非晶镁铟锡氧薄膜晶体管的制备及退火对其性能的影响

非晶镁铟锡氧薄膜晶体管的制备及退火对其性能的影响
王韬;张希清
【摘要】为了优化镁铟锡氧薄膜晶体管(MITO-TFT)的性能,采用磁控溅射法制备MITO-TFT并分别研究了退火温度和退火气氛(O2流量)对器件性能的影响.实验结果表明,O2流量为400 cm3/min、退火温度为750℃的MITO薄膜为非晶态,且其对应薄膜晶体管有最佳性能,其饱和迁移率为12.66 cm2/(V·s),阈值电压为0.8 V,开关比达到107.适当的退火处理可以有效减少缺陷与界面态密度,并提高器件性能.%In order to optimize the performance of Mg-In-Sn-O thin film transistors ( MITO-TFTs) , MITO-TFTs were fabricated by radio frequency magnetron sputtering. The electrical properties on the effect of the annealing temperature and annealing ambient ( O2 flow rate) were investigated. The 750℃ annealed MITO thin film with 400 cm3/min O2 flow is amorphous and the corresponding TFT shows best performance with saturation field effect mobility of 12. 66 cm2/(V·s), threshold voltage of 0. 8 V and on/off ratio reaches 107 . Proper annealing will reduce defect and interface states den-sity, improve the device performance effectively.【期刊名称】《发光学报》
【年(卷),期】2017(038)011
【总页数】6页(P1539-1544)
【关键词】MITO-TFT;氧化物半导体;迁移率;退火温度;退火氧气流量
【作者】王韬;张希清
【作者单位】北京交通大学光电子技术研究所,北京 100044;北京交通大学光电子技术研究所,北京 100044
【正文语种】中文
【中图分类】TN321+.5
近年来，以氧化锌(ZnO)及其二元、三元衍生物如铟锌氧(IZO)、锌锡氧(ZTO)、锌铟锡氧(ZITO)、铟镓锌氧(IGZO)等为代表的氧化物薄膜晶体管(TFT)受到了研究人
员的广泛关注[1-11]。

氧化物晶体管具有较高的迁移率、可见光透明、均匀性好等优点，使其在新型显示技术中展现出巨大的应用潜力。

但是ZnO存在如氧空位(Vo)、锌填隙(Zni)等本征缺陷，且其在常温下为多晶态，这影响了ZnO-TFT的稳定性。

考虑到氧化镁(MgO)相比ZnO具有更大的禁带宽度(MgO：7.8 eV，ZnO：3.4 eV)，更强的M—O键能(393.7 kJ/mol)[12]，因此本文尝试以MgO为有源
层的主要材料制备氧化物TFT器件。

目前已有将少量MgO掺杂入ZnO、In2O3 制成TFT有源层的报道，以抑制本征缺陷的形成，提高器件稳定性[13-17]。

另一方面，由于MgO优良的绝缘性和致密性，也有研究者将MgO作为TFT的绝缘
层或惰性层[18-22]。

然而截至目前，将MgO作为TFT有源层主要材料的报道尚属空白。

考虑到MgO较低的导电性能和载流子浓度，本文将一定比例的In2O3、SnO2混入MgO。

In2O3与SnO2是典型的宽禁带半导体且其金属离子符合细野秀雄[23-24]提出的对于氧化物半导体金属离子的核外电子排布要求((n-1)d10ns0 (n≥4))。

本文使用磁控溅射法制备了Mg-In-Sn-O(MITO)TFT，并通过对有源层的退火处
理优化器件性能。

实验结果表明，当MITO薄膜在400 cm3/min的O2气体保护下750 ℃退火后得到的器件性能最佳。

底栅交叠型MITO-TFT的基本结构如图1所示。

本文采用单面热氧化的重掺杂p-
Si作为衬底，SiO2层厚度为300 nm。

在制备有源层前，将圆形硅片切割分离成
尺寸约为1.5 cm×1.5 cm的衬底，然后分别使用丙酮、无水乙醇、去离子水清洁衬底表面杂质，用高纯氮气吹干备用。

MITO有源层的沉积使用Alliance Line 420磁控溅射设备，选用MgO-In2O3-SnO2混合烧结的陶瓷靶，其中各组分的
量比为n(MgO)∶n(In2O3)∶n(SnO2)=80%∶16%∶4%。

将衬底与靶材置入溅射腔体后，抽真空至2×10-3 Pa，再通入流量为30 cm3/min的氩气(Ar)为工作气体，开始起辉溅射，溅射过程中工作气压为2×10-2 Pa，溅射功率为100 W。

在正式沉积有源层之前，先进行500 s预溅射以去除靶材存放时表面吸附的杂质。

通过调整溅射时间控制有源层薄膜厚度，有源层厚度为25 nm。

有源层制备完成后，将其置入石英管，通入高纯O2 30 min以排除管中空气。

在O2气氛保护下，退火30 min。

将石英管从管式炉中取出，继续通入O2直至样品冷却至室温后取
出样品。

为研究退火保护气氛对器件性能的影响，分别调节氧气流量为0，200，400，600 cm3/min。

为研究退火温度对器件性能的影响，设定退火温度分别为650，700，750，800，850 ℃。

Al源/漏电极使用厚度为0.1 mm的不锈钢掩模版以热蒸发的方式制备，同样采取热蒸发法在Si衬底背面制备Al栅电极。

Al电
极厚度约为200 nm。

TFT的沟道长为50 μm，宽长比W/L=1。

器件制备完成后，在室温大气遮蔽光照的条件下，使用Keithley SCS-4200半导
体特性分析系统对器件电学性能进行测试，使用Bruker D8 Focus X射线衍射(XRD)设备对薄膜晶体结构进行研究(Cu Kα波长)。

3.1 退火温度对MITO-TFT性能的影响
将退火时的O2流量设置为400 cm3/min。

图2(a)给出了750 ℃退火器件的输出特性曲线。

其中栅极电压(VGS)扫描范围为0～50 V，步长为10 V；源漏电压(VDS)测量范围为0～80 V。

由图2(a)可以看出，750 ℃退火的MITO-TFT表现
出典型的n沟道场效应晶体管的特性，且能在较大VDS下表现出较好的饱和特性。

图2(b)～(f)分别给出了MITO薄膜经过650，700，750，800，850 ℃退火后其对应薄膜晶体管的转移特性曲线，VGS的扫描范围为-3～100 V，VDS为40 V。

表1给出了MITO-TFT的各项电学性能参数随退火温度的变化情况。

其中器件的
饱和迁移率(μSAT)和阈值电压(VTH)是由器件的转移特性曲线经线性拟合得到的，其表达式为:
这里IDS为源漏电流，Ci为绝缘层单位面积电容，W和L分别为沟道宽和长。

当退火温度由650 ℃上升到750 ℃时，器件的阈值电压由22 V下降到0.8 V，
μSAT由1.79 cm2/(V·s)增加到12.66 cm2/(V·s)，开关比由1.40×106 增加至
1.99×107，亚阈值摆幅(KSS)由
2.88 V/dec下降到1.85 V/dec。

以上变化表明，当退火温度由650 ℃上升到750 ℃时，器件性能整体变好。

当退火温度进一步上升到850 ℃时，阈值电压由0.8 V上升到32.8 V，迁移率下降到0.31 cm2/(V·s)，开关比(Ion/Ioff)下降到1.85×105，亚阈值摆幅由1.85 V/dec上升到2.65 V/dec，器件性能明显下降。

为了进一步研究退火温度对器件性能影响的机理，本文对各退火温度下的MITO
薄膜进行了XRD测试。

图3为各退火温度下MITO薄膜的XRD图谱，其中未退
火的MITO薄膜作为对照组参与测试。

由图中可以明显看出，当退火温度低于
750 ℃时，并没有明显的衍射峰出现 (位于2θ=23°附近的波包来自测试样品的石
英衬底)，MITO薄膜在低于750 ℃的退火处理下依然保持非晶态。

根据先前的报道，In-Sn-O薄膜的结晶温度大约为180～230 ℃(与制备条件及薄膜组分有关)，这说明MgO抑制了In-Sn-O的结晶趋势，此时退火处理并未改变薄膜的结构，
因而器件性能的提升主要来自于退火处理减少了有源层与SiO2绝缘层界面的缺陷态密度并提高了薄膜质量。

有源层/绝缘层的最大界面态密度可表示为以下关系[25]：
式中，k为波尔兹曼常数；T为热力学温度；q为单位电荷量；KSS为亚阈值摆幅，
代表IDS增加一个数量级时VGS的变化速率，表示为：
经过计算，650，700，750 ℃退火下器件最大界面态密度Nt分别为3.4×1012，3.1×1012，2.2×1012 cm-2，可见当退火温度从650 ℃提高到750 ℃时，界面
态密度减小，载流子受到的散射减弱，且更容易积累形成导电沟道，因此器件的迁移率升高，阈值电压降低。

而当退火温度提高到850 ℃时，可以明显看出MITO
薄膜的XRD图谱存在多个衍射峰，其中2θ=21.3°，31.0°，235.9°的衍射峰分别对应立方In2O3的(211)、(222)和(400)晶向，这说明MITO薄膜由非晶态转变为多晶态。

理论上，晶态半导体迁移率高于非晶态，但是器件性能在850 ℃退火下大幅度下降，这似乎与常识矛盾。

一种可能的解释是对于In2O3来说，其载流子传输通路
由In离子的5s轨道形成，由于其5s轨道的球对称性使其迁移率对结晶性不敏感，因此非晶态下仍能保持较高迁移率，而过高温度退火处理会使薄膜产生大量的结构缺陷，反而使薄膜质量变差，载流子受到更多散射，因此器件迁移率降低，阈值电压增大。

3.2 退火气氛对MITO-TFT性能的影响
由于在退火过程中金属氧化物半导体如ZnO、In2O3等易发生氧元素逸出导致氧
空位缺陷，因此在退火过程中提供适当的保护气体是必不可少的。

适当的保护气体可以减少退火产生的结构缺陷，保持器件性能。

本节使用高纯O2作为MITO薄
膜退火过程中的保护气体，着重研究了保护O2流量对器件性能的影响，根据上节讨论结果，本节中退火温度均设置为750 ℃。

图4分别给出了MITO薄膜在O2流量为0，200，400，600 cm3/min下退火
的薄膜晶体管的转移特性曲线。

其中0 cm3/min代表退火时未通入任何保护气体，薄膜直接在大气环境中进行退火。

未通入O2的器件其饱和迁移率为0.46
cm2/(V·s)，阈值电压为39.2 V，开关比为2.64×104。

器件迁移率很低且Ioff较
大，造成这种现象的原因有可能是背沟道(即有源层靠近大气一侧)发生了氧元素的逸出，产生了大量氧空位。

这说明在空气中直接退火会削弱退火处理对薄膜缺陷的消除作用[26]。

当O2流量从200 cm3/min增加到400 cm3/min时，器件的迁移率从8.97 cm2/(V·s)提高到了12.66 cm2/(V·s)，阈值电压从11.6 V减小到0.8 V，开关比从8.89×105提高到1.99×107，Ioff从3.78×10-10下降到2.98×10-11。

以上变化说明随着流量的增加，O2对薄膜的保护作用增强，尤其是有效抑制了氧空位的生成。

进一步加大O2流量到600 cm3/min后，器件的饱和迁移率下降到8.43 cm2/(V·s)，阈值电压增大到16.2V，Ion和Ioff均有一定程度减小因而开关比变化不大。

造成以上变化的可能原因是过量的O2流量使得薄膜中产生氧原子填隙(Oi)等缺陷，导致器件性能降低[27]。

本文使用磁控溅射制备了MITO-TFT并分别研究了退火温度和退火O2流量对MITO-TFT性能的影响。

结果表明，当退火温度为750 ℃、O2流量为400
cm3/min时，器件性能最佳。

当退火温度由650 ℃升高到750 ℃时，器件性能尤其是迁移率指标明显提高，说明适当的退火温度可以有效减少界面态密度并提高成膜质量；当进一步升高退火温度到850 ℃时，器件性能大幅下降，这主要是因为薄膜从非晶态转变为多晶态，晶界的出现使得载流子的散射变强。

在空气中退火得到的器件性能较差，可能的原因是氧元素逸出导致氧空位变多。

O2流量在400 cm3/min时器件性能最好，继续增大O2流量会导致有效退火温度降低，造成器件性能下降。

值得注意的是，由于MITO-TFT需要较高的退火温度，因此现阶段的MITO-TFT并不能很好地应用于平板显示领域。

其制备条件与组分比例仍需进一步优化以满足实际应用需要。

王韬(1992-)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，2010年于电子科技大学获得学士学位，主要从事金属氧化物薄膜晶体管方面的研究。

E-mail:*****************.cn张希清(1961-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，1995年于中国科学院长春物理研究所获得博士学位，主要从事发光、显示与新能源技术等方面的研究。

E-mail:****************.cn
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