有源层厚度对氧化铟镓锌薄膜晶体管性能的影响

吴 捷，门传玲

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200082）



有源层厚度对氧化铟镓锌薄膜晶体管性能的影响

吴 捷，门传玲

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200082）

摘要:使用磁控溅射法制备了IGZO-TFT，研究有源层厚度对其电学性能的影响。实验结果表明，器件的阈值电压和开关比会随着有源层厚度的增大而减小，而器件的亚阈值摆幅和饱和迁移率则会随有源层厚度的增大而增大。此外，还研究了有源层厚度对器件偏压稳定性的影响。有源层厚度越大的器件，其阈值电压漂移也会越大。这主要与半导体层中所增加的缺陷态密度有关。

关键词:氧化铟镓锌；薄膜晶体管；有源层厚度；迁移率；氧空位；稳定性

吴捷（1991－），男，浙江温州人，研究生，研究方向为IGZO-TFT的工艺与制备，E-mail:wujiecn@foxmail.com 。

网络出版时间：2016-05-31 11:09:35 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.012.html

薄膜晶体管（TFT）是一种用于有源矩阵显示器的开关器件。传统的TFT都是使用非晶硅作为有源层材料，虽然其工艺简单，但是却有着迁移率低、稳定性差、漏电流大、不透光等缺点，已经不能满足当前的需求。后来，研究人员又开发出了低温多晶硅的工艺。虽然低温多晶硅TFT迁移率高、漏电流小、稳定性好，但却存在着工艺复杂，成本较高，大面积制备时均匀性差等缺点[1]。

近年来，非晶氧化物半导体（AOS）作为一种非常具有应用前景的电学材料而备受关注。它最大的一个特点是可以在低温下制备，并且制备出的薄膜表面粗糙度低，具有较高的透光性[1]。在这类材料中，尤其以氧化铟镓锌（IGZO）最受瞩目。自2004年东京工业大学Hosono课题组成功制备出以IGZO为有源层材料的TFT后[2]，IGZO-TFT得到了业界和研究人员的广泛关注。IGZO是一种n型半导体，带隙在3.5 eV左右。其组分中的In3+可以形成5 s电子轨道，有利于载流子的高速传输；Ga的掺入所形成的Ga—O键远远强于Zn—O键和In—O键，可抑制氧空位的形成；Zn2+则可形成稳定的四面体结构，保证IGZO可以形成稳定的非晶态结构。此外，由于其导带是由金属阳离子的球形s轨道组成的，它们与邻近金属离子的s轨道相互重叠，电子的传输轨道并不受结构的有序性影响，因此即使在非晶态下也有很高的迁移率[3]，在大面积制备时能保持很好的均匀性。目前，已有许多研究报道了不同实验条件[4-6]和制备方法[7]对IGZO-TFT的影响。

本文采用磁控溅射法制备IGZO-TFT，研究不同的有源层厚度对IGZO-TFT迁移率、阈值电压、亚阈值摆幅、开关比和偏压稳定性的影响，并从氧空位和氧吸附的角度分析有源层厚度的不同对器件的电学性能和稳定性所产生的影响。

1　 实验

本实验中IGZO-TFT器件使用的是传统的底栅顶接触结构。使用n型重掺杂Si片作为器件的衬底，并同时作为器件的栅电极。硅片上有一层300 nm的热氧化SiO2，作为器件的绝缘层。IGZO有源层使用中科院沈阳科学仪器有限公司生产的FJL560型磁控溅射仪制备，所用的靶材为IGZO陶瓷靶（摩尔比（In:Ga:Zn）=2:2:1），直径为60mm，溅射气体为纯氩气，体积流量为20 sccm，溅射功率密度为1.77 W/cm2。最后再使用掩膜板，溅射一层ITO作为器件的源漏电极，其沟道的宽度和长度分别为400和150 nm。根据溅射时间的不同分别制备了IGZO厚度为17，34，68，102 nm的TFT。使用Bruker DektakXT台阶仪表征薄膜的厚度；使用Keithley 4200scs半导体测试仪对器件进行电学性能测试。

2　 结果与讨论

2.1 电学性能分析

如图1所示为不同有源层厚度的IGZO-TFT的转移特性曲线（VGS表示栅电压，IDS表示漏源电流），测试时，漏源电压为20 V，栅电压扫描范围为–15～+40 V。从图中可以很明显地分辨出关态区和开态区，说明栅电压对TFT的开关态有较好的调控作用。

图1 不同有源层厚度IGZO-TFT的转移特性曲线Fig1 Transfer characteristic of IGZO-TFT with different active layer thicknesses

在TFT的转移特性曲线中，当VGS≤Voff（关态电压）时，TFT处于截止区，此时沟道中的电流为漏电流，即关态电流；当Voff＜VGS＜VTH（VTH表示阈值电压）时，TFT处于亚阈值区；当VDS＞VGS–VTH时，TFT进入饱和工作区，此时TFT中的电流和电压满足以下关系[8]：

式中：μ表示迁移率；W表示沟道宽度；L表示沟道长度；Ci表示绝缘层单位面积的电容。

TFT的电学特性主要由四个参数来表征，分别为迁移率、阈值电压、开关比和亚阈值摆幅。由上式可以得到：

根据图2所示的不同有源层厚度IGZO-TFT的IDS1/2-VGS曲线，做直线部分的延长线，求出该延长线的斜率和与X轴的焦点，可得到TFT的阈值电压和饱和迁移率[8]。

图2 不同有源层厚度IGZO-TFT的IDS1/2-VGS曲线Fig2 IDS1/2-VGScurves of IGZO-TFT with different active layer thicknesses

阈值电压是指使源漏电极间形成导电沟道所需要的栅电压，即表示TFT处于开启状态时所需的最小栅电压。

迁移率是指载流子在单位电场下的漂移速度，是TFT最重要的性能参数之一。用K表示IDS1/2-VGS曲线直线部分的斜率，则迁移率的计算公式为：

开关比被定义为开态电流和关态电流的比值，它反映了器件开启和关闭的能力。开态电流越大，器件的驱动能力越强；关态电流越小，器件的漏电流则越小。

亚阈值摆幅是指在亚阈值区，源漏电流增加一个数量级所需要增加的栅电压，计算公式为：

它可以反映TFT从关态到开态的变化速度，亚阈值摆幅越小，TFT在开态和关态之间变化得就越快，栅电压对TFT的调控能力越强。除此之外，SS值的大小还反映了TFT的绝缘层/半导体层界面缺陷以及半导体层内缺陷的多少，它们间的关系如下所示[9]：式中：k表示玻尔兹曼常数；T表示热力学温度；q表示电荷常数；e表示自然底数；εS表示半导体层的相对介电常数；NBS表示半导体内部的缺陷密度；NSS表示绝缘层/半导体层界面的缺陷密度。

表1为不同有源层厚度IGZO-TFT的性能参数。从计算结果可以看出，随着有源层厚度从17 nm增加到68 nm，SS值也从0.93 V/dec增加到2.33 V/dec，表明随着有源层厚度的增加，TFT中的缺陷也在不断增加。由于在制备IGZO时，除了沉积时间不同，其余实验条件都一致，因此绝缘层/半导体层界面状况不会有太大变化，即NSS不受有源层厚度的影响，而半导体层内部的缺陷NBS会随着沉积厚度的增加而增加，使得TFT从关态转换到开态的过程中，在沟道中积累的部分电子被缺陷俘获，IDS增长变慢，最终导致SS值的增大[10]。

表1 不同有源层厚度IGZO-TFT的性能参数Tab.1 Electrical properties of IGZO-TFT with different active layer thicknesses

随着有源层厚度的增大，TFT的开关比在不断减小，这主要与关态漏电流的增大有关。薄膜的厚度越小，其电阻率越大，因此对于IGZO分别为17 和34 nm的TFT，其厚度越小，电阻率越大，关态漏电流越小。此外，半导体层中的缺陷也会给漏电流提供一个传输通道[11]，使得在IGZO更厚的TFT中，有更大的漏电流，最终导致其开关比的减小。

从表1的数据中可看出，随着IGZO厚度的增加，VTH不断减小。通常来说，VTH的减小与沟道中的载流子浓度大小有关。在IGZO中，其缺陷的形式共有以下几种，分别为In、Ga、Zn等金属阳离子形成的缺陷以及由氧的脱离而形成的空位缺陷。根据密度泛函理论的计算[12]，在这几种缺陷中，形成氧空位所需的能量是最小的，因此在IGZO层中会有大量的氧空位。而每形成一个浅施主能级的氧空位时，会同时产生两个自由电子[13]：

在IGZO厚度更大的TFT中，缺陷更多，其自由电子也越多，可以在更小的栅电压下形成导电沟道，因此VTH也更小。

半导体层中载流子浓度大小对于TFT有着较大的影响，载流子浓度越大，迁移率也越大[14]。从表1中的计算结果可以看出，随着IGZO厚度的增大，TFT的迁移率也在不断增大，这是因为厚度大的IGZO中氧空位也更多，会产生更多的自由电子，因而迁移率也更大。此外，由于本实验中制备的TFT没有钝化保护层，其背沟道表面直接裸露于空气中，因此临近背沟道表面的部分会受环境中氧的影响，发生吸附反应[15]：

导致该区域内载流子浓度的降低。由于氧的吸附反应只发生在背沟道表面附近区域，对于IGZO厚度较大的TFT，其载流子浓度受其影响较小，因此对于17和34 nm的TFT来说，厚度小，受到的影响就会更大，迁移率也更小。此外对于厚度较小的TFT，其电子传输轨道更接近绝缘层/半导体层界面和背沟道表面，在载流子传输过程中，更易发生晶界散射，导致载流子迁移率的降低[16]。

2.2 栅偏压稳定性分析

为了研究有源层厚度对IGZO-TFT稳定性的影响，还对TFT做了栅极正偏压下的稳定性测试，测试在无光照的环境中进行，栅偏压为20 V，漏源电压为10 V，偏压时间分别为300，600，1200，1 800 s，每经过一段偏压时间扫描一次转移特性曲线，其测试结果如图3所示。从图中可以看出，在经过一段时间的栅极正偏压应力之后，其转移特性曲线都出现了正向的漂移。通常认为产生这一现象的原因主要是半导体层中的自由电子被绝缘层/半导体层界面的缺陷和半导体层内部的缺陷所捕获[17]，因而需要施加更大的栅电压产生导电沟道。同时，被捕获的电子会产生一个内建电场，使栅电压在沟道中的有效电场变小，导致阈值电压的增大[18]。

在IGZO中，氧空位除了会形成浅施主能级态提供自由电子外，还会因为周围阳离子结构的不同形成深能级陷阱[12]，捕获半导体层中的电子。由计算可以得出，经过1 800 s的偏压测试后，随着有源层厚度的增加，ΔVTH也在不断增大，分别为5.33，7.12，10.24，15.45 V，而从图3中可以看出，各曲线的SS值并未发生显著变化，说明在栅偏压应力测试过程中并未生成新的缺陷。有源层厚度越小的TFT，其内部的缺陷少，对自由电子的捕获越少，因此对阈值电压的影响更小，ΔVTH的变化也越小；而有源层厚度较大的TFT，其内部有着较多的缺陷，会捕获更多的自由电子，导致更大的阈值电压漂移，器件的偏压稳定性也越差。

图3 栅极正偏压下IGZO-TFT转移特性曲线的变化Fig3 Transfer characteristic curves of IGZO-TFT under positive bias stress test with active layer thickness of (a)17nm, (b)34nm, (c)68nm and (d)102nm

3　 结论

IGZO-TFT性能的好坏，对其应用有着极其重要的影响。本文使用磁控溅射法制备了有源层厚度分别为17，34，68，102 nm的IGZO-TFT，研究了有源层厚度对器件的电学性能和稳定性的影响。IGZO厚度从17 nm增大到102 nm时，器件的迁移率从4.97cm2/(V·s)增大到13.8cm2/(V·s)，亚阈值摆幅从0.93 V/dec增大到4.54 V/dec，阈值电压从14.3 V减小到3.3 V，开关比从8.1×107减小到2.4×106。这主要与半导体中缺陷态密度的增加有关。当IGZO的厚度随着沉积时间增长的时候，其内部的缺陷也会越多，在这些缺陷中有一部分会形成浅施主能级的氧空位，提供大量的自由电子，降低沟道的电阻率，提高器件的迁移率，减小阈值电压，同时还会增大关态电流；还有一部分则会形成深能级缺陷，捕获沟道中移动的自由电子，导致亚阈值摆幅的增大。同时这些缺陷也会影响器件的稳定性，缺陷越多，在经过长时间的栅极正偏压应力之后，会捕获沟道中的电子，并形成一个内建电场抵消栅电压的作用，导致了器件发生阈值电压的漂移。因此，除了溅射功率、温度、压强、氧分压等工艺条件外，有源层的厚度也会影响TFT的各方面性能，应该合理选择和确定有源层的厚度，以获得更好的电学性能和稳定性。

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（编辑：陈丰）

Effect of active layer thickness on the performance of IGZO thin-film-transistors

WU Jie, MEN Chuanlin
(Scool of Energy＆amp;Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200082, China)

Abstract:IGZO-TFTs with different active layer thicknesses were prepared using magnetron sputtering method. It is observed that with the increasing of active layer thickness, the threshold voltage and on/off ratio decrease, while the subthreshold swing and mobility keep an upward tendency. The variation of threshold voltage shift was studied additionally. The results indicate that the enhancement of active layer thickness has a negative impact on the device stability. It is considered as the consequence of growing trap state density in the semiconductor resulting from the increment of active layer thickness.

Key words:IGZO; thin-film-transistors; active layer thickness; mobility; oxygen vacancies; stability

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.009

中图分类号:TN321

文献标识码:A

文章编号:1001-2028（2016）06-0044-04

收稿日期：2016-03-21 通讯作者：门传玲

基金项目：上海市自然科学基金项目资助（No. 13ZR1428200）；上海理工大学国家级项目培育基金资助（No. 14XPM06）

作者简介：门传玲（1970－），女，安徽长丰人，副教授，博士，主要从事功能材料的制备与应用的研究；