Al2O3薄层修饰SiNχ绝缘层的IGZO-TFTs器件的性能研究

郭永林,梁续旭,胡守成,穆晓龄,曲加伟,王红波,赵 毅

(吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室,吉林长春 130012)

Al2O3薄层修饰SiNχ绝缘层的IGZO-TFTs器件的性能研究

郭永林,梁续旭,胡守成,穆晓龄,曲加伟,王红波*,赵 毅

(吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室,吉林长春 130012)

采用原子层沉积工艺(ALD)生长均匀致密的三氧化二铝(Al2O3)薄层对氮化硅(SiNx)绝缘层进行修饰,研究了铟镓锌氧薄膜晶体管(IGZO-TFTs)器件的性能。当Al2O3修饰层厚度为4 nm时,绝缘层-有源层界面的最大缺陷态密度相比于未修饰器件降低了17.2%,器件性能得到显著改善。场效应迁移率由1.19 cm2/ (V·s)提高到7.11 cm2/(V·s),阈值电压由39.70 V降低到25.37 V,1 h正向偏压应力下的阈值电压漂移量由2.19 V减小到1.41 V。

铟镓锌氧薄膜晶体管;三氧化二铝;氮化硅;最大缺陷态密度

1 引 言

铟镓锌氧薄膜晶体管(IGZO-TFTs)具有场效应迁移率高、沉积温度低、大面积沉积均匀性好、响应速度快、可见光范围内透过率高等特点[1-3]。2011年,韩国LG公司开发出了109 mm(4.3 in) IGZO-TFTs驱动的液晶显示面板,像素高达720× 1 280。2013年,日本夏普公司推出了IGZO-TFTs驱动的813 mm(32 in)4K2K超高清液晶显示器。2014年,我国中兴公司宣布一款采用IGZO屏幕的手机 Nubia 5S mini LTE将登陆美国市场。2015年3月10日,全球第一条8.5代金属氧化物工艺(IGZO)液晶面板生产线项目在南京中国电子熊猫集团建成投入运行。

绝缘层作为IGZO-TFTs器件的重要组成部分,是决定器件性能的一个关键因素。常见的绝缘层包括 SiNx、Al2O3、HfO2、SiO2等[4]。SiNx广泛应用于非晶硅TFT面板中,采用SiNx薄膜作为IGZO-TFTs的绝缘层,能够使其制造工艺与非晶硅TFT工艺兼容,更快实现产业化。然而,在利用磁控溅射工艺生长IGZO薄膜时,会对SiNx绝缘层造成较大的损伤,在SiNx绝缘层与IGZO薄膜之间形成较多的缺陷态,不利于高性能的IGZO-TFTs器件的制备。相比而言,利用原子层沉积工艺(ALD)生长均匀、致密的Al2O3作为绝缘层,可以有效降低磁控溅射工艺所带来的损伤,有利于形成好的绝缘层-有源层界面,但是ALD沉积速率很低,即使在200℃高温下制备200 nm Al2O3也需要10 h左右,非常不利于工业化生产。因此,本文提出利用ALD生长工艺在SiNx绝缘层上生长一层Al2O3作为修饰层来减少界面缺陷态。实验结果表明,当Al2O3修饰层厚度为4 nm 时,绝缘层-有源层界面的最大缺陷态密度相比于未修饰器件降低了17.2%,器件性能得到显著改善。

2 实 验

2.1 材料与仪器

本实验采用n型Si片为衬底兼作栅极,省略了采用玻璃衬底时ITO作为栅极的刻蚀工艺。采用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)工艺在衬底上沉积SiNx绝缘层,气源为SiH4和NH3。采用原子层沉积(ALD)工艺生长Al2O3修饰层,气源为三甲基铝(Trinethyluminium,TMA)。利用磁控溅射工艺制备有源层IGZO薄膜,IGZO靶材中各元素的量比为n(In)∶n(Ga)∶n(Zn)∶n(O)= 1∶1∶1∶4。器件的电学性能均在室温条件下采用Keithley 2400半导体参数测试系统进行测试。

2.2 实验过程

带有修饰层的底栅顶接触型IGZO-TFTs基本结构如图1所示。所制备的器件具体结构为:n-Si/SiNx(200 nm)/Al2O3(x nm)/IGZO(40 nm)/ Al(100 nm)。

图1 器件结构示意图Fig.1 Schematic structure of IGZO-TFTs

器件制备前,先将n-Si衬底分别用丙酮、乙醇、去离子水反复擦洗,再用丙酮、乙醇、去离子水分别超声10 min,放入烘箱内烘干(约10 min)。器件制备时,首先采用PECVD工艺在n-Si衬底表面生长一层200 nm厚的SiNx作为绝缘层,再利用ALD工艺在SiNx绝缘层上分别生长不同厚度的Al2O3薄层作为修饰层。然后,利用磁控溅射仪生长IGZO薄膜作为有源层,溅射时间为40 min,功率为50 W,工作气压为0.5 Pa,氩气流量为30 cm3/min。IGZO薄膜经椭偏仪测定为40 nm。将样品放入烘箱中,在大气环境下200℃退火处理1 h。最后采用掩膜的方法,蒸镀100 nm Al作为源漏电极。器件的沟道宽长比均为1 000 μm/100μm。

3 结果与讨论

3.1 Al2O3修饰层厚度对IGZO-TFTs器件性能的影响

制备了4种不同Al2O3修饰层厚度的IGZOTFTs器件。器件A、B、C、D的Al2O3层厚度分别为0,2,4,6 nm。

器件工作在饱和区(VDS≥VGS-VTH)时,源漏电流(IDS)的表达式为:

由式(1)可以推导出器件工作在饱和区时的场效应迁移率:

图2 源漏电压为30 V时,器件A(a)、B(b)、C(c)、D(d)的IDS-VGS及I1/2DS-VGS曲线。Fig.2 IDS-VGSand I1/2DS-VGScurves at30 V drain voltage of device A(a),B(b),C(c),and D(d),respectively.

图2为器件A、B、C、D在VDS=30 V时的IDSVGS及曲线。根据器件的IDS-VGS曲线可以确定器件的开关电流比;经过拟合得到器件VGS曲线中直线段的斜率K值,结合式(2)可以得到器件A、B、C、D的饱和区场效应迁移率。VGS曲线的直线段延伸出的直线与横坐标的交点为器件的阈值电压。实验制备的器件的电学性能参数如表1所示。由于实验室制备条件有限且工艺有待进一步优化,所制备的IGZO薄膜质量尚有待提高,导致器件的关态电流较高,开关比较低。

表1 器件A、B、C、D的电学性能参数Table 1 Electrical parameters of Device A,B,C,and D

由表1可知,与器件A相比,器件B、C、D的性能均有不同程度的提高,其中Al2O3修饰层厚度为4 nm的器件C性能最优,场效应迁移率由1.19 cm2·V-1·s-1增加到7.11 cm2·V-1· s-1,阈值电压由39.70 V降低到25.37 V,开关比由6.10×103增加到4.34×104。

对所制备的器件进行偏压应力测试,施加栅极和漏极复合偏压(VGS=50 V,VDS=20 V),结果如图3所示。

由图3可知,器件A、B、C、D施加栅极和漏极复合偏压(VGS=50 V,VDS=20 V)1 h后,ΔVTH分别为2.19,2.90,1.41,1.55 V。其中器件C的偏压稳定性最好,与对比器件A相比,ΔVTH的漂移由2.19 V降低到1.41 V。而器件B的阈值电压漂移却增大,这是由于SiNx薄膜与IGZO薄膜之间往往存在较大的缺陷态,如针孔效应[5]和氮化硅沉积过程中氢元素的引入[6]等,不利于制备高性能的IGZO-TFTs。但当Al2O3修饰层厚度为2 nm时,Al2O3不足以形成连续的薄膜来隔绝SiNx中氢元素对有源层的伤害和减弱溅射过程对绝缘层的伤害等,以至于形成的绝缘层-有源层界面较差,绝缘层与有源层接触界面的缺陷态较多,导致器件的阈值电压漂移较大。虽然器件D与器件A相比,性能也有所提高,但随着修饰层厚度的增加电容降低,在绝缘层与有源层界面感应的电荷量减少,栅压对于沟道的调控能力降低,导致器件性能反而有所下降,因此Al2O3修饰层的最优厚度为4 nm。

图3 直流正向偏压应力(VGS=50 V,VDS=20 V)测试下的器件A(a)、B(b)、C(c)、D(d)随时间变化的IDS-VGS曲线。Fig.3 IDS-VGScurves of device A(a),B(b),C(c),and D(d)as a function of duration time during positive bias stress.

3.2 偏压稳定性分析

当Al2O3修饰层厚度为4 nm时,器件的场效应迁移率、开关电流比最大,阈值电压和阈值电压漂移最小。接下来我们将更深入地对器件A、C进行偏压稳定性分析。图4是施加不同时间的栅极和漏极复合偏压后,器件A、C的阈值电压偏移的大小。曲线满足Lee等[7]提出的ΔVTH与时间t的拉伸指数方程:

图4 阈值电压偏移量(ΔVTH)与复合偏压时间的关系Fig.4 Time dependence ofΔVTHfor gate bias stressing

其中,VTH0表示时间为无穷大时的极限ΔVTH,其值大约为栅介质层的电压降;t是应力时间;τ和β分别为载流子特征俘获时间和延伸指数常数。

IGZO TFTs的阈值电压在正偏压条件下的退化主要有两个原因:一是载流子在正向偏栅压条件下被栅绝缘层和有源层之间的界面态捕获;二是在界面或沟道有新的缺陷态产生。对于新的缺陷态产生引起的阈值电压退化,其标志是衡量TFTs有源层与绝缘层的界面状况的重要参数亚阈值摆幅(SS)发生退化[8-12]。根据图3中施加正偏压后的转移特性曲线可以看出,器件的亚阈值摆幅没有发生明显的变化,这表明器件阈值电压的退化主要是由载流子被绝缘层-有源层界面缺陷态捕获引起的。由于IGZO-TFTs的性能和稳定性受器件中绝缘层-有源层界面缺陷态的影响[13],所以为了进一步研究器件的电学稳定性,需比较器件A、C的绝缘层-有源层界面缺陷态密度的大小。界面处的最大缺陷态密度表达式[14]如下:

其中,K为玻尔兹曼常数,T为温度,q为单位电荷量。由式(4)可以看出,为求得器件绝缘层-有源层界面缺陷态密度,需先获得器件的亚阈值摆幅。SS是指在一定的源漏电压下,源漏电流增加一个数量级所需要的栅压增量:

由图2得到器件A、C的SS值分别为8.63 V/dec 和7.17 V/dec,可见器件C由关态切换到开态电流的变化迅速,栅压对器件的调控能力更强。由式(4)可知,最大缺陷态密度大小取决于器件的SS及Ci值。器件C的亚阈值摆幅小于器件A,此外随着Al2O3修饰层的加入,器件C单位面积电容值也小于器件A的单位面积电容值。与器件A相比,器件C的SS与Ci值同时减小,所以器件C的最大缺陷态密度小于器件A。在式(4)中带入器件A、C的SS及Ci,计算得到其绝缘层-有源层的最大缺陷态密度分别约为 2.79×1012cm-2和2.31×1012cm-2。

综上可知,在SiNx绝缘层上生长4 nm厚的Al2O3修饰层可降低SiNx中氢元素对有源层的伤害以及减弱溅射过程对绝缘层的伤害,在形成较好的绝缘层-有源层界面的同时也有利于生长出高质量的IGZO薄膜。绝缘层-沟道界面缺陷态少,则在正偏压条件下(VGS=50 V,VDS=20 V),沟道内只有较少的载流子被有源层-绝缘层界面的缺陷态捕获,导致阈值电压漂移较小,从而获得稳定性好的器件。

4 结 论

采用原子层沉积工艺(ALD)生长均匀致密的三氧化二铝(Al2O3)薄层对氮化硅(SiNx)绝缘层进行修饰,可以提高铟镓锌氧薄膜晶体管(IGZO-TFTs)器件的性能。Al2O3修饰层可以降低SiNx绝缘层中氢元素对IGZO有源层的伤害,还可以减弱磁控溅射工艺生长IGZO有源层过程对绝缘层表面的伤害,有利于形成较好的绝缘层-沟道界面。其中以Al2O3厚度为4 nm的器件性能最佳,最大缺陷态密度约为2.31×1012cm-2,场效应迁移率为7.11 cm2·V-1·s-1,阈值电压为25.37 V,开关电流比为4.34×104,亚阈值摆幅为7.17 V/dec,1 h正向复合偏压应力测试下的阈值电压漂移为1.41 V。

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郭永林(1990-),女,山西代县人, 2013年于吉林大学获得学士学位,主要从事薄膜晶体管方面的研究。

E-mails:gyl200908@163.com

王红波(1969-),女,吉林长春人,副教授,硕士生导师,2012年于吉林大学获得硕士学位,主要从事有机电子器件方面的研究。

E-mails:wang_hongbo@jlu.edu.cn

Im provement of IGZO-TFTs Performance with SiNχGate Insulator Modified by Al2O3Film

GUO Yong-lin,LIANG Xu-xu,HU Shou-cheng,MU Xiao-ling, QU Jia-wei,WANG Hong-bo*,ZHAO Yi

(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,Jilin University Region,
College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China)
*Corresponding Author,E-mail:wang_hongbo@jlu.edu.cn

Top-contact thin-film transistors(TFTs)were fabricated using SiNxas the gate insulator and InGaZnO as the channel layer.The insulator wasmodified by Al2O3layer and its effect on the performance of IGZO-TFTswas investagated.The results show that TFTswith 4-nm-thick Al2O3film exhibits the bestelectrical performance.The best performance can be attributed to the suppression of maximum density of surface states at the channel-insulator interface which is reduced by 17.2% contrasting to the TFTswithout Al2O3buffer layers.The field effectmobility increases from 1.19 to 7.11 cm2/(V·s),and the threshold voltage decreases from 39.70 to 25.37 V.Under bias stress for 1 h,the threshold voltage shift decreases from 2.19 to 1.41 V/dec.

IGZO thin film transistors;Al2O3;SiNx;themaximum density of surface states

TN321+.5

:A

10.3788/fgxb20153608.0947

1000-7032(2015)08-0947-06

2015-05-18;

:2015-06-21

国家自然科学基金(61275033)资助项目