退火氣氛對ZnO薄膜晶體管電學穩(wěn)定性的影響

張文通，高曉紅

吉林建筑大學 電氣與計算機學院,長春 130118

由于薄膜晶體管(Thin Film Transistor,英文縮寫為TFT)在有源矩陣液晶顯示器(Active matrix liquid crystal display,英文縮寫為AM-LCD)、射頻識別標簽、大面積傳感器和計算機等電子市場上的廣泛應用,人們對TFT進行了大量的研究工作[1-2].與非晶硅和多晶硅薄膜晶體管相比,金屬氧化物半導體具有低成本、高透明、高遷移率和大面積均勻性等優(yōu)點[3-4],這使金屬氧化半導體成為最有前途的薄膜晶體管溝道層材料之一.

目前,未進行摻雜的純ZnO薄膜晶體管無法得到應用的原因常常是由于器件的電學性能不夠好或是器件穩(wěn)定性還不滿足要求.研究發(fā)現(xiàn)TFT的轉(zhuǎn)移曲線出現(xiàn)順時針滯回現(xiàn)象的主要原因之一是在柵壓正向掃描時界面陷阱電荷俘獲載流子,在柵壓負向掃描時由于陷阱占用部分載流子,使得達到同樣大的源漏電流IDS需要更高的柵壓[5],導致了閾值電壓正向偏移.研究者發(fā)現(xiàn),通過對薄膜退火可降低其界面陷阱密度,改善薄膜質(zhì)量[6-7].

本文擬通過使用射頻磁控濺射沉積ZnO溝道層材料制備成TFT,并進行退火,改變不同的退火氣氛,摸索提高ZnO薄膜晶體管電學性能的方法,并提高器件轉(zhuǎn)移曲線的滯回穩(wěn)定性.利用X射線衍射(X-ray diffraction,英文縮寫為XRD)、光致發(fā)光(Photoluminescence,英文縮寫為PL)光譜對ZnO薄膜進行表征,使用場發(fā)射(Field emission,英文縮寫為FE)掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,英文縮寫為SEM)、原子力顯微鏡(Atomic force microscopy,英文縮寫為AFM)觀察薄膜表面形貌.

1 實驗

實驗采用美國kurtJ.Lesker的PVD 75型磁控濺射設備在具有100 nm SiO2介電層的Si(004)襯底上沉積40 nm厚的ZnO薄膜,氬氧比為95∶5,濺射氣壓為8 mTorr,濺射功率為100 W,襯底溫度為90 ℃.然后對薄膜進行濕法光刻并蒸鍍Pt電極,制備成TFT器件.將器件進行15 min的退火,退火氣氛分別為N2，O2和空氣.

圖1為TFT器件的結構示意圖和光學顯微鏡下照片,溝道長度60 μm、寬度300 μm.對4個器件使用keysight B1500A半導體參數(shù)測試儀測試電學性能,用布魯克公司的高分辨X射線衍射儀(D8 DISCOVER)分析ZnO薄膜的結晶情況,X射線源為Cu靶Kα,波長λ = 1.541 8 ?;采用HORIBA公司的光致發(fā)光/拉曼光譜儀測試ZnO薄膜的發(fā)光特性;采用日本電子株式會社的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-7610F)和牛津公司的原子力顯微鏡(MFP-3D)觀察ZnO薄膜表面形貌.

(a) (b)圖1 (a)TFT結構示意圖和(b)光學顯微鏡下的TFT照片F(xiàn)ig.1 (a)TFT schematic diagram and (b)TFT photos under optical microscopy

2 結果與討論

2.1 TFT器件分析

圖2為不同退火氣氛下TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線和滯回曲線.

(a)

(b)

(c)

(d)

由圖(a)可見,N2氣氛下退火的器件出現(xiàn)了較好的電學性能,電流開關比Ion/Ioff為5.88×107,亞閾值擺幅SS為0.97 V/decade;

O2氣氛下退火的器件由于O原子會填補一部分的氧空位,氧空位的減少使溝道層中的載流子濃度下降,器件的開態(tài)電流降低了近1個數(shù)量級;

空氣氣氛下退火的器件開態(tài)電流略有下降,關態(tài)電流提高了1個數(shù)量級;

未退火的器件由于存在較多晶體缺陷,各項電學性能都較差,開關比僅為103.

器件的各項電學性能見表1.

表1 TFT的電學性能Table 1 Electrical performance of TFT

由圖2(b)～圖2(d)可分析出N2下退火的器件滯回穩(wěn)定性最高,閾值電壓偏移ΔVTH僅為0.2 V,在O2和空氣下退火的器件均出現(xiàn)了較大的閾值電壓偏移,分別為5.8 V和6 V.這是由于N2退火降低了界面陷阱電荷密度[8],在O2和空氣下沒有達到同樣的效果.從器件的亞閾值擺幅SS可計算得出柵介電層與溝道層之間的界面態(tài)密度DIT,由式(1)可得[2]:

(1)

式中,SS為亞閾值擺幅,V/decade;e為自然常數(shù);Cox為單位面積電容,mF/cm2;k為玻爾茲曼常數(shù),J/K;T為絕對溫度,K;q為單位電荷量,C.計算得出在N2下退火時的界面態(tài)密度DIT最低,為3.34×10121/(cm2·eV).

2.2 光致發(fā)光分析

圖3為不同退火氛圍下ZnO薄膜的PL光譜,激發(fā)光源為325 nm,在室溫下進行測試.在380 nm附近的峰為ZnO的本征發(fā)光峰,峰位基本保持一致,表明退火氣氛沒有改變ZnO薄膜的禁帶寬度.

處于可見光范圍的發(fā)光峰為ZnO的缺陷發(fā)光峰[9],O2下退火的ZnO薄膜缺陷發(fā)光最弱,O2填補了一部分磁控濺射沉積ZnO薄膜時產(chǎn)生的氧空位,N2和空氣下退火的ZnO薄膜的缺陷峰比未退火的薄膜低,這是因為退火使晶體中原子遷移,減少了位錯、層錯和晶格應力等晶體缺陷.

而未退火的ZnO薄膜缺陷發(fā)光強度很高,大量的晶體缺陷不利于載流子傳輸,使得未退火的ZnO器件性能很差.

圖3 不同退火氣氛下ZnO薄膜的PL光譜Fig.3 PL spectra of ZnO thin films in different annealing atmospheres

圖4 不同退火氣氛下ZnO薄膜的XRD光譜Fig.4 XRD spectra of ZnO thin films in different rapid annealing atmospheres

2.3 XRD分析

圖4為不同退火氣氛下ZnO薄膜的XRD光譜,所有薄膜均出現(xiàn)了ZnO六方纖鋅礦的(002)衍射峰[10],晶體垂直于界面生長,未出現(xiàn)其他晶向.

未退火的ZnO薄膜2θ角為34.08°,退火后的ZnO薄膜2θ角均為34.4°,未退火薄膜的衍射峰向小角度偏移是由于在磁控濺射沉積時在薄膜中存在殘余拉應力導致晶格畸變造成的,這種應力可通過退火消除,這也是造成未退火的ZnO TFT電學性能不良的原因之一.

2.4 表面形貌分析

圖5(a)～圖5(d)為不同退火氣氛下ZnO薄膜的SEM照片.所有薄膜晶粒均致密均勻,未出現(xiàn)孔隙或團簇現(xiàn)象.

(a) N2

(b) O2

(c) 空氣 (c) Air

(d) 未退火 (d) As deposited

圖6(a)～圖6(d)為不同退火氣氛下ZnO薄膜的AFM照片,N2，O2和空氣以及未退火的ZnO薄膜粗糙度RMS分別為3.661 nm,3.708 nm,3.412 nm和3.476 nm.不同的退火氣氛并未對ZnO薄膜的粗糙度和表面形貌造成明顯的改變.

(a) N2

(b) O2

(c) 空氣 (c) Air

(d) 未退火 (d) As deposited

3 結論

本文通過射頻磁控濺射在Si襯底上制備了ZnO薄膜晶體管,研究了不同退火氣氛對ZnO薄膜晶體管電學性能的影響,并對溝道層薄膜進行了XRD與PL分析,發(fā)現(xiàn)退火可消除ZnO薄膜中由殘余拉壓力導致的晶格畸變,O2下退火有助于降低氧空位,同時使載流子濃度降低.通過SEM與AFM觀察,未發(fā)現(xiàn)退火氣氛對薄膜表面形貌造成影響.經(jīng)計算與實測,發(fā)現(xiàn)N2下300 ℃退火15 min的器件電學性能最佳,電流開關比為5.88×107,閾值電壓偏移ΔVTH為0.2 V,界面態(tài)密度DIT為3.34×1012cm-2eV-1.N2下退火能有效提高TFT的滯回穩(wěn)定性,并且不會降低TFT的電學性能.