原子层沉积法制备ZnO薄膜晶体管教学研究

陈雪 吴宏伟

文章编号：1003?6180（2023） 03?0073?05

摘  要：采用原子层沉积法制备ZnO薄膜晶体管，研究高温退火对其性能的影响，并将其引入半导体物理课程教学，让学生更加直观了解半导体的样品制备和测试分析，更加有效地培养学生的探索创新精神.

关键词：电子器件；半导体物理；后处理

[   中图分类号    ]G642 [    文献标志码   ]  A

Teaching Research on Preparation of ZnO Thin Film

Transistor by Atomic Layer Deposition

CHENG Xue，WU Hongwei

（School of Mechanics and Photoelectric Physics，Anhui University of Science and Technology，

Huainan 232001，China）

Abstract：ZnO thin film transistors were prepared by atomic layer deposition and the effect of high temperature annealing on their properties was studied. By introducing these research processes into the teaching process of semiconductor physics，students can have a more intuitive understanding of the preparation，testing and analysis of semiconductor samples，and cultivate their spirit of exploration and innovation more effectively.

Key words：electron device； semiconductor physics； post-processing

近年来，氧化物半导体作为一种用于薄膜晶体管（Thin Film Transistors，TFTs）的活性层材料引起了广泛关注.与传统的非晶硅TFT相比，氧化物TFT具有较高的电子迁移率，与低温多晶硅TFT相比，氧化物TFT制备温度低，均匀性好.氧化物半导体禁带宽度大，在可见光范围内透明，对未来透明柔性电子器件的发展具有重要意义.铟镓锌氧（IGZO）TFT是目前唯一实现量产的材料，因其使用含有稀有金属In和Ga元素的沟道材料制备TFT，故生产成本高.ZnO二元化合物薄膜成分简单、存储丰富、价格便宜、无毒、禁带宽度大、制备温度低，未掺杂的ZnO薄膜含有高密度的晶界和未填充的陷阱密度，TFTs开态电流小、亚阈值摆幅大（0.90 V/dec）、遷移率低（1.6 cm2V-1s-1）.利用先进的薄膜制备手段，加上工艺的优化，ZnO TFT的迁移率可以超过20 cm2V-1s-1，甚至优于IGZO等多元化合物的性能.因此，进一步深入研究ZnO TFT以满足商业应用的标准是十分必要的.

制备氧化物半导体薄膜的手段很多，原子层沉积由于其独特的生长机理，在制备超薄薄膜、3D集成等领域具有很大优势.2009-2018 年，使用 ALD 制备氧化物 TFT 的文章总数达到 100 篇左右，其研究热度依然高涨，高性能的 TFT不断被研发出来.[1-4]研究发现，使用ALD法制备ZnO薄膜时，由于 ZnO 材料总是具有很高的载流子浓度，通常聚焦研究 ZnO 材料的厚度、后处理方法（如O2 plasma 处理）以及使用金属氧键比 Zn-O 更大的金属离子进行掺杂，抑制氧空位的产生，从而控制ZnO薄膜中的电子浓度.这些手段的使用，不可避免地会增加生产成本，提高制备工艺的复杂性，不利于大规模产业发展.本文采用原子层沉积法低温制备ZnO薄膜，研究退火温度以及退火时间对TFT性能的影响规律.通过对原子层沉积技术的特点、薄膜晶体管的工作原理、制作流程的介绍以及结合半导体物理学的相关知识对器件进行分析，让学生深入了解科研思维的训练过程，了解半导体知识在实际中的应用[5-6]，了解所学知识在未来的应用前景，从而提高学生的学习兴趣，提高学习效果.

1 原子层沉积技术的特点

原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）是以化学反应为基础的一种薄膜制备方法，将不同的化学前驱体源以气体的形式交替通入反应腔，通过调节腔室温度，提供热能，使之在衬底表面发生化学反应，从而生成所需要的薄膜.图1为Al2O3薄膜生长过程示意图.衬底由于晶格周期性在表面的突然中止而出现表面悬挂键，大气中的水分子与该悬挂键发生反应，形成化学吸附的羟基（—OH），覆盖于衬底表面.当三甲基铝以脉冲形式通入ALD腔室后，TMA的一个或者两个甲基就会与衬底表面的—OH发生反应，形成CH4.持续通入TMA，使衬底表面的每个—OH都与TMA分子反应，此时即使继续通入TMA，也不再有多余的—OH与之反应，表面达到自限制状态.接着将控制TMA的气动阀门关闭，向腔室中通入高纯N2气，利用载气提供的动力，将生成的CH4以及多余的TMA清除.再向腔室中以脉冲形式通入氧化剂（如H2O）.衬底表面化学吸附的—CH3与H2O发生反应，在衬底表面形成—OH键以及副产物CH4，利用自限制效应反应完全后，关闭H2O源气动阀，再次通过高纯N2将多余的H2O分子和副产物CH4清除.这就是一个完整的ALD生长周期.通过不断重复以上步骤，就可以得到一定厚度的Al2O3薄膜.由其生长原理可知，薄膜生长过程中，每次化学反应都和衬底表面的反应官能团数量密切相关，当衬底表面官能团反应完全，即使通入过量的前驱体源，也没有与之反应的位点，因此，ALD反应可以达到自限制，在原子尺度上控制薄膜的生长.随着集成电路产业不断朝着微型化方向发展，传统的硅基电子器件横向尺寸不断达到发展极限，人们开始慢慢朝着三维堆栈结构方向探索.这时就需要薄膜沉积时具有高保型性，纳米尺度上厚度精确可控.ALD技术在这种社会发展中逐渐被工业界所青睐，成为半导体行业中最具发展潜力的薄膜制备手段.

2 薄膜晶体管工作原理

在半导体行业中，薄膜晶体管（Thin film transistors，TFTs）可用作显示器背板电路驱动电路的开关，控制单位像素，防止它们之间发生串扰.随着氧化物薄膜晶体管领域的发展，有望替代Si基器件成为集成电路领域的新秀.[7-9]TFT是一种简单的三端半导体器件，器件结构如图2所示.工作时，可以通过在栅极施加电压控制位于源极和漏极之间的半导体中的电流.绝缘层插入半导体和栅极之间，通过介电层和半导体界面的表面场效应实现电流调制.

薄膜晶体管工作原理.以n型沟道底栅交错型 TFT 为例.首先定义一个阈值电压VTH，即沟道形成时的电压.由于沟道为 n 型半导体，电子为多子.当栅极电压 VGS>0 时，由于电场效应，沟道中的电子会被吸引至沟道和绝缘层的界面.在 VGS< VTH 时，沟道中感应的电子还不足以形成导电沟道，虽然此时漏极有正电压（VDS），但是源漏电流 IDS 很小，器件表现为截止状态.当 VGS>VTH 时，电场足够大，导致沟道和绝缘层界面附近的电子积累得足够多，形成导电沟道，在 VDS 的作用下产生电流，IDS 随着 VDS 的增大而线性增加.由于沟道受栅极电压以及漏极电压的共同作用，所以沟道中的电场不是均匀场，而是漏极附近的电场要大.当 VDS 增大到和 VGS-VTH 相等时，夹断点形成，导电沟道被夹断.此时继续增加 VDS，电压大部分都落在夹断区，IDS 不会随 VDS 变化，达到饱和区.由此可见，当栅极电压小于阈值电压时，TFT为关断，电流小；当栅极电压大于阈值电压时，TFT打开，有电流流通.基于此，利用栅极电压控制晶体管的开关从而对单位像素进行控制，这是有源矩阵液晶显示背后像素驱动电路的常用手段.

3 原子层沉积法制备ZnO薄膜晶体管教学

课堂教学中，阐述绝缘层和沟道层材料的选择，加深学生的理解.选择P型重掺杂Si作为衬底，将衬底依次放入丙酮、酒精中超声10 min以清洗表面的有機污染，氮气吹干后直接放入ALD反应腔室中.对腔室进行加温处理，以获得化学反应时所需要的热能.选择在100 ℃条件下，使用三甲基铝和H2O作为反应源，生长40 nm Al2O3薄膜作为绝缘层，使用二乙基锌和H2O作为反应源，生长30 nm ZnO作为沟道层.半导体薄膜之所以可以用作薄膜晶体管的沟道层，是因为其载流子浓度可以用电场调控.如果使用金属作为沟道层，则薄膜晶体管会一直是导通状态，若使用绝缘层，则一直是关断状态.绝缘层的作用是使栅极-绝缘层-沟道层可以构成一个电容器，依靠电容效应，可以很容易达到栅极电压控制沟道层中的载流子浓度.[1]

对TFT进行光刻处理，将沟道层刻开，防止由于边缘电流效应而导致迁移率高估.

（1）使用匀胶机在样品上旋涂一层正光刻胶，接着将衬底放置在所制作的沟道掩膜版下，使用紫外光照射后，再放入显影液中显影.这样直接暴露在紫外光下的正胶就会在显影液的作用下被腐蚀，只留下沟道部分有光刻胶.然后将带有沟道图案的衬底放入稀盐酸，将多余ZnO腐蚀，丙酮洗去光刻胶，就可以得到ZnO沟道图案.

（2）源漏电极的制作.使用旋涂机在衬底表面旋涂一层负胶，接着将衬底放置在所制作的源漏电极掩膜版下使用紫外光照射，再放入显影液中显影.形成源漏电极图案.将衬底放入热蒸发腔室蒸镀Cr/Au电极后，再利用丙酮去除光刻胶，就得到完整的薄膜晶体管器件图.整个流程如图3所示.

4 ZnO薄膜晶体管的测试与分析教学

课堂教学中，讲解半导体材料受温度、光照等外部因素影响的机理，阐述薄膜晶体管高温退火后的性能变化，结合实验测试结果，实现学生理论与实践的结合，更加有效地培养学生的探索创新精神.

图4为ZnO TFT经过不同温度退火、不同时间后的转移特性曲线.从图中可以看到，没有经过退火的ZnO TFT即使在-10 V的栅极电压下也不能将沟道中的电子耗尽，说明ZnO半导体薄膜内部载流子浓度太大，不适合直接用作沟道层.将TFT放置在热板上进行高温退火，300 ℃下仅需要1 min就可以将TFT的漏电流从10-5 降低至10-12 A，开关比直接提高到108.

用公式[μ=LWVdsCox×?Ids?Vgs]，[SS=（dlogIdsdVgs）-1]，分别提取出TFT的迁移率和亚阈值摆幅（SS）.式中，L，W分别为TFT沟道的长和宽，Cox为Al2O3绝缘层单位面积的电容密度.[10-11]将Ids1/2-Vgs曲线的线性部分外推，与VGS轴的交点得到阈值电压VTH，提取出的参数见表1.表1中的数据表明，未经过高温退火的ZnO薄膜内部电子浓度含量高，不适合作为沟道层材料；空气中高温退火是降低沟道内部电子浓度的有效手段；退火时间越长，阈值电压越大，SS越小，迁移率越低，需要权衡他们之间的取舍；低温长时间退火比高温段时间退火具有更高的迁移率，更小的亚阈值摆幅，更有利于高性能TFT的获得；较低温度退火适用于柔性衬底，可为柔性TFT制备提供机遇.

5 结论

本文以原子层沉积法制备ZnO TFT退火研究为例，介绍半导体器件的制备流程、光刻手段以及分析测试知识.通过不同温度、不同时间退火器件的性能对比，得到氧化物薄膜中载流子浓度含量对晶体管性能的影响.高温退火可有效降低氧化物薄膜中的电子浓度，提高开关比.低温下长时间退火更有利于高性能的获得.原子层沉积法制备ZnO薄膜晶体管退火教学引入薄膜晶体管科学研究过程，让学生更加直观了解半导体的样品制备，测试分析，更加有效地培养学生的探索创新精神.

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編辑：吴楠