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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 微电子与固体电子学 刘洋
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 第一章 绪论 第二章 磁控溅射ITO薄膜的研究与制备 第三章 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备
第四章 总结
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我国平板显示行业每年需要支付高额的专利费
背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 研究背景及意义 2004年东京工业大学提出应用a-IGZO作为沟道材料的TFT以其高透光率，较高的迁移率以及较小的阈值电压漂移，逐渐成为下一代平板显示的主流TFT技术。 我国平板显示行业每年需要支付高额的专利费
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 研究背景及意义 减少专利费的可选方案 a-Si:H TFT LTP-Si TFT ZnO基TFT
a-ITO TFT 非晶，迁移率低 迁移率高，多晶 迁移率不高，多晶 迁移率高，非晶
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图3 三星先进技术院的显示实验室研制的ITO TFT结构图、Id-Vg曲线以及高氧压下退火对器件特性的改善
研究问题及方法 图1 日本东京工业大学的精密和智能实验室制作的铁电材料作为栅绝缘层的ITO-TFT 图2三星电子研制的IGZO/ITO的双沟道TFT结构图以及Id-Vg，Id-Vd曲线 图3 三星先进技术院的显示实验室研制的ITO TFT结构图、Id-Vg曲线以及高氧压下退火对器件特性的改善
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 研究问题及方法 磁控溅射：工作气压、功率、氧分压、衬底温度、退火条件等。 非晶ITO薄膜的研究与制备
提高沟道的载流子浓度：调节厚度与溅射沟道的氧分压。 高迁移率沟道的制作
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 第一章 绪论 第二章 磁控溅射ITO薄膜的研究与制备 第三章 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备
第四章 总结
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工作气压、溅射功率、氧分压，衬底温度，退火条件
背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 磁控溅射ITO薄膜的研究与制备 磁控溅射 直流 射频 工作气压、溅射功率、氧分压，衬底温度，退火条件 结构特性 光学特性 电学特性
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 第一章 绪论 第二章 磁控溅射ITO薄膜的研究与制备 第三章 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备
第四章 总结
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 器件结构 工艺流程
如图所示，背栅交错结构主要应用于实验室研究中。 优点：工艺流程简单，易于实现。 缺点：由于沟道直接暴露在空气中，不适合实际显示需求，需要继续淀积形成钝化层，以保护沟道不被空气中氧气以及水汽影响。 图1 背栅交错结构ITO-TFT 工艺流程 （1）直流磁控溅射淀积100nm的Ti，剥离形成栅电极； （2）栅介质采用Al2O3/SiO2，通过射频磁控溅射淀积150nm的氧化铝，或者PECVD淀积150nm二氧化硅； （3）不同氧分压下通过射频磁控溅射淀积不同厚度的ITO薄膜，剥离形成有源层； （4）射频磁控溅射淀积100nm的ITO薄膜，剥离形成ITO源漏电极。 图5 栅介质为Al2O3的工艺流程图
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 1、溅射沟道过程中，氧分压对器件特性的影响
图4 ITO沟道溅射条件：Ar:O2=35:5，工作气压1.0Pa，溅射功率80W，W/L=100/100 阈值电压-32V，开态电流最大为168uA，迁移率21.4cm2/vs，亚阈值斜率0.84V/dec
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 1、溅射沟道过程中，氧分压对器件特性的影响
图5 ITO沟道溅射条件：Ar:O2=30:10，工作气压1.0Pa，溅射功率80W，W/L=100/100 阈值电压-22.6V，开关电流比为1.9X107，迁移率20.6cm2/vs，亚阈值斜率0.94V/dec
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 1、溅射沟道过程中，氧分压对器件特性的影响
图6 ITO沟道溅射条件：Ar:O2=25:15，工作气压1.0Pa，溅射功率80W，W/L=100/100 阈值电压大于-40V，开态电流最大为95.8uA
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 1、溅射沟道过程中，氧分压对器件特性的影响
图7 ITO沟道溅射条件：Ar:O2=20:20，工作气压1.0Pa，溅射功率80W，W/L=100/100 阈值电压-12V，开关电流比8.95X105，迁移率2.65cm2/vs，亚阈值斜率2.5V/dec
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 1、溅射沟道过程中，氧分压对器件特性的影响
𝑉th=𝑉𝐹𝐵+2𝜓𝐵− 2𝑞𝜉𝑆𝑖|2𝜓𝐵|𝑁𝐷 𝐶ox 𝑆𝑆= 𝑞𝑁𝑡 𝐶ox +1 k𝑇/𝑞 log𝑒 小结：随着氧分压增加，氧空位减少，载流子浓度ND减少，阈值电压向正方向移动，氧分压增加，栅介质表面H键吸附的氧原子更多，缺陷态密度Nt更大，亚阈值斜率增加。 图9 Vd=10.1V时ITO TFT 溅射沟道不同氧分压IdVg曲线 Ar:O2 Vth(V) SS(V/dec) Ion/Ioff µ(cm2/vs) 35:5 -32 0.84 >107 21.4 30:10 -22.6 0.94 1.9X107 20.6 25:15 <-40 -- 20:20 -12 2.5 8.95X105 2.65
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 2、沟道厚度对器件特性的影响
栅极Mo/栅介质SiO2/有源层Ar:O2=30:10/源漏ITO，W/L=100:50. 图10 ITO TFT沟道厚度为20nm的IdVg曲线 图11 ITO TFT沟道厚度为10nm的IdVg曲线 阈值电压-8.2V，开关电流比107，迁移率25.7cm2/vs，亚阈值斜率1.35V/dec。 阈值电压15.3V，开关电流比108，迁移率13.8cm2/vs，亚阈值斜率0.27V/dec。
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 2、沟道厚度对器件特性的影响
𝑉th=𝑉𝐹𝐵+2𝜓𝐵− 2𝑞𝜉𝑆𝑖|2𝜓𝐵|𝑁𝐷 𝐶ox 𝑆𝑆= 𝑞𝑁𝑡 𝐶ox +1 k𝑇/𝑞 log𝑒 沟道较厚时，载流子浓度更大，需要施加更大的负栅压才能使厚道耗尽关断，因而阈值电压负向移动。沟道约厚，溅射时间更长，栅介质表面氢键吸附的氧原子更多，因而缺陷态密度Nt更大，也可能厚道约厚，厚道内的缺陷态更多。 图10 Vd=10.1V时ITO TFT不同沟道厚度的IdVg曲线 厚度 Vth(V) SS(V/dec) Ion/Ioff µ(cm2/vs) 20nm -8 1.35 107 25.7 10nm 15.3 0.27 108 13.8
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 第一章 绪论 第二章 磁控溅射ITO薄膜的研究与制备 第三章 背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备
第四章 总结
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 总结 开态电流，阈值电压，迁移率 载流子浓度 沟道厚度，溅射沟道时氧分压 栅介质/沟道界面态
亚阈值特性
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背栅非晶ITO薄膜晶体管的研究与制备 下一步工作计划 1、调节氧分压和沟道厚度，使器件特性最优化；
溅射条件：RF溅射，功率80W，Ar:O2=40:0,35:5,30:10,25:15,20:20，工作气压 1.0Pa，退火温度分别为150/250/350℃，退火气氛N2/O2，时间1h，通过XRD测 结构成分。 3、钝化层对器件特性的影响。
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