超臨界流體改善IGZO 薄膜晶體管光電特性研究

董禮,王明格,張冠張

(1.中國電子科技集團公司第四十三研究所,安徽 合肥 230088;2.北京大學深圳研究生院信息工程學院,廣東 深圳 518055)

近年來,氧化物薄膜晶體管(Thin-Film Transistor,TFT)因其均勻性好、透明度高、制作工藝簡單等優(yōu)點而備受關注[1],在新型顯示技術領域極具應用前景。相比于傳統(tǒng)的非晶硅基薄膜晶體管[2],以非晶銦鎵鋅氧化物(Amorphous IGZO,a-IGZO)作為有源層[3]的氧化物薄膜晶體管具有載流子遷移率高、關態(tài)漏電流低、穩(wěn)定性較好等優(yōu)勢。基于a-IGZO 的TFT 主要采用背溝道刻蝕BCE(Back-Channel Etch)型結構,制備容易、結構簡單、成本低,但器件性能易受外界環(huán)境的影響[4],因此常需要添加鈍化層來隔絕環(huán)境中水氧對器件性能造成的影響。常用的鈍化層大致可分為無機材質和有機材質。無機鈍化層如SiO2、Si3N4等,隔離效果好,但在高溫沉積過程中易對器件造成損傷。有機鈍化層如聚酰亞胺(PI)、聚甲基丙酸甲酯(PMMA)等,盡管制備簡單,但雜質較多,穩(wěn)定性較差[5]。隨著高分辨率、高速的透明顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對透明TFT 器件[6-7]提出了越來越高的要求。器件的關鍵性能參數(shù),如載流子遷移率、電流開關比、閾值電壓、亞閾值擺幅、光電應力穩(wěn)定性、光學透明性[8]等仍有較大的提升空間。

已有研究通過優(yōu)化材料質量與器件結構來改善薄膜晶體管,張立等[9]對a-IGZO TFT 的柵極絕緣層進行等離子體修飾,在退火處理下通過高溫烘烤來蒸發(fā)雜質,達到提高器件性能的目的;但缺點是效率低,高溫會對器件和薄膜造成損傷。通常影響器件性能的主要原因之一是材料和器件中存在缺陷[10],因此需要尋求一種低溫高效的工藝優(yōu)化TFT 的性能,拓展其應用范圍。

本研究提出低溫超臨界流體技術(Supercritical Fluids,SCF)[11],通過超臨界修復TFT 各層薄膜材料內的斷鍵,消除材料及界面處缺陷,提升器件的綜合性能。超臨界流體具有高溶解性和良好的滲透性[12],可以有效地攜帶所需元素滲透到納米級結構中,在不破壞其微觀結構的前提下修復器件內部和材料中的缺陷[13-14]。目前常用的超臨界物質為CO2,CO2的超臨界條件溫和(31 ℃,7.295 MPa),安全無毒,成本低廉,化學性質穩(wěn)定[15],對二氧化碳進行利用可緩解溫室效應,具有綠色環(huán)保的效果。

在傳統(tǒng)金屬氧化物薄膜晶體管的基礎上,本文設計了一種a-IGZO 全透明TFT,選用玻璃基板為襯底,透光性較好的氧化銦錫(ITO) 為電極,二氧化硅(SiO2)為柵介質層,以PMMA 為鈍化層來改善器件抗水氧的能力。為了進一步優(yōu)化器件性能,采用低溫環(huán)保的超臨界流體工藝修復TFT 內的材料和界面缺陷,同時,利用干燥劑吸附副產(chǎn)物促進脫水反應,達到修復懸掛鍵的目的,進而改善TFT 器件的遷移率、亞閾值擺幅、電流開關比、閾值電壓等基本電學特性和光電應力穩(wěn)定性、光學透明度等。此外,超臨界技術的低溫條件還能使包括有機PMMA 鈍化層在內的各層薄膜材料避免受到高溫發(fā)生形變[16],與半導體工藝的良好相容性也有利于改善半導體器件性能。

1 實驗

實驗制備的全透明薄膜晶體管三維結構如圖1 所示。首先,在玻璃襯底上對底電極圖形化后濺射生長ITO。然后在300 ℃下,通過等離子增強化學氣相沉積(PECVD)生長200 nm 的柵介質SiO2,再磁控濺射生長40 nm 的IGZO 有源層。在旋涂和光刻膠層圖案化后濺射源極和漏極,之后利用反應離子刻蝕(RIE)SiO2層,露出柵電極。最后旋涂650 nm 的PMMA 作為TFT 器件鈍化層。

圖1 全透明薄膜晶體管三維結構圖Fig.1 The 3-D view of transparent thin-film transistor (TFT)

在制備的過程中,器件中材料內部和界面處不可避免會存在缺陷,為了避免傳統(tǒng)高溫方法對器件的影響,本文采用低溫超臨界流體技術消除這些缺陷。具體步驟為: 在超臨界反應腔中加入5 mL 水和2 g 無水氯化鈣CaCl2,通入CO2,以溫度60 ℃,壓力10.343 MPa 的條件處理1 h,緩慢降溫、泄壓后取出樣品。超臨界CO2流體處理是一個完美的閉環(huán)系統(tǒng),可以循環(huán)使用,不會產(chǎn)生額外的CO2排放或其他任何有毒物質。

實驗選用Agilent B1500A 半導體參數(shù)測試儀來測試TFT 器件的電學性能。采用J.A.Woollam M -2000UI 橢偏儀測量了器件中薄膜層的厚度。采用N &K 薄膜分析儀測試在可見光波段(400～ 760 nm)下器件的透光率。采用BRUKER 傅里葉紅外光譜儀對超臨界處理前后薄膜材料中化學鍵和官能團進行分析,揭示了器件性能變化的內在機理。

2 結果與討論

2.1 基本電學特性研究

薄膜晶體管的基本電學特性包括: 轉移特性和輸出特性。轉移特性反應了TFT 的驅動能力,其曲線反應了在柵壓控制下漏端電流的大小。實驗分別測試了超臨界流體處理前后TFT 器件的轉移特性,結果如圖2(a)所示。

圖2 超臨界流體處理前后TFT 的(a)轉移特性曲線;(b)輸出特性曲線Fig.2 The curves of (a) transfer characteristics and (b)output characteristics of TFT before and after supercritical fluids (SCF) treatment

可知,超臨界流體處理后器件的閾值電壓Vth更趨近于0 V,關態(tài)電流Ioff降低,開態(tài)電流Ion升高,電流開關比(Ion/Ioff)增加了一個數(shù)量級(從6.58×106增至8.22×107)。作為影響器件驅動能力和開關速度的最關鍵因素,遷移率(μ)是載流子傳輸效率的體現(xiàn),常會受到缺陷和雜質的散射,一定程度上反映了器件和材料的品質。遷移率計算公式為:

式中:gm是跨導;Cox是單位面積柵電容;W和L分別是溝道長度和寬度;Vd是漏極電壓。超臨界流體處理后,器件遷移率從8.57 cm2·V-1·s-1增至10.46 cm2·V-1·s-1。

Id-Vd曲線在亞閾值區(qū)的斜率反映了器件的柵控能力,其倒數(shù)即亞閾值擺幅(Subthreshold Swing,S.S.),S.S.越小表示柵控能力越強,器件開關特性越好,S.S.的計算公式為:

超臨界流體處理后,a-IGZO TFT 的S.S.從451.44 mV/dec 下降至231.56 mV/dec,開關速度顯著提高。

表1 總結了超臨界流體處理前后TFT 主要參數(shù)的變化,器件的基本電學性能(包括閾值電壓、遷移率、亞閾值擺幅、開關電流比)在超臨界流體處理后得到全面改善。

表1 超臨界流體處理前后TFT 主要參數(shù)的變化Tab.1 Comparison of the main parameters of TFT devicesbefore and after supercritical fluids treatment

輸出特性Id-Vd反映了薄膜晶體管的輸出能力和驅動能力,超臨界前后的輸出特性曲線見圖2(b)。Id隨Vg的升高而增大。在相同漏極電壓和柵極電壓下,超臨界處理后的驅動電流明顯上升,器件的輸出驅動能力提高。綜上所述,超臨界流體處理改善了器件的開關特性、驅動能力和電流開關比,有利于器件在高速、高分辨率、高刷新率顯示領域中的應用。

2.2 光電應力穩(wěn)定性

薄膜晶體管主要用于開關和平板顯示,在電應力和光電應力下的穩(wěn)定性問題尤為值得關注。電應力穩(wěn)定性是指在長時間柵壓應力作用下器件的穩(wěn)定性,表現(xiàn)為器件特性隨著施加應力時間的改變而改變。柵壓應力分為正柵壓應力(Positive Bias Stress,PBS)和負柵壓應力(Negative Bias Stress,NBS)。由于TFT 器件常用于顯示領域,光照下的柵壓應力更接近于器件工作的實際情況,同時全透明TFT 器件的有源層缺少遮光保護,光照會影響器件的電學特性,因此須考慮施加光照后的光電應力穩(wěn)定性。光電應力包括正柵壓光照應力(Positive Bias Illumination Stress,PBIS)和負柵壓光照應力(Negative Bias Illumination Stress,NBIS)[17]。

大部分金屬氧化物TFT 在單獨施加負柵壓下的穩(wěn)定性良好,源漏電流很小,轉移特性幾乎不變,而施加正柵壓會在有源層與柵介質層的界面產(chǎn)生電荷捕獲,造成閾值電壓的正向漂移,嚴重影響器件穩(wěn)定性。

同樣,氧化物TFT 器件在正柵壓光照應力下的穩(wěn)定性較好,而在光照下施加長時間負柵壓會產(chǎn)生閾值電壓較大的負向漂移。因此,本文以對器件穩(wěn)定性影響最嚴重的PBS 和NBIS 為代表,探究了TFT 器件在超臨界流體處理前后光電應力穩(wěn)定性的改善情況。

圖3 所示為超臨界流體處理前后器件在PBS 下的穩(wěn)定性,器件轉移特性曲線隨施加正柵極應力時間的增加而逐漸正向(向右)漂移。選取柵極電壓為+30 V,施加不同時間(10,50,100,500,1000,2000,3600 s)。圖3(a)顯示,超臨界處理前器件在正柵壓應力下發(fā)生了較大的閾值電壓漂移,相比而言,圖3(b)展示了超臨界處理后,在同樣的應力條件下,器件閾值電壓漂移量減小,轉移特性曲線在應力作用下更加穩(wěn)定。圖3(c)提取了超臨界處理前后器件在不同應力時間下的閾值電壓漂移量,可知超臨界后器件的閾值電壓漂移量減少10%～25%,器件的電應力穩(wěn)定性提高。引起閾值電壓漂移的主要原因是,在正柵壓下,有源層內累積大量電子,被有源層和柵介質層界面的缺陷捕獲,形成帶負電的固定電荷,閾值電壓正向漂移。超臨界處理后,這些界面缺陷被修復,閾值電壓漂移量減小,器件穩(wěn)定性得到改善。超臨界修復器件缺陷的機理將在下一小節(jié)中討論。

圖3 正柵壓應力下器件的轉移特性曲線。(a)超臨界前;(b)超臨界后;(c)超臨界前后閾值電壓漂移Fig.3 The transfer characteristics of TFT (a) before and (b) after SCF treatment under positive bias stress (PBS);(c) The extracted threshold voltage shift under PBS before and after SCF treatment

圖4 展示了超臨界流體處理前后器件在NBIS 下轉移特性的變化,反映了器件的光電應力穩(wěn)定性。實驗中柵極電壓設為-30 V,采用的光源波長為525 nm,光子能量(2.36 eV)小于IGZO 的禁帶寬度,無躍遷產(chǎn)生。在不同時間的光電應力刺激下,超臨界處理后的器件(圖4(b))較超臨界處理前(圖4(a))更加穩(wěn)定。圖4(c)提取了超臨界處理前后TFT 在施加不同時間光電刺激后的閾值電壓漂移量。刺激2000 s 后,閾值電壓負向漂移從超臨界前的-1.3 V 改善為超臨界后的-0.6 V,表明超臨界處理可以顯著減小NBIS 下閾值電壓漂移,因為超臨界工藝消除了器件中大部分的缺陷,由缺陷捕獲電荷造成的閾值電壓漂移現(xiàn)象得到改善,提升了器件的光電應力穩(wěn)定性。

圖4 負柵壓光電應力下器件的轉移特性曲線。(a)超臨界前;(b)超臨界后;(c)超臨界前后閾值電壓漂移Fig.4 The transfer characteristics of TFT (a) before and (b) after SCF treatment under negative bias illumination stress (NBIS);(c) The extracted threshold voltage shift under NBIS before and after SCF treatment

2.3 光學透明性的改善

通過N &K 薄膜分析儀測試了超臨界流體處理前后TFT 器件在可見光波段(400～ 760 nm)的透光率變化(圖5)。

圖5 器件在超臨界處理前后透光率的變化Fig.5 Transmittance of TFT before and after SCF treatment

可以看出,經(jīng)過超臨界處理后,器件中的缺陷得到修復,全透明TFT 在可見光波段400～760 nm 的透光率明顯提升,從76%上升至82%,有效提高了器件在透明顯示領域的競爭力。

2.4 超臨界流體改善TFT 特性的機理

為進一步探究超臨界流體處理改善TFT 器件綜合性能的內在機理,采用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)對超臨界處理前后SiO2/IGZO 薄膜的化學鍵和官能團進行分析,如圖6 所示。可明顯看出,在1100 cm-1左右的波段范圍內Si—O—Si 鍵的吸收峰顯著增加,表明超臨界流體滲透進入柵介質層內部,有效修復了Si 的懸掛鍵。在580 cm-1左右的ZnO 鍵結的增多,說明IGZO 層中的斷鍵得到修復。FTIR 的結果證明了超臨界處理后a-IGZO、SiO2層內部缺陷有效減少,從而優(yōu)化了TFT 器件的基本電學性能和光電應力穩(wěn)定性,與前述的電學測量結果一致。

圖6 超臨界處理前后IGZO/SiO2薄膜的FTIR 圖譜Fig.6 FTIR spectra of IGZO/SiO2 layer before and after SCF treatment

超臨界流體的高溶解性和高滲透性,使其可以在低溫下滲透至器件內部修復缺陷。基于上述電學、光學和材料分析,提出了如圖7 所示的超臨界反應模型以闡釋超臨界流體改善器件性能的機理。超臨界處理前(圖7 左),SiO2層、IGZO 層以及它們的界面處存在懸掛鍵。超臨界CO2具有很強溶解力和滲透能力,可以超臨界化H2O,并攜帶其進入器件材料內部,與器件中原本存在的懸掛鍵形成鍵結,相鄰的羥基之間進行分子內脫水(圖7 中),進而形成新的鍵結(Si—O—Si,ZnO 等),修復了斷鍵造成的缺陷。同時,預置在反應腔內的CaCl2作為干燥劑可促進分子內脫水反應,形成穩(wěn)定的化學鍵(圖7 右)。

圖7 超臨界反應模型圖Fig.7 Schematic diagram of SCF reaction mechanism

結合前述的電學分析和材料分析,圖7 所描繪的反應模型清楚地表明,在超臨界流體處理后,SiO2內部和IGZO 界面處的斷鍵和懸掛鍵被有效修復,形成穩(wěn)定的化學鍵,進而改善了器件的閾值電壓、亞閾值擺幅、電流開關比等電學性能,提高了器件的光電應力穩(wěn)定性和光學透明度。

3 結論

本文制備了以a-IGZO 為有源層的全透明TFT,對器件進行低溫超臨界流體處理來修復缺陷,提升器件基本電學性能、光電應力穩(wěn)定性和光學透明度。在超臨界處理后,器件的閾值電壓更趨近于0 V,載流子遷移率從8.57 cm2·V-1·s-1增至10.46 cm2·V-1·s-1,亞閾值擺幅從451.44 mV/dec 下降至231.56 mV/dec,電流開關比提升了一個數(shù)量級。正柵壓應力下和負柵壓應力下的閾值電壓漂移量在超臨界處理后均減小,器件的光電應力穩(wěn)定性得到有效提升。此外,器件透光率在超臨界處理后明顯得到改善。通過材料分析發(fā)現(xiàn)超臨界有效修復了薄膜內的懸掛鍵和界面缺陷,全面改善了薄膜晶體管的開關特性、驅動能力、電流開關比、光電應力穩(wěn)定性和光學透明性,拓展了其在全透明顯示領域的應用前景,為進一步優(yōu)化薄膜晶體管性能提供了有效的方法。