基于超薄Al2O3柵絕緣層的低工作電壓IGZO薄膜晶體管及其在共源極放大器中的應用

張 浩， 李 俊， 趙婷婷， 郭愛英， 李痛快， 茅帥帥， 原 理， 張建華

(上海大學 機械工程與自動化學院， 上海 200072)

1 引 言

近年來，TFT在各類新興電子產(chǎn)品諸如平板顯示[1]、人工突觸[2-3]、傳感器[4-5]或其他高科技設備等未來應用中顯示出巨大潛力。隨著集成度越來越高和功能越來越復雜，設備的功耗和穩(wěn)定性面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有TFT溝道材料中，傳統(tǒng)非晶硅TFT由于遷移率低和穩(wěn)定性差已難以滿足現(xiàn)有電子設備的要求。多晶硅TFT雖然具有高的遷移率，但存在工藝復雜、成本高等缺點。而氧化物TFT由于具有遷移率高、制備工藝簡單和成本低等優(yōu)點而備受關注。同時，寬帶隙氧化物材料具有更突出的實現(xiàn)低功耗的優(yōu)勢，因為其截止電流非常低。a-IGZO是一種眾所周知的n型氧化物半導體，Hosono等[6]于2004年首先報道了使用a-IGZO在室溫下制造TFT的方法。a-IGZO具有高于10 cm2/(V·s)的載流子遷移率和穩(wěn)定的非晶態(tài)結構[7-9]，同時具有沉積溫度低[6,10]、可見光范圍內(nèi)透過率高和易形成大面積均質(zhì)薄膜等優(yōu)點[11]。然而，a-IGZO TFT通常需要大的電壓才能實現(xiàn)高的遷移率和開關電流比。

目前，降低TFT工作電壓最簡單的方法是減小柵絕緣層厚度以得到大的柵極電容。然而，傳統(tǒng)SiO2柵絕緣層厚度的減小是有限的，因為當柵絕緣層太薄時將導致大的柵極泄漏電流[12]。幸運的是，使用高介電常數(shù)(high-k)材料代替SiO2作為柵絕緣層可以同時實現(xiàn)低泄露電流和低工作電壓[13-14]。然而，high-k材料普遍存在禁帶寬度隨k值增加而減小的現(xiàn)象[15]。因此，必須使用高質(zhì)量的絕緣薄膜來避免大的泄漏電流。Al2O3作為常見的非晶態(tài)high-k材料(k=9)，禁帶寬度較大(Eg=8.5 eV)，擊穿電場較高(5～10 mV/cm)，具有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，且具有較好的界面粘附性[16]。

同時，薄的柵絕緣層具有更小的內(nèi)應力和更低的缺陷態(tài)[17]，將更加適用于未來復雜的TFT應用。對于TFT器件來說，柵絕緣層界面態(tài)對于器件穩(wěn)定性具有至關重要的作用[18]。因此，為了全面提升TFT性能，必須改善柵絕緣層界面態(tài)。已有報道的柵絕緣層制備方法主要有濺射法[19]和溶液法[20]，遺憾的是，濺射法制備的薄膜面臨著界面缺陷態(tài)較多的問題，而溶液法又存在著泄露電流較大且難以精準控制膜厚等問題。近年來，原子層沉積(ALD)技術已經(jīng)成為生產(chǎn)高質(zhì)量無機薄膜的有效技術，具有成膜純度高、均勻性和保形性好，還能精準控制薄膜厚度等優(yōu)點[21-22]。因此，這使得ALD-Al2O3作為TFT柵絕緣層受到越來越多的關注。2015年，本課題組Ding等[19]實現(xiàn)了100 nm Al2O3柵絕緣層的TFT的制備。2018年，Ma等[23]得到了5 nm超薄Al2O3柵絕緣層的TFT的性能。

然而，目前關于大面積陣列ALD-Al2O3柵絕緣層TFT的報道較少，其穩(wěn)定性也面臨著巨大挑戰(zhàn)，同時對其相關應用的探索也明顯不足。本文采用平面光刻工藝，使用ALD-Al2O3作為柵絕緣層，研究了Al2O3厚度分別為50,40,30，20 nm時對TFT器件性能的影響，最終在150 mm×150 mm大面積玻璃基底上制備了低工作電壓、高穩(wěn)定性a-IGZO TFT。其中，當Al2O3柵絕緣層厚度為20 nm時得到最優(yōu)的綜合性能：1 V低工作電壓、接近0 V的閾值電壓和僅為65.21 mV/dec的亞閾值擺幅；還具有15.52 cm2/(V·s)的高載流子遷移率、5.85×107的高開關比和較低的柵極泄露電流。同時，器件還表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性：柵極±5 V偏壓1 h閾值電壓波動最小僅為0.09 V，以及優(yōu)良的大面積分布均一性。最后，還進行了對其應用的探索，以該TFT器件為基礎設計了二極管負載共源極放大器，得到14 dB的放大增益，并具有良好的響應速度。

2 實 驗

a-IGZO TFT器件采用底柵頂接觸結構，如圖1所示。采用150 mm×150 mm的Corning EXG玻璃作為基底。經(jīng)去離子水清洗后，利用磁控濺射機(日本ULVAC SME-200E)在基底上濺射厚度30 nm的鉬(Mo)、20 nm的氧化銦錫(Indium tin oxide，ITO)雙層結構作為Gate電極，并通過光刻及濕法刻蝕工藝形成底柵圖案。ITO能夠阻擋后續(xù)干法刻蝕工藝對Mo的破壞，還具有更好的爬坡能力，在打孔處能更好地連接不同層，同時Mo能彌補ITO的導電性能[24-25]。為簡化工藝，后續(xù)源(Source)、漏(Drain)電極同樣采用該工藝及膜層結構。使用ALD(芬蘭BENEQ TFS-200)設備在250 ℃下生長不同厚度的Al2O3作為柵絕緣層(Gate insulating，GI),氣源為三甲基鋁(Trinethyluminium，TMA)和水。通過控制氣源循環(huán)次數(shù)調(diào)節(jié)膜厚，單個循環(huán)時間為4 s，沉積厚度0.1 nm。IGZO有源層(Active layer，AL)在常溫下通過磁控濺射設備制備，厚度為60 nm，其中Ar與O2流量比為50∶5(mL/min)，濺射功率為300 W。并通過光刻及濕法刻蝕等工藝做出有源層圖案。為保護IGZO免受水、氧及后續(xù)濕法刻蝕工藝中酸刻蝕液等的影響，在IGZO上面采用等離子體增強型化學氣相沉積設備(日本 ULVAC SME-200E)在220 ℃環(huán)境下制備200 nm SiO2作為刻蝕阻擋層(Etch-stop layer，ES)。并通過干法刻蝕設備(日本 DES-206E)使ES層漏出有源層，形成Source、Drain電極連接通孔。接著采用與Gate電極相同的工藝制備圖案化的Source、Drain電極。器件寬長比為W/L=250 μm∶50 μm。最后,為了獲得穩(wěn)定的TFT性能，我們將器件在300 ℃大氣氛圍下進行2 h的退火，之后進行器件性能測試。器件的電學性能均在室溫條件下采用Keithley 4200-SCS半導體參數(shù)測試系統(tǒng)進行測試。

圖1 TFT器件結構示意圖

3 結果與討論

3.1 物態(tài)與形貌分析

為了得到薄膜的物質(zhì)形態(tài)，我們通過X射線衍射(日本Smartlab9 XRD)測得了樣品的微結構數(shù)據(jù)，如圖2所示。從圖中可以看出，未出現(xiàn)任何明顯的特征峰，這表明IGZO和Al2O3薄膜都是非晶態(tài)的。非晶態(tài)薄膜具有表面光滑、缺陷態(tài)密度低以及大面積制備均勻等優(yōu)點[26]。

圖2 器件的XRD圖譜(內(nèi)嵌圖為器件結構)

Fig.2 XRD pattern of the device(Inset shows the device structure)

同時，我們也分別測試了沉積在玻璃基板上的50，40，30，20 nm厚度Al2O3薄膜和IGZO薄膜的原子力顯微鏡(德國Bruker dimension AFM)圖像，如圖3所示。Al2O3薄膜均方根粗糙度分別為0.72，0.66，0.58，0.50 nm，IGZO 薄膜均方根粗糙度為0.55 nm，膜面均表現(xiàn)出較好的光滑度。Al2O3厚度為20 nm時具有最優(yōu)的膜面。薄膜的粗糙度顯示出隨著厚度增加而增大的趨勢，這是由于薄膜厚度的增加導致側向應力的釋放以及小空洞的產(chǎn)生所致[19]。結果表明，最大的粗糙度僅為0.72 nm，說明Al2O3薄膜表面是非常光滑的，這對器件的高性能是有益的。首先，光滑的Al2O3層有利于高質(zhì)量的IGZO成膜，以此獲得優(yōu)異的有源層-絕緣層界面態(tài)。其次，光滑的Al2O3層也會具有較少的表面缺陷[27]。載流子的運輸主要發(fā)生在界面幾納米的地方，所以良好的界面態(tài)是獲得高性能TFT器件的關鍵。

圖3 50(a)，40(b)，30(c)，20(d) nm Al2O3和IGZO薄膜(e)表面形貌AFM圖像。

3.2 Al2O3柵絕緣層厚度對TFT器件性能的影響

圖4為不同厚度Al2O3柵絕緣層TFT電學性能測試結果，(a)、(b)、(c)和(d)為Al2O3厚度分別為50，40，30,20 nm時的TFT轉移特性曲線，(e)、(f)、(g)和(h)為與之對應的輸出特性曲線，表1為提取的器件各個性能參數(shù)。

從輸出特性曲線可以看出，器件都呈現(xiàn)出良好的飽和特性，也沒有出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象，說明電極和有源層之間具有良好的歐姆接觸，這要歸功于我們雙層電極的設計。

從轉移特性曲線可以直接看出，每個器件表現(xiàn)出高的開關比以及低的亞閾值擺幅。這表示TFT可以快速實現(xiàn)開斷切換，同時具有低工作電壓。工作電壓僅為1 V時，仍可觀察到良好的晶體管特性，開關比均大于107。同時，器件都表現(xiàn)出較小的柵極泄露電流，最大值出現(xiàn)在Al2O3厚度為20 nm時，也僅為7.98×10-11A。這表明絕緣層具有良好的絕緣特性。這要歸功于光滑、致密的非晶態(tài)Al2O3薄膜。柵極泄露電流出現(xiàn)變大的趨勢是由于Al2O3柵絕緣層的減薄所致。

利用公式(1)，根據(jù)轉移特性曲線可以提取出TFT器件場效應遷移率(μ)和閾值電壓(VTH)：

(1)

其中Ci是柵絕緣層單位面積電容，W和L分別為溝道寬度和長度，VGS和IDS是柵極-源極電壓和漏極-源極電流。測試結果均在表1中列出。μ隨著Al2O3厚度的降低而逐漸增加，這是由于μ與柵絕緣層表面形貌優(yōu)劣密切相關。優(yōu)質(zhì)的界面態(tài)可以有效地減少載流子散射以及減少缺陷對溝道電荷的捕獲，這對于獲得高遷移率、高穩(wěn)定性都是有益的[28-29]。由AFM數(shù)據(jù)可知，隨著Al2O3厚度的降低，薄膜表面光滑度是逐漸提高的，所以當Al2O3厚度為20 nm時，器件具有最高的μ值，為15.52 cm2/(V·s)。同時，器件的閾值電壓均接近于0 V，且隨Al2O3薄膜厚度的降低而左移。這是由于更薄的Al2O3柵絕緣層在相同的柵壓下具有更強的電容耦合能力，能在單位面積有源層溝道中感應出更多的感應電荷。根據(jù)下列表達式：

(2)

其中,Qind是溝道中由所施加的柵極電壓所感應出的單位面積累積電荷，ε是介電常數(shù)，d是GI的厚度。因此，隨著GI厚度的減薄，在相同柵壓下，單位面積有源層溝道將感應出更多的載流子。因此，即使在接近0 V的柵極電壓下，也可以在TFT器件中形成導電溝道，并且將導致低的TFT工作電壓。

亞閾值擺幅(SS)可以反映有源層與絕緣層的界面情況，因為載流子的運輸主要發(fā)生在界面，所以界面缺陷態(tài)的多少不僅會影響器件的電學性能，也影響器件的穩(wěn)定性。本文各器件表現(xiàn)出非常小的SS，最小僅為65.21 mV/dec。這也證明了我們的有源層-絕緣層具有非常好的界面態(tài)，具體數(shù)值可以通過以下關系式確定[30]：

圖4 Al2O3厚度分別為50，40，30，20 nm時的TFT轉移(a～d)、輸出特性(e～h)曲線。

(3)

表1 器件性能參數(shù)

(4)

3.3 偏壓穩(wěn)定性

ΔVTH=Qt/COX,

(5)

圖5 (a)±5 V柵極偏壓3 600 s，不同厚度Al2O3柵絕緣層TFT的VTH變化；(b)、(c)20 nm厚度Al2O3柵絕緣層TFT的PBS(+5 V)和NBS(-5 V)測試結果。

Fig.5 (a)VTHvariation of TFT with different Al2O3gate insulater thickness at ±5 V bias voltage of 3 600 s. (b) PBS (+5 V) and (c)NBS (-5 V) results for the TFT with 20 nm thickness of Al2O3gate insulator.

3.4 分布均一性

同時，我們也研究了大面積制造的可行性及分布均一性，在150 mm×150 mm的TFT玻璃基板上，選擇綜合性能最佳的20 nm厚度Al2O3柵絕緣層TFT，制備了均勻分布的四部分TFT器件，每部分包括10個TFT器件，總計40個器件。陣列實物圖如圖6(b)所示，其中四部分TFT為區(qū)域①～④部分。圖6(a)為40個TFT的轉移特性曲線，圖6(c)、(d)、(e)分別為40個TFT器件的VTH、μ及SS統(tǒng)計數(shù)據(jù)。40個TFT器件的VTH和SS值波動范圍分別僅為(-0.25±0.06) V和(77.04±18.78) mV/dec，μ則分布在(14.16±1.56) cm2/(V·s)范圍內(nèi)。這表明該器件具有良好的分布均一性，也表示其工藝是可靠的。

圖6 TFT分布均一性。(a)40個TFT的轉移特性曲線；(b)器件實物圖；(c)、(d)、(e)40個TFT的VTH、μ和SS統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

Fig.6 TFT distribution uniformity. (a)Transfer characteristic curves of 40 TFTs. (b)A top view of 150 mm×150 mm sample. (c), (d)， (e)Statistical charts ofVTH,μandSS, respectively.

3.5 共源極放大電路

圖7 共源極放大電路。(a)電路原理圖；(b)不同電源電壓下電路的輸入、輸出關系；(c)不同電壓下放大器直流增益(定義為|dVOUT|/dVIN)；(d)交流輸入信號的輸出特性(VGS=0.8 V，VD=5 V，內(nèi)嵌圖為局部放大圖)。

Fig.7 Common-source amplifier circuit. (a)Circuit schematic diagram. (b)Input-output relationship of the circuit at different supply voltages. (c)DC gain(|dVOUT|/dVIN) of the amplifier at different supply voltages. (d)Output characteristics with an AC input signal(VGS=0.8 V,VD=5 V. Inset shows the partial enlarged drawing).

4 結 論

通過選用具有遷移率高、沉積溫度低、易形成大面積均質(zhì)薄膜等優(yōu)點的濺射a-IGZO薄膜作為有源層，并通過ALD技術獲得致密、均勻的高質(zhì)量超薄Al2O3薄膜作為柵絕緣層，獲得了性能優(yōu)異的TFT器件。并研究了Al2O3柵絕緣層厚度對TFT器件性能的影響，當Al2O3柵絕緣層厚度為20 nm時，得到最優(yōu)綜合性能：1 V低工作電壓、接近0 V的閾值電壓和僅為65.21 mV/dec的亞閾值擺幅;還具有15.52 cm2/(V·s)的高載流子遷移率、5.85×107的高開關比和較低的柵極泄露電流。同時，器件還表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性：±5 V柵極偏壓1 h閾值電壓波動最小僅為0.09 V和優(yōu)良的150 mm×150 mm大面積分布均一性。這都歸功于20 nm超薄Al2O3薄膜較大的柵電容以及優(yōu)質(zhì)的有源層-柵絕緣層界面態(tài)。至此，我們得到了低工作電壓、高穩(wěn)定性a-IGZO TFT。最后，還進行了對其應用的探索，將該器件應用到小信號放大電路中，研究了二極管負載的共源極放大電路，得到14 dB的放大增益，且具有良好的響應速度。