原子層沉積法制備ZnO薄膜晶體管教學(xué)研究

陳雪 吳宏偉

文章編號(hào)：1003?6180（2023） 03?0073?05

摘? 要：采用原子層沉積法制備ZnO薄膜晶體管，研究高溫退火對(duì)其性能的影響，并將其引入半導(dǎo)體物理課程教學(xué)，讓學(xué)生更加直觀了解半導(dǎo)體的樣品制備和測(cè)試分析，更加有效地培養(yǎng)學(xué)生的探索創(chuàng)新精神.

關(guān)鍵詞：電子器件；半導(dǎo)體物理；后處理

[? ?中圖分類號(hào)? ? ]G642 [? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼? ?]? A

Teaching Research on Preparation of ZnO Thin Film

Transistor by Atomic Layer Deposition

CHENG Xue，WU Hongwei

（School of Mechanics and Photoelectric Physics，Anhui University of Science and Technology，

Huainan 232001，China）

Abstract：ZnO thin film transistors were prepared by atomic layer deposition and the effect of high temperature annealing on their properties was studied. By introducing these research processes into the teaching process of semiconductor physics，students can have a more intuitive understanding of the preparation，testing and analysis of semiconductor samples，and cultivate their spirit of exploration and innovation more effectively.

Key words：electron device； semiconductor physics； post-processing

近年來，氧化物半導(dǎo)體作為一種用于薄膜晶體管（Thin Film Transistors，TFTs）的活性層材料引起了廣泛關(guān)注.與傳統(tǒng)的非晶硅TFT相比，氧化物TFT具有較高的電子遷移率，與低溫多晶硅TFT相比，氧化物TFT制備溫度低，均勻性好.氧化物半導(dǎo)體禁帶寬度大，在可見光范圍內(nèi)透明，對(duì)未來透明柔性電子器件的發(fā)展具有重要意義.銦鎵鋅氧（IGZO）TFT是目前唯一實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的材料，因其使用含有稀有金屬In和Ga元素的溝道材料制備TFT，故生產(chǎn)成本高.ZnO二元化合物薄膜成分簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)豐富、價(jià)格便宜、無毒、禁帶寬度大、制備溫度低，未摻雜的ZnO薄膜含有高密度的晶界和未填充的陷阱密度，TFTs開態(tài)電流小、亞閾值擺幅大（0.90 V/dec）、遷移率低（1.6 cm2V-1s-1）.利用先進(jìn)的薄膜制備手段，加上工藝的優(yōu)化，ZnO TFT的遷移率可以超過20 cm2V-1s-1，甚至優(yōu)于IGZO等多元化合物的性能.因此，進(jìn)一步深入研究ZnO TFT以滿足商業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的.

制備氧化物半導(dǎo)體薄膜的手段很多，原子層沉積由于其獨(dú)特的生長(zhǎng)機(jī)理，在制備超薄薄膜、3D集成等領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢(shì).2009-2018 年，使用 ALD 制備氧化物 TFT 的文章總數(shù)達(dá)到 100 篇左右，其研究熱度依然高漲，高性能的 TFT不斷被研發(fā)出來.[1-4]研究發(fā)現(xiàn)，使用ALD法制備ZnO薄膜時(shí)，由于 ZnO 材料總是具有很高的載流子濃度，通常聚焦研究 ZnO 材料的厚度、后處理方法（如O2 plasma 處理）以及使用金屬氧鍵比 Zn-O 更大的金屬離子進(jìn)行摻雜，抑制氧空位的產(chǎn)生，從而控制ZnO薄膜中的電子濃度.這些手段的使用，不可避免地會(huì)增加生產(chǎn)成本，提高制備工藝的復(fù)雜性，不利于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)發(fā)展.本文采用原子層沉積法低溫制備ZnO薄膜，研究退火溫度以及退火時(shí)間對(duì)TFT性能的影響規(guī)律.通過對(duì)原子層沉積技術(shù)的特點(diǎn)、薄膜晶體管的工作原理、制作流程的介紹以及結(jié)合半導(dǎo)體物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)對(duì)器件進(jìn)行分析，讓學(xué)生深入了解科研思維的訓(xùn)練過程，了解半導(dǎo)體知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用[5-6]，了解所學(xué)知識(shí)在未來的應(yīng)用前景，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果.

1 原子層沉積技術(shù)的特點(diǎn)

原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）是以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的一種薄膜制備方法，將不同的化學(xué)前驅(qū)體源以氣體的形式交替通入反應(yīng)腔，通過調(diào)節(jié)腔室溫度，提供熱能，使之在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成所需要的薄膜.圖1為Al2O3薄膜生長(zhǎng)過程示意圖.襯底由于晶格周期性在表面的突然中止而出現(xiàn)表面懸掛鍵，大氣中的水分子與該懸掛鍵發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)吸附的羥基（—OH），覆蓋于襯底表面.當(dāng)三甲基鋁以脈沖形式通入ALD腔室后，TMA的一個(gè)或者兩個(gè)甲基就會(huì)與襯底表面的—OH發(fā)生反應(yīng)，形成CH4.持續(xù)通入TMA，使襯底表面的每個(gè)—OH都與TMA分子反應(yīng)，此時(shí)即使繼續(xù)通入TMA，也不再有多余的—OH與之反應(yīng)，表面達(dá)到自限制狀態(tài).接著將控制TMA的氣動(dòng)閥門關(guān)閉，向腔室中通入高純N2氣，利用載氣提供的動(dòng)力，將生成的CH4以及多余的TMA清除.再向腔室中以脈沖形式通入氧化劑（如H2O）.襯底表面化學(xué)吸附的—CH3與H2O發(fā)生反應(yīng)，在襯底表面形成—OH鍵以及副產(chǎn)物CH4，利用自限制效應(yīng)反應(yīng)完全后，關(guān)閉H2O源氣動(dòng)閥，再次通過高純N2將多余的H2O分子和副產(chǎn)物CH4清除.這就是一個(gè)完整的ALD生長(zhǎng)周期.通過不斷重復(fù)以上步驟，就可以得到一定厚度的Al2O3薄膜.由其生長(zhǎng)原理可知，薄膜生長(zhǎng)過程中，每次化學(xué)反應(yīng)都和襯底表面的反應(yīng)官能團(tuán)數(shù)量密切相關(guān)，當(dāng)襯底表面官能團(tuán)反應(yīng)完全，即使通入過量的前驅(qū)體源，也沒有與之反應(yīng)的位點(diǎn)，因此，ALD反應(yīng)可以達(dá)到自限制，在原子尺度上控制薄膜的生長(zhǎng).隨著集成電路產(chǎn)業(yè)不斷朝著微型化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的硅基電子器件橫向尺寸不斷達(dá)到發(fā)展極限，人們開始慢慢朝著三維堆棧結(jié)構(gòu)方向探索.這時(shí)就需要薄膜沉積時(shí)具有高保型性，納米尺度上厚度精確可控.ALD技術(shù)在這種社會(huì)發(fā)展中逐漸被工業(yè)界所青睞，成為半導(dǎo)體行業(yè)中最具發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぶ苽涫侄?

2 薄膜晶體管工作原理

在半導(dǎo)體行業(yè)中，薄膜晶體管（Thin film transistors，TFTs）可用作顯示器背板電路驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)，控制單位像素，防止它們之間發(fā)生串?dāng)_.隨著氧化物薄膜晶體管領(lǐng)域的發(fā)展，有望替代Si基器件成為集成電路領(lǐng)域的新秀.[7-9]TFT是一種簡(jiǎn)單的三端半導(dǎo)體器件，器件結(jié)構(gòu)如圖2所示.工作時(shí)，可以通過在柵極施加電壓控制位于源極和漏極之間的半導(dǎo)體中的電流.絕緣層插入半導(dǎo)體和柵極之間，通過介電層和半導(dǎo)體界面的表面場(chǎng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電流調(diào)制.

薄膜晶體管工作原理.以n型溝道底柵交錯(cuò)型 TFT 為例.首先定義一個(gè)閾值電壓VTH，即溝道形成時(shí)的電壓.由于溝道為 n 型半導(dǎo)體，電子為多子.當(dāng)柵極電壓 VGS>0 時(shí)，由于電場(chǎng)效應(yīng)，溝道中的電子會(huì)被吸引至溝道和絕緣層的界面.在 VGS< VTH 時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子還不足以形成導(dǎo)電溝道，雖然此時(shí)漏極有正電壓（VDS），但是源漏電流 IDS 很小，器件表現(xiàn)為截止?fàn)顟B(tài).當(dāng) VGS>VTH 時(shí)，電場(chǎng)足夠大，導(dǎo)致溝道和絕緣層界面附近的電子積累得足夠多，形成導(dǎo)電溝道，在 VDS 的作用下產(chǎn)生電流，IDS 隨著 VDS 的增大而線性增加.由于溝道受柵極電壓以及漏極電壓的共同作用，所以溝道中的電場(chǎng)不是均勻場(chǎng)，而是漏極附近的電場(chǎng)要大.當(dāng) VDS 增大到和 VGS-VTH 相等時(shí)，夾斷點(diǎn)形成，導(dǎo)電溝道被夾斷.此時(shí)繼續(xù)增加 VDS，電壓大部分都落在夾斷區(qū)，IDS 不會(huì)隨 VDS 變化，達(dá)到飽和區(qū).由此可見，當(dāng)柵極電壓小于閾值電壓時(shí)，TFT為關(guān)斷，電流小；當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓時(shí)，TFT打開，有電流流通.基于此，利用柵極電壓控制晶體管的開關(guān)從而對(duì)單位像素進(jìn)行控制，這是有源矩陣液晶顯示背后像素驅(qū)動(dòng)電路的常用手段.

3 原子層沉積法制備ZnO薄膜晶體管教學(xué)

課堂教學(xué)中，闡述絕緣層和溝道層材料的選擇，加深學(xué)生的理解.選擇P型重?fù)诫sSi作為襯底，將襯底依次放入丙酮、酒精中超聲10 min以清洗表面的有機(jī)污染，氮?dú)獯蹈珊笾苯臃湃階LD反應(yīng)腔室中.對(duì)腔室進(jìn)行加溫處理，以獲得化學(xué)反應(yīng)時(shí)所需要的熱能.選擇在100 ℃條件下，使用三甲基鋁和H2O作為反應(yīng)源，生長(zhǎng)40 nm Al2O3薄膜作為絕緣層，使用二乙基鋅和H2O作為反應(yīng)源，生長(zhǎng)30 nm ZnO作為溝道層.半導(dǎo)體薄膜之所以可以用作薄膜晶體管的溝道層，是因?yàn)槠漭d流子濃度可以用電場(chǎng)調(diào)控.如果使用金屬作為溝道層，則薄膜晶體管會(huì)一直是導(dǎo)通狀態(tài)，若使用絕緣層，則一直是關(guān)斷狀態(tài).絕緣層的作用是使柵極-絕緣層-溝道層可以構(gòu)成一個(gè)電容器，依靠電容效應(yīng)，可以很容易達(dá)到柵極電壓控制溝道層中的載流子濃度.[1]

對(duì)TFT進(jìn)行光刻處理，將溝道層刻開，防止由于邊緣電流效應(yīng)而導(dǎo)致遷移率高估.

（1）使用勻膠機(jī)在樣品上旋涂一層正光刻膠，接著將襯底放置在所制作的溝道掩膜版下，使用紫外光照射后，再放入顯影液中顯影.這樣直接暴露在紫外光下的正膠就會(huì)在顯影液的作用下被腐蝕，只留下溝道部分有光刻膠.然后將帶有溝道圖案的襯底放入稀鹽酸，將多余ZnO腐蝕，丙酮洗去光刻膠，就可以得到ZnO溝道圖案.

（2）源漏電極的制作.使用旋涂機(jī)在襯底表面旋涂一層負(fù)膠，接著將襯底放置在所制作的源漏電極掩膜版下使用紫外光照射，再放入顯影液中顯影.形成源漏電極圖案.將襯底放入熱蒸發(fā)腔室蒸鍍Cr/Au電極后，再利用丙酮去除光刻膠，就得到完整的薄膜晶體管器件圖.整個(gè)流程如圖3所示.

4 ZnO薄膜晶體管的測(cè)試與分析教學(xué)

課堂教學(xué)中，講解半導(dǎo)體材料受溫度、光照等外部因素影響的機(jī)理，闡述薄膜晶體管高溫退火后的性能變化，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)學(xué)生理論與實(shí)踐的結(jié)合，更加有效地培養(yǎng)學(xué)生的探索創(chuàng)新精神.

圖4為ZnO TFT經(jīng)過不同溫度退火、不同時(shí)間后的轉(zhuǎn)移特性曲線.從圖中可以看到，沒有經(jīng)過退火的ZnO TFT即使在-10 V的柵極電壓下也不能將溝道中的電子耗盡，說明ZnO半導(dǎo)體薄膜內(nèi)部載流子濃度太大，不適合直接用作溝道層.將TFT放置在熱板上進(jìn)行高溫退火，300 ℃下僅需要1 min就可以將TFT的漏電流從10-5 降低至10-12 A，開關(guān)比直接提高到108.

用公式[μ=LWVdsCox×?Ids?Vgs]，[SS=（dlogIdsdVgs）-1]，分別提取出TFT的遷移率和亞閾值擺幅（SS）.式中，L，W分別為TFT溝道的長(zhǎng)和寬，Cox為Al2O3絕緣層單位面積的電容密度.[10-11]將Ids1/2-Vgs曲線的線性部分外推，與VGS軸的交點(diǎn)得到閾值電壓VTH，提取出的參數(shù)見表1.表1中的數(shù)據(jù)表明，未經(jīng)過高溫退火的ZnO薄膜內(nèi)部電子濃度含量高，不適合作為溝道層材料；空氣中高溫退火是降低溝道內(nèi)部電子濃度的有效手段；退火時(shí)間越長(zhǎng)，閾值電壓越大，SS越小，遷移率越低，需要權(quán)衡他們之間的取舍；低溫長(zhǎng)時(shí)間退火比高溫段時(shí)間退火具有更高的遷移率，更小的亞閾值擺幅，更有利于高性能TFT的獲得；較低溫度退火適用于柔性襯底，可為柔性TFT制備提供機(jī)遇.

5 結(jié)論

本文以原子層沉積法制備ZnO TFT退火研究為例，介紹半導(dǎo)體器件的制備流程、光刻手段以及分析測(cè)試知識(shí).通過不同溫度、不同時(shí)間退火器件的性能對(duì)比，得到氧化物薄膜中載流子濃度含量對(duì)晶體管性能的影響.高溫退火可有效降低氧化物薄膜中的電子濃度，提高開關(guān)比.低溫下長(zhǎng)時(shí)間退火更有利于高性能的獲得.原子層沉積法制備ZnO薄膜晶體管退火教學(xué)引入薄膜晶體管科學(xué)研究過程，讓學(xué)生更加直觀了解半導(dǎo)體的樣品制備，測(cè)試分析，更加有效地培養(yǎng)學(xué)生的探索創(chuàng)新精神.

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編輯：吳楠