IGZO-TFT器件的制备工艺探索及性能优化

发布时间：2017-04-13 13:18

  本文关键词：IGZO-TFT器件的制备工艺探索及性能优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铟镓锌氧化物薄膜晶体管(InGaZnO-TFT)因其成膜温度低、迁移率高、透明性好和制备成本低等优点,引起了国内外广泛的关注,并可能取代传统的硅基TFT成为下一代显示背板技术的主流。目前,制备非晶IGZO-TFT采用的IGZO靶材中原子比通常为In:Ga:Zn=2:2:1或者1:1:1,In、Ga的比例甚至更高。但In、Ga属于稀有元素,近几年In、Ga矿资源出现严重紧缺、价格不断攀升的情况。夏普公司采用In:Ga:Zn=1:1:1靶材研制的结晶型IGZO-TFT具有极低的关态电流(10-24A),综合性能优越,但其成膜工艺苛刻。若降低In、Ga的掺杂量,就更易得到结晶型的IGZO-TFT,并且有助于缓解In、Ga矿资源缺乏问题。因此,本实验将采取In、Ga低掺杂的靶材(In:Ga:Zn=0.42:0.25:1)制备IGZO-TFT器件有源层,并优化其制备工艺参数,提高器件性能。本论文采用底栅顶接触的TFT器件结构,在SiO2/p+-Si衬底上利用磁控溅射法制备ZnO薄膜作为器件的有源层,以重掺杂p型硅和Al膜分别作为器件栅极和源漏电极,以SiO2作为绝缘层。采用金属掩膜板工艺制备大尺寸的ZnO-TFT器件,虽然工艺简单,但由于源漏电极与有源层面积较大,造成器件成功率较低,泄漏电流较大。采用光刻工艺对源漏电极和有源层进行微型化,制备出小尺寸的IGZO-TFT器件,提高了器件成功率,降低了泄漏电流。后续实验将采用后一种微型化工艺制备小尺寸TFT器件。缺氧制备的IGZO-TFT有源层中VO、Zni等施主缺陷较多,载流子浓度过高,结晶质量不好,有源层表面粗糙度较大,导电沟道处表面缺陷态密度较大,因此IGZO-TFT器件的综合性能较差。在溅射气体中通入少量的氧,施主缺陷减少,载流子浓度减小到一个相对合理的范围,增强了栅压对源漏电流的调控作用;有源层薄膜的结晶质量提高,表面粗糙度减小,沟道处表面缺陷态密度减小,载流子受到的俘获和散射作用减弱,其载流子输运特性得到提高。1.0sccm氧气流量的器件性能最佳,迁移率、阈值电压、开关比、亚阈值摆幅分别为4.49cm2/Vs、13.01V、2.08×10~7、2.126V/Dec。当氧气流量过大时,吸附氧和Oi等受主类缺陷过多,薄膜结晶质量变差,沟道处表面缺陷态密度增大,载流子受到的俘获和散射作用增强,导致TFT器件的综合性能下降。为进一步提高IGZO-TFT器件性能,我们对1.0sccm氧气流量条件下制备的有源层进行空气退火处理,然后再制得TFT器件。随退火温度的增加,TFT器件的性能先变好再变差,其中400℃空气退火的器件性能最佳,迁移率、阈值电压、开关比、亚阈值摆幅分别为8.96cm2/Vs、0.98V、1.23×108、1.460V/Dec。在400℃以下,随退火温度的升高,空气中的氧被有源层吸收,并逐渐扩散到薄膜内部,与金属元素结合,减少化学计量比失配,即减少了VO、Zni等施主缺陷,同时IGZO薄膜表面粗糙度降低,导电沟道处表面缺陷态密度减小,沟道载流子输运特性增强,因此器件性能得到改善。当退火温度大于400℃时,IGZO有源层的吸附氧和Oi等受主类缺陷过多,有源层表面粗糙度增大,导电沟道中载流子受到的散射和俘获作用增强,因此TFT器件的综合性能下降。在60min的+20V栅极偏压下,未退火前的IGZO-TFT器件阈值电压漂移13.03V,而400℃退火的IGZO-TFT器件阈值电压漂移减小到8.46V。说明经过400℃空气退火后,器件偏压稳定性增强。这是因为400℃退火后导电沟道处表面缺陷态密度减少,表面缺陷态对有源层内自由电荷的俘获作用减弱。为了进一步降低IGZO-TFT器件的亚阈值摆幅,我们研究了有源层厚度对TFT器件性能的影响。随着有源层的增大,阈值电压减小,迁移率先增大后减小,亚阈值摆幅的大小逐渐增大。有源层厚度为30nm的IGZO-TFT器件性能最佳,迁移率、阈值电压、开关比、亚阈值摆幅分别为10.05cm2/Vs、0.38V、9.53×10~7、0.672V/Dec。有源层厚度越大,填满缺陷态后,剩余的自由电荷数目就越多,更容易形成导电沟道,所以阈值电压减小。有源层厚度过薄,载流子输运特性容易受到有源层背表面的散射影响,迁移率较低。有源层厚度过大,缺陷态数目较多,载流子在输运过程中受到散射的几率增大,迁移率减小。随有源层厚度的增大,导电沟道处表面缺陷态密度增大,载流子受到的俘获和散射作用增强,从而导致亚阈值摆幅恶化。
【关键词】：IGZO-TFT器件 射频磁控溅射 氧气流量 空气退火 有源层厚度
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN321.5
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 引言12-13
• 1.2 TFT的工作原理及主要性能参数13-19
• 1.2.1 TFT的基本结构13-14
• 1.2.2 TFT的工作原理14-16
• 1.2.3 TFT的主要性能参数16-19
• 1.3 TFT的发展历程19-21
• 1.3.1 非晶硅TFT19
• 1.3.2 多晶硅TFT19-20
• 1.3.3 有机半导体TFT20
• 1.3.4 氧化物TFT20-21
• 1.4 氧化物TFT的研究现状21-24
• 1.5 本论文的选题依据以及主要研究内容24-26
• 第2章 样品的制备技术以及表征手段26-35
• 2.1 样品的制备技术26-31
• 2.1.1 磁控溅射镀膜仪26-27
• 2.1.2 多层镀膜机27-28
• 2.1.3 退火工艺28-29
• 2.1.4 薄膜的图形化29-31
• 2.2 薄膜的表征手段以及器件的电学性能测试系统31-35
• 2.2.1 台阶仪31-32
• 2.2.2 X射线衍射仪（XRD）32
• 2.2.3 原子力显微镜（AFM）32-33
• 2.2.4 光致发光谱（PL）33
• 2.2.5 X射线光电子能谱仪（XPS）33
• 2.2.6 能量分散谱仪（EDS）33-34
• 2.2.7 霍尔效应测试仪（Hall）34
• 2.2.8 TFT器件电学性能测试仪34-35
• 第3章 ZnO-TFT器件的制备工艺探索35-47
• 3.1 TFT器件的结构设计和制备35-37
• 3.1.1 衬底清洗35-36
• 3.1.2 磁控溅射制备有源层薄膜的过程36-37
• 3.1.3 电阻热蒸发制备金属电极37
• 3.2 基于金属掩膜板工艺的大尺寸ZnO-TFT器件制备37-41
• 3.2.1 有源层的制备37-38
• 3.2.2 源漏电极的制备38-39
• 3.2.3 TFT器件性能分析39-41
• 3.3 基于光刻工艺的小尺寸ZnO-TFT器件制备41-46
• 3.3.1 有源层薄膜的制备41
• 3.3.2 源漏电极的制备和图形化41-43
• 3.3.3 TFT器件性能分析43
• 3.3.4 有源层的图形化43-45
• 3.3.5 TFT器件性能分析45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 氧气流量对IGZO-TFT器件性能的影响及机理分析47-58
• 4.1 氧气流量对IGZO-TFT器件性能的影响47-51
• 4.1.1 IGZO-TFT器件的制备47-48
• 4.1.2 IGZO-TFT器件性能与分析48-51
• 4.2 氧气流量对IGZO薄膜性能的影响51-55
• 4.2.1 氧气流量对IGZO薄膜电学性能的影响51-52
• 4.2.2 氧气流量对IGZO薄膜微观结构的影响52-53
• 4.2.3 氧气流量对IGZO薄膜表面粗糙度的影响53-54
• 4.2.4 氧气流量对IGZO薄膜发光性能的影响54-55
• 4.3 氧气流量对器件性能影响的机理分析55-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第5章 空气退火对IGZO-TFT器件性能的影响及机理分析58-72
• 5.1 空气退火对IGZO-TFT器件性能的影响58-61
• 5.1.1 IGZO-TFT器件的制备和退火工艺参数58
• 5.1.2 IGZO-TFT器件性能与分析58-61
• 5.2 空气退火对IGZO薄膜性能的影响61-67
• 5.2.1 空气退火对IGZO薄膜微观结构的影响61-62
• 5.2.2 空气退火对IGZO薄膜表面粗糙度的影响62-64
• 5.2.3 空气退火对IGZO薄膜发光性能的影响64-65
• 5.2.4 空气退火IGZO薄膜的XPS测试分析65-66
• 5.2.5 空气退火IGZO薄膜的EDS测试分析66-67
• 5.3 空气退火对器件性能影响的机理分析67-68
• 5.4 退火顺序对IGZO-TFT器件性能的影响68
• 5.5 400℃空气退火对IGZO-TFT偏压稳定性的影响68-71
• 5.5.1 偏压稳定性的测试69
• 5.5.2 实验结果与分析69-71
• 5.6 本章小结71-72
• 第6章 有源层厚度对IGZO-TFT器件性能的影响及机理分析72-78
• 6.1 有源层厚度对IGZO-TFT器件性能的影响72-76
• 6.1.1 不同有源层厚度IGZO-TFT器件的制备72
• 6.1.2 有源层厚度对IGZO-TFT器件性能的影响及机理分析72-76
• 6.2 本章小结76-78
• 第7章 总结与展望78-80
• 参考文献80-85
• 致谢85-86
• 攻读硕士学位期间的研究成果86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 吴海波;董承远;林世宏;吴娟;;氧分压对磁控溅射制备IGZO薄膜光电特性的影响[J];半导体技术;2014年02期

2 吴为敬;颜骏;许志平;赖志成;;IGZO TFT与ZnO TFT的性能比较[J];液晶与显示;2011年02期

3 林明通;余峰;张志林;;氧化锌基薄膜晶体管最新研究进展[J];光电子技术;2008年04期

4 许洪华;徐征;黄金昭;袁广才;孙小斌;陈跃宁;;薄膜晶体管研究进展[J];光子技术;2006年03期

  本文关键词：IGZO-TFT器件的制备工艺探索及性能优化，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：303696