氧分压对直流磁控溅射IGZO薄膜特性的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室 作者:李玲

  在室温下,利用直流磁控反应溅射法分别在硅片和石英玻璃上制备IGZO 薄膜。通过控制溅射时氧分压的不同,研究其制备IGZO 薄膜的微结构、表面形貌及其元素结合能及电学与光学特性。结果表明,在不同的氧分压下,薄膜始终保持稳定的非晶结构,并且在可见光区域的透光率超过80%。随着氧分压的增加,薄膜的表面粗糙度增加,沉积速率下降。通过X 射线光电子谱分析随氧分压的增大,氧空位的增加,从而引起薄膜的电阻率增大,光学禁带宽度逐渐由3.58 减小到3.50eV。氧分压是磁控溅射IGZO薄膜的关键因素。

  近年来,大尺寸、高画质、高分辨率及有机和柔性显示技术的发展,使得下一代的平板显示技术对薄膜晶体管(TFTs) 驱动电路的性能提出了更高的要求。现有的以非晶硅薄膜晶体管和多晶硅的薄膜晶体管的迁移率和均匀性很难满足上述所有需求。2004 年,Nomura 等第一次在Nature 上发表非晶氧化物薄膜晶体管即a-IGZO TFT,这种具有较高的电子迁移率、均一性好、透明度高并且低温工艺可以实现的半导体材料,引起了广大的国内外研究机构的兴趣。非晶氧化铟、氧化镓、氧化锌( a-IGZO) 其TFTs 迁移率高、均一性好、透明、制作工艺简单,非常适于下一代平板显示技术的高画质、高分辨率及有机和柔性显示的驱动技术。很多研究机构通过磁控溅射、激光脉冲沉积或溶液法等工艺制备a-IGZO TFT 器件并进行了多方面的研究。磁控溅射由于具有成膜质量高、工艺简单且适合于大面积生长等优点,成为最具潜力的薄膜制备技术。磁控溅射生长IGZO薄膜在国内外文献中有诸多报道,大多是研究TFT 特性与氧含量、溅射功率、退火等工艺参数关系,而对于IGZO 薄膜本身特性的研究报道较少。文章中采用直流磁控溅射技术,在室温下通过改变氧分压的工艺条件制备了IGZO 薄膜,系统性的分析了氧分压对薄膜的物相结构、表面形貌、元素结合能及电学与光学等特性的影响。

  1、实验

  采用直流磁控溅射技术在室温下分别在石英玻璃和有300 nm 热氧化SiO2的n-Si(100) 衬底上沉积IGZO薄膜。溅射工作气体和工艺气体为Ar 和O2,纯度为99.999%。靶材尺寸为直径50.8 mm,厚度为3 mm,成分In2O3,Ga2O3,ZnO 摩尔比为1:1:1,纯度为99.99%。溅射时的本底真空度高于10-4 Pa,工作气压为0. 05 Pa,并调节氧气分压[O2/(Ar+ O2) ]的比例分别为0,2%,5%,8%,溅射功率为30 W。正式溅射前,首先进行15 min 的预溅射以移除靶材表面的污染,保持正式溅射时间为50 min,制备IGZO 薄膜样品。用X 射线衍射( XRD-7000 型) 仪分析薄膜的物相结构,原子力显微镜( AFM,Veeco-diInnova) 分析表面形貌及粗糙度。X 射线光电子能谱仪( XPS,KAlpha型) 分析薄膜元素的结合能变化,紫外可见光分光光度计(VU-IR,Hitachi U4100) 分析材料的光学特性,薄膜厚度由DEKTAK 6M 探针式轮廓仪测得,采用四探针测试仪(D41-11D/ZM) 分析材料的电阻率特性。

  2、结论

  本文采用直流反应溅射法在不同的氧分压条件下室温制备IGZO薄膜。通过对IGZO薄膜的微结构和表面形貌分析可得出,薄膜为非晶结构,薄膜的表面错糙度随氧分压的增加而增大,当氧分压为8%时,最大RMS 为0.305 nm。氧分压影响了薄膜中氧元素的结合能的变化,当氧分压增加时,O1s 结合能降低,薄膜中氧空位减少,从而引起载流子浓度降低,薄膜的导电特性减弱,电阻率增加,并且光学带隙受到影响而减小。但薄膜在可见光区域内的透光率均超过80%。可以得出,在较低的氧分压下,可以获得导电性能良好的高质量的透明的IGZO 薄膜。

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