退火温度对基于Bi1.5Zn1.05Nb1.5O7栅绝缘层的ZnO-TFTs性能的影响

张 琦，叶 伟，孙芳莉，萧 生，杜鹏飞

（1. 陕西理工大学机械工程学院，陕西汉中 723001；2. 西北工业集团有限公司，陕西西安 710043）

1 引言

二十一世纪是信息化时代，社会的信息化推动了平板显示器和传感器向大面积、高清晰度、高分辨率、低价化和人性化的方向发展，薄膜晶体管作为平板显示器和传感器的核心元件已经被广泛研究与应用［1，2］，在各种薄膜晶体管中，氧化锌薄膜晶体管（ZnO-TFTs）具有良好的电学和光学性能，光敏感性低、较高的电子迁移率、可见光透明及可以低温制备等优点使得它们将在下一代TFT得到广泛应用［3，4］，随着芯片集成度的不断增加，功耗将成为影响超大规模集成电路及器件一个主要因素，随着器件特征尺寸的不断减小，栅氧化层的厚度将不断减小，最后厚度逐渐接近原子距离，导致隧道效应作用明显，使得栅极漏电流成为必须考虑的问题［5］. 如果采用高k栅介质材料，在保证器件性能的同时就可以提高栅介质层的等效厚度，这样可以大大降低直接遂穿效应和栅介质承受的电场强度，从而可以消除由隧穿引起的大漏电流，研究表明，在相同等效氧化层厚度下，如果采用高k栅介质层，TFT器件漏电流密度将降低4个数量级以上［6］，目前通常被用作ZnO-TFTs 栅绝缘层的主要有Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7（BZN）［7～11］、Gd2O3［12］、Al2O3［13～15］、HfO2-GPTMS［16］、ZrOx［17，18］以及La2O3［19］等高k栅介质材料，在上述栅介质材料中，BZN 具有较高介电常数、损耗小和漏电流低等优点，同时具有驱动电压低、响应速度快、集成度高、低温沉积、便携性强和透明等特点，使得其在ZnO-TFT 中有着非常广泛的应用前景，Kim 等［9］研究人员采用Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7作为ZnO-TFTs 的栅绝缘层取得了优良的器件性能，器件获得了低于5 V 的阈值电压，Cho等［20］研究人员采用MgO-Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7作为栅绝缘层也获得了优良的性能，但BZN 薄膜在制备过程中，易损失Zn和Nb元素，使其氧空位增加，陷阱增多，薄膜质量变差，本项目组研究人员采用Zn 和Nb 元素过量的BZN薄膜作为ZnO-TFTs的栅绝缘层，研究表明，在元素过量5%时，ZnO-TFTs的漏电流降低了几乎2个数量级，且在Zn 元素过量5%（Bi1.5Zn1.05Nb1.5O7，BZN-5）时，器件获得较好的电学性能，Jiang 等［21］研究人员使用P（VDFTrFE-CFE）作为薄膜晶体管的栅绝缘层，研究了不同温度下器件的电学性能，发现较高的退火温度能提高器件性能，在退火温度为250 ℃时，器件迁移率获得最大值13.6 cm2/Vs，Li等［22］研究人员采用ALD 方法制备了SiO2基氧化锌薄膜晶体管，研究发现退火温度为200 ℃时，器件获得的Ion/Ioff高达109，器件性能得到了提高，由此，可以发现，退火温度对器件的性能具有重大的影响，因此，更深入研究退火温度对BZN-5基ZnO-TFTs性能的影响具有重要的意义.

本文采用BZN-5薄膜作为ZnO-TFTs的栅绝缘层，详细研究退火温度对BZN-5薄膜和ZnO-TFTs性能的影响.

2 实验

本文采用射频磁控溅射法，在Pt/SiO2/Si基片上常温制备了具有底栅结构的BZN-5 基ZnO-TFTs，ZnO-TFTs的结构如图1（a）所示. 首先，制备厚度为100 nm的Pt薄膜作为ZnO-TFTs的栅电极；然后使用纯度为99.99%，直径为3英寸的BZN-5陶瓷靶，制备厚度为200 nm的BZN-5 薄膜，溅射功率为150 W，真空度为2 Pa 和Ar/O2比为85/15；使用纯度为99.99%，直径为3英寸的ZnO靶材，制备厚度为40 nm的ZnO薄膜，溅射功率为100 W，真空度为1 Pa 和Ar/O2比为19/1 的条件下；使用Lift-Off 工艺在ZnO有源层上制备出宽长比为40：1的源漏电极，并使用热蒸发的方法制备出厚度为100 nm 的Ti/Au 薄膜作为源、漏电极，最后将所获得的器件分别在N2气氛中退火300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃，时间为30 min.

本项研究中，使用X 射线衍射仪（XRD，ESCALAB MK-II）来分析BZN-5 栅绝缘层的相结构，XRD 的扫描步长为0.02（°）/s，扫描速率为10（°）/min；使用Agilent 4980 A 阻抗分析仪来测试分析BZN-5 栅绝缘层在1 kHz～1 MHz间的介电特性，并用该设备来测量频率为1 MHz，电压设置为0～5 V 的BZN-5 栅绝缘层的C-E特性，测试结构如图1（b）所示；使用Keithley 4200-SCS 半导体分析仪来研究BZN-5 栅绝缘层的I-E特性和ZnOTFTs 的I-V性能，测试I-E特性时，电压从0 V 增加到5 V，电压步长为0.05 V，ZnO-TFTs 的输出特性测试时，漏源电压VDS从0 V 增加到5 V，步长为0.05 V，同时，栅源电压VGS从0 V 增加到4 V，步长为1 V；ZnO-TFTs 的转移特性测试时，VGS从0 V 增加到5 V，步长为0.05 V，同时，VDS保持4 V 不变；使用扫描电镜（SEM，FEI Quanta 250 FEG）来研究栅绝缘层的表面形貌.

3 结果与讨论

3.1 BZN-5薄膜的SEM形貌分析

图2 所示为BZN-5 薄膜的SEM 形貌图，从图可知，所获得的BZN-5 薄膜膜层表面比较平整，没有裂纹出现，随着退火温度从300 ℃升高到500 ℃时，原子团聚变少且变小，当温度继续升高时，原子团聚增多且变大，在退火温度为500 ℃时，BZN-5 薄膜获得较好的薄膜质量. 分析认为，在温度较高时，薄膜原子能获得了较高的能量，使其能在表面自由运动，缺陷减少，薄膜质量变好，但温度更高时，薄膜原子获得更高的能量，运动更加剧烈，导致薄膜缺陷和原子团聚增加，质量变差.

图2 BZN-5薄膜的SEM测试图

3.2 BZN-5薄膜的XRD衍射和I-E特性分析

BZN-5 薄膜的XRD 衍射如图3（a）所示，由图可知，在衍射角从20°变化到65°时，除了在2θ=40°处出现属于Pt的衍射峰外，没有其他衍射峰存在，表明所获得的BZN-5薄膜具有非晶特性.

在场强为0 至220 kV/cm 时，BZN-5 薄膜所获得的I-E特性曲线如图3（b）所示，由图可知，BZN-5薄膜的漏电流密度受退火温度的影响较大，在场强为220 kV/cm时，当退火温度从300 ℃升高到500 ℃时，BZN-5薄膜的漏 电 流 密 度 分 别 为2.6×10-5A/cm2、3.5×10-6A/cm2和2.26×10-6A/cm2，漏电流密度从10-5降低到10-6，表明薄膜的质量变好，降低了薄膜缺陷，性能得到了提高，在退火温度为500 ℃时，漏电流密度最低，继续升温时，漏电密度从2.26×10-6A/cm2升高到1.17×10-5A/cm2，漏电流密度从10-6升高到10-5，漏电流增加. 分析认为，随着温度的升高，基片上离子所获得的动能增大，离子的运动性增强，使得BZN-5 薄膜的缺陷减少，性能提高，漏电流减少，当温度继续升高时，离子的团聚增大，陷阱增多，使得薄膜的性能变差，漏电流增大.

图3 BZN-5薄膜的XRD测试图和I-E特性测试图

3.3 BZN-5薄膜的介电特性和C-E特性分析

BZN-5 薄膜的介电特性如图4（a）所示，由图可知，薄膜的介电特性与温度不成正比，随着温度的升高，介电常数先升高后降低，在退火温度为500 ℃时，取得最大的介电常数72，但薄膜的介电损耗变化不大，都低于1%. 电容密度如图4（b）所示，随着退火温度的升高，电容密度从165 nF/cm2升高到222 nF/cm2，然后降低到186 nF/cm2，在退火温度为500oC 时，取得最大的电容密度222 nF/cm2. 这主要归功于退火温度的升高薄膜质量变好，漏电流密度降低，缺陷减少，使得薄膜的电容密度增加，当继续升高时，薄膜缺陷增多，漏电流密度增加，质量变差，导致了薄膜电容密度变低.

图4 BZN-5薄膜的介电和C-E特性图

3.4 ZnO-TFTs的电学性能分析

3.4.1 ZnO-TFTs的输出特性

ZnO-TFTs 的输出特性曲线如图5 所示，从图可知，源漏电流IDS随着VGS的增加而增大，表明所获得的ZnOTFTs是n型增强型的薄膜晶体管，当VDS为零时，IDS也为零，没有出现电流拥堵现象，表明源漏电极与ZnO 有源层薄膜之间为欧姆接触. 随着退火温度的升高，IDS从退火温度为300oC 时的1.5 μA 增加到500oC 时的3.5 μA，继续升高温度时，IDS从退火温度为500oC时的3.5 μA下降到600oC时的1.8 μA，在退火温度为500oC时，取得最大的IDS，这主要归功于BZN-5 薄膜在500oC 时，具有良好的薄膜质量、低的漏电流密度和高的电容密度.

图5 ZnO-TFTs的输出特性

3.4.2 ZnO-TFTs的转移特性

ZnO-TFTs 的转移特性如图6 所示，图7 所示为ZnO-TFTs的性能曲线图，图7所有的数值均由图6计算所得. 从图6 可知，随着VGS的增加，IDS增加，因此所获得的ZnO-TFTs是n型增强型薄膜器件.

图6 ZnO-TFTs的转移特性

ZnO-TFTs 的亚阈值摆幅SS和界面态密度NSSmax与退火温度的关系如图7（a）所示，SS由式（1）计 算所得［23］：

式中：VGS表示栅源电压；IDS表示漏源电流.

由图7（a）可知，退火温度从300oC升高到500oC时，SS从930 mV/dec降低到397 mV/dec，继续升高退火温度时，SS升高到629 mV/dec，ZnO-TFTs 的NSSmax由式（2）计算所得［23］：

式中：SS表示亚阈值摆幅；Ci表示电容密度；e表示欧拉数.

由图7（a）还可知，退火温度从300oC 升高到500oC时，NSSmax从7.39×1012降低到2.18×1012，继续升高退火温度，NSSmax升高到3.05×1012，在退火温度为500oC 时，ZnO-TFTs获得最小的SS和NSSmax，表明ZnO-TFTs的性能得到了提高.

图7（b）所示为迁移率和开关比与退火温度的关系，ZnO-TFTs的迁移率μFE通过式（3）获得［23］：

式中：Vth表示阈值电压；W/L表示沟道宽长比；Ci表示电容密度.

由图7（b）可知，随着退火温度从300oC 升高到500oC，μFE从0.01 cm2/V·s升高到0.2 cm2/V·s，继续升高温度时，μFE从0.2 cm2/V·s下降到0.025 cm2/V·s，在退火温度为500oC，器件获得最大的μFE. 开关比（Ion/Iof）f由开启电流和关断电流的比值计算获得，当退火温度为300oC、400oC、500oC 和600oC，Ion/Ioff分别为4×103、5.26×105、5.72×105和8.89×104，在温度为500oC时，获得最大的Ion/Ioff.

图7（c）所示为饱和电流和阈值电压与退火温度的关系，从图7（c）可知，退火温度对IDS的影响较大，随着退火温度从300oC升高到500oC时，IDS从1.5 μA增加到3.5 μA，退火温度继续增加到600oC 时，IDS下降到1.8 μA，在退火温度为500oC 时，器件获得最大IDS.n 型器件的Vth具有负温度系数，退火温度从300oC 升高到600oC 时，Vth分别为2.8 V、2.3 V、2.6 V 和2.4 V，Vth没有随着退火温度的升高而线性降低，在退火温度为500oC时，Vth从2.3 V 升高至2.6 V，分析认为，在制备BZN-5薄膜时，薄膜厚度的不均匀性导致了Vth的不同，栅绝缘层比较厚时，削弱了电场，所以，Vth上升，而薄的栅绝缘层使Vth上升，退火温度继续升高至600oC 时，Vth变为2.4 V，这主要是由于高的退火温度使得薄膜缺陷和陷阱增多，漏电流增加，使得Vth上升.

图7 ZnO-TFTs的性能与退火温度的关系

研究结果表明，提高退火能够提高BZN-5 基ZnOTFTs 的电学性能，在退火温度为500oC 时，器件获得最优值.

4 总结

本项研究采用射频磁控溅射法在Pt/SiO2/Si基片上成功制备了BZN-5 薄膜，并将其作为ZnO-TFTs 的栅绝缘层，同时，表征了BZN-5 在不同退火温度下的形貌、相结构、I-E性能、介电特性、C-E特性以及ZnO-TFTs 的电学性能. 结果表明，在退火温度为500oC 时，降低了BZN-5薄膜的漏电流密度，提高了电容密度；同时，ZnOTFTs 获得低的亚阈值摆幅和界面态密度，以及高的迁移率和开关比等电学性能，这些结果表明，在退火温度为500oC时，能够显著提高ZnO-TFTs的性能.