金屬氧化物半導體TFT器件的膜層均一性研究

朱 暉

金屬氧化物薄膜晶體管（TFT）具有較好的光電特性，在新型顯示器件中應用前景廣泛。本論文重點針對金屬氧化物TFT器件的IWZO膜層的成膜均一性進行了研究。從磁場、成膜功率、O2分壓等工藝參數角度出發，研究了IWZO膜層均一性與成膜工藝參數的關系，并探討了改善膜層均一性的具體工藝參數和方法。

隨著新型顯示技術的發展，人們對信息交互界面的品質要求越來越高。平板顯示技術（Flat Panel Display，FPD）中的TFT器件引起極大關注。用于TFT器件的半導體薄膜材料性能優劣，直接決定了平板顯示器的顯示效果。高分辨率、高刷新頻率和大尺寸的產品發展方向，必須采用有源驅動方式，并使用高載流子遷移率的TFT作為開關器件。金屬氧化物TFT的低成本在高規格顯示器中有明顯的優勢。金屬氧化物TFT（Metal-Oxide Thin-Film Transistor，MOTFT）被認為是一種可廣泛使用于新型顯示器件的場效應晶體管。同時AMOLED顯示技術，需要更高的載流子遷移率的TFT器件作為AMOLED顯示驅動單元。ZnO是最初開始發展的一種氧化物半導體，但由于ZnO本身特點，導致其載流子濃度較高，同時其TFT器件的閾值電壓難于控制，載流子遷移率不高。近年來高載流子遷移率的金屬氧化物TFT的發展則相當迅速。很多科研工作者均開始致力于金屬氧化物TFT的載流子遷移率的提高和可靠性的提升研究，業界知名面板商也陸續推出基于氧化物半導體TFT背板技術的新型顯示商用產品。對于AMOLED驅動的金屬氧化TFT器件，當前研究主要集中于高載流子遷移率的新型半導體材料和工藝研究。2020年的SID會議上報道了IWZO TFT，其遷移率高達90cm2V-1s-1以上。這些研究表明了高載流子遷移率的金屬氧化物半導體TFT器件，在大尺寸、高刷新頻率和高分辨率的AMOLED顯示技術中有著極為廣闊的應用前景。

表1 磁場調整

圖1 IWZO成膜厚度和均一性

1 金屬氧化物TFT的IWZO膜層制備

金屬氧化物TFT的IWZO膜層是決定TFT器件高載流子遷移率的關鍵因素之一。本文主要研究，通過調整IWZO膜層的成膜磁場、成膜功率、O2分壓、成膜功率等工藝參數，來調整成膜均一性。并順利完成金屬氧化物半導體薄膜IWZO的制備工藝的開發和優化，IWZO膜厚均一性最高可達4.75%。

表2 磁場調整后SEM確認厚度均一性

如表1所示，在如下成膜條件下：Power為2.5KW；Pressure：O2為0.12pa，Ar為0.32pa；O2/Ar+O2為5.2%(分壓比)。通過調整磁場來優化成膜厚度和均一性。經過磁場調整，膜厚為1500A左右時，IWZO膜厚均一性由初始的15%降低到10.1%，如圖1所示。

表3 不同功率的成膜條件

圖2 不同成膜功率下IWZO成膜速率和均一性

表4 不同O2分壓比的成膜條件

圖3 不同O2分壓比下IWZO成膜速率和均一性

磁場調整后，通過SEM進一步測試確認結果，膜厚均一性達到4.75%左右。如表2所示。

本文研究了成膜功率對IWZO膜的厚度和均一性的影響。不同功率的成膜條件如表3所示。不同功率下膜厚均一性均在10%以下，且功率為2.5KW時，均一性相對較好，具體結果參考圖2可見。

本文同時研究了O2分壓比對IWZO膜的厚度和均一性的影響。不同O2分壓比的成膜條件如表4所示。由圖3可見，均一性隨O2分壓比逐漸升高，O2分壓比為5.2%時，IWZO的成膜均一性較好。

最后本文研究了成膜壓力對IWZO膜的厚度和均一性的影響。不同成膜壓力的成膜條件如表5所示。均一性隨成膜壓力出現先降低后增大的趨勢，當壓力為0.19Pa時，均一性相對較好，具體結果參考圖4可見。

結合以上的實驗結果，我們得到了較好的成膜均一性的工藝參數：功率為2.5KW，壓力為0.19Pa，O2分壓比為5.2%，優化后的IWZO成膜工藝條件如表6所示。我們連續驗證了5片基板，測試這5片基板的IWZO膜層的厚度和均一性。IWZO薄膜不均一性均在10%以下。具體結果參考圖5所示。

表5 不同成膜壓力的成膜條件

圖4 不同成膜壓力下IWZO成膜速率和均一性

表6 優化后的IWZO成膜工藝條件

圖5 連續5片基板的厚度和均一性

2 小結

在本文工作中，我們深入研究了磁場、成膜功率、O2分壓、成膜功率等工藝參數對于IWZO膜層的成膜均一性的影響。經過磁場調整，膜厚為1500A左右時，IWZO膜厚均一性由初始的25%降低到10.1%；磁場調整后的膜厚均一性達到4.75%左右。不同功率下膜厚均一性均在10%以下，且功率為2.5KW時，均一性相對較好。我們確認了成膜壓力比對IWZO膜的厚度和均一性的影響。均一性隨成膜壓力出現先降低后增大的趨勢，當壓力為0.19Pa時，均一性相對較好。結合以上測試結果，最終得到的較好工藝參數為：功率為2.5KW，壓力為0.19Pa，O2分壓比為5.2%。連續測試5片基板的IWZO薄膜均一性均在10%以下，滿足金屬氧化物半導體TFT 器件的IWZO成膜制備的要求。