新型半导体IGZO薄膜生长条件对性能影响的研究进展

1、毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目：新型半导体IGZO薄膜生长条件对性能影响的研究进展姓 名 尤红权 学 号 201000100134 学 院 物理学院 专 业 微电子科学与工程 年 级 2010级 指导教师 罗毅 2014 年 5 月 10 日目 录摘 要3ABSTRUCT4第一章 绪论61.1 引言61.2 IGZO-TFT的研究现状6第二章 IGZO的制备72.1 射频磁控溅射法制备IGZO薄膜原理72.2 溅射条件对IGZO-TFT性能的影响92.2.1 氧含量对IGZO-TFT的影响92.2.2 溅射时间对IGZO性能的影响102.2.3 薄膜厚度对IGZO性能的影响112.2

2、.4 溅射功率对IGZO性能的影响132.3 沟道长度比对IGZO性能的影响13第三章 退火温度对IGZO性能的影响143.1 退火温度对IGZO性能的影响143.2 退火次序对IGZO-TFT性能的影响15第四章 结论15致 谢16参考文献16摘 要的需求，a-Si:H载流子迁移率低的缺点被放大，a-Si:H-TFT已经很难跟上时代的潮流。一种新的薄膜晶体管有源层材料IGZO被人们所发现，IGZO全名是透明非晶氧化物半导体，具有迁移率高，开关比高，良好均一性等优点。作为TFT的重要组成部分，有源层膜的厚度d，质量m，均一性对TFT器件的性能影响很大。所以，本文重点对IGZO生长过程中的各种因

3、素对IGZO-TFT的性能影响作了研究。为了抑制O空位的产生，我们在溅射过程中加入少量的O。将溅射温度设置为200，所制备的IGZO薄膜表面粗糙度低，均一性好。在溅射过程中 我们还发现，IGZO-TFT的性能也会随着溅射功率的变化而产生变化。通过研究，在其他溅射条件相同的情况下，溅射功率为200W时所制备的IGZO薄膜的比同条件下100W所制备薄膜的表面更加平滑完整，而且表面透光率更高。其次，。沟道长度比，退火技术对IGZO的性能也会产生一定的影响。我们对不同沟道长度下的IGZO-TFT性能的分析中发现：IGZO-TFT的性能和沟道宽长比成正比。因此，我们在实际应用中，希望将TFT的沟道宽长比

4、做的越大，但也不能无限制地增大下去，因为当器件中的沟道过小时，IGZO-TFT的性能将不会按照长沟道模式进行变化。退火技术对IGZO的影响也很大。首先，不同的退火次序会影响到IGZO-TFT的性能。我们发现：IGZO薄膜先经过溅射，再在空气中经300，持续30分钟退火，然后制备Ni源漏电极得到的IGZO-TFT迁移率为2.8 ，电流开关比为，阈值电压为10V。但薄膜晶体管制备完成后再在空气中相同条件下热退火，器件的阈值电压为30V，迁移率为0.3，电流开关比为。200退火处理的器件和400处理的迁移率相当。但是，400处理时，IGZO薄膜出现结晶现象，使得薄膜表面因此变得粗糙，阻碍了有源层和源

5、漏电极之间的联系。ABSTRUCTOver the years, the amorphous silicon has been the active layer material of the thin film transistor because of its great property. However, as peoples demand for large-size transparent flexible LCD screen, , a-Si: H has been difficult to keep up with the trend of the times because

6、of its low carrier mobility. People discovered a new active layer material of TFT called IGZO. As an important part of the TFT, the thickness, film quality, uniformity and other factors of the active layer greatly influence the property of TFT devices. Therefore, this article focuses on how various

7、factors in the growth process of IGZO can affect the property of TFT devices.(1) Firstly,it is reviewed that how to make IGZO film by RF magnetron sputtering.We analyze the sputtering gas during sputtering, the sputtering time, the film thickness and sputtering power . In order to suppress the gener

8、ation of oxygen vacancies, we added a small amount of O in the sputtering process.IGZO made at a low temperature (200 ) has the property of low roughness,and good homogeneity. The content of In, Ga, Zn in the IGZO film will change periodically with the sputtering target time during the sputtering pr

9、ocess, which resulting the property of the IGZO-TFTs changing periodically. We still discover that the property of the IGZO-TFT changes with Sputtering power. At the same time, the property of TFT device will be perfect when the thickness of film is 80nm, .(2) Secondly, channel length and the techno

10、logy of annealling will have some impact.on IGZO-TFTs.We need to make the ratio of width to length bigger and bigger as long as property of TFT will change in accordance with long channel mode.The different Order of annealing will affect the property of IGZO-TFTs.We get better IGZO-TFTs by annealing

11、 after spttering with a field-effect mobility of 2.8 , a current on/off ratio of and a threshold voltage of about 10V. At the same time ,It could be coneluded that annealing at 200 was more effeetive than 400 to improve the property of IGZO一TFTs. 第一章 绪论1.1 引言 薄膜晶体管(TFT)是LCD的核心器件之一，LCD的质量很大程度上取决于TFT性

12、能的好坏。研究人员正通过各种不同的方法来提高TFT的性能，包括：改善制备工艺，优化TFT的结构，寻找合适的有源层材料等方法。单晶硅是目前TFT-LCD中晶体管的主要有源层材料。但是随着OLED和柔性显示技术的不断发展，我们需要一种迁移率较高，开关比高，且易制备的有源层半导体材料。非晶硅易制备，但其迁移率较低；多晶硅迁移率较高，但其制备所需温度较高，和不耐高温的衬底材料不相兼容。因此，一种新型的半导体材料透明非晶氧化物半导体被人们所发现。这种材料具有高迁移率，高的光透过率和易制备的优点，在AM-OLED和柔性显示方面存在很大的潜力。1.2 IGZO-TFT的研究现状目前,制备IGZO薄膜的方法主

13、要有磁控溅射法和脉冲激光沉积法。1.磁控溅射法广泛应用于TFT的制备。因为这种方法的制备温度低，薄膜完整，厚度均匀，依附性好，有利于大面积以及柔性材料面板的制备。而且，磁控溅射法还可制备IGZO薄膜，所以厂家无需大面积地改进现有的液晶面板的产线，所以各大厂家和研究机构纷纷展开IGZO-TFT的研究工作。日本的Ayumusato 等人在采用上述的办法常温下制备了非晶IGZO薄膜作为有源层层,溅射的靶材为d=4 inch的多晶IGZO溅射靶,在SiO2衬底上制备了薄膜晶体管。得到的TFT器件电学参数如下：场效应迁移率、阈值电压、电流开关比分别为11,-0.65V, 。实验还表明,当a-IGZO层的

14、厚度超过50nm时,a-IGZO薄膜的电阻率不随厚度的增加而增大。当厚度达到200nm时，薄膜的电阻率仍较低。美国Oregon State University的Hai Q.chiangl等人利用射频磁控溅射的方法,在p-Si的衬底上制备了交错底栅式结构TFT,制备过程中在不同溅射功率(75w,100w和125w)和氧分压(0.5,0.25和0mT0rr)的条件下,并在空气中进行退火(退火温度100至800)。器件的性能已经不随氧分压和溅射功率的变化而变化了。说明退火处理对IGZO-TFT器件性能的影响很大。2脉冲激光沉积法是最近发展起来的一种真空系统下的物理沉积工艺,此工艺是采用光学非接触加

15、热,不会受到空气中杂质的污染,有利于各种薄膜材料的制备,制备材料的化学配比也很容易控制。2004年，Tokyo Institute of Technology的KenjiNomura等人首次成功地采用脉冲激光沉积法,选择IGZO靶材,在室温条件下高分子聚合物上生长出了IGZO薄膜作为TFT的有源层。器件在可见光区的透射率和迁移率分别为80%，10。美国University of Maryland的RanjanK.sahu等人采用脉冲激光沉积法在室温条件下在蓝宝石上沉积了厚度为350nm的IGZO薄膜,薄膜的可见光透过率在80%以上,迁移率达到10。他们还发现,氧气在薄膜的退火过程中能改善薄膜的

16、电导率。北京工业大学的陈江等人按照一定的比例将GaO3,InO3,ZnO的高纯度粉末混合,采用常压固相反应烧结法制备了IGZO陶瓷靶材,并在SiO2上利用脉冲激光沉积法沉积出了IGZO薄膜。同样，所制备的薄膜有较高的可见光透过率,且温度越高时沉积的IGZO薄膜载流子浓度和迁移率更高。第二章 IGZO的制备2.1 射频磁控溅射法制备IGZO薄膜原理 溅射（sputter的定义是：在相对稳定的真空状态下，阴阳极间产生辉光发电现象，极间气体分子离子化而产生带电的电荷，其中的正离子在阴极的负电位的作用下加速运动，撞击阴极上的靶材，将靶材上的原子等粒子溅出，溅出的原子则积于阳极的基板上形成薄膜，因此磁控

17、溅射是一种在高真空条件下形成溅射粒子的过程。 磁控溅射（sputter）的工作原理是：当腔体中的真空度达到Pa时，引入溅射工作气体Ar气，在靶材（阴极）和衬底（阳极）之间加以足够高的直流电场，电子向基板运动，中途与Ar原子发生碰撞，由于电子获得的能量足够高，碰撞后Ar原子电离出Ar离子和一个新的电子（二次电子）。Ar离子在负电位作用下加速向靶材（阴极）运动，同样，Ar离子在强电场中获得极高的能量，从而高速轰击靶材表面，将靶材表面的物质以分子或分子团的形式溅射出来并在电场力的作用下飞向阳极衬底。当在腔体中加入反应气体（如）时，溅射过程中所产生的带电粒子基团会和反应气体反应，从而使溅射薄膜的化学成

18、分发生改变。磁控溅射又分为直流溅射和射频溅射两种。  Ar离子轰击产生的二次电子脱离靶材表面后，就会在电场和磁场的组合场中运动。靶材与极板之间的区域分为阴极暗区和负辉区。阴极暗区里只有电场部分，所以电子会在场区内受电场力加速。负辉区里仅分布磁场，经电场加速后的二次电子会在磁场中受洛伦兹力作用。于是，二次电子脱离溅射靶材后，首先在阴极暗区里分布的电场中加速运动，以一定速度和角度飞进负辉区。进入负辉区的电子因为具有一定速度，在洛伦兹力的作用下作圆周运动。电子在磁场B 洛仑兹力的作用下绕磁力线作圆周运动。电子运动半个周期后，再次进入阴极暗区，在电场作用下减速。当电子速度降到零时，电子刚好到达靶材表面。 图2.1 溅射原理图2.2 溅射条件对IGZO-TFT性能的影响2.2.1 氧含量对IGZO-TFT的影响 2.2.2 溅射时间对IGZO性能的影响图2.3 器件的迁移率随溅射时间的关系 图2.4 不同时期溅射的 IGZO薄膜的 XPS 图2.2.3 薄膜厚度对IGZO性能的影响 2.2.4 溅射功率对IGZO性能的影响 在制备IGZO薄膜时， 2.3 沟道长度比对IGZO性能的影响第三章 退火温度对IGZO性能的影