高性能金属铟镓锌氧化物TFT的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京大学微电子学研究院 作者:刘 翔

  在2.5G试验线上研究了金属氧化物IGZO薄膜晶体管(TFT)的性能,获得良好的IGZOTFT性能,迁移率为10.65cm2/V.s,阈值电压Vth为-1.5V,开态电流为1.58×10-4A,关态电流为3.0×10-12,开关比为5.27×107,亚阈值摆幅为0.44V/Dev,验证了TFT的均一性和重复性。此外还研究了可见光照和电压偏应力对IGZOTFT性能的影响,可见光照不会促使IGZOTFTVth的漂移,进行2h的负偏电压应力测试,IGZOTFT的Vth几乎没有漂移。使用上述IGZOTFT基板成功地制作了中国大陆第一款Oxide-LCD样机(18.5英寸),展现出良好的效果。

  金属氧化物薄膜晶体管(TFT)具有高的迁移率,适合大面积成膜,与现在非晶硅薄膜晶体管生产产线设备兼容性好,可以更好地满足大尺寸液晶显示器和有源有机电致发光的需求,成为最近年研究热点。金属氧化物TFT与非晶硅TFT和多晶硅TFT性能对比如表1所示,金属氧化物TFT与多晶硅TFT相比,其制作温度低,工艺简单、成本低,更为关键的是克服了多晶硅薄膜大面积成膜均一性不好的缺点,尽管其迁移率没有多晶硅高,目前迁移率可以达到10~30cm2/V.s,可以满足未来几年内平板显示对迁移率的需求,随着新材料研究开发,金属氧化物TFT的迁移率可以达到30cm2/V.s以上,可以很好地满足未来平板显示技术对高迁移率的需求,因此可以成为大尺寸有源有机电致发光显示器件的替代技术。金属氧化物TFT与非晶硅TFT相比,其迁移率高,至少是非晶硅TFT迁移率的10倍以上,金属氧化物TFT性能好,可靠性高,与现有非晶硅TFT设备的兼容性好,有利于现有设备的改造升级,是未来非晶硅TFT很好的升级或者替代技术。

表1 非晶硅、多晶硅及非晶IGZO TFT性能对比

非晶硅、多晶硅及非晶IGZO TFT性能对比

  目前研究所最热的、技术最成熟的金属氧化物TFT是金属铟镓锌氧化物TFT,2012年日本的夏普金属氧化物IGZO-LCD已经上市,2013年韩国L.G公司在美国CES上展出55英寸IGZOAM-OLED,进一步推动了金属氧化物IGZO TFT的发展和应用。由于金属氧化物TFT属于宽禁带半导体,其禁带宽度比较高,一般在3.0~3.5eV之间,对可见光的透过率很高,在透明显示领域有着良好的应用前景。此外,由于金属氧化物半导体展现出良好的弯曲性能,在柔性显示领域有着很好应用潜能,可见金属氧化物TFT是新兴的、具有非常广泛应用前景的半导体显示技术。

1、实验和结果

  目前制作非晶硅TFT一般采用底栅背沟道刻蚀的四次光刻阵列工艺,由于金属氧化物半导体层IGZO非常容易被H3PO4或者H2O2刻蚀掉,在使用非晶硅TFT的制作构图工艺形成源漏金属层图案时,源漏金属层H3PO4或者H2O2的刻蚀液容易把金属氧化物半导体层IGZO腐蚀掉,因此本实验采用底栅刻蚀阻挡层的结构,有效地解决上述问题。其制作工艺流程如图1所示。通过第一次光刻工艺形成栅电极及栅极扫描线;通过第二光刻形成金属氧化物半导体层IGZO;通过第三次光刻工艺形成刻蚀阻挡层;通过第四次光刻形成源漏电极及数据扫描线;通过第五次光刻工艺形成钝化层及接触过孔;通过第六次光刻工艺形成透明像素电极。

IGZO TFT工艺流程

图1 IGZO TFT工艺流程

  按照上述工艺流程在京东方技术研发中心2.5G试验线上完成整个TFT制作,进行IGZO TFT的电学特性测试,在370mm×470mm的玻璃基板上测试10个点,得到IGZO TFT电学特性曲线如图2所示:迁移率为:10.65cm2/V.s,阈值电压Vth为-1.5V,开态电流为1.58×10-4 A,关态电流为3.0×10-12,开关比为5.27×107,亚阈值摆幅为0.44V/Dev,展现出优异的电学性能,迁移率几乎是非晶硅TFT的20倍,开态电流约为非晶硅TFT的100倍。上述非晶IGZO TFT的宽长比设计为W/L=9/9,进行多次测试,得到I-V曲线与图2相同,获得很好的重复性。

2、实验分析

  实验数据表明本论文开发的IGZOTFT表现出良好的电学性能,适应用于下一代平板显示。金属氧化物IGZOTFT的迁移率达到10.65cm2/V.s,是非晶硅TFT的20倍,可以满足高驱动频率、高分辨率及高集成显示技术的需求。开态电流几乎是非晶硅TFT的100倍,大幅度提高充电效率,可以减小TFT的尺寸,从而提高开口率。关态电流比非晶硅降低了1/100,可以更好地维持电容存储的电压,降低功耗。图2展示的良好的TFT均一性,在215G试验线上进行多次验证,结果表明开发的该IGZOTFT具有很好的重复性,适合进行大面积、高迁移率TFT的量产。

  图3所示金属氧化物IGZO TFT表现出良好的光照性能,在光照的条件下,IGZO TFT的Vth几乎没有发生漂移。这主要是因为半导体层IGZO是宽禁带半导体,禁带宽度在3.0~3.5eV,可见光产生的能量低于3.0eV,很难把价带的电子激发到导带中,产生光生载流子,也进一步说明了本实验沉积出高质量的IGZO薄膜,形成好的接触界面,避免在导带和禁带之间产生太多的缺陷态和捕获陷阱。图4的结果表明金属氧化物IGZOTFT获得很好的栅压应力测试性能,进行负栅压应力测试时TFT的Vth几乎没有漂移,进行正栅电压应力测试时TFT只有少量的漂移,其漂移程度远好于非晶硅。

  在IGZO半导体层及其接触的界面存在缺陷或杂质,导致在导带和禁带之间产生太多的缺陷态和捕获陷阱,捕获一定的电荷,在电压偏应力测试时,在电场的激发下捕获的电荷被激发到导带中,导致TFTI-V的Vth发生漂移。上述的结果表明,本实验很好地控制IGZO半导体层及其接触界面的缺陷及其杂志的产生,获得高性能IGZOTFT的特性。

3、结论

  使用刻蚀阻挡层结构制作IGZO TFT可以很好地解决形成源漏金属电极时对IGZO半导体层的腐蚀。本论文获得了很好的IGZO TFT特性,迁移率达到10.65cm2/V.s,约是非晶硅TFT的20倍。IGZO TFT在可见光照射下非常稳定,Vth不会发生漂移。IGZO TFT展现出良好的栅压偏应力性能,进行2h负栅压偏应力测试,IGZO TFT的Vth几乎没有漂移。本实验验证了IGZO TFT均一性和重复性,并制作出中国大陆首款Oxide-LCD样机(1815inchHD),展示出良好的显示性能。

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