铟镓锌氧薄膜晶体管的制备和界面修饰对其性能影响的研究

摘要

随着智能手机、电视和可穿戴设备的发展,显示技术发挥着越来越重要的作用.薄膜晶体管(Thin-Film Transistor,TFT)是显示技术核心器件.传统的薄膜晶体管已经无法满足现代显示技术的要求,铟镓锌氧薄膜晶体管(IGZO-TFT)具有高迁移率、透光率好等优异性能,已经成为国内以维信诺为首的面板公司大力发展的技术,并且对薄膜晶体管的质量、性能都提出了更高的要求.利用IGZO薄膜作为沟道层制备出的薄膜晶体管具有特殊的优点:透明性好、高载流子迁移率、在常温下即可制备,由此开启了新一代显示技术的研究浪潮.本文主要研究了不同氧氩比对IGZO薄膜透光率和电学性能的影响,退火气氛和温度对IGZO-TFT性能的影响,界面修饰对IGZO-TFT性能的影响,为IGZO-TFT工业化应用打下了基础. 通过研究IGZO薄膜的透光率,发现在不同氧氩比下制备出的IGZO薄膜,其透光率均在83%以上,这是由于在室温下利用磁控溅射制备出的IGZO薄膜是非晶状态,能够减少入射光的散射,并且因为IGZO薄膜表面光滑,对散射影响很小,所以在可见光范围内,IGZO薄膜具有很好的透光效果.IGZO薄膜的透光率和光学禁带宽度(eV)密切相关,氧氩比为1.05:8时,IGZO薄膜光学禁带宽度为3.48eV.当氧含量过多时,IGZO薄膜里面的氧空位减少,使有效的电子数量变少,在本实验条件下,结果表明在氧氩比为1.05:8时,制备的IGZO薄膜晶体管的性能最优. 在300℃不同退火气氛(Ar、Air、O2)下,制备IGZO薄膜晶体管,并对其稳定性以及电学性能进行测试.结果表明,在氧气下退火制备的IGZO-TFT,其载流子迁移率为10.5cm2/V·s,开关电流比(Ion/Ioff)为3.9×107,阈值电压为2.2V.空气下退火与氧气下退火性能差别较小,空气中退火后的载流子迁移率为10.1cm2/V·s,开关电流比(Ion/Ioff)为3.7×107,阈值电压为2.3V.综合考虑,空气下退火不仅可以提升薄膜晶体管质量,而且更加节约成本.通过研究IGZO薄膜晶体管在空气中不同退火温度(分别为300℃、350℃、400℃)退火后的性能,发现当温度为350℃时,IGZO薄膜晶体管的稳定性和电学性能较好,载流子迁移率达到了12.5cm2/V·s,开关电流比为5.0×108,阈值电压为2.4V. 为了提升IGZO薄膜晶体管的稳定性和电学性能,需要对其界面进行修饰.由于在制备IGZO薄膜晶体管的过程中,溅射绝缘层会产生缺陷,使IGZO薄膜晶体管的漏电流增大,阈值电压增加,载流子迁移率降低.在本实验中,通过磁控溅射制备出三层叠加绝缘层氮氧化铪/氧化铪/氮氧化铪(HfOxNy/HfO2/HfOxNy).结果表明,在溅射氮氧化铪时,氧氩氮的最优比例为1.05:8:0.5,钝化层HfOxNy起到封装缺陷的作用,使绝缘层与界面接触时缺陷减少,提升薄膜晶体管的稳定性.通过研究钝化层氮氧化铪的厚度对IGZO薄膜晶体管电学性能的影响,设计厚度分别为0nm、1nm、2nm、3nm,结果表明当钝化层厚度为2nm时,薄膜晶体管的阈值电压(Vth)最小为1.7V,滞回(?Vth)为0.18V,载流子迁移率(μsat)为35.24cm2/V·s.这是因为当厚度为2nm时,界面缺陷被封装钝化效果好,制备IGZO薄膜晶体管稳定性更好.本论文还利用氩气对IGZO薄膜晶体管背沟道层进行等离子体轰击实验,轰击时间分别为0s、10s、20s、30s,发现在轰击时间为10s时,载流子迁移率(μsat)达到62.13cm2/V·s,阈值电压(Vth)为1.25V,开关电流比(Ion/Ioff)为5.6×108.最后,通过对比Cu、Al、Ti不同的电极材料制备的IGZO薄膜晶体管的性能差异,选择合适的电极备用材料.经过测试,发现Al更适合作为电极材料,并且最终制备出了开关电流比达到9.5×108的IGZO薄膜晶体管.

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 薄膜晶体管（TFT）简介

1.2.1 薄膜晶体管发展简史

1.2.2 薄膜晶体管结构

1.2.3 薄膜晶体管主要性能参数

1.3 铟镓锌氧薄膜晶体管（IGZO-TFT）简介

1.3.1 IGZO-TFT的发展历史

1.3.2 IGZO薄膜的结构特点

1.3.3 IGZO薄膜的导电机理

1.3.4 IGZO-TFT的工作原理

1.4 本论文研究的意义和主要内容

2 IGZO薄膜制备技术和表征方法

2.1 IGZO薄膜的制备工艺及方法

2.1.1 薄膜晶体管成膜工艺

2.1.2 等离子体化学气相沉积

2.1.3 磁控溅射

2.1.4 磁控溅射操作流程

2.2 IGZO薄膜的表征方法

2.2.1 X射线衍射仪

2.2.2 台阶仪

2.2.3 紫外-可见光分光光度计

2.2.4 X射线光电子能谱仪

2.2.5 霍尔效应测试仪器

2.2.6 透射电子显微镜

2.2.7 KEITHLEY 4200-SCS半导体测试仪

2.3 本章小结

3 IGZO-TFT有源层的制备和性能研究

3.1 IGZO-TFT有源层的制备

3.1.1 衬底的清洗处理

3.1.2 IGZO薄膜的制备

3.2 IGZO薄膜的优化

3.2.1 氧氩比对IGZO靶材溅射速率的影响

3.2.2 IGZO薄膜结构研究分析

3.2.3 IGZO薄膜光学性能研究

3.2.4 IGZO薄膜电学性能研究

3.3 本章小结

4 IGZO-TFT的制备及退火研究

4.1 IGZO-TFT的制备

4.1.1 清洗衬底

4.1.2 第一层钝化层氮氧化铪的制备

4.1.3 绝缘层氧化铪的制备

4.1.4 第二层钝化层氮氧化铪的制备

4.1.5 IGZO有源层的制备

4.1.6 IGZO-TFT电极的制备

4.2 退火对IGZO-TFT的影响

4.2.1 退火氛围对IGZO-TFT的影响

4.2.1 退火温度对IGZO-TFT的影响

4.3 本章小结

5 界面修饰对IGZO-TFT性能的研究

5.1 不同氮含量对IGZO-TFT电学性能的研究

5.2 钝化层厚度对薄膜晶体管电学性能的影响

5.3 钝化层厚度对IGZO-TFT的稳定性的影响

5.4 等离子体轰击IGZO背沟道层对薄膜晶体管的影响

5.5 电极材料的选择对IGZO-TFT电学性能的研究

5.6 本章小结

6 结论

参考文献

个人简历

致谢