溶液法制備銦鎵鋅氧薄膜晶體管及其性能研究

史 愷，楊小天

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，長(zhǎng)春 130118

0 引言

近年來(lái)半導(dǎo)體材料迅速發(fā)展,變化日新月異,Ge、Si等元素開(kāi)始大批量投入市場(chǎng)應(yīng)用.透明氧化物半導(dǎo)體作為新一代半導(dǎo)體的重要成員之一,引起了科研界的關(guān)注并且逐漸在微電子學(xué)及柔性電子學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.從晶體管的發(fā)明發(fā)展到成功研制超大規(guī)模集成電路,半導(dǎo)體材料逐漸成為現(xiàn)代電子信息技術(shù)與新能源技術(shù)的重要基石.自20世紀(jì)60年代以來(lái),研究一直關(guān)注器件制備低成本、大陣列顯示和低功耗顯示等方面.目前,關(guān)于新一代薄膜晶體管(TFT)的研究熱點(diǎn)已經(jīng)過(guò)渡到用透明氧化物作為器件的有源層材料.新型透明顯示器件在平面顯示、光學(xué)信息處理和抗輻射等領(lǐng)域有著Si基TFT無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì).進(jìn)而,各研究組對(duì)金屬氧化物TFT進(jìn)行大量的研究工作[1],2001年Yutaka Ohya等[2]人利用溶液法成功制備出氧化鋅(ZnO)-TFT.此后,氧化錫(SnO)-TFT、銦鎵鋅氧(IGZO)-TFT和銦鋅氧(IZO)-TFT也得到相應(yīng)的發(fā)展,其中非晶的IGZO-TFT的綜合性能最好[3].

1 薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)及工作原理

TFT的結(jié)構(gòu)和工作原理與MOSFET極為相似,TFT主要由4個(gè)部分組成即分別是溝道層(亦稱(chēng)有源層即半導(dǎo)體材料)、絕緣層(亦稱(chēng)介質(zhì)層)、源/漏電極和門(mén)電極(亦稱(chēng)柵極).根據(jù)門(mén)電極的數(shù)量,可將TFT的結(jié)構(gòu)分為單柵TFT與雙柵TFT.目前大多數(shù)的TFT結(jié)構(gòu)均為單柵TFT,根據(jù)門(mén)電極所處位置的不同,又將單柵TFT分為頂柵頂接觸、底柵頂接觸、頂柵底接觸和底柵底接觸.

薄膜晶體管是由多數(shù)載流子形成導(dǎo)電通道的場(chǎng)效應(yīng)器件,本文從能帶的角度出發(fā)并結(jié)合轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)對(duì)薄膜晶體管的工作原理和導(dǎo)電溝道形成的3個(gè)主要過(guò)程進(jìn)行綜述.

(1) 當(dāng)柵極電壓VGS<0時(shí),半導(dǎo)體的能帶在溝道層與絕緣層之間的界面位置向上彎曲,逐漸形成電子耗盡區(qū).器件的導(dǎo)電路徑是半導(dǎo)體體內(nèi)導(dǎo)電,因?yàn)楸∧?nèi)部遷移率很低,從而導(dǎo)致源漏電流IDS很小,即稱(chēng)這一電流為關(guān)態(tài)電流Ioff.由上述可看出半導(dǎo)體自身電學(xué)性質(zhì)對(duì)Ioff的影響很大.

(2) 當(dāng)00時(shí),器件已經(jīng)能夠形成導(dǎo)電溝道,而在實(shí)際情況中,由于界面處有缺陷態(tài)的存在,電子要先填補(bǔ)缺陷能級(jí).

(3) 當(dāng)VGS≥Vth時(shí),隨著VGS進(jìn)一步增加到某一數(shù)值時(shí),費(fèi)米能級(jí)會(huì)超過(guò)費(fèi)米能級(jí)邊,導(dǎo)致源漏電流發(fā)生突然變化，這一臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)為閾值電壓.因此,可看到Vth受溝道層的缺陷態(tài)影響很大.這時(shí)電子的遷移率由于費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶而變得很大,器件的導(dǎo)電溝道已經(jīng)形成.

2 銦鎵鋅氧化物薄膜的制備方法

隨著透明氧化物薄膜的廣泛應(yīng)用,相應(yīng)的各種制備氧化物薄膜技術(shù)也逐漸發(fā)展起來(lái).早期透明氧化物薄膜使用的襯底主要是玻璃、陶瓷等硬質(zhì)地材料.近幾年,隨著柔性電子學(xué)和透明電子學(xué)的興起,工業(yè)上對(duì)于柔性透明顯示屏的需求越來(lái)越高,人們開(kāi)始更多地關(guān)注在柔性襯底上制備氧化物薄膜.在聚合物塑料、聚乙烯等柔性襯底上制備的薄膜不僅有在硬質(zhì)地襯底材料上相似的特性,還具有重量輕、可彎曲和易于大面積制備等多種優(yōu)勢(shì).目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于在柔性襯底上制備透明氧化物薄膜的研究關(guān)注度很高,成熟的薄膜制備方法通常分為化學(xué)方法和物理方法等兩大類(lèi),包括各種真空蒸發(fā)技術(shù)(Vacuum evaporation technique,英文縮寫(xiě)為VET)、分子束外延(Molecular beam epitaxy ,英文縮寫(xiě)為MBE)和濺射(Sputtering)等.脈沖激光淀積(Plused laser deposition,英文縮寫(xiě)為PLD)[4]誕生于20世紀(jì)60年代,直到上個(gè)世紀(jì)高溫超導(dǎo)薄膜成功制備后引起人們的關(guān)注.下面主要介紹幾種常見(jiàn)的薄膜制備技術(shù)及其特點(diǎn).

2.1 脈沖激光沉積

脈沖激光沉積(PLD)是用高能的脈沖激光轟擊靶材，使靶材表面物質(zhì)熔蒸出來(lái)然后沉積在襯底材料上形成薄膜.PLD的反應(yīng)過(guò)程十分復(fù)雜，首先讓激光經(jīng)棱鏡聚焦照射在靶材上，使靶材急劇升溫蒸發(fā)成氣體，靶材氣體又會(huì)在激光照射下逐漸電離成等離子體，等離子體中的原子和離子在靶材附近產(chǎn)生與靶材垂直的高度定向擴(kuò)展束流在襯底上傳播，最后形成薄膜，與一般的蒸發(fā)技術(shù)相比，PLD具有可以蒸發(fā)高熔點(diǎn)靶材料、同組分淀積、控制脈沖激光的功率和次數(shù)可實(shí)現(xiàn)多層外延生長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì).但它也有局限性，比如蒸發(fā)的溫度過(guò)高會(huì)使蒸發(fā)靶材形成的粒子容易離子化，薄膜的淀積過(guò)程中通常會(huì)殘留小顆粒，擴(kuò)展束流有很高的定向性，只能在很小的范圍內(nèi)形成厚度均勻的薄膜.

2.2 磁控濺射

濺射(Sputtering)最早由英國(guó)人Grove在1852年發(fā)現(xiàn),屬于物理氣相沉積.20世紀(jì)20年代,Langmuir基于濺射現(xiàn)象發(fā)展成的薄膜沉積技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的薄膜制備技術(shù),該技術(shù)幾乎能在所有已知的襯底上濺射任何材料.濺射就是在真空的反應(yīng)室中,高能粒子與靶材碰撞.作為工作氣體的氬氣(Ar),電離后可以提供轟擊粒子,在靶中經(jīng)歷復(fù)雜散射過(guò)程后和高純度的靶原子碰撞,靶原子在獲取能量后又和其他靶原子碰撞,從而形成級(jí)聯(lián)過(guò)程,最后沉積為薄膜.濺射可分為雙極直流反應(yīng)濺射、射頻濺射、磁控濺射及偏壓濺射.磁控濺射因能制備厚度均勻的薄膜且工藝重復(fù)性較好,成為應(yīng)用最廣泛的技術(shù),其缺點(diǎn)是易損傷薄膜表面,因此多用來(lái)制備多晶結(jié)構(gòu)薄膜[5].

2.3 溶液法

溶液法亦稱(chēng)溶膠-凝膠(Sol-gel)法[6-8].與其他薄膜制備技術(shù)相比,溶液法具有工藝簡(jiǎn)單易操作、成本較低、不需要真空條件和易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì),受到業(yè)界的廣泛關(guān)注.過(guò)程是將制備薄膜所需的各組分無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽等材料(稱(chēng)為前驅(qū)物)使用物理或化學(xué)方法處理,使其溶于有機(jī)溶劑中.前驅(qū)物繼續(xù)通過(guò)水解、膠化等反應(yīng)形成均勻穩(wěn)定的溶膠溶液,再次處理后變?yōu)槟z.采用恰當(dāng)?shù)耐糠蠊に噷⒛z涂敷在襯底材料表面,最后經(jīng)過(guò)合適的溫度處理過(guò)程形成固體薄膜.常用的有機(jī)溶劑主要有乙醇、甲醇和聚乙二醇甲醚(2-MOE)等.由于溶膠的極不穩(wěn)定性,在長(zhǎng)時(shí)間放置后易發(fā)生團(tuán)聚,進(jìn)而變得渾濁,所以制備過(guò)程中通常還要加入單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)等穩(wěn)定劑.常見(jiàn)的涂敷工藝包括旋涂(Spin-coating)法、噴霧(Spray-coating)法[9]及噴墨打印(Ink-jet printing)法[10]等.本實(shí)驗(yàn)分別采用旋涂法和噴墨打印法制備IGZO薄膜.

3 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用溶液法制備IGZO薄膜,制備過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟:① 溶液配置;② 襯底清洗;③ 旋涂和噴墨打印薄膜;④ 薄膜退火處理;⑤ 采用光刻工藝及噴墨打印技術(shù)進(jìn)一步制成薄膜晶體管器件.

3.1 薄膜制備

試劑:采用4.5水合硝酸銦(In(NO3)3·4.5 H2O分析純)、水合硝酸鎵(Ga(NO3)3·xH2O分析純)及二水合醋酸鋅(Zn(CH3COO)2·2 H2O分析純)分別作為為銦、鎵、鋅金屬源,溶解在二甲氧基乙醇(CH3OCH2CH2OH 分析純)中,并且加入一定量的乙醇胺(C2H7NO.分析純)作為穩(wěn)定劑[11-12].配置一份5 mL濃度為0.24 mol/L 的IGZO溶液,銦、鎵、鋅三種元素摩爾比保持在2∶1∶7,加入攪拌子在磁力攪拌器中攪拌1 h,溫度保持在150℃.取出靜置24 h后經(jīng)過(guò)濾可得到均勻透明溶液.

襯底清洗:本實(shí)驗(yàn)在SiO2/Si襯底上涂膜,襯底的潔凈程度對(duì)薄膜的性能影響較大.用超聲波清洗機(jī)在丙酮中清洗10 min,然后在無(wú)水乙醇中清洗10 min除去殘余的丙酮,接著在超純水中清洗10 min除去殘余的乙醇.上述步驟可去除硅片表面的玷污、有機(jī)物和顆粒等,最后烘干便可得到潔凈的SiO2/Si襯底.

旋涂及噴墨打印薄膜:采用勻膠機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膜.將溶液滴在SiO2/Si襯底上,然后以2 500 r/min的速度旋轉(zhuǎn),40 s完成甩膠,在100℃熱板上預(yù)烘1 min,重復(fù)1次上述步驟可得到厚度較為均勻的薄膜;噴墨打印制備薄膜即利用噴墨打印設(shè)備直接在硅片上打印出圖案化的有源層.

退火處理:由于旋涂及噴墨打印制備的IGZO薄膜包含有機(jī)雜質(zhì),性能較差[13],因此要借助高溫退火處理來(lái)改善薄膜性能.

3.2 器件制備

通過(guò)旋涂方法得到的有源層薄膜,使用光刻工藝形成圖案,再配合電子束蒸發(fā)設(shè)備制備源漏電極;噴墨打印制備的圖案化的薄膜,使用SIJ噴墨打印設(shè)備在有源層上覆蓋源漏電極.器件制備好后,使用半導(dǎo)體測(cè)試儀進(jìn)行薄膜晶體管的電學(xué)性能測(cè)試.

4 結(jié)果與討論

圖1為不同方法制備的IGZO-TFT 的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)(圖1中VGS為柵電壓,IDS為漏源電流),測(cè)試時(shí),漏源電壓為20 V,柵電壓掃描范圍為-10 V～+40 V.由圖1可很明顯地分辨出關(guān)態(tài)區(qū)和開(kāi)態(tài)區(qū),說(shuō)明柵電壓對(duì)TFT的開(kāi)關(guān)態(tài)有較好的調(diào)控作用.

在TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)中,當(dāng)VGS≤Voff(關(guān)態(tài)電壓)時(shí),TFT處于截止區(qū),此時(shí)溝道中的電流為漏電流,即關(guān)態(tài)電流;當(dāng)VoffVGS-VTH時(shí),TFT進(jìn)入飽和工作區(qū),此時(shí)TFT中的電流和電壓滿(mǎn)足以下關(guān)系[14]:

(1)

式中,IDS為漏源電流,A;μ為遷移率,cm2/(V·s);W為溝道寬度,nm;Ci為絕緣層單位面積的電容,F/cm2;VGS為柵電壓,V;VTH為閾值電壓,V;L為溝道長(zhǎng)度,nm.

TFT的電學(xué)特性主要包含4個(gè)參數(shù)即遷移率、閾值電壓、開(kāi)關(guān)比和亞閾值擺幅.由式(1)可得到：

(2)

圖2為不同方法制備的 IGZO-TFT 的IDS1/2-VGS曲線(xiàn),做直線(xiàn)部分的延長(zhǎng)線(xiàn),求出該延長(zhǎng)線(xiàn)的斜率和與X軸的焦點(diǎn),可得到TFT的閾值電壓和飽和遷移率[14].

圖1 不同方法制備的IGZO-TFT 的轉(zhuǎn)移特性(漏源電流IDS-柵電壓VGS)曲線(xiàn)Fig.1 Transfer characteristic (drain-source current IDS-gate voltage VGS)curves of IGZO-TFT prepared by different methods

圖2 不同方法制備的 IGZO-TFT的IDS1/2-VGS曲線(xiàn)Fig.2 IDS1/2-VGS curves of IGZO-TFT prepared by different methods

閾值電壓VTH系指使源漏電極間形成導(dǎo)電溝道所需的柵電壓即表示TFT處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)所需的最小柵電壓.遷移率系指載流子在單位電場(chǎng)下的漂移速度,是TFT最重要的性能參數(shù)之一.用K表示IDS1/2-VGS曲線(xiàn)直線(xiàn)部分的斜率,則遷移率μ的計(jì)算公式為:

(3)

開(kāi)關(guān)比被定義為開(kāi)態(tài)電流和關(guān)態(tài)電流的比值,它反映了器件開(kāi)啟和關(guān)閉的能力.開(kāi)態(tài)電流大表明器件的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),關(guān)態(tài)電流小則器件的漏電流小.

亞閾值擺幅SS是指在亞閾值區(qū),源漏電流增加一個(gè)數(shù)量級(jí)所需要增加的柵電壓,其計(jì)算公式為:

(4)

它可反映TFT從關(guān)態(tài)到開(kāi)態(tài)的變化速度,亞閾值擺幅越小,TFT在開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)之間變化得就越快,柵電壓對(duì)TFT的調(diào)控能力越強(qiáng).

表1為不同方法制備的IGZO-TFT的性能參數(shù),可看出兩者的性能存在差異性.

表1 不同方法制備的IGZO-TFT的性能參數(shù)Table 1 Electrical properties of IGZO-TFT prepared by different methods

5 結(jié)語(yǔ)

溶液法制備金屬氧化物薄膜材料的主要優(yōu)勢(shì)包括工藝簡(jiǎn)便易操作、摻雜可控及容易粘附,較容易實(shí)現(xiàn)大范圍均勻薄膜的制備且制備成本較低,在未來(lái)光電器件的研究與發(fā)展中具備較大的應(yīng)用潛力,因此受到相關(guān)業(yè)界的廣泛關(guān)注.本文采用旋涂、光刻及直接噴墨打印方法制備了圖案化的IGZO有源層結(jié)構(gòu),并研究了IGZO薄膜晶體管器件的電學(xué)性能，但目前溶液法技術(shù)尚不成熟,比如需要高溫處理有機(jī)溶液中的雜質(zhì)以及界面缺陷態(tài)密度對(duì)器件性能的影響,需要進(jìn)一步完善.研發(fā)新工藝來(lái)改善薄膜微觀(guān)結(jié)構(gòu)與電學(xué)、光學(xué)性能,從而真正實(shí)現(xiàn)溶液法制備非晶IGZO材料與低溫工藝相兼容,真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化.