氮掺铟锡锌薄膜晶体管的制备及其光电特性

2017-12-05李治玥吕英波赵继凤宋淑梅杨波波辛艳青王昆仑杨田林

发光学报 2017年12期

关键词：栅极偏压晶体管

李治玥，吕英波，赵继凤，宋淑梅，杨波波，辛艳青，王昆仑，杨田林

(山东大学空间科学与物理学院，山东威海 264209)

氮掺铟锡锌薄膜晶体管的制备及其光电特性

李治玥，吕英波，赵继凤，宋淑梅，杨波波，辛艳青，王昆仑，杨田林*

(山东大学空间科学与物理学院，山东威海 264209)

氧化铟锡锌薄膜晶体管；射频磁控溅射；氮掺杂；界面态密度

1 引言

薄膜晶体管(TFT)作为显示器有源驱动的核心部件，被广泛应用于大规模集成电路和平板显示领域。在研究中发现，有源层的材料很大程度上决定了TFT的性能和成本。传统非晶硅TFT长期工作稳定性低、均匀性差，多晶硅TFT的制造成本太高。金属氧化物有源层具有可见光范围内透过率高和均匀性佳等优点，且以其制备的TFT[1-3]电学性能优良，因而金属氧化物成为近年来制备薄膜晶体管有源层的热点。常见的金属氧化物有源层材料主要包括ZnO[4-5]、In-Zn-O(IZO)[6]、In-Ga-Zn-O(IGZO)[7]和In-Sn-Zn-O (ITZO)[8]等。其中，IGZO是金属氧化物TFT有源层的主流材料。然而IGZO TFT的场效应迁移率(μFE)一般在10cm2/(V·s)，稳定性也不够理想，已不能满足大尺寸显示器超高分辨率和高帧频的需求。有研究表明ITZO TFT具有优良的电学特性，其μFE比IGZO TFT的高，更加适用于制备大面积显示面板[9]。

金属氧化物TFT在各种应力(光照、偏压或温度)作用下不稳定，阈值电压会发生较大的漂移，这是显示装置使用过程中发现的主要问题，引起该问题的主要因素是TFT中载流子浓度以及氧空位的变化。器件对周围大气中的气体敏感，气体分子容易在背沟道处吸附与脱附，并捕获或释放电子，改变沟道层的载流子浓度[10]。另外有源层和栅极电介质界面处存在较多氧空位，诱发高界面态密度，界面态密度越高，器件性能越不稳定。为了解决这些问题，人们在不断地探索金属氧化物TFT的沉积工艺[11-12]，研究表明，采用钝化TFT氧空位的方法能提高薄膜晶体管的稳定性，获得更好的电学特性。

朱夏明[13]用掺氮的方式降低了ZnO TFT的载流子浓度，优化了TFT的电学特性。Raja等[14]研究了氮掺杂对IGZO TFT稳定性的影响，指出氮掺杂实现了TFT内部氧空位的钝化，阈值电压漂移约为0.83V，提高了器件的稳定性。严海等[10]报道了氮掺杂的α-IZO TFT，由于氮的离子半径接近于氧，可以导致近似替代效应，在氧化铟锌沟道层内掺入氮可以减少氧空位，改善器件性能。Byung等[15]研究了氮掺杂的GIGO TFT，结果表明掺入氮后减少了沟道层/栅极电介质界面处的界面态密度，器件的亚阈值摆幅由1.33V/dec降至0.22V/dec。从以上研究可以发现，钝化金属氧化物有源层内部的氧空位缺陷可以改善TFT的电学性能。然而国内对ITZO TFT的报道在2015年才逐渐出现，关于氮掺杂对ITZO TFT性能的影响还未见报道。

本研究采用射频磁控溅射技术，在不同氮气流量下制备了铟锡锌薄膜晶体管，测试和分析了氮气流量对器件结构、光电特性和稳定性的影响。

2 实验

室温下，采用射频磁控溅射法制备了底栅结构ITZO TFTs。TFT的衬底和栅极采用重掺杂的P型<100>硅，栅极电介质层为热氧化生长的200nm SiO2。ITZO有源层的制备是在不同氮气流量下进行的，其中，靶材为纯度99.99%、直径为76mm、厚度为6mm的ITZO陶瓷靶(In2O3∶SnO2∶ZnO 的质量比为88%∶10%∶2%)。本底真空为3×10-4Pa，沉积压强为0.6Pa，溅射功率为60W，溅射气体Ar/O2的流量固定在50/10mL/min，N2的流量分别为0，2，4，6，8，10mL/min，按该条件制备样品共6组。有源层厚度控制在35nm左右。图1为ITZO TFTs的横截面示意图和俯视图。在沟道层制备过程中，用掩膜板法控制沟道尺寸，沟道宽长为1500/150μm，磁控溅射制备90nm ITO作为漏源电极。

ITZO TFTs的输出特性和转移特性用Keithley-4200SCS半导体特征测试仪表征；薄膜厚度由XP-1型台阶仪测量；有源层的结构特性采用Rigaku X射线衍射仪测试；有源层在可见光范围内的透过率用Cary100紫外-可见分光光度计测量。

图1 ITZO TFTs结构示意图(a)截面图；(b)俯视图。

Fig.1Schematic diagram of the ITZO TFTs. (a)Sectional view. (b)Vertical view.

3 结果与讨论

3.1氮掺杂对ITZO薄膜结构的影响

图2为不同N2流量下制备的ITZO薄膜X射线衍射图谱。ITZO薄膜样品均未出现明显的衍射峰，氮气流量的变化对薄膜结晶性能影响不明显，这表明制备的ITZO薄膜呈非晶态。非晶结构具有良好的结构稳定性，可避免由于晶界较多而引起的载流子输运过程中的晶界散射，确保器件的均一性[16]，有利于实现大面积制备，能制备出电学性能好、稳定性强的器件。

图2 不同氮气流量下制备的ITZO薄膜的XRD谱图

Fig.2XRD patterns of ITZO films deposited at different nitrogen flow rates

3.2氮掺杂对ITZO薄膜光学特性的影响

由图3可知，不同氮气流量条件下制备的ITZO薄膜在可见光范围内(390～780nm)均具有很高的透过率，接近或超过90%。6组薄膜在同一波长下对应的光学透过率基本一致，这表明氮气的掺杂对薄膜的透过率影响并不大，膜层具有良好的透明性，平整度好[17]。此外，6组薄膜均不存在不同波长对应不同折射率的问题。这些特点使得ITZO TFT在透明显示方面具有较高的应用价值。

图3 不同氮气流量下制备的ITZO薄膜光学透过率

Fig.3Optical transmittance of ITZO films deposited at different nitrogen flow rates

图4为薄膜光学带隙与氮气流量之间的关系图。对于透明导电氧化物(TCO)材料，由Tauc关系(αhν)2=A(hν-Eg)作(αhν)2-hν关系图，通过将(αhν)2线性部分外推到hν，能够得到有源层的光学带隙，其中α=-(1/d)lnT。不同氮气流量下制备的薄膜带隙值在3.28～3.32eV之间，当氮气流量从0增大到4mL/min时，氮掺杂使得薄膜中氧空位减少，成膜更为致密均匀，薄膜的量子尺寸效应增大[18]，光学带隙值从3.28eV增至3.32eV。氮气流量由4mL/min逐渐增至10mL/min时，膜层中形成了间隙氮等非本征缺陷。随着氮气流量持续增加，膜层的缺陷增多，使得薄膜的光学带隙值逐渐下降。

图4 不同氮气流量下制备的ITZO薄膜光学带隙

Fig.4Optical band gaps of ITZO films deposited at different nitrogen flow rates

3.3氮掺杂对ITZO TFTs电学特性的影响

不同氮气流量下制备的ITZO作为沟道层、ITO为源漏电极的薄膜晶体管的输出特性如图5所示，其中VDS范围在0～30V，VGS从0增加到20V，步长为5V。在固定的正向栅极偏压下，IDS随着VDS的增大表现出先增大随后趋于常数的关系。IDS随VDS的增大而增大，表明ITZO沟道层为n型半导体；IDS随后趋于常数表明VGS对IDS具有很好的调控作用，器件夹断特性好[19]。图5(a)～(e)的输出特性曲线平滑且起始端均未反映出“电流拥挤”现象，说明TFT的有源层和源漏电极间形成了良好的欧姆接触[20-21]。图5(f)曲线出现了明显波动，这与TFT的界面态密度有关，当氮气流量达到10mL/min时，由表1可知此时TFT的界面态密度高达2.65×1012cm-3。

图6给出的是不同氮气流量下制备的TFT的转移特性曲线，VDS固定为5V。结合器件的转移特性，由公式(1)～(4)分别计算了不同氮气流量下所制备器件的主要电学性能参数，列于表1(其中K为玻尔兹曼常数，Ci为单位面积的栅电容，其值为1.25×10-8F/cm2)：

(1)

(2)

S=dVGS/d(lgIDS)，

(3)

(4)

图5不同氮气流量下制备的ITZO TFTs的输出特性曲线。 (a)0mL/min；(b)2mL/min；(c)4mL/min；(d)6mL/min；(e)8mL/min；(f)10mL/min。

Fig.5Output characteristics of ITZO TFTs deposited at different nitrogen flow rates. (a)0mL/min. (b)2mL/min. (c)4mL/min. (d)6mL/min. (e)8mL/min. (f)10mL/min.

图6 不同氮气流量下制备的ITZO TFTs转移特性曲线

Fig.6Transfer characteristics of ITZO TFTs deposited at different nitrogen flow rates

亚阈值摆幅(S)定义为漏电流变化一个数量级时栅极电压的增量。界面态密度越小，则亚阈值摆幅越小，器件越稳定。由表1中6组TFT的界面态密度变化规律可知，界面态密度小，对应的器件性能好，当氮气掺入为最佳值4mL/min时，S最小，仅有0.39V/dec。关于掺氮减少界面态密度的原因，严海等[10]认为氮原子取代部分不活跃氧分子形成类保护层，减少了界面处氧气的吸附效应。Gavartin等[26]认为适量的氮掺杂可以钝化薄膜中的氧空位、间隙氧离子等本征缺陷。在ITZO TFT沟道层的制备过程中掺入适量的氮气，可有效地减少氧空位，降低TFT的界面态密度。而过高浓度的氮掺杂会引入氮缺陷，导致界面态密度增加，器件性能劣化。

表1 不同氮气流量制备的ITZO TFTs电学性能参数

3.4 氮掺杂对ITZO TFTs稳定性的影响

为了研究氮气流量对器件稳定性的影响，在黑暗环境对不同氮气流量条件下制备的器件进行栅极正偏压应力测试(PGBS)。对器件施加10 V的正向栅极偏压，时间分别为0，300，900，1 800，3 600，5 400 s。薄膜晶体管阈值电压漂移量与施加偏压时间之间的关系如图7所示，定义阈值电压漂移量ΔVth=Vth(t)-Vth(t=0)，t为栅偏压施加时间。由图7可知对器件施加正向偏压后，阈值电压发生正向漂移，且栅偏压施加时间越长，Vth越大，这是电子在栅极介质层/沟道层界面或沟道层靠近介质层一侧被俘获所致[28]。另外，施加偏压时间相同时，不同氮气流量条件下制备的TFT阈值电压漂移量呈现先减小后增大的变化趋势。可以明显观察到，对4 mL/min氮气流量下制备的器件施加正向栅偏压时间为5 400 s时，ΔVth仅为0.8 V。这是因为掺氮影响了器件的界面态密度[29]，在施加同样时间栅极正偏压时，界面态密度越小，ΔVth越小，器件越稳定。

图7 不同氮气流量下制备的ITZO TFTs阈值电压漂移量与正向栅偏压施加时间的关系

Fig.7 Time evolution ofVthunder positive bias stress of ITZO TFTs deposited at different nitrogen flow rates

4 结论

本文研究了在射频磁控溅射工艺条件下，氮掺杂对ITZO TFTs性能的影响。研究结果表明，在不同氮气流量条件下制备的ITZO薄膜均为非晶结构。氮气的掺入对有源层在可见光范围内的透过率影响不大，平均透过率均接近或超过90%，光学带隙值在3.28～3.32 eV之间变化。采用ITZO为有源层制备的TFT表现出典型的n型耗尽型场效应晶体管特性。当氮气流量为4 mL/min时，器件的电学性能最佳，其场效应迁移率达到18.72 cm2/(V·s)，开关比最大为106，亚阈值摆幅仅为0.39 V/dec，且在正栅偏压应力测试中，该器件显示出最强的稳定性。适量的氮气掺杂钝化了TFT中的氧空位，降低了有源层和栅极介质层界面处的界面态密度，使TFT的电学性能得到优化，稳定性得到提高。但过量的氮掺杂将使TFT中氮相关缺陷增多，导致器件性能劣化。因此可以通过掺入适量氮气的方式钝化器件中的缺陷，降低界面态密度，优化器件性能。

[1] FANG J L, DENG W L, MA X Y,etal.. Physical modeling of AOS TFTs based on symmetric quadrature method considering degenerate regime [C]. 2016 7thInternationalConferenceonComputerAidedDesignforThin-FilmTransistorTechnologies(Cad-Tft),Beijing,China, 2016:17.

[2] KIM C K, KIM E, LEE M K,etal.. Electrothermal annealing (ETA) method to enhance the electrical performance of amorphous-oxide-semiconductor (AOS) thin-film transistors (TFTs) [J].ACSAppl.Mater.Interf., 2016, 8(36):23820-23826.

[3] 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)

[4] 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)

[5] ALSHAMMARI F H, NAYAK P K, WANG Z,etal..Enhanced ZnO thin-film transistor performance using bilayer gate dielectrics [J].ACSAppl.Mater.Interf., 2016, 8(35):22751-22755.

[6] REED A S, PAINE D C, LEE S. Effect of O2fraction in the sputter gas on the electrical properties of amorphous In-Zn-O and the thin film transistor performance [J].J.Electron.Mater., 2016, 45(12):6310-6316.

[7] KIM M J, HEO Y M, CHO J H. Ladder-type silsesquioxane copolymer gate dielectrics for gating solution-processed IGZO field-effect transistors [J].Org.Electron., 2017, 43:41-46.

[8] LEE D M, KIM J K, HAO J,etal.. Effects of annealing and plasma treatment on the electrical and optical properties of spin-coated ITZO films [J].J.AlloysCompd., 2014, 583:535-538.

[9] FUKUMOTO E, ARAI T, MOROSAWA N,etal.. High-mobility oxide TFT for circuit integration of AMOLEDs [J].J.Soc.Inform.Disp., 2011, 19(12):867-872.

[10] 严海，蔡韵竹，张群，等. 氮掺杂非晶氧化铟锌薄膜晶体管的器件稳定性改善研究 [J]. 真空科学与技术学报, 2015, 35(9):1054-1058.

YAN H, TSAI Y Z, ZHANG Q,etal.. Impact of N2-doping on reliability of amorphous InZnO∶N thin film transistors [J].Chin.J.Vac.Sci.Technol., 2015, 35(9):1054-1058. (in Chinese)

[11] JIANG J, WANG D, MATSUDA T,etal.. Influence of interface traps on the electrical properties of oxide thin-film transistors with different channel thicknesses [J].J.NanoRes., 2017, 46:93-99.

[12] 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.

[13] 朱夏明. 掺氮氧化锌的光电特性及其在薄膜晶体管中的应用研究 [D]. 杭州：浙江大学， 2010.

ZHU X M.OpticalandElectricalPropertiesofNitrogenDopedZnOandApplicationofIttoThin-filmTransistors[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2010. (in Chinese)

[14] RAJA J, JANG K, BALAJI N,etal.. Aging effects on the stability of nitrogen-doped, and un-doped InGaZnO thin-film transistors [J].Mater.Sci.Semicond.Proc., 2015, 37:129-134.

[15] DU AHN B, LEE K H, PARK J,etal.. The effect of nitrogen incorporation in Ge-In-Ga-O semiconductor and the associated thin film transistors [J].Appl.Surf.Sci., 2015, 355:1267-1271.

[16] 刘媛媛, 赵继凤, 李延辉, 等. 溅射气压对铟锡锌氧化物薄膜晶体管性能的影响 [J]. 真空科学与技术学报, 2016, 36(4):391-396.

LIU Y Y, ZHAO J F, LI Y H,etal.. Fabrication and characterization of In2O3-SnO2-ZnO thin film transistor [J].Chin.J.Vac.Sci.Technol., 2016, 36(4):391-396. (in Chinese)

[17] SEUNG-HONG K, DAEIL K. Effect of a ZTO buffer layer on the structural, optical, and electrical properties of IGZO thin films [J].Ceram.Int., 2015, 41(2):2770-2773.

[18] CHEN X F, HE G, LIU M,etal.. Modulation of optical and electrical properties of sputtering-derived amorphous InGaZnO thin films by oxygen partial pressure [J].J.AlloysCompd., 2014, 615:636-642.

[19] 李帅帅, 梁朝旭, 王雪霞, 等. 高迁移率非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管的制备与特性研究 [J]. 物理学报, 2013, 62(7):413-417.

LI S S, LIANG C X, WANG X X,etal.. The preparation and characteristics research of high mobility amorphous indium gallium zinc oxide thin-film transistors [J].ActaPhys.Sinica, 2013, 62(7):413-417. (in Chinese)

[20] NAKATA M, ZHAO C M, KANICKI J. DC sputtered amorphous In-Sn-Zn-O thin-film transistors: electrical properties and stability [J].Solid-StateElectron., 2016, 116:22-29.

[21] 凯根，安瑞. 薄膜晶体管及其在平板显示中的应用 [M]. 北京：电子工业出版社， 2008.

CHERIE R K, PAUL A.ThinFilmTransistors[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008. (in Chinese)

[22] LU Y B, YANG T L, LING Z C,etal.. How does the multiple constituent affect the carrier generation and charge transport in multicomponent TCOs of In-Zn-Sn oxide [J].J.Mater.Chem. C, 2015, 3(29):7727-7737.

[23] NGUYEN C P T, TRINH T T, RAJA J,etal.. Source/drain metallization effects on the specific contact resistance of indium tin zinc oxide thin film transistors [J].Mater.Sci.Semicond.Proc., 2015, 39:649-653.

[24] KIM C E, YUN I. Effects of nitrogen doping on device characteristics of InSnO thin film transistor [J].Appl.Phys.Lett., 2012, 100(1):13501.

[25] 刘媛媛, 童杨, 王雪霞, 等. 氧分压对铟镓锌氧化物薄膜晶体管性能的影响 [J]. 人工晶体学报, 2014, 43(12):3108-3112.

LIU Y Y, TONG Y, WANG X X,etal.. Effect of the oxygen partial pressure on properties of indium gallium zinc oxide thin film transistors [J].J.Synth.Cryst., 2014, 43(12):3108-3112. (in Chinese)

[26] GAVARTIN J L, SHLUGER A L, FOSTER A S,etal.. The role of nitrogen-related defects in high-kdielectric oxides: density-functional studies [J].J.Appl.Phys., 2005, 97(5):53704.

[27] JEONG J K, YANG H W, JEONG J H,etal.. Origin of threshold voltage instability in indium-gallium-zinc oxide thin film transistors [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 93(12):123508.

[28] 李民. 金属氧化物薄膜晶体管器件的稳定性研究 [D]. 广州：华南理工大学， 2014.

LI M.StabilityofMetal-oxideThinFilmTransistors[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2014. (in Chinese)

[29] XIE H T, WU Q, XU L,etal.. Nitrogen-doped amorphous oxide semiconductor thin film transistors with double-stacked channel layers [J].Appl.Surf.Sci., 2016, 387:237-243.

FabricationandElectricalandOpticalPropertiesofNitrogen-dopedIn-Sn-ZnOxideThin-filmTransistors

LIZhi-yue,LYUYing-bo,ZHAOJi-feng,SONGShu-mei,YANGBo-bo,XINYan-qing,WANGKun-lun,YANGTian-lin*

(SchoolofSpaceScienceandPhysics,ShandongUniversity,Weihai264209,China)

In-Sn-Zn oxide thin-film transistors were deposited at different nitrogen flow rates on P-Si <100> substrate by RF magnetron sputtering. The influence of nitrogen on the structure, optical and electrical properties and stabilities of ITZO TFTs was studied. The results show that nitrogen has no obvious effect on the structure of ITZO films and all thin films are amorphous. The average transmittance of all ITZO films approach or exceed90% in the visible region and the optical band gaps are3.28-3.32eV. When the nitrogen flow rates increase to4mL/min during the sputter deposition， the ITZO TFTs with low interface state density(～4.3×1011cm-2) show excellent electrical properties， the sub-threshold swing is0.39V/dec and on/off ratio is106operated with the field-effect mobility(μFE) of18.72cm2/(V·s). Moreover， the TFTs show better stability than others in the positive gate bias stress test. Overall, the suitable addition of nitrogen can improve the electrical performance and the stability of the ITZO TFTs by the passivation of oxygen vacancies and the drop of interface state density.

ITZO TFTs; RF magnetron sputtering; nitrogen doping; interface state density

2017-04-21；

2017-06-12

国家自然科学基金(11504202)；山东省科技攻关课题(2014GGX102022)资助项目

Supported by National Natural Science Foundation of China (11504202); Science and Technology Project of Shandong Province (2014GGX102022)

1000-7032(2017)12-1622-07

TN321+.5

10.3788/fgxb20173812.1622

*CorrespondingAuthor,E-mail:ytlin@sdu.edu.cn