氧化锌锡薄膜晶体管的制备与性能研究

初学峰， 胡小军， 张祺， 黄林茂， 谢意含

（1.吉林建筑大学 寒地建筑综合节能教育部重点实验室， 吉林 长春130118；2.吉林建筑大学 电气与计算机学院， 吉林 长春130118）

1 引言

近年来，随着科学技术的发展，薄膜晶体管（TFT）作为显示器中的关键元件，受到研究人员的广泛关注［1-7］。在显示领域中，非晶硅目前是商用显示技术领域中主要使用的材料，但是其迁移率低于1 cm2/（V·s），不能满足现有的AMOLED、QLED等新型显示技术的需求［8］。因此，研究人员聚焦于金属氧化物薄膜晶体管。

现有金属氧化物薄膜晶体管具有制造成本低、迁移率高、开关比高、稳定性好等优势，而含铟（In）的金属氧化物薄膜晶体管是其中的佼佼者，如：IGZO［9］、ITZO［10］、IZO［11］、IAZO［12］等，所以最受关注。归因于In3+（4d105s0）的特殊电子结构［13］，铟离子的5s0轨道相互重叠，形成电子通道，所以其电子迁移率较高。然而铟元素是一种具有毒性且稀少的元素，寻找一种新的材料来代替铟基氧化物是非常重要的。Sn4+与In3+具有相同的电子结构和物理化学性质，所以锡基氧化物被认为是铟基氧化物的潜在替代材料之一。目前为止，常用的生长金属氧化物薄膜的沉积方法包括电化学沉积［14］、化学气相沉积［15］、脉冲激光沉积［16］、溶胶凝胶［17］、磁控溅射［18-20］等。其中磁控溅射技术由于生长温度低、厚度均匀性高、溅射薄膜致密等优点是沉积氧化锌锡（ZTO）薄膜中应用最广泛的技术之一。

溅射功率对薄膜质量有显著的影响。本文通过磁控溅射技术，制备了不同溅射功率的ZTO薄膜及其薄膜晶体管，研究溅射功率对TFTs迁移率、阈值电压、亚阈值摆幅、电流开关比的影响。实验结果表明，使用90 W溅射功率制备器件时，其电学、光学性能达到最佳。

2 实验

本文所有样品都基于锌锡氧化物陶瓷靶材和SiO2/p-Si衬底。锌锡氧化物陶瓷靶材中锌锡原子比为7∶3，SiO2的厚度为285 nm。制备过程如下：首先使用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗SiO2/p-Si衬底10 min，再使用氮气吹去衬底表面残留的水分。其次对衬底进行光刻，使有源层图案化。随后采用磁控溅射法在SiO2/p-Si衬底上室温制备ZTO薄膜，溅射功率为70 W、80 W、90 W、100 W（功率密度为2.8 W/cm2、3.2 W/cm2、3.6 W/cm2、4.0 W/cm2），氩氧比为90∶10，溅射时间为7.5 min，厚度为50 nm。去除光刻胶后，在空气氛围下600 ℃退火1 h。最后通过电子束蒸发方法，在ZTO薄膜上制备50 nm厚的源漏Al电极，其中Al电极图案化通过紫外光刻实现，沟道宽度为300 μm、沟道间距为10 μm。TFT的结构如图1所示。

图1 ZTO TFT结构示意图Fig.1 Schematic diagram of ZTO TFT structure

本实验采用磁控溅射设备生长ZTO TFT的有源层。使用光刻机（ABM/6/350/NUV/DCCD/M， USA）进行光刻，将沟道层图案化。采用快速退火炉（RTP-100，Germany）对ZTO TFTs进行退火处理。采用半导体参数分析仪（Keysight B1500A， USA）在室温、空气氛围下测量TFT的电学性能。使用原子力显微镜（AFM，MFP-3D Origin+，USA）表征ZTO薄膜的表面结构和形貌，通过X射线衍射仪（XRD，D8DISCOVER，Germany）得到ZTO薄膜的成分、晶体的结构，使用紫外可见分光光度计（UV-Vis， 2600 UV，Japan）测量ZTO薄膜在紫外和自然光下的透光率，采用X射线光电子能谱仪（XPS， ESCALAB 250 Xi，USA）检测薄膜中元素的组成、元素的化学态信息。

3 实验结果与讨论

3.1 薄膜透射光谱分析

图2描述了在不同溅射功率下制备的ZTO薄膜的透光率，所有样品在可见光范围内均表现出良好的透光率，展现了其在透明显示领域的应用前景。

图2 不同溅射功率的ZTO薄膜在200～800 nm范围内的透光率图Fig.2 Transmittance of ZTO thin films with different sputtering powers in the range of 200～800 nm

3.2 薄膜结构与形貌分析

图3是不同溅射功率下沉积的ZTO薄膜在600 ℃空气氛围下退火后测量的XRD谱图。在20°～80°衍射角中未发现明显尖锐的衍射峰，说明ZTO薄膜均为非晶结构。结合薄膜的AFM数据，所有ZTO薄膜光滑均匀，相对应的ZTO TFTs具有良好的电学一致性。

图3 不同溅射功率下ZTO薄膜的XRD图谱Fig.3 XRD pattern of ZTO film under different sputtering powers

有源层表面粗糙度对薄膜晶体管有着重要影响。为了表征薄膜粗糙度，对ZTO薄膜进行AFM测量。图4是不同溅射功率沉积的ZTO薄膜的AFM 3D形貌图。计算得到的ZTO薄膜的均方根面粗糙度（RMS）结果见图4。结果显示，随着溅射功率的提高，RMS值一直减小。这可能是由于高的溅射功率致使ZTO薄膜生长的速度增加，到达衬底形成晶核的原子和原子团的数量逐渐增加。与晶核生长相比，成核过程占主导地位，使薄膜的密度增加，导致较小的RMS值［21］。

图4 不同溅射功率的ZTO薄膜的AFM图像。（a） 70 W； （b） 80 W； （c） 90 W；（d）100 W。Fig.4 AFM images of ZTO films with different sputtering powers. （a） 70 W； （b） 80 W； （c） 90 W； （d） 100 W.

3.3 薄膜X射线光电子能谱分析

为了研究溅射功率对ZTO薄膜中元素比例和化学价态的影响，通过X射线光电子能谱的分析表征，分别测试了ZTO薄膜的Sn3d、Zn2p、O1s谱图，见图5。根据X射线光电子能谱的半定量计算，得到不同溅射功率下ZTO薄膜中各元素的比例，如表1所示。当溅射功率增加时，Zn元素含量先减少后增大，Sn元素含量逐渐增大，O元素含量先增大后减少。在氧化物半导体中，一般导带最小值由金属离子高度分散的球形s轨道构成，价带最大值由氧的外层轨道构成。随着Sn含量的增加，Sn4+含量增加，其球型s轨道的重叠增加，样品的载流子浓度增大。

表1 ZTO薄膜中Sn、Zn和O元素的原子含量（摩尔分数）Tab.1 Atomic content （mole fraction） of Sn， Zn and O elements in ZTO film

图5 ZTO薄膜的XPS光谱。（a） Sn3d； （b） Zn2p； （c）O1s。Fig.5 XPS spectra of ZTO thin film. （a） Sn3d； （b） Zn2p；（c） O1s.

在Sn3d谱图（图5（a））中， Sn3d3/2和Sn3d5/2峰的结合能分别为494.10 eV和485.70 eV。随着溅射功率的增加，Sn3d双峰向着更高的结合能位移。说明随着溅射功率的增大，薄膜中Sn4+占Sn元素的比例增大。此外，在Zn2p、O1s光谱中也观察到了类似的位移，如图5（b）、5（c）所示［22］。结果表明，Zn2+离子被电负性更大的Sn4+离子取代（Sn：1.8vs.Zn：1.6），导致外层电子密度变化和Sn3d峰的位移［23］。

图6显示了不同溅射功率下ZTO薄膜的O1s峰的XPS拟合结果。通过高斯洛伦兹拟合法将氧卷积成3个不同的峰，分别位于530.15 eV（OⅠ）、531.20 eV（OⅡ）和532.50 eV（OⅢ）。在530.15eV处有低结合能峰，其归因于O2-离子与Zn或Sn离子连接的晶格氧（OⅠ）。531.20 eV的峰对应于氧空位（OⅡ），532.50 eV的峰则对应于ZTO薄膜表面松散结合的氧（OⅢ），如羟基、—CO3、表面吸收的水或氧等［24］。随着溅射功率的增加，OⅠ峰占总氧峰（OⅠ+OⅡ+OⅢ）的原子比例从74.80%下降到了70.35%，OⅡ峰面积占总氧峰的原子比从19.18%上升到24.35%。结果表明，在较高的溅射功率下ZTO薄膜存在较多的氧空位。根据=VO+2e-+1/2O2(g)公式，ZTO薄膜中的氧空位作为双电离供体，最多向导带贡献两个电子［24］。因此，更多的氧空位会导致更高的载流子浓度。在后续的电学性能测试中，90 W溅射功率下ZTO薄膜晶体管拥有更大的开启电流（ION）和更高的饱和迁移率，与结果一致。

图6 不同溅射功率下ZTO薄膜的O1s光谱。（a） 70 W； （b） 80 W； （c） 90 W； （d） 100 W。Fig.6 O1s spectra of ZTO films with different sputtering powers. （a） 70 W； （b） 80 W； （c） 90 W； （d） 100 W.

3.4 TFT器件电学性能分析

使用半导体参数仪对ZTO薄膜晶体管进行了电学性能的测试，如图7所示。在图7（b）中，漏极电流IDS随着VGS的增大而增大，表现出了良好的饱和趋势，说明TFT是以N型半导体工作。在VDS较小时，未出现“电流拥挤”现象，表明源漏电极与沟道层形成的欧姆接触良好。

图7 不同溅射功率下ZTO薄膜晶体管的（a） 转移特性曲线、IDS1/2-VGS和（b） 90 W下 输出特性曲线。Fig.7 （a） Transfer characteristic curves， IDS1/2-VGS of ZTO thin film transistor under different sputtering power，（ b） Output curves at 90 W.

器件的迁移率可以根据公式（1）算出：

其中：W和L分别为通道宽度和长度；μFE为场效应迁移率；Ci为SiO2栅绝缘层单位面积电容；VGS是栅极施加电压。采用90 W溅射功率的ZTO TFT具有最佳性能，饱和迁移率为15.61 cm2/（V·s）。

如图7（a），在转移曲线一阶偏导最大处取一切点做切线与横坐标的截距即为VTH。随着溅射功率的变化，ZTO TFTs的阈值电压和亚阈值摆幅会发生变化，亚阈值摆幅、电流开关比通过公式（2）～（3）获得：

SS的单位是V/decade。

使用公式计算可以得到TFTs的饱和迁移率、亚阈值摆幅、阈值电压和电流开关比，数据列于表2。当溅射功率增大到90 W时，ZTO TFT的饱和迁移率从7.74 cm2/（V·s）增加到15.62 cm2/（V·s），亚阈值摆幅为0.30 V/decade，电流开关比为8.92×109。恰当地增加溅射功率，可以使ZTO薄膜晶粒尺寸增加，减少晶界对载流子的散射作用，增加在ZTO TFT的迁移率［25］。但是随着溅射功率进一步增大，ZTO TFT的饱和迁移率、电流开关比逐渐减小。因为溅射功率的增大，ZTO薄膜的厚度增加，缺陷变多，载流子在运动时发生散射现象，导致TFT饱和迁移率下降，器件的电学性能降低。

表2 不同溅射功率下的电学参数Tab.2 Electrical parameters under different sputtering power

图8显示了不同溅射功率下制备的ZTO TFTs在正偏置应力（PBS）和负偏置应力（NBS）条件下的稳定性。在相同的PBS条件（VGS=10 V）下，70 W、80 W、90 W、和100 W溅射功率下制备的ZTO TFT的阈值电压位移（ΔVTH）分别为+2.78 V、+1.47 V、+0.69 V和+1.36 V。在NBS（VGS=-10V）稳定性方面，其阈值电压位移为-1.56 V、-1.26 V、-0.48 V和-0.61 V。总的来说，在90 W溅射功率下制备的ZTO TFT的稳定性最好。这可能是由于绝缘介质层内的载流子陷阱或有源层/介质层界面以及附近深间隙态的缺陷造成的。因此，可以认为VTH位移是与被捕获在界面或绝缘介质内的电荷的数量有关［26］。

图8 采用不同溅射功率制备的ZTO薄膜晶体管的偏置应力测试结果。（a）正偏置应力；（b）负偏置应力。Fig.8 The bias stress test results of ZTO thin-film transistors prepared under different sputtering powers. （a） Positive bias stress； （b） Negative bias stress.

4 结论

在285 nm SiO2/p-Si衬底上制备了氧化锌锡（ZTO）薄膜晶体管，系统地研究了溅射功率对ZTO薄膜形貌、元素组成、光学和电学性能的影响。所有的ZTO薄膜都是非晶态，薄膜表面光滑、平整。随着溅射功率增大，ZTO薄膜表面粗糙度降低，在溅射功率为100 W时粗糙度最低为0.58 nm。在200～800 nm波长范围内透光率＞90%。当溅射功率从70 W升到100 W时，器件的电学性能先升高后降低，90 W溅射功率的样品最好，具有15.61 cm2/（V·s）的饱和迁移率（μSAT）、0.57 V/decade的亚阈值摆幅（SS），阈值电压为-5.06 V，电流开关比（ION/IOFF）超过109。