金属氧化物IGZO薄膜晶体管的最新研究进展

摘 要:最近几年,金属氧化物IGZO薄膜晶体管成为研究热点,具有高迁移率、稳定性好、制作工艺简单等优点,备受人们关注。文章综述了制作金属氧化物IGZO晶体管的结构及其优缺点,总结了影响金属氧化物IGZO薄膜晶体管性能的因素,并提出了制作高性能金属氧化物IGZO薄膜晶体管的方法。

关键词: 薄膜晶体管;氧化铟镓锌;氧化物;器件结构

中图分类号:TN383.+1文献标识码:B

The Recent Research Progress of Amorphous Indium Gallium Zinc Oxide Thin Film Transistors

LIU Xiang1, XUE Jian-she1, JIA Yong1, ZHOU Wei-feng1, XIAO Jing 2, CAO Zhan-feng1,

(1. TFT-LCD Device & Material Technology Research Center, BOE Technology Group Co.,Ltd., Technology Research Institute, Beijing 100176, China;

2. Physics and Electronic Engineering College, Taishan University, Taian Shandong 271021, China)

Abstract: Recently, amorphous indium gallium zinc oxide thin film transistors (a-InGaZnO TFT) have attracted considerable attention for their outstanding merits, such as high mobility, good stability and simple fabrication process. This article reviews the device structure, advantages and disadvantages of a-IGZO TFT. We also summarize the impact a-IGZO TFT performance factors. In addition, the new methods of developing high performance and stability a-IGZO TFT are proposed.

Keywords: thin film transistor; IGZO; oxide; device structure

引 言

近年来随着液晶显示器尺寸的不断增大,驱动电路的频率不断提高,现有的非晶硅薄膜晶体管迁移率很难满足需求,非晶硅薄晶体管的迁移率一般在0.5左右,液晶显示器尺寸超过80in,驱动频率为120Hz时需要1cm2/V・s以上的迁移率,现在非晶硅的迁移率显然很难满足。高迁移率的薄膜晶体管有多晶硅薄膜晶体管和金属氧化物薄膜晶体管,其性能的比较如表1所示,尽管对多晶硅薄膜晶体管研究比较早,但是多晶硅薄膜晶体管的均一性差,制作工艺复杂[1-3];金属氧化物IGZO TFT迁移率高、均一性好、透明、制作工艺简单,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,备受人们的关注,成为最近几年的研究热点[4-11]。

1 非晶金属氧化物IGZO

非晶金属氧化物IGZO由In2O3、Ga2O3和ZnO构成,禁带宽度在3.5eV左右,是一种N型半导体材料。In2O3中的In3+可以形成5S电子轨道,有利于载流子的高速传输,电子的迁移率在35cm2/V・s;Ga2O3有很强的离子键,可以抑制O空位的产生;ZnO中的Zn2+可以形成稳定四面体结构,可以使金属氧化物IGZO形成稳定的非晶结构。因此,金属氧化物IGZO适用于制作高迁移率薄膜晶体管。

1.1 光照的稳定性

非晶金属氧化物IGZO在可见光照射下具有很好的稳定性。2008年SID密歇根州大学报道了非晶金属氧化物IGZO光照的稳定性[12],非晶金属氧化物IGZO在420nm以上波长照射时,非晶金属氧化物IGZO TFT的I-V曲线非常稳定,在低于420nm以下的紫外光照射时,非晶金属氧化物IGZO的I-V曲线开始大幅度漂移,很不稳定。因为紫外光的能量高于非晶金属氧化物IGZO的禁带宽度,致使非晶金属氧化物IGZO 薄膜晶体管的I-V曲线发生漂移。2010年LG在SID上发表了非晶金属氧化物IGZO光照稳定性的研究[13],其结果表明非晶金属氧化物IGZO 薄膜晶体管在4,500nit光照下I-V曲线和没有光照的I-V曲线几乎是一样的,非晶金属氧化物IGZO的透光率非常好,在90%以上。

1.2 弯曲性能

非晶金属氧化物IGZO TFT具有很好的弯曲性能,可以用来制作柔性显示, 同时还具有良好的电学性能和稳定性,在未来的柔性显示市场具有广阔的应用前景。

2010年台湾国立交通大学在SID发表了最新的弯曲性能研究成果[14],成果表明,曲率半径在40mm以下时,非晶金属氧化物IGZO的电学特性如Ion、Ioff以及Igs几乎不发生改变,展现出良好的弯曲性能,可以用来制作柔性显示。

1.3 稳定性

非晶金属氧化物IGZO TFT在空气中不稳定,对氧气和水蒸气很敏感。三星技术研究所在2010年透明金属氧化会议上公布了使用非晶金属氧化物IGZO作薄膜晶体管的研究成果[15],非晶金属氧化物IGZO TFT制作的显示面板分别在干燥空气、潮湿空气和氮气中进行试验,发现在干燥空气环境中非晶金属氧化物IGZO面板性能有所下降,在潮湿空气环境中非晶金属氧化物IGZO面板显示质量严重恶化,在氮气环境中非晶金属氧化物IGZO面板显示质量几乎没有改变。

在干燥空气和潮湿空气环境中,非晶金属氧化物IGZO面板显示质量下降的原因是氧气和水蒸气透过非晶金属氧化物IGZO上面的保护层,使非晶金属氧化物IGZO性能恶化,因此非晶金属氧化物IGZO TFT需要高质量的非晶金属氧化物IGZO保护膜。

1.4 制作工艺

非晶金属氧化物IGZO薄膜可以通过溅射的方式沉积,这种方式工艺稳定性好,同时也可以与目前制作液晶显示用的溅射设备形成很好的匹配。

2009年夏普公司在IDW会议上公布了通过溅射工艺制作非晶金属氧化物IGZO薄膜的研究成果[16],研究成果表明,通过溅射方法沉积非晶金属氧化物IGZO薄膜在50μm时,非晶金属氧化物IGZO薄膜内的In、Ga、Zn原子成分的百分比几乎不变;对连续沉积1μm和50μm后的非晶金属氧化物IGZO薄膜的TFT进行电学特性测试,I-V曲线重合在一起,上述结果表明非晶金属氧化物IGZO薄膜非常适合使用溅射工艺制作。

一般采用湿法刻蚀方法形成非晶金属氧化物IGZO图案,使用的刻蚀液可以是H2SO4、H3PO4或者H2O2,都可以满足湿法工艺的需求[17],根据所采用的制作非晶金属氧化物IGZO 薄膜结构及源漏金属电极材料,可以选择不同的刻蚀液。

2 金属氧化物IGZO TFT结构

目前金属氧化物IGZO TFT的结构主要有刻蚀阻挡型(etch stop type)、背沟道刻蚀型(back channel etch type)和共面型(coplanar type)三种类型,其结构特点及优缺点如表2所示。

刻蚀阻挡型金属氧化物IGZO TFT制作工艺简单,金属氧化物IGZO上的刻蚀阻挡层,可以在形成源漏金属电极时保护金属氧化物IGZO层不被破坏,从而提高金属氧化物IGZO TFT的性能,但是需要一次额外的光刻工艺形成刻蚀阻挡层,增加了金属氧化物IGZO TFT的制作工艺流程。制作刻蚀阻挡层的材料一般是SiNx或者SiOx。2010年索尼公司公布了一款采用刻蚀阻挡型制作的11.7in高清晰有源发光二极管显示器[18],表现出良好的显示性能。

背沟道刻蚀型薄膜晶体管是目前液晶显示器中采用的主流结构[19],制作背沟道刻蚀型金属氧化物IGZO TFT工艺流程比较简单,比刻蚀阻挡型少一次光刻,可以减少设备的投资,提高生产效率,与现在制作非晶硅薄膜晶体管的设备匹配性好,易转型,可减少设备投资。由于金属氧化物IGZO层没有保护层,在形成源漏金属层时很容易对金属氧化物IGZO层造成破坏,从而损害了金属氧化物IGZO TFT的性能,因此一般生产厂商不直接采用此种结构,但可以通过改变源漏金属层沉积和刻蚀工艺来改善上述缺陷。2009年,Semiconductor Energy Laboratory 公司在SID公布了一款4in使用背沟道刻蚀型制作金属氧化物IGZO TFT的有源发光二极管显示器[20],展现出良好的显示性能。

共面型金属氧化物IGZO TFT由于金属氧化物IGZO层在源漏金属电极的上面,从根本上避免了在形成源漏金属电极工艺中对金属氧化物IGZO层的破坏,与刻蚀阻挡型制作金属氧化物IGZO TFT相比还少了一次光刻工艺,因此可以减少设备的投入,并且此种制作金属氧化物IGZO TFT的方式与目前主流制作非晶硅薄膜晶体管的设备匹配性好。2010年友达公司在SID会议上公布了采用此种方式在6代液晶生产线上制作的32in大尺寸液晶显示器[21],表现出良好的显示性能。

3 改善非晶金属氧化物IGZO TFT的性能方法

非晶金属氧化物IGZO 薄膜晶体管的性能直接影响着显示画面的品质,尤其是有源发光二极管显示对非晶金属氧化物IGZO 薄膜晶体管性能的要求更加严格,因此,如何制作高性能的非晶金属氧化物IGZO薄膜晶体成为最近的研究热点。

改善非晶金属氧化物IGZO TFT性能的方法主要有:选择TFT结构、改善栅极绝缘层与非晶金属氧化物IGZO形成的界面、改善非晶金属氧化物IGZO沉积条件、改善非晶金属氧化物IGZO保护层成膜质量以及后退火温度和存放环境。

采用顶栅极结构可以制作高迁移率非晶金属氧化物IGZO TFT,但是制作工艺复杂;采用底栅极结构制作非晶金属氧化物IGZO TFT与现有制作非晶硅薄膜晶体管工艺匹配性好,但是在背沟道刻蚀工艺中会对非晶金属氧化物IGZO造成破坏,从而影响非晶金属氧化物IGZO TFT的性能。

栅极绝缘层成膜的好坏直接影响着非晶金属氧化物IGZO TFT的性能。一般来说栅极绝缘层表面粗糙度越低,表面的缺陷态越少,成膜质量越高,在其上形成非晶金属氧化物IGZO TFT的性能越好。

非晶金属氧化物IGZO上面保护层成膜的质量直接影响着非晶金属氧化物IGZO TFT的性能。保护层可以是成膜质量好的SiNx[22]、SiOx[23]以及Al2O3[24]等,可以有效阻挡外界氧气和水分子对非晶金属氧化物IGZO的损坏,从而提高非晶金属氧化物IGZO晶体管性能。为了改善非晶金属氧化物IGZO晶体管的性能,可以在非晶金属氧化物IGZO和保护层形成的界面处使用等离子体处理。

在使用溅射的方法形成非晶金属氧化物IGZO层时的工艺条件对非晶金属氧化物IGZO TFT性能影响很大,如非晶金属氧化物IGZO厚度以及在沉积过程中通入氧气流量的大小。因此要想制造出高性能的非晶金属氧化物IGZO TFT,就要优化好非晶金属氧化物IGZO的沉积条件。

4 结 论

在过去几年内,人们通过不断改善非晶金属氧化物IGZO TFT的结构、非晶金属氧化物IGZO沉积的条件、栅极绝缘层与非晶金属氧化物IGZO界面以及保护层成膜质量和退火的条件,不断提升了非晶金属氧化物IGZO TFT的性能和可靠性,随着2010年台湾友达公司成功地在六代液晶显示器生产线上制作出32in金属氧化物IGZO TFT的液晶显示器,并表现出优良的显示性能,如非晶金属氧化物IGZO晶体管的迁移率达到5.16cm2/V・s,开关比为1.8×108,阈值电压为0.5V,亚阈值摆幅仅为0.38V/dec,其性能很好地超越了非晶硅薄膜晶体管,为以后进行大尺寸显示器的生产指明了方向。

相信随着对非晶金属氧化物IGZO薄膜晶体管的不断深入研究,非晶金属氧化物IGZO TFT将给大尺寸液晶显示、有源有机电致发光显示、柔性显示、电子纸等显示方式带来革命性的进展。

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作者简介:刘翔(1980-),男,就职于京东方科技集团股份有限公司TFT-LCD器件与材料技术研发中心,主要从事TFT-LCD器件与技术及金属氧化物TFT研发工作,曾发表7篇学术论文,并申请了2 5项中国专利及12项海外专利。E-mail:liuxiang @ .cn; 。