通过退火氧化的MoOx:Ta层进行钝化的非晶态铟镓锌氧化物薄膜晶体管

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Amorphous indium-gallium-zinc-oxide thin film transistors passivated by annealing oxidized MoO x:Ta layers

非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管采用钽掺杂氧化钼（MOT）作为钝化层，通过溅射氧化（SO）和退火氧化（AO）两种方法制备，SO与AO器件相比，AO器件在正偏置应力（Vstress=40V，ΔVTH=0.19V）和负偏置光照应力（Vstress=?20V，|ΔVTH|=0.19V）下表现更优，原因包括抑制氧等离子体损伤和增强紫外反射。

　　

陈永亮|李良东|高泽翠|亨里克·施密特|托马斯·胡贝尔|恩里科·弗兰兹克|董成远

上海交通大学，中国上海

摘要

为了提高非晶铟-镓-锌氧化物（a-IGZO）薄膜晶体管的偏压应力和光照稳定性，本文提出了使用掺钽的钼氧化物（MOT）作为其钝化层。研究了两种MOT薄膜的氧化方法：溅射氧化（SO）和退火氧化（AO），并综合评估了它们的氧化状态以及相应器件的电性能和偏压应力稳定性，以确定最佳处理条件。与未经钝化的a-IGZO TFTs相比，SO处理和AO处理的器件都表现出更好的正偏压稳定性（PBS）和负光偏压稳定性（NBIS）。特别是AO处理的器件具有最佳的PBS（V_stress = 40 V, ΔV_TH = 0.19 V）和NBIS（V_stress = ?20 V, |ΔV_TH| = 0.19 V）性能。我们认为AO处理器件性能更稳定的原因有两个：（1）在沉积MOT薄膜过程中抑制了氧等离子体对背通道的损伤；（2）在NBIS测试期间，背表面的紫外（UV）光反射率更高。

引言

近年来，非晶铟-镓-锌氧化物薄膜晶体管（a-IGZO TFTs）在透明显示器、可穿戴电子设备和大面积显示器等先进应用中展示了显著潜力，这得益于它们较高的场效应迁移率（>10 cm²/V·s）、优异的光学透明性、室温工艺性和灵活性[[1], [2], [3], [4]]。对于有源矩阵平板显示器（AMFPDs），a-IGZO TFTs的高迁移率和低亚阈值摆幅使其适合作为像素电路中的开关器件以及外围栅极驱动电路（GOA）[[5], [6], [7], [8]]。然而，这些特性也使得a-IGZO TFTs需要承受长时间的电偏压，在某些情况下还需要承受光照。这种外部应力会导致阈值电压（V_TH）的变化，从而引发显示错误[[9], [10], [11], [12]]。因此，提高a-IGZO TFTs在长期偏压应力和光照下的稳定性已成为近年来的一项关键挑战[[13], [14], [15], [16], [17]]。特别是正偏压应力（PBS）和负光偏压应力（NBIS）下的器件稳定性已成为评估a-IGZO TFTs可靠性的关键指标。Ji Sim Jung等人[18]研究了在不同温度下沉积的SiO₂、SiN和SiO₂/SiN钝化层对IGZO-TFTs NBIS稳定性的影响，表明V_TH的变化量似乎与活性层/钝化层界面的质量有关。Asal Kiazadeh等人[19]使用聚对二甲苯作为顶层涂层，分别将a-IGZO TFTs的正偏压和负光偏压应力稳定性提高了75%和35%。然而，上述方法要么在集成到实际生产中面临重大挑战，要么无法提供足够的全面改进。因此，环境因素、钝化层材料和制造工艺对器件稳定性的影响仍需进一步研究。

在本研究中，为了寻找既兼容制造工艺又能提高器件稳定性的钝化材料，我们提出了使用掺钽的钼氧化物（MoO_x:Ta，简称MOT）作为a-IGZO TFTs的钝化层[20]。尽管钼氧化物材料应用广泛，但掺钽是一种有效的方法来提升其性能和可制造性。由于钽的价态低于钼，当Ta⁵⁺取代MoO₃晶格中的Mo⁶⁺时，晶格内会产生额外的正电荷载流子以保持整体电中性。因此，一定浓度的掺杂可以增加材料的导电性，加快沉积速率，并调节刻蚀速率[22]。此外，固定的钽含量还可以确定钼氧化物中金属的化学计量比。在纯氩气中溅射这种靶材时，薄膜的氧含量仅由靶材成分决定，这对工艺稳定性和薄膜均匀性具有显著优势[21,22]。在实际生产中，MOT薄膜可以通过室温下的磁控溅射沉积，这与a-IGZO TFTs的工业制造方法高度兼容。此外，作为一种金属氧化物，MOT与IGZO层的接触反应性优于二氧化硅。在双层界面处，In⁺、Ga⁺和Zn⁺离子可能会扩散到MOT薄膜中，但这种扩散不会显著影响器件的电特性[21]。更重要的是，MOT薄膜具有均匀的密度、高透明度和高的功函数，可能是TFT钝化层的理想候选材料。有趣的是，通过增加氧流量比例，MOT薄膜的性能可以从黑色逐渐变为透明，其电学行为也会从半导体逐渐转变为绝缘体[23]。本文尝试了两种MOT薄膜的氧化方法：（1）溅射氧化（SO），即在溅射过程中氧化MOT；（2）退火氧化（AO），即在退火后氧化MOT。与未经钝化的a-IGZO TFTs相比，采用MOT钝化层的器件在PBS和NBIS测试中的V_TH变化更小。此外，AO处理的器件表现出比SO处理的器件更稳定的性能。通过分析MOT薄膜的反射率、钝化层与活性层之间的界面特性以及活性层内的浅施主/受主缺陷分布，深入探讨了相关的物理机制[24]。

实验部分

实验

如图1（a）所示，本研究中采用了底部栅极交错结构。重掺杂的p型硅晶圆分别作为栅电极和栅绝缘体，其上覆盖了300纳米厚的SiO_x层。活性层和源/漏电极的沉积是在SYSKEY多靶磁控溅射系统上完成的。每层的图案化是通过溅射过程中的金属阴影掩模实现的

结果与讨论

图2展示了在不同条件下制备的SO-MOT薄膜在200～800纳米波长范围内的照片和反射率谱。如图2（a）所示，随着Ar:O₂气体流比从15:0增加到15:3，SO-MOT薄膜的透明度显著提高。当Ar:O₂ = 15:0时，薄膜呈现为不透明的深黑色；随着氧气在溅射过程中的引入，薄膜开始变得透明

结论

本研究提出使用MOT作为a-IGZO TFTs的钝化层。实验结果表明，采用MOT钝化层的a-IGZO TFTs在PBS和NBIS稳定性方面优于未经钝化的器件。为了避免在沉积MOT层时氧等离子体对背通道的损伤，我们采用了创新的AO方法替代了传统的SO方法。与SO处理的器件相比，AO处理的器件表现出更好的性能

CRediT作者贡献声明

陈永亮：撰写原始草稿、进行研究、进行正式分析、数据管理。李良东：提供资源、制定方法论、进行研究、进行正式分析、数据管理。高泽翠：提供监督、协调资源、进行研究、争取资金、进行正式分析。亨里克·施密特：提供资源、项目管理、进行研究、争取资金、进行正式分析。托马斯·胡贝尔：提供资源、项目管理、争取资金、进行正式分析。恩里科·弗兰兹克：提供资源、项目支持

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。