Al2O3薄層修飾SiNχ絕緣層的IGZO-TFTs器件的性能研究

郭永林,梁續(xù)旭,胡守成,穆曉齡,曲加偉,王紅波,趙 毅

(吉林大學電子科學與工程學院集成光電子學國家重點聯(lián)合實驗室,吉林長春 130012)

Al2O3薄層修飾SiNχ絕緣層的IGZO-TFTs器件的性能研究

郭永林,梁續(xù)旭,胡守成,穆曉齡,曲加偉,王紅波*,趙 毅

(吉林大學電子科學與工程學院集成光電子學國家重點聯(lián)合實驗室,吉林長春 130012)

采用原子層沉積工藝(ALD)生長均勻致密的三氧化二鋁(Al2O3)薄層對氮化硅(SiNx)絕緣層進行修飾,研究了銦鎵鋅氧薄膜晶體管(IGZO-TFTs)器件的性能。當Al2O3修飾層厚度為4 nm時,絕緣層-有源層界面的最大缺陷態(tài)密度相比于未修飾器件降低了17.2%,器件性能得到顯著改善。場效應遷移率由1.19 cm2/ (V·s)提高到7.11 cm2/(V·s),閾值電壓由39.70 V降低到25.37 V,1 h正向偏壓應力下的閾值電壓漂移量由2.19 V減小到1.41 V。

銦鎵鋅氧薄膜晶體管;三氧化二鋁;氮化硅;最大缺陷態(tài)密度

1 引 言

銦鎵鋅氧薄膜晶體管(IGZO-TFTs)具有場效應遷移率高、沉積溫度低、大面積沉積均勻性好、響應速度快、可見光范圍內(nèi)透過率高等特點[1-3]。2011年,韓國LG公司開發(fā)出了109 mm(4.3 in) IGZO-TFTs驅(qū)動的液晶顯示面板,像素高達720× 1 280。2013年,日本夏普公司推出了IGZO-TFTs驅(qū)動的813 mm(32 in)4K2K超高清液晶顯示器。2014年,我國中興公司宣布一款采用IGZO屏幕的手機 Nubia 5S mini LTE將登陸美國市場。2015年3月10日,全球第一條8.5代金屬氧化物工藝(IGZO)液晶面板生產(chǎn)線項目在南京中國電子熊貓集團建成投入運行。

絕緣層作為IGZO-TFTs器件的重要組成部分,是決定器件性能的一個關(guān)鍵因素。常見的絕緣層包括 SiNx、Al2O3、HfO2、SiO2等[4]。SiNx廣泛應用于非晶硅TFT面板中,采用SiNx薄膜作為IGZO-TFTs的絕緣層,能夠使其制造工藝與非晶硅TFT工藝兼容,更快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。然而,在利用磁控濺射工藝生長IGZO薄膜時,會對SiNx絕緣層造成較大的損傷,在SiNx絕緣層與IGZO薄膜之間形成較多的缺陷態(tài),不利于高性能的IGZO-TFTs器件的制備。相比而言,利用原子層沉積工藝(ALD)生長均勻、致密的Al2O3作為絕緣層,可以有效降低磁控濺射工藝所帶來的損傷,有利于形成好的絕緣層-有源層界面,但是ALD沉積速率很低,即使在200℃高溫下制備200 nm Al2O3也需要10 h左右,非常不利于工業(yè)化生產(chǎn)。因此,本文提出利用ALD生長工藝在SiNx絕緣層上生長一層Al2O3作為修飾層來減少界面缺陷態(tài)。實驗結(jié)果表明,當Al2O3修飾層厚度為4 nm 時,絕緣層-有源層界面的最大缺陷態(tài)密度相比于未修飾器件降低了17.2%,器件性能得到顯著改善。

2 實 驗

2.1 材料與儀器

本實驗采用n型Si片為襯底兼作柵極,省略了采用玻璃襯底時ITO作為柵極的刻蝕工藝。采用等離子體增強型化學氣相沉積(PECVD)工藝在襯底上沉積SiNx絕緣層,氣源為SiH4和NH3。采用原子層沉積(ALD)工藝生長Al2O3修飾層,氣源為三甲基鋁(Trinethyluminium,TMA)。利用磁控濺射工藝制備有源層IGZO薄膜,IGZO靶材中各元素的量比為n(In)∶n(Ga)∶n(Zn)∶n(O)= 1∶1∶1∶4。器件的電學性能均在室溫條件下采用Keithley 2400半導體參數(shù)測試系統(tǒng)進行測試。

2.2 實驗過程

帶有修飾層的底柵頂接觸型IGZO-TFTs基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。所制備的器件具體結(jié)構(gòu)為:n-Si/SiNx(200 nm)/Al2O3(x nm)/IGZO(40 nm)/ Al(100 nm)。

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of IGZO-TFTs

器件制備前,先將n-Si襯底分別用丙酮、乙醇、去離子水反復擦洗,再用丙酮、乙醇、去離子水分別超聲10 min,放入烘箱內(nèi)烘干(約10 min)。器件制備時,首先采用PECVD工藝在n-Si襯底表面生長一層200 nm厚的SiNx作為絕緣層,再利用ALD工藝在SiNx絕緣層上分別生長不同厚度的Al2O3薄層作為修飾層。然后,利用磁控濺射儀生長IGZO薄膜作為有源層,濺射時間為40 min,功率為50 W,工作氣壓為0.5 Pa,氬氣流量為30 cm3/min。IGZO薄膜經(jīng)橢偏儀測定為40 nm。將樣品放入烘箱中,在大氣環(huán)境下200℃退火處理1 h。最后采用掩膜的方法,蒸鍍100 nm Al作為源漏電極。器件的溝道寬長比均為1 000 μm/100μm。

3 結(jié)果與討論

3.1 Al2O3修飾層厚度對IGZO-TFTs器件性能的影響

制備了4種不同Al2O3修飾層厚度的IGZOTFTs器件。器件A、B、C、D的Al2O3層厚度分別為0,2,4,6 nm。

器件工作在飽和區(qū)(VDS≥VGS-VTH)時,源漏電流(IDS)的表達式為:

由式(1)可以推導出器件工作在飽和區(qū)時的場效應遷移率:

圖2 源漏電壓為30 V時,器件A(a)、B(b)、C(c)、D(d)的IDS-VGS及I1/2DS-VGS曲線。Fig.2 IDS-VGSand I1/2DS-VGScurves at30 V drain voltage of device A(a),B(b),C(c),and D(d),respectively.

圖2為器件A、B、C、D在VDS=30 V時的IDSVGS及曲線。根據(jù)器件的IDS-VGS曲線可以確定器件的開關(guān)電流比;經(jīng)過擬合得到器件VGS曲線中直線段的斜率K值,結(jié)合式(2)可以得到器件A、B、C、D的飽和區(qū)場效應遷移率。VGS曲線的直線段延伸出的直線與橫坐標的交點為器件的閾值電壓。實驗制備的器件的電學性能參數(shù)如表1所示。由于實驗室制備條件有限且工藝有待進一步優(yōu)化,所制備的IGZO薄膜質(zhì)量尚有待提高,導致器件的關(guān)態(tài)電流較高,開關(guān)比較低。

表1 器件A、B、C、D的電學性能參數(shù)Table 1 Electrical parameters of Device A,B,C,and D

由表1可知,與器件A相比,器件B、C、D的性能均有不同程度的提高,其中Al2O3修飾層厚度為4 nm的器件C性能最優(yōu),場效應遷移率由1.19 cm2·V-1·s-1增加到7.11 cm2·V-1· s-1,閾值電壓由39.70 V降低到25.37 V,開關(guān)比由6.10×103增加到4.34×104。

對所制備的器件進行偏壓應力測試,施加柵極和漏極復合偏壓(VGS=50 V,VDS=20 V),結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,器件A、B、C、D施加柵極和漏極復合偏壓(VGS=50 V,VDS=20 V)1 h后,ΔVTH分別為2.19,2.90,1.41,1.55 V。其中器件C的偏壓穩(wěn)定性最好,與對比器件A相比,ΔVTH的漂移由2.19 V降低到1.41 V。而器件B的閾值電壓漂移卻增大,這是由于SiNx薄膜與IGZO薄膜之間往往存在較大的缺陷態(tài),如針孔效應[5]和氮化硅沉積過程中氫元素的引入[6]等,不利于制備高性能的IGZO-TFTs。但當Al2O3修飾層厚度為2 nm時,Al2O3不足以形成連續(xù)的薄膜來隔絕SiNx中氫元素對有源層的傷害和減弱濺射過程對絕緣層的傷害等,以至于形成的絕緣層-有源層界面較差,絕緣層與有源層接觸界面的缺陷態(tài)較多,導致器件的閾值電壓漂移較大。雖然器件D與器件A相比,性能也有所提高,但隨著修飾層厚度的增加電容降低,在絕緣層與有源層界面感應的電荷量減少,柵壓對于溝道的調(diào)控能力降低,導致器件性能反而有所下降,因此Al2O3修飾層的最優(yōu)厚度為4 nm。

圖3 直流正向偏壓應力(VGS=50 V,VDS=20 V)測試下的器件A(a)、B(b)、C(c)、D(d)隨時間變化的IDS-VGS曲線。Fig.3 IDS-VGScurves of device A(a),B(b),C(c),and D(d)as a function of duration time during positive bias stress.

3.2 偏壓穩(wěn)定性分析

當Al2O3修飾層厚度為4 nm時,器件的場效應遷移率、開關(guān)電流比最大,閾值電壓和閾值電壓漂移最小。接下來我們將更深入地對器件A、C進行偏壓穩(wěn)定性分析。圖4是施加不同時間的柵極和漏極復合偏壓后,器件A、C的閾值電壓偏移的大小。曲線滿足Lee等[7]提出的ΔVTH與時間t的拉伸指數(shù)方程:

圖4 閾值電壓偏移量(ΔVTH)與復合偏壓時間的關(guān)系Fig.4 Time dependence ofΔVTHfor gate bias stressing

其中,VTH0表示時間為無窮大時的極限ΔVTH,其值大約為柵介質(zhì)層的電壓降;t是應力時間;τ和β分別為載流子特征俘獲時間和延伸指數(shù)常數(shù)。

IGZO TFTs的閾值電壓在正偏壓條件下的退化主要有兩個原因:一是載流子在正向偏柵壓條件下被柵絕緣層和有源層之間的界面態(tài)捕獲;二是在界面或溝道有新的缺陷態(tài)產(chǎn)生。對于新的缺陷態(tài)產(chǎn)生引起的閾值電壓退化,其標志是衡量TFTs有源層與絕緣層的界面狀況的重要參數(shù)亞閾值擺幅(SS)發(fā)生退化[8-12]。根據(jù)圖3中施加正偏壓后的轉(zhuǎn)移特性曲線可以看出,器件的亞閾值擺幅沒有發(fā)生明顯的變化,這表明器件閾值電壓的退化主要是由載流子被絕緣層-有源層界面缺陷態(tài)捕獲引起的。由于IGZO-TFTs的性能和穩(wěn)定性受器件中絕緣層-有源層界面缺陷態(tài)的影響[13],所以為了進一步研究器件的電學穩(wěn)定性,需比較器件A、C的絕緣層-有源層界面缺陷態(tài)密度的大小。界面處的最大缺陷態(tài)密度表達式[14]如下:

其中,K為玻爾茲曼常數(shù),T為溫度,q為單位電荷量。由式(4)可以看出,為求得器件絕緣層-有源層界面缺陷態(tài)密度,需先獲得器件的亞閾值擺幅。SS是指在一定的源漏電壓下,源漏電流增加一個數(shù)量級所需要的柵壓增量:

由圖2得到器件A、C的SS值分別為8.63 V/dec 和7.17 V/dec,可見器件C由關(guān)態(tài)切換到開態(tài)電流的變化迅速,柵壓對器件的調(diào)控能力更強。由式(4)可知,最大缺陷態(tài)密度大小取決于器件的SS及Ci值。器件C的亞閾值擺幅小于器件A,此外隨著Al2O3修飾層的加入,器件C單位面積電容值也小于器件A的單位面積電容值。與器件A相比,器件C的SS與Ci值同時減小,所以器件C的最大缺陷態(tài)密度小于器件A。在式(4)中帶入器件A、C的SS及Ci,計算得到其絕緣層-有源層的最大缺陷態(tài)密度分別約為 2.79×1012cm-2和2.31×1012cm-2。

綜上可知,在SiNx絕緣層上生長4 nm厚的Al2O3修飾層可降低SiNx中氫元素對有源層的傷害以及減弱濺射過程對絕緣層的傷害,在形成較好的絕緣層-有源層界面的同時也有利于生長出高質(zhì)量的IGZO薄膜。絕緣層-溝道界面缺陷態(tài)少,則在正偏壓條件下(VGS=50 V,VDS=20 V),溝道內(nèi)只有較少的載流子被有源層-絕緣層界面的缺陷態(tài)捕獲,導致閾值電壓漂移較小,從而獲得穩(wěn)定性好的器件。

4 結(jié) 論

采用原子層沉積工藝(ALD)生長均勻致密的三氧化二鋁(Al2O3)薄層對氮化硅(SiNx)絕緣層進行修飾,可以提高銦鎵鋅氧薄膜晶體管(IGZO-TFTs)器件的性能。Al2O3修飾層可以降低SiNx絕緣層中氫元素對IGZO有源層的傷害,還可以減弱磁控濺射工藝生長IGZO有源層過程對絕緣層表面的傷害,有利于形成較好的絕緣層-溝道界面。其中以Al2O3厚度為4 nm的器件性能最佳,最大缺陷態(tài)密度約為2.31×1012cm-2,場效應遷移率為7.11 cm2·V-1·s-1,閾值電壓為25.37 V,開關(guān)電流比為4.34×104,亞閾值擺幅為7.17 V/dec,1 h正向復合偏壓應力測試下的閾值電壓漂移為1.41 V。

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郭永林(1990-),女,山西代縣人, 2013年于吉林大學獲得學士學位,主要從事薄膜晶體管方面的研究。

E-mails:gyl200908@163.com

王紅波(1969-),女,吉林長春人,副教授,碩士生導師,2012年于吉林大學獲得碩士學位,主要從事有機電子器件方面的研究。

E-mails:wang_hongbo@jlu.edu.cn

Im provement of IGZO-TFTs Performance with SiNχGate Insulator Modified by Al2O3Film

GUO Yong-lin,LIANG Xu-xu,HU Shou-cheng,MU Xiao-ling, QU Jia-wei,WANG Hong-bo*,ZHAO Yi

(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,Jilin University Region,
College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China)
*Corresponding Author,E-mail:wang_hongbo@jlu.edu.cn

Top-contact thin-film transistors(TFTs)were fabricated using SiNxas the gate insulator and InGaZnO as the channel layer.The insulator wasmodified by Al2O3layer and its effect on the performance of IGZO-TFTswas investagated.The results show that TFTswith 4-nm-thick Al2O3film exhibits the bestelectrical performance.The best performance can be attributed to the suppression of maximum density of surface states at the channel-insulator interface which is reduced by 17.2% contrasting to the TFTswithout Al2O3buffer layers.The field effectmobility increases from 1.19 to 7.11 cm2/(V·s),and the threshold voltage decreases from 39.70 to 25.37 V.Under bias stress for 1 h,the threshold voltage shift decreases from 2.19 to 1.41 V/dec.

IGZO thin film transistors;Al2O3;SiNx;themaximum density of surface states

TN321+.5

:A

10.3788/fgxb20153608.0947

1000-7032(2015)08-0947-06

2015-05-18;

:2015-06-21

國家自然科學基金(61275033)資助項目