退火工藝對基于InGaZnO薄膜晶體管性能的影響

聶國政　黃篤之　鐘春良　許 英

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退火工藝對基于InGaZnO薄膜晶體管性能的影響

聶國政1黃篤之1鐘春良2許 英1

(1.湖南科技大學物理與電子科學學院，湖南湘潭 411201；2.湖南工業大學理學院，湖南株洲 412007)

銦嫁鋅氧化物（IGZO）以其遷移率高、均勻性好、對可見光透明、制備溫度低和成本低等優點被認為是金屬氧化物薄膜晶體管（Thin-Film Transistor (TFT））理想的有源材料，采用磁控濺射法制備了基于SiO2絕緣層的IGZO-TFT器件。研究銦嫁鋅氧化物有源層薄膜的前退火工藝（pre- annealing）和后退火工藝（post- annealing）對IGZO－TFT器件的電學性能的影響，其電學測試數據表明，相對于后退火工藝（post- annealing），前退火工藝處理的IGZO－TFT器件的展示了更高的場效應遷移率（3.5 cm2V-1s-1）和更好的開關比（107）。同時，十八烷基三氯硅烷（OTS）對改善SiO2絕緣層與銦嫁鋅氧化物半導體有源層之間的界面接觸效果顯著。

金屬氧化物； 薄膜晶體管；退火； 表面修飾

高性能的TFT(薄膜晶體管)是液晶顯示、有源驅動有機發光二極管顯示(AMOLED)等產業的基礎和核心器件。原有的硅基材料TFT由于其低的遷移率、生產工藝復雜、成本居高不下、均勻性差，良品率低等難以克服的問題，限制了其在大尺寸顯示領域的進一步發展，因此迫切需要研究新的具有替代硅材料潛力的有源材料。基于金屬氧化物（Metal-oxide, 簡稱MO，如ZnO、InZnO、InGaZnO等）半導體的薄膜晶體管以其遷移率高、均勻性好、對可見光透明、制備溫度低和成本低等優點被認為是適合驅動有機發光二極管（OLED）和高分辨率液晶顯示（LCD）的理想有源器件[1, 2]。2003年Hoffman[1]利用磁控濺射在室溫下制成多晶ZnO-TFT, 遷移率0.3-2.5cm2/Vs。低溫工藝制備的高遷移率、高透過率MO-TFT成了近年來研究的重點。MO半導體有源層材料從開始的ZnO[1]到In2O3[3, 4], InZnO（IZO）[5]，In-Ga-Zn-O (IGZO)[6, 7]等。這些氧化物的重金屬陽離子符合外層電子軌道排布為(n-1)d10ns0（n≥4)；具有較大的量子系數（n）的重金屬所形成的金屬氧化物能夠在分子無序的狀態下也能保持高的載流子遷移率[8]。它們是最有可能代替硅材料潛力的有源材料，已成研究的熱點，其中，基于IGZO有源層的TFT 器件在電學穩定性、遷移率、光透過率、閾值電壓等方面有著獨特的優勢,而被廣泛研究[9, 10]。退火工藝對IGZO-TFT的性能影響很大，因為退火可以減少IGZO材料的氧空位，對提高器件的電學性能和穩定性有很大的幫助[11]。但是，制備源漏電極前后, 前退火和后退火處理IGZO薄膜對IGZO-TFT的性能影響很大。論文研究了銦嫁鋅氧化物有源層薄膜的前退火工藝（pre- annealing）和后退火工藝（post- annealing）對IGZO－TFT器件的電學性能的影響，用OTS改善SiO2絕緣層與銦嫁鋅氧化物半導體有源層的接觸，優化工藝，制備電學性能良好的IGZO－TFT器件。

1　實　驗

實驗采用如圖1所示的底柵頂接觸結構的工藝順序來制備IGZO－TFT器件。熱氧化制備的Si/SiO2（300nm)片子分別用作IGZO－TFT的柵電極/柵絕緣層。Si/SiO2（300nm)片子在濺射制備IGZO有源層前需要超聲清洗，Si/SiO2（300nm)片子的SiO2表面按順序分別放入丙酮，去離子水，異丙醇液體中超聲清洗，每一步超聲清洗需要花10分鐘，然后用干燥箱把片子烘烤干凈備用。在Si/SiO2（300nm)片子的SiO2表面上甩涂一層20nm厚的OTS修飾薄膜，并烘干。經OTS修飾的Si/SiO2（300nm)基片放入磁控濺射儀的真空蒸鍍腔內，抽真空到2.0×10-3Pa。隨后以15sccm的流量加入Ar氣，維持工作氣壓為0.5Pa，濺射功率為150W的工藝條件，在SiO2表面上濺射一層30nm厚的銦嫁鋅氧化物（IGZO）作為IGZO-TFT器件的有源層材料。最后，在IGZO氧化物薄膜上濺射一層40nm厚鎳（Ni）薄膜作為源、漏電極，用掩模板控制導電溝道的寬度和長度分別為10mm和3mm。為研究前退火和后退火處理IGZO薄膜對IGZO-TFT的性能影響。分別制備如圖1所示結構的前退火工藝處理的IGZO-TFT器件（稱為器件A）、如圖1所示結構的后退火工藝處理的IGZO-TFT器件（稱為器件B）。在上述實驗順序制備過程中，濺射制備源、漏Ni電極之前，對沉積在真空腔里的SiO2表面上的IGZO薄膜進行襯底加熱300度退火處理30分鐘，然后再在IGZO薄膜上繼續濺射濺射制備源、漏電極，這就是前退火工藝（pre- annealing）。在上述實驗順序制備過程中，完成濺射制備源、漏Ni電極，制備出如圖1所示結構IGZO-TFT，然后再對IGZO-TFT器件在空氣中放在300度的熱臺上退火30min，這就是后退火工藝（post- annealing）。所制備的器件A和器件B的輸出特性曲線和轉移特性曲線用半導體參數測試儀（HP4155C）進行測試。

圖1.底柵頂接觸結構的TFT器件

2　結果與分析

制備的IGZO-TFT器件經前退火、后退火工藝處理后，其電學特性分別見圖2和圖3所示。

圖2. 器件A的電學特性曲線

(a)輸出特性曲線,(b)轉移特性曲線

圖3. 器件B的電學特性曲線

(a)輸出特性曲線,(b)轉移特性曲線

圖2(a)和圖3(a)分別為器件A、器件B的電學輸出特性曲線。可以看出，所制備器件A、器件B的源漏電流（D）都展示了典型n型TFT的飽和特性。當源漏電壓（DS）增大到一定值，D不再隨DS的增大而增大，而趨于一個恒定飽和值，稱之為飽和特性。為了研究前退火和后退火處理IGZO薄膜對IGZO-TFT的電學性能影響，比較器件A和B在柵極偏壓V=30V、源漏電壓V=40V條件下的源漏電流（D）的大小，數據發現器件A在此條件下的源漏電流（1.1×10-3A）比器件B的源漏電流（3.5×10-4A）高出一個數量級（如圖2(a)和圖3(a)）。

圖2 (b)和圖3 (b)為器件A、器件B的轉移特性曲線。在飽和區工作時，I滿足下面的公式[12]：

式（1）中和分別代表器件溝道的寬度和長度，C是柵絕緣介質層的單位面積電容，μ為晶體管的場效應遷移率，V是晶體管的閾值電壓，V可以由圖2 (b)和圖3 (b)中的（-I）1/2-VGS的曲線圖的切線外推至V軸得到[13]。晶體管的場效應遷移率可以從公式（1）得出。器件A的遷移率為3.5cm2V-1S-1、開關比為107，遠大于器件B的2.5 cm2V-1S-1。以上結果表明，相對于后退火工藝，前退火工藝處理IGZO薄膜可以獲得性能更好的IGZO晶體管。當后退火工藝制備IGZO晶體管時，隨著對IGZO薄膜加熱熱退火工藝時，在Ni 電極與IGZO薄膜的接觸界面，Ni會熱擴散到IGZO薄膜里，使得Ni 電極與IGZO薄膜接觸電阻增大，導致獲得差的飽和電流和遷移率。因此，在濺射Ni電極之前，對IGZO薄膜加熱熱退火，可以較好防止Ni會熱擴散到IGZO薄膜而引起Ni 電極與IGZO薄膜的接觸電阻增大。

為了改善SiO2絕緣層與IGZO有源層之間的接觸，采用十八烷基三氯硅烷 OTS修飾處理SiO2絕緣層表面，為研究OTS修飾SiO2絕緣層的效果。制備了以下兩種IGZO-TFT器件結構：器件C：Si/SiO2（300nm)/OTS（20nm)/ IGZO(30nm)/Ni(40nm)，器件D：Si/SiO2（300nm)/ / IGZO(30nm)/Ni(40nm).

圖4.十八烷基三氯硅烷對 IGZO-TFT器件電學性能的影響

(a)器件C轉移特性曲線 (b)器件D的轉移特性曲線

圖4即為器件C和器件D測試所得的轉移特性曲線，從上如可以看出，經過OTS修飾后的器件C的電流增大了而許多比器件D，而且器件的移率從器件D的0.98cm2V-1S-1增大到器件C的2.5 cm2V-1S-1。開關比從器件D的104增大到器件C的107。OTS明顯改善了SiO2與IGZO之間界面接觸。OTS的分子式為下圖所示：

圖5 .十八烷基三氯硅烷（OTS）分子式

SiO2表面上甩涂一層20nm厚度的OTS修飾薄膜后，OTS與SiO2表面的Si-OH經過脫脂反應形成的產物通過Si—O—Si結構牢牢附著在二氧化硅的表面，尾部的十八烷基并列起來形成烷基的“森林”，保護著二氧化硅的表面，使其表面疏水化，有效的改善了SiO2表面與有源層薄膜之間界面的接觸[14]。因此，OTS能有效的改善SiO2絕緣層與IGZO有源層之間接觸，IGZO-TFT器件的遷移率由0.98 cm2V-1S-1增大到2.5 cm2V-1S-1。

結　論

用磁控濺射法制備了基于SiO2絕緣層的IGZO-TFT器件。研究了前退火和后退火處理IGZO薄膜對IGZO-TFT的性能影響，相對于后退火工藝，前退火工藝處理IGZO薄膜可以獲得電學性能更好的IGZO-TFT器件。同時，十八烷基三氯硅烷（OTS）能有效的改善SiO2絕緣層與銦嫁鋅氧化物半導體有源層之間接觸，IGZO-TFT器件性能得到改善。

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（責任編校：宮彥軍）

2015－06－03

國家自然科學基金(項目編號11447212，11204076，11247003)；湖南省自然科學基金項目（項目編號2015JJ3060）資助。

聶國政（1979－），男，湖南漣源人，講師，2011年獲得微電子與固體電子學專業工學博士學位，主要研究方向為光電材料與器件。

TN321.5

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1673-2219（2015）10-0019-03