金属氧化物半导体TFT器件的膜层均一性研究

朱 晖

金属氧化物薄膜晶体管（TFT）具有较好的光电特性，在新型显示器件中应用前景广泛。本论文重点针对金属氧化物TFT器件的IWZO膜层的成膜均一性进行了研究。从磁场、成膜功率、O2分压等工艺参数角度出发，研究了IWZO膜层均一性与成膜工艺参数的关系，并探讨了改善膜层均一性的具体工艺参数和方法。

随着新型显示技术的发展，人们对信息交互界面的品质要求越来越高。平板显示技术（Flat Panel Display，FPD）中的TFT器件引起极大关注。用于TFT器件的半导体薄膜材料性能优劣，直接决定了平板显示器的显示效果。高分辨率、高刷新频率和大尺寸的产品发展方向，必须采用有源驱动方式，并使用高载流子迁移率的TFT作为开关器件。金属氧化物TFT的低成本在高规格显示器中有明显的优势。金属氧化物TFT（Metal-Oxide Thin-Film Transistor，MOTFT）被认为是一种可广泛使用于新型显示器件的场效应晶体管。同时AMOLED显示技术，需要更高的载流子迁移率的TFT器件作为AMOLED显示驱动单元。ZnO是最初开始发展的一种氧化物半导体，但由于ZnO本身特点，导致其载流子浓度较高，同时其TFT器件的阈值电压难于控制，载流子迁移率不高。近年来高载流子迁移率的金属氧化物TFT的发展则相当迅速。很多科研工作者均开始致力于金属氧化物TFT的载流子迁移率的提高和可靠性的提升研究，业界知名面板商也陆续推出基于氧化物半导体TFT背板技术的新型显示商用产品。对于AMOLED驱动的金属氧化TFT器件，当前研究主要集中于高载流子迁移率的新型半导体材料和工艺研究。2020年的SID会议上报道了IWZO TFT，其迁移率高达90cm2V-1s-1以上。这些研究表明了高载流子迁移率的金属氧化物半导体TFT器件，在大尺寸、高刷新频率和高分辨率的AMOLED显示技术中有着极为广阔的应用前景。

表1 磁场调整

图1 IWZO成膜厚度和均一性

1 金属氧化物TFT的IWZO膜层制备

金属氧化物TFT的IWZO膜层是决定TFT器件高载流子迁移率的关键因素之一。本文主要研究，通过调整IWZO膜层的成膜磁场、成膜功率、O2分压、成膜功率等工艺参数，来调整成膜均一性。并顺利完成金属氧化物半导体薄膜IWZO的制备工艺的开发和优化，IWZO膜厚均一性最高可达4.75%。

表2 磁场调整后SEM确认厚度均一性

如表1所示，在如下成膜条件下：Power为2.5KW；Pressure：O2为0.12pa，Ar为0.32pa；O2/Ar+O2为5.2%(分压比)。通过调整磁场来优化成膜厚度和均一性。经过磁场调整，膜厚为1500A左右时，IWZO膜厚均一性由初始的15%降低到10.1%，如图1所示。

表3 不同功率的成膜条件

图2 不同成膜功率下IWZO成膜速率和均一性

表4 不同O2分压比的成膜条件

图3 不同O2分压比下IWZO成膜速率和均一性

磁场调整后，通过SEM进一步测试确认结果，膜厚均一性达到4.75%左右。如表2所示。

本文研究了成膜功率对IWZO膜的厚度和均一性的影响。不同功率的成膜条件如表3所示。不同功率下膜厚均一性均在10%以下，且功率为2.5KW时，均一性相对较好，具体结果参考图2可见。

本文同时研究了O2分压比对IWZO膜的厚度和均一性的影响。不同O2分压比的成膜条件如表4所示。由图3可见，均一性随O2分压比逐渐升高，O2分压比为5.2%时，IWZO的成膜均一性较好。

最后本文研究了成膜压力对IWZO膜的厚度和均一性的影响。不同成膜压力的成膜条件如表5所示。均一性随成膜压力出现先降低后增大的趋势，当压力为0.19Pa时，均一性相对较好，具体结果参考图4可见。

结合以上的实验结果，我们得到了较好的成膜均一性的工艺参数：功率为2.5KW，压力为0.19Pa，O2分压比为5.2%，优化后的IWZO成膜工艺条件如表6所示。我们连续验证了5片基板，测试这5片基板的IWZO膜层的厚度和均一性。IWZO薄膜不均一性均在10%以下。具体结果参考图5所示。

表5 不同成膜压力的成膜条件

图4 不同成膜压力下IWZO成膜速率和均一性

表6 优化后的IWZO成膜工艺条件

图5 连续5片基板的厚度和均一性

2 小结

在本文工作中，我们深入研究了磁场、成膜功率、O2分压、成膜功率等工艺参数对于IWZO膜层的成膜均一性的影响。经过磁场调整，膜厚为1500A左右时，IWZO膜厚均一性由初始的25%降低到10.1%；磁场调整后的膜厚均一性达到4.75%左右。不同功率下膜厚均一性均在10%以下，且功率为2.5KW时，均一性相对较好。我们确认了成膜压力比对IWZO膜的厚度和均一性的影响。均一性随成膜压力出现先降低后增大的趋势，当压力为0.19Pa时，均一性相对较好。结合以上测试结果，最终得到的较好工艺参数为：功率为2.5KW，压力为0.19Pa，O2分压比为5.2%。连续测试5片基板的IWZO薄膜均一性均在10%以下，满足金属氧化物半导体TFT 器件的IWZO成膜制备的要求。