高锦成，李正亮，曹占锋，姚 琪，关 峰，惠官宝

(京东方科技集团股份有限公司,北京 100176)



非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管关键工艺研究

高锦成，李正亮，曹占锋，姚 琪，关 峰，惠官宝

(京东方科技集团股份有限公司,北京 100176)

为优化金属氧化物薄膜晶体管(IGZO-TFT)的特性，采用射频磁控溅射法沉积IGZO薄膜作为半导体活性层，制备出具有刻蚀阻挡层(Etch stop layer,ESL)结构的IGZO TFT，在2.5 G试验线上研究了IGZO沉积过程中O2浓度、IGZO沉积后N2O等离子体处理、ESL的制备温度和ESL沉积过程中N2O/SiH4的比例等关键工艺条件对IGZO TFT的阈值电压(Vth)的影响。实验结果表明：IGZO沉积过程中O2浓度的增加、IGZO沉积后N2O等离子体处理和ESL制备温度的降低会导致IGZO TFT的Vth正偏移。

铟镓锌氧化物薄膜晶体管； 刻蚀阻挡层； N2O等离子体； 阈值电压

1 引 言

近年来，金属氧化物因具有更高的电子迁移率[1-2]而得到平板显示业界的广泛关注和深入开发。非晶氧化铟镓锌薄膜晶体管(a-IGZO TFT)是当前最具产业化潜力的金属氧化物TFT 技术之一。

然而，IGZO TFT仍然存在许多问题需要解决，如稳定性和可靠性等[3]。TFT 的阈值电压(Vth)漂移是其中的主要问题之一。TFT 的Vth是使半导体表面产生反型层(即沟道)时所需要加载的栅极电压。当TFT暴露在背光源的辐射时，光激发电子从价带跃迁至禁带中的电子陷阱，电子被束缚在陷阱中，而空穴在负栅极偏压的作用下被转移到沟道与绝缘层界面处的陷阱中，因而产生阈值电压的负方向偏移。栅极驱动器集成在玻璃基板技术(Gate driver on Array, GOA)可以省掉Gate IC，从而降低成本，同时没有Gate IC邦定工艺，会提高面板模组的良率，越来越被面板厂商应用到各种面板产品上。通常都设计GOA在VGS=0 V时为关态状态[4-5]，那么VGS=0 V时的电流为GOA实际工作的Ioff。如果Vth向负方向偏移，当施加0 V的栅极电压时，就会产生较大的漏电流，从而导致电学信号衰减和显示品质的下降。

本文通过优化IGZO沉积过程中O2浓度、IGZO沉积后N2O等离子体处理、ESL的制备温度和ESL沉积过程中N2O/SiH4的比例等关键工艺，使得半导体表面表现为反型层，控制TFT 器件的工作方式由耗尽型向增强型转变，从而保证IGZO TFT具有正的初始Vth。

2 试 验

实验使用康宁玻璃作为基板，首先采用磁控溅射方法沉积Al/Mo作为栅电极，厚度分别为200 nm/20 nm。然后在PECVD系统中沉积SiO2作为栅极绝缘层，厚度为300 nm。有源层InGaZnO薄膜采用射频磁控溅射方法在常温下制备，厚度为40 nm，实验所用的靶材为InGaZnO(n(In)∶n(Ga)∶n(Zn) = 1∶1∶1)，溅射功率为6 kW，保持Ar流量为50 sccm，调节氧气流量为总流量的20%、30%和40%。接着采用SiH4和N2O作为前驱体PECVD方法制备SiO2沟道保护层，厚度250 nm，射频功率为800 W，腔室压强为1500 mTorr，SiH4和N2O的流量分别为50 sccm和2000 sccm，沉积温度为170 ℃。源漏电极为Al/Mo，采用磁控溅射方式沉积，厚度分别为200 nm/20 nm。IGZO TFT的沟道宽度和长度分别为4 μm和7 μm。最后，器件制备完成后对器件进行退火，在空气条件下，温度为250 ℃退火时间为30 min。TFT的I-V特性采用Agilent电学测试系统测得。所有的测试都是在室温、暗室中进行的。

3 结果与讨论

3.1 O2浓度对初始Vth的影响

图1为不同O2浓度对初始Vth的影响结果，随着O2浓度从20%增加到40%，TFT的初始Vth从0.62 V增加至1.17 V。a-IGZO薄膜载流子传输特性的相关研究表面[2]，其迁移率随自由电子密度增加而升高，因而材料中载流子浓度决定着材料的导电特性，进而影响TFT器件的电学特性。在IGZO沉积过程中，氧浓度越大，IGZO薄膜中的氧含量就越多。IGZO中的氧原子与电子可以以下面形式相结合：O+e-→O-，束缚导带中的电子，因此随着氧分压的增加，沟道IGZO薄膜中的载流子数量就会减少[6]，并且器件由耗尽型转变为增强型。另一方面，随着O2浓度的增加，a-IGZO靶材表面的氧化增强以及Ar分压的降低，沉积速率会降低，薄膜中缺陷减小，从而载流子浓度降低[7]。因而需要更高的栅极电压来开启IGZO TFT，即Vth向正方向偏移。

图1 氧浓度对IGZO TFT Vth的影响Fig.1 Dependence of the Vth of IGZO TFT on O2concentration

图2 N2O等离子体处理对初始Vth的影响Fig.2 Dependence of the Vth of IGZO TFT on N2O plasma treatment

3.2 N2O等离子体处理对初始Vth的影响

图2为N2O等离子体对IGZO沟道处理对TFTVth的影响结果。没有用N2O等离子体处理的TFTVth为1.39 V，使用N2O等离子体处理后的TFTVth正偏移至2.38 V。制备SiO2刻蚀阻挡层的气体为SiH4、N2O和N2，SiH4解离产生的H会扩散到IGZO中形成缺陷。H是n型氧化物半导体材料的施主，会使IGZO导体化。在SiO2刻蚀阻挡层制备之前，使用N2O等离子体对IGZO有源层处理，可以在IGZO的背沟道表面形成一层富氧层，增加氧原子和金属原子之间的键合，如Zn-O的浓度和强度，可以有效地降低后续SiO2钝化层制备时造成的缺陷[8]。N2O的生成焓为1.73 eV，O2的生成焓为4.13 eV，解离O2需要更高的射频功率，更高的射频功率可能会对IGZO薄膜造成损伤，从而会影响IGZO TFT的稳定性[9]。这表明N2O等离子体处理，可以提高IGZO薄膜表面的金属原子和氧原子键强度，从而阻止SiO2制备工艺时缺陷的生成。

3.3 ESL沉积温度对初始Vth的影响

图3为IGZO TFTVth随ESL沉积温度的变化趋势。ESL沉积温度从170 ℃上升至210 ℃，Vth从0.1 V负偏移至-1.2 V。在沉积ESL时，IGZO表面没有任何保护，薄膜的材料特性容易受到外界环境如温度、气氛的影响，从而影响器件的特性[10]。氧化物半导体材料中的自由电子主要是由于氧空位的形成而产生。在IGZO薄膜的制备过程中，随着基板温度的升高，IGZO中的氧原子受到热能激发，容易离开初始位置，移动到材料的间隙位置，从而形成氧空位，相应地在原来位置产生自由电子而形成缺陷，因而导致Vth的负偏移[11]。

图3 ESL沉积温度对初始Vth的影响Fig.3 Dependence of the Vth of IGZO TFT on ESL deposition temperature

图4 N2O/SiH4的比例对初始Vth的影响Fig.4 Dependence of the Vth of IGZO TFT on the ratio of N2O/SiH4

3.4 N2O/SiH4的比例对初始Vth的影响

最后，我们研究了ESL沉积时的N2O/SiH4的比例对初始Vth的影响。我们预测，随着N2O比例的增加，ESL薄膜中的氧含量会增加，在后续的退火工序中氧原子会从ESL扩散到IGZO中，富氧的ESL会提供更多的氧原子，因而相应的器件的Vth将会正偏移。然而，实验结果表明，如图4所示，随着N2O比例的增加，Vth几乎没有发生变化。这表明从ESL向IGZO扩散的氧对IGZO TFT的特性的影响可以忽略。

4 结 论

研究了不同工艺条件对IGZO TFT的初始Vth的影响。在IGZO沉积过程中，随着氧浓度的增加，初始Vth向正方向偏移。N2O等离子体处理和降低ESL的沉积温度，同样可以使Vth向正方向偏移。通过优化不同的工艺条件，可以制备初始Vth处于正方向的IGZO TFT。正方向的Vth有利于GOA的设计，但器件在BTS的稳定性对于GOA也非常重要。因此必须开发同时满足Vth为正值，又能保证BTS的稳定性的氧化物TFT，才可以将GOA技术应用于平板显示中。

[1] Kamiya T,Nomura K,Hosono H.Present status of amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors[J].Sci.Technol.Adv.Mater.,2010,11(4):044305-1-6.

[2] Park S J,Maen W J,Kim H S,et al.Review of recent developments in amorphous oxide semiconductor thin film transistor devices[J].Thin.Solid.Films.,2012,520(6):1679-1693.

[3] Suresh A,Muth J F.Bias stress stability of indium gallium zinc oxide channel based transparent thin film transistors[J].Appl.Phys.Lett.,2008,92(3):033502-1-3.

[4] Lin C L,Cheng M H,Tu C D,et al.Highly reliable integrated gate driver circuit for large TFT-LCD Applications[J].IEEEElectron.Dev.Lett.,2012,33(5):679-681.

[5] Bae B S,Choi J W,Oh J H,et al.Level shifter embedded in drive circuits with amorphous silicon TFTs[J].IEEETrans.Electron.Dev.,2006,53(3):494-498.

[6] 刘媛媛, 童 杨, 王雪霞, 等.氧分压对铟镓锌氧化物薄膜晶体管性能的影响[J].人工晶体学报,2014,43(12):3108-3112

[7] Kwon S,Noh J H,Noh J,et al.Quantitative calculation of oxygen incorporation in sputtered IGZO films and the impact on transistor properties[J].J.Electrochem.Soc.,2011,158:H289-H293

[8] Hsieh T Y,Chang T C,Chen T C,et al.Effect of N2O plasma treatment on the improvement of instability under light illumination for InGaZnO thin-film transistors[J].Thin.Solid.Films.,2011,520(5):1427-1431.

[9] Park J C,Ahn S E,Lee H N.High performance low-cost back-channel-etch amorphous gallium-indium-zinc oxide thin-film transistors by curing and passivation of the damaged back channel[J].ACSAppl.Mater.Interf.,2013,5(23):12262-12267.

[10] Kang D H,Lim H,Kim C J,et al.Amorphous gallium indium zinc oxide thin film transistors:sensitive to oxygen molecules[J].Appl.Phys.Lett.,2007, 90(19):192101-1-3.

[11] Jhu J C,Chang T C.Reduction of defect formation in amorphous indium-gallium-zinc-oxide thin film transistors by N2O plasma treatment [J].J.Appl.Phys.,2013,114(20):204501-1-4.

Key Process Research of Indium Gallium Zinc Oxide Thin Film Transistor with Etch Stop Layer

GAOJin-cheng,LIZheng-liang,CAOZhan-feng,YAOQi,GUANFeng,HUIGuan-bao

(BOE Technology Group Co. Ltd.,Beijing 100176,China)

In order to improve the performance of Indium Gallium Zinc Oxide Thin Film Transistor, IGZO-TFT with etch-stop layer was prepared in 2.5 G experimental line. The effects of O2concentration during IGZO deposition, N2O plasma treatment, the temperature of ESL deposition and the N2O/SiH4ratio on the IGZO TFTVthwere systemically studied. The results show that theVthwould shift to positive position as the increasing of O2concentration, N2O plasma treatment, and the decreasing of ESL deposition temperature.

IGZO TFT;etch stop layer;N2O plasma;threshold voltage

高锦成 (1982-)，男，硕士.主要从事薄膜晶体管的研究.

TN304

A

1001-1625(2016)09-2946-04