退火工艺对基于InGaZnO薄膜晶体管性能的影响

聂国政　黄笃之　钟春良　许 英



退火工艺对基于InGaZnO薄膜晶体管性能的影响

聂国政1黄笃之1钟春良2许 英1

(1.湖南科技大学物理与电子科学学院，湖南湘潭 411201；2.湖南工业大学理学院，湖南株洲 412007)

铟嫁锌氧化物（IGZO）以其迁移率高、均匀性好、对可见光透明、制备温度低和成本低等优点被认为是金属氧化物薄膜晶体管（Thin-Film Transistor (TFT））理想的有源材料，采用磁控溅射法制备了基于SiO2绝缘层的IGZO-TFT器件。研究铟嫁锌氧化物有源层薄膜的前退火工艺（pre- annealing）和后退火工艺（post- annealing）对IGZO－TFT器件的电学性能的影响，其电学测试数据表明，相对于后退火工艺（post- annealing），前退火工艺处理的IGZO－TFT器件的展示了更高的场效应迁移率（3.5 cm2V-1s-1）和更好的开关比（107）。同时，十八烷基三氯硅烷（OTS）对改善SiO2绝缘层与铟嫁锌氧化物半导体有源层之间的界面接触效果显著。

金属氧化物； 薄膜晶体管；退火； 表面修饰

高性能的TFT(薄膜晶体管)是液晶显示、有源驱动有机发光二极管显示(AMOLED)等产业的基础和核心器件。原有的硅基材料TFT由于其低的迁移率、生产工艺复杂、成本居高不下、均匀性差，良品率低等难以克服的问题，限制了其在大尺寸显示领域的进一步发展，因此迫切需要研究新的具有替代硅材料潜力的有源材料。基于金属氧化物（Metal-oxide, 简称MO，如ZnO、InZnO、InGaZnO等）半导体的薄膜晶体管以其迁移率高、均匀性好、对可见光透明、制备温度低和成本低等优点被认为是适合驱动有机发光二极管（OLED）和高分辨率液晶显示（LCD）的理想有源器件[1, 2]。2003年Hoffman[1]利用磁控溅射在室温下制成多晶ZnO-TFT, 迁移率0.3-2.5cm2/Vs。低温工艺制备的高迁移率、高透过率MO-TFT成了近年来研究的重点。MO半导体有源层材料从开始的ZnO[1]到In2O3[3, 4], InZnO（IZO）[5]，In-Ga-Zn-O (IGZO)[6, 7]等。这些氧化物的重金属阳离子符合外层电子轨道排布为(n-1)d10ns0（n≥4)；具有较大的量子系数（n）的重金属所形成的金属氧化物能够在分子无序的状态下也能保持高的载流子迁移率[8]。它们是最有可能代替硅材料潜力的有源材料，已成研究的热点，其中，基于IGZO有源层的TFT 器件在电学稳定性、迁移率、光透过率、阈值电压等方面有着独特的优势,而被广泛研究[9, 10]。退火工艺对IGZO-TFT的性能影响很大，因为退火可以减少IGZO材料的氧空位，对提高器件的电学性能和稳定性有很大的帮助[11]。但是，制备源漏电极前后, 前退火和后退火处理IGZO薄膜对IGZO-TFT的性能影响很大。论文研究了铟嫁锌氧化物有源层薄膜的前退火工艺（pre- annealing）和后退火工艺（post- annealing）对IGZO－TFT器件的电学性能的影响，用OTS改善SiO2绝缘层与铟嫁锌氧化物半导体有源层的接触，优化工艺，制备电学性能良好的IGZO－TFT器件。

1　实　验

实验采用如图1所示的底栅顶接触结构的工艺顺序来制备IGZO－TFT器件。热氧化制备的Si/SiO2（300nm)片子分别用作IGZO－TFT的栅电极/栅绝缘层。Si/SiO2（300nm)片子在溅射制备IGZO有源层前需要超声清洗，Si/SiO2（300nm)片子的SiO2表面按顺序分别放入丙酮，去离子水，异丙醇液体中超声清洗，每一步超声清洗需要花10分钟，然后用干燥箱把片子烘烤干净备用。在Si/SiO2（300nm)片子的SiO2表面上甩涂一层20nm厚的OTS修饰薄膜，并烘干。经OTS修饰的Si/SiO2（300nm)基片放入磁控溅射仪的真空蒸镀腔内，抽真空到2.0×10-3Pa。随后以15sccm的流量加入Ar气，维持工作气压为0.5Pa，溅射功率为150W的工艺条件，在SiO2表面上溅射一层30nm厚的铟嫁锌氧化物（IGZO）作为IGZO-TFT器件的有源层材料。最后，在IGZO氧化物薄膜上溅射一层40nm厚镍（Ni）薄膜作为源、漏电极，用掩模板控制导电沟道的宽度和长度分别为10mm和3mm。为研究前退火和后退火处理IGZO薄膜对IGZO-TFT的性能影响。分别制备如图1所示结构的前退火工艺处理的IGZO-TFT器件（称为器件A）、如图1所示结构的后退火工艺处理的IGZO-TFT器件（称为器件B）。在上述实验顺序制备过程中，溅射制备源、漏Ni电极之前，对沉积在真空腔里的SiO2表面上的IGZO薄膜进行衬底加热300度退火处理30分钟，然后再在IGZO薄膜上继续溅射溅射制备源、漏电极，这就是前退火工艺（pre- annealing）。在上述实验顺序制备过程中，完成溅射制备源、漏Ni电极，制备出如图1所示结构IGZO-TFT，然后再对IGZO-TFT器件在空气中放在300度的热台上退火30min，这就是后退火工艺（post- annealing）。所制备的器件A和器件B的输出特性曲线和转移特性曲线用半导体参数测试仪（HP4155C）进行测试。

图1.底栅顶接触结构的TFT器件

2　结果与分析

制备的IGZO-TFT器件经前退火、后退火工艺处理后，其电学特性分别见图2和图3所示。

图2. 器件A的电学特性曲线

(a)输出特性曲线,(b)转移特性曲线

图3. 器件B的电学特性曲线

(a)输出特性曲线,(b)转移特性曲线

图2(a)和图3(a)分别为器件A、器件B的电学输出特性曲线。可以看出，所制备器件A、器件B的源漏电流（D）都展示了典型n型TFT的饱和特性。当源漏电压（DS）增大到一定值，D不再随DS的增大而增大，而趋于一个恒定饱和值，称之为饱和特性。为了研究前退火和后退火处理IGZO薄膜对IGZO-TFT的电学性能影响，比较器件A和B在栅极偏压V=30V、源漏电压V=40V条件下的源漏电流（D）的大小，数据发现器件A在此条件下的源漏电流（1.1×10-3A）比器件B的源漏电流（3.5×10-4A）高出一个数量级（如图2(a)和图3(a)）。

图2 (b)和图3 (b)为器件A、器件B的转移特性曲线。在饱和区工作时，I满足下面的公式[12]：

式（1）中和分别代表器件沟道的宽度和长度，C是栅绝缘介质层的单位面积电容，μ为晶体管的场效应迁移率，V是晶体管的阈值电压，V可以由图2 (b)和图3 (b)中的（-I）1/2-VGS的曲线图的切线外推至V轴得到[13]。晶体管的场效应迁移率可以从公式（1）得出。器件A的迁移率为3.5cm2V-1S-1、开关比为107，远大于器件B的2.5 cm2V-1S-1。以上结果表明，相对于后退火工艺，前退火工艺处理IGZO薄膜可以获得性能更好的IGZO晶体管。当后退火工艺制备IGZO晶体管时，随着对IGZO薄膜加热热退火工艺时，在Ni 电极与IGZO薄膜的接触界面，Ni会热扩散到IGZO薄膜里，使得Ni 电极与IGZO薄膜接触电阻增大，导致获得差的饱和电流和迁移率。因此，在溅射Ni电极之前，对IGZO薄膜加热热退火，可以较好防止Ni会热扩散到IGZO薄膜而引起Ni 电极与IGZO薄膜的接触电阻增大。

为了改善SiO2绝缘层与IGZO有源层之间的接触，采用十八烷基三氯硅烷 OTS修饰处理SiO2绝缘层表面，为研究OTS修饰SiO2绝缘层的效果。制备了以下两种IGZO-TFT器件结构：器件C：Si/SiO2（300nm)/OTS（20nm)/ IGZO(30nm)/Ni(40nm)，器件D：Si/SiO2（300nm)/ / IGZO(30nm)/Ni(40nm).

图4.十八烷基三氯硅烷对 IGZO-TFT器件电学性能的影响

(a)器件C转移特性曲线 (b)器件D的转移特性曲线

图4即为器件C和器件D测试所得的转移特性曲线，从上如可以看出，经过OTS修饰后的器件C的电流增大了而许多比器件D，而且器件的移率从器件D的0.98cm2V-1S-1增大到器件C的2.5 cm2V-1S-1。开关比从器件D的104增大到器件C的107。OTS明显改善了SiO2与IGZO之间界面接触。OTS的分子式为下图所示：

图5 .十八烷基三氯硅烷（OTS）分子式

SiO2表面上甩涂一层20nm厚度的OTS修饰薄膜后，OTS与SiO2表面的Si-OH经过脱脂反应形成的产物通过Si—O—Si结构牢牢附着在二氧化硅的表面，尾部的十八烷基并列起来形成烷基的“森林”，保护着二氧化硅的表面，使其表面疏水化，有效的改善了SiO2表面与有源层薄膜之间界面的接触[14]。因此，OTS能有效的改善SiO2绝缘层与IGZO有源层之间接触，IGZO-TFT器件的迁移率由0.98 cm2V-1S-1增大到2.5 cm2V-1S-1。

结　论

用磁控溅射法制备了基于SiO2绝缘层的IGZO-TFT器件。研究了前退火和后退火处理IGZO薄膜对IGZO-TFT的性能影响，相对于后退火工艺，前退火工艺处理IGZO薄膜可以获得电学性能更好的IGZO-TFT器件。同时，十八烷基三氯硅烷（OTS）能有效的改善SiO2绝缘层与铟嫁锌氧化物半导体有源层之间接触，IGZO-TFT器件性能得到改善。

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（责任编校：宫彦军）

2015－06－03

国家自然科学基金(项目编号11447212，11204076，11247003)；湖南省自然科学基金项目（项目编号2015JJ3060）资助。

聂国政（1979－），男，湖南涟源人，讲师，2011年获得微电子与固体电子学专业工学博士学位，主要研究方向为光电材料与器件。

TN321.5

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1673-2219（2015）10-0019-03