環(huán)境濕度對(duì)非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性的影響

馮國(guó)鋒，章 雯，董承遠(yuǎn)

(上海交通大學(xué) 電子工程系，上海 200240)

1 引 言

非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管(a-IGZO TFT)具有高載流子遷移率、低關(guān)態(tài)電流、低制造成本等優(yōu)點(diǎn)[1-5]，因而有望成為下一代顯示面板的驅(qū)動(dòng)電子器件。然而，在a-IGZO TFT的實(shí)際應(yīng)用中仍然存在比較嚴(yán)重的穩(wěn)定性問(wèn)題，即光照、氣氛、偏壓、濕度、溫度等外界因素都會(huì)顯著影響器件的電學(xué)性能[6-11]。其中，負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性(NBIS)尤為關(guān)鍵。文獻(xiàn)[11]報(bào)導(dǎo)了在紅、綠、藍(lán)光照射下a-IGZO TFT的NBIS特性并提出帶正電的氧空位和空穴的產(chǎn)生和遷移是影響器件負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性的主要因素。眾所周知，環(huán)境濕度對(duì)電子器件的電學(xué)特性一般會(huì)產(chǎn)生比較顯著的影響。近來(lái)，本課題組針對(duì)濕度影響a-IGZO TFT的正偏壓穩(wěn)定性(PBS)的基本規(guī)律開(kāi)展了研究[12]。結(jié)果表明，隨著濕度的增加，對(duì)于相同偏壓時(shí)間t而言，器件閾值電壓偏移量先增大后減小。這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)相對(duì)濕度較低時(shí)，主要發(fā)生的是背溝道中水協(xié)助氧氣的吸附，會(huì)造成轉(zhuǎn)移曲線正向偏移，閾值電壓偏移量變大；當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí)，主要發(fā)生背溝道對(duì)水汽的直接吸附，會(huì)造成轉(zhuǎn)移特性曲線的負(fù)向偏移。另一方面，環(huán)境濕度也可能對(duì)a-IGZO TFT的NBIS穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，但相關(guān)規(guī)律尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文圍繞不同光照和環(huán)境濕度條件針對(duì)a-IGZO TFT的NBIS穩(wěn)定性展開(kāi)了測(cè)試，并對(duì)其閾值電壓的變化規(guī)律及相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了分析討論，最終得出了在相對(duì)濕度逐漸增加時(shí)a-IGZO TFT的NBIS穩(wěn)定性逐漸改善但器件電學(xué)特性出現(xiàn)了劣化趨勢(shì)的結(jié)論。最后，我們結(jié)合能帶理論分析，給出了上述規(guī)律的物理機(jī)理。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 器件制備

本實(shí)驗(yàn)制備了倒置錯(cuò)排型(Inverted Staggered) a-IGZO TFT器件(圖1)。基板是帶有300 nm厚SiO2的p型重?fù)诫s硅片，其中SiO2作為柵絕緣層，硅片作為柵極電極。利用金屬掩模板遮擋磁控濺射沉積50 nm厚，元素In,Ga,Zn,O摩爾比為1∶1∶1∶4的a-IGZO薄膜和厚度為100 nm的氧化銦錫(ITO)薄膜，分別作為有源層和源漏電極。a-IGZO和ITO的成膜功率分別為60 W與100 W，制備氣壓均為400 MPa。為了盡量減少制備過(guò)程中有源層中氧空位的產(chǎn)生，我們?cè)谥苽鋋-IGZO時(shí)向腔室中通入一定流量的氧氣與氬氣，所采用的Ar,O氣體流量比為30∶1(cm3·min-1)。濺射ITO時(shí)的工作氣體為氬氣，流量為30 mL/min。最后對(duì)器件進(jìn)行400 ℃下30 min退火處理[13]。

圖1 a-IGZO TFT器件斷面結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic cross section of a-IGZO TFTs

2.2 測(cè)試方法

測(cè)試用TFT器件溝道長(zhǎng)寬比為1 000 μm和250 μm。采用Keythley 2636半導(dǎo)體測(cè)試儀測(cè)試器件的轉(zhuǎn)移特性。測(cè)試過(guò)程中漏極電壓設(shè)置為10 V，柵極電壓測(cè)試范圍是-20～40 V，每隔0.5 V測(cè)量一次漏極電流。為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度的變化，我們將氮?dú)馔ㄈ牒钠恐性賯魅肭皇遥偻ㄟ^(guò)調(diào)整氮?dú)饬髁炕蛘咚恐兴桓叩蛠?lái)改變腔室濕度，如圖2所示。我們用濕度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔室中濕度變化。另外，在腔室中放置一根與外部高功率氙燈光源(LS-3000UV)連接的光纖。光源可以發(fā)出持續(xù)光照，并且其波長(zhǎng)和光強(qiáng)都是可調(diào)節(jié)的。測(cè)試過(guò)程中整塊器件能被光照到。最后提取轉(zhuǎn)移曲線的閾值電壓偏移量[14]并比較不同光照以及濕度條件下器件的負(fù)偏壓穩(wěn)定性。

圖2 實(shí)驗(yàn)采用過(guò)的I-V測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 I-V measurement system in this study

3 結(jié)果與討論

首先選定4組波長(zhǎng)不同的光照進(jìn)行NBIS測(cè)試，其波長(zhǎng)值分別為450,420,400,380 nm。最大電壓偏置時(shí)間為1 500 s,偏置柵極電壓設(shè)置為-20 V，相對(duì)濕度設(shè)置為50%。

為了描述一定偏壓時(shí)間下轉(zhuǎn)移特性曲線與原始轉(zhuǎn)移曲線的偏離程度，我們定義一個(gè)物理量：閾值電壓偏移量：

ΔVth=Vth(0)-Vth(t)，

(1)

其中：Vth(t)是偏壓時(shí)間為t時(shí)的閾值電壓，Vth(0)是未施加偏壓時(shí)的閾值電壓，ΔVth表示偏壓時(shí)間為t時(shí)的閾值電壓與未施加偏壓時(shí)閾值電壓的差值。在分析不同濕度對(duì)器件NBIS特性影響時(shí)，我們固定光照波長(zhǎng)為400 nm并測(cè)試5個(gè)相對(duì)濕度——10%、30%、50%、70%和90%環(huán)境下a-IGZO TFT的NBIS轉(zhuǎn)移曲線。

3.1 a-IGZO TFT的NBIS穩(wěn)定性

從圖3可以看出，隨著NBIS時(shí)間的增大，器件的ΔVth越來(lái)越大；隨著光照波長(zhǎng)的減小，a-IGZO TFT器件的負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性越來(lái)越差。為了更清楚展示上述規(guī)律，我們總結(jié)了不同光照波長(zhǎng)下器件的閾值電壓偏移量與偏壓時(shí)間之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。在450 nm光照條件下，a-IGZO的NBIS閾值電壓偏移小于5 V；420 nm光照條件下的轉(zhuǎn)移曲線雖然較450 nm有較大的變化，但是其閾值電壓最大偏移量也只有6 V；但是在400 nm與380 nm的光照條件下，TFT的ΔVth均超過(guò)8 V和15 V。

圖3 NBIS測(cè)試下a-IGZO TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線，光照波長(zhǎng)為：(a) 450 nm;(b) 420 nm;(c) 400 nm;(d) 380 nm。Fig.3 Transfer curves of the a-IGZO TFTs under NBIS with various wavelengths:(a) 450 nm；(b) 420 nm；(c) 400 nm；(d) 380 nm.

圖4 不同波長(zhǎng)可見(jiàn)光照射下，閾值電壓偏移量隨NBIS時(shí)間變化的曲線Fig.4 Time dependence of the ΔVth during the NBIS tests of a-IGZO TFTs under the illumination of lights of different wavelengths

從圖5可以看出，無(wú)論哪種相對(duì)濕度，ΔVth都在0～300 s內(nèi)迅速增加，在300 ～1 500 s內(nèi)則增長(zhǎng)緩慢。在不同相對(duì)濕度環(huán)境下器件的ΔVth值區(qū)別非常明顯。我們總結(jié)了不同相對(duì)濕度下器件的閾值電壓偏移量與偏壓時(shí)間之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。當(dāng)相對(duì)濕度為10%時(shí)，TFT轉(zhuǎn)移特性曲線的ΔVth最大，偏壓1 500 s后可達(dá)到22 V。而相對(duì)濕度為30%與50%環(huán)境下的ΔVth則分別在12 V和15 V左右。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到70%甚至90%時(shí)，ΔVth則進(jìn)一步下降到7 V和6 V 附近。由此可以看出，相對(duì)濕度的增加使a-IGZO TFT的NBIS不穩(wěn)定性有所降低。但是當(dāng)相對(duì)濕度為70% 以及90%時(shí)，轉(zhuǎn)移特性曲線的電學(xué)特性出現(xiàn)了駝峰——一種電學(xué)特性劣化現(xiàn)象。

圖5 不同相對(duì)濕度環(huán)境下a-IGZO TFT的NBIS測(cè)試結(jié)果。(a)10%；(b) 30%；(c)50%；(d)70%；(e)90%。Fig.5 Transfer curves of a-IGZO TFT as a function of the NBIS time under RH of (a) 10%,(b) 30%,(c) 50%,(d) 70%,and (e) 90%.

圖6 400 nm光照條件、不同相對(duì)濕度變化下，閾值電壓偏移量隨NBIS時(shí)間變化的曲線。Fig.6 Time dependence of the ΔVth during the NBIS tests of a-IGZO TFTs in different relative humidity under the ilumination of light of 400 nm.

3.2 機(jī)理分析

如圖7(a)所示，當(dāng)光照射到氧化物TFT器件時(shí)會(huì)在其有源層發(fā)生如下反應(yīng)[15]：

圖7 氧化物TFT在NBIS測(cè)試時(shí)的能帶圖。(a)考慮光照波長(zhǎng)因素;(b)考慮相對(duì)濕度因素。Fig.7 Energy band diagram of a-IGZO TFTs under NBIS considering.(a) Wavelength of light；(b) Relative humidity.

(2)

E=hc/λ，

(3)

其中：E是光子的能量，h是普朗克常數(shù)，c是光速，λ是光照波長(zhǎng)。根據(jù)式(3)可計(jì)算出a-IGZO價(jià)帶中電子躍遷到導(dǎo)帶需要的最大光波波長(zhǎng)是406 nm，因此400 nm和380 nm波長(zhǎng)光照下會(huì)有大量電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，從而使器件的NBIS特性變得非常不穩(wěn)定(圖7(a))。

隨著相對(duì)濕度的提高，a-IGZO TFT的閾值電壓偏移愈來(lái)愈小(圖6)。但是在高濕度的測(cè)試情況下也出現(xiàn)了器件電學(xué)特性劣化的現(xiàn)象。一方面，由于相對(duì)濕度的提高，腔室中的水汽與背溝道發(fā)生了反應(yīng)，水汽貢獻(xiàn)出部分電子[16-17]，其反應(yīng)如公式(4)所示。

H2O=H2O++e-，

(4)

4 結(jié) 論