基于超薄Al2O3栅绝缘层的低工作电压IGZO薄膜晶体管及其在共源极放大器中的应用

张 浩， 李 俊， 赵婷婷， 郭爱英， 李痛快， 茅帅帅， 原 理， 张建华

(上海大学 机械工程与自动化学院， 上海 200072)

1 引 言

近年来，TFT在各类新兴电子产品诸如平板显示[1]、人工突触[2-3]、传感器[4-5]或其他高科技设备等未来应用中显示出巨大潜力。随着集成度越来越高和功能越来越复杂，设备的功耗和稳定性面临着巨大的挑战。

现有TFT沟道材料中，传统非晶硅TFT由于迁移率低和稳定性差已难以满足现有电子设备的要求。多晶硅TFT虽然具有高的迁移率，但存在工艺复杂、成本高等缺点。而氧化物TFT由于具有迁移率高、制备工艺简单和成本低等优点而备受关注。同时，宽带隙氧化物材料具有更突出的实现低功耗的优势，因为其截止电流非常低。a-IGZO是一种众所周知的n型氧化物半导体，Hosono等[6]于2004年首先报道了使用a-IGZO在室温下制造TFT的方法。a-IGZO具有高于10 cm2/(V·s)的载流子迁移率和稳定的非晶态结构[7-9]，同时具有沉积温度低[6,10]、可见光范围内透过率高和易形成大面积均质薄膜等优点[11]。然而，a-IGZO TFT通常需要大的电压才能实现高的迁移率和开关电流比。

目前，降低TFT工作电压最简单的方法是减小栅绝缘层厚度以得到大的栅极电容。然而，传统SiO2栅绝缘层厚度的减小是有限的，因为当栅绝缘层太薄时将导致大的栅极泄漏电流[12]。幸运的是，使用高介电常数(high-k)材料代替SiO2作为栅绝缘层可以同时实现低泄露电流和低工作电压[13-14]。然而，high-k材料普遍存在禁带宽度随k值增加而减小的现象[15]。因此，必须使用高质量的绝缘薄膜来避免大的泄漏电流。Al2O3作为常见的非晶态high-k材料(k=9)，禁带宽度较大(Eg=8.5 eV)，击穿电场较高(5～10 mV/cm)，具有良好的热稳定性和化学稳定性，且具有较好的界面粘附性[16]。

同时，薄的栅绝缘层具有更小的内应力和更低的缺陷态[17]，将更加适用于未来复杂的TFT应用。对于TFT器件来说，栅绝缘层界面态对于器件稳定性具有至关重要的作用[18]。因此，为了全面提升TFT性能，必须改善栅绝缘层界面态。已有报道的栅绝缘层制备方法主要有溅射法[19]和溶液法[20]，遗憾的是，溅射法制备的薄膜面临着界面缺陷态较多的问题，而溶液法又存在着泄露电流较大且难以精准控制膜厚等问题。近年来，原子层沉积(ALD)技术已经成为生产高质量无机薄膜的有效技术，具有成膜纯度高、均匀性和保形性好，还能精准控制薄膜厚度等优点[21-22]。因此，这使得ALD-Al2O3作为TFT栅绝缘层受到越来越多的关注。2015年，本课题组Ding等[19]实现了100 nm Al2O3栅绝缘层的TFT的制备。2018年，Ma等[23]得到了5 nm超薄Al2O3栅绝缘层的TFT的性能。

然而，目前关于大面积阵列ALD-Al2O3栅绝缘层TFT的报道较少，其稳定性也面临着巨大挑战，同时对其相关应用的探索也明显不足。本文采用平面光刻工艺，使用ALD-Al2O3作为栅绝缘层，研究了Al2O3厚度分别为50,40,30，20 nm时对TFT器件性能的影响，最终在150 mm×150 mm大面积玻璃基底上制备了低工作电压、高稳定性a-IGZO TFT。其中，当Al2O3栅绝缘层厚度为20 nm时得到最优的综合性能：1 V低工作电压、接近0 V的阈值电压和仅为65.21 mV/dec的亚阈值摆幅；还具有15.52 cm2/(V·s)的高载流子迁移率、5.85×107的高开关比和较低的栅极泄露电流。同时，器件还表现出优异的稳定性：栅极±5 V偏压1 h阈值电压波动最小仅为0.09 V，以及优良的大面积分布均一性。最后，还进行了对其应用的探索，以该TFT器件为基础设计了二极管负载共源极放大器，得到14 dB的放大增益，并具有良好的响应速度。

2 实 验

a-IGZO TFT器件采用底栅顶接触结构，如图1所示。采用150 mm×150 mm的Corning EXG玻璃作为基底。经去离子水清洗后，利用磁控溅射机(日本ULVAC SME-200E)在基底上溅射厚度30 nm的钼(Mo)、20 nm的氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)双层结构作为Gate电极，并通过光刻及湿法刻蚀工艺形成底栅图案。ITO能够阻挡后续干法刻蚀工艺对Mo的破坏，还具有更好的爬坡能力，在打孔处能更好地连接不同层，同时Mo能弥补ITO的导电性能[24-25]。为简化工艺，后续源(Source)、漏(Drain)电极同样采用该工艺及膜层结构。使用ALD(芬兰BENEQ TFS-200)设备在250 ℃下生长不同厚度的Al2O3作为栅绝缘层(Gate insulating，GI),气源为三甲基铝(Trinethyluminium，TMA)和水。通过控制气源循环次数调节膜厚，单个循环时间为4 s，沉积厚度0.1 nm。IGZO有源层(Active layer，AL)在常温下通过磁控溅射设备制备，厚度为60 nm，其中Ar与O2流量比为50∶5(mL/min)，溅射功率为300 W。并通过光刻及湿法刻蚀等工艺做出有源层图案。为保护IGZO免受水、氧及后续湿法刻蚀工艺中酸刻蚀液等的影响，在IGZO上面采用等离子体增强型化学气相沉积设备(日本 ULVAC SME-200E)在220 ℃环境下制备200 nm SiO2作为刻蚀阻挡层(Etch-stop layer，ES)。并通过干法刻蚀设备(日本 DES-206E)使ES层漏出有源层，形成Source、Drain电极连接通孔。接着采用与Gate电极相同的工艺制备图案化的Source、Drain电极。器件宽长比为W/L=250 μm∶50 μm。最后,为了获得稳定的TFT性能，我们将器件在300 ℃大气氛围下进行2 h的退火，之后进行器件性能测试。器件的电学性能均在室温条件下采用Keithley 4200-SCS半导体参数测试系统进行测试。

图1 TFT器件结构示意图

3 结果与讨论

3.1 物态与形貌分析

为了得到薄膜的物质形态，我们通过X射线衍射(日本Smartlab9 XRD)测得了样品的微结构数据，如图2所示。从图中可以看出，未出现任何明显的特征峰，这表明IGZO和Al2O3薄膜都是非晶态的。非晶态薄膜具有表面光滑、缺陷态密度低以及大面积制备均匀等优点[26]。

图2 器件的XRD图谱(内嵌图为器件结构)

Fig.2 XRD pattern of the device(Inset shows the device structure)

同时，我们也分别测试了沉积在玻璃基板上的50，40，30，20 nm厚度Al2O3薄膜和IGZO薄膜的原子力显微镜(德国Bruker dimension AFM)图像，如图3所示。Al2O3薄膜均方根粗糙度分别为0.72，0.66，0.58，0.50 nm，IGZO 薄膜均方根粗糙度为0.55 nm，膜面均表现出较好的光滑度。Al2O3厚度为20 nm时具有最优的膜面。薄膜的粗糙度显示出随着厚度增加而增大的趋势，这是由于薄膜厚度的增加导致侧向应力的释放以及小空洞的产生所致[19]。结果表明，最大的粗糙度仅为0.72 nm，说明Al2O3薄膜表面是非常光滑的，这对器件的高性能是有益的。首先，光滑的Al2O3层有利于高质量的IGZO成膜，以此获得优异的有源层-绝缘层界面态。其次，光滑的Al2O3层也会具有较少的表面缺陷[27]。载流子的运输主要发生在界面几纳米的地方，所以良好的界面态是获得高性能TFT器件的关键。

图3 50(a)，40(b)，30(c)，20(d) nm Al2O3和IGZO薄膜(e)表面形貌AFM图像。

3.2 Al2O3栅绝缘层厚度对TFT器件性能的影响

图4为不同厚度Al2O3栅绝缘层TFT电学性能测试结果，(a)、(b)、(c)和(d)为Al2O3厚度分别为50，40，30,20 nm时的TFT转移特性曲线，(e)、(f)、(g)和(h)为与之对应的输出特性曲线，表1为提取的器件各个性能参数。

从输出特性曲线可以看出，器件都呈现出良好的饱和特性，也没有出现电流拥挤现象，说明电极和有源层之间具有良好的欧姆接触，这要归功于我们双层电极的设计。

从转移特性曲线可以直接看出，每个器件表现出高的开关比以及低的亚阈值摆幅。这表示TFT可以快速实现开断切换，同时具有低工作电压。工作电压仅为1 V时，仍可观察到良好的晶体管特性，开关比均大于107。同时，器件都表现出较小的栅极泄露电流，最大值出现在Al2O3厚度为20 nm时，也仅为7.98×10-11A。这表明绝缘层具有良好的绝缘特性。这要归功于光滑、致密的非晶态Al2O3薄膜。栅极泄露电流出现变大的趋势是由于Al2O3栅绝缘层的减薄所致。

利用公式(1)，根据转移特性曲线可以提取出TFT器件场效应迁移率(μ)和阈值电压(VTH)：

(1)

其中Ci是栅绝缘层单位面积电容，W和L分别为沟道宽度和长度，VGS和IDS是栅极-源极电压和漏极-源极电流。测试结果均在表1中列出。μ随着Al2O3厚度的降低而逐渐增加，这是由于μ与栅绝缘层表面形貌优劣密切相关。优质的界面态可以有效地减少载流子散射以及减少缺陷对沟道电荷的捕获，这对于获得高迁移率、高稳定性都是有益的[28-29]。由AFM数据可知，随着Al2O3厚度的降低，薄膜表面光滑度是逐渐提高的，所以当Al2O3厚度为20 nm时，器件具有最高的μ值，为15.52 cm2/(V·s)。同时，器件的阈值电压均接近于0 V，且随Al2O3薄膜厚度的降低而左移。这是由于更薄的Al2O3栅绝缘层在相同的栅压下具有更强的电容耦合能力，能在单位面积有源层沟道中感应出更多的感应电荷。根据下列表达式：

(2)

其中,Qind是沟道中由所施加的栅极电压所感应出的单位面积累积电荷，ε是介电常数，d是GI的厚度。因此，随着GI厚度的减薄，在相同栅压下，单位面积有源层沟道将感应出更多的载流子。因此，即使在接近0 V的栅极电压下，也可以在TFT器件中形成导电沟道，并且将导致低的TFT工作电压。

亚阈值摆幅(SS)可以反映有源层与绝缘层的界面情况，因为载流子的运输主要发生在界面，所以界面缺陷态的多少不仅会影响器件的电学性能，也影响器件的稳定性。本文各器件表现出非常小的SS，最小仅为65.21 mV/dec。这也证明了我们的有源层-绝缘层具有非常好的界面态，具体数值可以通过以下关系式确定[30]：

图4 Al2O3厚度分别为50，40，30，20 nm时的TFT转移(a～d)、输出特性(e～h)曲线。

(3)

表1 器件性能参数

(4)

3.3 偏压稳定性

ΔVTH=Qt/COX,

(5)

图5 (a)±5 V栅极偏压3 600 s，不同厚度Al2O3栅绝缘层TFT的VTH变化；(b)、(c)20 nm厚度Al2O3栅绝缘层TFT的PBS(+5 V)和NBS(-5 V)测试结果。

Fig.5 (a)VTHvariation of TFT with different Al2O3gate insulater thickness at ±5 V bias voltage of 3 600 s. (b) PBS (+5 V) and (c)NBS (-5 V) results for the TFT with 20 nm thickness of Al2O3gate insulator.

3.4 分布均一性

同时，我们也研究了大面积制造的可行性及分布均一性，在150 mm×150 mm的TFT玻璃基板上，选择综合性能最佳的20 nm厚度Al2O3栅绝缘层TFT，制备了均匀分布的四部分TFT器件，每部分包括10个TFT器件，总计40个器件。阵列实物图如图6(b)所示，其中四部分TFT为区域①～④部分。图6(a)为40个TFT的转移特性曲线，图6(c)、(d)、(e)分别为40个TFT器件的VTH、μ及SS统计数据。40个TFT器件的VTH和SS值波动范围分别仅为(-0.25±0.06) V和(77.04±18.78) mV/dec，μ则分布在(14.16±1.56) cm2/(V·s)范围内。这表明该器件具有良好的分布均一性，也表示其工艺是可靠的。

图6 TFT分布均一性。(a)40个TFT的转移特性曲线；(b)器件实物图；(c)、(d)、(e)40个TFT的VTH、μ和SS统计数据。

Fig.6 TFT distribution uniformity. (a)Transfer characteristic curves of 40 TFTs. (b)A top view of 150 mm×150 mm sample. (c), (d)， (e)Statistical charts ofVTH,μandSS, respectively.

3.5 共源极放大电路

图7 共源极放大电路。(a)电路原理图；(b)不同电源电压下电路的输入、输出关系；(c)不同电压下放大器直流增益(定义为|dVOUT|/dVIN)；(d)交流输入信号的输出特性(VGS=0.8 V，VD=5 V，内嵌图为局部放大图)。

Fig.7 Common-source amplifier circuit. (a)Circuit schematic diagram. (b)Input-output relationship of the circuit at different supply voltages. (c)DC gain(|dVOUT|/dVIN) of the amplifier at different supply voltages. (d)Output characteristics with an AC input signal(VGS=0.8 V,VD=5 V. Inset shows the partial enlarged drawing).

4 结 论

通过选用具有迁移率高、沉积温度低、易形成大面积均质薄膜等优点的溅射a-IGZO薄膜作为有源层，并通过ALD技术获得致密、均匀的高质量超薄Al2O3薄膜作为栅绝缘层，获得了性能优异的TFT器件。并研究了Al2O3栅绝缘层厚度对TFT器件性能的影响，当Al2O3栅绝缘层厚度为20 nm时，得到最优综合性能：1 V低工作电压、接近0 V的阈值电压和仅为65.21 mV/dec的亚阈值摆幅;还具有15.52 cm2/(V·s)的高载流子迁移率、5.85×107的高开关比和较低的栅极泄露电流。同时，器件还表现出优异的稳定性：±5 V栅极偏压1 h阈值电压波动最小仅为0.09 V和优良的150 mm×150 mm大面积分布均一性。这都归功于20 nm超薄Al2O3薄膜较大的栅电容以及优质的有源层-栅绝缘层界面态。至此，我们得到了低工作电压、高稳定性a-IGZO TFT。最后，还进行了对其应用的探索，将该器件应用到小信号放大电路中，研究了二极管负载的共源极放大电路，得到14 dB的放大增益，且具有良好的响应速度。