采用超薄氧化铝钝化与低温退火协同策略的全溅射非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管及其在增强逻辑电路性能中的应用

本文综述了一种创新的协同优化策略，结合超薄氧化铝（Al2O3）钝化层与紫外辅助氧气氛快速热退火（UV-ORTA）技术，成功实现了全低温溅射制备高性能非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）薄膜晶体管（TFTs）。该策略显著改善了栅极介电层质量，降低了氧空位缺陷，提高了电容密度，并优化了介电层/有源层界面特性。制备的TFTs表现出优异的电学性能：饱和迁移率达14.5 cm2·V?1·s?1，开关比8.6×106，亚阈值摆幅0.09 V/dec，且具有良好的偏压稳定性。基于此的逆变器电路实现了全摆幅操作、灵敏动态响应和超过12的电压增益，为柔性显示应用提供了低温全溅射氧化物TFT的可行解决方案。

　　

引言

高性能高k栅极介电层是制备低电压驱动高性能薄膜晶体管（TFTs）的关键因素之一。铪氧化物（HfO₂）一直是备受青睐的金属氧化物高k材料，但其存在结晶温度低、热稳定性差以及与硅基底易形成低介电常数硅酸盐界面层等缺点。稀土金属氧化物因其宽带隙、低泄漏电流和高电容等特性而受到同等关注。研究表明，氧化铒（Er₂O₃）具有较高的结晶温度和光滑的表面形貌，这非常有利于提高TFTs的迁移率。Er₂O₃具有宽带宽（5-7 eV）和高介电常数（7-20），特别是在硅基底上表现出优异的热稳定性，即使经过高温处理也能保持良好的界面特性。此外，Er₂O₃还具有高电阻率、高化学稳定性、小滞后电压和低界面陷阱密度等优点，使其成为理想的栅极绝缘层。然而，作为稀土氧化物，Er₂O₃存在吸水性问题并生成低介电常数的Er(OH)_x，由于膨胀系数的差异导致薄膜表面粗糙度增加，从而显著降低基于Er₂O₃栅极介电质的a-IGZO TFTs的电学性能。

溅射方法具有成膜均匀、工艺简单和成本低等优点，已广泛应用于工业化半导体薄膜生产。然而，低温磁控溅射沉积的高k栅极介电质通常密度低、存在大量悬挂键以及与氧空位相关的丰富深/浅能级缺陷，导致过量泄漏电流。多个研究小组致力于在最小热预算条件下制备高性能薄膜晶体管，但这些研究要么显示晶体管性能改进有限（如迁移率和亚阈值摆幅），要么缺乏全面的稳定性评估和应用探索。

新型HfErO_x（HEO）薄膜的研究相对较少，特别是关于其通过低温溅射技术集成到TFT架构中。本研究通过共溅射制备HEO薄膜，并引入紫外辅助氧气氛快速热退火（UV-ORTA）来增强介电性能。同时，在HEO和a-IGZO薄膜之间溅射沉积超薄Al₂O₃钝化层以优化界面特性，同时阻止水/氧分子扩散到界面，从而改善a-IGZO TFT电学性能。最终，通过低温全溅射方法制备的高性能a-IGZO TFTs成功应用于功能逆变器电路。

结果与讨论

研究表明，低温溅射产生的金属氧化物薄膜存在大量物理和弱化学键，薄膜密度低导致高氧缺陷浓度和泄漏电流。高温退火通常用于增强原子/分子迁移能力并促进更致密的原子排列，同时促进物理和弱化学键转化为强化学键。本研究利用UV-ORTA增强薄膜致密化并抑制氧缺陷——这是一种先前已验证的改善薄膜质量的方法。

为评估UV-ORTA对HEO薄膜的优化效果，对沉积态和UV-ORTA处理后的样品进行了X射线光电子能谱分析。结果显示，沉积态HEO薄膜的O1s光谱具有显著的高结合能展宽和双峰结构，表明与氧空位相关的缺陷态升高。O1s峰解卷积产生三个子峰，分别位于529.7 eV（M─O─M金属-氧键合，O_I）、531.4 eV（氧空位V_O，O_II）和532.3 eV（羟基/非晶格氧，O_III）。UV-ORTA处理后，HEO薄膜显示非晶格氧（包括氧空位和羟基）显著减少，总O1s光谱面积向低结合能方向移动，这表明缺陷态显著减少并有效抑制了Er₂O₃的吸水现象。这种现象可能源于紫外辐射促进羟基分解，显著降低Er(OH)_x含量，同时紫外辐射产生的高氧化性氧自由基和臭氧有效降低了薄膜内的氧空位浓度。

为验证先前的XPS结果，对沉积态和UV-ORTA处理的HEO薄膜进行了紫外-可见光谱分析。光学带隙从5.8 eV（沉积态）增加到处理后的5.91 eV，这可能归因于氧空位含量的显著减少。氧空位可以与周围金属阳离子的不同配位数形成不同能级的缺陷态，是金属氧化物半导体中缺陷态的主要来源。研究表明，被较少阳离子包围或具有较大自由空间的氧空位在禁带深度内产生深能级缺陷，并在导带最小值下方产生浅能级陷阱。只有当更多阳离子包围空位时才会形成浅施主态。XPS分析显示UV-ORTA处理后氧空位显著减少，这抑制了导带最小值附近和价带最大值处带尾态的形成。因此，在处理后的HEO薄膜中，从价带扩展态到导带尾部（或价带尾部到导带扩展态）的光激发电子跃迁显著减少，导致吸收边蓝移和带隙扩大。此外，减少的缺陷态削弱了光散射，提高了薄膜透射率。这些结果证实UV-ORTA处理有效减少了氧空位，增强了薄膜氧化，实现了接近Hf_mEr_nO_2m+3n/2化学计量比（HfO₂, Er₂O₃）的元素组成。

HEO MOS电容器（Al/HEO/Si(p+)）的电容-频率曲线显示，UV-ORTA处理的HEO栅极介电质的电容密度增加，这可以通过XPS的O1s光谱解释。UV-ORTA处理中的高能紫外光有效促进羟基（Er(OH)_x）分解生成具有更高介电常数的Er₂O₃。同时，紫外辐射产生的臭氧分子以及氧气氛快速热退火处理进一步消除了薄膜中的物理键、弱化学键和悬挂键等缺陷，促进了金属-氧（M─O─M）键的形成，提高了HEO薄膜的氧化程度，导致HEO薄膜中高介电常数的HfO₂和Er₂O₃含量增加。泄漏电流曲线显示，UV-ORTA处理后HEO薄膜的泄漏电流密度降低了近一个数量级，在2 V栅极电压下泄漏电流密度约为10^?8 A/cm²。泄漏电流的减少主要归因于两个方面：一是UV-ORTA处理后HEO薄膜中氧空位显著减少，导致金属原子外层的大量价电子形成键，从而大幅降低载流子浓度；二是HEO薄膜带隙增加进一步增大了HEO薄膜与硅基底和金属电极之间的导带偏移，有效抑制了热电子发射形成的泄漏电流。

为进一步研究UV-ORTA处理对基于HEO栅极介电质的a-IGZO TFTs性能优化的影响，制备了a-IGZO/HEO TFTs并测试了其电学特性。基于沉积态HEO栅极介电质的a-IGZO TFTs输出特性显示，输出电流I_DS随源漏电压V_DS增加而增加并迅速达到饱和，表现出饱和特性。然而，随着栅极电压V_GS增加，输出饱和电流增加极小，最大饱和电流仅约为10^?7A，这表明V_GS对I_DS的调制能力差，这可以用沉积态HEO薄膜的高泄漏电流来解释。在恒定栅极电压下，输出电流在达到最大值后未能保持恒定而是逐渐减小，这种现象可能与沟道层中载流子浓度降低有关。由于沉积态HEO薄膜的高泄漏电流特性，电场诱导的载流子聚集速率低于泄漏电流诱导的载流子损失速率，导致沟道层载流子浓度降低和电阻增加。传输曲线显示显著滞后和极小导通态电流，进一步表明沟道层内存在大量载流子损失。

基于UV-ORTA处理的HEO栅极介电质的a-IGZO TFTs输出特性显示出清晰的线性和饱和区域，饱和输出电流随栅极电压V_GS增加而显著增加，这表明V_GS有效调制了沟道电流，且沟道层中的载流子浓度在恒定V_GS下保持相对稳定。与沉积态器件相比，UV-ORTA处理的TFTs导通态电流显著增加，关断态电流显著减少。HEO栅极介电质泄漏电流的减少有助于降低关断态电流，而导通态电流的增加则源于低泄漏电流和UV-ORTA处理的HEO栅极介电质电容密度的增加。根据简单平行板电容器公式：q = CU，在给定栅极电压U（V_GS）下，栅极电容C的增加导致电容耦合沟道层内的电荷增加，从而降低沟道层电阻率并因此增加导通态电流。传输曲线仍显示显著但大幅减少的滞后，结合输出曲线中存在稳定的饱和电流，可以推断滞后主要是由于界面处相对较高的缺陷陷阱密度。

氧化铝（Al₂O₃）薄膜以其致密结构和光滑表面形貌被认为是理想的钝化层，可用于优化高k栅极介电质与半导体之间的界面特性。为确认先前关于图2f中滞后原因的推测并优化a-IGZO TFT电学性能，在UV-ORTA处理的HEO薄膜上溅射沉积了超薄Al₂O₃薄膜（HA）。构建具有Si(p?)/HA/Al结构的MOS电容器以测量栅堆叠电容密度和泄漏电流，结果显示Al₂O₃钝化层的引入导致栅极介电质泄漏电流进一步减少，但由于Al₂O₃相对较低的介电常数，堆叠栅极介电质电容密度降低。为研究Al₂O₃薄膜的界面钝化效果，制备了基于HA栅堆叠的a-IGZO TFTs（a-IGZO/HA TFTs），其输出和传输特性显示滞后进一步减少。此外，TFTs的关断态电流显著降低而导通态电流进一步增加。关断态电流的降低可能源于Al₂O₃薄膜进一步抑制了栅极介电质泄漏电流。Al₂O₃钝化层降低了界面缺陷态密度，减少了沟道层中缺陷陷阱对电子的捕获和散射，从而提高了载流子迁移率并因此增加了导通态电流。从亚阈值摆幅（SS）提取的介电质/半导体界面处的缺陷态密度显示显著改善。

薄膜晶体管的可靠稳定性对于实现长期高质量平板显示器至关重要。为更好地理解Al₂O₃钝化层对a-IGZO TFT性能的优化效果，对带有和不带有Al₂O₃钝化层的TFTs进行了正偏压稳定性（PBS）测试。与未钝化器件相比，带有Al₂O₃钝化的TFTs表现出显著改善的稳定性。带有Al₂O₃钝化的器件在偏压3600秒后阈值电压偏移仅为0.12 V，而未钝化TFTs在仅1800秒时就显示0.2 V偏移。PBS期间阈值电压正偏移的两个主要原因是背沟道中水氧分子的吸附以及栅极介电质与有源层之间存在大的界面缺陷陷阱。负偏压稳定性（NBS）测试显示，传输曲线呈现负偏移，无Al₂O₃钝化层的a-IGZO TFT阈值电压显著降低（ΔV_TH = ?0.33 V），而带有Al₂O₃钝化层的a-IGZO TFT阈值电压降低相对较少（ΔV_TH = ?0.23 V）。研究表明，溅射Al₂O₃薄膜可以钝化界面缺陷态并阻止水氧扩散，效果类似于原子层沉积（ALD）的Al₂O₃薄膜。PBS结果证实溅射Al₂O₃薄膜显著优化了界面泄漏电流减少、缺陷态密度降低和整体TFT器件稳定性。

为研究所制备a-IGZO/HA TFTs的实际应用，通过将TFTs与2 MΩ电阻连接制备了单极电阻负载逆变器电路。在不同电源电压（V_DD）下，逆变器的输出信号无失真，等效于方波信号。输出方波信号与输入信号之间的相位差正好为π，说明了"逻辑非"操作特性。输出信号的高电平值等于V_DD，而低电平值接近零，这是由于a-IGZO TFTs具有足够低的关断态电流和高的导通态电流。此外，输出信号的上升和下降沿几乎垂直，表明器件具有显著低的延迟。这些器件受益于a-IGZO TFTs的高迁移率和低亚阈值摆幅。

静态电压传输特性曲线显示，逆变器在低输入电压范围内产生稳定的高电压（= V_DD），在高输入电压范围内产生稳定的低电压（接近零）。从SVTCs提取的电压摆幅特性参数表明，逆变器表现出令人满意的全电压摆幅特性。逆变器的电压摆幅在V_DD = 0.5 V时为66%，在V_DD = 5 V时增加到92%，这是由于TFTs具有高导通态电流和低关断态电流。SVTCs在高低输出电压之间的过渡区域呈现急剧下降，表明逆变器具有高电压增益（超过12在V_DD = 5 V时），远高于逻辑电路的必需要求。

为进一步了解逆变器电路的工作稳定性，还测量了逆变器对不同频率输入信号的时间响应特性。在1、10、100和1000 Hz工作频率下，逆变器的沟道电流时间响应曲线显示输出电流曲线呈现与输入信号相似的方波形，且输出信号在所有频率下与输入信号保持同步无任何延迟。这些特性是a-IGZO TFTs高迁移率、低亚阈值摆幅和可靠稳定性的结果。

结论

通过结合紫外辅助快速退火（UV-ORTA）处理与超薄Al₂O₃钝化层，实现了高性能a-IGZO/HA TFTs的低温全溅射制备。对沉积态和UV-ORTA处理后的HfErO_x（HEO）薄膜的紫外-可见光谱、XPS数据和电学性能分析表明，UV-ORTA显著优化了低温溅射沉积的HEO薄膜，但该处理对改善栅极介电层与有源层之间的界面特性效果有限。溅射沉积的超薄Al₂O₃薄膜通过阻碍水氧分子扩散发挥钝化作用，将界面缺陷态密度降低至3.5×10¹² cm^?2。优化的a-IGZO/HA TFTs表现出优异的电学性能和偏压稳定性，具有14.5 cm²·V^?1·s^?1的饱和迁移率、8.6×10?的开关电流比、0.09 V/dec的亚阈值摆幅和0.12 V的阈值电压偏移。这些器件在逆变器电路中也实现了良好性能，表现出稳定的动态响应行为和超过12的电压增益。这种协同优化策略为使用低温全溅射工艺制造高性能a-IGZO TFTs提供了有效途径。

实验部分

材料制备与器件制造

在溅射沉积HEO薄膜之前，石英晶圆基底和重掺杂p型硅晶圆依次在去离子水和分析纯乙醇中各超声清洗10分钟。随后，p型重掺杂硅晶圆使用过氧化氢、氨水和去离子水（体积比1:2:7）的混合溶液额外超声清洗10分钟，然后用稀释20倍的氢氟酸清洗以去除表面自然形成的氧化硅层。随后在石英基底和p型重掺杂硅晶圆上共溅射沉积HEO薄膜。沉积过程中，氧化铒和氧化铪靶材的溅射功率分别保持在10和60 W，恒定溅射压力为0.4 Pa。氩气和氧气的相应流速控制在40 sccm和6 sccm。沉积后，HEO薄膜进行UV-ORTA处理，包括在氧气气氛中紫外辐照3分钟，然后在-0.02 MPa的氧气气氛中200°C快速退火5分钟。接下来，通过直流反应溅射金属铝靶材在UV-ORTA处理的HEO薄膜上沉积Al₂O₃薄膜来制造Al₂O₃/HEO（HA）堆叠栅极介电质。该沉积采用10 W的直流溅射功率和0.3 Pa的压力，氩气和氧气流速固定为40和6 sccm。随后，沉积的HA薄膜在-0.02 MPa的氧气气氛中200°C快速退火5分钟。此后，通过射频溅射在HEO和HA表面上沉积a-IGZO薄膜，使用30 W的溅射功率、0.5 Pa的压力和0:30的氧/氩流速比。沉积后，a-IGZO薄膜在设置为-0.04 MPa的氧气气氛中紫外辐照100秒，然后在180°C快速退火100秒。最后，通过热蒸发铝形成源漏电极完成结构为a-IGZO/Al₂O₃/HEO的TFTs。

本研究使用重叠结构制备TFTs，采用底栅顶接触结构。使用重掺杂p型硅晶圆作为基底，同时作为TFTs的栅电极。薄膜厚度通过光谱椭偏仪（SC630，SANCOCo，上海）测量。HEO薄膜、Al₂O₃薄膜和a-IGZO薄膜的厚度分别为40 nm、8 nm和50 nm。最后，使用宽长比为1000:200 μm的掩模在a-IGZO薄膜上热蒸发铝膜作为TFTs的源极和漏极。

材料表征与器件测量

对沉积态和UV-ORTA处理的HEO薄膜进行紫外-可见光谱（UV–vis；Shimadzu UV-2550）和X射线光电子能谱（XPS；Thermo Scientific ESCALAB 250Xi）分析。三种高k介电薄膜——即沉积态HEO、UV-ORTA处理的HEO和HA——被制成MOS电容器和a-IGZO TFTs。使用阻抗分析仪（Keithley E4990A）分析MOS电容器的电容-频率特性。通过半导体参数分析仪（Keithley 2636B；Agilent B1500A）表征a-IGZO/HEO TFTs、a-IGZO/Al₂O₃/HEO TFTs的电学性能和正偏压稳定性（PBS）。最后，使用高性能a-IGZO TFTs制造电阻负载逆变器，并评估这些逆变器的电学特性。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（批准号：11774001、52303306和52202156）的资助。作者还感谢安徽项目（编号：Z010118169）、安徽省自然科学基金（2308085QE139）和滁州大学科研启动基金项目（2022qd44）的支持。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。