AOS TFT稳定性分析及溶胶凝胶法制备AOS材料的初步研究

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摘要

摘要

近年来颇受瞩目的非晶氧化物半导体(AOS)薄膜晶体管，相对传统的非晶 硅TFT和LTPS TFT，它的迁移率可达lOcm2／Vs，并且由于其本身就是非晶态的， 大面积均匀性好，具有良好的产业化前景。而溶液法制备的非晶氧化物TFT工 艺相对简单，成分易于控制，且不需要昂贵的真空设备，是一种良好的低成本 工艺。但是，器件的稳定性仍然是制约其应用的关键因素。

本文第二章对溅射法a—IGZO TFT的测试表明，其高达23．7cm2／Vs的场效应 迁移率，零伏左右的阈值电压，108量级的开关比满足了高分辨率大尺寸AMLCD 和AMOLED面板的驱动要求。另外，测试表明沟道长度一定范围的减小有利于改 善器件的电学特性，但是宽长比为100／51．tm无背沟保护层的器件在电应力实验 中性能明显衰退，且出现了明显的驼峰效应。驼峰效应严重影响了器件在亚阈 值区的特性，造成器件进入饱和的工作电流不稳定，可见沟长的减小是要受到 的。

本文的第三章从物理机制层面全面分析与讨论了AOS TFT的稳定性问题， 包括电应力、热应力、光应力以及环境气氛的作用，找出了影响稳定性的关键 因素。电应力主要造成转移曲线的整体推移，其机理可能与栅绝缘层／半导体层 界面处的陷阱数目有关，降低此界面处的缺陷态密度，将有利于减少固定负电 荷数目从而改善电稳定性。热稳定性主要影响着器件进入关态的性能，其机理 可能与沟道热激发效应有关，控制半导体内缺陷态数目对优化热稳定性相当重 要。光稳定性主要影响着器件工作电流达到饱和的能力，其机理可能与光生效 应有关，良好的界面状态和钝化的沟道陷阱能有效减少被激发的载流子数目， 从而改善光稳定性。背沟道保护层的存在能有效阻止空气中的水汽、氧气与半 导体层的作用，吸收紫外光，对于改善电、热、光稳定性以及避免驼峰效应都 有重要意义。

无论是电、热、光应力还是环境气氛的影响，归根结底由半导体内部陷阱 数目和栅绝缘层与沟道层界面悬挂键数目决定，二者是稳定性的关键因素，而 氧空位是AOS TFT中最重要的缺陷态。因此，第四章分别从AOS材料和高质量 栅绝缘层两个方面入手，以期找到改善稳定性的方法。

通过对溶胶凝胶(s01．gel)法热处理过程的化学反应分析发现，200—300℃

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摘要

是缩合反应形成M-O-M键的阶段，是氧空位产生的主要时期。从XPS谱图看出， 当掺入重金属原子时，重金属原子有削减氧空位数目的作用，这种抑制作用主 要由重金属阳离子的电负性和带隙宽度决定。但是重金属原子对载流子的传输 有阻碍效果，而溶液法可以严格控制组分比例来控制重金属原子的含量从而解 决这一问题。最终，我们采用sol-gel法成功制备了迁移率为2．14cm2／Vs，方 块电阻为9．19 X 104 Q／D的a-ZrlnZnO半导体材料。证明溶液法是制备高稳定性、 良好电学性能、低成本的氧化物TFT基板的可用技术。

此外，通过实验分析，阳极氧化法制备的氧化铝电介质材料由于存在极厚 的多孔层，电绝缘性变得很差，为探索高质量栅绝缘层，本文采用了两种可替 代工艺及材料。原子层沉积法制备的氧化铝薄膜结构致密，且测得介电常数为 15，体现了高质量和高电介质性；sol-gel法制备的氧化锆与AOS沟道有良好的 结合性，且薄膜介电常数为23，拥有高的电绝缘性能。所以，以上两种方法是 实现低界面缺陷态数目、优越稳定性能的AOS TFT的可用方案。

关键词： 非晶氧化物半导体TF，r，稳定性，背沟道保护层，重金属阳离子，氧空位

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Abstra ct

Received widespread attention in recent years，amorphous oxide semiconductor (AOS)thin-film transistors，with the mobility of up to 1 0cm2／Vs compared with amorphous silicon TFT and LTPS TFT,and uniformity well because of amorphous itself,have a good industrialized prospect．The solution process technology for the

oxide TFT is relatively simple，easy to control amorphous the ingredients，and don’t

reqmre expensive vacuum equipment，SO it’S a good low—cost technology．However, the stability ofthe device is still the key factor A test result in the second restricting its application．

chapter of this thesis showed that the a-IGZO TFTS bv sputtering with a high field effect mobility up to 23．7cm2／Vs，a threshold voltage around zero volt，and a switch ratio of 1 08，satisfy the requirements for driving high resolution and large size AMLCD and AMOLED panel．In addition，the test also

showed the channel length decrease in some range call improve the device electrical properties，but the device performance got bad obviously for a TFT with width and length ratio of 1 00／5pan，without back channel protective layer after a electrical stress

test，and a obvious hump effect was found．The hump effect makes tlle device

performance in the threshold value region degraded seriously,which cause the

instable work current when enter into saturation．So the channel length decrease

needs to be limited．

The third chapter gave a comprehensive analysis from the physical mechanism level and discussed the stability problem of AOS TFT’including the effect in

electrical stress，thermal the atmosphere，in order to identify stress，light stress，and

the key factors affecting the stability．The stability of the electrical stress mainly cause the overall transfer curve moving,and its mechanism may be related to the interface．To layer number of the interface at the insulator／semiconductor traps gate reduce the defect density of states at this interface，it would be helpful for improving the electrical stability by decrease the fixed negative thermal charge number．The stability affect the device performance when entering into the off-state．and its

III

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Abstract

mechanism may be related to thermal excitation effect．It is important to improve the thermal stability by the contr01 of defect states in the semiconductor layer．111e light stability affect the capability of work current into the saturation，and its mechanism may be associated with the photo．carrier effect．Wim a good interface state and

passivated channel trap，the light stability call be improved effectively by suppressing the carrier number from light excitation．The existence of the back channel protective layer can effectively prevent the water vapor and oxygen in the air making a function with the semiconductor layer,and absorb the UV It plays a important role for improving the electrical，thermal，light stability and avoiding the hump effect． The effect was decided by the number of charge traps in the semiconductors layer and the number of dangling bonds in the gate insulating layer and channel layer interface．whether the effect from the electrical，thermal，light stress，or the atmosphere．BcIth are the key factors of the stability,and oxygen vacancies are the most important defect states in the AOS TFT．Therefore，the fourth chapter separately discussed the AOS materials and high quality gate insulating layer two aspects，to

find the way how to improve the stability problem．

Through the analysis of the chemical reaction in the heat treatment process of me s01．gel method，we found that the M-O—M keys were formed by the condensation reaction in 200．300。C，the main period of generating oxygen vacancies．As seen from the XPS spectra,when heavy metal atoms mixed，the heavy metal atoms decrease the number of oxygen vacancies．This inhibition function is mainly determined by the electronegative and the width of the band gap for the heavy metal cationic．But the heavy metal atoms hinder the cartier transport，and we can strictly control the component ratio of heavy metal atoms by the solution process to solve this problem．

Finally,we successfully prepared a-ZrlnZnO semiconductor

materials with the Hall mobility of 2．1 4cm2厂Vs．the square resistance of 9．1 9×1 0411／D by using tlle sol—gel method．It has been proved that the solution process is the available technology for high stability,good

electrical properties，low-cost oxide TFT panel． In addition，through the experimental analysis，we found the alumina dielectric

material prepared by anodic oxidation method had a very poor electrical insulation performance become of the existence of extremely thick porous layer．So we use two IV

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Abstract

alternative process and material to explore the gate insulation layer of high quality in

this paper．The aluminum film prepared by the atomic layer deposition method has a compact structure，and its dielectric constant tested is 1 5，with the high quality and 11igh dielectric performance；the zirconia prepared by sol-gel method has a good combination with AOS channel layer，and its dielectric constant tested is 23 which show a dielectric above two methods is an available to high performance．So，the way realize the AOS TFT of the superior stability by the low interface defect states

number．

Words： Key

amorphous oxide semiconductors thin··film transistor,stability,back·-channel

metal cation，oxygen vacancies protective layer,the heavy

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第一章绪论

第一章绪论

第一节非晶氧化物半导体(AOS)TFT

1．1．1 AOS TFT特点与制备方法

进入2l世纪以来，液晶显示器(LCD)成为显示产业的主流，2001至2009 年间其市场份额年均增长率超过了8．4％，其应用扩展到中小尺寸以及大尺寸的 各类显示产品，人们对于高清晰度(分辨率)、画面细腻流畅、轻薄的液晶屏 的需求越来越强烈，这得益于液晶显示器品质的飞速发展而带来价格的迅速下 落 ，而对于性能优越的有源寻址LCD(AM．LCD)显示屏，TFT基板性能的不 断提高对其品质的改善至关重要。由于TFT管是作为开关管应用在AMLCD中 的，所以要求其开关比应至少达到106及以上，且AMLCD是电压驱动型器件， TFT的开启电压、阈值电压应适应工作电压的要求并具备良好的稳定性。迁移 率的高低影响着载流子的传输速率以及器件的特征频率，从而成为分辨率、刷 新率优劣的决定性因素。另外，AMLCD是被动发光器件，需要来自背光源的光 透过TFT基板投射到液晶分子上，因而对TFT管的光透过率提出了更高的要求。 经过对其性能不懈努力地改善，TFT LCD已经成为平板显示器中发展最成熟、 应用最广泛的一种显示器件。

有机电致发光二级管(OLED)是近几年国内外投入极大关注的新型平板显 示器，由于其高对比度、主动发光、超薄、低能耗、广视角、快速响应等诸多 优势n。21，并且是可以在柔性衬底上实现大尺寸、高亮度、高分辨率的平板显示 技术，被认为是最有希望成为继LCD之后的下一代主流显示器件。采用有源寻 址OLED(AM．OLED)是实现高品质OLED的必由之路，因为作为电流驱动型 器件的OLED，只有采用有源寻址的方式才能为像素提供足够的驱动电流。在 AMOLED显示器中，TFT不仅作为开关管而且作为驱动管构成像素电路，微量 的电压漂移就会使电流明显改变而影响OLED的亮度，这给驱动管TFT的均匀 性和稳定性提出了更为严峻的挑战。

随着科技进步和人们高品质物质生活的不断追求，无论是AMLCD还是 AMOLED显示器，都对TFT的迁移率、透过率、稳定性和工艺实现性等方面有 了更高要求。

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第一章绪论

传统的非晶硅TFT技术发展时间最长，因而工艺最为成熟，并且其技术相 对简单，成品率高，适合大面积生产，但其最明显的缺点是迁移率低(小于1 cm2／Vs)，不能满足显示面板高分辨率要求。同样采用硅材料作为有源层的低温 多晶硅(LTPS)TFT迁移率比a．Si：H TFT高出两个量级乜1，因而能够制备CMOS 器件及类似晶体硅的集成电路，将显示屏周边驱动电路(包括模拟电路、数字 电路)集成在显示面板上的全集成技术的提出就是基于这个理由。但是，LTPS 材料由于其多晶属性而存在大量晶粒间界，大面积均匀性较差，另外其制备工

艺复杂，成本高。

近年来出现了一种新型TF卜非晶氧化物半导体(AOS)薄膜晶体管，

其良好的性能受到各科研单位、显示厂商的广泛关注。据日经技术在线报道， 夏普已开始将AOS TFT应用于该公司的显示产品中，显示了AOS TFT技术的 先进性口1。AOS TFT通常以氧化锌基的非晶态多组分氧化物半导体作为有源层。 相对于非晶硅TFT和LTPS TFT，AOS TFT具有如下优势：

◆AOS TFT电学特性优于非晶硅TFT。AOS TFT具有高的场效应迁移率， 平均可达10cm2／Vs，甚至有报道达50cm2／VsH咕3，这是非晶硅TFT不能 比拟的。另外，AOS TFT的阈值电压在零伏附近，仅在较小的工作电 压下就能完成开关动作，有利于降低功耗，而非晶硅TFT阈值电压接 近5V，工作电压和功耗都相对较高；开关比方面，前者可达到109量级， 而后者仅能达到106‘8量级哺1。

◆非晶半导体薄膜的大面积均匀性优于多晶硅薄膜。以金属诱导法制备的 多晶硅薄膜为例，杂质金属(如A1、Ni)虽然诱导了晶粒生长，但会在 金属与多晶硅界面形成硅铝或硅镍合金层，薄膜表面更为粗糙，均匀性 变差。此外，由于多晶硅自身晶粒尺寸不均匀，有的晶粒可能达到几微 米而有的几百纳米，这种空间上的不均匀会造成电学性质的不均匀。相 比较，AOS薄膜自身是非晶态的，短程有序性好，所以在其电学特性可 与多晶硅相比拟的情况下，其大面积均匀性更具优势。

◆高的光透过率。一般采用的氧化锌、氧化铟锌、InGaZnO等氧化物材料 都

具有高光学透过率，如a-IGZO材料在可见光和近红外区透过率超过 了80％。“，这对提高液晶显示器的开口率起到十分关键的作用。另外优 良的光透过率也为透明TFT(transparent thin．film transistor，TTFT)器件 (如

图1．1随1)的实现提供了可能，这种TTFT制备采用的所有材料都对

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第一章绪论

可见光透明(全透明)，TTFT是当前最引人关注的显示形式之一。

图1．1采用AOS TFT的3．2’’QVGA透明OLED样板Ⅲ

此外，由于AOS TFT的非晶态微结构，它可以继承非晶硅TFT技术的某些 因素和分析问题的方法，并且其工艺复杂程度相对LTPS技术要低。表1．1概括 了AOS TFT与之前两种TFT的技术特点。

表1．1三种类型TFT比较

a．Si：H TFT

LTPS TFT AOS TFT

工艺水平

成熟 低 非晶 新兴 低 非晶

>1 0cm2／Vs

工艺复杂度 有源层材料微

结构

多晶 20．1 00cm2／Vs 场效应迁移率 器件稳定性

差 好 NMOS 优 一般 CMOS 好 好 NMOS

器件均匀性 器件类型

制备AOS材料的方法主要有真空溅射法和化学溶液法两种。溅射法一般有 直流溅射和射频溅射，以典型的溅射a．InGaZn04为例，DC溅射是以铟镓锌混 合金属靶为源，通过调节通入的氧气与载气心的比例来控制氧的掺入量，最终

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第一章绪论

在一定衬底温度下将靶原子打到衬底上形成多组分氧化物材料；RF溅射是以成 分配比均匀的In203：Ga203：ZnO=l：1：2多元氧化物陶瓷靶为源，不需氧气 的掺入即可将靶材所含元素的原子直接打出、溅射到衬底上。由于溅射法可以 在室温下沉积AOS薄膜，所以能够采用塑料等不能耐受高温的柔性衬底。溅射 法制备的AOS TFT对于实现柔性显示器件(如电子纸)意义重大。

溶液法制备AOS材料一般指溶胶凝胶法，由于溶液法是一种非真空加工方 法，且只需要少量的化学试剂和廉价的化学仪器，工艺相对简单，成分易于控 制，不需要昂贵的真空设备，是一种良好的低成本工艺。

1．1．2 AOS TFI研究状况与发展前景

正是因为AOS TFT具备良好的光学透过性、高迁移率、优良的大面积均匀性，且可以在室温下沉积，国内外多家研究院校和显示厂商纷纷开展AOS TFT项目研究计划，并且在短短几年就取得了不错的研究成果。

在AMLCD领域，三星电子于201 1年5月推出了采用AOS TFT基板、主 频240Hz、70英寸超高分辨率概念3D液晶屏，荣获了SID年会的最佳展示奖。 夏普紧随其后，于2012年3月开始投产世界上第一个采用了a-IGZO TFT的LCD 面板，其面板有更小尺寸的TFT，增强的像素透过率，因而功耗更低D3。

在AMOLED领域，友达光电在2010年试制备了迁移率6．2 cm2／Vs、阈 值电压．0．47V、开关比10 7以上的背栅共面型a-IGZO TFT，并成功应用在

2．4英 寸常规模式和倒置模式的AMOLED屏，器件具有良好的亮度和稳定性田3。2012 年5月LG展出了一款采用AOS TFT的55英寸AMOLED概念型显示面板，面

板仅厚4mm，仅重7．5kg。

在电子纸与柔性显示领域，2008年日本技术研究院试制备了4英寸E．Lik 电子纸，采用的背栅a．IGZO TFT基板，面板像素密度为200ppi，分辨率0×480¨0|。2010年三星移动在PI衬底上采用迁移率21．3 cm2／Vs、阈值电压．0．5V、 开关比10 7以上的a．IGZO TFT试制备了6．4英寸AMOLED柔性显示屏(如图 1．2)，开口率达53％，整个屏的厚度小于O．1mm，在曲率大约2cm的扭曲实验 中图像甚至保持不失真的显示状态u¨。

国内对于AOS TFT的研究尚处于起步阶段，一些院校如华南理工大学、上 海大学、南开大学已开展研究工作，一些国内显示厂商还在观望。

除了上述领域，未来的AOS TFT将拥有更广泛的应用平台，模拟电路、数4

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第一章绪论

字电路、功率器件、存储器、传感器等都有可能出现其身影。为了提高工作频 率，迁移率的进一步提高势在必行，同时器件尺寸也要求更小来提高特征频率。 另一方面，为了将AOS TFT应用到电路设计中去就必须实现CMOS器件，即实 现P型器件，迁移率至少达到1 cm2Ⅳs以上，工艺不能太复杂，同时能够与n

型器件工艺兼容，这对AOS TFT来讲是一个相当大的挑战。

图1．2采用a-IGZO TFT基板的6．5，，柔性全彩AMOLED屏 1

AOS TFT良好的发展势头让人振奋，但是稳定性依然是AOS TFT器件有待 改善的方面。所以，稳定性的优劣也是AOS TFT能否在显示产业占据一席之地 的重要砝码。

第二节AOS理论基础

1．2．1 AOS

材料学说

通过前面对AMLCD和AMOLED高品质要求的分析得知，高光透过率和高 迁移率是TFT性能最重要的部分。但是大多数晶体材料或非晶材料不能同时兼 顾高的光透过率和高的电子传导率，只有某些氧化物系材料能够在这两方面都 表现出优越特性。按照其微结构和导电能力的不同，分为以In203：Sn(ITO)和 ZnO：AIn2‘131为代表的透明导电氧化物(TCO)和非晶氧化物材料。TCO膜正是

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第一章绪论

由于具有这种双重优势而被广泛应用于AMLCD显示基板的像素电极和薄膜太 阳能电池的前电极。但是TCO材料毕竟是导体，非晶氧化物材料是半导体，怎 样的AOS才能体现双重优势而应用到显示领域，这是AOS材料学必须探讨的 内容。

一般的非晶材料迁移率很低，比如非晶硅的迁移率大约为10’3 cm2／Vs，

比 晶体硅的小约五、六个量级，很难得到导电性能高的非晶材料。所以，关键问 题是提高非晶材料的迁移率。氧化物系材料能够获得一个宽的带隙，这个宽的 带隙是由O 2p轨道的低的能级提供的，它构成了半导体材料的价带顶，从而具备良好的可见光透过。但是并非所有的宽带隙非晶氧化物都能很好的解决迁移 率和透过率的双重问题，例如某些过渡金属氧化物(如V205)非晶半导体己被 研究，其低的迁移率(～10‘4 cm2／Vs)以及极强的染色性使其不可能成为有价值的透明导电非晶材料。

这里考虑具有高迁移率的宽带隙非晶氧化物的要求。既然迁移率与导带的 宽度成正比，那么如果在导带出现大量互相交叠的轨道，亦即，能提供足够多 的让电子填充的轨道，因而其运动“阻力”减小，这样一方面这些轨道的重叠 能很好地扩展导带宽度n 4|，另一方面则进而能提高电子的迁移率。此外，因为 微结构的无序性是非晶材料的本质属性，所以这种轨道交叠的数目应该不受微 结构无序性的影响。基于此，H．Hosono等人认为由重金属阳离子构成的具有(n．1)dlonso电子构型的金属氧化物满足要求n引。这些氧化物的导带底主要由重金属阳离子的高主量子数n的S轨道(ns)构成。重金属阳离子的ns轨道空间分布广泛，且这些球形对称的IlS轨道之间的重叠是大量的。另外，与几何空间各向异性很大的P．P或d-p轨道相比较，重金属阳离子的ns轨道对一切M．0．M 键中的角度变化不敏感(如图1．3所示)，所以即使是非晶结构也能保证高的迁 移率哺1。图1．4所示n副元素周期表中黑线框勾出的正是能够形成具有(n．1)dlonso(a) (b)

O

图1．3结晶态(a)非晶态(b)重金属氧化物电

子轨道示意图‘63

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构型的重金属阳离子的15种元素，它们是构造高透过率、高迁移率AOS材料 的合适选择。

PERl0DIC TABLE OF THE ELEMENTs

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图1．4元素周期表中能够形成具有(n．1)d]onso构型的元

素

1．2．2氧空位对AOS材料能带的影响

无论采取真空法还是溶液法制备的AOS材料，都存在着大量的氧空位。虽 然期望这些氧空位如同氧化物导体中作为类施主能级的来源起到提供载流子的 作用，但是实际情况并非这样简单。T．Kamiya等人利用光学分析手段和第一 性原理模拟计算来研究氧空位在AOS隙态中的作用，发现a．IGZO半导体的价 带尾态的宽度比导带尾态的更大，模拟出氧空位在价带尾形成了一个宽度高达 近乎leV的深陷阱能级n 6|。Junfei Shi等人也从C．V模型计算了氧空位形成的深 能级、浅能级缺陷态在AOS材料中的分布状态(如图1．5所示)n 71。

这些研究得出一个重要结论，氧空位在AOS材料中形成一个位于价带顶附 近的深的电子陷阱能级，和一个位于导带底附近的浅的类施主能级，如图1．5所 示。这两个能级的形成取决于氧空位局部原子的空间结构。如果一个氧空位周 围有大的自由空间，它就能虏获两个电子，形成除了类施主能级外额外的电子 陷阱能级。如果氧空位周围的自由空间很小，它就不能虏获电子而形成电子陷 阱能级，而是引导自由电子进入导带形成类施主能级。

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第一章绪论

由于这个宽度达～leV的深陷阱能 级的存在，AOS TFT在低的栅压下自由

载流子被束缚于此，费米能级被绑定在 价带顶附近，漏电流被在较低的水 平，使得P型AOS材料及其TFT的实 现极其困难。 另外，AOS材料中氧空位形成的类 施主能级的作用也不同于硅材料中Si空 位的作用。因为Si的导带和价带分别由 ／一、

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3

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si的sp3杂化轨道的反键态轨道和成键 态轨道构成。如果硅材料中出现一个

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图1．5氧空位对AOS能带的作用m3

空位，它会在靠近带隙中间的位置形成 一个悬挂键能级，这个能级可以被一个 电子(或空穴)占据起到陷阱的作用，

这样退化了n沟或P沟TFT的电学特性， 所以半导体硅中的硅空位应该用氢原子等去予以钝化。不同的是，AOS的导带 由主量子数n>4的重金属阳离子的空的ns轨道构成，价带由O 2p轨道构成。氧 空位形成的类施主能级位于导带底附近，不起陷阱作用，而且这个能级是不稳

定的哺3。

总之，AOS TFT具有高的场效应迁移率和高的光学透过率，大面积均匀性 好，并且能够在室温条件下制备等特点，使其成为目前最受瞩目的新型显示驱 动技术，三星、LG等大型显示厂商在该领域也取得了不错的研究成果。这些都 有赖于AOS材料学说的提出，正是这些具有(n．1)dlonso构型的重金属阳离子 构成的金属氧化物，为显示领域提供了更多的可能性。

第三节选题的意义和本论文的结构布局

非晶氧化物半导体TFT具有良好的发展前景。针对目前存在的稳定性及其 制备等问题，我们开展了本论文的研究工作，具体如下：

对由华南理工大学提供的用溅射法制备的a．IGZO TFT基本电学性能进行了

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第一章绪论

测试分析，以实际验证AOS TFT器件是否具备优良的电学特性，满足高分辨率、 高频率、快速响应的AMLCD和AMOLED面板的驱动要求。探索沟道尺寸对 a—IGZO TFT电学特性的影响是必要的，它是AOS TFT应用于高分辨率显示面板 的基础。基于此本文第二章研究沟道长度的减小对a．IGZO TFT电学性能，以及 电性能稳定性的影响。

LTPS TFT具有优秀的器件稳定性，与之相比，AOS TFT稳定性仍然是制约 其大规模产业化的关键因素，所以本文在对上述AOS TFT测试电特性的同时、 进行了稳定性的全面系统测试与讨论，该研究内容安排于第三章。其中我们利 用安捷伦半导体测试仪获得了a-IGZO TFT在电应力、热应力、光应力下的转移 特性曲线和相应的电容电压(C．V)特性曲线，并研究了背沟道保护层的存在对 器件的保护效果，实际上讨论的是周围环境气氛(如水汽、氧等)对稳定性的 影响。因为要分析稳定性物理机制的问题，所以这里采用了一种从C．v曲线直 接提取缺陷态密度按能量分布的方法，从能带的角度研究物理层面的变化情况。 这种提取方法抛弃了繁琐的拟合和计算，而直接根据MIS理论对C．V曲线进行 处理。应用该法成功获得了缺陷态密度按照能级的分布状态图，并结合提取的 阂值电压、场效应迁移率、亚阈值摆幅、开关比等参数，对以上四类稳定性问 题做了相应的分析，以找出影响稳定性的关键因素。

为避免真空法带来成本高的问题以及从研究发现影响稳定性的两个关键因 素(其·在于AOS薄膜，其二在于栅绝缘层)出发，本文第四章研究了溶胶凝 胶法AOS薄膜的制备以及高质量栅绝缘层材料成分的选取及其成膜方法的试 探。

采用溶胶凝胶法制备AOS材料主要考虑其低成本的特性，因为这是一种化 学方法，不需要昂贵的真空设备，并且成分比易于控制，流程相对简易。为了 制各出高迁移率的非晶ZrInZnO薄膜，首先分析出ZrInZnO薄膜热处理过程的 化学反应，其次针对此分析分别设定在450℃、500℃、550℃下进行热处理，以 及改变不同处理时间，对所制备的样品利用XRD和霍尔效应等测试手段，讨论 了不同热处理条件对薄膜质量的影响。同时，实验还制备ZrInZnO和InZnO薄 膜，测试两组样品的XPS谱图，分析氧空位的含量，探索重金属原子对改善AOS 薄膜电学性能以及对AOS TFT稳定性的作用。

另一方面，为探索高质量栅绝缘层，实验应用阳极氧化法制备了氧化铝薄 膜，讨论了其微结构不致密的成因以及对电介质特性的影响；为寻求结构致密

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第一章绪论

的绝缘层利用原子层沉积法制备了氧化铝薄膜；为寻求与有源层良好的界面结 合，又利用溶液法制备了氧化锆薄膜，对这两种薄膜测试了电绝缘性能，试图 找到适用于AOS TFT的高质量栅介质层。

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第二章a-IGZO TFT基本电学性能和沟道尺寸的影响

TFT基本电学性能和沟道尺寸的影响 第二章a．IGZO

对于TFT，其电学性能是衡量它应用前景的重要参数。尤其对于驱动 AMOLED这种电流型的器件，就要求TFT具有更优良的电学性能。

本章研究了a-IGZO TFT基本电学特性，也对沟道尺寸对器件电学性能、电 学性能稳定性的影响做了初步研究。此外，在对宽长比为100／5lain的无背沟道保 护层a-IGZO TFT进行电应力测试时发现了驼峰效应，驼峰效应的存在严重影响

了器件性能，所以本章还对其产生机制进行了讨论。

第一节a-IGZO TFT基板及其基本电学参数

本章以及第三章所测试分析的氧化物TFT基板均为华南理工大学采用溅射 法制备的a-InGaZn04(简记为a．IGZO)TFT基板。所有这些a-IGZO TFT均采 用图2．1的器件结构(即为a．Si：HTFT普遍采用的背栅结构)，制备工艺流程为： 首先在玻璃衬底上溅射150nm A1．Nb合金作为栅电极，刻蚀出栅电极图形，再 利用阳极氧化法制备150nm氧化铝作为栅绝缘层，接着射频溅射约40nm的 a—IGZO半导体薄膜，其靶材原子的组分比为Ga：In：Zn=1：1：1，刻蚀出有源区 图形，之后溅射金属镍作为S／D电极并刻蚀出图形，作为对比，部分器件最后 沉积一层Ti02作为背沟道保护层，刻蚀出保护层图形，刻蚀出栅电极通孔并沉 积金属引线，完成a．IGZO TFT的制备。

0nm 40nm

150nm 150nm

图2．1含有Ti02背沟道保护层的a-IGZOTFT结构

示意图

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第二章a-IGZO TFT基本电学性能和沟道尺寸的影响

为了研究比较，在同一块玻璃基板上、一次工艺流程同时制备了具有和不 具有背沟道保护层，不同沟道宽长比的TFT器件组。这里选取含沟道保护层宽 长比为100／50¨Jn的a-IGZO TFT研究其基本电学特性，如图2．2所示。从输出曲 线可以看出，当栅电压Vg从2V增至lOV的过程中，沟道的夹断电压从1．4V增 至6．6V，此后进入饱和状态。

(11)

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图2．2 a-IGZO TFT输出特性曲线与转移特性曲线

转移特性是TFT最重要的电学特性，它描述了栅电压对沟道电流(又称源 漏电流或简称“漏电流”)的调制作用。转移曲线按照不同的工作状态分为反偏 区，亚阈值区和超阈值区，如图2．2(b)。对于n沟a—IGZO TFT，当栅压开始

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第二章a．IGZO TFT基本电学性能和沟道尺寸的影响

变负，沟道区能带向上弯曲，场感生的电子迅速较小并逐渐被耗尽、以致完全 耗尽，漏电流降至最低，TFT处于关态，这是亚阈值区的一部分(有人称为“反 向亚阈值区”)，此时费米能级主要受深能级缺陷态控制。当施加一个较大的负 栅压，陷于深能级内的电子被抽取而产生反向漏电流，并且数量上基本不变化， 此区域就是反偏区。另一方面，当栅压开始为正时，沟道区能带将向下弯曲， 沟道内感生出电子，因为此时栅压较小，这些电子大部分先要被深能级缺陷态 和界面态捕获，只有很少的电子进入导带、对漏电流有贡献；随栅压的增大、 费米能级逐渐上移至靠近导带，达到某个值时进入导带尾，这个区域是亚阈值 区的另一部分，电流与栅压成指数关系，增长幅度最大。费米能级进入导带尾 所对应的栅压即为阈值电压。当栅压超过阈值电压继续增大时，因导带尾含大 量指数分布的缺陷态，因而感生电子大部分要先去填充带尾态，费米能级随栅 压上移的速度将明显变慢，漏电流的增加速率也将放缓直至接近饱和，这个工 作区域是超阈值区(亦称“饱和区”)。

从不同漏压下的转移曲线可以看出，在更高的源漏电压作用下开态电流明 显提升，而关态电流Io行、阈值电压Vtll、亚阈值摆幅SS、场效应迁移率均无明显 变化，这与多晶硅TFT是不同的n引，体现了良好的电学特性。

下面介绍一下对a．IGZO TFT上述基本电学参数进行提取的方法以及提取的 参数值情况。

阈值电压的提取主要有外差法和固定电流法，工业上一般采用固定电流法 口9|，这里也采用后者。固定电流法是将源漏电流取额定电流值，其对应的栅电 压就定义为固定电流下的阈值电压，这里有

乞：‘孚 L

(2．1)

其中Idt是额定电流值，Id。是阈值电流。规定漏压为O．1V时Idn的值为10hA， 漏压为10V时IdIl的值为100nA。这样通过测得的0．1V(或10V)漏压下的转移 曲线就能得到Vth。

按照此种方法上述被测a-IGZO TFT的阈值电压为．0．17V，这个在零伏附近 的量级使得器件的工作电压可以减至很低，说明a-IGZOTFT功耗被降低了。

场效应迁移率应在漏压为0．1V的转移曲线中抽取得到，计算公式为n∞

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第二章a．IGZO TFr基本电学性能和沟道尺寸的影响

跏2‰。瓦‘瓦‘万

‘2∞

这里gm为亚阈值区的最大跨导，C。。是栅绝缘层电容，W／L是沟道宽长比。 已测a．IGZO TFT栅绝缘层电容为5．6×104F，Vds取0．1V，宽长比为2，计

算得场效应迁移率为23．7cm2／Vs。这个量级远远高于非晶硅吓T，说明此a．IGZO

TFT能够适应高分辨显示面板的要求。 开态电流为器件达饱和的漏极电流，关态电流是器件进入反偏区的漏极电

流，开关比定义为开态电流与关态电流数值之比。a-IGZO TFT的10n大约在10‘4A 量级，I。行约为lO。12A量级，所以开关比约为108，高于驱动AMLCD面板106 量级要求，说明a．IGZO TFT具备很好的开关特性。

亚阈值摆幅SS定义为n

9|

姆：。[01．o，g，ld．]一1 aVg

(2．3)

即Id．Vg的对数曲线在低栅压下亚阈值区的斜率的倒数，曲线越陡，SS值越 小说明TFT可以随栅压变化更快地达到饱和工作电流。计算a-IGZO TFT的亚阈 值摆幅为0．23V／dec，具有可与LTPS TFT相比拟的灵敏的快速响应特性。

将获得的电学参数总结为表2．1。

表2．1 a—IGZO TFT电学参数总结

l参数名称 v,h(V) 数值

一0．17

u FE(crn2／Vs) Ion(A) Ioff(A) I√Iofr ss(V／dec)

!08

O．23

23．7

～10‘4 ～10啦

由表2．1数据可以看出，所测的a-IGZO TFT这些基本的电学参数不仅可以 满足AMLCD的驱动要求，也可满足AMOLED这种对驱动能力要求较高的电流 驱动型器件的驱动要求。

第二节沟道尺寸对AOS TFT电学特性的影响

随着显示器件向高分辨率，大尺寸等更好的显示质量发展，就要求驱动TFT 的尺寸更小以得到更高的像素开口率。在保持沟道宽度不变的情况下减小沟道 长度是一种可行方法。但是沟道长度的改变将对TFT器件产生一定的影响。为 此，我们制备了不同沟道宽长比的a．IGZO TFT，比较了减小的沟道长度(最小

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第二章a-IGZO TFT基本电学性能和沟道尺寸的影响

为5岬)对a-IGZO TFT输出特性和转移特性的影响。

图2．3(a)是a-IGZO TFT沟道宽长比分别为100／50、100／40、100／30、100／20、

S 1日

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15

Vgate(V)

图2．3不同沟道长的a-IGZO TFT输出曲线和转移曲线

100／10、100／5run时的输出曲线，施加的栅电压为6V，漏电压从0扫至10V，发 现夹断电压基本不随缩短的沟道长度而变化，漏电流值随沟道长度的减小而迅 速增大，这是由于漏电流与宽长比成正比，高宽长比有效的提高了TFT的电流 水

平。

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第二章a-IGZOTFT基本电学性能和沟道尺寸的影响

图2．3(b)所示为是a-IGZO TFT沟道宽长比分别为100／50、100／40、100／30、 100／20、100／10、100／5衄时的转移曲线。可以看出，无论TFT处于哪个工作 区，漏电流都随沟道宽长比的提高而增大。也可以认为沟道变短后源漏电极之 间电场更强，被栅压感生出来的电子容易被迅速收集，费米能级的抬升更早出 现。图2．4所示为对转移曲线提取电参数后的结果。图2．4(a)显示阈值电压 V。。从L=50lam时的0．06V减小至L=5btrn时的一1．61V，改变了一1．67V。这是由于沟 道变短时，s／o电极附近的耗尽区展宽，沟道内需要形成反型层的电荷数目减少，

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W，L W几

图2．4不同沟道长的a．IGZO TFT的电参数比较

从而阈值电压减小乜0|，所以阈值电压与沟道长度成反比例关系。阈值电压的降 低使得a-IGZO TFT采用较小的电压就能达到饱和工作电流。图2．4(b)表明沟 道变短使得场效应迁移率线性增加，由于场效应迁移率是由跨导和沟道长度两 个因素决定的，场效应迁移率与沟长成正比，同时相同栅压下漏电流的大幅提

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第二章a-IGZO TFT基本电学性能和沟道尺寸的影响

升也提高了跨导，这两方面都促进了场效应迁移率的改善。图2．4(c)显示亚 阈值摆幅有减小的趋势，说明沟道长度减小使得开关态转换更灵敏。图2．4(c) 显示开关比随沟道变短而显著增加，这主要是由开态电流的显著增大而致。

根据半导体器件物理理论，MOSFET器件尺寸缩小至亚微米量级时会有明 显的短沟效应，所以在本测试器件尺寸范围内，沟道长度在一定范围的减小改 善了a-IGZO TFT的电学特性，器件会拥有更高的场效应迁移率和开关比，TFT 的工作性能更加灵敏。

第三节沟道尺寸对AOS TFT稳定性的影响

上一节对不同沟道尺寸下a．IGZ0 TFT的电学特性进行了对比，发现沟道尺 寸一定范围的减小，有利于提高TFT的电学性能。但是，这种改善效果能否在 长时间工作后仍能保持，即电稳定性如何，是要考虑的问题。为此我们对所制 备不同沟道宽长比的a-IGZO TFT，比较了减小的沟道长度对a-IGZO TFT电稳 定性的影响。

图2．5所示为W／L分别为1009m／59m(a)和100rtrn／10wn(b)的无背沟道保护

层a-IGZO TFT在高栅压应力下的转移曲线随时间变化转移曲线的比较。电应力 条件为Vgs=20V，Vds=0V，应力时间为一个小时，测试时Vds设定为0．1V。从

图中可以看出，高栅压电应力造成转移曲线向高电压方向漂移，当沟道宽长比

(b)

1E_4 'E．5 1E．6

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vgate(v) vgate(、，)

图2．5不同电应力作用时间下宽长比分别为100／5 (a)和

100／10岬(b)a-IGZO TFT的转移曲线

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第二章a-IGZO TFT基本电学性能和沟道尺寸的影响

增大(保持沟宽1009m不变)、减小沟长到5pm时器件的漂移更为严重。 图2．6

是对不同沟道尺寸的转移特征曲线进行阈值电压及迁移率参数提取

后的结果进行对比。可以看出，沟道长度分别为10rtm、51xm的a．IGZO TFT在一 小时电应力作用后，阈值电压的总漂移量分别为1．9V和3．4V，后者近似是前者 的两倍，说明沟道长度的减小使得器件的电稳定性更差，在相同应力条件同样 的处理时间后，亚阈值工作区展宽，在较小的工作电压下漏电流更不容易达到 饱和。另外，从图2．6(b)来看，沟道长度减小明显增强了场效应迁移率的退 化，这来源于亚阈值区跨导的更加明显的退化，所以更短的沟道使得在应力作 用下的电子传输速率迅速下落。

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Time(see)Time(sec)

图2．6不同沟道尺寸TFT电参数随应力处理时间的变化

此外，图中看到沟道长度为51xm的无背沟道保护层a．IGZO TFT在电应力作 用下出现了明显的驼峰效应，L=10p．m的TFT驼峰效应不明显。驼峰效应的产生 可能与环境中的氧化学吸附在背沟道表面有关，这个作用产生了一个新缺陷态 (有关氧化学吸附作用的分析将在第三章详细解释)。在亚阈值工作区，费米能 级随栅压加大上移的过程中，这个新产生的缺陷态使得费米能级到达这个缺陷 能级时就要先去填充这些缺陷态，此作用发生在图2．5(a)的I区域，所以I区 电流随栅压增率变慢；当填满这些背沟道的缺陷态后，电流随栅压增率恢复如 前，而后当费米能级继续上移的过程、遇到来自栅绝缘层与沟道交界处的缺陷 态，又要先填充该缺陷态，所以增长速率再次变缓，此作用发生在图2．5(a)的 II区域。由于这两种缺陷态位置、数目的不同、填充所需栅压有所不同，从而 导致了驼峰的出现。场效应迁移率在沟道较短时更为明显的退化是与驼峰效应 的加重密切相关的。

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第二章a．IGZO TFT基本电学性能和沟道尺寸的影响

总之，沟道长度的减小增强了a．IGZO TFT电学性质的不稳定，尤其是驼峰 效应的表现更加明显，严重退化了器件长时间工作的电学性能。所以沟道宽长 比的设计，需要考虑这种因沟道变短而导致的，与硅基半导体器件涉及的所谓 “短沟效应”类似的问题，这也是不可避免的问题，必须予以认真考虑。

第四节小结

对以溅射法制备的a-IGZO TFT基本电学性能的全面测试是为了从实测中明 确AOS TFT器件具备优良的电学特性。结果表明，就所测器件，可获得高达 23．7cm2]Vs的场效应迁移率，零伏左右的阈值电压，108量级的开关比满足了高 分辨率大尺寸AMLCD和AMOLED面板的驱动要求；0．23V／dee的亚阈值摆幅 保证器件快速的开启和关闭，适合于高分辨率的显示面板。

在沟道尺寸对a．IGZO TFT电学性质的影响中看到，沟道长度一定范围的减 小有利于改善器件的电学特性。器件拥有更高的场效应迁移率和开关比，TFT 的工作性能更加灵敏。但是，在对沟道较短的无背沟道保护层a．IGZO TFT进行 电应力稳定性测试时发现，阈值电压漂移和场效应迁移率的退化都更加

严重， 并且驼峰效应更加明显。驼峰效应的出现严重影响了器件的工作性能，造成器 件进入饱和工作电流不稳定，应加以避免。可见沟长的减小是要受到的。

驼峰效应与氧化学吸附在背沟道表面形成新的缺陷态有关，所以阻止环境 气体与半导体层的接触是有必要的。

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第三章AOS TFr稳定性分析与物理机制探索

第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

上一章测试了a．IGZO TFT的基本电学性质，可以看出AOS TFT正如绪论 所说的那样，拥有较高场效应迁移率、高开关比、较小的阈值电压等优良性能， a-Si：H TFT远远不及。但是在电学性能稳定性方面，目前的研究发现，它还有与 LTPS TFT存在一定差距。稳定性问题是AOS TFT能否真正实现大规模产业化 的重要的决定因素。

基于此点，本章利用安捷伦半导体测试仪测试了a．IGZO TFT的电应力、热应力、光应力稳定性，通过阈值电压、亚阈值摆幅、缺陷态密度等参数深入分析稳定性相关的物理机制问题。此外，还对照有无背沟道保护层TFT在三种应力条件下的退化情况，以分析周围环境气氛对稳定性的影响。这些问题的分析 与探讨都为了找到影响AOS TFT稳定性的关键点，期望从这个关键点来寻求改善稳定性的工艺方法。

第一节AOS TFT的迟滞效应

迟滞效应是通过在测试转移曲线时以正、反两个方向施加栅电压(规定栅 压从负值向正值方向变化为正方向，反之为反方向)的扫描方式来探索器件的 稳定性，方法简易有效。当栅电压从高压向低压回扫时相当于施加了一个负栅 压应力。

图3．1为有、无背沟道保护层a-IGZO TFT迟滞效应的比较，插图为相应器 件的结构图。测试时栅压从．10V扫至+10V立即回扫至．10V。图3．1(a)显示带 背沟道保护层器件在滞回测试后阈值电压从．0．12V增至．0．02V，迟滞电压定义为 Vth反．Vth正(V廿l反指反方向扫描的转移曲线的阈值电压，Vth正指正方向扫描的 转移曲线的阈值电压)，迟滞电压反应了迟滞效应中阈值电压的漂移量，这里 算得迟滞电压为+O．1V，造成这一正的迟滞电压的来源正是本论文拟研究的重点 之一。

图3．1(b)是无保护层器件的迟滞曲线，阈值电压从．0．88增至．0．17V，迟 滞电压约为+0．7V，相比(a)有明显的减小。另外，亚阈值摆幅从0．40V／dec减 小至0．36V／dec，说明对于n型半导体器件a．IGZO TFT，迟滞效应削减了半导体

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

的体缺陷。从迟滞电压的比较能明显看出有Ti02背沟道保护层的a．IGZO TFT

有更好的稳定性。 以下，本文将探究它的来源。

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

第二节由C．V特征曲线提取缺陷态密度分布的方法

已知缺陷态密度是晶体管性能的决定性因素之一，其不仅与半导体内部的 陷阱、位错等晶格缺陷有关，还与界面处的悬挂键、应力等缺陷有关，所以缺 陷态密度的提取可以表征晶体管性能，而且通过对缺陷态在能带中分布状况的 分析，有助于搞清如何控制缺陷态密度来改善器件性能。

目前，已有一些科研单位通过提取缺陷态密度来解释MOS器件、多晶硅 TFT乜卜233性能的某些问题，这里将通过提取AOS TFT中的缺陷态密度，来分析 和解释其稳定性问题。不过，提取缺陷态密度的方法有多种，有些从建立器件 模型再代入材料的经验参数入手拟合乜¨，有些虽从电容．电压特性入手提取晗2吨3|， 但在后期需配合模拟的MIS模型进行反复的数值比对以求优化解，依靠大规模 的计算和复杂的微积分方程求解，不够简易。这里将借鉴Hosono等人实验的一 种方法晗鲫给出提取缺陷态密度的方法，它仅从c．V曲线入手，不需要其他的模 型比对和优化，计算过程相对简单。

a．IGZO TFT的器件结构图参见图3．1中的插图所示。由此可得知TFT的电 容构造。TFT的c．V特征曲线使用安捷伦B1500A半导体测试仪的C．V测试平 台测得。具体来说，先将TFT基板吸附于防震台上，调整探针分别与TFT的栅、 源、漏电极接触，这三个探针又分别与栅、源、漏三个信号线连接，再将栅信 号线接入安捷伦C．I转换模块的高电平．电流端口，源信号线和漏信号线通过一 个三端同轴适配器连起来作为一路信号接入安捷伦C．I转换模块的低电平．电流 端口，最后将转换模块的输入端与测试仪主机的两个高分辨率信道相连。主机 主要产生交流小信号和直流信号的叠加信号，并接收回馈的电流／电容信号，直

流信号就是输入的Vgate信号，附加的交流小信号为摆幅100．300mV、频率为 1K．5MHz的正弦波。这样测得的电容就是TFT的源、漏极与栅极之间的电容， 记为Cg(s+d)。从器件物理来说Cg(s+d)主要包括栅绝缘层电容Cox与半导体层 电容Cs两部分，简化分析为这两个电容的串联。

因为获得的电容在pF量级，所以应尽量减少环境噪声和测试噪声的影响， 为此我们在测试前重点进行了“减噪”方法的研究，即首先利用对测试平台运 行校准程序来削弱环境噪声，另外利用测试时发现的实验现象，适当提高些许 输入的交流信号摆幅来有效减弱测试噪声的影响。然而当适当提高测试时交流 信号摆幅后，在超阈值区和反偏区仍有明显噪声，为此我们再采用对曲线进行 平滑化处理以去噪。这样既能检出有用信号，同时防止了高频噪声信号在后面

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第三章AOS TFr稳定性分析与物理机制探索

的微积分处理时产生错误。 测得了Cg(。+d)一Vgate曲线并进行了去噪处理后，使用数据处理软件(如Origin)

对该曲线进行提取计算。提取流程分为获取半导体表面势妒s，计算表面势的梯 度和电荷密度三个步骤。 首先，从C．v曲线求得表面势咖s：

因为施加的栅压一部分降落在栅绝缘层，另一部分降落在半导体层即为表 面势矽s，所以栅绝缘层上的电荷量Q应为

Q=Ci·所=cg(vg一必)

(3．1)

等式两边同时对Vg微分，得到与咖s相关的表达式：

堕：1一f旦1／Cf：1一堡 (3．2)

ayg tavgJ Ci

再对Vg积分得到

出=1--鲁i)dVg (3．3)

其中Cg是实测栅与源漏之间的电容，Ci为绝缘层电容。

已经测得a-IGZO TFT单位面积绝缘层电容是56nF／cm2，则单位电容乘以 面积就得到了Ci。若按照平板电容器模型，面积应以栅线与S／D电极之间面积 来算，即S=W(L+Ld+Ls)，W是沟道宽度，L是沟道长度，Ld、Ls分别是栅线 与漏电极、源电极交迭区域的长度。vfb是平带电压，这里定义为电容刚开始增

大、即将进入亚阈值区时对应的vg。平带电压的正确选取非常重要，它明显影 响着积分结果，从而影响着缺陷态密度按能量分布的宽窄。因为是n型半导体， 只做Vg>Vfb区域的积分。这样就从测得的Cg-Vg曲线获得了≯s．Vg曲线。

第二步是由砂s．Vg曲线求得表面势对位置X(即沿着半导体层的厚度方向，

，，夤■、

与绝缘层交界处记为x=o)的一阶偏导数I-7 I：

L戗／，

对沟道层与栅绝缘层之间的界面做高斯面，利用高斯定理求得：

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

(差)，=㈧掣

计算得栅绝缘层相对介电常数￡i-9．49。而a-IGZO材料的相对介电常 ㈦4，

由于已测得绝缘层单位电容为56nF／cmz，绝缘层厚度ti=150nm，根据 Cox=gei／ti数￡s=7．9，有了多s．Vg关系就可计算出f譬1与Vg的函数关系。

＼Ox／。

第三步由≯s和f学}求得电荷密度P：

＼Ox／，

根据泊松方程

a2西P 0x2

占J

(3．5)

等式两边同时对≯积分，

謦(罢)=一土6s胁 假设p仅是Vg的函数，不随位置x变化，则有

㈦6， E(x)：：(一掣)z：一型 班

占．

(3-7)

其中解得

胪一寺＼o％／， t(掣)：

(3．8)

由于表面势西s就是x=0时的电势矽，因此上式的≯改为妒5，同时半改为

6k

f譬1。NN前NN庐s与Vg是一一对应的，f譬1与Vg也是一一对应的，所

＼o％／5

以由此算得的电荷密度与矽s一一对应，即得到电荷密度关于表面势的函数，而 q砂s是电荷填充的能级，那么电荷密度在能带中的分布状态就得到了。

最后，假定沟道层的电荷密度P全部由态密度N产生，则有

p=一qfNd矽

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(3．9)

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

对P求微分就得到了态密度N，单位为cm。3eV～。

Ⅳ：一!塑 d西 q (3．10)

虽然N理论上不仅仅包括缺陷态密度也包括导带中的态密度，但是由于此 处所提取的q多J是在带隙内部Ei至Ec之间，所以此区间内的N应该是指缺陷 态密度∞3。

第三节AOS TFT电稳定性测试与分析

电应力稳定性模拟的是器件通电工作的状态，是研究器件稳定性最常见的 方式。采用正栅压电应力是因为器件开启工作时的饱和电流很大，对器件性能 的退化作用的贡献较大。

3．3．1含背沟道保护层a—IGZO TFT电稳定性

图3．2所示为含背沟道保护层的a．IGZO TFT在高偏置栅压应力下的转移曲 线，被测器件的结构参数为W／L=50／10pm，Tox=1 50nm，电应力条件为Vgs=20V，

Vds=OV，在电应力处理过程中，每隔10分钟对器件进行一次转移曲线的测试。

作o 作4 候与 作与 作7

一《一

信名 作西

朗佃

j

刚坦 叫”

Vgate(、，)

图3．2含背沟道保护层的a-IGZO TFT在高栅压应力下的转移曲线

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

测试时的Vds设定为5V。从图中可以看出，随应力时间加长，转移曲线向正偏

压方向漂移，漂移量小于1V。

由图3．2的转移曲线可以提取出该偏置应力下不同处理时间的阈值电压、场 效应迁移率、亚阈摆幅以及开关比，其结果如图3．3所示。其中，阈值电压Vm 和场效应迁移率(Mob)是从Vds=0．1V的转移曲线提取的，亚阈值摆幅ss及其 他参数从Vds=5V的转移曲线提取。图3．3(a)显示，在50分钟的高栅压应力 处理后，阈值电压仅从．0．44V提升至0．34V，总漂移量仅为0．78V。图3．3(b) 显示出场效应迁移率在电应力处理后降低了2．5cm2／Vs，且这一变化近似呈指数。 图3．3(c)显示了20V栅压应力对亚阈值摆幅的影响微乎其微，变化量只有 1mV／dec的量级，并且由于线性区的亚阈值摆幅取决于半导体层内部的陷阱数 目，说明这种溅射法制备的a-IGZO半导体层材料结构较为致密、规整，为AOS TFT贡献了非常好的电稳定性。图3．3(d)显示了开关比在应力处理后呈指数 降低，具体来看，开态电流从3．52×10‘4A衰减至2．48×104A，关态电流从1．24

×10d2A衰减至1．10×10‘12A，相对而言开态电流衰减得快些。

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图3．3含背沟保护层a-IGZO TFT电应力作用下阈值电压(a)，场效 应迁移率(b)，亚阈值摆幅(c)和开关比(d)随应力时间的变化

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

因为稳定性问题与缺陷态密度的分布状态密不可分，所以这里采用第二节 介绍的从C．V曲线提取缺陷态密度的方法。C．V测试模型是将源极和漏极连在 一起作为模拟器的负端子，栅极作为正端子，测试仪的模拟器为正负端子间同 步施加直流(栅压)信号和交流小信号，同时测试反馈回来的电容量。设置直 流信号为．15V至+15V，交流小信号频率为1KHz，摆幅200mV。

将测得的C．V特性曲线按照前面介绍的算法提取N，得到图3．4。从中可以 看到初始时刻的导带尾态峰值密度为1．6X 1020cm。3eV～，50分钟电应力处理后峰 值密度增加到1．8×1021cm。3eV～，提高了一个数量级，并且其能级位置从0．68eV 向更高能级方向扩展至0．79eV。

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图3．4电应力作用50分钟前后TFT缺陷态密度按能量的分布

将前面电学参数的结果与提取缺陷态分布的结果结合起来分析，我们得到 电稳定性的一种可能的物理机制的解释。我们推断，在20V高的栅压应力作用 下，大量的感生电子被栅绝缘层／半导体层界面处的陷阱捕获，形成带负电的固 定电荷心引，它将在导带底引入类受主的带尾缺陷态。从应力作用后尾态峰值密 度剧增的情况来看，可能与这些负电荷的引入有关。

从电学性质的角度来分析，这些固定负电荷一方面对正的栅压有屏蔽作用， 使得沟道中有效电场减弱，为使器件完全开启就要求更高的Vtll，造成了VtIl向 正偏压方向漂移；另一方面进入饱和区的自由电子必然受到固定负电荷的散射 作用(或者称尾态对电子的多次陷获作用)而使迁移率下降，进而造成开态电

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索 流的衰减。

从能带的角度分析，应力作用后界面缺陷态的增多，造成与应力作用前相 比同一栅压下感生电子更多地先去填充这些缺陷态了，导致亚阈值工作区向正 偏压方向漂移，并且应力作用时间越长，固定负电荷增多，界面缺陷态增大， 漂移量增大。另一方面，图中所示导带尾的带尾态密度的增加，且向靠近Ec方 向移动，使得阈值电压也随之增大、开态电流降低，开关比呈指数式降低。然 而因深能级附近的态密度稍有减小但减小得并不多，所以未引起亚阈摆幅SS的 大幅改变。另外，由于这些是固定电荷的作用，所以导致I．V曲线的整体移动。

3．3．2含／不含背沟道保护层a-IGZO TFT电稳定性的比较

图3．5(a)和(b)分别给出有、无背沟道保护层的a-IGZO TFT在高栅压 应力下的转移曲线随时间漂移现象的比较。被测器件的结构参数为W／L=501．tm／ 109m，Tox=150nm：电应力条件为Vgs=20V，Vds=0V；测试时间50分钟，每 隔10分钟对器件进行一次转移曲线的测试。如图所示，两个器件的转移曲线均

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图3．5含(a)不含(b)背沟道保护层a—IGZO TFT在高栅应力作用

下的转移曲线

呈现整体向正偏压方向的漂移(与MOS器件中固定负电荷的作用相同)。与图 3．5(a)对比可看出，无保护层的器件，高栅压电应力造成的转移曲线的漂移更 甚，漂移量达到近3V，且关态电流出现显著衰减。

对测得的转移曲线进行参数提取，得到不含背沟道保护层a．IGZO TFT相关 电学参数随时间变化的曲线，再与前面含背沟道保护层TFT的参数比较，就得 到了图3．6的结果。图3．6(a)显示，不含背沟道保护层TFT在50分钟的高栅

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

压应力处理后，阈值电压的总漂移量为1．9V，漂移量随时间呈指数改变，电稳 定性状况不佳。图3．6(b)显示出不含背沟道保护层TFT场效应迁移率经电应 力处理后降低了3．8cm2／Vs。图3．6(c)显示不含背沟道保护层TFT亚阈值摆幅 受到电应力影响，变化量为0．04V／dec，说明半导体层内部的陷阱数目发生变化。 图3．6(d)显示了不含背沟道保护层TFT开关比异常的提升，数据显示开态电 流的降低较之关态电流要小(开态电流从6．42×10’4A降至5．68×10‘4A，关态电 流却从7．04 X 10叫1A降至1．38×10_1A)。

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图3．6含／不含背沟保护层a-IGZO TFT电应力作用下的阈值电压(a)，场效 应迁移率(b)，亚阈值摆幅(C)和开关比(d)随时间的变化曲线的比较

图3．7(b)为从C．V特性曲线中提取的不含背沟道保护层TFT缺陷态分布， C．V曲线的测试条件同前。与有保护层的相比较可见：深缺陷态密度减少，尾态 密度升高并更向导带趋近(导带尾态峰值密度是从1．7×1020cm-3eV。1增至7．5× 1020cm-3eV～，能级位置从1．0eV扩展至1．1eV)。可见ss会随应力因深态密度的 降低而减小(转移曲线变陡)；同时深态密度的减小也使得关态电流显著降低，

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

导致开关比的明显增大：尾态密度升高并更向导带趋近的情况导致整体曲线向

正偏压方向移动。

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图3．7不同电应力作用时间下含(a)和不含(b)背沟道保护 层TFT缺陷态密度按能量的分布

考虑此稳定性问题的物理机制，须结合背沟道保护层的作用。有文献提出 在正栅压作用下，如果没有背沟保护层，空气中的氧会化学吸附在背沟道表面 发生如下反应心引： 吸附的氧捕获电子形成带负电的氧离子。

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该反应的平衡常数K正比于[02一】／{Po：[n】}，[02一】是背沟道中氧离子浓度， P02 是氧分压，[n】是沟道自由电子的浓度。一定温度下K为常数，那么环境中氧含 量越高，氧离子浓度越大；栅压越大，自由电荷数目越多，氧离子浓度也随之 增大。这样在20V栅压应力下，背沟道由于氧的化学吸附而消耗了电子，相当 于感生了空穴，整个半导体沟道有效电场被削弱，费米能级下移。氧的吸附实 际相当于在沟道施加了一个“负”栅压，这样为使器件开启而施加的负栅压值 就小了，即开启电压向正偏压方向漂移(参见图3．5中用圆圈框出部分。此处定 义漏电流即将指数增大时对应的栅压为开启电压)。

从能带的角度来看，我们推断氧的化学吸附导致膜内起类受主作用的尾态 密度及深态密度的改变。比较图3．7(a)和(b)可以看出，尾态密度都增加且 位置向导带底趋近；而深态能级密度有所较小，但移动方向不同：对有保护层

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

的，向高能方向移动，总体变化不大；而无保护层的变化幅度(位移量及峰值 的降低)较大，显示了吸附性负电荷的作用。另一方面，氧吸附使得同一栅压 下整个半导体层感生的电子数更少，导带尾态向高能级扩展，费米能级向导带 的移动更加缓慢，继而阈值电压升高，亚阈值工作区整体向正偏压方向漂移。

总之，对于无保护层的TFT，背沟道表面受外界氧的吸附作用使其电稳定 性更差。而背沟道保护层的存在阻止了02与半导体层的吸附作用，因而能有效 提高a-IGZO TFT的电学稳定性。

第四节AOS TFT热稳定性测试与分析

由于电器长时间工作会产生大量的焦耳热，造成TFT基板温度的升高，这会 不会影响TFT的工作性能?本节就电处理的同时加衬底温度观察其对AOS TFT 电性能的影响展开讨论。我们称之为“热稳定性”问题研究。

3．4．1含背沟道保护层a—IGZO TFT热稳定性 图3．8所示为含背沟道保护层的a．IGZO TFT在热应力下的转移曲线，被测

器件的结构参数为W／L=50／lOpm，Tox=150nm，热应力条件分别为室温20℃、40℃、

60℃和80℃，测试设定Vds=5V。可以看出，随温度升高转移曲线向负偏压方向

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图3．8含背沟道保护层a-IGZO TFT在不同温度下的转移曲

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

移动。漂移主要集中反偏区与亚阈值区的交界(称为“开启区”，即从关态到亚 阈值区的起始部分)，如图3．8中的椭圆圈所示，其放大部分参见插图所示，漂 移量最大约．0．6V。

对各个温度应力下所测转移曲线进行电学参数提取，得到如图3．9所示的结 果。图中显示在80℃下，阈值电压，相对于室温下的值，从．1．14V漂至．1．35V， 总漂移量仅为．0．2V。场效应迁移率在热处理后从23．1cm2～s提升至24．5cm2／Vs。 亚阈值摆幅提高了0．04V／dec，说明热应力作用使半导体层内部的陷阱数目增加。 开关比在热处理后提高了0．5×108，具体来看，开态电流从6．3×10‘4A增至6．58

×10‘4A，关态电流从5．92×10。3A降至4．13×10。13A，相对而言关态电流的变化 起主要作用，这也从漂移量集中开启区得以体现。

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图3．9含背沟道保护层TFT阈值电压、场效应迁移率、 亚阈值摆幅和开关比随温度的变化曲线

从C．V曲线获得缺陷态分布的结果，如图3．10所示。可以看出，温度的提 高使得导带尾峰值缺陷态密度从5×1020cm-3eV。1降至2．4×1020cm。3eV～，峰位能 量从O．8eV推至0．eV，即表示是向深能级方向移动。温度升高使尾态向远离 Ec方向移动，表明当栅压加大、能使费米能级更早接近导带尾、将器件完全打 开，如是阈值电压降低。

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

巾s(、，)

图3．10含背沟道保护层盯T在不同温度下的缺陷态分布

这里，因为温度的升高本身就会使a．IGZO材料的导电性更好，这样仅需一个较小的栅压就能使电流达到饱和，在转移特性上也就表现为阈值电压向负电 方向漂移，而场效应迁移率得以提高。但是，这个简单的解释并未说明微观 机制的所有问题，此处给出一个表观解释为：随热处理温度升高可能出现了某 种“热激发效应”126-271。即是说，随着温度的升高，某些热激发的氧原子离开了 它们的初始态，留下一个氧空位，这些氧空位起类施主作用。从图3．10中看到， 导带尾下方的态密度增加了，我们推断这可能与这些热激发产生的氧空位有关。 同时起类受主作用的带尾态密度的减小，使得电子在尾态的散射几率减小，从 而场效应迁移率增大，开态电流增大，开关比提高。

有文献报道1261，当栅压低于阈值电压时，由于热激发会使半导体内的陷阱诱 空穴产生。这些空穴在横向电场的作用下移至源电极的边缘处，并在源电极 方区域积累，导致栅源之间的势垒降低。栅源势垒的降低，增强了电子从源 的注入，造成亚阈值区(尤其在开启区)的漏电流随温度升高而增大，转移 曲线向负偏压方向漂移，器件提早开启，这就解释了如图3．8所示的温度升高造 成的漂移集中在开启区。随着栅压的加大，空穴在源极边缘处的积累被抑制， 栅源势垒的削减作用被抑制：当栅压大于阈值电压时，费米能级到达导带，器 件完全打开，在源极边缘处热激发产生的空穴流入源极而湮灭。

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压导下极

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

3．4．2含／不含背沟道保护层a-IGZO TFT的热稳定性比较

图3．1l(a)、(b)所示分别为含、不含背沟道保护层的a．IGZO TFT在热应 力下的转移曲线的比较，被测器件的结构参数为W／L=50／101．tm，Tox=150nm， 热应力的温度范围分别为室温(20℃)、40℃、60℃和80℃，测试设定Vds=5V。 与图3．11(a)相比，转移曲线在负偏压方向的总漂移量增至。3．34V，这个相比 较大的漂移量，严重影响了器件的开启特性。

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图3．1l含(a)与不含(b)背沟道保护层TFT在不同温度

下的转移曲线

图3．12是对转移曲线进行电学参数提取并与含背沟道保护层相应参数进行 对比。图(a)是阈值电压漂移量的比较，无背沟道保护层时当温度变为80。C漂 移总量接近．1．2V，远远大于含背沟道保护层的漂移总量．0．2V，说明器件工作电

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

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图3．12含／不含背沟道保护层TFT的阈值电压漂移、场效应迁移率 和亚阈值摆幅随

温度的变化曲线

流更难饱和。图(b)是场效应迁移率的比较，热应力同样使得无背沟道保护层 TFT迁移率有所提升；但是，亚阈值摆幅从0．28V／dec增加至0．59V／dec，增大 了一倍，如图(c)所示，表明半导体内部陷阱数目有扩大趋势。

图3．13(a)、(b)是由C．V曲线提取的缺陷态密度按能量分布情况，其中 图3．13(b)是无保护层的结果，随温度升高峰值缺陷态密度从1．92×1020cm。3eVd 降至2．63×10wcm。3eV～，峰位能量也从1．0eV推至1．3eV。

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图3．13含(a)与不含(b)背沟道保护层TFT在不同温度下的缺 陷态密度分布

考虑这一变化状态，就要考虑无背沟道保护层时环境气体的作用。一种可

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

能的情况是：环境中一定湿度的水汽化学吸附在背沟道表面，与空穴结合而在 表面层上形成如H20+离子的正电荷积累层船引，这相当在沟道预置了“正偏压”， 沟道内有效电场被增强，在同样的栅压下感生电子数增多，漏电流更大，即如 图3．11所示亚阈值区和开启区向负偏压方向漂移(呈现如MOS器件中固定正电 荷的作用)。又因为热激发诱导的空穴浓度随温度升高而增大，这就促进了水的 化学吸附，所以开启区的漂移随温度的升高而更严重了。

虽然空气中既含有氧气也含有水汽，它们都有可能与背沟道发生化学吸附，但是它们各自吸附的几率要看半导体层的性质与状态。当施加20V栅压应力时 会在沟道感生大量电子，这时半导体电子积累的状态使得氧气的吸附几率加大， 氧吸附引起的负电荷作用显现；当衬底温度升高时，热激发使陷阱诱导的空穴 积累在半导体层，这使得水汽以分子或OH。离子的形式吸附的几率增大，水吸附 引起的正电荷作用明显。

从能带的角度来看，水在背沟表面吸附而呈现固定正电荷作用时，主要体现在深能级态密度的增加。通过比较图3．13(a)和(b)就会发现，相比有保护层，无背沟保护层TFT的深能级态密度明显增加且能级展宽，这就导致随栅压加大、费米能级上升过程中在一个较宽的栅压范围内，亚阈值区电流增加速率 变缓，这正是如图3．12(c)所示造成亚阈值摆幅有所增加的原因。另一方面，H20+ 正电荷的作用也可能使导带尾态密度减少(参见图3．13(b))，造成电子散射几率减小，导致场效应迁移率有所增加。

第五节AOS TFT光稳定性测试与分析

对于AMLCD面板，开关管TFT要暴露于来自背光源的光照下，因而为了 应用于AMLCD及其他透明器件(如1vrFT)，AOS TFT应该具备良好的可见光 不敏感性。

3．5．1含背沟道保护层a-IGZO TFT的光稳定

性

所测a．IGZO TFT光稳定性所用光源为紫外光，这是因为a-IGZO的带隙较宽。其吸收光的长波限在紫外区之故。图3．14所示为含有背沟道保护层的a．IGZO TFT、用波长为245nm的紫外光照射10s，20s，30s后以及初始状态下(以0s 计)的转移曲线之比较，被测器件的结构参数为W／L=50／10pm，Tox=150nm。光应力试验是国内几乎没有涉及过，所以测试之初，为获得能反应实验效果的

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

测试分析结果，预先进行合适实验条件的选择是必要的。最初的实验将紫外灯 管的光直接照射到全阵列的TFT器件上，发现照射5s后器件失去了场效应特性， 而且在停止照射一段时间后也不可恢复，分析原因估计是所使用的紫外灯管的 强度过大破环了薄膜器件结构。为改进实验条件，在紫外光与TFT器件之间加 一块镀铝的玻璃板作中性滤波片，同时在TFT基板上遮盖遮光纸只在被测器件

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图3．14含背沟道保护层TFT在紫外光照射后的转移曲线

上方开一小孔，以便保护其它未予处理的器件不会受到紫外光照射的影响。改 进后的实验系统很好的减弱了照射TFT的紫外光光强，保护了器件的完好，更 接近了一般环境的模拟。

可以看出转移曲线，与上述电应力试验结果有相似之处，在于随光应力处 理时间的增长曲线向正偏压方向漂移；而不同之点是，漂移不是整体的移动而 主要偏向于发生在亚阈值区与超阈值区交界处，即器件工作电流接近进入饱和 的区域，漂移量最大约1．5V。

对转移曲线提取电学参数的结果由图3．15显示。在30秒的紫外光处理后， TFT的阈值电压从．1．01漂至．0．01，总偏移量为lV。场效应迁移率在处理后从 14．7cm2Ns提升至27．5cm2／Vs，有12．8cm2Ⅳs的增量值得关注。亚阈值摆幅增

x 109A 大了0．04V／dec，说明半导体层内部的陷阱缺陷有一定影响。开关比从1．7

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

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图3．15含背沟道保护层TFT的阈值电压、场效应迁移率、 亚阈值摆幅和开

关比随应力作用时间的关系

降至1．1 X 109A，减小了0．6×109A。具体来看，开态电流从6．2X 10‘4A减小

到 6．12×10。4A变化不明显，主要表现在关态电流的提升，即从3．69X 10邯

A抬升 至5．56×10。13A，变化较为明显，预想应与紫外线处理密切相关。对测得的C．V曲线进行缺陷态密度分布的提取，获得图3．16。导带尾峰值缺陷态密度随紫外光处理时间的延长而降低(约半个量级)、而峰值位置向导带旦 坠

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图3．16含背沟道保护层TFT不同光应力作用时间下的缺陷态分布

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

移动，即峰值密度由6．73×1020 cm。eV。1逐渐减为1．12X 1020cm弓eV一，而对应的 峰值能量也从0．65eV推至0．74eV，即从深能级移至靠近Ec；其密度随能量分布 的斜率开始时有所增加、而后趋于稳定(参见图3．16椭圆框所示)，这样就使栅 压下费米能级在超阈值区的抬升变慢、故而在由亚阈值区进入饱和区时呈现弧 形的曲线形状(如图3．14所示)。

这种现象的物理机制与光诱导作用有关。245nm的紫外线，其光子具有高 达～5．1leV的能量，所以对于带隙为3．3eV-3．5eV的a．IGZO半导体，在紫外光 的诱导下可使价带电子和带隙中任何能级中陷获的电子轻易吸收能量跃迁至导 带，所以会产生光生电子．空穴对。

在开态下，沟道已经感生有一个非常高的电子浓度，即使计入光生载流子 数也改变不大；而当TFT处于关态，在负偏压下场感生电子被完全耗尽，这时 光生效应将呈现出来(关态的电子数较低，光生载流子浓度不可忽略)，所以关 态电流有所提高，开关比减小∞1。另外，我们推测可能光生效应填补了一部分 导带尾的类受主能级(如图3．16所示)，电子的散射几率减小，场效应迁移率增 大：光生电子．空穴对中的光生电子被导带尾的类受主能级捕获，留下了光生空 穴，这也需要更高的栅压感生更多电子来复合这些空穴，从而阈值电压向正偏 压方向移动(阈值电压增大)。

3．5．2含／不含背沟道保护层a-IGZO TFT的光稳定性比较

图3．1 7(a)、(b)所示为含与不含背沟道保护层a-IGZO TFT在波长245nm的

(a) (b)

1E·3

1E‘3

1E-4 1E-4

1E-5 1E-5

1E-6 1E-6

1E-7

，、1E-7 《 孑

；—

1E-8 ；—

1E-8

1E-9 1E‘9

1E-10 1E’10

1E‘11 lE’”

1E-12 IE‘12

1 E．13 1E一13

-20 ．15 -10 ．S 0 5 10 15 20 25 -20 -15 —10 -5 0 5 10 15 20 25

Vgate(v) Vgate(v)

图3．17含(a)不含(b)背沟道保护层a-IGzO TFT在不同 光应力处理时间后的转移曲线。

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

紫外光照射lOs，20s，30s后以及初始状态下的转移曲线之比较，被测器件的结 构参数为W／L=50／10I．tm，Tox=150nm。与含背沟道保护层相比，漂移同样朝着 高压方向且集中在TFT进入开态的区域，其漂移量的最大值为2．5V，这个不稳

定对于TFT器件来说不容忽视。 图3．18是对转移曲线进行参数提取并与含背沟

道保护层进行对比。图(a)

显示了阈值电压的漂移量从．4．63V至．2．22，总漂移量为+2．4，紫外光处理严重影 响了器件的开启。图(c)显示场效应迁移率增加了17．3cm2／Vs，是个相当大的 改变：但是，亚阈值摆幅增大了0．21V／dec，从0．34V／dec增加至0．55V／dec，是 个不容忽视的退化，如图(b)所示。图(d)表明开关比衰减的更严重了，共 衰减了1．8×109A，是含背沟道保护层的3倍。

(b)

2 5

2。

￡15

§。

。5

OO

0 O 5 10 15 20 25 30

5 10 15 ∞ 25 ∞

Timef∞c1 \"rime(sec)

(c) ∞

(d)

筠

∞

巧 (s^『、E3)丘：

∞

俘

O 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30

Time(sec) \"time(sec)

图3．18含／不含背沟道保护层TFT阈值电压漂移量、亚阈值 摆幅、

场效应迁移率和开关比随处理时间的变化

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

为了进一步分析，由C．V曲线获取了缺陷态密度分布结果如图3．19(a)、(b) 所示。图(b)不含背沟层TFT导带尾峰值缺陷态密度从9．4×1020

cm’3eV‘1增至 1．5×10心cm‘3eV～，峰位能量从1．62eV移至1．52eV。这一结果可能与Ti02吸收 紫外光有关H 0|。Ti02这种材料对245nm波长的紫外透过率很低，这样把Ti02作 为背沟道保护层能大大衰减进入TFT半导体层的紫外线，从而减弱光诱导效应。 图中还发现，与含背沟保护层不同，无背沟保护层的尾态向深能级方向推移， 这可能与带隙内深缺陷态的减少有关。

(a) (b)

1￡≥0 1F．20

1E19 1E19

，

> > 一

5 1E18 S旧8 Z

；

1E17 1E17

1E16 1E16

0．0 0．2 0．4 0．6 0．8 1．0 0．0 0．2 0．4 0．6 0．8 1．0 1．2 1．4 1 6

舾(v) 忙(v)

图3．19含(a)不含(b)背沟道保护层在不同受光处理时间 下的缺陷态分布

另外，紫外光会使空气中氧电离产生臭氧(03)，这些臭氧化学性质活泼， 在无背沟保护层的情况下极有可能与半导体层背表面发生化学吸附，形成带负 电荷的03。，图3．19(b)显示了深能态密度的降低，这与前面讨论的氧吸附后深态密度减少引起阈值电压向正偏压方向漂移的原因是类似的，此处不予赘述

将以上研究的背沟道保护层对电应力、热应力、光应力的作用合为整体来 看，保护层在AOS TFT的稳定性问题上扮演一个重要角色。它能有效阻挡外界 氧气、水汽等气体与半导体层的作用，Ti02保护层能够吸收紫外线，保证了在 较长时间工作下a-IGZO TFT的电学性能维持一个较好水平。与其他保护层材料相比，Ti02在常温常压下就可以沉积，不易发生化学反应，良好的光学特性， 所以多年来广泛用于太阳能电池的防反射掩模和TFT的钝化层。

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第三章AOS TFT稳定性分析与物理机制探索

第六节小结

本章主要讨论和分析了溅射法制备的a-IGZO TFT的电、热、光应力，以及 环境气氛造成的稳定性问题。

AOS TFT的电稳定性主要使得转移曲线的亚阈值区整体向正偏压方向推 移。其机理可能与栅绝缘层／半导体层界面处的陷阱数目有关，降低此界面处的 缺陷态密度，将有利于减少固定负电荷数目从而改善电稳定性。

热稳定性主要影响着器件进入关态的性能，Von的漂移最为明显。其机理可 能与热激发效应有关，控制半导体内陷阱数目从而减小热激发的陷阱诱导的空 穴含量，对优化热稳定性相当重要。

光稳定性主要影响着器件电流进入饱和的效果，亚阈值摆幅和开关比的变 化最为显著。其机理可能与光生载流子有关，良好的界面状态和钝化的沟道陷 阱能有效减少被激发的载流子数目，从而很好的改善稳定性。

对前面三种应力的测试，无Ti02背沟保护层的器件应力造成的漂移显现均 更为明显了。说明环境Ti02背沟道保护层的存在能有效阻止外界水汽、氧气等 与半导体层表面的作用，吸收紫外光，对阈值电压的漂移、亚阈值摆幅、开关 比都有很大的影响，对于改善电、热、光稳定性有重要意义。

我们发现，AOS TFT稳定性问题是一个多层次多效应叠加作用的结果，其 物理机制可能远比得到的结果更加复杂，其理论模型和能带模型都有待进一步 完善，所以本章的意义是针对不同的稳定性现象尽可能给出合理的解释，这是 建立在现有模型和理论的基础上的。相信不久的将来AOS TFT会得到更广泛的 关注与研究，从而使得稳定性问题的研究更全面、更丰富。

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第四章溶液法制各AOS材料与高质量栅介质层探索

第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索

溅射法a-IGZO TFT稳定性研究指明了决定器件稳定性的关键因素，那么采 用怎样的工艺手段和工艺条件来控制这些因素，从而实际解决电学性能退化的 壁垒，是本章探究的内容。

与溅射法相比，化学溶液法最重要的优势就是廉价，而且经验证AOS材料是可以通过化学溶液法制备的口卜321，本章拟以低成本的溶液法进行AOS薄膜的制各的研究，主要针对其热处理化学反应、处理条件以及重金属原子对薄膜质量的作用分别进行讨论，以期获得既廉价又具有良好电学性能的AOS薄膜。

与阳极氧化法制备氧化铝相比，还存在着更优质和更适合AOS TFT的绝缘 层材料和制备手段，本章对此也做了讨论。

总之，本章就是从有源层和栅绝缘层材料两个方面入手探寻解决稳定性的

工艺技术。

第一节化学溶液沉积法概述

在过去的20年间，化学溶液沉积法已经广泛地用于薄膜制备，其中许多应用都围绕着电子器件中铁电材料薄膜口31的制备。另外，化学溶液沉积与硅材料工艺相结合，成功研制出铁电存贮器，热电器件以及微电机系统(MEMS)。这 对电子制造领域是个重要的拓展。而且，这种方法不止用于铁电材料方面，近 十年还出现专门对超导体材料——特别是第二代涂层导体口们的研制。此外，还 有光磁

器件，电化学，装饰涂层等方面的应用。如今看来，化学溶液沉积法具 备良好的应用方向，这与溶液法本身的优势相关口5’。

与物理气相沉积法(如溅射法)制备薄膜相比，溶液法具有以下优势： ◆成分易于控制，通过改变前驱液中各组分的化学计量数之比就达到控制 成

分的目的，而且在整个工艺过程中组分比不会改变。PVD法的反应 源需转化为气相后沉积在衬底上，在这一气相转固相过程中组分比可能 改变；

◆预备时间短，主要指配置前驱液的时间相对抽真空的时间要节省很多； ◆成本低，无论是化学实验设备还是化学试剂相对真空设备和反应源都要

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第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索

廉价很多。而且溅射法每改变一次组分比都必须重新做靶，浪费大量时 间且不廉价。

溶液法制备薄膜有四个基本步骤：首先合成前驱液，通过化学配置得到均 一稳定的溶液；其次通过旋涂、浸渍或喷雾等方式将溶液均匀完整的涂布在衬 底上；再次是烘干和高温分解，典型温度为300．400。C，这时非晶态薄膜形成； 最后更高温度的处理(600．1100℃)，这时薄膜稠化、结晶。后面一节将依据以 上温度范围选择合适的制备条件进行讨论。

根据涂布、溶液配制、凝胶行为以及热处理时的反应过程的不同，溶液法 主要分为三类：

》 溶胶凝胶法(s01．gel)使用醇盐进行水解反应和缩合反应，通常采用乙 二醇甲醚作为反应物和溶剂b5门61。

>金属有机物分解法(MOD)使用憎水的金属羧酸盐化合物进行反应口7l。

>杂化法(hybrid)使用调整改进的配合基口8|，如乙酸来进行反应。 正因为化学溶液法有上述明显的优势，不少科研单位纷纷拓展其应用领域。

K．Mimura等人采用溶胶凝胶法在700。C$IJ备了铁电材料(Ba,Ca)(Zr，Ti)03， 它是优良的电介质材料，其介电常数达到了900以上。R．w Vest等人在蓝宝石

衬底上采用金属有机物分解法在650℃制备了PtLaZrTi薄膜，其介电数为1800， 线性和二阶光电系数分别是30x10-12mⅣ和50×10-18(m／V)2。国外已有单位采用 溶胶凝胶法制备AOS TFT。例如，Chen．Guan Lee等人利用SnCl2和ZnCl2前驱 物在500℃制备出ZnSnO材料，其TFT场效应迁移率达到2．5 cm2／Vs，阈值电压 约为1V，亚阈值摆幅为0．23 V／dec。韩国延世大学的D．H．Yoon等人制备了 SrlnZnO TFT，饱和迁移率为0．34cm2Ⅳs，开关比达

到1 06以上。证明s01．gel法

是适用于AOS TFT的沉积技术。

第二节sol—gel法制备ZrlnZnO薄膜

应用于AOS TFT的AOS材料是丰富的，a．InGaZnO是研究最多的AOS材 料，本节采用低成本的溶液法制备a．ZrInZnO薄膜并对制备工艺进行了探索。采 用高电子数元素Zr来替代Ga，是因为两种重金属阳离子在AOS薄膜中的作用 类似，本章第三节将详细讨论重金属原子的作用。

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第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索

4．2．1 A0$薄膜

SOl-ge I法制备过

程

溶液法制备AOS薄膜时，应考虑以下几个要素：首先，必须保证前驱物可 溶，尤其当制备多组分薄膜时应考虑这些组分或元素的哪些化合物是可溶的并 能与其他组分化合物反应。第二，在热处理过程中没有不合理残留物留下，即 在热处理过程中除了有效阳离子和氧离子之外所有物质都转化为气态逸出。这 一方面要求合理设计反应，另一方面要求热处理充分反应完全，因为大多数有 机反应都是可逆反应，所以可能会有不同程度的残留物存在。第三，烘干或高 温分解时不应有某一前驱物成分的可观察的相变，即在溶剂蒸发时应避免某一 成分结晶，且在热分解过程中所有有效元素应保持在同一原子水平，保证化学 反应的有序进行。第四，前驱液的流变能力应适应沉积方式，无论采取旋涂、 浸渍、喷雾或窄槽涂布等方式，应尤其注意保持前驱液与衬底表面良好的粘附 状态，应使溶液充分均匀地附着在整个衬底表面上，避免出现条痕和厚度不均 匀。第五，应保证热处理后的薄膜无龟裂或成分不均匀。避免热处理时温度骤 增或剧烈震荡而出现薄膜龟裂，同时应保证前驱液充分搅拌且热处理时不会出 现有效成分的逸出，保持成分的均匀性。第六，衬底的材质应适应热处理温度， 在热处理时衬底杂质扩散应减至最小，衬底形变及其他特性的退化应减至最小。 第七，配置的溶液应具备一定时间的稳定性，避免使用同一溶液不同批次的薄 膜质量的不可重复。

基于以上考虑后，本实验中采用以下步骤和方法制备ZrlnZnO薄膜。 由于铟晶体(In(NO。)。·5H：0)极易潮解，在密封状态下充分研磨后用 电子天平秤取2．49，另秤取1．359乙酸锌(Zn(Ar)。·2H：0)和0．1059锆晶 体(Zr(NO。)。·5H：0)，放入100mL容量瓶中，最后加入50mL乙二醇单醚，这 样就配置好了前驱液。溶液成分比例取为Zr：In：Zn=0．2：5：5，溶液浓度为 0．24mol／L，呈浅白色透明状态。将容量瓶放置在约70℃的温水中，使用磁力搅 拌器搅拌2小时，最终获得了所需的前驱液。

在用s01．gel法制备ZrlnZnO薄膜实验过程中发现了需要注意的几个关键问 题：首先，发现配置的溶液的稳定性问题，即配置好的溶液经放置一段时间后， 溶液会出现浑浊、沉淀的现象；另外，用该溶液制备的薄膜表面较为粗糙，有 明显的颗粒感，其原因估计与溶液内沉淀物有关。

考虑到弱酸可以促进金属有机物的水解，胺盐可以调节pH值以改善溶液的

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第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索

稳定性，为此向溶液中分别添加一定量的乙酸和乙醇胺(初始各5mL)作缓冲 剂。此时因乙醇胺的分解将发出大量的热，其促进溶液呈无色透明，搅拌后呈 淡黄色，放置几周后也未发现浑浊现象；且制备的薄膜表面更为平滑。说明选 用添加的缓冲剂是有效的。

前驱液制备完成后，将清洗好的石英衬底用氮气吹干吸附在甩胶机的托盘 中心，用胶头滴管取一定量溶液，滴下溶液后立即甩胶。转速设置为1000rpm 维持10秒，之后2500rpm维持30秒。低转速控制液滴平整铺开，高转速主要控制成膜厚度。将旋甩后的样品小心移至高温炉中，注意尽量不要使样品倾斜，不要将镊子碰到水膜上。控制好高温炉中空气流量，开启通风罩，温控器设置 为升至80℃后维持10分钟，升至300℃后维持5分钟，升至500℃后维持l小时。这样就得到了ZrInZn0薄膜，薄膜无色透明。

4．2．2凝胶膜在热处理过程中的化学反应

M．S．Bhuiyan等人口们认为凝胶膜在热处理过程中主要发生三个化学反应： (1)水解反应：

M(OR)，+H：0—，M(0R)，一。(0H)+ROH (4．1)(2)缩合反应： 脱水缩合 M(OR)，。0-H+M’(0R)。一。一0H—．-M一0一M’(OR)。，一。+H。0 (4．2)脱羟缩合

M(OR)州0一H+M’(OR)州一oH—M一0一M’(0R)：川+ROH

(4．(3)醇交换反应：

M(OR)。+xR’0H—M(0R’)，+xROH (4．4)其中，M代表金属阳离子，R代表构成金属无机盐或有机盐的烃基或阴离子 分，这样的M(0R)，在溶胶凝胶法制备AOS材料的方法中可能出现zn(Ar)。， In(N0。)。，Zr(NO。)。，TiCl。等。M'代表另一种金属阳离子成分，RI代表另一种构成相关无机或有机盐的烃基或阴离子。应该注意的是，本方法里的金属阳离子不 是随意选取的，同样，在理论和实践上都得到证实的是，R的选取也不是随机的， 般取乙酸基、基和氯离子，这是因为这三种基团或离子与金属阳离子构 成的盐易发生水解反应，并且在一定温度下水解反应的产物都易于逸出，如乙

酸，HN03，HCl等。

水解反应是将溶于乙二醇单醚的反应前驱物——不同金属(组分)的盐水欢迎下载

3)

部 一

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第四章溶液法制各AOS材料与高质量栅介质层探索

解为相应的醇，同时基团或阴离子部分经转化逸出，为后面的缩合反应打下基 础。常与水解反应相伴的是醇交换反应，这个反应看起来只是换了金属盐的基 团或阴离子部分，实际上因为乙二醇单醚既作为溶剂又作为反应物，在这里把 它看作一个醇，它替换金属盐的基团或阴离子部分，这样金属无机盐完全的替 换为有机盐，尽可能减少有效组分里的无机、有机成分。当然，可以看出这个 反应是包含了金属盐水解为醇的部分的。缩合反应是在一定温度各组分以醇的 形式相互间脱水或脱羟缩合，最终得到多组分的氧化物。要得到充分反应的多 组分氧化物，就要保证各组分金属盐完全转化为醇，如果醇的转化不完全就不 能保证得到正确的组分比例。而上述乙醇胺有机溶剂的添加能有效促进醇的转 化m’3争删，从而易于获得组分稳定、清亮的氧化物凝胶膜以及表面平滑透明的 AOS薄膜。

一些文献已经对s01．gel法制备的某些氧化物薄膜的化学过程进行了探索， 他们主要的分析手段为TG．DTA(Thermogravimetric．Differential Thermal Analyzer，热重-差热分析)并结合元素分析，利用质量损失随温度的变化关系 来推断某一温度下逸出的物质从而得到反应式H¨。他们在100。C上下发现第一个 明显的吸热峰并伴随大量的质量损失，从而推断出这时发生了水解反应(以及 醇交换反应)；第二个明显的吸热峰出现在200-300。C左右并推断这时发生缩合 反应生成多组分氧化物。此外，在500。C以及更高温度下发现非晶态的氧化物薄 膜开始出现了局部的微晶。这些微晶可能对提高载流子迁移率有一定作用，这 在后面的小节有所研究。

根据以上理论与分析的结果，推断出本实验制备的ZrInZnO薄膜的化学反 应如下：

设前驱物Zr(NO。)。·5H。0，Zn(Ar)：·2H。O，In(N0。)。·5H：0的组分比为x：Y：

Z mol。

100℃左右，

xZr(NO。)4+yZn(Ar)2+zIn(N03)3+(4x+2y+3z)H20—xZr(OH)。+yZn(OH)2

+zIn(OH)3+2yCH3COOH f+(4x+3z)HN0。f (水解反应)： (4．5)

200-300℃左右，

xZr(OH)4+yZn(OH)2+zIn(OH)。一Zr。Zn，In：0(2x勺+1．5：)+(2x+y+1．5z)H20 f (缩合分应)： (4．6)

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500℃以上，

非晶Zr，Zn，In：0(2x+y+l 5：)一局部微晶Zr。Zn，工n：0(2；+y+15。)

(4．7)

由于以上几组反应是在不同的温度下进行的，所以根据各反应的要求在不 同阶段合理安排反应时间及其他条件就显得很重要。作为整个热处理过程中物 质逸出最多的阶段，60-150。C应控制升温速率使温度尽量缓慢提升，避免因温 度骤升而物质大面积逸出造成的孔洞，所以实验中设置80℃时稳定10分钟。 200—300℃是形成多组分氧化物薄膜的关键阶段，应尽量使M—O—M成键稳定牢靠， 同时减小氧空位的数目。这同样不能让温度变化过快，所以设置300℃稳定5分 钟；Zr的选取也对M-O-M成键有一定作用，这将在下面讨论。500℃下稳定一小 时是为了提供足够的能量来形成均一稳定的氧化物，此外高温处理也为了尽量 减少薄膜内残留的有机物杂质含量，提高薄膜质量。

4．2．3处理温度对Zr InZnO薄膜的影响

前面分析了ZrlnZnO薄膜热处理过程的化学反应，而处理温度是决定反应 状态的重要因素，所以本小节探索不同的处理温度对薄膜结构与电学特性的影 响。将旋甩了相同前驱液(Zr：In：Zn=O．2：5：5)的样品送人高温炉中，控制升温速 率在80℃维持10分钟，300℃维持5分钟，之后分别在450℃、500℃、550℃

枷 瑚 咖 咖 湖

伽 瑚

。

0 10 20 30 40 50 60 70 80

2E)

图4．1不同热处理温度下ZrlnZnO薄膜的XRD谱

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第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索

维持1小时，得到三组ZrInZnO样品。 图4．1是三组样品的XRD谱图。可以看出，随着处理温度的提升，32—340

处的晶胞越来越明显。450℃时基本看不出340处的非晶峰，500℃时非晶峰较为 明显，550℃时这个明显的非晶胞似乎包含了一些结晶峰，这可能代表出现的一 些局部微晶。处理温度的提升有助于晶格结构的优化，非晶变得更加均匀，甚 至有结晶的趋势。

因此为获得晶体结构均匀的薄膜可以适当提高处理温度，但是处理温度的 提高也会使薄膜厚度减小，同时更高的处理温度也会造成设备成本的提高。

三组样品霍尔测试的结果，由表4．1给出。可以看到随着处理温度的提高，

霍尔迁移率从0．142cm2／Vs增至2．14cm2／Vs，方块电阻从106剑口减至104剑口， 通过提高处理温度改善晶格结构，半导体内部带隙缺陷态数目减少了，从而提 升AOS薄膜的电学特性。也说明局部微晶的出现有助于提高迁移率，但是大面 积结晶会使薄膜表面更为粗糙，载流子在界面的散射增强，反而降低迁移率H¨。

表4．1不同热处理温度下ZrInZnO薄膜的霍尔测试结果

450℃ 500℃ 550℃

u Hall(cm2／V．S) 0．142 1．07 2．14 Rs(ohm／sq) 2．32×106 2．53×10。 8．19×104 Ns(cm。2) 一1．9×1013 —2．3 X 1013 —9．5×1013

4．2．4热处理时间对zr InZnO薄膜的影

响

为探索不同的热处理时间对ZrInZnO薄膜影响，将旋甩了相同前驱液 (Zr：In：Zn=O．2：5：5

m01)的样品送人高温炉中，控制升温速率在80℃维持10分 钟，300℃维持5分钟，之后分别在500℃维持1小时、2小时，得到两组ZrInZnO 样品。本实验还在550℃下维持l小时、2小时制备了ZrInZnO薄膜，作为参考 结果。 ．

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图4．2 500℃不同热处理时间下ZrlnZnO的XRD 谱

图4．2是500℃下不同热处理时间下ZrInZnO薄膜的XRD谱。热处理时间的 延长有效的改善了晶格结构，340处的非晶胞更加明显了。另外表4．2显示了霍 尔测试相关的结果，霍尔迁移率从1．07cm2／Vs增至1．86cm2／Vs，方块电阻从 2．53×105Q／口减至1．77 X 105剑口，一方面在一定程度上改善了半导体薄膜的短程 有序度，减少带隙内的缺陷态数目；另一方面由于内部有机残留物的进一步分 解逸出，总的杂质含量降低了。但是，在550℃下热处理时间由l小时延长至2 小时，发现薄膜的霍尔迁移率基本不变化(达饱和)，而方块电阻有所提高，这 可能由于高温下薄膜内的杂质挥发的更快了，即使延长热处理时间也不会有大 的改善，反而可能因为杂质长时间过快逃逸而留下更多的孔洞而造成电学性能 的下降。

表4．2不同热处理温度下ZrInZn0薄膜的霍尔测试结果

500℃lhr 500℃2hr 1．86 1．77×105 —9．7×1012 550℃1hr 2．14 8．19×104 —9．5×1013 550℃2hr 2．02 1．30×10。 —7．6×1013

la㈨(cm2／V．S) 1．07 Rs(ohm／sq) Ns(cm。2) 2．53×10。 一2．3×1013

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第三节重金属阳离子对AOS薄膜氧空位的控制作用

上一节研究了工艺条件对sol—gel法制备的AOS薄膜微结构和电传导性的 影响，除了工艺条件，前驱物的化学组分也决定着AOS薄膜的质量和性能。

根据第一章介绍的AOS材料学说，选取Zn、In、Sn、Ga等重金属原子构成 的非晶氧化物半导体兼具高光学透过率和高的电子迁移率。虽然纯的氧化锌、 氧化铟具有高的霍尔迁移率(分别约为19cm2／Vs、34cm2／Vs)，但是它们即使在 室温下沉积微结构也是结晶态的H 2J。纯的氧化镓是非晶态薄膜，但是与氧化铟、 氧化锌相比迁移率不高。为了将各组分氧化物的优势集中，自然考虑多组分氧 化物。氧化锌对可见光透过率极高，氧化铟的掺入对提高薄膜迁移率和载流子 浓度意义重大，所以这两者是必不可少的。不过现今铟材料日益匮乏，工业上 也用性质类似的锡来代替铟。重金属Ga可与锌、铟结合构成二元金属氧化物 InGaO和GaZnO，GaZnO一般为晶体，非晶态的InGaO虽然可以得到，制备的 a—InGaO TFT场效应迁移率能达到lOcm2／Vs以上，但是关态电流极大，已经超 过了10。5A，开关比只有101，不适应作为开关管的要求。能够完美应用于显示面 板的是三元金属氧化物a-InGaZnO。本文第二、三章的TF，r基板就采用了此材料。

继Ga原子之后出现了一系列高电子元素如HfH 3|、La陋川、Zr∞2I、Ti[4射等替代 原子，它们在多组分AOS薄膜中的作用与Ga类似，而且少量掺入就对薄膜性能 影响很大，同时采用溶液法能精确控制这些原子的含量，因而本节就着重探讨 这些低含量原子在sol—gel法AOS薄膜中起的作用。

4．3．1 Zr的掺入对Zr l nZnO薄膜的作用

为比较分析重金属阳离子zr的掺入对ZrInZnO薄膜质量的影响，需预先制 备InZnO薄膜。将铟晶体充分研磨后用电子天平秤取0．9779，另秤取乙酸 锌晶体0．99，将两者投放入lOOmL容量瓶中，加入20mL乙二醇单醚，再加

入lmL乙酸和ImL乙醇胺，这样配置的前驱液组分为In：Zn=l：1(m01)，总物

质的量浓度为0．25mol／L。之后进行搅拌、洗片、甩胶、热处理，条件同制备 ZrInZnO薄膜的相关过程。这样就得到了InZnO薄膜，铟和锌的组分比与ZrInZnO 相同。

首先从原子的标准电极电势(SEP)口“453来看，标准电极电势的大小可以判 断在标准状态下组成电极的氧化物物质的氧化能力或还原物质的还原能力的相 对强弱，己知Zr的标准电极电势为一1．45V，而Zn为一0．76V，In为一0．34V，说

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第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索

明Zr离子得电子还原成Zr原子的能力强于Zn和In，也就是说在同一状态下相 对于zn、In原子zr更易与氧结合而被氧化，这样当InZn0薄膜中掺入Zr原子 时就束缚了氧原子的逸出，从而相对减少了氧空位的数目，这也正是本实验拟 选用掺Zr的原因。

此外，从光学带隙的角度来看，虽然氧化锌和氧化铟都是宽带隙材料，其 带隙分别为3．3eV和3．?eV，但是Zr0：的带隙大约为7．0eV口2’删，这样掺入Zr 原子会使InZn0薄膜的光学带隙增加，加宽的带隙使得施主束缚能提高，从而 造成电子电荷数目的相对降低。

为进一步探索重金属阳离子对氧空位的影响，分别对实验制备的ZrlnZn0 和InZn0材料测试其0 1s轨道的XPS谱图，如图4．3所示。

通常，XPS谱测得的O 1s轨道谱峰可以作529．9eV，531．4eV和532．9eV三 个能量峰的高斯拟合，这三个峰位分别代表与金属原子构成化学键的氧01，氧 空位02和膜表面松散的被束缚的氧03，各个峰位的面积代表各自的氧含量， 将02与01峰包面积之比(AoE／A01)定义为氧空位的相对含量H 4|。图4．3(a) 表明InZnO材料含有大量的氧空位，而图(b)表明掺入Zr的ZrInZnO材料氧 空位数目被抑制，也就说明了重金属元素Zr对氧有束缚作用从而削减了氧空位 (记作Vo)数目。

导40000

备

卫 三 30000

526 528 530 532 534 536 538 0 2 4 6

Binding Energy(eV)

52

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第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索

(b) [--ZrlnZnO]

一m

524 526 528 530 532 534 536 538 0 2 5“ 6

Binding Ene rg-,(eV) 图4．3 InZnO和ZrlnZnO薄膜O 1s轨道XPS谱

从元素的电负性来考虑Zr对氧的作用。电负性表征原子吸引电子的能力， 么构成氧化物的金属原子与氧原子的电负性之差越大，越容易与氧结合。Zr 电负性为1．33，Zn为1．65，111为1．78，氧为3．44H 6|，Zr与O的电负性之差比 Zn和In与O的电负性之差更大，表明在ZrlnZnO材料中氧更倾向于与Zr合 成M．O-M键，换句话就是Zr的存在使氧原子的逃逸更困难，氧空位的形成更 困难。一些重金属原子电负性都很低，如Hf(1．3)、Nb(1．14)、La(1．1)、(0．)、Ti(1．)、Ta(1．5)H刀等，它们对氧空位的控制作用与Zr类似，所以在InZnO材料中掺入这些原子也能减少氧空位。

直接从M一0化学键强度来看更为直观，表4．3列出了一些重金属原子与氧 原子形成M一0键的强度H引。化学键强度定义为键断裂所需的能量，记为D(R-X)， 也有按照两种原子结合成键时的反应热来定义。可以看出，Zr-O键的强度远大 于Zn一0和In一0键，所以Zr的掺入有效抑制了氧空位的生成，甚至会抢夺Zn-0 和工n—O键中的氧而成键。其他高电子数原子的M一0键强也列出了，其强度同样 很大，也比非晶硅、多晶硅材料中的Si-Si键更强。53

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那的结Ba

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第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索 表4．3一些重金属原子与氧成M一0键及其强度

化学键

化学键强度D(kcal／m01)

67．9 86±5 181．6±2 1．8±2．0 191±3 192．4±3 158．2±3．7 180±3 78．1±2．4

Zn-0

In-0

Zr——0

Hf-0

La—O

Ta一0

Ti一0

Nb-0

Si-Si

图4．4是ZrInZnO和InZnO薄膜的XtCD谱图，可以看出，无论是否掺入 Zr薄膜在热处理后都表现为非晶态。表明虽然重金属元素Zr的原子半径大于锌、 铟原子，但不影响AOS薄膜的非晶有序性。

4∞

2∞

0∞

，’

3 <

、_， 8∞

≥

。丽 C o 6∞

芒

4∞

2∞ o

20 30 40 50 60 70 80

2 E)

图4．4 ZrlnZnO和InZnO薄膜的XPD谱图

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表4．4是两种材料霍尔测试的结果。虽然两种材料的迁移率相差不大，但 InZnO的载流子浓度更大，这可能与重金属原子对载流子的束缚作用有关，因为 前面分析了重金属原子的电负性很小，即对电子的吸引能力很强，所以一部分 载流子会被重金属原子强力吸引而束缚。这也与Zr02的宽带隙有关，前面提到 了，带隙加宽使施主束缚能加大，减少了载流子数目。

表4．4 InZn0与ZrlnZn0薄膜的霍尔测试结果

InZn0 ZrInZn0 u 1．07 2．53×106

Hall(cm2／v．S) Rs(ohm／sq) Ns(cm吨) 1．19 1．03×105 X 一6．38 1013 —2．31×1013

从前面进行的热处理所得实测数据的分析，我们可以得到如下两个结论： 一是氧空位主要形成于200-300℃的缩合反应，悬挂在外面的M—oH经脱羟缩合 成为M一口，留下一个氧空位，内部的M一0H—M脱水缩合得到M-0-M键；二是100

℃左右发生大规模物质逸出，留下的孔洞可能成为后面氧逸出的路径。掺入重 金属原子Zr后悬挂在外面的H0一Zr-0经缩合得到M-0-Zr-0，这时氧空位就没有 生成。由于文献中未见结合温度与化学反应来讨论氧空位问题的报道，所以上 述结论是本文的创新点。

4．3．2 T．3+与

Tj4+对Ti lnZn0薄膜的调制作

用

前面讨论了重金属原子Zr的掺入对氧空位的作用，那么同一种重金属 原子不同离子形态会对M．0．M键有何影响，这一问题的讨论未曾见诸报道，对 其进行讨论是对重金属阳离子作用问题的重要扩展。本节拟就重金属Ti原子在 常温下具有稳定的双价离子态：Ti”和Ti4+的作用进行讨论，以确定Ti3+和Ti4+ 的掺入对AOS薄膜质量的影响。这也正是选取重金属Ti进行材料结构及特性调 制研究的原因。

本实验利用TiCl4溶液(纯度99．9％)、乙酸锌晶体、铟晶体以及乙二醇 单醚溶剂配置组分比为Ti针：In：Zn=0．2：3：2，总物质量浓度为0．25moUL的 前驱液；再利用TiCl3固体(纯度36％)、乙酸锌晶体、铟晶体以及乙二醇 单醚溶剂配置组分比为Ti”：In：Zn=0．2：3：2，总物质量浓度为0．25moUL的 前驱液。搅拌两小时后用胶头滴管分别取一定溶液滴在干净的石英衬底上并甩

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第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索

胶，设置甩胶速率为1000转每分钟维持10s，2500转每分钟维持30s，送人高 温炉热处理，温度为80℃恒定10分钟，300℃恒定5分钟，500℃稳定l小时。 最终得到分别含Ti4+和Ti”的TilnZnO薄膜。

图4．5为这两种TiII亿nO薄膜材料的XRD谱图。发现在32。的位置出现明 显的非晶态特征峰，表明无论是Ti4+还是Ti3+都在热处理后获得稳定的非晶结构。 表4．5是这两种薄膜的霍尔测试结果，含Ti4+薄膜迁移率更低，方块电阻更大， 载流子密度更小，这个结果可能有三方面的原因。

首先，前驱物TiCl4含有更多的氯离子，在热处理过程中可能会有更多氯离 子的残留从而使载流子浓度变低。其次，四价的钛比三价的钛对载流子的束缚 作用更明显，载流子更不容易从钛周围逃脱。最后，在缩合反应的过充中，四 价的钛与更多的氧原子结合使缩合反应过程中氧空位更易形成。

咖 啪

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0 10 20 30 40 50 60 70 80

2t)

图4．5含Ti4+和Ti3+的TilnZnO薄膜的XRD谱

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表4．5含Ti4+和Ti3+的TilnZnO薄膜的霍尔测试结果

Ti4+InZnO la Hall(cm2／v．S) 1．33 Ti 3+InZn0 1．9 9．04×104

Rs(ohm／sq) Ns(cm{) 2．57×10。 一3．91×1013 —5．02×1013

总之，相比于Ti4+InZnO薄膜，Ti 3+InZn0薄膜有更好的电学性能，说明同一 元素掺入化学价较低的重金属阳离子有助于减少杂质含量提高载流子数目，从 而改善AOS薄膜电子输运能力。

第四节高质量栅绝缘层薄膜的探索

第三章的讨论已经得出结论，AOS TFT稳定性主要由半导体层内部的缺陷 态数目和栅绝缘层／半导体层界面陷阱态数目决定，要想改善器件的稳定性，就 必须从这两方面入手。前面研究了在溶液法制备的多组分氧化物薄膜中掺入适 当的重金属原子，如Zr能减少氧空位的生成，进而改善半导体层缺陷的方法。 而本节将对改善栅介质层质量，进而提高介质层与半导体的界面状况这一问题 展开讨论。为探索高薄膜质量的栅绝缘层，分别采用阳极氧化、原子层沉积、 sol-gel法制备了高K介质层，并对其性能与质量进行了比较。

4．4．1阳极氧化法制备AI：0。介质层

铝阳极氧化材料具有良好的与铝衬底的结合率，材质坚硬、耐磨，呈非晶态 有良好的均匀性，具备多孔膜结构的特点，使其广泛应用于装饰、防护材料， 绝缘层材料等领域n8】。这里为应用于TFT器件的氧化铝栅绝缘层，不能选用高 纯铝片作为阳极，只能选用在玻璃衬底上蒸发一层铝膜作为阳极材料。

实验首先在42mrn X 44mm的普通玻璃上蒸发一定规格的铝条(相当于作

TFT的背栅)，可蒸发多条但应使每条的宽度和间距都相同，这是为了保证后面 电化学分应作用在每条铝膜上的电场均匀。蒸发时的本底真空为1．0X 10-3Pa。 待蒸发完毕、样品冷却后取出，用阳极电极夹夹住每个铝条的边缘，保持良好 接触的同时尽量减轻对薄膜的破坏。另外，以4英寸铂片作为阴极，配置0mL 10％稀硫酸作为电解液，PH试纸测得pH=0．1，将阳极、阴极材料垂直插入电 解液中，保留电极夹接触的部分在液面以上，调整两电极间距为6cm。将转子投

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入电解液中并使用磁力搅拌器搅拌，以避免产生的气泡对氧化膜生成的影响。 实验装置示意图如图4．6。

铂

器

图4．6铝阳极氧化装置图 在两电极间施加一定直流电压，这时发生如下电化学反应：

Al一3e一一A13+ (4．8) 2A13++30}一A1 203 (4．9)

图4．7示出Al阳极氧化膜结构的示意图。作为阳极材料的铝膜在电场作用 下失去电子成为铝离子并溶于电解液之中，阴极区域发生水的电离，电离出的 OH’根离子在电场作用下进一步电离出02。，氧离子漂移至阳极区域与铝离子结 合成为氧化铝从而附着在铝膜的表面。因为阴极与阳极的电离反应是同时发生 的，所以阳极一旦电离出铝离子能够很快地与氧离子结合，从而持续不断地生

膜厚2％

图4．7铝阳极氧化膜示意图n8

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成氧化铝膜。已有研究表明H踟实际阳极氧化制备的A1203具有双层结构：致密均 匀的阻挡层和出现许多六角柱状孔洞的多孔层。紧贴单质铝生成的阻挡层氧化 铝极薄，一般小于50nm，而多孔层氧化铝可以达到几个微米，如图4．7，这与 电解液中酸的作用密切相关。在反应起始阶段生成的氧化铝结构致密，但随着 A1203生成，膜厚逐渐增加，电解液电离的酸会腐蚀氧化铝表面，从而使膜减薄， 氧化铝的生长速率相对减慢，电场也加速了H+的腐蚀作用，当氧化铝的生成速 率与H+的腐蚀速率平衡时，膜厚度不再改变，形成一个薄的结构致密的氧化铝 膜，这就是阻挡层。在阻挡层与电解液接触的区域，在酸的作用下薄膜被极度 疏松化，在其中形成无数孔隙，这就是多孔层，这些被电解液填充的孔隙在电 场作用下又进一步生成新的结构致密的阻挡层，新的阻挡层再被酸所腐蚀，如 此循环反应使得多孔层不断扩大，并向铝膜内部不断深入。因此，在铝阳极氧 化过程中，包含两种反应过程，一种是铝表面氧化生成A1203膜的电化学过程， 另一种是氧化膜不断地被电解液中酸所腐蚀的化学腐蚀过程。两个过程相互作 用反复循环，最终形成了阳极氧化氧化铝独特的薄膜结构。

孑L洞结构是阳极氧化制备氧化铝最重要的特征。关于孔洞的成因 Paetmraarkis等人提出了局部电场说。他们认为在氧化膜被酸腐蚀的过程中，穿 过薄膜的电场不均匀，腐蚀通道之间的电场强，腐蚀通道内部的电场弱，腐蚀 前端的电场最强，并且前端的侧向电场分量也很大，这样最终腐蚀通道侧向展 宽，形成孔隙结构。

图4．8显示的是本论文铝阳极氧化实验电流随反应时间的实测曲线。图中 1#样品是在20V槽压下的电流曲线，2苒和3#样品是在10V槽压下的电流曲线。

1#和3#样品分别在15s、60s电流降为零，这是因为液面区域的铝膜在强场作用 下被腐蚀断了，而且还发现槽压越大越容易腐蚀断，在液面区域的铝膜上附加 防腐蚀材料的2#样品可以有效避免“断栅”现象的发生H 9】。三个样品的电流曲 线形态很相似，下面以10V槽压下的2#样品为例进行说明。AB段曲线电流随时 间迅速衰减至最小，说明此时阳极正由铝转化为氧化铝介质层／铝，氧化铝迅速 生成，且在B点生成速率达到最大，是阻挡层的形成期；BC段曲线电流随时间 有所提升，这时酸的腐蚀作用开始表现出来，在氧化铝层逐渐形成腐蚀通道， 是孔隙的形成期；CD段曲线电流随时间基本不变化，当腐蚀通道形成后孔隙在 电场作用下扩大并逐渐向金属内部深入，是多孔层稳定生长期。

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0 30 60

Time(sec)

图4．8铝阳极氧化实验电流随反应时间的变化

这里得出一个重要的结论，多孔层的出现使得氧化铝的绝缘性质变差了， 结构致密的阻挡层对绝缘性能贡献极大。此外还可看出，更高的槽压加速了酸 腐蚀作用，使得多孔层提早出现，并使薄膜整体的绝缘性更差了。阳极氧化 选取的槽压很大，为了使氧化反应正常进行一般几十伏甚至几百伏，因而薄 的绝缘性能就令人担忧，同时高的槽压会释放大量焦耳热，酸的腐蚀作用随 温度升高而加快，孔隙更为严重，所以通常将电解槽放入冷却槽中降温，实 设备更为复杂。Fernandes等人证明氧化铝膜的电容值平方的倒数与电场成线 性关系，并通过实验测出多孑L层的电容很低，30min沸水封闭后的阻挡层氧化铝 介电常数为10，而多孔层氧化铝介电常数仅为4．5唧1。

除了考虑孔隙的出现对氧化铝薄膜绝缘性能的影响，薄膜的质量还与是否进行沸水封闭有关。由于阳极氧化制备的氧化铝含有大量孔洞，这些孔洞中残留着电解液成分，本实验己然发现虽然将阳极氧化的薄膜用去离子水冲洗，但 放置一段时间后薄膜被溶解，冲洗只将酸稀释而遇到空气中的水酸又重新腐蚀薄膜。所以，需将薄膜放入沸腾的去离子水一定时间，这样薄膜表面的孔洞被 封闭，残留在内部的酸不易与空气中的水相遇。但是，沸水封闭后的薄膜内部仍存在大量孔洞和残留杂质，氧空位仍然是薄膜质量的主要缺陷畸 。因此，阳极氧化法制备的氧化铝作为AOS TFT栅绝缘层有明显的不足，虽然已有人提出二次氧化法来改善薄膜缺陷，也有人制备了阳极氧化氧化钽腩1|、氧化钛哺羽作

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的法膜着验

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为TF，r栅绝缘层，但这种方法自身极宽的多孔层结构严重阻碍了其作为栅介质 层的应用。为此，本文探索了其他制备方法以及高K电介质材料。

4．4．2原子层沉积AI：0。介质层

原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)，也称原子层外延，最早出现 在上个世纪70年代。原子层沉积技术由于其沉积参数(薄膜厚度，成份和结构) 的高度可控性，制备薄膜优良的均匀性、致密性等特点，使其广泛应用于光学、 光电子薄膜器件领域聆3J。ALD法制备氧化铝采用三甲基铝(Trimethylaluminum， TMA)和水作为反应源，衬底温度150℃，反应室工作压强为2．3×10～tor，Ar气 流量为20sccm。反应程序控制见表4．6，首先水汽在Ar气的携带下高压喷涂在玻 璃衬底上，过量的水汽被载气带走，然后TMA在Ar气的携带下高压喷涂在水膜表 面并与之反应，生成的氧化铝附着在衬底上而副产物甲烷被载气带出，这样水 与TMA周而复始的反应，制备的氧化铝薄膜以原子层为单位一层一层生长。最终 获得了45nm的薄膜。

表4．6 ALD制备氧化铝程序设置

plus 0 0．015s

8s

wait

plus 2 0．015s 8s

wait goto

0 437

注：这里的0物质代表水，2物质代表TMA。

为测试ALD法氧化铝薄膜的电学性质，特制备MIM模型。先在玻璃衬底 上蒸镀铝条作为底电极，再在其上ALD生长氧化铝层，接着蒸镀与底电极正交 的铝条作为顶电极，最后用HCl腐蚀出部分底电极，这样A1／Ala03／灿的原型 MIM结构就完成了。用电容计对基板上的9个MIM测试其电容值，得到图4．9， 其底电极与顶电极交叉部分上面的数字就是此位置MIM的电容，取平均值计算 为47．5nF。铝条的宽度均为4mrn，交迭区域面积S=4mmx4mm=16mm2，氧化铝 厚度约为45nm，由Cox=coiS／ti，计算ei=15．1。与第三章a-IGZO TFT中采用阳 极氧化法制备的氧化铝介电数9．5相比较，ALD法生长的氧化铝具有更好的绝 缘性能。这是因为原子层沉积的氧化铝薄膜致密均匀，没有孔洞结构，且缺陷

6l

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数目远小于阳极氧化制备的氧化铝。所以，采用原子层沉积法能得到电绝缘性 极好的氧化铝薄膜，适用于AOS TFT器件。

：nF

底电

电极

图4．9Al／A1203／AI结构的MIM器件以及电容实 测值

薄膜结构致密是ALD法最重要的优点，但是ALD法本身也有明显缺点，最 主要的就是薄膜生长速率慢。本实验在150。C下生长速率为l埃每周期，一个周 期就是进行表4．6所示的一个流程，实际上生长45nm的薄膜总共用了l小时12 分钟。200℃下生长速率也只有1．03埃每周期，所以原子层沉积法不适用厚膜 器件。另外，因为反应源和水都是经高压强打到衬底表面的，所以不能使用掩 模来规定生长的图形，且高压强下衬底背面也生长了氧化铝，所以在器件腐蚀 阶段还需腐蚀掉背面的氧化铝，以免影响显示面板的开口率。

4．4．3溶胶凝胶法制备Zrox介质层

实验将称量好的4．2939锆晶体(Zr(N03)4·5H20，O．01m01)溶于20ml 乙二醇单甲醚溶液，加入少量乙酸和乙醇胺以促进溶解、提高溶液稳定性，溶 液的总物质量浓度为0．5mol／L，放置在70℃的温水中搅拌20分钟后，用胶头滴 管取一定量溶液滴于干净的石英衬底上立刻旋甩，甩胶转速为低速1000转每分 钟恒定10秒，2000转每分钟恒定30秒，再将样品放入高温炉热处理，80℃维 持10分钟，150℃维持5分钟，300℃维持5分钟，500℃维持1小时。待冷却 后取出样品，这样得到了膜厚约为90nm的ZrOx薄膜。

同样采用上一节制备MIM模型的方法制备了AI／ZrOx／A1模型，如图4．10， 用电容计测电容并取平均值为37．1nF，按所得ZrOx膜厚约为90nm计，计算得 氧化锆的介电常数23．5，证明其具有比氧化铝更好的电绝缘性。同时， ZrOx／ZrlnZnO界面的结合性优于A1203／ZrlnZnO界面。但是，也应注意到制备

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氧化锆的过程引入了500。C高温处理，这对衬底有更高要求。

单位：nF

底电极

顶电极

区域 图4．10Al／ZrO,／Al模

型及电容实测值

其他一些高电子数重金属氧化物也具有高的电绝缘性，如Hf0：，Y20。，La。0。，Ta：0。等，它们都属于宽带隙高K电介质材料。Si02虽然带隙很宽(8．9eV)，但是其K值只有3．9，并且其隧穿电流随厚度的减小成指数增大，难以适用于小尺寸TFT器件。与之相比，重金属氧化物栅介质材料既具有宽的带隙，能够在栅电极与沟道之间形成一个大的势垒；又大多是非晶结构，阻止了成为栅漏电流 通道的晶粒问界的存在，避免了因多晶材料大面积均匀性差(晶粒尺寸的不同) 造成K值的各向异性；同时，它们与AOS薄膜由于成分近似而具有良好的界面结合性。有效利用这些重金属氧化物优质的电绝缘性，改善界面氧空位含量， 对制备高稳定性AOS TFT有重要价值。

总之，原子层沉积法制备的氧化铝因具有结构致密的优良属性，溶胶凝胶法制备的ZrOx因具有高的电介质性和良好的结合界面，是替代阳极氧化法，获 得高质量栅绝缘层的可靠技术。

第五节小结

针对前一章a．IGZO TFT稳定性分析得出的结论，AOS半导体内部陷阱数目、半导体层与栅介质层界面悬挂键数目的多少，是决定AOS TFT稳定性的关键因素，氧空位含量是AOS TFT沟道层的主要缺陷。因此，本章分别从AOS材料和高质量栅绝缘层两个部分入手，以期寻找到改善稳定性的方法。

本章的第一部分主要介绍了溶胶凝胶法制备AOS薄膜的方法，重点分析了63

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第四章溶液法制备AOS材料与高质量栅介质层探索

重金属原子对AOS薄膜的氧空位调制作用。化学溶液法制备氧化物薄膜具有低 成本、流程相对简易，可以严格控制组分比例，尤其相对于溅射法而言。通过 对溶胶凝胶法热处理过程的化学分应的分析认识到，100℃上下是无效成分大量 逸出的关键阶段，为减低薄膜的针孔密度应严格控制升温速率；200．300℃是发 生缩合分应成M-0-M键的阶段，也是氧空位产生的主要时期。掺入Zr等重金属 原子可以削减氧空位的数目，这种抑制作用主要由重金属阳离子的电负性和带 隙宽度决定。

前面一章介绍的溅射法制备的a．IGZOTFT稳定性主要由氧空位造成的施主 浅能级和陷阱深能级决定，而以Zr、Ti为代表的重金属原子能很好的改善这些 缺陷，从而改善AOS TFT的电、热、光稳定性问题。同时，Zr、Ti对氧空位的 抑制作用也强于Ga，因为Ga的电负性为1．7带隙为4．9eV。此外，一定条件下 延长热处理时间和提高热处理温度能改善非晶有序结构。最终，采用s01．gel法 成功制备了迁移率为2．14cm2／Vs，方块电阻为9．19×104D．／口的ZrInZnO半导体 材料。证明掺入Zr等重金属阳离子的化学溶液法是制备高稳定性、良好电学性 能、低成本的氧化物TFT基板的可用技术。

本章的第二部分主要讨论了阳极氧化法制备的氧化铝、原子层沉积法制备 的氧化铝和溶胶凝胶法制备的氧化锆薄膜对于高质量栅绝缘层的贡献。阳极氧 化法制备的氧化铝薄膜由于极厚的多孔层的存在，电绝缘性变得很差，即使经 过沸水封闭氧化铝内部的孔隙仍残留着杂质离子而退化其电特性。原子层沉积 可以高度控制膜厚、结构等条件，制备的氧化铝薄膜结构致密，且测得介电常 数为15，表现出高质量和高绝缘性。ALD制备的氧化铝栅绝缘层是实现低界面 缺陷态数目、稳定性能优越的AOS TFT的有效途径。s01．gel法制备的氧化锆薄 膜介电常数为23，具有极高的电绝缘性能，并且与ZrInZnO沟道材料有良好的 结合性，也是实现高性能AOS TFT的可用方案。

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第五章总结

第五章总结

本论文首先对溅射法a-IGZO TFT基本电学性能进行测试，验证AOS TFT 具备优良的电学特性：高达23．7cm2／Vs的场效应迁移率，零伏左右的阈值电压， 10{量级的开关比满足了高分辨率大尺寸AMLCD和AMOLED面板的驱动要 求，0．228V／dec的亚阈值摆幅保证器件快速的开启和关闭。

沟道尺寸的缩小是高分辨率、高刷新率面板的内在要求。研究表明，沟道 长度的减小使得器件拥有更高的场效应迁移率和开关比，工作更加灵敏。但是， 在TFT进行电应力稳定性测试时 对宽长比为100／5岬的无背沟道保护层a-IGZO

发现，阈值电压漂移和场效应迁移率的退化都更加严重，并且驼峰效应更加明 显。驼峰效应的出现严重影响了器件的工作性能，造成器件进入饱和工作电流 不稳定。

器件的稳定性问题是本文讨论的重点，为做出全面的分析与讨论，测试了 AOS TFT在电应力、热应力、光应力下的转移曲线和电容电压(C．V)曲线，还 通过有无背沟道保护层的问题探讨环境气氛，如水汽、氧等的作用。在这里推 导出一种不需拟合优化而直接从C．V曲线提取缺陷态密度的方法，并应用该法 获得的N按能量分布推测出稳定性物理机制问题，并结合得到的阈值电压、迁 移率、亚阈值摆幅、开关比等参数的分析，找出了影响稳定性的关键因素。

电应力稳定性模拟的是器件通电工作的状态，其机理可能与电应力下感生 电子被栅绝缘层／半导体层界面处的陷阱虏获有关，降低此界面处的陷阱数量， 将有利于减少形成的固定负电荷数目从而改善电稳定性。热稳定性模拟的是环 境温度或由于长时间工作而产生的焦耳热对器件性能的退化效果，主要影响着 器件进入开启区的性能，其机理可能与热激发效应有关，热激发的半导体内陷 阱诱导的空穴会影响类施主深能态密度，所以控制半导体内陷阱数目对改善热 稳定性相当重要。光稳定性模拟的是光照条件对器件性能的退化效果，主要影 响着器件进入饱和区的性能，其机理可能与光生效应有关，良好的界面状态和 钝化的沟道陷阱能有效抑制光生载流子的激发，从而改善光稳定性。

因为AOS TFT常采用背栅结构，实验发现背沟道保护层的存在对于稳定性 有重大意义。背沟道保护层的存在能有效阻止外界水汽、氧气等与半导体表面 的化学吸附作用，吸收紫外光，对于改善电、热、光稳定性以及避免驼峰效应

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第五章总结

都有重要意义。

影响AOS TFT稳定性的关键因素有两点，一是半导体内部的缺陷态数目， 二是栅绝缘层与沟道层界面电荷陷阱数目。氧空位含量是AOS TFT沟道层的主 要缺陷，氧空位造成的浅施主能级和深陷阱能级深刻影响着电学性能的方方面 面。因此，分别从AOS材料和高质量栅绝缘层两方面入手，找到改善稳定性的 工艺手段。

通过分析溶胶凝胶法热处理过程的化学分应，发现100℃上下是无效成分大 量逸出的关键阶段，为减低薄膜的针孔密度应严格控制升温速率；200．300℃是 发生缩合分应成M一0一M键的阶段，是氧空位产生的主要时期。当掺入高电子数 重金属原子时，这些原子有削减氧空位的数目的作用，实验制备ZrlnZnO和 InZnO薄膜的O ls XPS谱图证明了这一点。而且经多方分析，此类重金属原子 的这种抑制作用主要由其电负性和氧化物的带隙宽度决定。

但是重金属原子对载流子的传输有阻碍效果，基于溶液法可以严格控制组 分比例来控制重金属原子的含量，所以采用低成本的s01．gel法制备AOS薄膜对 AOS TFT电学性能和稳定性意义深远，这是溅射法不易实现的。一定条件下延 长热处理时间和提高热处理温度能改善AOS薄膜短程有序结构，减少薄膜内部 杂质和缺陷。最终，采用sol—gel法成功制备了迁移率为2．14cm2／Vs，方块电阻 为9．19×104剑口的ZrInZn0非晶半导体材料。证明采用化学溶液法同时控制掺入 的重金属阳离子含量是制备高稳定性、良好电学性能、低成本的氧化物T F，I’基 板的可用技术。

阳极氧化法制各的氧化铝薄膜由于极厚的多孔层的存在，电绝缘性变得很 差，即使经过沸水封闭氧化铝内部的孔隙仍残留着杂质离子而退化其电特性。 原子层沉积可以高度控制膜厚、结构等条件，制备的氧化铝薄膜结构致密，且 测得介电常数为15，表现出高质量和高绝缘性，是实现低界面缺陷态数目，稳 定性能优越的AOS TFT的有效途径。s01．gel法制备的氧化锆薄膜介电常数为23， 具有极高的电绝缘性能，并且与ZrlnZnO沟道材料有良好的结合性，也是实现 高性能AOS TFT的可用方案。

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致谢

致谢

值此论文完成之际，衷心感谢李娟老师和熊绍珍老师的帮助与指导。 感谢我的导师李娟老师在日常实验中的指导，与的每次讨论都使我

获益匪浅。在实验平台和实验材料方面的支持是本论文得以实现的基础。

另外，平易近人的为师风范更让学生倍感亲切。同时，在实验方 使我的理论知识和实践能力得到同步提高。

衷心感谢熊绍珍老师的指导，熊老师深厚的理底，严肃的科学态度， 精益求精的科研精神，是我深深敬佩和努力学习的方面。在学术工作中，从熊 老师身上我学到了许多，但是还远远不够，我深深懂得了做研究做学问是一点 点积累一点点进步构成的。所以，我非常感谢和珍惜在两位老师无私帮助、辛 勤指导下的三年。

另外，还要感谢安捷伦李萍工程师、王志炜工程师解决了半导体测试仪C．V 测试模块和控温平台的相关问题。

感谢华南理工大学光电子所提供的a-IGZO TFT样板。 感谢物理学院孙老师提供的原子层沉积实验平台。 感谢所里的孙健老师在恢复小镀膜机过程中的无私帮助，感谢所里其他几 位老师在我日常实验的帮助与支持。感谢何青老师、凌奥测试中心的段学姐等 在测试阶段的大力支持。

感谢同组已毕业的罗狲学长、赵立晴学姐、姚颖学姐、孙鹏飞学长、丁思 他们的无私帮助，可以说是他们携我走入平板显示的学术大厦， 与他们在一起学习、实验的日子是我最快乐的时光。

感谢我的同学尹春建、师弟刘宁等同学。感谢他们对我的关心和帮助。 感谢家人的无私关爱，使我能心无旁骛的进行学习、实验工作，顺利完成 学业。

在此，感谢所有帮助过我的人，正是由于你们的帮助，我才越过了一个个 成本文。祝福你们健康、幸福一生。

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面的严格要求维学姐，感谢难题，完

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个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果

个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果

个人简介：

杨明，男，天津市，1986年生，硕士，主要从事AOS TFr稳定性以及制各氧化物薄膜 的研究。

近三年发表的文章：

Ming Yang，Juan Li，Ying Yao，Chun—Jian Yin，Churl-Ya Wu，Xiao-Nong Zhu，Zhi-Jun Xu and Shao-Zhen Xiong，“Exploration in the two-photon absorption effect of silicon based films”， Matefifls Science Forum 1 Vols．663-665(20 1)，PP 348-35 1

译文：

Seamus

Bums，杨明，熊绍珍，“采用塑料电子技术制造的柔性显示器”，现代显示，2011 年第8期

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