Al2O3沉積功率對共濺射Al-Zn-Sn-O薄膜晶體管性能的影響

武明珠，郭永林，茍昌華，關曉亮,王紅波

（吉林大學 電子科學與工程學院，吉林 長春 130012）

近年來，以非晶銦鎵鋅氧化物（IGZO）為代表的非晶氧化物半導體因具有載流子遷移率高、沉積溫度低、均勻性佳、透過率高等特點，引起了學術界和工業界的廣泛關注[1]，并且以IGZO作為有源層的薄膜晶體管（TFT）被認為是顯示器朝著大尺寸、柔性化方向發展的最有潛力的背板技術[2-4]。然而，IGZO中的In和Ga均為稀有元素，制備成本較高。因此，制備不含In、Ga元素的有源層得到了廣泛的研究，比如Al-Zn-Sn-O(AZTO)。有源層AZTO所含元素儲量大，價格便宜，并且AZTO TFT在低溫退火條件下，仍表現出較好的傳輸曲線[5]。雖然有關AZTO薄膜晶體管的研究已有文獻報道，但制備的AZTO薄膜多采用溶液法工藝，工藝步驟繁瑣，與現有的工業生產工藝不兼容，而且所制備的器件性能有待于提高。例如，Kim Kyeong-Ah等人采用溶液法制備的AZTO TFT的遷移率只有 0.24 cm2/V·s[6]。

在文中，我們采用功耗低、大面積沉積均勻性好、和生長速率高的磁控濺射工藝[7]，利用三靶磁控共濺射Al2O3-ZnOSnO2的方法，成功的制備了AZTO薄膜及其薄膜晶體管，研究了不同Al2O3濺射功率對AZTO薄膜及其薄膜晶體管特性的影響，并獲得最優的器件性能。

1 實驗

薄膜晶體管器件制作于硅（Si）片襯底上，采用柵極在下、源漏電極在上的底柵結構，如圖1所示。首先，利用低壓化學氣相沉積（LPCVD）工藝，在Si表面上生長厚度為200 nm的SiNx絕緣層。然后，在室溫條件下，使用3個RF500W射頻源，通過三靶共濺射的方式沉積AZTO薄膜作為有源層，如下圖2所示。靶材分別為Al2O3、ZnO和SnO2，均為兩寸陶瓷靶。共濺射時，3個靶源分別通入10 sccm的氬氣。生長過程中，腔體的總壓強控制在1.0 pa。基片的轉速維持在20轉/分。3個靶均起輝后，先預濺射15分鐘，以去除靶材表面的雜質。我們制備了4個器件，每個器件中ZnO和SnO2的濺射功率分別控制在170 W和25 W，保持不變，而Al2O3濺射功率為0 W、10 W、20 W、30 W依次增大。制備的有源層AZTO薄膜厚度為45 nm。接著蒸鍍Al作為源漏電極，晶體管溝道的寬度和長度分別為1000μm和100μm。最后制備好的TFT器件，放入烘箱中，在大氣環境下，200°C退火處理1小時。

圖1 AZTO TFT器件的剖面圖Fig.1 Cross-sectional view of the fabricated AZTO TFT device

圖2 共濺射系統中靶與基底的排列方式圖Fig.2 Target-substrate arrangement of the cosputtering system

采用UV2550測量制備于玻璃襯底上的、不同Al2O3沉積功率下AZTO薄膜的透射率，并通過多功能X射線衍射儀(粉末XRD)對不同Al2O3沉積功率的AZTO薄膜，進行了測試。其中，AZTO薄膜在測試前進行了退火處理。器件的電學性能均在室溫條件下采用Keithley 2400測量。

2 結果和討論

2.1 AZTO薄膜的性能

圖3為在不同Al2O3沉積功率下，AZTO薄膜的XRD圖。對于不同Al2O3沉積功率，圖中并沒有觀察到明顯的衍射峰。可見，所制備的薄膜都是非晶的。

圖4是制作于玻璃基板上的單層AZTO薄膜的光學透過率。可以發現，當Al2O3沉積功率分別為0 W、10 W，20 W，30 W時，AZTO單層薄膜在人眼最敏感波長（550 nm）處的透過率均在85%以上。

2.2 AZTO TFT的電學性能分析

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

圖3 不同Al2O3濺射功率下的AZTO薄膜的XRD圖Fig.3 XRD patterns of AZTO films at different Al2O3deposition power

圖4 不同Al2O3濺射功率下AZTO薄膜的透射譜Fig.4 Optical transmittance spectra of AZTO film at different Al2O3deposition power

由(1)式可推導出，器件工作在飽和區時的場效應遷移率：

其中，K為IDS1/2-VGS曲線中擬合出的斜率、W/L為導電溝道的寬長比、VTH為閾值電壓、μFE為場效應遷移率、Ci為單位面積柵電容、εr為絕緣層材料的相對介電常數、ε0為真空介電常數、dinsulator為絕緣層的厚度。計算得到本實驗中Ci為3.48 nF/cm2。圖 5 中(a)、(b)、(c)和(d)分別為 Al2O3 沉積功率為 0 W、10 W，20 W，30 W時的輸出特性曲線圖。

由圖5可得在VDS為30 V時的IDS-VGS曲線及IDS1/2-VGS曲線，如圖6所示。根據器件的IDS-VGS曲線可以確定器件的開關電流比。經過擬合得到每個器件IDS1/2-VGS曲線中直線段的斜率依次為 7.67×10-4、6.76×10-4、6.50×10-4和 5.82×10-4，結合公式（2），可以計算出器件的飽和區的場效應遷移率。IDS1/2-VGS曲線的直線段擬合出的直線與橫坐標的交點為器件的閾值電壓。4個器件的電學參數如表1所示。從表 1可以清楚的看出，隨著Al2O3濺射功率的增加，器件的遷移率是逐漸降低的，閾值電壓逐漸增大。遷移率降低的原因我們認為：一是Al2O3禁帶寬度相對于ZnO和SnO2要大很多[8-10]，隨著Al2O3沉積功率的增加，薄膜中的Al組分增加，使得薄膜的禁帶寬度變大，阻擋了載流子的傳輸[11]，載流子濃度降低，遷移率下降；二是因Al與O的結合能比Ga與O的結合能更高，Al的摻入使得AZTO薄膜中的氧空位減少，從而降低了載流子濃度，也使得遷移率下降。此外，載流子濃度降低，亦使閾值電壓增大。可見，Al在AZTO TFT中充當著抑制載流子的作用。

圖5 不同Al2O3濺射功率下器件的輸出特性曲線Fig.5 Drain current vs drain voltage characteristics at different Al2O3deposition power

圖6 不同Al2O3濺射功率下，器件的轉移特性曲線Fig.6 The transfer characteristics and IDS1/2-VGSat different Al2O3 deposition power

表1 不同Al2O3濺射功率下AZTO TFT器件的電學性能參數Tab.1 Electrical parameters of AZTO TFTs at different Al2O3 deposition power

雖然隨著Al2O3濺射功率的增加，器件的遷移率下降、閾值電壓增大，但是器件的轉移特性得到了有效的改善。對于Al2O3濺射功率為0 W和10 W時，器件的關態電流太大，轉移特性不突出，開關比低。當Al2O3濺射功率分別為20 W和30 W時，器件獲得了較好的轉移曲線。并且隨著Al2O3濺射功率的增加，器件的開關比先增大，再降低。這是由于隨著Al2O3濺射功率的增加，載流子濃度降低，濺射功率從0 W增加到20 W時，器件的開態電流下降，但是變化范圍不大，從1.69 mA減小到0.83 mA；而關態電流卻得到了顯著的降低，由8.0*10-3mA降到4.5*10-6mA，降低了3個數量級，從而使得開關比提高。當濺射功率由20 W繼續增加到30 W時，薄膜中的Al含量太多，以致于開態電流變化較大，而關態電流變化趨于緩慢，從而開關比有所下降。綜合3個參數進行考慮，當Al2O3濺射功率為20 W時，器件的性能是最佳的。通過冷場發射掃描電子顯微鏡(JSM-7500F)測得，當Al2O3濺射功率為20 W時，未退火AZTO薄膜中Zn、Sn、Al、O的原子含量分別為 17%、3%、2%、78%。

4 結論

在實驗中我們采用三靶磁控共濺射的方法，制備了AZTO薄膜以及AZTO TFT器件。實驗發現，制備的非晶AZTO薄膜在不同Al2O3沉積功率下，均有較高的透過率。通過調節Al2O3沉積功率，我們獲得了最佳器件性能。當Al2O3沉積功率為20 W時，器件的性能最優，此時有遷移率為2.43 cm2/V·s，閾值電壓為 26.6 V，開關比為 1.9×105。

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