

3.4.1 ZnO-TFTs的輸出特性

ZnO-TFTs 的輸出特性曲線如圖5 所示，從圖可知，源漏電流IDS隨著VGS的增加而增大，表明所獲得的ZnOTFTs是n型增強型的薄膜晶體管，當VDS為零時，IDS也為零，沒有出現(xiàn)電流擁堵現(xiàn)象，表明源漏電極與ZnO 有源層薄膜之間為歐姆接觸. 隨著退火溫度的升高，IDS從退火溫度為300oC 時的1.5 μA 增加到500oC 時的3.5 μA，繼續(xù)升高溫度時，IDS從退火溫度為500oC時的3.5 μA下降到600oC時的1.8 μA，在退火溫度為500oC時，取得最大的IDS，這主要歸功于BZN-5 薄膜在500oC 時，具有良好的薄膜質量、低的漏電流密度和高的電容密度.

圖5 ZnO-TFTs的輸出特性

3.4.2 ZnO-TFTs的轉移特性

ZnO-TFTs 的轉移特性如圖6 所示，圖7 所示為ZnO-TFTs的性能曲線圖，圖7所有的數(shù)值均由圖6計算所得. 從圖6 可知，隨著VGS的增加，IDS增加，因此所獲得的ZnO-TFTs是n型增強型薄膜器件.

圖6 ZnO-TFTs的轉移特性

ZnO-TFTs 的亞閾值擺幅SS和界面態(tài)密度NSSmax與退火溫度的關系如圖7（a）所示，SS由式（1）計 算所得［23］：

式中：VGS表示柵源電壓；IDS表示漏源電流.

由圖7（a）可知，退火溫度從300oC升高到500oC時，SS從930 mV/dec降低到397 mV/dec，繼續(xù)升高退火溫度時，SS升高到629 mV/dec，ZnO-TFTs 的NSSmax由式（2）計算所得［23］：

式中：SS表示亞閾值擺幅；Ci表示電容密度；e表示歐拉數(shù).

由圖7（a）還可知，退火溫度從300oC 升高到500oC時，NSSmax從7.39×1012降低到2.18×1012，繼續(xù)升高退火溫度，NSSmax升高到3.05×1012，在退火溫度為500oC 時，ZnO-TFTs獲得最小的SS和NSSmax，表明ZnO-TFTs的性能得到了提高.

圖7（b）所示為遷移率和開關比與退火溫度的關系，ZnO-TFTs的遷移率μFE通過式（3）獲得［23］：

式中：Vth表示閾值電壓；W/L表示溝道寬長比；Ci表示電容密度.

由圖7（b）可知，隨著退火溫度從300oC 升高到500oC，μFE從0.01 cm2/V·s升高到0.2 cm2/V·s，繼續(xù)升高溫度時，μFE從0.2 cm2/V·s下降到0.025 cm2/V·s，在退火溫度為500oC，器件獲得最大的μFE. 開關比（Ion/Iof）f由開啟電流和關斷電流的比值計算獲得，當退火溫度為300oC、400oC、500oC 和600oC，Ion/Ioff分別為4×103、5.26×105、5.72×105和8.89×104，在溫度為500oC時，獲得最大的Ion/Ioff.

圖7（c）所示為飽和電流和閾值電壓與退火溫度的關系，從圖7（c）可知，退火溫度對IDS的影響較大，隨著退火溫度從300oC升高到500oC時，IDS從1.5 μA增加到3.5 μA，退火溫度繼續(xù)增加到600oC 時，IDS下降到1.8 μA，在退火溫度為500oC 時，器件獲得最大IDS.n 型器件的Vth具有負溫度系數(shù)，退火溫度從300oC 升高到600oC 時，Vth分別為2.8 V、2.3 V、2.6 V 和2.4 V，Vth沒有隨著退火溫度的升高而線性降低，在退火溫度為500oC時，Vth從2.3 V 升高至2.6 V，分析認為，在制備BZN-5薄膜時，薄膜厚度的不均勻性導致了Vth的不同，柵絕緣層比較厚時，削弱了電場，所以，Vth上升，而薄的柵絕緣層使Vth上升，退火溫度繼續(xù)升高至600oC 時，Vth變?yōu)?.4 V，這主要是由于高的退火溫度使得薄膜缺陷和陷阱增多，漏電流增加，使得Vth上升.

圖7 ZnO-TFTs的性能與退火溫度的關系

研究結果表明，提高退火能夠提高BZN-5 基ZnOTFTs 的電學性能，在退火溫度為500oC 時，器件獲得最優(yōu)值.

4 總結

本項研究采用射頻磁控濺射法在Pt/SiO2/Si基片上成功制備了BZN-5 薄膜，并將其作為ZnO-TFTs 的柵絕緣層，同時，表征了BZN-5 在不同退火溫度下的形貌、相結構、I-E性能、介電特性、C-E特性以及ZnO-TFTs 的電學性能. 結果表明，在退火溫度為500oC 時，降低了BZN-5薄膜的漏電流密度，提高了電容密度；同時，ZnOTFTs 獲得低的亞閾值擺幅和界面態(tài)密度，以及高的遷移率和開關比等電學性能，這些結果表明，在退火溫度為500oC時，能夠顯著提高ZnO-TFTs的性能.