有源层厚度对IGZO薄膜晶体管性能的影响

孟 冰，高晓红，付 钰，孙玉轩，王 森

吉林建筑大学 电气与计算机学院,长春 130000

0 引言

氧化锌(ZnO)半导体材料具有宽禁带、高迁移率、价格低廉、环境友好等优点,是比较受欢迎的薄膜晶体管有源层材料之一.为了获得性能更好的薄膜晶体管,对氧化锌薄膜晶体管掺杂适量的铟离子和镓离子.铟和镓的离子半径分别为0.62和0.81Å,与锌的离子半径(0.74Å)较为接近使得在掺杂过程中原子替位引起的晶格畸变较小.铟镓锌氧化物(IGZO)组分中的铟离子有利于载流子的高速运输[1];镓离子的掺入可以实现抑制氧空位等本征缺陷,实现对载流子的调控[2]. IGZO薄膜晶体管能在室温条件下制备,有较高的场效应迁移率、较好的稳定性[3-4]、良好的均匀性和透光性等优点,因此IGZO被视为下一代显示器最有前途的材料.有源层材料的性质影响薄膜晶体管的性能,而薄膜厚度对薄膜的微观结构、电导率、栅介质层与有源层的界面缺陷等有一定影响,因此有源层厚度是IGZO-TFT性能的重要影响因素.近年来，国内外学者报道了IGZO薄膜厚度,例如2018年Shashi K.Dargar 等[5]人制备有源层厚度为50 nm的IGZO薄膜晶体管,获得了较好的迁移率.2020年Jaemin Kim等[6]人采用射频磁控溅射制备的IGZO薄膜晶体管有源层厚度为30 nm,器件的开关电流比为2.62×107.为了进一步提高IGZO-TFT的性能,我们研究了有源层厚度对薄膜晶体管的影响.本文采用磁控溅射的方法在室温下沉积IGZO作为有源层并制备成TFT器件,使用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征IGZO薄膜,使用半导体参数测试仪测试TFT器件的电学性能,研究不同厚度的有源层对IGZO-TFT场效应迁移率、阈值电压、开关电流比、亚阈值摆幅的影响,并解释了有源层厚度对IGZO薄膜晶体管性能的影响机理.

1 实验

图1 TFT器件结构Fig.1 TFT device structure

实验采用p-Si作为器件的栅极,其上生长有100 nm厚的热氧化SiO2作为器件的绝缘层.首先将基片放入丙酮中超声清洗10 min,再放入乙醇中超声清洗10 min,

最后将基片放入去离子水中超声清洗10 min.使用磁控溅射设备生长IGZO薄膜,溅射靶材采用的是IGZO陶瓷靶材,通过实验确定薄膜沉积速率及时间.生长温度为室温,溅射压强为8 mTorr,溅射功率为100 W,改变生长时间控制沉积薄膜的厚度,在氩气下分别生长10 min,15 min,20 min的IGZO薄膜.沉积结束后将薄膜进行湿法光刻,并采用电子束蒸发设备蒸镀50 nm厚的Al作为源、漏电极,制备成TFT器件.本实验中IGZO-TFT器件采用的是传统的底栅结构,沟道长度为10 μm,宽度为300 μm,图1为TFT器件的结构示意图.

2 结果与讨论

2.1 薄膜表面分析

薄膜的厚度对TFT器件性能有重要影响,本研究主要通过控制薄膜沉积时间来控制薄膜的厚度，采用扫描电子显微镜(SEM)表征了不同沉积时间的IGZO薄膜的厚度.图2为不同沉积时间的IGZO薄膜的剖面扫描电子显微镜图像和原子力显微镜图像.电子显微镜图像放大倍数为20万倍,样品a,b,c沉积时间分别为10 min,15 min和20 min，表征结果显示薄膜厚度分别为33 nm,47 nm和59 nm,对应的薄膜表面粗糙度RMS分别为653.800 pm,645.940 pm,660.322 pm,即当薄膜沉积时间为15 min时，薄膜厚度为47 nm时,薄膜的粗糙度最小.

图2 有源层厚度为(a)33 nm,(b)47 nm,(c)59 nm的IGZO薄膜剖面SEM和AFMFig.2 SEM and AFM images of IgZO thin films with active thickness of (a)33 nm,(b)47 nm, and (c)59 nm

2.2 TFT器件分析

图3为不同有源层厚度制备的IGZO TFT的输出特性曲线.从图3可以看出,制备的不同有源层厚度IGZO TFT器件在同一栅压下,薄膜晶体管输出曲线呈现饱和特性,这表明栅极电压VGS对薄膜晶体管的源漏电流IDS有很好的调控作用.源漏电流IDS随着栅压VGS的增大而增大,表明器件是N沟道场效应晶体管,工作在增强型模式下.器件在低栅压区域没有电流拥挤的现象,说明TFT器件源漏电极和IGZO沟道层形成了良好的欧姆接触.

图3 不同有源层厚度的IGZO TFT输出特性曲线Fig.3 IGZO TFT output characteristic curves with different active layer thicknesses

图4为不同有源层厚度的IGZO TFT的转移特性曲线和IDS1/2-VGS曲线.源漏电压VDS固定为5 V,栅极电压从-5 V扫描到40 V. 从图4中可以看出,当IGZO有源层厚度为33 nm和47 nm时,器件的关态电流很小,约为10-12A数量级,有源层厚度增大到59 nm时,关态电流达到10-11A.随着有源层厚度的增加,器件的开关电流比先增大后减小,当IGZO膜厚为47 nm时,IGZO-TFT的开关电流比最好达到7.83×107.

图4 不同有源层厚度IGZO TFT转移特性和IDS1/2-VGS曲线Fig.4 IGZO TFT transfer characteristics and IDS1/2-VGS curves of different active layer thicknesses

IGZO TFT的电学性能参数见表1.

表1 TFT电学性能参数Table 1 Electrical performance parameters of TFT

当有源层厚度为33 nm时,薄膜晶体管的迁移率最小,仅为0.798 cm2·(V·s)-1,原因是有源层较薄时,有源层与栅介质层界面陷阱态密度达到7.33×1012cm-2·eV-1,IGZO/SiO2界面的缺陷较多,载流子容易被俘获,导致迁移率较低,这也限制了器件的开关电流比; 将亚阈值摆幅代入公式(1)可计算界面陷阱态密度(DIT)：

(1)

式中,SS为亚阈值摆幅,(V·decade-1);k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度,K;COX为单位面积电容,(mF·cm-2);e为自然常数;q为单位电荷量,C.

随着有源层厚度增加到47 nm,薄膜的界面陷阱态密度减小为6.35×1012cm-2·eV-1,场效应迁移率增大为1.71 cm2·(V·s)-1,器件的开关电流比达到最佳为7.83×107,这可以归因于薄膜的界面陷阱态密度减小,缺陷对载流子的俘获作用减小,场效应迁移率增加.载流子在运输过程中被缺陷俘获的数量随之减少,参与导电的载流子更多,因此源漏电流变化的速率更快,导致器件的亚阈值摆幅减小.

有源层厚度增加到59 nm, 场效应迁移率为1.30 cm2·(V·s)-1, 器件的开关电流比减小为6.87×106.界面态密度最大,同时载流子运输层距离薄膜表面比较远,形成了较高的界面态阻[7],导致迁移率减小;有源层过厚,在运输过程中大量的自由载流子也会因相互碰撞而发生散射现象,导致亚阈值摆幅增大,电学性能劣化.

3 结论

本文使用射频磁控溅射设备沉积不同厚度的IGZO薄膜并制备薄膜晶体管器件,研究有源层厚度对IGZO薄膜晶体管的影响.实验结果显示，薄膜厚度为47 nm时,薄膜表面粗糙度最低,薄膜沉积质量最好.合适的有源层厚度能够减小薄膜界面陷阱态密度,改变薄膜晶体管器件的电学性能.有源层较薄时,薄膜表面缺陷较多,导致薄膜的迁移率较低.有源层较厚会形成较高的界面态阻,且在运输过程中载流子的散射现象增强,器件的电学性能下降.