Al2O3沉积功率对共溅射Al-Zn-Sn-O薄膜晶体管性能的影响

武明珠，郭永林，苟昌华，关晓亮,王红波

（吉林大学 电子科学与工程学院，吉林 长春 130012）

近年来，以非晶铟镓锌氧化物（IGZO）为代表的非晶氧化物半导体因具有载流子迁移率高、沉积温度低、均匀性佳、透过率高等特点，引起了学术界和工业界的广泛关注[1]，并且以IGZO作为有源层的薄膜晶体管（TFT）被认为是显示器朝着大尺寸、柔性化方向发展的最有潜力的背板技术[2-4]。然而，IGZO中的In和Ga均为稀有元素，制备成本较高。因此，制备不含In、Ga元素的有源层得到了广泛的研究，比如Al-Zn-Sn-O(AZTO)。有源层AZTO所含元素储量大，价格便宜，并且AZTO TFT在低温退火条件下，仍表现出较好的传输曲线[5]。虽然有关AZTO薄膜晶体管的研究已有文献报道，但制备的AZTO薄膜多采用溶液法工艺，工艺步骤繁琐，与现有的工业生产工艺不兼容，而且所制备的器件性能有待于提高。例如，Kim Kyeong-Ah等人采用溶液法制备的AZTO TFT的迁移率只有 0.24 cm2/V·s[6]。

在文中，我们采用功耗低、大面积沉积均匀性好、和生长速率高的磁控溅射工艺[7]，利用三靶磁控共溅射Al2O3-ZnOSnO2的方法，成功的制备了AZTO薄膜及其薄膜晶体管，研究了不同Al2O3溅射功率对AZTO薄膜及其薄膜晶体管特性的影响，并获得最优的器件性能。

1 实验

薄膜晶体管器件制作于硅（Si）片衬底上，采用栅极在下、源漏电极在上的底栅结构，如图1所示。首先，利用低压化学气相沉积（LPCVD）工艺，在Si表面上生长厚度为200 nm的SiNx绝缘层。然后，在室温条件下，使用3个RF500W射频源，通过三靶共溅射的方式沉积AZTO薄膜作为有源层，如下图2所示。靶材分别为Al2O3、ZnO和SnO2，均为两寸陶瓷靶。共溅射时，3个靶源分别通入10 sccm的氩气。生长过程中，腔体的总压强控制在1.0 pa。基片的转速维持在20转/分。3个靶均起辉后，先预溅射15分钟，以去除靶材表面的杂质。我们制备了4个器件，每个器件中ZnO和SnO2的溅射功率分别控制在170 W和25 W，保持不变，而Al2O3溅射功率为0 W、10 W、20 W、30 W依次增大。制备的有源层AZTO薄膜厚度为45 nm。接着蒸镀Al作为源漏电极，晶体管沟道的宽度和长度分别为1000μm和100μm。最后制备好的TFT器件，放入烘箱中，在大气环境下，200°C退火处理1小时。

图1 AZTO TFT器件的剖面图Fig.1 Cross-sectional view of the fabricated AZTO TFT device

图2 共溅射系统中靶与基底的排列方式图Fig.2 Target-substrate arrangement of the cosputtering system

采用UV2550测量制备于玻璃衬底上的、不同Al2O3沉积功率下AZTO薄膜的透射率，并通过多功能X射线衍射仪(粉末XRD)对不同Al2O3沉积功率的AZTO薄膜，进行了测试。其中，AZTO薄膜在测试前进行了退火处理。器件的电学性能均在室温条件下采用Keithley 2400测量。

2 结果和讨论

2.1 AZTO薄膜的性能

图3为在不同Al2O3沉积功率下，AZTO薄膜的XRD图。对于不同Al2O3沉积功率，图中并没有观察到明显的衍射峰。可见，所制备的薄膜都是非晶的。

图4是制作于玻璃基板上的单层AZTO薄膜的光学透过率。可以发现，当Al2O3沉积功率分别为0 W、10 W，20 W，30 W时，AZTO单层薄膜在人眼最敏感波长（550 nm）处的透过率均在85%以上。

2.2 AZTO TFT的电学性能分析

器件工作在饱和区（VDS≥VGS-VTH）时，源漏电流（IDS）的表达式为：

图3 不同Al2O3溅射功率下的AZTO薄膜的XRD图Fig.3 XRD patterns of AZTO films at different Al2O3deposition power

图4 不同Al2O3溅射功率下AZTO薄膜的透射谱Fig.4 Optical transmittance spectra of AZTO film at different Al2O3deposition power

由(1)式可推导出，器件工作在饱和区时的场效应迁移率：

其中，K为IDS1/2-VGS曲线中拟合出的斜率、W/L为导电沟道的宽长比、VTH为阈值电压、μFE为场效应迁移率、Ci为单位面积栅电容、εr为绝缘层材料的相对介电常数、ε0为真空介电常数、dinsulator为绝缘层的厚度。计算得到本实验中Ci为3.48 nF/cm2。图 5 中(a)、(b)、(c)和(d)分别为 Al2O3 沉积功率为 0 W、10 W，20 W，30 W时的输出特性曲线图。

由图5可得在VDS为30 V时的IDS-VGS曲线及IDS1/2-VGS曲线，如图6所示。根据器件的IDS-VGS曲线可以确定器件的开关电流比。经过拟合得到每个器件IDS1/2-VGS曲线中直线段的斜率依次为 7.67×10-4、6.76×10-4、6.50×10-4和 5.82×10-4，结合公式（2），可以计算出器件的饱和区的场效应迁移率。IDS1/2-VGS曲线的直线段拟合出的直线与横坐标的交点为器件的阈值电压。4个器件的电学参数如表1所示。从表 1可以清楚的看出，随着Al2O3溅射功率的增加，器件的迁移率是逐渐降低的，阈值电压逐渐增大。迁移率降低的原因我们认为：一是Al2O3禁带宽度相对于ZnO和SnO2要大很多[8-10]，随着Al2O3沉积功率的增加，薄膜中的Al组分增加，使得薄膜的禁带宽度变大，阻挡了载流子的传输[11]，载流子浓度降低，迁移率下降；二是因Al与O的结合能比Ga与O的结合能更高，Al的掺入使得AZTO薄膜中的氧空位减少，从而降低了载流子浓度，也使得迁移率下降。此外，载流子浓度降低，亦使阈值电压增大。可见，Al在AZTO TFT中充当着抑制载流子的作用。

图5 不同Al2O3溅射功率下器件的输出特性曲线Fig.5 Drain current vs drain voltage characteristics at different Al2O3deposition power

图6 不同Al2O3溅射功率下，器件的转移特性曲线Fig.6 The transfer characteristics and IDS1/2-VGSat different Al2O3 deposition power

表1 不同Al2O3溅射功率下AZTO TFT器件的电学性能参数Tab.1 Electrical parameters of AZTO TFTs at different Al2O3 deposition power

虽然随着Al2O3溅射功率的增加，器件的迁移率下降、阈值电压增大，但是器件的转移特性得到了有效的改善。对于Al2O3溅射功率为0 W和10 W时，器件的关态电流太大，转移特性不突出，开关比低。当Al2O3溅射功率分别为20 W和30 W时，器件获得了较好的转移曲线。并且随着Al2O3溅射功率的增加，器件的开关比先增大，再降低。这是由于随着Al2O3溅射功率的增加，载流子浓度降低，溅射功率从0 W增加到20 W时，器件的开态电流下降，但是变化范围不大，从1.69 mA减小到0.83 mA；而关态电流却得到了显著的降低，由8.0*10-3mA降到4.5*10-6mA，降低了3个数量级，从而使得开关比提高。当溅射功率由20 W继续增加到30 W时，薄膜中的Al含量太多，以致于开态电流变化较大，而关态电流变化趋于缓慢，从而开关比有所下降。综合3个参数进行考虑，当Al2O3溅射功率为20 W时，器件的性能是最佳的。通过冷场发射扫描电子显微镜(JSM-7500F)测得，当Al2O3溅射功率为20 W时，未退火AZTO薄膜中Zn、Sn、Al、O的原子含量分别为 17%、3%、2%、78%。

4 结论

在实验中我们采用三靶磁控共溅射的方法，制备了AZTO薄膜以及AZTO TFT器件。实验发现，制备的非晶AZTO薄膜在不同Al2O3沉积功率下，均有较高的透过率。通过调节Al2O3沉积功率，我们获得了最佳器件性能。当Al2O3沉积功率为20 W时，器件的性能最优，此时有迁移率为2.43 cm2/V·s，阈值电压为 26.6 V，开关比为 1.9×105。

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