董礼,王明格,张冠张
(1.中国电子科技集团公司第四十三研究所,安徽 合肥 230088;2.北京大学深圳研究生院信息工程学院,广东 深圳 518055)
近年来,氧化物薄膜晶体管(Thin-Film Transistor,TFT)因其均匀性好、透明度高、制作工艺简单等优点而备受关注[1],在新型显示技术领域极具应用前景。相比于传统的非晶硅基薄膜晶体管[2],以非晶铟镓锌氧化物(Amorphous IGZO,a-IGZO)作为有源层[3]的氧化物薄膜晶体管具有载流子迁移率高、关态漏电流低、稳定性较好等优势。基于a-IGZO 的TFT 主要采用背沟道刻蚀BCE(Back-Channel Etch)型结构,制备容易、结构简单、成本低,但器件性能易受外界环境的影响[4],因此常需要添加钝化层来隔绝环境中水氧对器件性能造成的影响。常用的钝化层大致可分为无机材质和有机材质。无机钝化层如SiO2、Si3N4等,隔离效果好,但在高温沉积过程中易对器件造成损伤。有机钝化层如聚酰亚胺(PI)、聚甲基丙酸甲酯(PMMA)等,尽管制备简单,但杂质较多,稳定性较差[5]。随着高分辨率、高速的透明显示产业的发展,对透明TFT 器件[6-7]提出了越来越高的要求。器件的关键性能参数,如载流子迁移率、电流开关比、阈值电压、亚阈值摆幅、光电应力稳定性、光学透明性[8]等仍有较大的提升空间。
已有研究通过优化材料质量与器件结构来改善薄膜晶体管,张立等[9]对a-IGZO TFT 的栅极绝缘层进行等离子体修饰,在退火处理下通过高温烘烤来蒸发杂质,达到提高器件性能的目的;但缺点是效率低,高温会对器件和薄膜造成损伤。通常影响器件性能的主要原因之一是材料和器件中存在缺陷[10],因此需要寻求一种低温高效的工艺优化TFT 的性能,拓展其应用范围。
本研究提出低温超临界流体技术(Supercritical Fluids,SCF)[11],通过超临界修复TFT 各层薄膜材料内的断键,消除材料及界面处缺陷,提升器件的综合性能。超临界流体具有高溶解性和良好的渗透性[12],可以有效地携带所需元素渗透到纳米级结构中,在不破坏其微观结构的前提下修复器件内部和材料中的缺陷[13-14]。目前常用的超临界物质为CO2,CO2的超临界条件温和(31 ℃,7.295 MPa),安全无毒,成本低廉,化学性质稳定[15],对二氧化碳进行利用可缓解温室效应,具有绿色环保的效果。
在传统金属氧化物薄膜晶体管的基础上,本文设计了一种a-IGZO 全透明TFT,选用玻璃基板为衬底,透光性较好的氧化铟锡(ITO) 为电极,二氧化硅(SiO2)为栅介质层,以PMMA 为钝化层来改善器件抗水氧的能力。为了进一步优化器件性能,采用低温环保的超临界流体工艺修复TFT 内的材料和界面缺陷,同时,利用干燥剂吸附副产物促进脱水反应,达到修复悬挂键的目的,进而改善TFT 器件的迁移率、亚阈值摆幅、电流开关比、阈值电压等基本电学特性和光电应力稳定性、光学透明度等。此外,超临界技术的低温条件还能使包括有机PMMA 钝化层在内的各层薄膜材料避免受到高温发生形变[16],与半导体工艺的良好相容性也有利于改善半导体器件性能。
实验制备的全透明薄膜晶体管三维结构如图1 所示。首先,在玻璃衬底上对底电极图形化后溅射生长ITO。然后在300 ℃下,通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)生长200 nm 的栅介质SiO2,再磁控溅射生长40 nm 的IGZO 有源层。在旋涂和光刻胶层图案化后溅射源极和漏极,之后利用反应离子刻蚀(RIE)SiO2层,露出栅电极。最后旋涂650 nm 的PMMA 作为TFT 器件钝化层。
图1 全透明薄膜晶体管三维结构图Fig.1 The 3-D view of transparent thin-film transistor (TFT)
在制备的过程中,器件中材料内部和界面处不可避免会存在缺陷,为了避免传统高温方法对器件的影响,本文采用低温超临界流体技术消除这些缺陷。具体步骤为: 在超临界反应腔中加入5 mL 水和2 g 无水氯化钙CaCl2,通入CO2,以温度60 ℃,压力10.343 MPa 的条件处理1 h,缓慢降温、泄压后取出样品。超临界CO2流体处理是一个完美的闭环系统,可以循环使用,不会产生额外的CO2排放或其他任何有毒物质。
实验选用Agilent B1500A 半导体参数测试仪来测试TFT 器件的电学性能。采用J.A.Woollam M -2000UI 椭偏仪测量了器件中薄膜层的厚度。采用N &K 薄膜分析仪测试在可见光波段(400～ 760 nm)下器件的透光率。采用BRUKER 傅里叶红外光谱仪对超临界处理前后薄膜材料中化学键和官能团进行分析,揭示了器件性能变化的内在机理。
2.1 基本电学特性研究
薄膜晶体管的基本电学特性包括: 转移特性和输出特性。转移特性反应了TFT 的驱动能力,其曲线反应了在栅压控制下漏端电流的大小。实验分别测试了超临界流体处理前后TFT 器件的转移特性,结果如图2(a)所示。
图2 超临界流体处理前后TFT 的(a)转移特性曲线;(b)输出特性曲线Fig.2 The curves of (a) transfer characteristics and (b)output characteristics of TFT before and after supercritical fluids (SCF) treatment
可知,超临界流体处理后器件的阈值电压Vth更趋近于0 V,关态电流Ioff降低,开态电流Ion升高,电流开关比(Ion/Ioff)增加了一个数量级(从6.58×106增至8.22×107)。作为影响器件驱动能力和开关速度的最关键因素,迁移率(μ)是载流子传输效率的体现,常会受到缺陷和杂质的散射,一定程度上反映了器件和材料的品质。迁移率计算公式为:
式中:gm是跨导;Cox是单位面积栅电容;W和L分别是沟道长度和宽度;Vd是漏极电压。超临界流体处理后,器件迁移率从8.57 cm2·V-1·s-1增至10.46 cm2·V-1·s-1。
Id-Vd曲线在亚阈值区的斜率反映了器件的栅控能力,其倒数即亚阈值摆幅(Subthreshold Swing,S.S.),S.S.越小表示栅控能力越强,器件开关特性越好,S.S.的计算公式为:
超临界流体处理后,a-IGZO TFT 的S.S.从451.44 mV/dec 下降至231.56 mV/dec,开关速度显著提高。
表1 总结了超临界流体处理前后TFT 主要参数的变化,器件的基本电学性能(包括阈值电压、迁移率、亚阈值摆幅、开关电流比)在超临界流体处理后得到全面改善。
表1 超临界流体处理前后TFT 主要参数的变化Tab.1 Comparison of the main parameters of TFT devicesbefore and after supercritical fluids treatment
输出特性Id-Vd反映了薄膜晶体管的输出能力和驱动能力,超临界前后的输出特性曲线见图2(b)。Id随Vg的升高而增大。在相同漏极电压和栅极电压下,超临界处理后的驱动电流明显上升,器件的输出驱动能力提高。综上所述,超临界流体处理改善了器件的开关特性、驱动能力和电流开关比,有利于器件在高速、高分辨率、高刷新率显示领域中的应用。
2.2 光电应力稳定性
薄膜晶体管主要用于开关和平板显示,在电应力和光电应力下的稳定性问题尤为值得关注。电应力稳定性是指在长时间栅压应力作用下器件的稳定性,表现为器件特性随着施加应力时间的改变而改变。栅压应力分为正栅压应力(Positive Bias Stress,PBS)和负栅压应力(Negative Bias Stress,NBS)。由于TFT 器件常用于显示领域,光照下的栅压应力更接近于器件工作的实际情况,同时全透明TFT 器件的有源层缺少遮光保护,光照会影响器件的电学特性,因此须考虑施加光照后的光电应力稳定性。光电应力包括正栅压光照应力(Positive Bias Illumination Stress,PBIS)和负栅压光照应力(Negative Bias Illumination Stress,NBIS)[17]。
大部分金属氧化物TFT 在单独施加负栅压下的稳定性良好,源漏电流很小,转移特性几乎不变,而施加正栅压会在有源层与栅介质层的界面产生电荷捕获,造成阈值电压的正向漂移,严重影响器件稳定性。
同样,氧化物TFT 器件在正栅压光照应力下的稳定性较好,而在光照下施加长时间负栅压会产生阈值电压较大的负向漂移。因此,本文以对器件稳定性影响最严重的PBS 和NBIS 为代表,探究了TFT 器件在超临界流体处理前后光电应力稳定性的改善情况。
图3 所示为超临界流体处理前后器件在PBS 下的稳定性,器件转移特性曲线随施加正栅极应力时间的增加而逐渐正向(向右)漂移。选取栅极电压为+30 V,施加不同时间(10,50,100,500,1000,2000,3600 s)。图3(a)显示,超临界处理前器件在正栅压应力下发生了较大的阈值电压漂移,相比而言,图3(b)展示了超临界处理后,在同样的应力条件下,器件阈值电压漂移量减小,转移特性曲线在应力作用下更加稳定。图3(c)提取了超临界处理前后器件在不同应力时间下的阈值电压漂移量,可知超临界后器件的阈值电压漂移量减少10%～25%,器件的电应力稳定性提高。引起阈值电压漂移的主要原因是,在正栅压下,有源层内累积大量电子,被有源层和栅介质层界面的缺陷捕获,形成带负电的固定电荷,阈值电压正向漂移。超临界处理后,这些界面缺陷被修复,阈值电压漂移量减小,器件稳定性得到改善。超临界修复器件缺陷的机理将在下一小节中讨论。
图3 正栅压应力下器件的转移特性曲线。(a)超临界前;(b)超临界后;(c)超临界前后阈值电压漂移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
图4 展示了超临界流体处理前后器件在NBIS 下转移特性的变化,反映了器件的光电应力稳定性。实验中栅极电压设为-30 V,采用的光源波长为525 nm,光子能量(2.36 eV)小于IGZO 的禁带宽度,无跃迁产生。在不同时间的光电应力刺激下,超临界处理后的器件(图4(b))较超临界处理前(图4(a))更加稳定。图4(c)提取了超临界处理前后TFT 在施加不同时间光电刺激后的阈值电压漂移量。刺激2000 s 后,阈值电压负向漂移从超临界前的-1.3 V 改善为超临界后的-0.6 V,表明超临界处理可以显著减小NBIS 下阈值电压漂移,因为超临界工艺消除了器件中大部分的缺陷,由缺陷捕获电荷造成的阈值电压漂移现象得到改善,提升了器件的光电应力稳定性。
图4 负栅压光电应力下器件的转移特性曲线。(a)超临界前;(b)超临界后;(c)超临界前后阈值电压漂移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 光学透明性的改善
通过N &K 薄膜分析仪测试了超临界流体处理前后TFT 器件在可见光波段(400～ 760 nm)的透光率变化(图5)。
图5 器件在超临界处理前后透光率的变化Fig.5 Transmittance of TFT before and after SCF treatment
可以看出,经过超临界处理后,器件中的缺陷得到修复,全透明TFT 在可见光波段400～760 nm 的透光率明显提升,从76%上升至82%,有效提高了器件在透明显示领域的竞争力。
2.4 超临界流体改善TFT 特性的机理
为进一步探究超临界流体处理改善TFT 器件综合性能的内在机理,采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)对超临界处理前后SiO2/IGZO 薄膜的化学键和官能团进行分析,如图6 所示。可明显看出,在1100 cm-1左右的波段范围内Si—O—Si 键的吸收峰显著增加,表明超临界流体渗透进入栅介质层内部,有效修复了Si 的悬挂键。在580 cm-1左右的ZnO 键结的增多,说明IGZO 层中的断键得到修复。FTIR 的结果证明了超临界处理后a-IGZO、SiO2层内部缺陷有效减少,从而优化了TFT 器件的基本电学性能和光电应力稳定性,与前述的电学测量结果一致。
图6 超临界处理前后IGZO/SiO2薄膜的FTIR 图谱Fig.6 FTIR spectra of IGZO/SiO2 layer before and after SCF treatment
超临界流体的高溶解性和高渗透性,使其可以在低温下渗透至器件内部修复缺陷。基于上述电学、光学和材料分析,提出了如图7 所示的超临界反应模型以阐释超临界流体改善器件性能的机理。超临界处理前(图7 左),SiO2层、IGZO 层以及它们的界面处存在悬挂键。超临界CO2具有很强溶解力和渗透能力,可以超临界化H2O,并携带其进入器件材料内部,与器件中原本存在的悬挂键形成键结,相邻的羟基之间进行分子内脱水(图7 中),进而形成新的键结(Si—O—Si,ZnO 等),修复了断键造成的缺陷。同时,预置在反应腔内的CaCl2作为干燥剂可促进分子内脱水反应,形成稳定的化学键(图7 右)。
图7 超临界反应模型图Fig.7 Schematic diagram of SCF reaction mechanism
结合前述的电学分析和材料分析,图7 所描绘的反应模型清楚地表明,在超临界流体处理后,SiO2内部和IGZO 界面处的断键和悬挂键被有效修复,形成稳定的化学键,进而改善了器件的阈值电压、亚阈值摆幅、电流开关比等电学性能,提高了器件的光电应力稳定性和光学透明度。
本文制备了以a-IGZO 为有源层的全透明TFT,对器件进行低温超临界流体处理来修复缺陷,提升器件基本电学性能、光电应力稳定性和光学透明度。在超临界处理后,器件的阈值电压更趋近于0 V,载流子迁移率从8.57 cm2·V-1·s-1增至10.46 cm2·V-1·s-1,亚阈值摆幅从451.44 mV/dec 下降至231.56 mV/dec,电流开关比提升了一个数量级。正栅压应力下和负栅压应力下的阈值电压漂移量在超临界处理后均减小,器件的光电应力稳定性得到有效提升。此外,器件透光率在超临界处理后明显得到改善。通过材料分析发现超临界有效修复了薄膜内的悬挂键和界面缺陷,全面改善了薄膜晶体管的开关特性、驱动能力、电流开关比、光电应力稳定性和光学透明性,拓展了其在全透明显示领域的应用前景,为进一步优化薄膜晶体管性能提供了有效的方法。
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