沟道层工艺条件对IZO薄膜晶体管稳定性的影响及机理研究

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本论文研究分析了射频磁控溅射制备沟道层的工艺条件对氧化物薄膜晶体管稳定性的影响。实验中以不同的沟道层工艺条件制备了铟锌氧化物薄膜晶体管(IZO-TFT),其中由射频磁控溅射法沉积IZ○沟道层和Al2O3介质层,真空热蒸发沉积金属铝电极,器件呈底栅层错结构,整体工艺温度低于100℃,与柔性电子学相兼容。在沟道层溅射时间为8 mm—in,氧分压为0.24 Pa时器件性能最优,饱和迁移率为5.52 cm2/V·s,阈值电压为6.09 V,亚阈值摆幅为0.54 V/dec,开关比3×106。在实验范围内增加沟道层溅射时间(7.5,8.0,8.5 mmin),TFT转移特性曲线逐渐朝“左上方”移动,而增加氧分压转移特性曲线向“右下方”移动。不仅如此,沟道层厚度和制备氧分压两个参数也同样影响着相应TFT的稳定性。改变IZO薄膜的制备氧分压,可以明显调制薄膜及相应TFT的性能。通过对单层薄膜的表征可知,所制备的IZO薄膜皆为非晶结构,表面平整(方均根粗糙度最小仅为0.36 nnm),可见光区平均透射率达87%,并且随着氧分压增加,薄膜的表面形貌先变好后变差,而透光性逐渐变好。对比制备氧分压分别为0.16Pa和0.24 Pa两个薄膜晶体管在干燥箱放置一个月前后的性能变化,发现0.16 Pa的器件场效应迁移率从8.14 cm2/V·s减小到了2.60 cm2/V·s,阈值电压正向漂移了3.45 V,开关比和亚阈值摆幅也有了一定程度的恶化,反观0.24 Pa的器件相对稳定了很多。因此,IZO制备过程中的氧分压越高,器件储存稳定性越好。另一方面,给三组不同沟道层溅射时间的TFT进行VG=+10 V,最长1500s的正偏压测试,发现三组器件的阈值电压都发生了典型阈值电压正向漂移现象,通过分析可知这主要是缘于发生在介质层或者介质层与沟道层界面处的电荷捕获。横向比较,发现随着沟道层IZO溅射时间的增加,即沟道层厚度的增加,这种阈值电压的漂移现象更加剧烈。而加入光照能够缓解这种漂移现象。
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