新型半導(dǎo)體IGZO薄膜生長(zhǎng)條件對(duì)性能影響的研究進(jìn)展

1、畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）論文（設(shè)計(jì)）題目：新型半導(dǎo)體IGZO薄膜生長(zhǎng)條件對(duì)性能影響的研究進(jìn)展姓 名 尤紅權(quán) 學(xué) 號(hào) 201000100134 學(xué) 院 物理學(xué)院 專 業(yè) 微電子科學(xué)與工程 年 級(jí) 2010級(jí) 指導(dǎo)教師 羅毅 2014 年 5 月 10 日目 錄摘 要3ABSTRUCT4第一章 緒論61.1 引言61.2 IGZO-TFT的研究現(xiàn)狀6第二章 IGZO的制備72.1 射頻磁控濺射法制備IGZO薄膜原理72.2 濺射條件對(duì)IGZO-TFT性能的影響92.2.1 氧含量對(duì)IGZO-TFT的影響92.2.2 濺射時(shí)間對(duì)IGZO性能的影響102.2.3 薄膜厚度對(duì)IGZO性能的影響112.2

2、.4 濺射功率對(duì)IGZO性能的影響132.3 溝道長(zhǎng)度比對(duì)IGZO性能的影響13第三章 退火溫度對(duì)IGZO性能的影響143.1 退火溫度對(duì)IGZO性能的影響143.2 退火次序?qū)GZO-TFT性能的影響15第四章 結(jié)論15致 謝16參考文獻(xiàn)16摘 要的需求，a-Si:H載流子遷移率低的缺點(diǎn)被放大，a-Si:H-TFT已經(jīng)很難跟上時(shí)代的潮流。一種新的薄膜晶體管有源層材料IGZO被人們所發(fā)現(xiàn)，IGZO全名是透明非晶氧化物半導(dǎo)體，具有遷移率高，開關(guān)比高，良好均一性等優(yōu)點(diǎn)。作為TFT的重要組成部分，有源層膜的厚度d，質(zhì)量m，均一性對(duì)TFT器件的性能影響很大。所以，本文重點(diǎn)對(duì)IGZO生長(zhǎng)過程中的各種因

3、素對(duì)IGZO-TFT的性能影響作了研究。為了抑制O空位的產(chǎn)生，我們?cè)跒R射過程中加入少量的O。將濺射溫度設(shè)置為200，所制備的IGZO薄膜表面粗糙度低，均一性好。在濺射過程中 我們還發(fā)現(xiàn)，IGZO-TFT的性能也會(huì)隨著濺射功率的變化而產(chǎn)生變化。通過研究，在其他濺射條件相同的情況下，濺射功率為200W時(shí)所制備的IGZO薄膜的比同條件下100W所制備薄膜的表面更加平滑完整，而且表面透光率更高。其次，。溝道長(zhǎng)度比，退火技術(shù)對(duì)IGZO的性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。我們對(duì)不同溝道長(zhǎng)度下的IGZO-TFT性能的分析中發(fā)現(xiàn)：IGZO-TFT的性能和溝道寬長(zhǎng)比成正比。因此，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，希望將TFT的溝道寬長(zhǎng)比

4、做的越大，但也不能無限制地增大下去，因?yàn)楫?dāng)器件中的溝道過小時(shí)，IGZO-TFT的性能將不會(huì)按照長(zhǎng)溝道模式進(jìn)行變化。退火技術(shù)對(duì)IGZO的影響也很大。首先，不同的退火次序會(huì)影響到IGZO-TFT的性能。我們發(fā)現(xiàn)：IGZO薄膜先經(jīng)過濺射，再在空氣中經(jīng)300，持續(xù)30分鐘退火，然后制備Ni源漏電極得到的IGZO-TFT遷移率為2.8 ，電流開關(guān)比為，閾值電壓為10V。但薄膜晶體管制備完成后再在空氣中相同條件下熱退火，器件的閾值電壓為30V，遷移率為0.3，電流開關(guān)比為。200退火處理的器件和400處理的遷移率相當(dāng)。但是，400處理時(shí)，IGZO薄膜出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，使得薄膜表面因此變得粗糙，阻礙了有源層和源

5、漏電極之間的聯(lián)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 緒論1.1 引言 薄膜晶體管(TFT)是LCD的核心器件之一，LCD的質(zhì)量很大程度上取決于TFT性

12、能的好壞。研究人員正通過各種不同的方法來提高TFT的性能，包括：改善制備工藝，優(yōu)化TFT的結(jié)構(gòu)，尋找合適的有源層材料等方法。單晶硅是目前TFT-LCD中晶體管的主要有源層材料。但是隨著OLED和柔性顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，我們需要一種遷移率較高，開關(guān)比高，且易制備的有源層半導(dǎo)體材料。非晶硅易制備，但其遷移率較低；多晶硅遷移率較高，但其制備所需溫度較高，和不耐高溫的襯底材料不相兼容。因此，一種新型的半導(dǎo)體材料透明非晶氧化物半導(dǎo)體被人們所發(fā)現(xiàn)。這種材料具有高遷移率，高的光透過率和易制備的優(yōu)點(diǎn)，在AM-OLED和柔性顯示方面存在很大的潛力。1.2 IGZO-TFT的研究現(xiàn)狀目前,制備IGZO薄膜的方法主

13、要有磁控濺射法和脈沖激光沉積法。1.磁控濺射法廣泛應(yīng)用于TFT的制備。因?yàn)檫@種方法的制備溫度低，薄膜完整，厚度均勻，依附性好，有利于大面積以及柔性材料面板的制備。而且，磁控濺射法還可制備IGZO薄膜，所以廠家無需大面積地改進(jìn)現(xiàn)有的液晶面板的產(chǎn)線，所以各大廠家和研究機(jī)構(gòu)紛紛展開IGZO-TFT的研究工作。日本的Ayumusato 等人在采用上述的辦法常溫下制備了非晶IGZO薄膜作為有源層層,濺射的靶材為d=4 inch的多晶IGZO濺射靶,在SiO2襯底上制備了薄膜晶體管。得到的TFT器件電學(xué)參數(shù)如下：場(chǎng)效應(yīng)遷移率、閾值電壓、電流開關(guān)比分別為11,-0.65V, 。實(shí)驗(yàn)還表明,當(dāng)a-IGZO層的

14、厚度超過50nm時(shí),a-IGZO薄膜的電阻率不隨厚度的增加而增大。當(dāng)厚度達(dá)到200nm時(shí)，薄膜的電阻率仍較低。美國Oregon State University的Hai Q.chiangl等人利用射頻磁控濺射的方法,在p-Si的襯底上制備了交錯(cuò)底柵式結(jié)構(gòu)TFT,制備過程中在不同濺射功率(75w,100w和125w)和氧分壓(0.5,0.25和0mT0rr)的條件下,并在空氣中進(jìn)行退火(退火溫度100至800)。器件的性能已經(jīng)不隨氧分壓和濺射功率的變化而變化了。說明退火處理對(duì)IGZO-TFT器件性能的影響很大。2脈沖激光沉積法是最近發(fā)展起來的一種真空系統(tǒng)下的物理沉積工藝,此工藝是采用光學(xué)非接觸加

15、熱,不會(huì)受到空氣中雜質(zhì)的污染,有利于各種薄膜材料的制備,制備材料的化學(xué)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脈沖激光沉積法,選擇IGZO靶材,在室溫條件下高分子聚合物上生長(zhǎng)出了IGZO薄膜作為TFT的有源層。器件在可見光區(qū)的透射率和遷移率分別為80%，10。美國University of Maryland的RanjanK.sahu等人采用脈沖激光沉積法在室溫條件下在藍(lán)寶石上沉積了厚度為350nm的IGZO薄膜,薄膜的可見光透過率在80%以上,遷移率達(dá)到10。他們還發(fā)現(xiàn),氧氣在薄膜的退火過程中能改善薄膜的

16、電導(dǎo)率。北京工業(yè)大學(xué)的陳江等人按照一定的比例將GaO3,InO3,ZnO的高純度粉末混合,采用常壓固相反應(yīng)燒結(jié)法制備了IGZO陶瓷靶材,并在SiO2上利用脈沖激光沉積法沉積出了IGZO薄膜。同樣，所制備的薄膜有較高的可見光透過率,且溫度越高時(shí)沉積的IGZO薄膜載流子濃度和遷移率更高。第二章 IGZO的制備2.1 射頻磁控濺射法制備IGZO薄膜原理 濺射（sputter的定義是：在相對(duì)穩(wěn)定的真空狀態(tài)下，陰陽極間產(chǎn)生輝光發(fā)電現(xiàn)象，極間氣體分子離子化而產(chǎn)生帶電的電荷，其中的正離子在陰極的負(fù)電位的作用下加速運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極上的靶材，將靶材上的原子等粒子濺出，濺出的原子則積于陽極的基板上形成薄膜，因此磁控

17、濺射是一種在高真空條件下形成濺射粒子的過程。 磁控濺射（sputter）的工作原理是：當(dāng)腔體中的真空度達(dá)到Pa時(shí)，引入濺射工作氣體Ar氣，在靶材（陰極）和襯底（陽極）之間加以足夠高的直流電場(chǎng)，電子向基板運(yùn)動(dòng)，中途與Ar原子發(fā)生碰撞，由于電子獲得的能量足夠高，碰撞后Ar原子電離出Ar離子和一個(gè)新的電子（二次電子）。Ar離子在負(fù)電位作用下加速向靶材（陰極）運(yùn)動(dòng)，同樣，Ar離子在強(qiáng)電場(chǎng)中獲得極高的能量，從而高速轟擊靶材表面，將靶材表面的物質(zhì)以分子或分子團(tuán)的形式濺射出來并在電場(chǎng)力的作用下飛向陽極襯底。當(dāng)在腔體中加入反應(yīng)氣體（如）時(shí)，濺射過程中所產(chǎn)生的帶電粒子基團(tuán)會(huì)和反應(yīng)氣體反應(yīng)，從而使濺射薄膜的化學(xué)成

18、分發(fā)生改變。磁控濺射又分為直流濺射和射頻濺射兩種。  Ar離子轟擊產(chǎn)生的二次電子脫離靶材表面后，就會(huì)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的組合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。靶材與極板之間的區(qū)域分為陰極暗區(qū)和負(fù)輝區(qū)。陰極暗區(qū)里只有電場(chǎng)部分，所以電子會(huì)在場(chǎng)區(qū)內(nèi)受電場(chǎng)力加速。負(fù)輝區(qū)里僅分布磁場(chǎng)，經(jīng)電場(chǎng)加速后的二次電子會(huì)在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用。于是，二次電子脫離濺射靶材后，首先在陰極暗區(qū)里分布的電場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)，以一定速度和角度飛進(jìn)負(fù)輝區(qū)。進(jìn)入負(fù)輝區(qū)的電子因?yàn)榫哂幸欢ㄋ俣?，在洛倫茲力的作用下作圓周運(yùn)動(dòng)。電子在磁場(chǎng)B 洛侖茲力的作用下繞磁力線作圓周運(yùn)動(dòng)。電子運(yùn)動(dòng)半個(gè)周期后，再次進(jìn)入陰極暗區(qū)，在電場(chǎng)作用下減速。當(dāng)電子速度降到零時(shí)，電子剛好到達(dá)靶材表面。 圖2.1 濺射原理圖2.2 濺射條件對(duì)IGZO-TFT性能的影響2.2.1 氧含量對(duì)IGZO-TFT的影響 2.2.2 濺射時(shí)間對(duì)IGZO性能的影響圖2.3 器件的遷移率隨濺射時(shí)間的關(guān)系 圖2.4 不同時(shí)期濺射的 IGZO薄膜的 XPS 圖2.2.3 薄膜厚度對(duì)IGZO性能的影響 2.2.4 濺射功率對(duì)IGZO性能的影響 在制備IGZO薄膜時(shí)， 2.3 溝道長(zhǎng)度比對(duì)IGZO性能的影響第三章 退火溫度對(duì)IGZO性能的影