鐘云肖， 周尚雄， 姚日暉， 蔡 煒， 朱鎮(zhèn)南，魏靖林， 徐海濤， 寧洪龍*， 彭俊彪

(1. 高分子光電材料與器件研究所， 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室， 華南理工大學 材料科學與工程學院， 廣東 廣州 510640; 2. 華南農(nóng)業(yè)大學 電子工程學院， 廣東 廣州 510642)

1 引 言

薄膜晶體管(Thin film transistor,TFT)是一種三端場效應器件，可以組成顯示的驅(qū)動電路從而實現(xiàn)平板顯示產(chǎn)業(yè)大尺寸、超高清和全彩高刷新顯示。TFT中絕緣層能起到存儲電容和防止信號串擾等作用，其不僅影響TFT器件的轉(zhuǎn)移性能，同時影響穩(wěn)定性和壽命等。早期TFT器件主要采用SiO2作為絕緣層材料，但隨著集成電路中晶體管特征尺寸的逐漸減小，隧道效應產(chǎn)生的較大漏電流使得SiO2柵介質(zhì)喪失了良好的絕緣效果[1]。為了進一步降低器件尺寸，同時提高電學性能、降低漏電流和能耗，人們迫切需要找到一種更加合適的高介電材料(即High-k材料)，以取代SiO2作為晶體管的柵介質(zhì)。

相比于其他介電絕緣材料(SiO2，HfO2,Y2O3, Al2O3[2-5]等)，ZrO2有高的相對介電常數(shù)(～27)、較寬的禁帶(7.8eV)，且具有硬度高、韌性好、抗腐蝕、高溫化學穩(wěn)定性好[6]等特性，是一種常用的介質(zhì)層材料。較高的介電常數(shù)使得ZrO2薄膜在相同厚度下，可以有效地提高電容密度，這將有效地減少穿過柵介質(zhì)層的直接隧穿電流，并且可以提高柵介質(zhì)的可靠性[7-8]。同時ZrO2薄膜優(yōu)異的絕緣性可以降低關態(tài)電流。因此，制得的IGZO-TFT具有穩(wěn)定性好、閾值電壓低、亞閾值擺幅小和遷移率高等特點?；谝陨峡紤]，以及ZrO2薄膜具有簡單的制備方法，本實驗選擇ZrO2為絕緣層，制備IGZO-TFT。

傳統(tǒng)工藝中金屬氧化物薄膜的制備依賴于真空制備技術，如氣相沉積、磁控濺射等，從而造成制備成本高、加工速度慢且需要復雜的光刻過程。相比而言，利用旋涂法制備的薄膜具有膜厚度精確可控、性價比高、節(jié)能、污染低等優(yōu)點，因此旋涂法制備金屬氧化物薄膜吸引了越來越多的關注[9-14]。2013年，Li等[1]在玻璃襯底上制備了以ZrO2為絕緣層的TFT器件，器件開關比為104，飽和遷移率為0.8cm2/(V·s)；2016年，Cho等[15]利用旋涂法制備了ZrO2絕緣層，測得當電壓為-10V時，漏電流密度為5.18×10-6A/cm2，最終制備的IGZO-TFT遷移率為0.604cm2/(V·s)。

目前關于旋涂氧化鋯薄膜及其在TFT器件中應用的研究較少，同時缺乏旋涂參數(shù)影響的探究。本文采用溶液法制備氧化鋯薄膜，通過XRD、XPS等方式測試氧化鋯薄膜的電學性能與薄膜結構，探討了旋涂轉(zhuǎn)速以及退火溫度對薄膜性能的影響。經(jīng)過優(yōu)化后制備的氧化鋯薄膜粗糙度為0.7nm，當電場強度為1MV/cm時，漏電流為3.13×10-5A/cm2。利用旋涂的氧化鋯薄膜在玻璃基板上制備了銦鎵鋅氧化物-薄膜晶體管(IGZO-TFT),其遷移率為6.5cm2/(V·s)，開關比達到2×104。

2 實驗過程

以ZrOCl·8H2O為溶質(zhì)、乙二醇單甲醚(2-MOE)為溶劑配制溶液，室溫下攪拌2h后老化24h。氧化鋯溶膠過濾后滴在ITO玻璃上，用KW-4A型勻膠機將溶膠均勻甩開，選取不同的旋涂轉(zhuǎn)速作為實驗變量，旋涂后進行預退火，重復進行多次旋涂。多次旋涂完畢后經(jīng)過高溫后退火以得到均勻、致密的絕緣層薄膜，選取不同后退火溫度為實驗變量。最后在氧化鋯介質(zhì)層上通過濺射的方式層積IGZO有源層和Al源漏電極以制備完整TFT器件。

采用PANalytical銳影X射線反射(XRR)系統(tǒng)測試薄膜的物相、厚度、密度和粗糙度等；Multimode8原子力顯微鏡(AFM)用于觀察薄膜的表面形貌; ESCALAB250Xi X射線光電子能譜(XPS)用于進行薄膜成分分析；Agilent E4980A和Agilent B1500A分別用于測試 MIM器件 (ITO/氧化鋯絕緣層/Al)的電容-電壓特性、電流-電壓特性，測試中ITO與Al分別作為電極與探針接觸；Agilent4155C測試TFT器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。

3 結果與分析

3.1 退火溫度對薄膜性能的影響

在溶液法制備薄膜的過程中，高溫后退火可以移除濕膜中的雜質(zhì)副產(chǎn)物等，以形成穩(wěn)定均一的薄膜。退火后的氧化鋯薄膜除ZrO2外，還含有氧化鋯水合物，對氧化鋯薄膜的后期高溫處理一方面使氧化鋯水合物脫水形成氧化鋯，另一方面促使氧化鋯結晶。為了探究不同的退火溫度對薄膜性能的影響，將旋涂后的薄膜分別置于300，400，500℃下退火1.5h，并利用MIM結構 (ITO/ZrO2/Al)測試薄膜的電學特性。表1是不同退火溫度的薄膜的電學數(shù)據(jù)，可以看出，300℃后退火的薄膜具有更好的介電特性，其中漏電流密度為1×10-4A/cm2，擊穿電壓為15V。

表1 不同退火溫度的薄膜的漏電流數(shù)據(jù)

圖1 不同退火溫度ZrO2薄膜的XRD圖譜

Fig.1 XRD spectra of ZrO2films annealed at different temperatures

圖1是不同退火溫度的薄膜的XRD圖譜。300 ℃退火的薄膜呈現(xiàn)非晶態(tài)，當退火溫度超過400 ℃時，氧化鋯薄膜出現(xiàn)結晶態(tài)?？梢钥闯鼋Y晶態(tài)的絕緣層具有更高的漏電流，一方面是因為富含缺陷的晶界為電子和雜質(zhì)流動提供了快速的通道，另一方面是結晶態(tài)下薄膜表面粗糙度增加使得接觸特性變差[16]。將退火溫度控制在薄膜結晶溫度以下進行實驗，退火溫度從200 ℃升高至300 ℃，其漏電流密度由8×10-4A/cm2下降到1×10-4A/cm2?？梢园l(fā)現(xiàn)對于非晶態(tài)絕緣層薄膜，退火溫度升高，薄膜的雜質(zhì)缺陷減少，漏電流密度減小。

3.2 轉(zhuǎn)速對薄膜性能的影響

在溶液法制備薄膜的過程中，旋涂轉(zhuǎn)速、前驅(qū)體粘度等是薄膜厚度及粗糙度的決定性因素，這些因素又進而影響了絕緣層薄膜的漏電流密度。為了探究不同的旋涂轉(zhuǎn)速對薄膜性能的影響，實驗中采用控制變量法，在不同轉(zhuǎn)速條件下進行旋涂制膜，旋涂后的薄膜在300 ℃下退火1.5 h。利用X射線反射(XRR)系統(tǒng)測試薄膜厚度、密度和粗糙度，利用MIM結構 (ITO/ZrO2/Al)測試薄膜的電流-電壓特性。

前驅(qū)體溶液不同旋涂轉(zhuǎn)速下制備的ZrO2薄膜的性能參數(shù)如表2所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出隨轉(zhuǎn)速的增加，ZrO2薄膜的膜厚、粗糙度降低。轉(zhuǎn)速在4 000 r/min以下時，其改變對膜厚、粗糙度以及漏電流密度有明顯影響；轉(zhuǎn)速從4 000 r/min增加到5 000 r/min時，厚度、粗糙度以及漏電流密度分別從77.99 nm、0.457 nm和1.34×10-3A/cm2變?yōu)?8.84 nm、0.421 nm和3.13×10-5A/cm2；當轉(zhuǎn)速超過5 000 r/min時，其變化對膜厚、粗糙度以及漏電流密度影響不大。根據(jù)Meyerhofer[17]提出的旋涂溶劑揮發(fā)模型，揮發(fā)速率、轉(zhuǎn)速和初始粘度等因素與膜厚度的變化成一定比例關系，如公式(1)、(2)所示：

(1)

e∝ω1/2，

(2)

其中e為溶劑揮發(fā)速率，ω為角速度，v0為初始粘度，隨著旋涂轉(zhuǎn)速的增大，相應制備薄膜的厚度越薄。同時，當轉(zhuǎn)速較大時，膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化率較低。粗糙度減少可以使絕緣層薄膜與電極、有源層結合更加緊密，抑制界面電子陷阱，有利于減少載流子散射中心和提高有源層的場效應遷移率[18-20]，同時也可以降低TFT的閾值電壓，提高器件開關比[21-22]。粗糙度降低到一定程度后，其變化對器件性能的影響減弱，因此在后續(xù)的實驗中轉(zhuǎn)速選取為5 000 r/min。

表2 不同旋涂轉(zhuǎn)速下薄膜的性能參數(shù)

3.3 旋涂氧化鋯薄膜在TFT中的應用

分析各參數(shù)對旋涂氧化鋯薄膜的影響后，選取較優(yōu)的實驗參數(shù)，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，退火溫度為300 ℃制備氧化鋯薄膜。圖2為旋涂氧化鋯薄膜的AFM掃描圖，可以看出制備的薄膜結構致密、均勻，沒有孔洞、微裂紋等缺陷，其中測得RMS為0.7 nm。當電場強度為1 MV/cm時，利用MIM結構(ITO/氧化鋯絕緣層/Al)測得薄膜的漏電流僅為3.13×10-5A/cm2。

利用旋涂氧化鋯薄膜制備底柵頂結構的TFT 器件，其中柵極為ITO，厚度約為150 nm，柵極上旋涂氧化鋯薄膜，接著濺射10 nm IGZO有源層以及100 nm Al源漏電極。圖3是TFT器件的結構圖以及TEM 截面圖。用TEM進行樣品分析，測得ITO側面蝕刻角約為18°02′，ITO斜坡ZrO2薄膜厚度為123 nm， ITO頂部ZrO2薄膜厚度為116 nm，厚度差僅為7 nm，臺階對旋涂薄膜厚度影響不大，工藝具有較強的臺階覆蓋能力，適用于堆棧式電子器件的制備。測量器件單層薄膜厚度，可知ITO厚度為139 nm，ZrO2厚度為116 nm，IGZO厚度為7 nm，Al厚度為95 nm，與實驗擬定薄膜厚度相差較小，膜厚在一定誤差范圍內(nèi)可控。觀察TEM局部放大圖，可以看出氧化鋯層的界面明顯，與上下兩層的結合緊密，內(nèi)部不存在孔洞等缺陷，且上界面光滑程度高，為高質(zhì)量IGZO半導體薄膜的獲得提供了保障。圖4是TFT器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，器件遷移率為6.5 cm2/(V·s)，開關比為2×104。

圖2 氧化鋯薄膜的AFM圖

圖3 (a) TFT器件的結構圖；(b) TFT器件的TEM 截面圖。

圖4 (a)IGZO TFT器件的輸出特性；(b) IGZO TFT器件的轉(zhuǎn)移特性。

4 結 論

在不同的條件下旋涂制備氧化鋯薄膜，通過分析氧化鋯薄膜的表面形貌、成分、物相及電學特性，可以得出：(1)高溫后退火可以使氧化鋯水合物脫水形成氧化鋯同時促使氧化鋯結晶，當退火溫度高于300 ℃時，薄膜出現(xiàn)結晶態(tài)使得薄膜漏電流增加。(2)退火溫度在絕緣層薄膜結晶溫度以下時，退火溫度越高，薄膜的雜質(zhì)缺陷越少，漏電流密度越小。(3)轉(zhuǎn)速較低時，轉(zhuǎn)速的改變對膜厚和粗糙度影響較大， 4 000 r/min與5 000 r/min制備的薄膜膜厚相差9 nm，粗糙度分別為0.457 nm和0.421 nm。當轉(zhuǎn)速超過5 000 r/min時，其變化對膜厚及粗糙度影響不大。

通過優(yōu)化實驗條件發(fā)現(xiàn),當轉(zhuǎn)速為5 000 r/min、退火溫度為300 ℃時,可獲得低粗糙度、低漏電和高相對介電常數(shù)的ZrO2介電層，薄膜的漏電流為3.13×10-5A/cm2。在玻璃基板上制備IGZO-TFT器件,其遷移率為6.5 cm2/(V·s)，開關比為2×104。

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