不同濺射氣體對(duì)a-IGZO TFT特性的影響

張 耿，王 娟，向桂華，蔡君蕊，孫慶華，趙偉明1，，*

(1.東莞宏威數(shù)碼機(jī)械有限公司，廣東東莞523080;2.東莞彩顯有機(jī)發(fā)光科技有限公司，廣東東莞523080;3.東莞有機(jī)發(fā)光顯示產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東東莞523080;4.中山大學(xué)理工學(xué)院，廣州510275)

在傳統(tǒng)的有源驅(qū)動(dòng)顯示，如LCDs中，一般采用非晶硅或多晶硅薄膜晶體管。而硅基TFT對(duì)可見光不透明，且存在非晶硅TFT低遷移率、多晶硅的高成本、不均勻等缺點(diǎn)，限制了其在新興的電流驅(qū)動(dòng)型的 OLED顯示技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來，以In-Ga-Zn-O(IGZO)為代表的透明氧化物半導(dǎo)體TFT技術(shù)，已取得很多突破性的進(jìn)展。這項(xiàng)技術(shù)具有高遷移率、低亞閾值擺幅、低溫制程、穩(wěn)定且透明等優(yōu)點(diǎn)，很有希望取代硅基TFT技術(shù)，成為下一代平板顯示的主流技術(shù)［1-2］。

目前，該技術(shù)仍存在穩(wěn)定性、均勻性等問題，阻礙其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程［3］。研究者們嘗試通過改變鍍膜方式［4-5］(DC or RF)、鍍膜參數(shù)［6-8］(濺射氣壓、氧分壓、功率等)、退火條件［9-11］(溫度、氣氛、時(shí)間等)、溝道鈍化［12-13］(制作方式、材料類型)等方法，來改進(jìn)氧化物TFT的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)中IGZO常采用Ar+O2或Ar+N2等混合氣體制作，對(duì)于不同單組份濺射氣體成膜效果及對(duì)TFT特性影響的系統(tǒng)研究，目前尚未見諸報(bào)道。

本文采用脈沖直流電源方式濺射制作IGZO-TFT器件，這是一種低成本、與傳統(tǒng)生產(chǎn)兼容性高的工藝路線。文中分別采用Ar、O2、N23種單組份氣體濺射制作IGZO膜，得到底柵結(jié)構(gòu)的TFT，相應(yīng)地研究了缺氧(Ar)，富氧(O2)，氧替代(N2)等3種類型的IGZOTFT特性。通過俄歇電子能譜(AES)、X射線衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)等方法，研究不同氣體濺射的IGZO膜和相應(yīng)的靶材表面成分、粗糙度、結(jié)構(gòu)等特征和變化情況，分析采用不同濺射氣體制備的IGZO膜和TFT器件特性存在差異的原因。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用脈沖直流(Pulsed DC，ENI RPG-50)方式濺射制作IGZO膜，IGZO靶直徑為150 mm，功率為30 W，氣壓為0.5 Pa，濺射氣體為3種單組份的Ar、N2、O2(純度均≥99.999%)。IGZO-TFT 為底柵頂接觸結(jié)構(gòu)，溝道尺寸W/L=1.0 mm/0.2 mm。溝道材料為不同氣體制作的IGZO(30 nm);柵電極采用ITO(150 nm);SD電極采用蒸鍍的Al膜(100 nm)，并利用Shadow Mask圖形化;柵絕緣層采用脈沖直流反應(yīng)濺射制作的Si3N4/SiO2(300 nm/20 nm)，功率為160 W，工藝氣體分別為:Ar+N2、Ar+O2，總氣壓為0.46 Pa。TFT結(jié)構(gòu)制作完成后，在氧氣氛中于300℃下退火1 h。

分別采用俄歇電子能譜(AES，PHI680)、原子力顯微鏡(AFM，Veeco Dimension 3100)、四探針測(cè)試儀(Four Dimension Inc.1100-D)、X-Ray衍射法(XRD，D-MAX 2200 VPC)等方法分析IGZO膜的表面成分、表面粗糙度、表面方阻以及膜層結(jié)構(gòu)。采用Keithley 2635和Keithley 2420組成的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行TFT特性測(cè)試。

此外，實(shí)驗(yàn)中截取新鮮的IGZO靶材截面，分別采用Ar、N2、O2等單組份氣體進(jìn)行濺射處理0.5 h，其它工藝條件與制作IGZO薄膜時(shí)的相同，然后采用AES對(duì)靶材轟擊面進(jìn)行成分測(cè)試，并與相同條件下制作的IGZO膜進(jìn)行對(duì)比分析。

2 分析和討論

采用不同的單組份氣體制作的IGZO-TFT，溝道表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)移特性(如圖1)。在退火前，Ar-IGZO TFT和N2-IGZO TFT(分別表示Ar和N2濺射制作的IGZO膜，下同)的溝道電流ID與柵極電壓VG間呈線性關(guān)系，且ID較大，分別為10-2A和10-3A，這意味著溝道中自由載流子的濃度較高，ID不受VG控制;經(jīng)退火后，這兩種溝道均表現(xiàn)出受VG控制的半導(dǎo)體特性，參數(shù)如表1所示。其中Ar-IGZO TFT的特性表現(xiàn)更優(yōu)異，其中S值為1 V/(°)，Vth為1.4 V，μ值為8.3 cm2/Vs，Ion/Ioff≥105;N2-IGZO TFT 的相應(yīng)參數(shù)分別為 5 V/dec、-0.9 V、2.0 cm2/Vs、103。而O2-IGZO TFT在退火前后均基本沒有輸出電流，圖上波動(dòng)的曲線為測(cè)試系統(tǒng)的本底噪聲信號(hào)。

圖1 不同濺射氣體制作的IGZO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線

表1 退火后Ar-IGZO TFT和N2-IGZO TFT的TFT特性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

將3種單組份氣體制備的IGZO膜(100 nm)分別制作在白玻璃上進(jìn)行分析。圖2是其經(jīng)退火前后的XRD圖，圖中重疊的曲線表明，采用不同氣體濺射制備的IGZO膜在退火前后均為非晶形態(tài)，退火處理對(duì)其結(jié)構(gòu)基本無影響，因此具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2 XRD表征不同濺射氣體制作的IGZO膜的結(jié)構(gòu)特征

采用四探針法測(cè)量上述3種IGZO膜的方阻，結(jié)果如圖3所示。從圖中可看到，Ar-IGZO膜具有最小的方阻102Ω/□，而N2-IGZO膜和O2-IGZO膜的方阻分別為104-5Ω/□和≥109Ω/□。經(jīng)退火后，除Ar-IGZO膜的方阻由102Ω/□上升至107-8Ω/□外，其它兩種膜的方阻基本不變。根據(jù)Hosono等人［14］的觀點(diǎn)，TFT的電學(xué)特性與IGZO膜中的氧空位密切相關(guān)，氧空位較多時(shí)IGZO膜的載流子濃度較高，此時(shí)相應(yīng)的導(dǎo)電特性較好。由于采用Ar離子濺鍍的IGZO膜會(huì)形成較多的氧空位，此時(shí)氧空位充當(dāng)載流子施主，提供較多的自由電子;經(jīng)過退火后，氣氛中的氧填補(bǔ)了部份空位，降低了載流子的濃度，表現(xiàn)出方阻明顯增加的現(xiàn)象。O2-IGZO膜在制作過程中，由于有足夠的氧補(bǔ)充進(jìn)IGZO膜層結(jié)構(gòu)中，因此氧空位最少，表現(xiàn)為退火前后方阻值均較高。而N2-IGZO制作過程中雖然沒有O2參與，但部分氧空位可被N原子填補(bǔ)，方阻介于Ar-IGZO和O2-IGZO之間。

圖3 不同濺射氣體制作的IGZO膜的表面方阻情況

對(duì)于不同氣體濺射制作的IGZO膜，除了形成不同的氧空位密度外，相應(yīng)的靶材和膜層中的金屬含量比也存在差異。從圖4中對(duì)靶材的AES成分分析結(jié)果，原始靶材中In/Zn/Ga的原子比確認(rèn)為2∶1∶1;分別采用Ar/N2/O23種等離子轟擊0.5 h時(shí)，靶表面成分發(fā)生較大的變化。相應(yīng)于Ar/N2/O2的處理次序，In含量逐漸增加，Ga含量逐漸減少，Zn的含量在Ar轟擊后剩下的最多，N2轟擊后的最少。這意味著濺射氣體對(duì)靶材中不同元素的濺射速率影響很大:In在采用Ar轟擊時(shí)的濺射產(chǎn)率最高，Ga是采用O2濺射時(shí)最高，Zn是采用N2時(shí)最高。

圖4 AES分析采用不同濺鍍氣體轟擊前后的IGZO靶材的表面成分情況

圖5是IGZO膜表面的AES成分分析結(jié)果。整體而言，In在Ar-IGZO膜中的比重最高，Ga在O2-IGZO膜中的含量最高;退火前Zn在O2-IGZO膜中的含量最高，而退火后則是在Ar-IGZO中最高。根據(jù)Hosono等人［16］的研究報(bào)道，認(rèn)為In原子是IGZO膜中載流子的主要貢獻(xiàn)者，Ga起抑制載流子遷移的作用，Zn則有利于非晶結(jié)構(gòu)膜層的形成。與前面方阻測(cè)量結(jié)果相對(duì)應(yīng)，Ar-IGZO的方阻低是因?yàn)槠淠又蠭n含量較高所致，O2-IGZO的方阻高是Ga原子含量較高的原因。

圖5 AES分析采用不同濺鍍氣體制作的IGZO膜的表面成分情況

退火前后膜層成分，以N2-IGZO的成分比例最為穩(wěn)定，這與N可提高IGZO結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性報(bào)道一致［15］。而Ar-IGZO和O2-IGZO中的成分比例則稍有變化，尤其是Zn和Ga的相對(duì)比重變化，說明這兩種膜層結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定，退火會(huì)引起膜層內(nèi)的原子遷移;尤其是O2-IGZO中In含量較高，這可能是受AES的測(cè)量局限性所致，采用AES測(cè)量時(shí)要求膜層具有一定的導(dǎo)電能力，而O2-IGZO膜的導(dǎo)電性較差，需采用等離子去中和膜層表面的積累電荷，此過程對(duì)薄膜有等離子轟擊效果，相應(yīng)的膜層成分與實(shí)際情況會(huì)有偏離。

采用AFM分析不同濺射氣體制作的IGZO膜，如圖6所示，表面粗糙度在退火前后呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。Ar-IGZO和N2-IGZO膜表面較平整，平均粗糙度Ra＜0.25 nm，退火前后基本無變化。但是O2-IGZO呈現(xiàn)出很大的不同，表面均較粗糙(Ra＞2 nm)，且退火處理導(dǎo)致粗糙度增加(2.1 nm→2.7 nm)。根據(jù)材料學(xué)的缺陷觀點(diǎn)，薄膜表面的粗糙度高會(huì)引起更多的界面缺陷態(tài)，這對(duì)載流子起到陷阱捕獲的作用。由此也說明了表面粗糙度較大的O2-IGZO膜具有較高的方阻，而且退火后粗糙度繼續(xù)增加，這些對(duì)溝道載流子傳輸都是不利的。

圖6 不同濺鍍氣體制作的IGZO膜

3 結(jié)論

本文采用脈沖直流濺射方式制備了缺氧(Ar)、富氧(O2)、氧替代(N2)3種類型的IGZO-TFT，并考察其在退火前后的特性變化情況。退火前Ar-IGZO具有較低的方阻102Ω/□，溝道特性呈線性，退火后TFT具有良好的特性，S值為1 V/dec，遷移率可達(dá)8.27 cm2/Vs，開關(guān)比≥105。退火前后N2-IGZO的方阻為104-5Ω/□，結(jié)構(gòu)和成分最穩(wěn)定，退火處理后TFT有受控特性，但比Ar-IGZO TFT的差。退火前后O2-IGZO的方阻均≥109Ω/□，TFT無開關(guān)特性。

通過XPS、AES、AFM 等方法，發(fā)現(xiàn) Ar-IGZO的方阻低與膜層中In含量較高有關(guān)，O2-IGZO的方阻高與Ga原子含量較高有關(guān)，而N2-IGZO膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性則與含N原子有關(guān)。此外，AFM表面粗糙度測(cè)量結(jié)果表明，退火前后Ar-IGZO和N2-IGZO膜表面較平整且較穩(wěn)定(Ra＜0.25 nm);而O2-IGZO膜表面粗糙度較大，且在退火后粗糙度變大，這對(duì)O2-IGZO TFT的溝道載流子傳輸是不利的。

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