低温增强型非晶铟镓锌氧薄膜晶体管特性研究

李远洁,江凯,刘子龙

(1.西安交通大学电子与信息工程学院, 710049, 西安;2.西安交通大学固态照明工程研究中心, 710049, 西安)



低温增强型非晶铟镓锌氧薄膜晶体管特性研究

李远洁1,2,江凯1,2,刘子龙1

(1.西安交通大学电子与信息工程学院, 710049, 西安;2.西安交通大学固态照明工程研究中心, 710049, 西安)

在室温下利用射频磁控溅射沉积非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)薄膜作为有源沟道层,分别制备了顶栅和底栅结构的薄膜晶体管(a-IGZO-TFTs)原型器件,同时研究了沟道层生长参数及后退火工艺对器件特性的影响。研究及实验结果表明:当增加底栅结构a-IGZO-TFTs器件IGZO沟道层氧气流量时,器件输出特性由耗尽型转变为增强型;当沟道宽长比为120∶20时,获得了4.8×105的开关电流比,亚阈值摆幅为1.2 V/dec,饱和迁移率达到11 cm2/(V·s)。沟道层氧气流量为2 cm3/min的底栅结构a-IGZO-TFT器件在大气中经过300 ℃退火30 min后,器件由耗尽型转变为增强型,获得4×103的开关电流比。

薄膜晶体管;非晶铟镓锌氧化物;输运特性;磁控溅射沉积

未来显示技术正朝向发展基于可弯曲衬底的柔性透明显示技术,这要求作为有源显示关键驱动器件的薄膜晶体管(thin film transistor,TFT)中的沟道层具有大面积低温制备和高可见光透过率的性能。因此,目前薄膜晶体管沟道层材料已由传统非晶硅(a-Si)转向非晶态InZnO(IZO)及InGaZnO(IGZO)等氧化物半导体薄膜材料[1-3]。相比于a-Si-TFT,基于非晶氧化物半导体沟道层的IGZO-TFT具有可室温制备、高迁移率、高可见光透过率以及大面积均匀性良好等优点,推动了柔性透明显示技术的发展[4-6]。

2004年东京理工大学Nomura教授小组首次在柔性衬底上成功制备了非晶IGZO沟道层的透明TFT,获得6～9 cm2/(V·s)的饱和迁移率,已达到主流显示技术的驱动性能要求[7]。此后,Wu Hung -Chi等人报道了基于玻璃衬底的非晶IGZO-TFT,经快速退火处理之后,获得了3×106的器件开关电流比,饱和迁移率达到8.3 cm2/(V·s),亚阈值摆幅达到0.44 V/dec[8]。国内上海大学李喜峰小组对IGZO-TFT光照稳定性进行了系统研究,发现白光对IGZO-TFT器件输出特性影响很小,因而可用于透明显示驱动器件[9]。目前,基于非晶氧化物TFT器件介质层材料的选择、沟道层工艺参数及厚度控制已成为影响TFT器件稳定性的瓶颈问题[10-15],调控并优化非晶IGZO沟道层制备工艺参数,对获得性能稳定的IGZO-TFT驱动阵列具有关键和决定性的研究意义。

本文利用射频磁控溅射法在室温石英导电玻璃衬底上分别制备了以非晶IGZO作为沟道层的底栅和顶栅结构的TFT原型器件,通过系统调控IGZO沟道层制备工艺中的氧气流量、后处理退火工艺以及TFT沟道宽长比,获得了增强型IGZO-TFT器件,并分析和讨论了IGZO薄膜缺陷理论模型及对IGZO-TFT器件性能的影响机制。

1 实 验

室温下利用射频磁控溅射法在石英玻璃衬底上生长了非晶IGZO薄膜,沉积过程中IGZO靶材(成分为m(In2O3)∶m(Ga2O3)∶m(ZnO)=1∶1∶2)的溅射功率为100 W,分别制备了IGZO沟道层氧气流量从0变化到5 cm3/min的顶栅和底栅结构IGZO-TFT原型器件。

制备顶栅结构TFT时,首先采用光刻腐蚀工艺形成ITO源漏电极,然后利用电子束蒸发金属Al作为栅极电极,再利用磁控溅射沉积100 nm非晶IGZO层作为有源沟道层,接着采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法生长非晶SiO2层作为栅介电层,最后腐蚀定义出TFT器件沟道和栅结构。底栅结构TFT器件则采用Ti金属作为源漏电极。顶栅和底栅IGZO-TFT器件结构示意图如图1所示,器件的光学显微镜俯视图如图2所示。

(a)顶栅结构

(b)底栅结构图1 IGZO-TFT器件结构示意图

图2 底栅结构IGZO-TFT光学显微镜俯视图

分别采用粉末X射线衍射仪(德国Bruker D8 Advance)和霍尔效应系统(Lakeshore 7707A)对不同氧气流量下IGZO薄膜的晶体结构和电输运性能进行了表征。利用台阶轮廓仪(AMBIOS XP-2)测试薄膜厚度。采用半导体器件测试系统(Keithly 4200)表征IGZO-TFT器件的输出和转移特性曲线,测试均在室温无光照条件下进行。利用紫外可见光分光光度计(SHIMADZU U3600)测量IGZO-TFT器件在可见光范围内的光透过率。

2 结果与讨论

2.1 氧气流量对顶栅IGZO-TFT器件性能的影响

图3所示为X射线衍射测试结果,在不同氧气流量下制备的IGZO薄膜在2θ为32°附近均呈现出宽衍射峰包,因此当氧气流量变化时,均获得了非晶结构的IGZO薄膜。Hosono等人研究报道了In2O3-Ga2O3-ZnO材料体系中,当In、Ga、Zn三者的原子比为1∶1∶1时,三元氧化物IGZO呈现非晶结构[16]。本文研究发现,IGZO薄膜的非晶结构只与其元素化学组成有关,而与制备过程中的工艺参数无关。

图3 不同氧气流量下IGZO薄膜的X射线衍射谱

表1 不同氧气流量下非晶IGZO薄膜的电输运性能

在研究非晶IGZO薄膜性能的基础之上,本文制备了不同氧气流量下以非晶IGZO作为沟道层的顶栅和底栅TFT器件。图4a和4b分别是氧气流量为0和5 cm3/min时顶栅结构TFT器件的输入输出曲线。由图4可见:随着IGZO沟道层生长过程中氧气流量的增加,器件的栅极电压Vgs=0时的源漏电流Ids降低;随着氧气流量的增加,IGZO薄膜中作为电子施主的氧空位缺陷浓度降低,从而造成沟道层中载流子浓度降低,导致TFT源漏电流下降,并表现为更好的栅控特性和输入饱和特性。

(a)没有通入氧气

(b)氧气流量为5 cm3/min图4 不同氧气流量对顶栅IGZO-TFT器件输出特性的影响

2.2 氧气流量对底栅IGZO-TFT器件性能的影响

图5a和5b分别为溅射过程中氧气流量分别为2和5 cm3/min时的底栅IGZO-TFT输入输出特性曲线,金属Ti为源漏电极。测试结果表明,随着IGZO沟道层溅射过程中氧气流量的增加,源漏电流Ids的饱和性增强,当氧气流量达到5 cm3/min时,器件显示了良好的饱和特性。当沟道层氧气流量增加时,沟道层中氧空位缺陷浓度降低,导致IGZO沟道中电子浓度减少,使TFT器件沟道层电流降低。因此,控制IGZO沟道层生长时的氧气流量是调控TFT器件沟道层载流子浓度和源漏电流的有效方法,是获得具有良好IGZO-TFT器件输出特性的的关键工艺。

(a)氧气流量为2 cm3/min

(b)氧气流量为5 cm3/min图5 不同氧气流量对底栅IGZO沟道TFT输出特性的影响(沟道宽长比为120 μm∶20 μm)

图6 氧气流量为5 cm3/min时底栅IGZO-TFT的转移特性曲线

(1)

(2)

式中:S为亚阈值摆幅。

表2所示为氧气流量为5 cm3/min时不同沟道宽长比的底栅IGZO-TFT器件特性参数。根据式(1)计算获得TFT器件饱和迁移率最大值为19 cm2/(V·s),高于IGZO薄膜的载流子迁移率5～12 cm2/(V·s)。由于IGZO沟道层导通后的边缘场效应,沟道电力线向周围扩展,导致TFT器件的有效沟道宽度Weff大于沟道图形设计宽度W,Okamura等人研究发现,当增加氧化物TFT器件沟道宽长比时,TFT器件沟道的有效宽度更趋近于沟道图形设计宽度[19]。因此,由式(1)计算获得的器件饱和迁移率要高于实际值。我们根据该模型对IGZO-TFT器件的饱和迁移率进行了修正,修正后的饱和迁移率为10～11 cm2/(V·s),接近于非晶IGZO的实际霍尔迁移率。

表2 氧气流量为5 cm3/min时IGZO-TFT的 电学特性参数

2.3 退火对器件性能的影响

本文还研究了后退火工艺对IGZO薄膜以及IGZO-TFT器件特性的影响。前期研究结果表明,IGZO薄膜经过不同温度下的退火处理未改变IGZO的非晶结构[20]。图7为沟道层氧气流量为2 cm3/min时的IGZO-TFT在300 ℃大气下退火30 min后的输入输出曲线。经过大气退火后,IGZO-TFT器件由耗尽型转变为增强型,具有良好的栅控和饱和特性,开关电流比达到103,饱和载流子迁移率为1.66 cm2/(V·s)。后退火工艺有效地降低了IGZO沟道中的氧空位浓度,从而降低了沟道层载流子浓度。

图7 氧气流量为2 cm3/min时的IGZO-TFT退火后输出曲线

3 结 论

在室温下玻璃衬底上制备了以非晶IGZO作为沟道层的顶栅和底栅结构IGZO-TFT器件,通过研究IGZO沟道层沉积过程中氧气流量对器件特性的影响,我们发现随着氧气流量的增加,IGZO-TFT器件由耗尽型转变为增强型。当氧气流量为5 cm3/min时,开关电流比为4.8×105,亚阈值摆幅最低为1.2 V/dec,阈值电压为6.8 V的器件特性。器件饱和迁移率经过对沟道有效宽度的修正后为10～11 cm2/(V·s)。此外,我们还研究了低温退火工艺对IGZO-TFT器件性能的影响,300 ℃大气退火后IGZO-TFT器件由耗尽型转变为增强型。研究表明,通过调控IGZO沟道层沉积时氧气流量而控制沟道载流子浓度是获得良好饱和特性增强型IGZO-TFT器件的关键因素。

致谢 感谢西安交通大学微电子系张国和副教授参与本文工作的讨论;感谢西安交通大学物理电子与器件教育部重点实验室提供磁控溅射和探针台TFT器件测试条件。

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(编辑 刘杨)

Characteristics Study of Low Temperature Enhanced Amorphous InGaZnO Thin Film Transistors

LI Yuanjie1,2,JIANG Kai1,2,LIU Zilong1

(1. School of Electronics and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Center of Solid State Lighting Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Transistors with top bottom-gate thin films and a-IGZO as the active channel layers (a-IGZO-TFTs) are developed by using magnetron sputtering deposition at room temperature. The characteristics of the a-IGZO-TFTs are investigated with regard to oxygen flow rate and post-annealing process. The output characteristics of the bottom-gate a-IGZO-TFTs convert from depletion to enhancement when the oxygen flow rate increases during deposition of the a-IGZO active layer. The a-IGZO-TFTs with a channel width/length ratio of 120∶20 show good electrical properties with an on/off current ratio of 4.8×105, a subthreshold swing of 1.21 V/dec and a saturation mobility of 11 cm2/(V·s). After the a-IGZO-TFTs with active layer deposited at 2 cm3/min oxygen flow rate are annealed at 300 ℃ in air for 30 min, the devices show good enhancement characteristics with on/off current ratio of 4×103.

thin film transistors; amorphous indium gallium zinc oxide; transport properties; magnetron sputtering deposition

2015-04-23。

李远洁(1974—),女,副教授,博士生导师。

国家自然科学基金资助项目(10904121);陕西省自然科学基金资助项目(2015JM6281);教育部回国留学人员启动基金资助项目(10回国基金11)。

时间:2015-10-03

10.7652/xjtuxb201512001

TN321.5

A

0253-987X(2015)12-0001-05

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151003.1919.006.html