负电荷层对a-IGZO TFT阈值电压的影响

丁 磊,张方辉

(陕西科技大学理学院,陕西西安 710021)

负电荷层对a-IGZO TFT阈值电压的影响

丁 磊*,张方辉

(陕西科技大学理学院,陕西西安 710021)

采用脉冲直流磁控溅射的方式沉积In-Ga-Zn-O(IGZO)膜层作为TFT的有源层。在TFT沟道处的有源层和绝缘层的界面上,通过溅射法制作一定厚度的负电荷层对阈值电压(Vth)进行调制,使得Vth由-3.8 V升高至-0.3 V,器件由耗尽型向增强型转变。通过增加Al2O3作为负电荷层,可有效地将Vth控制在0 V附近,并且提高其器件稳定性,得到较好的电学特性:电流开关比Ion/Ioff＞109,亚阈值摆幅SS为0.2 V/dec,阈值电压Vth为-0.3 V,迁移率μ为9.2 cm2/(V·s)。

a-IGZO薄膜晶体管;磁控溅射法;负电荷层;平带电势;阈值电压

1 引 言

近年来,金属氧化物因具有更高的电子迁移率[1-2]而得到平板显示业界的广泛关注和深入开发。非晶氧化铟镓锌薄膜晶体管(a-IGZO TFT)是当前最具产业化潜力的金属氧化物TFT技术之一,是最被业界看好的有源有机电致发光(AMOLED)驱动方式。

然而,由于IGZO制作过程中受环境等的影响,a-IGZO TFT存在稳定性问题[3-4]。TFT的Vth漂移是其中的主要问题之一。TFT的Vth是使半导体表面产生反型层(即沟道)时所需要加载的栅极电压。由于氧化物半导体的耐热性不高,在TFT制造过程的热处理期间,可能会形成氧空位等,从而导致形成晶格缺陷,产生载流子陷阱,引起TFT的Vth漂移[5]。因此,将氧化物半导体用于TFT的沟道会引起正常的导通操作(其中,没有施加流过栅电压的特定漏极电流)或耗尽型操作。此外,除了上述的晶格缺陷引起的杂质能级外,通过混合诸如氢的特定元素而产生了相似的杂质能级[6],使TFT的Vth在负方向上偏移。

目前为止,为了使TFT的Vth控制在0 V附近,研究者们分别进行了退火条件[5,7-8]、在电路设计上进行补偿[9-10]、改变TFT沟道的长度[11]、改变镀膜方式[12-13]、镀膜参数[14-16]、沟道钝化[17-18]等的研究,来改进氧化物TFT的电学特性。

本文通过在有源层和绝缘层之间增加一个低平带电势的膜层,使得半导体表面表现出反型层,由此控制TFT器件的工作方式由耗尽型向增强型转变。本文基于采用脉冲直流溅射法制作的顶栅结构a-IGZO TFT,根据不同材料的平带电势,选择Al2O3作为负电荷层薄膜,通过对膜层制备技术及器件性能的研究,以改善TFT器件电学特性及其稳定性。

2 实 验

2.1 材料平带电势的测量

在考察材料的平带电势时,制作了Al2O3、SiO2和SiNx3种薄膜进行对比研究,其制作条件均与器件中绝缘层的制备条件相同。不同的半导体材料,电极电位不同;同一种半导体材料,不同的溶液,或者pH值不同,电极电位也不同。根据不同材料的平带电势不同,可以从平带电势的值来估计所采用材料制备的薄膜晶体管Vth是在正方向上偏移还是在负方向上偏移。

首先将要考察的薄膜材料制作在导电的玻璃衬底上,然后制作所需测量的材料膜层,接着再其上蒸镀金属电极。采用电化学方法测量膜层的平带电势,其中,工作电极为所测薄膜电极(是指所测薄膜/溶液这样一个整体),对电极为铂对电极,参比电极为饱和甘汞电极。实验中由254 nm紫外波长提供一固定波长的单色光。由上海辰华仪器有限公司生产的CHI604D型电化学工作站给电极施加扫描电压,电压的扫描范围为-2～2 V,频率为1 000 Hz,振幅为5 mV。电解液为0.5 mol/L的硫酸钠水溶液。实验中,为了保证测量的准确性以及避免上一次测试条件对下一次测试结果的影响,每做一次测量都要更换新的工作电极和电解液。

2.2 a-IGZO TFT器件制作

本研究采用脉冲直流(Pulsed DC,ENI RPG-50)方式在常温下溅射沉积IGZO膜和绝缘层,制作顶栅顶接触的TFT器件,结构如图1所示,沟道尺寸W/L=0.5 mm/0.1 mm。首先,在玻璃基板上溅射Ar-IGZO和O2-IGZO[19],厚度分别为20 nm和5 nm,并使用湿法刻蚀得到沟道图形。之后,在350℃干氧环境中退火1 h。在IGZO膜上采用常温脉冲直流反应溅射具有低平带电势的Al2O320 nm作为负电荷层,Al2O3膜的溅射功率为100 W,溅射气体中氧的体积分数为13％,制作气压为0.5 Pa。并于负电荷层Al2O3上再溅射制作SiO2/SiNx(20 nm/300 nm)绝缘层。然后,在绝缘层上采用脉冲直流溅射制作Mo(100 nm)栅电极。栅绝缘层与栅电极的图案相同,采用SF6干法刻蚀一次性实现图形化制作。接着,采用SU-8光刻胶在有源层上定义出源漏电极接触区。最后,采用脉冲直流溅射及干法刻蚀得到Mo源漏电极(100 nm)。

图1 顶栅顶接触器件结构示意图Fig.1 Schematic of top-gate＆amp;top-contact TFT structure

实验中使用LCRMeter(GWINSTEK LCR-819)测量栅绝缘层退火前后的电容和损耗,采用Keithley2420/2635源表组成的测试系统,测量栅绝缘层退火前后的耐压性能,采用Agilent B1500A半导体测试仪测量TFT器件的电学特性。

3 结果与讨论

3.1 材料平带电势的分析

为了选择合适的平带电势,首先采用电化学法测试Al2O3、和SiNx的平带电势,结果如图2所示。其中SiO2相对于标准氢电极的平带电势为-0.36V,SiNx为-0.21 V,Al2O3的平带电势值最小为-1.43 V,这意味着当IGZO界面处增加具有低平带电势的Al2O3膜层时,Vth将朝正向偏移。

图2 不同样品材料相对标准氢电极的平带电势Fig.2 Flat potential of different materials with relativestandard hydrogen electrode

3.2 a-IGZO TFT器件的分析

实验中,按上述实验条件制作了两种器件结构:无Al2O3膜层的器件A和有Al2O3膜层的器件B。

假设对应器件工作在饱和区(VD≥VG-Vth),此时源漏电流(ID)的表达式为:

由公式(1)可以推出:

其中,L/W为沟道的宽长比,Vth为阈值电压,Ci为单位面积栅电容,μFE为场效应迁移率。因此TFT的场效应迁移率μFE可由饱和区域的VGS-I1/2D对应特性曲线的斜率带入到式(2)中得到,即从图3两种器件的转移特性曲线对比图的曲线斜率得到。VGS-I1/2D曲线的直线段延伸出的直线与横坐标的交点为器件的阈值电压Vth。实验制备器件对应电学特征曲线参数见表1。根据上述计算可知,器件B的Vth相对于器件A要往正向偏3.5 V,同时器件B的迁移率也高于器件A的迁移率。因此,加入Al2O3的TFT器件具有更好的电学特性。

表1 两种TFT器件的特性参数值Table 1 Parameters of two kinds of TFT devices

图3 两种TFT器件的转移特性曲线Fig.3 Transfer characteristics of two kinds of TFT devices

3.3 含负电荷层的a-IGZO TFT器件稳定性分析

图4为器件B的回滞曲线,图5为空气放置52 h前后的器件稳定性测试转移曲线。通过对比图中上升和下降曲线,可以看出TFT器件的稳定性变化情况。由图4和图5可知,对于增加了负电荷层的a-IGZO TFT器件,其回滞曲线中Vth往负向偏0.7 V,SS上升1 V/dec,μ上升1 cm2/ (V·s);而在空气中放置52 h后,器件转移曲线往负向偏0.4 V,SS不变,μ上升2.6 cm2/(V· s)。实验结果表明,增加了Al2O3负电荷层的a-IGZO TFT器件具有良好的电学稳定性。

图4 器件B的回滞曲线Fig.4 Hysteresis curve of device B

综合而言,我们认为Vth的变化,是由具有低平带电势的Al2O3膜层相当于被负充电所引起的。器件中,由于存在Al2O3膜层这一较低带电势,当给器件加栅电压时,在总的Vth中增加了这一个平带电势部分,对器件的Vth进行了调制,所以得到的器件Vth往正向偏,器件由耗尽型向增强型转变。

图5 空气中放置52 h前后的器件B的转移曲线Fig.5 Transfer characteristics before and after aging of 52 h in the air ambience of device B

4 结 论

采用脉冲直流方式,在常温下溅射制作了顶栅顶接触结构的a-IGZO TFT器件,并在有源层和绝缘层之间增加了具有低平带电势的Al2O3膜作为负电荷层。实验发现,通过在有源层与绝缘层间增加负电荷层,可以有效地使阈值电压往正方向偏,并提高器件稳定性,得到较好的电学特性: Ion/Ioff＞109,SS为0.2 V/dec,Vth为-0.3 V,μ为9.2 cm2/(V·s)。

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丁磊(1985-),男,河北衡水人,博士,讲师,2015年于苏州大学FUNSOM研究院获得博士学位,主要从事有机电致发光器件的研究。

E-mail:dinglei@sust.edu.cn

Effects of Negative Charge Layer on The Threshold Voltage of a-IGZO TFT

DING Lei*,ZHANG Fang-hui
(College of Science,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China) *Corresponding Author,E-mail:dinglei@sust.edu.cn

TFT device with In-Ga-Zn-O(IGZO)film as the active layer deposited by pulse DC sputtering was fabricated.An Al2O3film which was also deposited by sputtering was sandwiched between the active layer and an insulating layer.The Al2O3acted as a negative charge layer for threshold voltage modulation(Vth).It raised the Vthfrom-3.8 V to-0.3 V,enhancing the formation of a depletion mode device.The application of Al2O3as a negative layer can effectively control Vtharound 0 V and enhance the stability of the device.Improved device characteristics such as:on/off current ratio(Ion/Ioff)＞109,sub-threshold slope(SS)of 0.2 V/dec,Vthof-0.3 V,and mobility (μ)of 9.2 cm2/(V·s)were therefore achieved.

a-IGZO TFT;MS sputtering;negative charge layer;flat band potential;threshold voltage

TN304

:ADOI:10.3788/fgxb20153611.1320

1000-7032(2015)11-1320-05

2015-08-10;

:2015-09-14

国家自然科学基金(61076066);陕西省科技统筹创新工程计划(2011KTCQ01-09);陕西科技大学学术带头人专项(2013XSD14)资助项目