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摘 要：本文基于传统底栅交叠型非晶铟镓锌氧（a-IGZO）TFT研究了等离子体增强化学气相淀积（PECVD）生长SiO2、SiNx及双层SiO2/SiNx的钝化层工艺，并优化了薄膜沉积的工艺参数以及膜层厚度。其中，SiO2的沉积对a-IGZO的影响较小，然而其膜质致密性不佳，无法提供较好的环境气氛阻隔效果。SiNx虽然钝化效果更优，但其沉积过程中向a-IGZO内引入过量氢时将造成器件特性退化。双层SiO2/SiNx钝化层结构则能兼顾SiO2、SiNx两者优点，显示出较好的钝化效果。通过SiO2/SiNx叠层钝化之后，在2000s的PBTS后的阈值电压漂移量?Vth=1.25V，?SS=0.52V/dec，在2000s的NBTS后，其阈值电压漂移量?Vth=-0.74V，?SS=0.1V/dec，相比于钝化前优异很多，证明SiO2/SiNx双层钝化层能有效地隔绝环境中的水汽和氧气的影响
关键词：薄膜晶體管;铟镓锌氧化物;无机钝化层;SiO2/SiNx钝化层;电应力稳定性
1 引言
随着科技的进步以及人们对人机交互体验要求的不断提高，平板显示技术备受关注，目前市场上有源矩阵液晶显示（AMLCD）和有源矩阵发光二极管显示（AMOLED）已经取代传统的阴极摄像管显示（CRT）而成为主流显示技术，控制着大部分的市场份额。而薄膜晶体管（Thin Film Transistor， TFT）是有源显示器的重要开关和驱动元件，自然也成为各大企业和研究机构关注的焦点。目前相较于a-Si：H TFT技术[1]，LTPS TFT[2]，有机物TFT[3]等技术，非晶金属氧化物TFT具有较高的迁移率、关态电流低、大面积均匀性好、工艺简单、稳定性优异、制备成本低等优点，被认为是下一代平板显示的主流技术，而非晶铟镓锌氧化物TFT（a-IGZO TFT）是其典型代表[4]。但是由于a-IGZO TFT的背沟道对环境中的水分子（H2O）和氧分子（O2）较敏感，容易受其吸附的影响，而使器件性能退化，因此需要在其背面沉积一层钝化层，以隔绝环境中的水和氧气的吸附。目前对a-IGZO TFT器件进行钝化的材料和方法有很多，比如氧化硅（SiO2）[5]，氮化硅（SiNx）[6]，氧化铝（Al2O3）[7-8]等无机钝化层，但是二氧化硅钝化层不够致密，钝化效果有限，氮化硅钝化层虽然比较致密，钝化效果比较好，但是在沉积过程中会引入大量的H，导致器件性能退化，使用ALD设备生长氧化铝钝化层则生长速度很慢，难以量产。因此本文使用SiO2/SiNx叠层钝化层，扬长避短，兼具两者的优点，显示出优异的钝化效果。
本文制备了底栅a-IGZO TFT器件，并制备SiO2/SiNx叠层钝化层。对比了无钝化层和SiO2/SiNx叠层钝化后的器件发现，采用SiO2/SiNx叠层钝化层的器件可以避免环境中的水、氧吸附效应造成的器件特性恶化，稳定性得到显著提高。
2工艺流程：
制备底栅a-IGZO TFT器件的工艺流程如下：
1.沉积底栅电极并图形化
使用磁控溅射台，沉积栅极（Gate）钼（Mo）电极 150nm，溅射气体为Ar流量50sccm，溅射气压0.36pa，溅射功率120w，通过湿法腐蚀对其进行图形化以形成Mo栅电极，刻蚀液为 H2O2 与 NH3·H2O 混合溶液。
2.生长栅介质
使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在300℃条件下沉积栅介质SiO2 膜层200nm。
3.沉积有源层
磁控溅射设备，直流溅射镀IGZO膜40nm（溅射条件：直流电源功率100w，气体流量Ar：O2=47sccm：3sccm，溅射气压0.4pa。
4. 退火
将样品置于退火炉中用氧气（O2）退火，退火温度为350℃，退火时间为90min。
5. 有源层图形化
通过湿法刻蚀图形化IGZO膜层，刻蚀液为稀盐酸。
6.lift-off工艺沉积源漏电极
磁控溅射钼电极150nm并用剥离的方法进行图形化作为源漏电极。
7.正胶光刻并用反应离子刻蚀SiO2形成栅极接触孔。
8.沉积SiO2/SiNx叠层钝化层
使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）分别沉积100nmSiO2和25nmSiNx叠层钝化层，沉积温度为150℃。
9. 图形化及干法刻蚀开孔（S/D/Gate电极）
通过反应离子刻蚀SiO2/SiNx，刻蚀气体为CF4：O2=30：5（sccm：sccm）。
11 测试，测试设备为B1500A。
3 结果与讨论：
图2为气体流量比硅烷（SiH4）：一氧化二氮（N2O）=5 ：400（sccm：sccm）制备的二氧化硅钝化层对器件性能影响图，其中器件的宽长比为W/L=100/100（μm：μm），栅压Vg从-20V扫到30V，分别测试Vds=0.1V和Vds=10.1V时的器件转移特性。图中黑色线为钝化前器件的基本特性图，红色的线为二氧化硅钝化后器件的基本特性图，蓝色的线为钝化后通过250℃的氧气（O2）退火一个小时后器件的基本特性图。从图中可以得出钝化后器件关不断，通过退火后其性能能够部分恢复，其可能的原因与上述相似。通过250℃退火后与无钝化时的状态相比，其阈值电压的漂移量?Vth= -1.7V，其亚阈值摆幅SS也相应地退化，其SS漂移量为?SS = 0.21V/dec。
由此可以得出：气体流量比硅烷（SiH4）：一氧化二氮（N2O）=5 ：400（sccm：sccm）制备得的二氧化硅钝化层会使器件关不断，通过250℃的氧气气氛退火一个小时后，器件性能可以部分恢复。 图3所示为，气体流量比为SiH4：NH3：N2= 10：30：400（sccm：sccm：sccm）的氮化硅钝化层对a-IGZO TFT器件的转移特性影响图，其中选取宽长比W/L=100/50（μm/μm）和W/L=100/100（μm/μm）的TFT器件为测试对象，测试时栅压Vg从-20V 到30V，漏极电压（Vds）为10.1V，氮化硅厚度为200nm。从图中可以看出，器件通过沉积200nm氮化硅之后，器件关不断，失去了开关特性。原因推测可能是生长氮化硅过程中，有源层受离子轰击变得更导电，以及沉积过程中引入大量的H而导致。而通过250℃的氧气气氛退火1h后，其性能依旧关不断。原因可能是氮化硅过于致密，使得氧气通不过钝化层，起不到修复的作用。因此可以看出，氮化硅的致密性比较大。
图4所示为，厚度为25nm氮化硅钝化层的NBS特性图。由上述实验可知200nm厚的氮化硅使得器件关不断，失去器件的开关特性，因此此实验将氮化硅厚度减薄至25nm。从图中可以看出25nm的氮化硅在250℃的氧气气氛下退火后可恢复开关特性，但是其特性与未钝化时相比，退化较多。通过3600s的负栅压应力测试后，其阈值电压往负漂移量ΔVt= -12V，亚阈值摆幅漂移量ΔSS= 0.71V/dec，由此可以看出减薄氮化硅厚度，H的引入减少，通过退火，氧气可以通过薄膜氧化修复有源层，进而恢复开关性能。
图5所示为无钝化层时器件的PBTS特性图，图6所示为SiO2/SiNx双层钝化后的PBTS特性。对比图5和图6可知，器件在SiO2/SiNx双层钝化后其阈值电压略微往负漂移，SS也增大，但是其在2000s的PBTS后的阈值电压漂移量?Vth=1.25V，?SS=0.52V/dec，相比于钝化前优异很多，证明SiO2/SiNx双层钝化层能有效地隔绝环境中的水汽和氧气的影响。
图7所示为无钝化层时器件的NBTS特性图，图8所示为SiO2/SiNx双层钝化后的NBTS特性。对比图5和图6可知器件在SiO2/SiNx双层钝化后其阈值电压略微往负漂移，其SS也增大，但是其在2000s的NBTS后的阈值电压漂移量?Vth=-0.74V，?SS=0.1V/dec，相比于钝化前优异很多，证明SiO2/SiNx双层钝化层能有效地隔绝环境中的水汽和氧气的影响。
本文制备了底栅a-IGZO TFT器件，使用二氧化硅薄膜作为钝化层并通过250℃的氧气气氛退火后，其性能可以部分恢复，但是其致密度不够，不足以阻挡外部环境对器件的影响;使用氮化硅薄膜作为钝化层，但是如果厚度太厚（比如200nm），其沉积过程中会引入大量的H，使得器件关不断，氧气气氛中退火也难以恢复开关特性，但是厚度太薄阻挡不住外部坏境的影响;因此本文使用SiO2/SiNx双层钝化层，把SiO2作为缓冲层过度，而外层SiNx作为阻挡层，兼具两者的优点，使其钝化效果明显提升，经过2000s的PBTS后的阈值电压漂移量?Vth=1.25V，?SS=0.52V/dec，经过2000s的NBTS后的阈值电压漂移量?Vth=-0.74V，?SS=0.1V/dec，相比于钝化前优异很多，证明SiO2/SiNx双层钝化层能有效地隔绝环境中的水汽和氧气的影响。
参考文献：
[1] P. G. le Comber， W. E. Spear， and A. Ghaith， “Amorphous-silicon field-effect device and possible application，” Electronics Letters， vol. 15， no. 6， pp. 179-181， 1979.
[2] S.D. Brotherton， “Polycrystalline silicon thin film transistors，” Semicond. Sci. Technol.， vol. 10， pp. 721-738， 1995.
[3] S. Liu， W. Maria Wang， Alejandro L. Briseno， Stefan C. B. Mannsfeld， and Z. Bao， “Controlled deposition of crystalline organic semiconductors for field-effect-transistor applications，” Adv. Mater.. vol 21， pp. 1217-1232， 2009
[4] H. K. J. Yoon， M. Lee， Y.-Y. Yu， N. Cheong， S. Min， J. Choi， H. Im， K. Lee， J. Jo， H. Kim， H. Choi， Y. Lee， C. Yoo， S. Kuk， M. Cho， S. Kwon， W. Park， S. Yoon， I. Kang， S. Yeo， “World 1st Large Size 18-inch Flexible OLED Display and the Key Technologies，” SID Symposium Digest of Technical Papers， vol. 46， no. 1， pp. 962-965， 2015.
[5] J. K. Jeong， H. W. Yang， J. H. Jeong et al.， “Origin of threshold voltage instability in indium-gallium-zinc oxide thin film transistors，” Appl. Phys. Lett.， vol. 93， no. 12， pp. 123508 -1–123508 -3， 2008.
[6] S.-H. K. Park， M.-K. Ryu， H. Oh et al.， “Double-layered passivation film structure of Al2O3/SiNx for high mobility oxide thin film transistors，” Journal of Vacuum Science & Technology B， vol. 31， no. 2， pp. 020601 - 020601-6， 2013.
[7] E. Fukumoto， T. Arai， N. Morosawa et al.， “High-mobility oxide TFT for circuit integration of AMOLEDs，” Journal of the Society for Information Display， vol. 19， no. 19， pp. 867–872， 2011.
[8] S.-Y. Huang， T.-C. Chang， M.-C. Chen et al.， “Effects of Ambient Atmosphere on Electrical Characteristics of Al2O3 Passivated InGaZnO Thin Film Transistors during Positive-Bias-Temperature-Stress Operation，” Electrochemical and Solid-State Letters， vol. 14， no. 4， pp. H177-H179， 2011.
（北京大學深圳研究生院，广东 深圳518055）
关键词：薄膜晶體管;铟镓锌氧化物;无机钝化层;SiO2/SiNx钝化层;电应力稳定性
1 引言
随着科技的进步以及人们对人机交互体验要求的不断提高，平板显示技术备受关注，目前市场上有源矩阵液晶显示（AMLCD）和有源矩阵发光二极管显示（AMOLED）已经取代传统的阴极摄像管显示（CRT）而成为主流显示技术，控制着大部分的市场份额。而薄膜晶体管（Thin Film Transistor， TFT）是有源显示器的重要开关和驱动元件，自然也成为各大企业和研究机构关注的焦点。目前相较于a-Si：H TFT技术[1]，LTPS TFT[2]，有机物TFT[3]等技术，非晶金属氧化物TFT具有较高的迁移率、关态电流低、大面积均匀性好、工艺简单、稳定性优异、制备成本低等优点，被认为是下一代平板显示的主流技术，而非晶铟镓锌氧化物TFT（a-IGZO TFT）是其典型代表[4]。但是由于a-IGZO TFT的背沟道对环境中的水分子（H2O）和氧分子（O2）较敏感，容易受其吸附的影响，而使器件性能退化，因此需要在其背面沉积一层钝化层，以隔绝环境中的水和氧气的吸附。目前对a-IGZO TFT器件进行钝化的材料和方法有很多，比如氧化硅（SiO2）[5]，氮化硅（SiNx）[6]，氧化铝（Al2O3）[7-8]等无机钝化层，但是二氧化硅钝化层不够致密，钝化效果有限，氮化硅钝化层虽然比较致密，钝化效果比较好，但是在沉积过程中会引入大量的H，导致器件性能退化，使用ALD设备生长氧化铝钝化层则生长速度很慢，难以量产。因此本文使用SiO2/SiNx叠层钝化层，扬长避短，兼具两者的优点，显示出优异的钝化效果。
本文制备了底栅a-IGZO TFT器件，并制备SiO2/SiNx叠层钝化层。对比了无钝化层和SiO2/SiNx叠层钝化后的器件发现，采用SiO2/SiNx叠层钝化层的器件可以避免环境中的水、氧吸附效应造成的器件特性恶化，稳定性得到显著提高。
2工艺流程：
制备底栅a-IGZO TFT器件的工艺流程如下：
1.沉积底栅电极并图形化
使用磁控溅射台，沉积栅极（Gate）钼（Mo）电极 150nm，溅射气体为Ar流量50sccm，溅射气压0.36pa，溅射功率120w，通过湿法腐蚀对其进行图形化以形成Mo栅电极，刻蚀液为 H2O2 与 NH3·H2O 混合溶液。
2.生长栅介质
使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在300℃条件下沉积栅介质SiO2 膜层200nm。
3.沉积有源层
磁控溅射设备，直流溅射镀IGZO膜40nm（溅射条件：直流电源功率100w，气体流量Ar：O2=47sccm：3sccm，溅射气压0.4pa。
4. 退火
将样品置于退火炉中用氧气（O2）退火，退火温度为350℃，退火时间为90min。
5. 有源层图形化
通过湿法刻蚀图形化IGZO膜层，刻蚀液为稀盐酸。
6.lift-off工艺沉积源漏电极
磁控溅射钼电极150nm并用剥离的方法进行图形化作为源漏电极。
7.正胶光刻并用反应离子刻蚀SiO2形成栅极接触孔。
8.沉积SiO2/SiNx叠层钝化层
使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）分别沉积100nmSiO2和25nmSiNx叠层钝化层，沉积温度为150℃。
9. 图形化及干法刻蚀开孔（S/D/Gate电极）
通过反应离子刻蚀SiO2/SiNx，刻蚀气体为CF4：O2=30：5（sccm：sccm）。
11 测试，测试设备为B1500A。
3 结果与讨论：
图2为气体流量比硅烷（SiH4）：一氧化二氮（N2O）=5 ：400（sccm：sccm）制备的二氧化硅钝化层对器件性能影响图，其中器件的宽长比为W/L=100/100（μm：μm），栅压Vg从-20V扫到30V，分别测试Vds=0.1V和Vds=10.1V时的器件转移特性。图中黑色线为钝化前器件的基本特性图，红色的线为二氧化硅钝化后器件的基本特性图，蓝色的线为钝化后通过250℃的氧气（O2）退火一个小时后器件的基本特性图。从图中可以得出钝化后器件关不断，通过退火后其性能能够部分恢复，其可能的原因与上述相似。通过250℃退火后与无钝化时的状态相比，其阈值电压的漂移量?Vth= -1.7V，其亚阈值摆幅SS也相应地退化，其SS漂移量为?SS = 0.21V/dec。
由此可以得出：气体流量比硅烷（SiH4）：一氧化二氮（N2O）=5 ：400（sccm：sccm）制备得的二氧化硅钝化层会使器件关不断，通过250℃的氧气气氛退火一个小时后，器件性能可以部分恢复。 图3所示为，气体流量比为SiH4：NH3：N2= 10：30：400（sccm：sccm：sccm）的氮化硅钝化层对a-IGZO TFT器件的转移特性影响图，其中选取宽长比W/L=100/50（μm/μm）和W/L=100/100（μm/μm）的TFT器件为测试对象，测试时栅压Vg从-20V 到30V，漏极电压（Vds）为10.1V，氮化硅厚度为200nm。从图中可以看出，器件通过沉积200nm氮化硅之后，器件关不断，失去了开关特性。原因推测可能是生长氮化硅过程中，有源层受离子轰击变得更导电，以及沉积过程中引入大量的H而导致。而通过250℃的氧气气氛退火1h后，其性能依旧关不断。原因可能是氮化硅过于致密，使得氧气通不过钝化层，起不到修复的作用。因此可以看出，氮化硅的致密性比较大。
图4所示为，厚度为25nm氮化硅钝化层的NBS特性图。由上述实验可知200nm厚的氮化硅使得器件关不断，失去器件的开关特性，因此此实验将氮化硅厚度减薄至25nm。从图中可以看出25nm的氮化硅在250℃的氧气气氛下退火后可恢复开关特性，但是其特性与未钝化时相比，退化较多。通过3600s的负栅压应力测试后，其阈值电压往负漂移量ΔVt= -12V，亚阈值摆幅漂移量ΔSS= 0.71V/dec，由此可以看出减薄氮化硅厚度，H的引入减少，通过退火，氧气可以通过薄膜氧化修复有源层，进而恢复开关性能。
图5所示为无钝化层时器件的PBTS特性图，图6所示为SiO2/SiNx双层钝化后的PBTS特性。对比图5和图6可知，器件在SiO2/SiNx双层钝化后其阈值电压略微往负漂移，SS也增大，但是其在2000s的PBTS后的阈值电压漂移量?Vth=1.25V，?SS=0.52V/dec，相比于钝化前优异很多，证明SiO2/SiNx双层钝化层能有效地隔绝环境中的水汽和氧气的影响。
图7所示为无钝化层时器件的NBTS特性图，图8所示为SiO2/SiNx双层钝化后的NBTS特性。对比图5和图6可知器件在SiO2/SiNx双层钝化后其阈值电压略微往负漂移，其SS也增大，但是其在2000s的NBTS后的阈值电压漂移量?Vth=-0.74V，?SS=0.1V/dec，相比于钝化前优异很多，证明SiO2/SiNx双层钝化层能有效地隔绝环境中的水汽和氧气的影响。
本文制备了底栅a-IGZO TFT器件，使用二氧化硅薄膜作为钝化层并通过250℃的氧气气氛退火后，其性能可以部分恢复，但是其致密度不够，不足以阻挡外部环境对器件的影响;使用氮化硅薄膜作为钝化层，但是如果厚度太厚（比如200nm），其沉积过程中会引入大量的H，使得器件关不断，氧气气氛中退火也难以恢复开关特性，但是厚度太薄阻挡不住外部坏境的影响;因此本文使用SiO2/SiNx双层钝化层，把SiO2作为缓冲层过度，而外层SiNx作为阻挡层，兼具两者的优点，使其钝化效果明显提升，经过2000s的PBTS后的阈值电压漂移量?Vth=1.25V，?SS=0.52V/dec，经过2000s的NBTS后的阈值电压漂移量?Vth=-0.74V，?SS=0.1V/dec，相比于钝化前优异很多，证明SiO2/SiNx双层钝化层能有效地隔绝环境中的水汽和氧气的影响。
参考文献：
[1] P. G. le Comber， W. E. Spear， and A. Ghaith， “Amorphous-silicon field-effect device and possible application，” Electronics Letters， vol. 15， no. 6， pp. 179-181， 1979.
[2] S.D. Brotherton， “Polycrystalline silicon thin film transistors，” Semicond. Sci. Technol.， vol. 10， pp. 721-738， 1995.
[3] S. Liu， W. Maria Wang， Alejandro L. Briseno， Stefan C. B. Mannsfeld， and Z. Bao， “Controlled deposition of crystalline organic semiconductors for field-effect-transistor applications，” Adv. Mater.. vol 21， pp. 1217-1232， 2009
[4] H. K. J. Yoon， M. Lee， Y.-Y. Yu， N. Cheong， S. Min， J. Choi， H. Im， K. Lee， J. Jo， H. Kim， H. Choi， Y. Lee， C. Yoo， S. Kuk， M. Cho， S. Kwon， W. Park， S. Yoon， I. Kang， S. Yeo， “World 1st Large Size 18-inch Flexible OLED Display and the Key Technologies，” SID Symposium Digest of Technical Papers， vol. 46， no. 1， pp. 962-965， 2015.
[5] J. K. Jeong， H. W. Yang， J. H. Jeong et al.， “Origin of threshold voltage instability in indium-gallium-zinc oxide thin film transistors，” Appl. Phys. Lett.， vol. 93， no. 12， pp. 123508 -1–123508 -3， 2008.
[6] S.-H. K. Park， M.-K. Ryu， H. Oh et al.， “Double-layered passivation film structure of Al2O3/SiNx for high mobility oxide thin film transistors，” Journal of Vacuum Science & Technology B， vol. 31， no. 2， pp. 020601 - 020601-6， 2013.
[7] E. Fukumoto， T. Arai， N. Morosawa et al.， “High-mobility oxide TFT for circuit integration of AMOLEDs，” Journal of the Society for Information Display， vol. 19， no. 19， pp. 867–872， 2011.
[8] S.-Y. Huang， T.-C. Chang， M.-C. Chen et al.， “Effects of Ambient Atmosphere on Electrical Characteristics of Al2O3 Passivated InGaZnO Thin Film Transistors during Positive-Bias-Temperature-Stress Operation，” Electrochemical and Solid-State Letters， vol. 14， no. 4， pp. H177-H179， 2011.
（北京大學深圳研究生院，广东 深圳518055）