王 超， 劉芙男， 楊 帆， 張含悅， 楊小天

(1. 吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院，吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點實驗室，吉林 長春 130118;2. 吉林建筑大學(xué) 寒地建筑綜合節(jié)能教育部重點實驗室，吉林 長春 130118;3. 吉林師范大學(xué)，吉林 四平 136099)

1 引 言

進入21世紀(jì)以來，全球集成電路制造技術(shù)升級換代速度有加快的趨勢，按照摩爾定律，隨著集成度的提高，薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)特征尺寸按比例縮小，其結(jié)果就是晶體管溝道長度的減小和柵介質(zhì)層的減薄[1]。SiO2作為TFT的柵介質(zhì)材料，已經(jīng)很接近可以保證SiO2完整帶隙結(jié)構(gòu)的最小厚度[2-3]。柵介質(zhì)層過薄會導(dǎo)致多種問題，如電子因為隧穿效應(yīng)穿越柵介質(zhì)層使器件漏電流增大，器件可靠性降低，電路靜態(tài)功耗增大，并影響器件的I-V特性和閾值電壓[4-5]。解決方法之一是采用高介電常數(shù)(高k)的新型絕緣介質(zhì)材料[6-9]。Ta2O5因具有比較大的介電常數(shù)、高的擊穿電壓、低的漏電流密度、以及比較容易和硅工藝相兼容的特點，被認(rèn)為是二氧化硅的最好的替代品之一[10-13]。非晶態(tài)Ta2O5薄膜的相對介電常數(shù)約為20，遠(yuǎn)高于SiO2的相對介電常數(shù)(3.9)，因而在相同厚度、相同電壓的情況下，Ta2O5薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)更高的等效氧化層厚度，從而降低漏電流密度[14]。在可見光波段范圍內(nèi)，Ta2O5具有較低的吸收率和較高的折射率，在波長550 nm處，折射率約為2.14，同時該材料還具有很寬的光譜透過范圍，通常被廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)器件[15]。隨著微電子工業(yè)的發(fā)展，性能優(yōu)良的Ta2O5薄膜必將在動態(tài)隨機存儲器和集成電路等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用[16]。

本文使用射頻磁控濺射方法在室溫下制備了薄膜晶體管，分別以Ta2O5和SiO2薄膜作為柵介質(zhì)層，以AZO(AlZnO，鋁摻雜的氧化鋅)為有源層，研究了Ta2O5在濺射過程中氧分壓條件對TFT器件電學(xué)性能的影響，氧分壓是影響TFT閾值電壓、遷移率等性能的最重要因素之一。使用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡對薄膜的形貌進行了表征，使用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測試器件的電學(xué)性能，分析了氧分壓對Ta2O5薄膜作為柵介質(zhì)的AZO-TFT性能的影響機理。

2 實 驗

本實驗采用美國Kurt J.Lesker磁控濺射設(shè)備沉積Ta2O5薄膜和AZO薄膜。濺射靶材分別采用的是高純Ta2O5陶瓷靶(純度為99.99%)、高純ZnO陶瓷靶(純度為99.99%)和Al靶(純度為99.99%)。

(1)制備以Ta2O5為柵介質(zhì)的底柵型TFT。以載玻片作為襯底，首先，清洗襯底，將載玻片依次浸入丙酮、乙醇和去離子水中，在超聲條件下進行清洗，每步清洗10 min；然后，在清洗好的載玻片上蒸鍍100 nm鋁(Al)作為柵電極；在Al電極上采用磁控濺射法沉積Ta2O5薄膜作為柵介質(zhì)，濺射功率為100 W，生長室壓強1.067 Pa，襯底溫度為室溫，濺射時工作氣體為氬氣，反應(yīng)氣體為氧氣。調(diào)控氧氬比分別為0∶100，5∶95，10∶90，20∶80，濺射時間為2 h；在該Ta2O5柵介質(zhì)層上采用磁控濺射法沉積AZO有源層，其中，ZnO靶功率為100 W，Al靶功率為15 W，濺射壓強1.067 Pa，襯底溫度為室溫，氧氬比為10∶90，濺射時間為15 min；對樣品進行光刻，最后蒸鍍50 nm Al為源漏電極，制備成TFT器件。器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Ta2O5柵介質(zhì)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Ta2O5 thin film transistor

(2)制備以SiO2為柵介質(zhì)的底柵型TFT。以具有285 nm厚度熱氧化SiO2絕緣層的p型硅片為襯底，首先，清洗襯底，將SiO2/p-Si先后浸入丙酮、乙醇和去離子水中，在超聲條件下進行清洗，每步清洗10 min；然后，在清洗好的襯底上沉積AZO有源層，其中，ZnO靶功率為100 W，Al靶功率為15 W，濺射壓強1.067 Pa，襯底溫度為室溫，氧氬比為10∶90，濺射時間為15 min；對樣品進行光刻，最后蒸鍍50 nm Al為源漏電極，制備成TFT器件。

采用日本JEOL公司的JSM-7610F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察薄膜的表面形貌，采用英國Oxford公司的MFP-3D型原子力顯微鏡(AFM)觀察薄膜的表面形貌和粗糙度，利用Keysight B1500A半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測試TFT的電學(xué)性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面形貌分析

圖2(a)～圖2(d)為不同氧分壓下沉積的Ta2O5薄膜的SEM照片，氧氬比分別為0∶100，5∶95，10∶90，20∶80。

(a)O2∶Ar=0∶100

(b)O2∶Ar=5∶95

(c)O2∶Ar=10∶90

(d)O2∶Ar=20∶80圖2 不同氧分壓下生長的Ta2O5薄膜的SEM圖Fig.2 SEM images of Ta2O5 films grown at different oxygen partial pressures

由圖2可見，在純氬氣條件下(圖2(a))生長的薄膜表面最粗糙，排列不致密，表面呈現(xiàn)顆粒狀，缺陷較多，因此容易產(chǎn)生較大漏電流；加入氧氣后，當(dāng)氧氣含量較少時(圖2(b))，薄膜表面變化較小；氧氬比為10∶90時(圖2(c))薄膜比較致密，表面平坦光滑，沒有明顯的空隙和缺陷；氧分壓繼續(xù)增大至20∶80時(圖2(d))，薄膜表面相比較為粗糙，因為過高的氧氣含量降低了沉積原子的動能，繼而影響了沉積原子在襯底表面的遷移過程，影響了薄膜的質(zhì)量。

(a)O2∶Ar=0∶100

(b)O2∶Ar=5∶95

(c)O2∶Ar=10∶90

(d)O2∶Ar=20∶80圖3 不同氧分壓下生長的Ta2O5薄膜的AFM圖Fig.3 AFM patterns of Ta2O5 films grown at different oxygen partial pressures

圖3(a)～圖3(d)為不同氧分壓下生長的Ta2O5薄膜的AFM圖，Ta2O5薄膜表面粗糙度RMS分別為1.888,1.426,0.835,1.818 nm，半導(dǎo)體層與介電層的界面平整度會直接影響載流子的遷移率，高質(zhì)量的平整界面有利于抑制界面處電荷陷阱的出現(xiàn)，并且對載流子的散射較少，利于載流子的遷移。純氬氣條件下(圖3(a))，薄膜粗糙度較大，表面不夠平整。隨著氧分壓的增加(圖3(b))，薄膜粗糙度降低，氧氬比為10∶90時(圖3(c))，薄膜粗糙度最小，說明氧氣的通入減少了薄膜缺陷，使薄膜表面平整。氧分壓繼續(xù)增大(圖3(d))會影響薄膜的生長，導(dǎo)致薄膜粗糙度增加。

3.2 TFT器件電學(xué)性能分析

圖4所示為不同氧氬比條件下以Ta2O5薄膜為柵介質(zhì)所制備AZO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線，源漏電壓VDS為2 V，柵極電壓VGS從-10 V變化到10 V。表1給出了不同柵介質(zhì)的TFT電學(xué)性能參數(shù)，如表1所示，當(dāng)氧氬比由0∶100改變?yōu)?∶95后，TFT電流開關(guān)比由1.92×102增至3.36×102，氧氣的加入使得器件關(guān)態(tài)電流降低，氧氬比變?yōu)?0∶90時，TFT電流開關(guān)比由3.36×102增至2×104，而在氧氬比調(diào)控至20∶80后，器件開關(guān)比由2×104降低至2.49×102。隨著氧分壓的增大，閾值電壓先增大后降低，這可能是由于純氬氣生長條件下，Ta2O5薄膜的組分偏離化學(xué)計量比，存在氧空位，造成薄膜漏電流較大[17]。生長過程中氧氣流量的增加，Ta2O5薄膜的化學(xué)計量比偏離較少，使薄膜中未補償鍵飽和，大量的氧空位和缺陷隨之減少，增加了薄膜的致密性，從而降低漏電流，氧氬比為10∶90條件下，Ta2O5薄膜能夠達(dá)到最佳的絕緣性能。當(dāng)氧分壓繼續(xù)增大，生長過程中氧氣的增加已經(jīng)無法彌補Ta2O5薄膜的缺陷，氧氣的增加還會影響薄膜的沉積速率，導(dǎo)致開關(guān)比降低，閾值電壓增大，亞閾值擺幅增大。

圖4 不同氧氬比條件下Ta2O5作為柵介質(zhì)的AZO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.4 Transfer characteristics of Ta2O5 gate dielectric AZO-TFT under different oxygen to argon ratios

表1 不同柵介質(zhì)的AZO-TFT性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of AZO-TFT with different gate dielectrics

亞閾值擺幅的物理定義為漏電流增加一個數(shù)量級所對應(yīng)的柵壓[18]，其公式如下:

(1)

當(dāng)亞閾值擺幅很小時，器件只需要一個較小的柵極偏壓改變就可以保證器件從截止區(qū)到達(dá)飽和區(qū)。由表1可知，隨著氧氬比從0∶100增加到10∶90，薄膜陷阱態(tài)密度降低，器件亞閾值擺幅降低[19]。氧氬比繼續(xù)增加到20∶80，器件亞閾值擺幅增大。相比SiO2柵介質(zhì)層，采用Ta2O5作為柵介質(zhì)層的TFT器件遷移率都有不同程度的提高。隨著氧氬比從0∶100增加至10∶90，器件的遷移率從2.8 cm2/(V·s)增加到12.2 cm2/(V·s)，開關(guān)比從1.92×102提升到2×104，繼續(xù)通入氧氣，遷移率增大，但關(guān)態(tài)電流增大，導(dǎo)致開關(guān)比降低。

圖5所示為Ta2O5和SiO2作為柵介質(zhì)的TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線。

圖5 Ta2O5和SiO2作為柵介質(zhì)的AZO-TFT轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.5 Transfer characteristic curves of AZO-TFT with SiO2 and Ta2O5 as gate dielectric

圖5中，Ta2O5的濺射氧氬比為10∶90，源漏電壓VDS為2 V，柵極電壓VGS從-10 V變化到10 V，與傳統(tǒng)的SiO2材料相比，使用高k材料作為絕緣層的TFT器件同時具備較低的工作電壓和較大的開態(tài)電流兩個優(yōu)點[20]，傳統(tǒng)的SiO2作為柵絕緣材料器件需要較高的工作電壓，而Ta2O5薄膜可以降低器件的工作電壓，從而降低器件功耗。由圖5可知，SiO2作為柵介質(zhì)的AZO-TFT閾值電壓為0.8 V，亞閾值擺幅為5 V·dec-1，開關(guān)比為1.02×103，而Ta2O5作為柵介質(zhì)的AZO-TFT閾值電壓為0.5 V，亞閾值擺幅為1.5 V·dec-1，開關(guān)比為2×104，可見采用高k材料作為絕緣層后，器件閾值電壓降低，亞閾值擺幅降低，開關(guān)比升高，器件性能有了較大提高。

4 結(jié) 論

本文采用磁控濺射方法，在載玻片上制備了Ta2O5作為柵介質(zhì)的AZO-TFT，研究了不同氧氬比條件下Ta2O5薄膜對于TFT性能的影響，隨著氧分壓的增加，氧空位的減少，薄膜缺陷被改善，漏電流隨之減小，能夠達(dá)到更好的絕緣性能。實驗發(fā)現(xiàn)，氧氬比為10∶90時TFT電學(xué)性能最優(yōu)，采用高k材料作為絕緣層后，與傳統(tǒng)SiO2絕緣層相比，TFT電學(xué)性能獲得一定提升，電流開關(guān)比由1.02×103提升到2×104，亞閾值擺幅從5 V·dec-1降到1.5 V·dec-1，遷移率從1.6 cm2/(V·s)增加到12.2 cm2/(V·s)。