氧化鋅錫薄膜晶體管的制備與性能研究

初學峰， 胡小軍， 張祺， 黃林茂， 謝意含

（1.吉林建筑大學 寒地建筑綜合節能教育部重點實驗室， 吉林 長春130118；2.吉林建筑大學 電氣與計算機學院， 吉林 長春130118）

1 引言

近年來，隨著科學技術的發展，薄膜晶體管（TFT）作為顯示器中的關鍵元件，受到研究人員的廣泛關注［1-7］。在顯示領域中，非晶硅目前是商用顯示技術領域中主要使用的材料，但是其遷移率低于1 cm2/（V·s），不能滿足現有的AMOLED、QLED等新型顯示技術的需求［8］。因此，研究人員聚焦于金屬氧化物薄膜晶體管。

現有金屬氧化物薄膜晶體管具有制造成本低、遷移率高、開關比高、穩定性好等優勢，而含銦（In）的金屬氧化物薄膜晶體管是其中的佼佼者，如：IGZO［9］、ITZO［10］、IZO［11］、IAZO［12］等，所以最受關注。歸因于In3+（4d105s0）的特殊電子結構［13］，銦離子的5s0軌道相互重疊，形成電子通道，所以其電子遷移率較高。然而銦元素是一種具有毒性且稀少的元素，尋找一種新的材料來代替銦基氧化物是非常重要的。Sn4+與In3+具有相同的電子結構和物理化學性質，所以錫基氧化物被認為是銦基氧化物的潛在替代材料之一。目前為止，常用的生長金屬氧化物薄膜的沉積方法包括電化學沉積［14］、化學氣相沉積［15］、脈沖激光沉積［16］、溶膠凝膠［17］、磁控濺射［18-20］等。其中磁控濺射技術由于生長溫度低、厚度均勻性高、濺射薄膜致密等優點是沉積氧化鋅錫（ZTO）薄膜中應用最廣泛的技術之一。

濺射功率對薄膜質量有顯著的影響。本文通過磁控濺射技術，制備了不同濺射功率的ZTO薄膜及其薄膜晶體管，研究濺射功率對TFTs遷移率、閾值電壓、亞閾值擺幅、電流開關比的影響。實驗結果表明，使用90 W濺射功率制備器件時，其電學、光學性能達到最佳。

2 實驗

本文所有樣品都基于鋅錫氧化物陶瓷靶材和SiO2/p-Si襯底。鋅錫氧化物陶瓷靶材中鋅錫原子比為7∶3，SiO2的厚度為285 nm。制備過程如下：首先使用丙酮、無水乙醇、去離子水清洗SiO2/p-Si襯底10 min，再使用氮氣吹去襯底表面殘留的水分。其次對襯底進行光刻，使有源層圖案化。隨后采用磁控濺射法在SiO2/p-Si襯底上室溫制備ZTO薄膜，濺射功率為70 W、80 W、90 W、100 W（功率密度為2.8 W/cm2、3.2 W/cm2、3.6 W/cm2、4.0 W/cm2），氬氧比為90∶10，濺射時間為7.5 min，厚度為50 nm。去除光刻膠后，在空氣氛圍下600 ℃退火1 h。最后通過電子束蒸發方法，在ZTO薄膜上制備50 nm厚的源漏Al電極，其中Al電極圖案化通過紫外光刻實現，溝道寬度為300 μm、溝道間距為10 μm。TFT的結構如圖1所示。

圖1 ZTO TFT結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of ZTO TFT structure

本實驗采用磁控濺射設備生長ZTO TFT的有源層。使用光刻機（ABM/6/350/NUV/DCCD/M， USA）進行光刻，將溝道層圖案化。采用快速退火爐（RTP-100，Germany）對ZTO TFTs進行退火處理。采用半導體參數分析儀（Keysight B1500A， USA）在室溫、空氣氛圍下測量TFT的電學性能。使用原子力顯微鏡（AFM，MFP-3D Origin+，USA）表征ZTO薄膜的表面結構和形貌，通過X射線衍射儀（XRD，D8DISCOVER，Germany）得到ZTO薄膜的成分、晶體的結構，使用紫外可見分光光度計（UV-Vis， 2600 UV，Japan）測量ZTO薄膜在紫外和自然光下的透光率，采用X射線光電子能譜儀（XPS， ESCALAB 250 Xi，USA）檢測薄膜中元素的組成、元素的化學態信息。

3 實驗結果與討論

3.1 薄膜透射光譜分析

圖2描述了在不同濺射功率下制備的ZTO薄膜的透光率，所有樣品在可見光范圍內均表現出良好的透光率，展現了其在透明顯示領域的應用前景。

圖2 不同濺射功率的ZTO薄膜在200～800 nm范圍內的透光率圖Fig.2 Transmittance of ZTO thin films with different sputtering powers in the range of 200～800 nm

3.2 薄膜結構與形貌分析

圖3是不同濺射功率下沉積的ZTO薄膜在600 ℃空氣氛圍下退火后測量的XRD譜圖。在20°～80°衍射角中未發現明顯尖銳的衍射峰，說明ZTO薄膜均為非晶結構。結合薄膜的AFM數據，所有ZTO薄膜光滑均勻，相對應的ZTO TFTs具有良好的電學一致性。

圖3 不同濺射功率下ZTO薄膜的XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of ZTO film under different sputtering powers

有源層表面粗糙度對薄膜晶體管有著重要影響。為了表征薄膜粗糙度，對ZTO薄膜進行AFM測量。圖4是不同濺射功率沉積的ZTO薄膜的AFM 3D形貌圖。計算得到的ZTO薄膜的均方根面粗糙度（RMS）結果見圖4。結果顯示，隨著濺射功率的提高，RMS值一直減小。這可能是由于高的濺射功率致使ZTO薄膜生長的速度增加，到達襯底形成晶核的原子和原子團的數量逐漸增加。與晶核生長相比，成核過程占主導地位，使薄膜的密度增加，導致較小的RMS值［21］。

圖4 不同濺射功率的ZTO薄膜的AFM圖像。（a） 70 W； （b） 80 W； （c） 90 W；（d）100 W。Fig.4 AFM images of ZTO films with different sputtering powers. （a） 70 W； （b） 80 W； （c） 90 W； （d） 100 W.

3.3 薄膜X射線光電子能譜分析

為了研究濺射功率對ZTO薄膜中元素比例和化學價態的影響，通過X射線光電子能譜的分析表征，分別測試了ZTO薄膜的Sn3d、Zn2p、O1s譜圖，見圖5。根據X射線光電子能譜的半定量計算，得到不同濺射功率下ZTO薄膜中各元素的比例，如表1所示。當濺射功率增加時，Zn元素含量先減少后增大，Sn元素含量逐漸增大，O元素含量先增大后減少。在氧化物半導體中，一般導帶最小值由金屬離子高度分散的球形s軌道構成，價帶最大值由氧的外層軌道構成。隨著Sn含量的增加，Sn4+含量增加，其球型s軌道的重疊增加，樣品的載流子濃度增大。

表1 ZTO薄膜中Sn、Zn和O元素的原子含量（摩爾分數）Tab.1 Atomic content （mole fraction） of Sn， Zn and O elements in ZTO film

圖5 ZTO薄膜的XPS光譜。（a） Sn3d； （b） Zn2p； （c）O1s。Fig.5 XPS spectra of ZTO thin film. （a） Sn3d； （b） Zn2p；（c） O1s.

在Sn3d譜圖（圖5（a））中， Sn3d3/2和Sn3d5/2峰的結合能分別為494.10 eV和485.70 eV。隨著濺射功率的增加，Sn3d雙峰向著更高的結合能位移。說明隨著濺射功率的增大，薄膜中Sn4+占Sn元素的比例增大。此外，在Zn2p、O1s光譜中也觀察到了類似的位移，如圖5（b）、5（c）所示［22］。結果表明，Zn2+離子被電負性更大的Sn4+離子取代（Sn：1.8vs.Zn：1.6），導致外層電子密度變化和Sn3d峰的位移［23］。

圖6顯示了不同濺射功率下ZTO薄膜的O1s峰的XPS擬合結果。通過高斯洛倫茲擬合法將氧卷積成3個不同的峰，分別位于530.15 eV（OⅠ）、531.20 eV（OⅡ）和532.50 eV（OⅢ）。在530.15eV處有低結合能峰，其歸因于O2-離子與Zn或Sn離子連接的晶格氧（OⅠ）。531.20 eV的峰對應于氧空位（OⅡ），532.50 eV的峰則對應于ZTO薄膜表面松散結合的氧（OⅢ），如羥基、—CO3、表面吸收的水或氧等［24］。隨著濺射功率的增加，OⅠ峰占總氧峰（OⅠ+OⅡ+OⅢ）的原子比例從74.80%下降到了70.35%，OⅡ峰面積占總氧峰的原子比從19.18%上升到24.35%。結果表明，在較高的濺射功率下ZTO薄膜存在較多的氧空位。根據=VO+2e-+1/2O2(g)公式，ZTO薄膜中的氧空位作為雙電離供體，最多向導帶貢獻兩個電子［24］。因此，更多的氧空位會導致更高的載流子濃度。在后續的電學性能測試中，90 W濺射功率下ZTO薄膜晶體管擁有更大的開啟電流（ION）和更高的飽和遷移率，與結果一致。

圖6 不同濺射功率下ZTO薄膜的O1s光譜。（a） 70 W； （b） 80 W； （c） 90 W； （d） 100 W。Fig.6 O1s spectra of ZTO films with different sputtering powers. （a） 70 W； （b） 80 W； （c） 90 W； （d） 100 W.

3.4 TFT器件電學性能分析

使用半導體參數儀對ZTO薄膜晶體管進行了電學性能的測試，如圖7所示。在圖7（b）中，漏極電流IDS隨著VGS的增大而增大，表現出了良好的飽和趨勢，說明TFT是以N型半導體工作。在VDS較小時，未出現“電流擁擠”現象，表明源漏電極與溝道層形成的歐姆接觸良好。

圖7 不同濺射功率下ZTO薄膜晶體管的（a） 轉移特性曲線、IDS1/2-VGS和（b） 90 W下 輸出特性曲線。Fig.7 （a） Transfer characteristic curves， IDS1/2-VGS of ZTO thin film transistor under different sputtering power，（ b） Output curves at 90 W.

器件的遷移率可以根據公式（1）算出：

其中：W和L分別為通道寬度和長度；μFE為場效應遷移率；Ci為SiO2柵絕緣層單位面積電容；VGS是柵極施加電壓。采用90 W濺射功率的ZTO TFT具有最佳性能，飽和遷移率為15.61 cm2/（V·s）。

如圖7（a），在轉移曲線一階偏導最大處取一切點做切線與橫坐標的截距即為VTH。隨著濺射功率的變化，ZTO TFTs的閾值電壓和亞閾值擺幅會發生變化，亞閾值擺幅、電流開關比通過公式（2）～（3）獲得：

SS的單位是V/decade。

使用公式計算可以得到TFTs的飽和遷移率、亞閾值擺幅、閾值電壓和電流開關比，數據列于表2。當濺射功率增大到90 W時，ZTO TFT的飽和遷移率從7.74 cm2/（V·s）增加到15.62 cm2/（V·s），亞閾值擺幅為0.30 V/decade，電流開關比為8.92×109。恰當地增加濺射功率，可以使ZTO薄膜晶粒尺寸增加，減少晶界對載流子的散射作用，增加在ZTO TFT的遷移率［25］。但是隨著濺射功率進一步增大，ZTO TFT的飽和遷移率、電流開關比逐漸減小。因為濺射功率的增大，ZTO薄膜的厚度增加，缺陷變多，載流子在運動時發生散射現象，導致TFT飽和遷移率下降，器件的電學性能降低。

表2 不同濺射功率下的電學參數Tab.2 Electrical parameters under different sputtering power

圖8顯示了不同濺射功率下制備的ZTO TFTs在正偏置應力（PBS）和負偏置應力（NBS）條件下的穩定性。在相同的PBS條件（VGS=10 V）下，70 W、80 W、90 W、和100 W濺射功率下制備的ZTO TFT的閾值電壓位移（ΔVTH）分別為+2.78 V、+1.47 V、+0.69 V和+1.36 V。在NBS（VGS=-10V）穩定性方面，其閾值電壓位移為-1.56 V、-1.26 V、-0.48 V和-0.61 V?？偟膩碚f，在90 W濺射功率下制備的ZTO TFT的穩定性最好。這可能是由于絕緣介質層內的載流子陷阱或有源層/介質層界面以及附近深間隙態的缺陷造成的。因此，可以認為VTH位移是與被捕獲在界面或絕緣介質內的電荷的數量有關［26］。

圖8 采用不同濺射功率制備的ZTO薄膜晶體管的偏置應力測試結果。（a）正偏置應力；（b）負偏置應力。Fig.8 The bias stress test results of ZTO thin-film transistors prepared under different sputtering powers. （a） Positive bias stress； （b） Negative bias stress.

4 結論

在285 nm SiO2/p-Si襯底上制備了氧化鋅錫（ZTO）薄膜晶體管，系統地研究了濺射功率對ZTO薄膜形貌、元素組成、光學和電學性能的影響。所有的ZTO薄膜都是非晶態，薄膜表面光滑、平整。隨著濺射功率增大，ZTO薄膜表面粗糙度降低，在濺射功率為100 W時粗糙度最低為0.58 nm。在200～800 nm波長范圍內透光率＞90%。當濺射功率從70 W升到100 W時，器件的電學性能先升高后降低，90 W濺射功率的樣品最好，具有15.61 cm2/（V·s）的飽和遷移率（μSAT）、0.57 V/decade的亞閾值擺幅（SS），閾值電壓為-5.06 V，電流開關比（ION/IOFF）超過109。