高負偏光照穩定性的溶液法像素級IZTO TFT*

荊斌 徐萌 彭聰 陳龍龍 張建華 李喜峰?

1) (上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

2) (上海大學，新型顯示技術及應用集成教育部重點實驗室，上海 200072)

1 引言

近年來，非晶氧化物薄膜晶體管由于具有高遷移率、低漏電率及大面積制造兼容等特點已廣泛應用于平板顯示產業[1，2].目前產業廣泛使用磁控濺射制備非晶氧化物薄膜[3].隨著印刷工藝的發展，迫切需要開發溶液技術氧化物薄膜晶體管(thinfilm transistor，TFT)[4，5]，然而溶液法制備的非晶氧化物TFT 普遍存在偏壓穩定性差，特別是光照負偏壓穩定性，阻礙其實際應用[6].常用的TFT 結構主要有刻蝕阻擋層型(etch stopper layer，ESL)[7]和背溝道刻蝕(back-channel etched，BCE)結構[8].BCE 結構簡單、制程步驟少、成本低，但要實現BCE結構，必須解決非晶氧化物有源層與源漏電極的刻蝕選擇比低的問題.我們以前的研究發現，非晶氧化物銦鋅錫氧化物(indium-zinc-tin-oxide，IZTO)與傳統源漏電極Mo/Al 的刻蝕選擇比高，容易實現BCE 結構TFT[9].此外，溶液法 TFT 的研究主要集中在開發新材料、提升遷移率等方面，但對應力穩定性，尤其是光照負偏壓穩定性(negative bias illumination stress，NBIS)的研究較少[10-12].金屬氧化物帶隙中電離態氧空位(或與氧相關的缺陷態)的產生是氧化物TFT 光照不穩定的原因[13，14]，為了抑制氧化物TFT 在光照負偏下的不穩定，需降低由氧空位引起的類施主態的密度，目前主要有兩種辦法:一是摻入合適的元素來抑制氧空位的產生[15，16];二是通過表面處理，如熱退火處理[17]、等離子體處理[18，19]和紫外光(ultraviolet，UV)輻照處理[20].N2O 等離子體處理也是目前采用比較多的表面處理方式，因為通常TFT 采用PECVD 生長SiO2作為鈍化層，可以在生長SiO2前原位進行N2O等離子體表面處理，可減少額外的處理步驟，Hsieh等[21]認為N2O 等離子處理會鈍化銦鎵鋅氧化物(indium-gallium-zinc-oxide，IGZO)薄膜，從而改善光照下的穩定性;在我們之前的研究中，IGZO薄膜經過UV 輻照處理后，IGZO TFT 在光照偏壓下表現出優異的穩定性[22].而溶液法制備的氧化物薄膜與磁控濺射制備的薄膜相比，其氧相關的缺陷態更多[23]，但很少有研究將等離子體用來處理溶液法制備的氧化物薄膜以解決溶液法制備的TFT的光照偏壓穩定性問題，因此研究表面處理對溶液法制備氧化物TFT 的穩定性至關重要.同時，目前研究的溶液法氧化物TFT 多為單個器件[24-26]，而用于顯示驅動的TFT 均為像素陣列，與單個器件性能有著顯著的差異，為了滿足顯示驅動的需求，迫切需要研究溶液法像素級TFT 陣列的光照負偏壓穩定性.基于此，本文采用溶液法制備BCE 結構的像素級IZTO TFT 陣列，并利用N2O 等離子體處理控制IZTO 的氧相關缺陷態，研究其偏壓穩定性，特別是光照偏壓穩定性，達到顯示驅動的要求.

2 實 驗

2.1 溶液配制

本文TFT 像素陣列絕緣層和有源層為溶膠法制備的HAO 和IZTO 薄膜.將一定量的八水氧氯化鉿(HfCl2O·8H2O，98%，Sigma-Aldrich)和仲丁醇鋁(Al(OC4H9)3，99%，Alfa-Aesar)分別溶解在乙二醇甲醚中，Hf 和Al 的比例為2∶1，在室溫中攪拌至澄清，得到HAO 前驅體溶液.將五水合氯化錫(SnCl4·5H2O，98%，Sigma-Aldrich)、二水合醋酸鋅(Zn(OC2H4)2·8H2O，98%，Sigma-Aldrich)和六水合硝酸銦化銦(ln(NO3)3·6H2O，99.99%，Sigma-Aldrich)溶于乙二醇甲醚中，其中In:Zn∶Sn=4∶1∶4，并攪拌至澄清，然后加入乙醇胺作為穩定劑，形成IZTO 前驅體溶液.接著將配制好的HAO和IZTO 溶液在70 ℃水浴環境中攪拌2 h，結束后再在室溫下進行24 h 老化.兩者溶液溶度均為0.3 mol/L.

2.2 薄膜及器件制備

首先，在玻璃基板上濺射Al/Mo 疊層結構作為柵極并圖形化.然后，將HAO 溶液旋涂到柵極上，在270 ℃下退火1 h，重復5 次.緊接著在HAO薄膜上制備有源層IZTO 薄膜，薄膜再經過300 ℃/1 h 退火處理，重復兩次達到50 nm 的厚度.其次濕法刻蝕IZTO 薄膜，形成溝道圖案，并在450 ℃后退火.隨后220℃下進行N2O 等離子體處理30 s.然后濺射源漏導電層，通過濕法刻蝕進行圖形化，形成源極和漏極，長寬比為18∶8.最后，通過等離子增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)沉積一層200 nm 的SiO2保護層，并在空氣氛圍中進行300 ℃退火2 h，圖1 給出了制備的IZTO TFT 器件示意圖及4.5英寸的像素陣列顯微鏡圖像.

圖1 IZTO TFT (a) 器件截面示意圖;(b) 像素陣列10 倍顯微鏡圖像(插圖為50 倍)Fig.1.(a) Schematic cross section of an IZTO TFT;(b) microscope images of the IZTO TFTs array with magnification 10 times(Inset shows 50 times).

2.3 IZTO 薄膜表面形貌表征和TFT 器件電學性能

使用原子力顯微鏡(AFM，Nanonavi SPI-400SPM)觀察IZTO 薄膜表面形貌;使用X 射線光電子能譜(XPS，ThermoESCALB250XL)分析IZTO 薄膜的化學成分;采用半導體特性分析系統(4200-SCS，Keithley)測試器件的轉移曲線、輸出曲線、偏壓穩定性;光照偏壓穩定性照射光源為10000 lux 的LED 背光源.

3 結果與討論

圖2 給出了有無N2O 等離子處理的IZTO 薄膜AFM 圖(2 μm×2 μm).無處理和N2O 處理后IZTO薄膜的均方根粗糙度(root mean square，RMS)分別為0.55 和0.26 nm，經N2O 處理后IZTO 薄膜表面變得更光滑，光滑的IZTO 薄膜表面有利于在有源層和鈍化層之間形成良好的界面，從而增加器件的穩定性、減少亞閾值擺幅和提高載流子遷移率[27].

圖2 IZTO 薄膜AFM 圖 (a) 無處理;(b) N2O 等離子體處理Fig.2.AFM images of the IZTO film:(a) without N2O plasma treatment ;(b) with N2O plasma treatment.

圖3(a)給出了IZTO TFT 在黑暗環境下的傳輸特性曲線，插圖為探針測試實物圖，表1 記錄了從圖3(a)曲線中提取的性能參數.與未經處理的IZTO TFT 相比，經過N2O 等離子體處理的IZTO TFT表現出優異的電學性能，閾值電壓(Vth)從—0.5 到0.1 V，飽和遷移率(μsat)從29.12 到51.52 cm2·V—1·s—1，亞閾值擺幅(SS)從204 到137 mV·dec—1.無N2O 等離子處理的IZTO TFT 的Vth較負歸因于在PECVD沉積SiO2鈍化層過程中產生了額外的陷阱狀態[28].當對有源層進行N2O 等離子處理時，背溝道附近會形成富氧區，可有效防止SiO2沉積過程中對背溝道的損壞，從而使得Vth正移[29].遷移率的增加和SS 的減少是由于經過N2O 等離子體處理的IZTO薄膜缺陷態密度減少，較高的金屬鍵密度和較低的缺陷會使得電子通過重疊金屬s 軌道時具有更好的電子傳導路徑[30].圖3(b)和圖3(c)給出了有無N2O 等離子體處理IZTO TFT 的輸出特性曲線.經N2O 等離子體處理和無處理的IZTO TFT 的飽和電流分別110 和82 μA，可見經過處理后的IZTO TFT 表現出更高的電流水平.在較低柵極電壓范圍內，都表現為線性關系，電流也沒發生阻塞現象，這說明IZTO TFT 的有源層IZTO 和源漏電極間均形成良好的歐姆接觸[24].

表1 有無N2O 等離子體處理的IZTO TFT 性能對比Table 1.Device performance comparison of IZTO TFT without and with N2O plasma treatment.

圖3 (a) 有無N2O 等離子體處理的IZTO TFT 轉移曲線;(b) 無處理的IZTO TFT 輸出曲線;(c) N2O 等離子處理的IZTO TFT 輸出曲線Fig.3.(a) Transfer characteristics of an IZTO TFT without and with N2O plasma treatment;output characteristics of an IZTO TFT (b) without and (c) with N2O plasma treatment.

為了分析有無N2O 等離子處理的IZTO 薄膜中氧相關化學位移的變化，進行了O 1s XPS 分析，其化學位移如圖4 所示.以碳1s 峰(284.6 eV)對XPS 譜進行校準，對數據進行高斯擬合，可以將其分解為3 個峰，對應的能級分別約為529.9，531.2和531.8 eV.位于529.9 eV 附近的峰為金屬氧化物鍵，位于531.2 eV 附近的峰為與晶格缺陷有關的氧原子，位于531.8 eV 附近的峰為與金屬氫氧化物等有關的氧原子[31].可以看出，經過N2O 等離子處理后，金屬氧化物鍵的峰強度從47.17%增加到57.79%，氧空位的峰強度從27.42%降低到19.43%.這些結果表明，N2O 等離子處理可以在背溝道附近形成富氧區域，使得氧相關缺陷減少，同時富氧區的形成也可以有效地防止SiO2沉積過程中造成的損壞，并產生更好的電性能.

圖4 IZTO 薄膜O 1s XPS圖譜 (a) 無處理;(b) N2O等離子體處理Fig.4.XPS of O 1s spectra on the surface of IZTO film (a)without and (b) with N2O plasma treatment.

圖5(a)和圖5(c)分別為有無N2O 等離子體處理后IZTO TFT 在10000 lux (LED 背光源)光照下施加VGS=+5 V 的偏壓測試，測試時間為3600 s.隨著光照時間的增加，在光照正偏壓(positive bias illumination stress，PBIS)下Vth發生正向偏移，分別偏移了0.04 和0.02 V，這基本沒有發生漂移，主要是因為在光照下，氧空位(VO)會電離產生電子，在去除光照后，這些電子不會完全和電離態的VO復合，留在導帶上，彌補了被界面捕獲的電子[32].圖5(b)和圖5(d)為有無N2O 表面等離子體處理后IZTO TFT 在NBIS 下的穩定性，無N2O 等離子處理的IZTO TFT 在NBIS 下Vth逐漸向負方向移動，3600 s 后偏移了0.3 V，如圖5(e)所示.在之前的報告中，NBIS 誘導的Vth偏移主要是在光照射下，使得中性態的VO電離[33]，IZTO 薄膜中電離態的氧空位在負偏壓作用下移動到IZTO/HAO 界面處，使得Vth發生負漂.在N2O 表面等離子處理后，ΔVth降低到0.1 V，表明N2O 有助于減少的形成，圖5(f)為經過N2O 表面等離子體處理后的IZTO 薄膜的能帶圖，經過N2O 表面等離子處理后表面處于富氧狀態，氧原子填充了氧空位，降低了中性VO的密度.為了更好地理解N2O 等離子體處理對IZTO 表面的影響，我們制作了一個示意圖，如圖6 所示.在N2O表面處理之后，氧空位被氧自由基鈍化，從而形成更多的金屬鍵，使得IZTO 薄膜表面更加致密，從而使得IZTO TFT 表現出了較好的穩定性，這表明對IZTO 有源層表面進行N2O 表面等離子體處理可以改善IZTO TFT 的光致不穩定.

圖5 IZTO TFT 的PBIS 和NBIS 穩定性 (a) 和(b) 為無處理，(c) 和(d) 為N2O 等離子體處理;(e) 閾值電壓隨偏壓時間的變化;(f) N2O 等離子體處理后IZTO TFT 的能帶圖示意圖Fig.5.Stability for IZTO TFT:Stability of (a) untreated and (c) treated PBIS;stability of (b) untreated and (d) treated NBIS;(e) plots of voltage shift versus time;(f) band diagram of IZTO TFT with N2O plasma treatment.

圖6 IZTO 薄膜的原子模型 (a) 無處理;(b) N2O 等離子處理Fig.6.Atomic model of the IZTO film (a) without and (b) with N2O plasma treatment.

陣列中各個器件的負偏壓光照穩定性對顯示至關重要，為此，對各個位置測試了負偏壓光照穩定性，分別為陣列左上、右上、左下和右下的器件，光照負偏壓穩定性如圖7 所示.經過3600 s 負偏壓光照穩定性測試之后，閾值電壓分別漂移了—0.15，—0.13，—0.19 和—0.2 V，符合負偏壓光照穩定性小于0.2 V 的條件，滿足目前顯示的要求.中間器件相對周圍器件穩定性較好的原因是，在旋涂IZTO 薄膜的時候，外圍的厚度均勻性沒有中間的好，在固化薄膜過程中，其表面可能引入更多的缺陷態.

圖7 陣列中各個位置器件負偏壓光照穩定性分布 (a) 左上;(b)右上;(c) 中間;(d)左下;(e) 右下;(f) 陣列整體負偏壓光照穩定性Fig.7.Illumination stability distribution of devices under negative bias in the array:(a) Top-left;(b) top-right;(c) middle;(d) bottom-left;(e) bottom-right;(f) the negative bias illumination stress stability of the array.

同時，為了評估像素陣列中器件的性能均勻性，按照一定分布選取了20 個器件進行了轉移曲線測試，從中提取了相關電學參數，如圖8 所示.經N2O 等離子體處理的器件遷移率平均值為(50.75 ± 5.06) cm2·V—1·s—1，亞閾值擺幅為(141.2 ±14.16) mV·dec—1，無處理的器件遷移率平均值為(27.25 ± 5.29)cm2·V—1·s—1，亞閾值擺幅為(218.9 ±16.42) mV·dec—1.

圖8 20 個器件遷移率和亞閾值擺幅分布 (a)，(b) N2O 等離子體處理;(c)，(d) 無處理Fig.8.Histogram of threshold voltage and mobility for the IZTO TFTs:(a)，(b) With N2O plasma treatment;(c)，(d) without N2O plasma treatment.The data are collected from 20 TFTs.

4 結論

本文采用溶液法制備了高光照負偏壓像素極IZTO TFT，并研究了其光照負偏壓穩定性.對比了N2O 等離子體處理與未處理的器件性能，IZTO TFT 的開關電流比為2.3×107、閾值電壓為0.1 V、亞閾值擺幅為137 mV·dec—1、飽和遷移率為51.52 cm2·V—1·s—1，且光照負偏壓穩定性低于0.2 V.器件的優異性能主要是由于等離子處理后IZTO 薄膜表面變得更加光滑，表面氧相關缺陷態降低，M—O 鍵的密度增加.結果表明，制備的4.5 英寸的IZTO TFT 像素陣列滿足顯示驅動需求.