非晶銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管關鍵工藝研究

高錦成，李正亮，曹占鋒，姚 琪，關 峰，惠官寶

(京東方科技集團股份有限公司,北京 100176)

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非晶銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管關鍵工藝研究

高錦成，李正亮，曹占鋒，姚 琪，關 峰，惠官寶

(京東方科技集團股份有限公司,北京 100176)

為優化金屬氧化物薄膜晶體管(IGZO-TFT)的特性，采用射頻磁控濺射法沉積IGZO薄膜作為半導體活性層，制備出具有刻蝕阻擋層(Etch stop layer,ESL)結構的IGZO TFT，在2.5 G試驗線上研究了IGZO沉積過程中O2濃度、IGZO沉積后N2O等離子體處理、ESL的制備溫度和ESL沉積過程中N2O/SiH4的比例等關鍵工藝條件對IGZO TFT的閾值電壓(Vth)的影響。實驗結果表明：IGZO沉積過程中O2濃度的增加、IGZO沉積后N2O等離子體處理和ESL制備溫度的降低會導致IGZO TFT的Vth正偏移。

銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管； 刻蝕阻擋層； N2O等離子體； 閾值電壓

1 引 言

近年來，金屬氧化物因具有更高的電子遷移率[1-2]而得到平板顯示業界的廣泛關注和深入開發。非晶氧化銦鎵鋅薄膜晶體管(a-IGZO TFT)是當前最具產業化潛力的金屬氧化物TFT 技術之一。

然而，IGZO TFT仍然存在許多問題需要解決，如穩定性和可靠性等[3]。TFT 的閾值電壓(Vth)漂移是其中的主要問題之一。TFT 的Vth是使半導體表面產生反型層(即溝道)時所需要加載的柵極電壓。當TFT暴露在背光源的輻射時，光激發電子從價帶躍遷至禁帶中的電子陷阱，電子被束縛在陷阱中，而空穴在負柵極偏壓的作用下被轉移到溝道與絕緣層界面處的陷阱中，因而產生閾值電壓的負方向偏移。柵極驅動器集成在玻璃基板技術(Gate driver on Array, GOA)可以省掉Gate IC，從而降低成本，同時沒有Gate IC邦定工藝，會提高面板模組的良率，越來越被面板廠商應用到各種面板產品上。通常都設計GOA在VGS=0 V時為關態狀態[4-5]，那么VGS=0 V時的電流為GOA實際工作的Ioff。如果Vth向負方向偏移，當施加0 V的柵極電壓時，就會產生較大的漏電流，從而導致電學信號衰減和顯示品質的下降。

本文通過優化IGZO沉積過程中O2濃度、IGZO沉積后N2O等離子體處理、ESL的制備溫度和ESL沉積過程中N2O/SiH4的比例等關鍵工藝，使得半導體表面表現為反型層，控制TFT 器件的工作方式由耗盡型向增強型轉變，從而保證IGZO TFT具有正的初始Vth。

2 試 驗

實驗使用康寧玻璃作為基板，首先采用磁控濺射方法沉積Al/Mo作為柵電極，厚度分別為200 nm/20 nm。然后在PECVD系統中沉積SiO2作為柵極絕緣層，厚度為300 nm。有源層InGaZnO薄膜采用射頻磁控濺射方法在常溫下制備，厚度為40 nm，實驗所用的靶材為InGaZnO(n(In)∶n(Ga)∶n(Zn) = 1∶1∶1)，濺射功率為6 kW，保持Ar流量為50 sccm，調節氧氣流量為總流量的20%、30%和40%。接著采用SiH4和N2O作為前驅體PECVD方法制備SiO2溝道保護層，厚度250 nm，射頻功率為800 W，腔室壓強為1500 mTorr，SiH4和N2O的流量分別為50 sccm和2000 sccm，沉積溫度為170 ℃。源漏電極為Al/Mo，采用磁控濺射方式沉積，厚度分別為200 nm/20 nm。IGZO TFT的溝道寬度和長度分別為4 μm和7 μm。最后，器件制備完成后對器件進行退火，在空氣條件下，溫度為250 ℃退火時間為30 min。TFT的I-V特性采用Agilent電學測試系統測得。所有的測試都是在室溫、暗室中進行的。

3 結果與討論

3.1 O2濃度對初始Vth的影響

圖1為不同O2濃度對初始Vth的影響結果，隨著O2濃度從20%增加到40%，TFT的初始Vth從0.62 V增加至1.17 V。a-IGZO薄膜載流子傳輸特性的相關研究表面[2]，其遷移率隨自由電子密度增加而升高，因而材料中載流子濃度決定著材料的導電特性，進而影響TFT器件的電學特性。在IGZO沉積過程中，氧濃度越大，IGZO薄膜中的氧含量就越多。IGZO中的氧原子與電子可以以下面形式相結合：O+e-→O-，束縛導帶中的電子，因此隨著氧分壓的增加，溝道IGZO薄膜中的載流子數量就會減少[6]，并且器件由耗盡型轉變為增強型。另一方面，隨著O2濃度的增加，a-IGZO靶材表面的氧化增強以及Ar分壓的降低，沉積速率會降低，薄膜中缺陷減小，從而載流子濃度降低[7]。因而需要更高的柵極電壓來開啟IGZO TFT，即Vth向正方向偏移。

圖1 氧濃度對IGZO TFT Vth的影響Fig.1 Dependence of the Vth of IGZO TFT on O2concentration

圖2 N2O等離子體處理對初始Vth的影響Fig.2 Dependence of the Vth of IGZO TFT on N2O plasma treatment

3.2 N2O等離子體處理對初始Vth的影響

圖2為N2O等離子體對IGZO溝道處理對TFTVth的影響結果。沒有用N2O等離子體處理的TFTVth為1.39 V，使用N2O等離子體處理后的TFTVth正偏移至2.38 V。制備SiO2刻蝕阻擋層的氣體為SiH4、N2O和N2，SiH4解離產生的H會擴散到IGZO中形成缺陷。H是n型氧化物半導體材料的施主，會使IGZO導體化。在SiO2刻蝕阻擋層制備之前，使用N2O等離子體對IGZO有源層處理，可以在IGZO的背溝道表面形成一層富氧層，增加氧原子和金屬原子之間的鍵合，如Zn-O的濃度和強度，可以有效地降低后續SiO2鈍化層制備時造成的缺陷[8]。N2O的生成焓為1.73 eV，O2的生成焓為4.13 eV，解離O2需要更高的射頻功率，更高的射頻功率可能會對IGZO薄膜造成損傷，從而會影響IGZO TFT的穩定性[9]。這表明N2O等離子體處理，可以提高IGZO薄膜表面的金屬原子和氧原子鍵強度，從而阻止SiO2制備工藝時缺陷的生成。

3.3 ESL沉積溫度對初始Vth的影響

圖3為IGZO TFTVth隨ESL沉積溫度的變化趨勢。ESL沉積溫度從170 ℃上升至210 ℃，Vth從0.1 V負偏移至-1.2 V。在沉積ESL時，IGZO表面沒有任何保護，薄膜的材料特性容易受到外界環境如溫度、氣氛的影響，從而影響器件的特性[10]。氧化物半導體材料中的自由電子主要是由于氧空位的形成而產生。在IGZO薄膜的制備過程中，隨著基板溫度的升高，IGZO中的氧原子受到熱能激發，容易離開初始位置，移動到材料的間隙位置，從而形成氧空位，相應地在原來位置產生自由電子而形成缺陷，因而導致Vth的負偏移[11]。

圖3 ESL沉積溫度對初始Vth的影響Fig.3 Dependence of the Vth of IGZO TFT on ESL deposition temperature

圖4 N2O/SiH4的比例對初始Vth的影響Fig.4 Dependence of the Vth of IGZO TFT on the ratio of N2O/SiH4

3.4 N2O/SiH4的比例對初始Vth的影響

最后，我們研究了ESL沉積時的N2O/SiH4的比例對初始Vth的影響。我們預測，隨著N2O比例的增加，ESL薄膜中的氧含量會增加，在后續的退火工序中氧原子會從ESL擴散到IGZO中，富氧的ESL會提供更多的氧原子，因而相應的器件的Vth將會正偏移。然而，實驗結果表明，如圖4所示，隨著N2O比例的增加，Vth幾乎沒有發生變化。這表明從ESL向IGZO擴散的氧對IGZO TFT的特性的影響可以忽略。

4 結 論

研究了不同工藝條件對IGZO TFT的初始Vth的影響。在IGZO沉積過程中，隨著氧濃度的增加，初始Vth向正方向偏移。N2O等離子體處理和降低ESL的沉積溫度，同樣可以使Vth向正方向偏移。通過優化不同的工藝條件，可以制備初始Vth處于正方向的IGZO TFT。正方向的Vth有利于GOA的設計，但器件在BTS的穩定性對于GOA也非常重要。因此必須開發同時滿足Vth為正值，又能保證BTS的穩定性的氧化物TFT，才可以將GOA技術應用于平板顯示中。

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Key Process Research of Indium Gallium Zinc Oxide Thin Film Transistor with Etch Stop Layer

GAOJin-cheng,LIZheng-liang,CAOZhan-feng,YAOQi,GUANFeng,HUIGuan-bao

(BOE Technology Group Co. Ltd.,Beijing 100176,China)

In order to improve the performance of Indium Gallium Zinc Oxide Thin Film Transistor, IGZO-TFT with etch-stop layer was prepared in 2.5 G experimental line. The effects of O2concentration during IGZO deposition, N2O plasma treatment, the temperature of ESL deposition and the N2O/SiH4ratio on the IGZO TFTVthwere systemically studied. The results show that theVthwould shift to positive position as the increasing of O2concentration, N2O plasma treatment, and the decreasing of ESL deposition temperature.

IGZO TFT;etch stop layer;N2O plasma;threshold voltage

高錦成 (1982-)，男，碩士.主要從事薄膜晶體管的研究.

TN304

A

1001-1625(2016)09-2946-04