荊斌 徐萌 彭聰 陳龍龍 張建華 李喜峰?

1) (上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

2) (上海大學(xué)，新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072)

1 引言

近年來(lái)，非晶氧化物薄膜晶體管由于具有高遷移率、低漏電率及大面積制造兼容等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于平板顯示產(chǎn)業(yè)[1，2].目前產(chǎn)業(yè)廣泛使用磁控濺射制備非晶氧化物薄膜[3].隨著印刷工藝的發(fā)展，迫切需要開(kāi)發(fā)溶液技術(shù)氧化物薄膜晶體管(thinfilm transistor，TFT)[4，5]，然而溶液法制備的非晶氧化物TFT 普遍存在偏壓穩(wěn)定性差，特別是光照負(fù)偏壓穩(wěn)定性，阻礙其實(shí)際應(yīng)用[6].常用的TFT 結(jié)構(gòu)主要有刻蝕阻擋層型(etch stopper layer，ESL)[7]和背溝道刻蝕(back-channel etched，BCE)結(jié)構(gòu)[8].BCE 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制程步驟少、成本低，但要實(shí)現(xiàn)BCE結(jié)構(gòu)，必須解決非晶氧化物有源層與源漏電極的刻蝕選擇比低的問(wèn)題.我們以前的研究發(fā)現(xiàn)，非晶氧化物銦鋅錫氧化物(indium-zinc-tin-oxide，IZTO)與傳統(tǒng)源漏電極Mo/Al 的刻蝕選擇比高，容易實(shí)現(xiàn)BCE 結(jié)構(gòu)TFT[9].此外，溶液法 TFT 的研究主要集中在開(kāi)發(fā)新材料、提升遷移率等方面，但對(duì)應(yīng)力穩(wěn)定性，尤其是光照負(fù)偏壓穩(wěn)定性(negative bias illumination stress，NBIS)的研究較少[10-12].金屬氧化物帶隙中電離態(tài)氧空位(或與氧相關(guān)的缺陷態(tài))的產(chǎn)生是氧化物TFT 光照不穩(wěn)定的原因[13，14]，為了抑制氧化物TFT 在光照負(fù)偏下的不穩(wěn)定，需降低由氧空位引起的類(lèi)施主態(tài)的密度，目前主要有兩種辦法:一是摻入合適的元素來(lái)抑制氧空位的產(chǎn)生[15，16];二是通過(guò)表面處理，如熱退火處理[17]、等離子體處理[18，19]和紫外光(ultraviolet，UV)輻照處理[20].N2O 等離子體處理也是目前采用比較多的表面處理方式，因?yàn)橥ǔFT 采用PECVD 生長(zhǎng)SiO2作為鈍化層，可以在生長(zhǎng)SiO2前原位進(jìn)行N2O等離子體表面處理，可減少額外的處理步驟，Hsieh等[21]認(rèn)為N2O 等離子處理會(huì)鈍化銦鎵鋅氧化物(indium-gallium-zinc-oxide，IGZO)薄膜，從而改善光照下的穩(wěn)定性;在我們之前的研究中，IGZO薄膜經(jīng)過(guò)UV 輻照處理后，IGZO TFT 在光照偏壓下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性[22].而溶液法制備的氧化物薄膜與磁控濺射制備的薄膜相比，其氧相關(guān)的缺陷態(tài)更多[23]，但很少有研究將等離子體用來(lái)處理溶液法制備的氧化物薄膜以解決溶液法制備的TFT的光照偏壓穩(wěn)定性問(wèn)題，因此研究表面處理對(duì)溶液法制備氧化物TFT 的穩(wěn)定性至關(guān)重要.同時(shí)，目前研究的溶液法氧化物TFT 多為單個(gè)器件[24-26]，而用于顯示驅(qū)動(dòng)的TFT 均為像素陣列，與單個(gè)器件性能有著顯著的差異，為了滿(mǎn)足顯示驅(qū)動(dòng)的需求，迫切需要研究溶液法像素級(jí)TFT 陣列的光照負(fù)偏壓穩(wěn)定性.基于此，本文采用溶液法制備BCE 結(jié)構(gòu)的像素級(jí)IZTO TFT 陣列，并利用N2O 等離子體處理控制IZTO 的氧相關(guān)缺陷態(tài)，研究其偏壓穩(wěn)定性，特別是光照偏壓穩(wěn)定性，達(dá)到顯示驅(qū)動(dòng)的要求.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 溶液配制

本文TFT 像素陣列絕緣層和有源層為溶膠法制備的HAO 和IZTO 薄膜.將一定量的八水氧氯化鉿(HfCl2O·8H2O，98%，Sigma-Aldrich)和仲丁醇鋁(Al(OC4H9)3，99%，Alfa-Aesar)分別溶解在乙二醇甲醚中，Hf 和Al 的比例為2∶1，在室溫中攪拌至澄清，得到HAO 前驅(qū)體溶液.將五水合氯化錫(SnCl4·5H2O，98%，Sigma-Aldrich)、二水合醋酸鋅(Zn(OC2H4)2·8H2O，98%，Sigma-Aldrich)和六水合硝酸銦化銦(ln(NO3)3·6H2O，99.99%，Sigma-Aldrich)溶于乙二醇甲醚中，其中In:Zn∶Sn=4∶1∶4，并攪拌至澄清，然后加入乙醇胺作為穩(wěn)定劑，形成IZTO 前驅(qū)體溶液.接著將配制好的HAO和IZTO 溶液在70 ℃水浴環(huán)境中攪拌2 h，結(jié)束后再在室溫下進(jìn)行24 h 老化.兩者溶液溶度均為0.3 mol/L.

2.2 薄膜及器件制備

首先，在玻璃基板上濺射Al/Mo 疊層結(jié)構(gòu)作為柵極并圖形化.然后，將HAO 溶液旋涂到柵極上，在270 ℃下退火1 h，重復(fù)5 次.緊接著在HAO薄膜上制備有源層IZTO 薄膜，薄膜再經(jīng)過(guò)300 ℃/1 h 退火處理，重復(fù)兩次達(dá)到50 nm 的厚度.其次濕法刻蝕IZTO 薄膜，形成溝道圖案，并在450 ℃后退火.隨后220℃下進(jìn)行N2O 等離子體處理30 s.然后濺射源漏導(dǎo)電層，通過(guò)濕法刻蝕進(jìn)行圖形化，形成源極和漏極，長(zhǎng)寬比為18∶8.最后，通過(guò)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)沉積一層200 nm 的SiO2保護(hù)層，并在空氣氛圍中進(jìn)行300 ℃退火2 h，圖1 給出了制備的IZTO TFT 器件示意圖及4.5英寸的像素陣列顯微鏡圖像.

圖1 IZTO TFT (a) 器件截面示意圖;(b) 像素陣列10 倍顯微鏡圖像(插圖為50 倍)Fig.1.(a) Schematic cross section of an IZTO TFT;(b) microscope images of the IZTO TFTs array with magnification 10 times(Inset shows 50 times).

2.3 IZTO 薄膜表面形貌表征和TFT 器件電學(xué)性能

使用原子力顯微鏡(AFM，Nanonavi SPI-400SPM)觀察IZTO 薄膜表面形貌;使用X 射線(xiàn)光電子能譜(XPS，ThermoESCALB250XL)分析IZTO 薄膜的化學(xué)成分;采用半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)(4200-SCS，Keithley)測(cè)試器件的轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)、輸出曲線(xiàn)、偏壓穩(wěn)定性;光照偏壓穩(wěn)定性照射光源為10000 lux 的LED 背光源.

3 結(jié)果與討論

圖2 給出了有無(wú)N2O 等離子處理的IZTO 薄膜AFM 圖(2 μm×2 μm).無(wú)處理和N2O 處理后IZTO薄膜的均方根粗糙度(root mean square，RMS)分別為0.55 和0.26 nm，經(jīng)N2O 處理后IZTO 薄膜表面變得更光滑，光滑的IZTO 薄膜表面有利于在有源層和鈍化層之間形成良好的界面，從而增加器件的穩(wěn)定性、減少亞閾值擺幅和提高載流子遷移率[27].

圖2 IZTO 薄膜AFM 圖 (a) 無(wú)處理;(b) N2O 等離子體處理Fig.2.AFM images of the IZTO film:(a) without N2O plasma treatment ;(b) with N2O plasma treatment.

圖3(a)給出了IZTO TFT 在黑暗環(huán)境下的傳輸特性曲線(xiàn)，插圖為探針測(cè)試實(shí)物圖，表1 記錄了從圖3(a)曲線(xiàn)中提取的性能參數(shù).與未經(jīng)處理的IZTO TFT 相比，經(jīng)過(guò)N2O 等離子體處理的IZTO TFT表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能，閾值電壓(Vth)從—0.5 到0.1 V，飽和遷移率(μsat)從29.12 到51.52 cm2·V—1·s—1，亞閾值擺幅(SS)從204 到137 mV·dec—1.無(wú)N2O 等離子處理的IZTO TFT 的Vth較負(fù)歸因于在PECVD沉積SiO2鈍化層過(guò)程中產(chǎn)生了額外的陷阱狀態(tài)[28].當(dāng)對(duì)有源層進(jìn)行N2O 等離子處理時(shí)，背溝道附近會(huì)形成富氧區(qū)，可有效防止SiO2沉積過(guò)程中對(duì)背溝道的損壞，從而使得Vth正移[29].遷移率的增加和SS 的減少是由于經(jīng)過(guò)N2O 等離子體處理的IZTO薄膜缺陷態(tài)密度減少，較高的金屬鍵密度和較低的缺陷會(huì)使得電子通過(guò)重疊金屬s 軌道時(shí)具有更好的電子傳導(dǎo)路徑[30].圖3(b)和圖3(c)給出了有無(wú)N2O 等離子體處理IZTO TFT 的輸出特性曲線(xiàn).經(jīng)N2O 等離子體處理和無(wú)處理的IZTO TFT 的飽和電流分別110 和82 μA，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)處理后的IZTO TFT 表現(xiàn)出更高的電流水平.在較低柵極電壓范圍內(nèi)，都表現(xiàn)為線(xiàn)性關(guān)系，電流也沒(méi)發(fā)生阻塞現(xiàn)象，這說(shuō)明IZTO TFT 的有源層IZTO 和源漏電極間均形成良好的歐姆接觸[24].

表1 有無(wú)N2O 等離子體處理的IZTO TFT 性能對(duì)比Table 1.Device performance comparison of IZTO TFT without and with N2O plasma treatment.

圖3 (a) 有無(wú)N2O 等離子體處理的IZTO TFT 轉(zhuǎn)移曲線(xiàn);(b) 無(wú)處理的IZTO TFT 輸出曲線(xiàn);(c) N2O 等離子處理的IZTO TFT 輸出曲線(xiàn)Fig.3.(a) Transfer characteristics of an IZTO TFT without and with N2O plasma treatment;output characteristics of an IZTO TFT (b) without and (c) with N2O plasma treatment.

為了分析有無(wú)N2O 等離子處理的IZTO 薄膜中氧相關(guān)化學(xué)位移的變化，進(jìn)行了O 1s XPS 分析，其化學(xué)位移如圖4 所示.以碳1s 峰(284.6 eV)對(duì)XPS 譜進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合，可以將其分解為3 個(gè)峰，對(duì)應(yīng)的能級(jí)分別約為529.9，531.2和531.8 eV.位于529.9 eV 附近的峰為金屬氧化物鍵，位于531.2 eV 附近的峰為與晶格缺陷有關(guān)的氧原子，位于531.8 eV 附近的峰為與金屬氫氧化物等有關(guān)的氧原子[31].可以看出，經(jīng)過(guò)N2O 等離子處理后，金屬氧化物鍵的峰強(qiáng)度從47.17%增加到57.79%，氧空位的峰強(qiáng)度從27.42%降低到19.43%.這些結(jié)果表明，N2O 等離子處理可以在背溝道附近形成富氧區(qū)域，使得氧相關(guān)缺陷減少，同時(shí)富氧區(qū)的形成也可以有效地防止SiO2沉積過(guò)程中造成的損壞，并產(chǎn)生更好的電性能.

圖4 IZTO 薄膜O 1s XPS圖譜 (a) 無(wú)處理;(b) N2O等離子體處理Fig.4.XPS of O 1s spectra on the surface of IZTO film (a)without and (b) with N2O plasma treatment.

圖5(a)和圖5(c)分別為有無(wú)N2O 等離子體處理后IZTO TFT 在10000 lux (LED 背光源)光照下施加VGS=+5 V 的偏壓測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為3600 s.隨著光照時(shí)間的增加，在光照正偏壓(positive bias illumination stress，PBIS)下Vth發(fā)生正向偏移，分別偏移了0.04 和0.02 V，這基本沒(méi)有發(fā)生漂移，主要是因?yàn)樵诠庹障?，氧空?VO)會(huì)電離產(chǎn)生電子，在去除光照后，這些電子不會(huì)完全和電離態(tài)的VO復(fù)合，留在導(dǎo)帶上，彌補(bǔ)了被界面捕獲的電子[32].圖5(b)和圖5(d)為有無(wú)N2O 表面等離子體處理后IZTO TFT 在NBIS 下的穩(wěn)定性，無(wú)N2O 等離子處理的IZTO TFT 在NBIS 下Vth逐漸向負(fù)方向移動(dòng)，3600 s 后偏移了0.3 V，如圖5(e)所示.在之前的報(bào)告中，NBIS 誘導(dǎo)的Vth偏移主要是在光照射下，使得中性態(tài)的VO電離[33]，IZTO 薄膜中電離態(tài)的氧空位在負(fù)偏壓作用下移動(dòng)到IZTO/HAO 界面處，使得Vth發(fā)生負(fù)漂.在N2O 表面等離子處理后，ΔVth降低到0.1 V，表明N2O 有助于減少的形成，圖5(f)為經(jīng)過(guò)N2O 表面等離子體處理后的IZTO 薄膜的能帶圖，經(jīng)過(guò)N2O 表面等離子處理后表面處于富氧狀態(tài)，氧原子填充了氧空位，降低了中性VO的密度.為了更好地理解N2O 等離子體處理對(duì)IZTO 表面的影響，我們制作了一個(gè)示意圖，如圖6 所示.在N2O表面處理之后，氧空位被氧自由基鈍化，從而形成更多的金屬鍵，使得IZTO 薄膜表面更加致密，從而使得IZTO TFT 表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性，這表明對(duì)IZTO 有源層表面進(jìn)行N2O 表面等離子體處理可以改善IZTO TFT 的光致不穩(wěn)定.

圖5 IZTO TFT 的PBIS 和NBIS 穩(wěn)定性 (a) 和(b) 為無(wú)處理，(c) 和(d) 為N2O 等離子體處理;(e) 閾值電壓隨偏壓時(shí)間的變化;(f) N2O 等離子體處理后IZTO TFT 的能帶圖示意圖Fig.5.Stability for IZTO TFT:Stability of (a) untreated and (c) treated PBIS;stability of (b) untreated and (d) treated NBIS;(e) plots of voltage shift versus time;(f) band diagram of IZTO TFT with N2O plasma treatment.

圖6 IZTO 薄膜的原子模型 (a) 無(wú)處理;(b) N2O 等離子處理Fig.6.Atomic model of the IZTO film (a) without and (b) with N2O plasma treatment.

陣列中各個(gè)器件的負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性對(duì)顯示至關(guān)重要，為此，對(duì)各個(gè)位置測(cè)試了負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性，分別為陣列左上、右上、左下和右下的器件，光照負(fù)偏壓穩(wěn)定性如圖7 所示.經(jīng)過(guò)3600 s 負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性測(cè)試之后，閾值電壓分別漂移了—0.15，—0.13，—0.19 和—0.2 V，符合負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性小于0.2 V 的條件，滿(mǎn)足目前顯示的要求.中間器件相對(duì)周?chē)骷€(wěn)定性較好的原因是，在旋涂IZTO 薄膜的時(shí)候，外圍的厚度均勻性沒(méi)有中間的好，在固化薄膜過(guò)程中，其表面可能引入更多的缺陷態(tài).

圖7 陣列中各個(gè)位置器件負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性分布 (a) 左上;(b)右上;(c) 中間;(d)左下;(e) 右下;(f) 陣列整體負(fù)偏壓光照穩(wěn)定性Fig.7.Illumination stability distribution of devices under negative bias in the array:(a) Top-left;(b) top-right;(c) middle;(d) bottom-left;(e) bottom-right;(f) the negative bias illumination stress stability of the array.

同時(shí)，為了評(píng)估像素陣列中器件的性能均勻性，按照一定分布選取了20 個(gè)器件進(jìn)行了轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)測(cè)試，從中提取了相關(guān)電學(xué)參數(shù)，如圖8 所示.經(jīng)N2O 等離子體處理的器件遷移率平均值為(50.75 ± 5.06) cm2·V—1·s—1，亞閾值擺幅為(141.2 ±14.16) mV·dec—1，無(wú)處理的器件遷移率平均值為(27.25 ± 5.29)cm2·V—1·s—1，亞閾值擺幅為(218.9 ±16.42) mV·dec—1.

圖8 20 個(gè)器件遷移率和亞閾值擺幅分布 (a)，(b) N2O 等離子體處理;(c)，(d) 無(wú)處理Fig.8.Histogram of threshold voltage and mobility for the IZTO TFTs:(a)，(b) With N2O plasma treatment;(c)，(d) without N2O plasma treatment.The data are collected from 20 TFTs.

4 結(jié)論

本文采用溶液法制備了高光照負(fù)偏壓像素極IZTO TFT，并研究了其光照負(fù)偏壓穩(wěn)定性.對(duì)比了N2O 等離子體處理與未處理的器件性能，IZTO TFT 的開(kāi)關(guān)電流比為2.3×107、閾值電壓為0.1 V、亞閾值擺幅為137 mV·dec—1、飽和遷移率為51.52 cm2·V—1·s—1，且光照負(fù)偏壓穩(wěn)定性低于0.2 V.器件的優(yōu)異性能主要是由于等離子處理后IZTO 薄膜表面變得更加光滑，表面氧相關(guān)缺陷態(tài)降低，M—O 鍵的密度增加.結(jié)果表明，制備的4.5 英寸的IZTO TFT 像素陣列滿(mǎn)足顯示驅(qū)動(dòng)需求.