RF磁控溅射沉积压强对InGaZnO4薄膜特性的影响

RF磁控溅射沉积压强对InGaZnO4薄膜特性的影响

闫小兵，史守山，娄建忠，郑树凯，曹智

(河北大学电子信息工程学院，河北省数字医疗工程重点实验室，河北保定071002)

摘要：采用射频(RF)磁控溅射沉积方法，在室温不同压强下在石英玻璃衬底上制备出高透光率与较好电学性质的透明氧化物半导体InGaZnO4(IGZO)薄膜，并对薄膜进行X线衍射(XRD)、生长速率、电阻率和透光率的测试与表征.结果表明，实验所获样品IGZO薄膜为非晶态，薄膜最小电阻率为1.3×10-3 Ω·cm.根据光学性能测试结果，IGZO薄膜在200~350 nm的紫外光区有较强吸收，在400~900 nm的可见光波段的透过率为75%~97%.

关键词：IGZO;沉积压强;光学性质;电学性质

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.03.004

中图分类号：TB32文献标志码：A

收稿日期:2014-10-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61306098)；河北省自然科学基金资助项目(E2012201088;E2013201176)；河北省高等学校科学研究项目(ZH2012019；BJ2015008)；河北大学人才引进基金资助项目(2011-219)

Influence of deposition pressure on optical and electrical properties of

IGZO films fabricated by radio frequency magnetron sputtering

YAN Xiaobing，SHI Shoushan，LOU Jianzhong, ZHENG Shukai， CAO Zhi

(1.College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002, China,)

Abstract:The InGaZnO4 films with high transmittance and better electrical properties were grown on a quartz glass substrate at room temperature under different pressures by RF magnetron sputtering deposition method. The X-ray diffraction pattern, the growth rate of the film, the resistivity and the light transmittance were measured. The results indicated that the IGZOfims was amorphous, and the minim resistivity was 1.3×10-3 Ω·cm.The abrupt absorption edge of the film appeared at about 200—350 nm, and the film presented a high transmittance of 75%—97% in the visible range from 400 to 900 nm.

Key words: IGZO; deposition pressure; optical properties; electrical properties

第一作者:闫小兵(1983-)，男，河南商丘人，河北大学副教授，主要从事阻变、铁性薄膜和器件以及电荷俘获存储器等领域研究. E-mail: xiaobing_yan@126.com

由于显示器的尺寸越来越大，非晶硅薄膜晶体管出现了以下缺陷：电子迁移率不足，均一性差，占用像素面积导致透光率降低.Hosono等[1]报道非晶铟镓锌氧可用作薄膜晶体管的有源层材料，并得到了强烈关注，他们提出组成非晶氧化物半导体的阳离子候选者应当从15种元素选出: Cu，Zn，Ga，Ge，As，Ag，Cd，In，Sn，Sb，Au，Hg，Tl，Pb和Bi.这些元素能够组合成多种非晶态氧化物半导体，但是这些半导体仅有少数能既通过元素评定标准(主要包括元素的丰富度、产量、成本和毒性等)，又能通过器件评定标准(主要包括有源层半导体的金属靶最高温度、低温工艺性能和可刻蚀性能)[2].非晶铟镓锌氧化物薄膜背板已成为大尺寸、高分辨率AMOLED[3]显示和柔性显示[4-5]的最佳候选者.InGaZnO4(IGZO)比传统TFT的有以下优点：更小的晶体尺寸，设备更轻薄;全透明，对可见光不敏感，能够大大增加元件的开口率，提高亮度，降低功耗.IGZO的电子迁移率大约为10 cm2/V·s，比传统材料进步非常明显，IGZO面板比传统TFT面板有了全面的提升.Jung等[6]采用磁控溅射技术生长了In-Ga-Zn-O(n(In2O3)∶n(Ga2O3)∶n(ZnO)) = 1∶1∶1)薄膜，薄膜在可见光区域的透过率大约为90%.Suresh等[7]利用脉冲激光沉积系统(PLD)生长了IGZO(n(In2O3)∶n(Ga2O3)∶n(ZnO) = 1∶1∶10)薄膜，在可见光范围内薄膜的透过率可达 80%左右.目前，In-Ga-Zn-O薄膜的生长制备条件与材料电学和光学性能之间的影响规律还鲜有报道，尤其是沉积气压影响着薄膜的光学和电学性质，制约着薄膜的进一步应用.因此，本文重点深入和详细地探索了沉积气压对薄膜的影响规律.在石英玻璃衬底上采用射频磁控溅射技术(RF-sputtering)在不同压强下制备了良好附着性能的非晶透明导电IGZO薄膜，重点研究了沉积气压对薄膜的结构、光学和电学特性的影响.实验所获得样品IGZO薄膜的最小电阻率为1.3×10-3Ω·cm.样品在波长500~800 cm的可见光平均透过率为75%～97%.

1实验

实验内容主要是考查在不同磁控溅射压强下对IGZO薄膜的影响.石英玻璃(10 mm×10 mm×0.5 mm)，靶基距50 mm，背底真空度为3×10-4Pa，溅射功率为100 W，氩气气体流量为50 cm3/min，压强分别为0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8 Pa，真空度和气体流量分别由真空计和气体流量计来调节和控制.基底温度为室温.薄膜样品的结构采用D /max-PC2500 X线衍射( Cu Kɑ,K=0.15 406 nm，XRD )进行表征; 并分别使用TU-1901型双光束紫外-可见分光光度计、SDY-4型四探针测试仪、SGC-10型薄膜测厚仪(测量精度<1 nm)测量样品的光学透过率、方块电阻R、厚度l.

2结果与分析

2.1　XRD测试与分析

图1显示的是IGZO薄膜的XRD图.从图1中可以看出测得的XRD图谱中仅在20°~36°不存在尖锐的晶态相衍射峰，而存在弥散的非晶漫射峰，证明样品结构为完全的非晶态，而栅介质多选择非晶态[8].2θ角为20°~60°,可以看出样品的衍射强度较弱,没有明显的衍射峰，但图谱在20°，30°和60°附近出现3个非晶的包络.这一结果与他人有关IGZO薄膜结晶的结果一致[9].并且即使调整不同的生长条件(氩气压强),所得IGZO薄膜样品的XRD图样变化不大,均呈现明显的非晶态.

图1　IGZO薄膜的XRD图谱 Fig.1　XRD spectra of IGZO films

2.2　透射光谱测试

利用双光束紫外分光光度计研究不同溅射沉积气压对IGZO薄膜的透射光谱影响，测量时采用未沉积石英玻璃基片作为参考片，图2给出了由紫外可见分光光度计测出的不同溅射压强下制备的IGZO薄膜的透过率随波长的变化关系，图中8个薄膜样品的溅射压强分别为0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8 Pa.从结果可看出：IGZO薄膜在200~350 nm的紫外波段表现出较强的吸收，但在400～900 nm的可见光波段透过率很高，透射率可达到75%～97%.采用磁控溅射在室温生长的IGZO薄膜具有的无定形结构[9-10]减少了晶界对入射光的瑞利散射，并且平整光滑表面也可以减小入射光的散射影响.

根据图2的数据，光学带隙宽度Eg是通过将α2-hν曲线的线性部分外推得到的(即α2=0时，hν的数值).α是吸收系数，可求得：α=(1/l)ln(1/T)，其中T是薄膜的透过率，l是薄膜的厚度[11].图3给出了溅射压强为0.6 Pa样品的α2-hν曲线.利用Tauc Plot作图法，薄膜的吸收系数α与光子能量hν的关系为

其中，A为常数，hν为光子能量，Eg为光学带隙宽度.将α(hν)2与hν的关系曲线中的线性部分拟合并延长至α(hν)2=0 处，得到的横轴截距就是材料的光学带隙宽度.经计算，IGZO薄膜在0.4~1.8 Pa气压的光学带隙为3.6~3.8 eV，比ZnO光学带隙宽度3.4 eV[12-14]略大.

图2　不同沉积气压下制备的IGZO薄膜光学 透过率随波长的变化曲线 Fig.2　Optical transmittance withthe function of wavelength of IGZO films fabricated under different pressure

图3　吸收系数的平方随光子的能量的变化关系 Fig.3　Square of the absorption coefficient with the function of photon energy

2.3　膜厚、方块电阻及电阻率分析

用SGC-10型薄膜测厚仪测量薄膜的厚度l，用SDY-4型四探针测试仪室温下测量薄膜的方块电阻R□，用公式ρ=R□·l计算薄膜的电阻率[15].图4是生长速率随着沉积压强增加的变化关系.可以看出随着沉积压强增加生长速率在0.4~1.2 Pa逐渐降低，而在1.2~1.8 Pa，又有所升高.众所周知，气体分子平均自由程与气体分子直径和气体压强成反比关系，而与气体的温度成正比关系.在保持气体温度和气体分子直径不变的条件下,随着溅射气体氩气压强的变大,溅射粒子与氩气的碰撞次数也会增多，这样导致粒子能量在碰撞的过程中损失严重，导致溅射粒子到达不了基片或者无力冲破气体吸附层，从而无法形成薄膜，即便勉强冲破气体的吸附层，由于与基片的吸附能很小，因此沉积速率减慢[16].如果继续增加溅射压强,气体分子平均自由程将会减小,溅射粒子与气体分子相互碰撞次数也因此增加,但是二次电子发射将会增强，放电也会加强,导致溅射能力增强,因此，沉积速率再次增大.

图5是电阻率随气体压强的变化关系，由图可以看出，当气压小于1.0 Pa时，薄膜的电阻率呈增加趋势.如果继续增加溅射气压，真空腔室里的Ar粒子也会增多，溅射的粒子与Ar粒子碰撞的机会也会增多，从而平均自由程减小，粒子到达衬底表面的能量变小，载流子的迁移率会降低.此时，薄膜中的缺陷也会增多，各种散射机制增强，最终使得载流子迁移率降低.基于这两点原因，薄膜的导电性能也变差.也有其他报道认为，当溅射气压增大时，薄膜表面的粗糙度会因此变大，而粗糙的表面较易吸附氧原子，这些氧原子又会束缚导带中的电子，导致薄膜的载流子浓度降低[17]，这也是薄膜电阻率上升的主要原因.而当气压增大超过1.2 Pa时,薄膜中出现更多的缺陷，而有些缺陷是参与导电的，导致薄膜的电阻率下降.

图4　IGZO薄膜的生长速率随溅射气压的变化 Fig.4　Dependence of sputtering pressure on the growth rate

图5　IGZO薄膜的电阻率随溅射气压的变化 Fig.5　Dependence of sputtering pressure on the electrical resistivity

3结论

利用射频磁控溅射系统在石英玻璃衬底上制备了非晶态IGZO透明导电薄膜.系统研究了沉积气压对IGZO薄膜结构、电学性能和光学性能的影响.研究结果表明：在0.4~1.2 Pa的沉积功率内，实验制备的IGZO薄膜为非晶薄膜，500~800 nm可见光内，薄膜的透过率达到75%～97%.实验所获得样品In-Ga-Zn-O薄膜的最小电阻率为1.3×10-3Ω·cm.

致谢：感谢中西部综合实力提升工程支持.

参考文献:

[1]HOSONO H, YASUKAWA M, KAWAZOE H． Novel oxide amorphous semiconductors: transparent conducting amorphous oxides[J]. J Non-Cryst Solids,1996, 203: 334-344.

[2]WAGER J F． Amorphous oxide semiconductor thin-film transistors: performance and manufacturability for display applications[J]. Symposium Digest of Techuical Paper,SID, 2009,40(1):181-183.

[3]SATO A, ABE K, HAYASHI R, et al. Amorphous In-Ga-Zn-O coplanar homojunction thin-film transistor[J]. Appl Phys Lett, 2009, 94: 133502-1-133502-3.

[4]LIM W, JANG J H, KIM S H, et al. High performance indium gallium zinc oxide thin film transistors fabricated on polyethylene terephthalate substrates[J]. Appl Phys Lett, 2008, 93: 082102-1-082102-3．

[5]LIM W, DOUGLAS E A, KIM S H, et al. Low-temperature-fabricated InGaZnO4thin film transistors on polyimide clean-room tape[J]. Appl Phys Lett, 2008, 93: 252103-1-252103-3.

[6]JUNG C H, KIM D J, KANG Y K, et al. Transparent amorphous In-Ga-Zn-O thin film as function of various gas flows for TFT applications[J]. Thin Solid Films, 2009,517(14):4078-4081.

[7]SURESHA, GOLLAKOTA P, WELLENIUS P, et al. Transparent, high mobility InGaZnO thin films deposited by PLD[J]. Thin Solid Films, 2008, 516(7): 1326-1329.

[8]武德起，姚金城，赵红生，等.高介电栅介质ZrO2薄膜的物理电学性能[J].河北大学学报：自然科学版，2009，29(5)：484-488，554.

WU Deqi, YAO Jingcheng, ZHAO Hongsheng, et al. Physical and electrical properties of ZrO2gate dielectrics film[J]. Journal of Hebei University: Nature Science Edition, 2009,29(5):484-488,554.

[9]HOFFMAN R L, NORRIS B J, WAGER J F．ZnO-based trans-parent thin-film transistors[J]. Appl Phys Lett, 2003,82(5): 733-735.

[10]JEONG I K, PARK H L, MHO S I, et al. Photoluminescence of ZnGa2O4mixed with InGaZnO4[J]. SolidState Commun,1998,108(11):823-826.

[11]KSAHU R, VISPUTE R D,DHAR S, et al. Enhanced conductivity of pulsed laser deposited n-InGaZn6O9films and its rectifying characteristics with p-SiC[J]. Thin Solid Films,2009,517(5):1829-1832.

[12]KIM H, HORWITZ J S, KIM W H, et al．Doped ZnO thin films as anode materials for organic light emitting diyotes[J]. Thin Solid Films，2002，420-421：539-543.

[13]ZHANG X Y,DHAWAN A,WELLENIUS P, et al. Planar ZnO ultraviolet modulator[J]. Appl Phys Lett,2007,91(7):071107.

[14]杨义发,龙华,杨光，等. 温度对飞秒激光沉积ZnO/Si薄膜的结构和性能的影响[J]. 中国激光,2007,34(9):1282-1286.

YANG Yifa, LONG Hua, YANG Guang, et al. Effect of temperature on structure and properties of femtosecond laser deposited silicon based zinc oxide thin films[J]. Chinese J Laser, 2007, 34(9): 1282-1286.

[15]ABDUEV A K, AKHMEDOV A K, ASVAROV A S．The structural and electrical properties of Ga-doped ZnO and Ga,B co-doped ZnO thin films:The effects of additional boron impurity[J]. Solar Energy Materials, 2007, 91(4):258-260.

[16]KUWAHARA K, FUJIYAMA H.Application of the ChildLangmuir law to magnetron discharge plasmas [J].IEEE Transactions on Plasma Science,1994,22(4):442-448.

[17]许积文, 王华, 任明放,等. 氩气压强对直流磁控溅射ZnO:Al薄膜结构和性能的影响[J].材料科学与工程, 2007, 25(5): 766-767

(责任编辑：孟素兰)