徐華 劉京棟 蔡煒 李民 徐苗 陶洪? 鄒建華 彭俊彪

1) (廣州新視界光電科技有限公司,廣州 510530)

2) (華南理工大學(xué),發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510641)

3) (季華實(shí)驗(yàn)室,佛山 528000)

通過(guò)采用稀土元素鐠摻雜銦錫鋅氧化物半導(dǎo)體作為薄膜晶體管溝道層,成功實(shí)現(xiàn)了基于鋁酸的濕法背溝道刻蝕薄膜晶體管的制備.研究了N2O 等離子體處理對(duì)薄膜晶體管背溝道界面的影響,對(duì)其處理功率和時(shí)間對(duì)器件性能的影響做了具體研究.結(jié)果表明,在一定的功率和時(shí)間處理下能獲得良好的器件性能,所制備的器件具有良好的正向偏壓熱穩(wěn)定性和光照條件下負(fù)向偏壓熱穩(wěn)定性.高分辨透射電鏡結(jié)果顯示,該非晶結(jié)構(gòu)的金屬氧化物半導(dǎo)體材料可以有效抵抗鋁酸的刻蝕,未發(fā)現(xiàn)明顯的成分偏析現(xiàn)象.進(jìn)一步的X 射線光電能譜測(cè)試表明,N2O 等離子體處理能在界面處形成一個(gè)富氧、低載流子濃度的界面層.其一方面可以有效抵抗器件在沉積氧化硅鈍化層時(shí)等離子體對(duì)背溝道的損傷;另一方面作為氫的鈍化體,抑制了低能級(jí)施主態(tài)氫的產(chǎn)生,為低成本、高效的薄膜晶體管性能優(yōu)化方式提供了重要參考.

1 引言

金屬氧化物半導(dǎo)體 (metal oxide semiconductors,MOS)薄膜晶體管 (thin film transistors,TFT) 因具有較高的遷移率、較好的均勻性、大的電流開(kāi)關(guān)比、可見(jiàn)光透明等優(yōu)點(diǎn)[1-3],在顯示領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力,高性能、可靠的金屬氧化物薄膜晶體管已成為國(guó)內(nèi)外科研院所和產(chǎn)業(yè)界的重點(diǎn)研究方向.

在MOS 材料的研究中[4-8],最具代表性的當(dāng)屬氧化銦鎵鋅 (indium-gallium-zinc-oxide,IGZO),其在薄膜晶體管中的應(yīng)用已有量產(chǎn)實(shí)績(jī),可以滿足部分應(yīng)用場(chǎng)景的需求.但是,隨著顯示技術(shù)的發(fā)展,IGZO 對(duì)作為驅(qū)動(dòng)背板核心元件的薄膜晶體管提出了更高的標(biāo)準(zhǔn).如高遷移率、高穩(wěn)定性,特別是光照條件下的穩(wěn)定性等有了更嚴(yán)苛的要求.其次,在金屬氧化物TFT 結(jié)構(gòu)的探索中[9-11],比較具有應(yīng)用前景的是背溝道刻蝕 (back channel etch,BCE)結(jié)構(gòu)和頂柵自對(duì)準(zhǔn) (top-gate self-aligned,TGS)兩種結(jié)構(gòu).其中,TGS 結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是在寄生電容方面比較突出,但是在導(dǎo)體化和短溝道器件的實(shí)現(xiàn)方面存在較大的挑戰(zhàn),穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高;而B(niǎo)CE 結(jié)構(gòu)因和當(dāng)前大規(guī)模量產(chǎn)的硅基工藝兼容、可實(shí)現(xiàn)低成本制備而備受關(guān)注.但是,考慮到MOS對(duì)酸、堿、水、氧等特別敏感的問(wèn)題和低電阻布線的要求[12,13],目前產(chǎn)業(yè)界主要基于銅酸工藝制備背溝道刻蝕的金屬氧化物薄膜晶體管.而銅酸主要的有效成分是雙氧水,存在有效期短、對(duì)金屬膜層結(jié)構(gòu)敏感,甚至有爆炸的風(fēng)險(xiǎn).基于鋁基的疊層結(jié)構(gòu)金屬膜層在應(yīng)用中非常成熟,需要強(qiáng)調(diào)的是,該結(jié)構(gòu)的薄膜需要用磷酸基的強(qiáng)酸刻蝕液進(jìn)行圖形化,在背溝道刻蝕的金屬氧化物薄膜晶體管應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)良好特性.通常,需要對(duì)制備工藝進(jìn)行特殊處理.而N2O 等離子體處理是一種高效的氧源補(bǔ)充方式,和氧氣相比,N2O 具有更低的離化氧形成焓 (N2O:1.73 eV,O2:4.13 eV)[14],可以在相對(duì)較低的功率下離化,這樣可以避免高強(qiáng)度的等離子體轟擊對(duì)氧化物半導(dǎo)體的影響.N2O 等離子體處理在金屬氧化物薄膜晶體管的制備中已有嘗試[14-16],但在濕法背溝道刻蝕的金屬氧化物薄膜晶體管研究中還鮮有報(bào)道.

本文采用稀土鐠摻雜的氧化銦錫鋅半導(dǎo)體(praseodymium-indium-tin-zinc-oxide,PITZO)作為薄膜晶體管器件的溝道層,制備基于鋁酸的背溝道刻蝕金屬氧化物薄膜晶體管.通過(guò)引入N2O 等離子體處理薄膜晶體管的背溝道界面的方式,對(duì)其處理功率和時(shí)間對(duì)器件性能的影響做了具體研究.借助高分辨透射電鏡,研究該金屬氧化物半導(dǎo)體材料晶型結(jié)構(gòu)和器件形貌.進(jìn)一步通過(guò)X 射線光電能譜測(cè)試,研究了N2O 等離子體處理對(duì)薄膜影響的機(jī)理.

2 背溝道刻蝕金屬氧化物薄膜晶體管器件制備與性能

2.1 PITZO-TFT 器件制備

如圖1(a)所示,本文所用器件均采用BCE 型結(jié)構(gòu).首先,采用直流磁控濺射的方式在玻璃襯底上濺射一層200 nm 厚的金屬鉬 (Mo)柵極薄膜,利用濕法刻蝕對(duì)柵極薄膜進(jìn)行圖形化.通過(guò)等離子體增強(qiáng)型化學(xué)沉積 (plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD) 技術(shù)制備雙層堆疊的柵絕緣層,和柵極金屬M(fèi)o 層接觸的下層為250 nm 厚的氮化硅薄膜,上層為50 nm 厚的二氧化硅薄膜,并利用干法刻蝕進(jìn)行圖形化.然后,通過(guò)磁控濺射的方式分別制作一層30 nm 厚的PITZO (Pr/In/Sn/Zn=0.2/2/0.5/1 mol) 薄膜作為薄膜晶體管器件的有源層,并利用草酸進(jìn)行圖形化.隨后,采用直流磁控濺射方式制備一層200 nm 厚的Mo 金屬作為源漏電極層;采用鋁酸刻蝕液,以濕法刻蝕方式進(jìn)行源漏電極的圖形化.接著,利用PECVD腔室分別對(duì)器件進(jìn)行不同條件的N2O 處理.具體地,保持處理時(shí)間為30 s 不變,設(shè)置N2O 的功率分別為0,50,150 W,對(duì)應(yīng)的器件分別標(biāo)記為Device A,Device B,Device C;以及保持N2O 的功率為150 W 不變,設(shè)置處理時(shí)間分別為10 和60 s,對(duì)應(yīng)的器件分別標(biāo)記為Device D,Device E.在N2O等離子體處理后不破真空,利用PECVD 制作一層300 nm 厚的二氧化硅薄膜作為鈍化層,并采用干法刻蝕進(jìn)行薄膜圖形化.最后,所有器件在350 ℃的空氣氛圍中退火60 min.制備的器件顯微鏡圖如圖1(b)所示,各膜層輪廓清晰可見(jiàn).

圖1 PITZO-TFT (a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 器件顯微鏡照片F(xiàn)ig.1.(a) Structure diagram and (b) microscope photo of the PITZO-TFT.

2.2 PITZO-TFT 器件性能

首先,固定N2O 等離子體處理時(shí)間為30 s,不同功率處理下的器件轉(zhuǎn)移曲線如圖2(a)所示.很顯然,無(wú)N2O 等離子體處理 (0 W)和低功率 (50 W)處理?xiàng)l件下的器件都處于“導(dǎo)通”狀態(tài),二者均無(wú)開(kāi)關(guān)特性;增加N2O 等離子處理功率至150 W 后,器件 (Device C)表現(xiàn)出了良好的開(kāi)關(guān)特性.本文中器件溝道寬長(zhǎng)比 (W/L)均為20/10 μm,轉(zhuǎn)移曲線中固定源漏電壓 (VDS)為10.1 V,器件閾值電壓 (Vth)定義為轉(zhuǎn)移曲線中源漏電流 (IDS)為1 nA時(shí)對(duì)應(yīng)的柵極電壓 (VGS).通過(guò)相關(guān)參數(shù)提取可得(如表1 所列),器件Device C 對(duì)應(yīng)的閾值電壓Vth為0.7 V,器件飽和遷移率 (μsat)為22.4 cm2·V—1·s—1,亞閾值擺幅 (SS) 為0.17 V/decade,電流開(kāi)關(guān)比(Ion/Ioff) 約為108.進(jìn)一步地,在保持N2O 等離子體處理功率為150 W 的基礎(chǔ)上,設(shè)置處理時(shí)間分別為10,30 和60 s.如圖2(b)所示,當(dāng)處理時(shí)間為10 s 時(shí),器件Device D 處理“導(dǎo)通”狀態(tài);隨著處理時(shí)間增至30 s,也即Device C,器件表現(xiàn)出了良好的開(kāi)關(guān)特性,無(wú)明顯的磁滯效應(yīng);當(dāng)進(jìn)一步增加時(shí)間至60 s 后,器件Device E 依然表現(xiàn)出了開(kāi)關(guān)特性,但是“磁滯”效應(yīng)明顯增強(qiáng).和Device C 比較而言,Device E 的Vth稍有負(fù)向偏移(0.4 V),器件μsat稍有降低 (約20.6 cm2·V—1·s—1),亞閾值擺幅退化為0.22 V/decade,Ion/Ioff保持約為108.其次,為進(jìn)一步評(píng)估優(yōu)化器件Device C 的電學(xué)特性,圖1(c)給出不同源漏電壓 (VDS=0.1,1.1,5.1,10.1 V)下的轉(zhuǎn)移特性曲線,可以看出,器件未表現(xiàn)出“漏誘導(dǎo)勢(shì)壘變低”的現(xiàn)象.另外,器件Device C 的輸出特性曲線如圖1(d)所示,無(wú)電流擁擠現(xiàn)象,說(shuō)明源漏電極和溝道層接觸良好,而且器件表現(xiàn)出了良好的飽和特性,這為器件的實(shí)際應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

圖2 (a)不同功率和 (b) 不同時(shí)間的N2O 處理對(duì)器件轉(zhuǎn)移特性的影響;Device C (c) 不同源漏電壓下的轉(zhuǎn)移特性曲線和 (d) 輸出特性曲線Fig.2.Influence of different (a) power and (b) time treatment of N2O on the transfer characteristics of the device;(c) transfer characteristic curve under different source and drain voltages and (d) output characteristic curve of Device C.

表1 各器件性能參數(shù)表Table 1.Electronic parameters of each TFTs.

根據(jù)以上結(jié)果可知,在濕法背溝刻蝕金屬氧化物薄膜晶體管的制備中,器件背溝道受制備工藝影響較大.未經(jīng)N2O 等離子體處理的薄膜晶體管直接表現(xiàn)出“導(dǎo)通”狀態(tài),說(shuō)明溝道層中載流子濃度過(guò)高,該區(qū)間柵壓無(wú)法起到調(diào)控效果.通過(guò)引入N2O 等離子體處理,可以有效改善器件的開(kāi)關(guān)特性;而且,N2O 等離子體處理的功率和時(shí)間對(duì)器件性能的影響非常明顯,合適的功率和時(shí)間窗口是獲得器件優(yōu)化性能的關(guān)鍵.因此,有必要對(duì)其改善機(jī)理做進(jìn)一步的研究.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 器件偏壓穩(wěn)定性評(píng)估

圖3(a)和圖3(b)分別為Device C 和Device E在正向偏壓下的熱穩(wěn)定性 (positive bias temperature stress,PBTS)表征結(jié)果.其評(píng)估方式為:設(shè)置測(cè)試機(jī)臺(tái)的溫度為60 ℃,先測(cè)試初始狀態(tài)下的器件轉(zhuǎn)移特性曲線 (VGS=—20—20 V 掃描,VDS=10.1 V),緊接著加上一定的偏壓 (VGS=20 V,VDS=0 V,T=60 ℃),保持3600 s 后再次測(cè)試器件的轉(zhuǎn)移特性曲線,得到器件轉(zhuǎn)移特性的變化情況.圖3(a)和圖3(b) 的結(jié)果表明,N2O 等離子體處理時(shí)間從30 s 增加至60 s 后,器件PBTS 的閾值電壓漂移量從0.2 V 退化為3.1 V.對(duì)比Device C 和Device E 的結(jié)構(gòu)和制備工藝,可推斷其和器件背溝道的狀態(tài)直接相關(guān).根據(jù)Sheng 等[17]和Nahm 等[18]的研究結(jié)果,過(guò)多的氧誘導(dǎo)的缺陷態(tài)可能是其PBTS 穩(wěn)定性退化的原因.簡(jiǎn)單而言,長(zhǎng)時(shí)間的N2O 等離子體處理產(chǎn)生的過(guò)量的氧間隙態(tài)作為電子俘獲中心,從而導(dǎo)致了器件PBTS 穩(wěn)定性退化,后面將做進(jìn)一步的驗(yàn)證.

進(jìn)一步地,為評(píng)估N2O 等離子體處理的實(shí)用性,有必要對(duì)器件在光照條件下的負(fù)偏壓熱穩(wěn)定性(negative bias illumination temperature stability,NBITS) 進(jìn)行表征.NBITS 的測(cè)試方式為:設(shè)置測(cè)試機(jī)臺(tái)的溫度為60 ℃,先測(cè)試初始狀態(tài)下的器件轉(zhuǎn)移特性曲線 (VGS=—20—20 V 掃描,VDS=10.1 V),接著加上一定的偏壓 (VGS=—20 V,VDS=0 V,T=60 ℃,白色LED 光源直接照射溝道區(qū)域,光強(qiáng)為5000 nits),保持3600 s 后再次測(cè)試器件的轉(zhuǎn)移特性曲線,得到器件轉(zhuǎn)移特性的變化情況.需要說(shuō)明的是,該實(shí)驗(yàn)中加偏壓后測(cè)試轉(zhuǎn)移曲線時(shí)光源未關(guān)閉.Device C 和Device E 的NBITS穩(wěn)定性分別如圖3(c)和圖3(d) 所示,可以看出,二者均表現(xiàn)出了良好的NBITS 穩(wěn)定性,Vth漂移僅為—0.5 V.根據(jù)我們前期的研究結(jié)果[8,19,20],稀土鐠元素的摻入,會(huì)在導(dǎo)帶底附近引入“缺陷”態(tài),其可作為光生載流子的快速?gòu)?fù)合中心.需要指出的是,雖然Device E 的背溝道界面具有相對(duì)較多的缺陷態(tài),但是其NBITS 穩(wěn)定性依然能保持和Device C 相當(dāng).很顯然,稀土鐠元素的摻入可以有效地提高器件的NBITS 穩(wěn)定性.

圖3 (a) Device C 和 (b) Device E 器件在PBTS 條件下的穩(wěn)定性;(c) Device C 和 (d) Device E 器件在NBITS 條件下的穩(wěn)定性Fig.3.Stability of (a) Device C and (b) Device E under PBTS conditions;stability of (c) Device C and (d) Device E under NBITS conditions.

3.2 薄膜晶體管的高分辨透射電鏡分析

對(duì)于高可靠的薄膜晶體管而言,完整的器件結(jié)構(gòu)是首先必須滿足的前提條件.因此,在前面光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上,有必要進(jìn)一步評(píng)估該BCE 結(jié)構(gòu)PITZO-TFT 的微觀形貌結(jié)構(gòu).圖4 所示為Device C 的高分辨透射電鏡 (transmission electron micrography,TEM)圖譜.很顯然,該截面TEM 圖中各膜層結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn),厚度和制備參數(shù)符合較好.需要特別指出的是,PITZO 薄膜雖然經(jīng)歷強(qiáng)酸的源漏電極刻蝕過(guò)程,但是無(wú)明顯被刻蝕的跡象;而且,其上未發(fā)現(xiàn)有明顯的刻蝕殘留,表明PITZO 薄膜可以有效抵抗該強(qiáng)酸的刻蝕,具有較強(qiáng)的抗酸刻蝕特性.另外,在金屬M(fèi)o 電極上有一薄氧化層,應(yīng)該和N2O 等離子體處理相關(guān).進(jìn)一步,對(duì)PITZO薄膜的晶型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,從快速傅里葉變換圖可以清楚地判斷其為非晶結(jié)構(gòu),由于不存在晶界的問(wèn)題,這保證了其在大尺寸面板中應(yīng)用的可能.

圖4 TFT 器件的高分辨透射電鏡譜圖Fig.4.High-resolution transmission electron microscope spectra of TFT devices.

3.3 薄膜X 射線光電子能譜分析

在明確了器件性能和結(jié)構(gòu)方面的信息后,有必要對(duì)N2O 等離子體處理的機(jī)理做深入的研究,因其對(duì)高性能器件的實(shí)現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用.首先在玻璃基板上制備兩個(gè)和器件相同濺射條件下100 nm 厚的PITZO 薄膜,然后把其中一個(gè)薄膜在N2O 等離子體中進(jìn)行和器件 (Device C,150 W,30 s)制備處理一致的工藝過(guò)程,再分別對(duì)這兩種薄膜進(jìn)行X 射線光電子能譜 (XPS)深度剖析測(cè)試.

首先,兩種薄膜中各元素隨刻蝕 (Ar 離子槍)時(shí)間的分布結(jié)果如圖5(a)和圖5(b) 所示,其中圖5(a)為未經(jīng)N2O 等離子體處理的薄膜樣品,圖5(b)為經(jīng)N2O 等離子體處理的薄膜樣品.從圖5 可知,從元素原子含量的角度而言,二者均在表面存在一個(gè)界面區(qū)域,未經(jīng)N2O 等離子體處理的樣品界面小于2 nm (Ar 離子槍刻蝕速率約為2 A/s),而經(jīng)N2O 等離子體處理的樣品的界面區(qū)域擴(kuò)展到小于4 nm.更深區(qū)域的元素分布無(wú)明顯區(qū)別,可以推斷該N2O 等離子體處理?xiàng)l件僅影響距離薄膜表面幾個(gè)納米深度區(qū)域.另外,對(duì)比兩種薄膜各元素含量的變化,未經(jīng)處理的薄膜表面銦原子百分比約為16.9%,而經(jīng)N2O 等離子體處理的薄膜表面銦原子百分比為12.9 %,其他主體元素含量未有明顯區(qū)別.但是,在距離薄膜表面4 nm深度后,二者各元素含量無(wú)明顯區(qū)別.考慮到銦在金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜中是提供載流子遷移的通道[21],即N2O 等離子體處理會(huì)有降低遷移率的趨勢(shì).因此,這也許是Device E 的遷移率和Device C 相比稍低的原因.

圖5 PITZO 薄膜的深度剖析X 射線光電子能譜圖 (a) 無(wú)N2O 處理;(b) N2O 處理后Fig.5.X-ray photoelectron spectroscopy depth-profile of PITZO films:(a) Without N2O treatment;(b) with N2O treatment.

另外,上述兩種薄膜中氧元素 (O 1s)的X 射線光電子能譜和氬離子刻蝕時(shí)間的關(guān)系圖譜如圖6(a)和圖6(b) 所示.對(duì)于未經(jīng)N2O 等離子體處理的薄膜,其O 1s 的峰位變化主要表現(xiàn)在0 和10 s 之間 (向低結(jié)合能方向偏移0.3 eV),10 s 之后無(wú)明顯位移.而經(jīng)N2O 等離子體處理的薄膜,其O 1s 的峰位變化表現(xiàn)為0 和50 s 之間(向低結(jié)合能方向遞進(jìn)偏移0.3 eV),50 s 之后無(wú)明顯位移.因此,從元素峰位的角度而言,該N2O 等離子體處理?xiàng)l件的影響深度約為距離薄膜表面10 nm.進(jìn)一步地,對(duì)上述兩種薄膜表面 (對(duì)應(yīng)0 s)的O 1s 進(jìn)行高斯分峰擬合,圖6(c)和圖6(d) 分別對(duì)應(yīng)未經(jīng)N2O 等離子體處理和經(jīng)N2O 等離子體處理的薄膜樣品.其中O 1s 圖譜可以擬合成3 個(gè)高斯峰,OM(529.8 eV),O-V(530.7 eV)和 O-A(531.7 eV),分別代表金屬結(jié)合氧、缺位氧和吸附氧,通過(guò)擬合峰面積可推知各峰位的占比情況.從圖6(c)和圖6(d) 可知,經(jīng)N2O 等離子體處理后,薄膜中的O-V 占比由24.4 %降為14.6 %,表明薄膜中的氧空位濃度有一定程度的降低.大量的研究表明[22],金屬氧化物半導(dǎo)體中氧空位是其載流子的一個(gè)主要來(lái)源,也即薄膜中載流子濃度會(huì)有一定程度的降低.這和我們霍爾測(cè)試的結(jié)果相符合,其載流子濃度由未處理時(shí)的3.46 × 1018cm—3降低至處理后的4.49 × 1016cm—3.需要特別指出的是,未經(jīng)N2O等離子體處理的薄膜中O-A 占比為5.7 %,而經(jīng)N2O 等離子體處理的薄膜中O-A 占比高達(dá)32.9%.上述結(jié)果表明,N2O 等離子體處理能在薄膜表面形成一個(gè)富氧、低載流子濃度的界面層.

圖6 PITZO 薄膜在 (a) 無(wú)N2O 處理和 (b) N2O 處理后O 1s 的XPS 譜圖隨刻蝕時(shí)間的關(guān)系;Ar 離子槍刻蝕前 (c) 無(wú)N2O 處理和 (d) N2O 處理后薄膜O 1s 的擬合XPS 圖譜Fig.6.The O 1s XPS spectra of the PITZO films (a) without N2O and (b) with N2O treatment related with the Ar ion gun etching time.Fitted O 1s XPS of the PITZO thin films (c) without N2O and (d) with N2O treatment before Ar ion gun etching.

根據(jù)相關(guān)的研究報(bào)道[14,16,23],類似的背溝道刻蝕型結(jié)構(gòu)的器件呈“導(dǎo)通”狀態(tài)(失去柵控的開(kāi)關(guān)特性),其原因主要有兩種情況.其一是器件的背溝道區(qū)域存在成分的偏析,即存在低電阻率(如高銦含量)的界面層,使得器件處于“導(dǎo)通”狀態(tài);另外一種是在PECVD 沉積二氧化硅鈍化層的時(shí)候引入過(guò)多貢獻(xiàn)電子的氫,以及由于等離子體轟擊的影響而產(chǎn)生額外的缺陷.因此,通常鈍化層沉積后,器件需要進(jìn)行退火等相關(guān)工藝的處理.我們的器件亦存在該現(xiàn)象(見(jiàn)圖2),未經(jīng)處理的器件處于“導(dǎo)通”狀態(tài),只有當(dāng)N2O 等離子體處理的功率增加至150 W,處理時(shí)間大于30 s 后,器件才表現(xiàn)出正常的開(kāi)關(guān)特性.結(jié)合前面高分辨透射電鏡的表征結(jié)果,器件的溝道層和氧化硅層的界面清晰,未發(fā)現(xiàn)有成分偏析層;而且溝道層未有明顯被刻蝕的現(xiàn)象.我們推斷,器件處于“導(dǎo)通”狀態(tài)主要和鈍化層的制備過(guò)程有關(guān).根據(jù)XPS 表征的結(jié)果,N2O 等離子體處理的溝道層薄膜在表面存在一個(gè)富氧、低載流子濃度的界面層.因此,我們推測(cè)N2O 等離子體處理一方面能對(duì)器件背溝道的一些原子或分子基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)氧化和物理轟擊,在背溝道界面形成一個(gè)富氧、低載流子濃度的界面,可以有效抵抗PECVD 沉積氧化硅時(shí)氫的引入和等離子體轟擊的影響.原因可能是弱結(jié)合的吸附氧可以作為氫的鈍化體,抑制作為施主的低能級(jí)間隙氫的產(chǎn)生,這和Kang[24]等的研究有類似的效果.具體地,當(dāng)N2O 等離子體處理功率較低或時(shí)間較短時(shí),形成的界面層不足以抵抗PECVD 沉積氧化硅時(shí)的影響,器件表現(xiàn)為“導(dǎo)通”狀態(tài).另一方面,當(dāng)N2O 等離子體處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),產(chǎn)生了過(guò)多的吸附氧態(tài),從而引入了過(guò)量的電子缺陷[25],致使器件的“磁滯”現(xiàn)象明顯和PBTS穩(wěn)定性的退化.因此,合適的N2O 等離子體處理?xiàng)l件是獲得優(yōu)化器件性能的關(guān)鍵,需要根據(jù)具體材料具體設(shè)定.以上可知,N2O 等離子體處理是一種低成本、高效的薄膜晶體管性能優(yōu)化方式,其在低溫工藝或溶液法工藝中可能會(huì)有一些特別的應(yīng)用,相關(guān)研究還在進(jìn)行中.

4 結(jié)論

本文通過(guò)采用稀土元素鐠摻雜銦錫鋅氧化物半導(dǎo)體作為薄膜晶體管溝道層(能有效抵抗鋁酸的刻蝕),成功實(shí)現(xiàn)了基于強(qiáng)酸的濕法背溝道刻蝕薄膜晶體管的制備.進(jìn)一步引入N2O 等離子體處理薄膜晶體管的背溝道界面的方式,對(duì)處理功率和時(shí)間對(duì)器件性能的影響做了具體的研究.結(jié)果表明,在一定的功率和時(shí)間處理下能獲得良好的器件性能,所制備的器件具有良好的PBTS 和NBTIS 穩(wěn)定性.高分辨透射電鏡結(jié)果顯示,該非晶結(jié)構(gòu)的金屬氧化物半導(dǎo)體材料可以有效抵抗鋁酸的刻蝕,在器件的制備過(guò)程中未見(jiàn)其厚度有明顯的變化.進(jìn)一步的X 射線光電能譜測(cè)試表明,N2O 等離子體處理能在界面處形成一個(gè)富氧、低載流子濃度的界面層,有效地修復(fù)器件背溝道的損傷以及抵抗鈍化層沉積的影響.本文提供了一種低成本、高效的薄膜晶體管性能優(yōu)化方式,在實(shí)際產(chǎn)業(yè)化中具有廣闊的應(yīng)用前景.