非晶镁铟锡氧薄膜晶体管的制备及退火对其性能的影响

王 韬， 张希清(北京交通大学 光电子技术研究所， 北京 100044)

非晶镁铟锡氧薄膜晶体管的制备及退火对其性能的影响

王 韬， 张希清*
(北京交通大学 光电子技术研究所， 北京 100044)

为了优化镁铟锡氧薄膜晶体管(MITO-TFT)的性能，采用磁控溅射法制备MITO-TFT并分别研究了退火温度和退火气氛(O2流量)对器件性能的影响。实验结果表明，O2流量为400 cm3/min、退火温度为750 ℃的MITO薄膜为非晶态，且其对应薄膜晶体管有最佳性能，其饱和迁移率为12.66 cm2/(V·s)，阈值电压为0.8 V，开关比达到107。适当的退火处理可以有效减少缺陷与界面态密度，并提高器件性能。

MITO-TFT； 氧化物半导体； 迁移率； 退火温度； 退火氧气流量

1 引 言

近年来，以氧化锌(ZnO)及其二元、三元衍生物如铟锌氧(IZO)、锌锡氧(ZTO)、锌铟锡氧(ZITO)、铟镓锌氧(IGZO)等为代表的氧化物薄膜晶体管(TFT)受到了研究人员的广泛关注[1-11]。氧化物晶体管具有较高的迁移率、可见光透明、均匀性好等优点，使其在新型显示技术中展现出巨大的应用潜力。但是ZnO存在如氧空位(Vo)、锌填隙(Zni)等本征缺陷，且其在常温下为多晶态，这影响了ZnO-TFT的稳定性。考虑到氧化镁(MgO)相比ZnO具有更大的禁带宽度(MgO：7.8eV，ZnO：3.4eV)，更强的M—O键能(393.7kJ/mol)[12]，因此本文尝试以MgO为有源层的主要材料制备氧化物TFT器件。目前已有将少量MgO掺杂入ZnO、In2O3制成TFT有源层的报道，以抑制本征缺陷的形成，提高器件稳定性[13-17]。另一方面，由于MgO优良的绝缘性和致密性，也有研究者将MgO作为TFT的绝缘层或惰性层[18-22]。然而截至目前，将MgO作为TFT有源层主要材料的报道尚属空白。考虑到MgO较低的导电性能和载流子浓度，本文将一定比例的In2O3、SnO2混入MgO。In2O3与SnO2是典型的宽禁带半导体且其金属离子符合细野秀雄[23-24]提出的对于氧化物半导体金属离子的核外电子排布要求((n-1)d10ns0(n≥4))。

本文使用磁控溅射法制备了Mg-In-Sn-O(MITO)TFT，并通过对有源层的退火处理优化器件性能。实验结果表明，当MITO薄膜在400cm3/min的O2气体保护下750℃退火后得到的器件性能最佳。

2 实验方法

底栅交叠型MITO-TFT的基本结构如图1所示。本文采用单面热氧化的重掺杂p-Si作为衬底，SiO2层厚度为300nm。在制备有源层前，将圆形硅片切割分离成尺寸约为1.5cm×1.5cm的衬底，然后分别使用丙酮、无水乙醇、去离子水清洁衬底表面杂质，用高纯氮气吹干备用。MITO有源层的沉积使用Alliance Line420磁控溅射设备，选用MgO-In2O3-SnO2混合烧结的陶瓷靶，其中各组分的量比为n(MgO)∶n(In2O3)∶n(SnO2)=80%∶16%∶4%。将衬底与靶材置入溅射腔体后，抽真空至2×10-3Pa，再通入流量为30cm3/min的氩气(Ar)为工作气体，开始起辉溅射，溅射过程中工作气压为2×10-2Pa，溅射功率为100W。在正式沉积有源层之前，先进行500s预溅射以去除靶材存放时表面吸附的杂质。通过调整溅射时间控制有源层薄膜厚度，有源层厚度为25nm。有源层制备完成后，将其置入石英管，通入高纯O230min以排除管中空气。在O2气氛保护下，退火30min。将石英管从管式炉中取出，继续通入O2直至样品冷却至室温后取出样品。为研究退火保护气氛对器件性能的影响，分别调节氧气流量为0，200，400，600cm3/min。为研究退火温度对器件性能的影响，设定退火温度分别为650，700，750，800，850℃。Al源/漏电极使用厚度为0.1mm的不锈钢掩模版以热蒸发的方式制备，同样采取热蒸发法在Si衬底背面制备Al栅电极。Al电极厚度约为200nm。TFT的沟道长为50μm，宽长比W/L=1。

图1 MITO-TFT截面结构示意图

器件制备完成后，在室温大气遮蔽光照的条件下，使用Keithley SCS-4200半导体特性分析系统对器件电学性能进行测试，使用Bruker D8Focus X射线衍射(XRD)设备对薄膜晶体结构进行研究(Cu Kα波长)。

3 实验结果与讨论

3.1退火温度对MITO-TFT性能的影响

将退火时的O2流量设置为400cm3/min。图2(a)给出了750℃退火器件的输出特性曲线。其中栅极电压(VGS)扫描范围为0～50V，步长为10V；源漏电压(VDS)测量范围为0～80V。由图2(a)可以看出，750℃退火的MITO-TFT表现出典型的n沟道场效应晶体管的特性，且能在较大VDS下表现出较好的饱和特性。图2(b)～(f)分别给出了MITO薄膜经过650，700，750，800，850℃退火后其对应薄膜晶体管的转移特性曲线，VGS的扫描范围为-3～100V，VDS为40V。表1给出了MITO-TFT的各项电学性能参数随退火温度的变化情况。其中器件的饱和迁移率(μSAT)和阈值电压(VTH)是由器件的转移特性曲线经线性拟合得到的，其表达式为:

(1)

这里IDS为源漏电流，Ci为绝缘层单位面积电容，W和L分别为沟道宽和长。当退火温度由650℃上升到750℃时，器件的阈值电压由22V下降到0.8V，μSAT由1.79cm2/(V·s)增加到12.66cm2/(V·s)，开关比由1.40×106增加至1.99×107，亚阈值摆幅(KSS)由2.88V/dec下降到1.85V/dec。以上变化表明，当退火温度由650℃上升到750℃时，器件性能整体变好。当退火温度进一步上升到850℃时，阈值电压由0.8V上升到32.8V，迁移率下降到0.31cm2/(V·s)，开关比(Ion/Ioff)下降到1.85×105，亚阈值摆幅由1.85V/dec上升到2.65V/dec，器件性能明显下降。

为了进一步研究退火温度对器件性能影响的机理，本文对各退火温度下的MITO薄膜进行了XRD测试。图3为各退火温度下MITO薄膜的XRD图谱，其中未退火的MITO薄膜作为对照组参与测试。由图中可以明显看出，当退火温度低于750℃时，并没有明显的衍射峰出现 (位于2θ=23°附近的波包来自测试样品的石英衬底)，MITO薄膜在低于750℃的退火处理下依然保持非晶态。根据先前的报道，In-Sn-O薄膜的结晶温度大约为180～230℃(与制备条件及薄膜组分有关)，这说明MgO抑制了In-Sn-O的结晶趋势，此时退火处理并未改变薄膜的结构，因而器件性能的提升主要来自于退火处理减少了有源层与SiO2绝缘层界面的缺陷态密度并提高了薄膜质量。有源层/绝缘层的最大界面态密度可表示为以下关系[25]：

(2)

图2750℃退火的MITO-TFT的输出特性曲线(a)以及650℃(b)、700℃(c)、750℃(d)、800℃(e)、850℃(f)下退火的MITO-TFT的转移特性曲线。

Fig.2Output characteristics of MITO-TFT annealed at750℃(a) and transfer characteristics of MITO-TFTs annealed at650℃(b)，700℃(c)，750℃(d)，800℃(e)，850℃(f), respectively.

式中，k为波尔兹曼常数；T为热力学温度；q为单位电荷量；KSS为亚阈值摆幅，代表IDS增加一个数量级时VGS的变化速率，表示为：

(3)

经过计算，650，700，750℃退火下器件最大界面态密度Nt分别为3.4×1012，3.1×1012，2.2×1012cm-2，可见当退火温度从650℃提高到750℃时，界面态密度减小，载流子受到的散射减弱，且更容易积累形成导电沟道，因此器件的迁移率升高，阈值电压降低。而当退火温度提高到850℃时，可以明显看出MITO薄膜的XRD图谱存在多个衍射峰，其中2θ=21.3°，31.0°，235.9°的衍射峰分别对应立方In2O3的(211)、(222)和(400)晶向，这说明MITO薄膜由非晶态转变为多晶态。

表1 不同退火温度下MITO-TFT的性能参数

图3 未退火及不同温度退火MITO薄膜的XRD图谱

Fig.3 XRD patterns of MITO thin film as-deposited and annealed at different temperature

理论上，晶态半导体迁移率高于非晶态，但是器件性能在850 ℃退火下大幅度下降，这似乎与常识矛盾。一种可能的解释是对于In2O3来说，其载流子传输通路由In离子的5s轨道形成，由于其5s轨道的球对称性使其迁移率对结晶性不敏感，因此非晶态下仍能保持较高迁移率，而过高温度退火处理会使薄膜产生大量的结构缺陷，反而使薄膜质量变差，载流子受到更多散射，因此器件迁移率降低，阈值电压增大。

3.2 退火气氛对MITO-TFT性能的影响

由于在退火过程中金属氧化物半导体如ZnO、In2O3等易发生氧元素逸出导致氧空位缺陷，因此在退火过程中提供适当的保护气体是必不可少的。适当的保护气体可以减少退火产生的结构缺陷，保持器件性能。本节使用高纯O2作为MITO薄膜退火过程中的保护气体，着重研究了保护O2流量对器件性能的影响，根据上节讨论结果，本节中退火温度均设置为750 ℃。

图4 不同O2流量下退火的MITO-TFT的转移特性曲线

Fig.4 Transfer characteristics of MITO-TFTs annealed with different O2flow rate

图4分别给出了MITO薄膜在O2流量为0，200，400，600 cm3/min下退火的薄膜晶体管的转移特性曲线。其中0 cm3/min代表退火时未通入任何保护气体，薄膜直接在大气环境中进行退火。未通入O2的器件其饱和迁移率为0.46 cm2/(V·s)，阈值电压为39.2 V，开关比为2.64×104。器件迁移率很低且Ioff较大，造成这种现象的原因有可能是背沟道(即有源层靠近大气一侧)发生了氧元素的逸出，产生了大量氧空位。这说明在空气中直接退火会削弱退火处理对薄膜缺陷的消除作用[26]。当O2流量从200 cm3/min增加到400 cm3/min时，器件的迁移率从8.97 cm2/(V·s)提高到了12.66 cm2/(V·s)，阈值电压从11.6 V减小到0.8 V，开关比从8.89×105提高到1.99×107，Ioff从3.78×10-10下降到2.98×10-11。以上变化说明随着流量的增加，O2对薄膜的保护作用增强，尤其是有效抑制了氧空位的生成。进一步加大O2流量到600 cm3/min后，器件的饱和迁移率下降到8.43 cm2/(V·s)，阈值电压增大到16.2V，Ion和Ioff均有一定程度减小因而开关比变化不大。造成以上变化的可能原因是过量的O2流量使得薄膜中产生氧原子填隙(Oi)等缺陷，导致器件性能降低[27]。

表2 不同退火O2流量下MITO-TFT的器件参数

4 结 论

本文使用磁控溅射制备了MITO-TFT并分别研究了退火温度和退火O2流量对MITO-TFT性能的影响。结果表明，当退火温度为750 ℃、O2流量为400 cm3/min时，器件性能最佳。当退火温度由650 ℃升高到750 ℃时，器件性能尤其是迁移率指标明显提高，说明适当的退火温度可以有效减少界面态密度并提高成膜质量；当进一步升高退火温度到850 ℃时，器件性能大幅下降，这主要是因为薄膜从非晶态转变为多晶态，晶界的出现使得载流子的散射变强。在空气中退火得到的器件性能较差，可能的原因是氧元素逸出导致氧空位变多。O2流量在400 cm3/min时器件性能最好，继续增大O2流量会导致有效退火温度降低，造成器件性能下降。值得注意的是，由于MITO-TFT需要较高的退火温度，因此现阶段的MITO-TFT并不能很好地应用于平板显示领域。其制备条件与组分比例仍需进一步优化以满足实际应用需要。

[1] OBA F, NISHITANI S R, ISOTANI S,etal.. Energetics of native defects in ZnO [J].J.Appl.Phys., 2001, 90(2):824-828.

[2] YABUTA H, SANO M, ABE K,etal.. High-mobility thin-film transistor with amorphous InGaZnO4channel fabricated by room temperature rf-magnetron sputtering [J].Appl.Phys.Lett., 2006, 89(11):112123.

[3] NOMURA K, KAMIYA T, OHTA H,etal.. Local coordination structure and electronic structure of the large electron mobility amorphous oxide semiconductor In-Ga-Zn-O: experiment andabinitiocalculations [J].Phys.Rev. B, 2007, 75(3):035212.

[4] FORTUNATO E, BARQUINHA P, PIMENTEL A,etal.. Amorphous IZO TTFTs with saturation mobilities exceeding 100 cm2/Vs [J].Phys.Stat.Sol. (RRL), 2007, 1(1):R34-R36.

[5] HSIEH H H, KAMIYA T, NOMURA K,etal.. Modeling of amorphous InGaZnO4thin film transistors and their subgap density of states [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 92(13):133503

[6] ERSLEV P T, CHIANG H Q, HONG D,etal.. Electronic properties of amorphous zinc tin oxide films by junction capacitance methods [J].J.Non-cryst.Solids, 2008, 354(19):2801-2804.

[7] CHIANG H Q, MCFARLANE B R, HONG D,etal.. Processing effects on the stability of amorphous indium gallium zinc oxide thin-film transistors [J].J.Non-cryst.Solids, 2008, 354(19):2826-2830.

[8] RYU M K, YANG S, PARK S H K,etal.. High performance thin film transistor with cosputtered amorphous Zn-In-Sn-O channel: combinatorial approach [J].Appl.Phys.Lett., 2009, 95(7):072104.

[9] CHEN A H, CAO H T, ZHANG H Z,etal.. Influence of the channel layer thickness on electrical properties of indium zinc oxide thin-film transistor [J].Microelectron.Eng., 2010, 87(10):2019-2023.

[10] 吴崎, 许玲, 董承远. 非晶铟镓锌氧薄膜晶体管银/钛源漏电极的研究 [J]. 液晶与显示, 2016, 31(4):375-379.

WU Q, XU L, DONG C Y. Ag/Ti source/drain electrodes for amorphous InGaZnO thin flim transistors [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2016, 31(4):375-379. (in Chinese)

[11] 苟昌华, 武明珠, 郭永林, 等. 未退火InGaZnO作为缓冲层的InGaZnO薄膜晶体管性能研究 [J]. 液晶与显示, 2015, 30(4):602-607.

GOU C H, WU M Z, GUO Y L,etal.. Effects of using InGaZnO without annealing as buffer layer on the performance of InGaZnO thin film transistors [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2015, 30(4):602-607. (in Chinese)

[12] HAYNES W M.CRCHandbookofChemistryandPhysics[M]. Boca Raton: CRC Press, 2014.

[13] KU C J, REYES P, DUAN Z,etal.. MgxZn1-xO thin-film transistor-based UV photodetector with enhanced photoresponse [J].J.Electron.Mater., 2015, 44(10):3471-3476.

[14] KIM G H, JEONG W H, DUAHN B,etal.. Investigation of the effects of Mg incorporation into InZnO for high-performance and high-stability solution-processed thin film transistors [J].Appl.Phys.Lett., 2010, 96(16):163506.

[15] KU C J, DUAN Z, REYES P I,etal.. Effects of Mg on the electrical characteristics and thermal stability of MgxZn1-xO thin film transistors [J].Appl.Phys.Lett., 2011, 98(12):123511.

[16] SU B Y, CHU S Y, JUANG Y D,etal.. Effects of Mg doping on the gate bias and thermal stability of solution-processed InGaZnO thin-film transistors [J].J.AlloysCompd., 2013, 580:10-14.

[17] KIM H B, LEE H S. Effect of Mg addition on the electrical characteristics of solution-processed amorphous Mg-Zn-Sn-O thin film transistors [J].ThinSolidFilms, 2014, 550:504-508.

[18] LI C H, TSAI Y S, CHEN J Z. Negative bias temperature instability of RF-sputtered Mg0. 05Zn0. 95O thin film transistors with MgO gate dielectrics [J].Semicond.Sci.Technol., 2011, 26(10):105007.

[19] JIANG G, LIU A, LIU G,etal.. Solution-processed high-kmagnesium oxide dielectrics for low-voltage oxide thin-film transistors [J].Appl.Phys.Lett., 2016, 109(18):183508.

[20] KIM D C, KONG B H, AHN C H,etal.. Characteristics improvement of metalorganic chemical vapor deposition grown MgZnO films by MgO buffer layers [J].ThinSolidFilms, 2009, 518(4):1185-1189.

[21] HUANG H Q, LIU F J, SUN J,etal.. Effect of MgO buffer layer thickness on the electrical properties of MgZnO thin film transistors fabricated by plasma assisted molecular beam epitaxy [J].Appl.Surf.Sci., 2011, 257(24):10721-10724.

[22] SONG C W, KIM K H, YANG J W,etal.. Effects of Mg suppressor layer on the inznsno thin-film transistors [J].J.Semicond.Technol.Sci., 2016, 16(2):198-203.

[23] HOSONO H, YASUKAWA M, KAWAZOE H. Novel oxide amorphous semiconductors: transparent conducting amorphous oxides [J].J.Non-cryst.Solids, 1996, 203:334-344.

[24] KAMIYA T, NOMURA K, HOSONO H. Origins of high mobility and low operation voltage of amorphous oxide TFTs: electronic structure, electron transport, defects and doping [J].J.Disp.Technol., 2009, 5(7):273-288.

[25] KAGAN, CHERIE R.Thin-filmTransistors[M]. Boca Raton: CRC Press, 2003.

[26] PARK S, BANG S, LEE S,etal.. The effect of annealing ambient on the characteristics of an indium-gallium-zinc oxide thin film transistor [J].J.Nanosci.Nanotechnol., 2011, 11(7):6029-6033.

[27] LEE H C, PARK O O. Behaviors of carrier concentrations and mobilities in indium-tin oxide thin films by DC magnetron sputtering at various oxygen flow rates [J].Vacuum, 2004, 77(1):69-77.

王韬(1992-)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，2010年于电子科技大学获得学士学位，主要从事金属氧化物薄膜晶体管方面的研究。

E-mail: 14121639@bjtu.edu.cn张希清(1961-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，1995年于中国科学院长春物理研究所获得博士学位，主要从事发光、显示与新能源技术等方面的研究。

E-mail: xqzhang@bjtu.edu.cn

FabricationandEffectofAnnealingTreatmentonPerformanceofAmorphousMg-In-Sn-OThinFilmTransistor

WANGTao,ZHANGXi-qing*

(InstituteofOptoelectronicTechnology,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:xqzhang@bjtu.edu.cn

In order to optimize the performance of Mg-In-Sn-O thin film transistors (MITO-TFTs), MITO-TFTs were fabricated by radio frequency magnetron sputtering. The electrical properties on the effect of the annealing temperature and annealing ambient (O2flow rate) were investigated. The750℃ annealed MITO thin film with400cm3/min O2flow is amorphous and the corresponding TFT shows best performance with saturation field effect mobility of12.66cm2/(V·s), threshold voltage of0.8V and on/off ratio reaches107. Proper annealing will reduce defect and interface states density， improve the device performance effectively.

MITO-TFT; oxide semiconductor; filed effect mobility; annealing temperature; annealing O2flow rate

1000-7032(2017)11-1539-06

TN321+.5

A

10.3788/fgxb20173811.1539

2017-03-22；

2017-05-08

国家自然科学基金(51372016,61275022)资助项目

Supported by National Natural Science Foundation of China(51372016,61275022)