金屬氧化物薄膜晶體管電特性參數的提取

陳文彬， 何永陽， 陳 贊

(電子科技大學 光電信息學院, 成都 610054)

0 引 言

薄膜晶體管技術是平板顯示的核心技術[1]，其所采用的半導體材料經歷了氫化非晶硅(α-Si:H)、納米晶硅和低溫多晶硅(LTPS)的發展[2-3]。近年來更是出現了以α-IGZO為代表的金屬氧化物TFT[4-5]，國內也已經將α-IGZO TFT引入到了實驗教學中[6]。

TFT性能的高低以TFT的特性參數來表征，TFT的特性參數須從TFT電流-電壓特性，即轉移特性曲線和輸出特性曲線中提取。盡管Shur等建立了精確的α-Si:H TFT和LTPS TFT物理模型[7]，但是，由于物理概念清晰，使用相對簡單，TFT的電流-電壓特性仍然常用TFT的一級模型來描述，實驗室中或新型TFT技術開發中經常用來結合實驗數據進行TFT特性參數提取。TFT的一級模型與TFT的實際特性相差比較大，為了提取有意義的TFT特性參數，必須對測試條件及數據擬合范圍進行仔細的鑒別。由于在教材甚至專著中往往對這一點避而不談[8-9]，因此對于學生和TFT的初級研究人員來說，往往對實驗室中TFT的特性參數提取一頭霧水?；诖?，本文制備了α-IGZO TFT，根據測試曲線給出了α-IGZO TFT電特性參數的提取方法和提取結果。

1 α-IGZO TFT的結構與制備

選用覆蓋有二氧化硅層的玻璃基板，采用如圖1所示的底柵反交疊ES結構，溝道寬長比為20 μm/10 μm。200 nm厚的柵極金屬層和300 nm厚的源漏極金屬層采用直流磁控濺射制備。采用PECVD在350 ℃下形成SiOx柵極絕緣層，絕緣層單位面積電容為18 nF/cm2。采用射頻磁控濺射在室溫下形成50 nm厚的α-IGZO層，IGZO靶材組成按照分子比的典型值為In2O3∶Ga2O3∶ZnO =1∶1∶1，濺射氣體采用Ar/O2混合氣體，氧含量為4%，濺射功率為18.3 kW。由PECVD在200 °C下形成100 nm厚的SiOx薄膜并干法刻蝕形成刻蝕阻擋層。最后在空氣中200℃下退火1 h穩定α-IGZO和金屬電極的接觸電阻。利用Keithley- 4200 SCS系統測試TFT的輸出特性和轉移特性，所有測試均在室溫下進行。

圖1 底柵反交疊刻蝕阻擋型α-IGZO TFT

2 α-IGZO TFT特性參數提取法與結果討論

2.1 TFT的一級近似模型

TFT工作時，加在柵極和源極間的電壓為UGS，正柵壓使α-IGZO的能帶在α-IGZO/SiOx界面向下彎曲，電子積累在α-IGZO/SiOx界面附近形成導電溝道，在漏源電壓UDS作用下，這些載流子在源漏間流通，從而在溝道中產生從漏極到源極的漏極電流ID。定義單位面積柵絕緣層的電容為Ci，TFT的場效應遷移率為μFE。根據TFT的一級模型，當UDS較小時，TFT工作于線性區，漏極電流IDlin為

(1)

式中：UDS≤UGS-UTH，UTH為閾值電壓，指的是產生明顯漏極電流時的外加柵壓。理想情況下，當UGS

增大漏源電壓至漏極飽和電壓UDS sat=UGS-UTH時，漏極電流首先在漏端達到飽和，溝道夾斷。當UDS>UDS sat時，漏極飽和電流ID sat為

(2)

2.2 線性區載流子遷移率和閾值電壓

當UDS較小時，令

(3)

式(1)可以改寫為

IDlinn=μFEUGS-UTH

(4)

由式(4)可知，IDlinn與UGS成線性關系，直線與UGS軸的交點對應TFT線性區閾值電壓，該直線的斜率即為TFT線性區載流子遷移率。α-IGZO TFT在UDS為0.1和1 V時的轉移特性曲線如圖2所示，確定擬合區間時盡量選擇UGS比較大的值以避免非線性的影響。隨著UDS的升高，線性擬合之后的直線在UGS軸上的截距迅速變大，因此應該選擇UDS很小時的曲線來作擬合，這時的值作為TFT的特性參數。擬合UDS為0.1 V時的曲線可得TFT線性區載流子遷移率和閾值電壓分別為6.27 cm2/V·s和7.7 V。

圖2 α-IGZO TFT線性區場效應遷移率和閾值電壓

2.3 飽和區載流子遷移率和閾值電壓

TFT工作于飽和區時，令

(5)

由式(2)可以得到飽和區的歸一化漏極電流的平方根與UGS成正比，即

(6)

圖3 α-IGZO TFT飽和區場效應遷移率和閾值電壓

2.4 開關比

當TFT處于關態(截止狀態)時源漏極間的最小電流叫做關態電流Ioff。TFT的開關比Ion/Ioff定義為20 V時的開態電流Ion與最小關態電流之比。由圖4所示的轉移特性曲線可知，α-IGZO TFT的截止電流低于10-13A，遠小于LTPS TFT的截止電流[10]，即使與α-Si:H TFT相比，α-IGZO TFT的截止電流也有1～2個數量級的降低[11]，Ion/Ioff值高達109。平板顯示要求TFT的開關比大于10-6，因此，α-IGZO TFT的開關特性非常好。

圖4 α-IGZO TFT的轉移特性曲線和開關比

2.5 亞閾值擺幅

在TFT的亞閾值區漏極電流增加一個數量級對應的柵壓為亞閾值擺幅S，即

S=dUGS/d(lgIDsub)

(7)

S的單位是mV/dec，表示ID-UGS關系曲線的上升率，是用作邏輯開關時的一個重要參數。為了提高TFT的亞閾值區工作速度，要求S值越小越好。

lgID～UGS曲線如圖4所示，在漏極電流急劇上升區間選擇適當的數據點反復作直線擬合，最終的擬合直線示于圖中，其斜率的倒數即為S，數值為276mV/dec。對圖4所示曲線進行擬合求導，再取倒數可得如圖5所示曲線，其中的最小值作為S的值，可以求得S為272 mV/dec，與線性擬合的結果相近。α-IGZO TFT的S值接近LTPS TFT的S值，優于α-Si:H TFT的S值[12]。綜合α-IGZO TFT的電特性參數可知，場效應遷移率和亞閾值擺幅已接近文獻[13-15]中的水平，閾值電壓較高，開關比已經處于優勢。

圖5 α-IGZO TFT的亞閾值擺幅

3 結 語

采用磁控濺射法制備了底柵反交疊刻蝕阻擋型α-IGZO TFT，得到了TFT的電流-電壓特性曲線，根據TFT的一級近似模型，給出了TFT的場效應遷移率、閾值電壓、開關比和亞閾值擺幅的提取方法。通過仔細篩選測試條件和數據擬合范圍，得到α-IGZO TFT線性區和飽和區場效應遷移率和閾值電壓分別為6.27 cm2/V·s和7.7 V，7.24 cm2/V·s和4.3 V，α-IGZO TFT的開關比和亞閾值擺幅分別為109和272mV/dec。TFT的特性參數提取方法簡單易行，適用于實驗教學及TFT的研究。