本文關(guān)鍵詞：IGZO-TFT器件的制備工藝探索及性能優(yōu)化，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管(InGaZnO-TFT)因其成膜溫度低、遷移率高、透明性好和制備成本低等優(yōu)點(diǎn),引起了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注,并可能取代傳統(tǒng)的硅基TFT成為下一代顯示背板技術(shù)的主流。目前,制備非晶IGZO-TFT采用的IGZO靶材中原子比通常為In:Ga:Zn=2:2:1或者1:1:1,In、Ga的比例甚至更高。但I(xiàn)n、Ga屬于稀有元素,近幾年In、Ga礦資源出現(xiàn)嚴(yán)重緊缺、價格不斷攀升的情況。夏普公司采用In:Ga:Zn=1:1:1靶材研制的結(jié)晶型IGZO-TFT具有極低的關(guān)態(tài)電流(10-24A),綜合性能優(yōu)越,但其成膜工藝苛刻。若降低In、Ga的摻雜量,就更易得到結(jié)晶型的IGZO-TFT,并且有助于緩解In、Ga礦資源缺乏問題。因此,本實(shí)驗(yàn)將采取In、Ga低摻雜的靶材(In:Ga:Zn=0.42:0.25:1)制備IGZO-TFT器件有源層,并優(yōu)化其制備工藝參數(shù),提高器件性能。本論文采用底柵頂接觸的TFT器件結(jié)構(gòu),在SiO2/p+-Si襯底上利用磁控濺射法制備ZnO薄膜作為器件的有源層,以重?fù)诫sp型硅和Al膜分別作為器件柵極和源漏電極,以SiO2作為絕緣層。采用金屬掩膜板工藝制備大尺寸的ZnO-TFT器件,雖然工藝簡單,但由于源漏電極與有源層面積較大,造成器件成功率較低,泄漏電流較大。采用光刻工藝對源漏電極和有源層進(jìn)行微型化,制備出小尺寸的IGZO-TFT器件,提高了器件成功率,降低了泄漏電流。后續(xù)實(shí)驗(yàn)將采用后一種微型化工藝制備小尺寸TFT器件。缺氧制備的IGZO-TFT有源層中VO、Zni等施主缺陷較多,載流子濃度過高,結(jié)晶質(zhì)量不好,有源層表面粗糙度較大,導(dǎo)電溝道處表面缺陷態(tài)密度較大,因此IGZO-TFT器件的綜合性能較差。在濺射氣體中通入少量的氧,施主缺陷減少,載流子濃度減小到一個相對合理的范圍,增強(qiáng)了柵壓對源漏電流的調(diào)控作用;有源層薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高,表面粗糙度減小,溝道處表面缺陷態(tài)密度減小,載流子受到的俘獲和散射作用減弱,其載流子輸運(yùn)特性得到提高。1.0sccm氧氣流量的器件性能最佳,遷移率、閾值電壓、開關(guān)比、亞閾值擺幅分別為4.49cm2/Vs、13.01V、2.08×10~7、2.126V/Dec。當(dāng)氧氣流量過大時,吸附氧和Oi等受主類缺陷過多,薄膜結(jié)晶質(zhì)量變差,溝道處表面缺陷態(tài)密度增大,載流子受到的俘獲和散射作用增強(qiáng),導(dǎo)致TFT器件的綜合性能下降。為進(jìn)一步提高IGZO-TFT器件性能,我們對1.0sccm氧氣流量條件下制備的有源層進(jìn)行空氣退火處理,然后再制得TFT器件。隨退火溫度的增加,TFT器件的性能先變好再變差,其中400℃空氣退火的器件性能最佳,遷移率、閾值電壓、開關(guān)比、亞閾值擺幅分別為8.96cm2/Vs、0.98V、1.23×108、1.460V/Dec。在400℃以下,隨退火溫度的升高,空氣中的氧被有源層吸收,并逐漸擴(kuò)散到薄膜內(nèi)部,與金屬元素結(jié)合,減少化學(xué)計(jì)量比失配,即減少了VO、Zni等施主缺陷,同時IGZO薄膜表面粗糙度降低,導(dǎo)電溝道處表面缺陷態(tài)密度減小,溝道載流子輸運(yùn)特性增強(qiáng),因此器件性能得到改善。當(dāng)退火溫度大于400℃時,IGZO有源層的吸附氧和Oi等受主類缺陷過多,有源層表面粗糙度增大,導(dǎo)電溝道中載流子受到的散射和俘獲作用增強(qiáng),因此TFT器件的綜合性能下降。在60min的+20V柵極偏壓下,未退火前的IGZO-TFT器件閾值電壓漂移13.03V,而400℃退火的IGZO-TFT器件閾值電壓漂移減小到8.46V。說明經(jīng)過400℃空氣退火后,器件偏壓穩(wěn)定性增強(qiáng)。這是因?yàn)?00℃退火后導(dǎo)電溝道處表面缺陷態(tài)密度減少,表面缺陷態(tài)對有源層內(nèi)自由電荷的俘獲作用減弱。為了進(jìn)一步降低IGZO-TFT器件的亞閾值擺幅,我們研究了有源層厚度對TFT器件性能的影響。隨著有源層的增大,閾值電壓減小,遷移率先增大后減小,亞閾值擺幅的大小逐漸增大。有源層厚度為30nm的IGZO-TFT器件性能最佳,遷移率、閾值電壓、開關(guān)比、亞閾值擺幅分別為10.05cm2/Vs、0.38V、9.53×10~7、0.672V/Dec。有源層厚度越大,填滿缺陷態(tài)后,剩余的自由電荷數(shù)目就越多,更容易形成導(dǎo)電溝道,所以閾值電壓減小。有源層厚度過薄,載流子輸運(yùn)特性容易受到有源層背表面的散射影響,遷移率較低。有源層厚度過大,缺陷態(tài)數(shù)目較多,載流子在輸運(yùn)過程中受到散射的幾率增大,遷移率減小。隨有源層厚度的增大,導(dǎo)電溝道處表面缺陷態(tài)密度增大,載流子受到的俘獲和散射作用增強(qiáng),從而導(dǎo)致亞閾值擺幅惡化。
【關(guān)鍵詞】：IGZO-TFT器件 射頻磁控濺射 氧氣流量 空氣退火 有源層厚度
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN321.5
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 引言12-13
• 1.2 TFT的工作原理及主要性能參數(shù)13-19
• 1.2.1 TFT的基本結(jié)構(gòu)13-14
• 1.2.2 TFT的工作原理14-16
• 1.2.3 TFT的主要性能參數(shù)16-19
• 1.3 TFT的發(fā)展歷程19-21
• 1.3.1 非晶硅TFT19
• 1.3.2 多晶硅TFT19-20
• 1.3.3 有機(jī)半導(dǎo)體TFT20
• 1.3.4 氧化物TFT20-21
• 1.4 氧化物TFT的研究現(xiàn)狀21-24
• 1.5 本論文的選題依據(jù)以及主要研究內(nèi)容24-26
• 第2章 樣品的制備技術(shù)以及表征手段26-35
• 2.1 樣品的制備技術(shù)26-31
• 2.1.1 磁控濺射鍍膜儀26-27
• 2.1.2 多層鍍膜機(jī)27-28
• 2.1.3 退火工藝28-29
• 2.1.4 薄膜的圖形化29-31
• 2.2 薄膜的表征手段以及器件的電學(xué)性能測試系統(tǒng)31-35
• 2.2.1 臺階儀31-32
• 2.2.2 X射線衍射儀（XRD）32
• 2.2.3 原子力顯微鏡（AFM）32-33
• 2.2.4 光致發(fā)光譜（PL）33
• 2.2.5 X射線光電子能譜儀（XPS）33
• 2.2.6 能量分散譜儀（EDS）33-34
• 2.2.7 霍爾效應(yīng)測試儀（Hall）34
• 2.2.8 TFT器件電學(xué)性能測試儀34-35
• 第3章 ZnO-TFT器件的制備工藝探索35-47
• 3.1 TFT器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備35-37
• 3.1.1 襯底清洗35-36
• 3.1.2 磁控濺射制備有源層薄膜的過程36-37
• 3.1.3 電阻熱蒸發(fā)制備金屬電極37
• 3.2 基于金屬掩膜板工藝的大尺寸ZnO-TFT器件制備37-41
• 3.2.1 有源層的制備37-38
• 3.2.2 源漏電極的制備38-39
• 3.2.3 TFT器件性能分析39-41
• 3.3 基于光刻工藝的小尺寸ZnO-TFT器件制備41-46
• 3.3.1 有源層薄膜的制備41
• 3.3.2 源漏電極的制備和圖形化41-43
• 3.3.3 TFT器件性能分析43
• 3.3.4 有源層的圖形化43-45
• 3.3.5 TFT器件性能分析45-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 第4章 氧氣流量對IGZO-TFT器件性能的影響及機(jī)理分析47-58
• 4.1 氧氣流量對IGZO-TFT器件性能的影響47-51
• 4.1.1 IGZO-TFT器件的制備47-48
• 4.1.2 IGZO-TFT器件性能與分析48-51
• 4.2 氧氣流量對IGZO薄膜性能的影響51-55
• 4.2.1 氧氣流量對IGZO薄膜電學(xué)性能的影響51-52
• 4.2.2 氧氣流量對IGZO薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響52-53
• 4.2.3 氧氣流量對IGZO薄膜表面粗糙度的影響53-54
• 4.2.4 氧氣流量對IGZO薄膜發(fā)光性能的影響54-55
• 4.3 氧氣流量對器件性能影響的機(jī)理分析55-56
• 4.4 本章小結(jié)56-58
• 第5章 空氣退火對IGZO-TFT器件性能的影響及機(jī)理分析58-72
• 5.1 空氣退火對IGZO-TFT器件性能的影響58-61
• 5.1.1 IGZO-TFT器件的制備和退火工藝參數(shù)58
• 5.1.2 IGZO-TFT器件性能與分析58-61
• 5.2 空氣退火對IGZO薄膜性能的影響61-67
• 5.2.1 空氣退火對IGZO薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響61-62
• 5.2.2 空氣退火對IGZO薄膜表面粗糙度的影響62-64
• 5.2.3 空氣退火對IGZO薄膜發(fā)光性能的影響64-65
• 5.2.4 空氣退火IGZO薄膜的XPS測試分析65-66
• 5.2.5 空氣退火IGZO薄膜的EDS測試分析66-67
• 5.3 空氣退火對器件性能影響的機(jī)理分析67-68
• 5.4 退火順序?qū)GZO-TFT器件性能的影響68
• 5.5 400℃空氣退火對IGZO-TFT偏壓穩(wěn)定性的影響68-71
• 5.5.1 偏壓穩(wěn)定性的測試69
• 5.5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析69-71
• 5.6 本章小結(jié)71-72
• 第6章 有源層厚度對IGZO-TFT器件性能的影響及機(jī)理分析72-78
• 6.1 有源層厚度對IGZO-TFT器件性能的影響72-76
• 6.1.1 不同有源層厚度IGZO-TFT器件的制備72
• 6.1.2 有源層厚度對IGZO-TFT器件性能的影響及機(jī)理分析72-76
• 6.2 本章小結(jié)76-78
• 第7章 總結(jié)與展望78-80
• 參考文獻(xiàn)80-85
• 致謝85-86
• 攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果86

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 吳海波;董承遠(yuǎn);林世宏;吳娟;;氧分壓對磁控濺射制備IGZO薄膜光電特性的影響[J];半導(dǎo)體技術(shù);2014年02期

2 吳為敬;顏駿;許志平;賴志成;;IGZO TFT與ZnO TFT的性能比較[J];液晶與顯示;2011年02期

3 林明通;余峰;張志林;;氧化鋅基薄膜晶體管最新研究進(jìn)展[J];光電子技術(shù);2008年04期

4 許洪華;徐征;黃金昭;袁廣才;孫小斌;陳躍寧;;薄膜晶體管研究進(jìn)展[J];光子技術(shù);2006年03期

  本文關(guān)鍵詞：IGZO-TFT器件的制備工藝探索及性能優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：303696