熱壓燒結(jié)靶材制備氧化銦鋅薄膜晶體管

宋二龍 蘭林鋒 林振國(guó) 孫 圣 宋 威 李育智高沛雄 張 鵬 彭俊彪

(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 510640)

熱壓燒結(jié)靶材制備氧化銦鋅薄膜晶體管

宋二龍 蘭林鋒＊林振國(guó) 孫 圣 宋 威 李育智高沛雄 張 鵬 彭俊彪

(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 510640)

本文研究了熱壓燒結(jié)條件對(duì)氧化銦鋅(IZO)靶材和薄膜晶體管(TFT)性能的影響。以80% ∶ 20% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)比) 的ZnO和In2O3的混合粉體為原料通過熱壓燒結(jié)法制備IZO靶材，以制備的靶材通過磁控濺射制備IZO TFT。X射線衍射(XRD)圖譜以及掃描電鏡(SEM)圖像表明IZO靶材結(jié)晶性好，元素分布均勻。燒結(jié)溫度為850 °C時(shí)靶材呈現(xiàn)燒結(jié)致密化，900 °C-60 min條件下In2O3的揮發(fā)破壞了靶材燒結(jié)致密化。提高燒結(jié)溫度或延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間加速In向ZnO晶格的擴(kuò)散以及空位向表面遷移，有利于靶材致密化以及形成InZnOx晶相。TFT器件表征結(jié)果表明低密度和過高密度靶材會(huì)惡化薄膜質(zhì)量，降低器件性能，可見適當(dāng)高密度的靶材對(duì)制備TFT至關(guān)重要，最終900 °C-90 min條件的靶材所制備的TFT性能最好，遷移率為16.25 cm2?V?1?s?1。

薄膜晶體管；氧化銦鋅；熱壓燒結(jié)；靶材；磁控濺射

1 引 言

近年來，液晶顯示(LCD)、有源有機(jī)發(fā)光二極管顯示(AMOLED)以及柔性顯示等平板顯示技術(shù)迅猛發(fā)展，作為核心部件的薄膜晶體管(thin-film transistors，TFT)的重要性不言而喻1,2。其中，基于氧化物半導(dǎo)體的TFT以其高的載流子遷移率、良好的電學(xué)均勻性、高的可見光透過性、較低的制備溫度、以及較低的成本等優(yōu)勢(shì)受到學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注3?8。TFT中半導(dǎo)體層的性能很大程度上決定了整個(gè)器件的性能，在氧化物半導(dǎo)體中，氧化銦鋅(In2O3-ZnO，IZO)半導(dǎo)體具有較高的載流子遷移率、大的禁帶寬度(> 3 eV)，可滿足大尺寸、高分辨率、高開口率等顯示要求，具有極大的應(yīng)用潛力9?11。

氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備方式包括磁控濺射(PVD)12、電子束蒸發(fā)(EBRE)13、以及脈沖激光沉積(PLD)14等。其中，磁控濺射因工藝簡(jiǎn)單、所制備薄膜的附著力強(qiáng)、均勻性好、易于大面積制備等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。磁控濺射成膜除了對(duì)儀器、真空度等要求之外，高質(zhì)量的靶材無疑最為重要。陶瓷靶材的致密度會(huì)影響濺射薄膜的微觀組織和宏觀性能，如致密度較低的陶瓷靶材在濺射過程中容易產(chǎn)生突起，惡化薄膜質(zhì)量，進(jìn)而影響到TFT的性能15,16。因此，研究靶材的制備條件對(duì)靶材質(zhì)量以及TFT性能的影響，制備出高質(zhì)量、成膜性好、薄膜電學(xué)性能高的靶材成為進(jìn)一步提高氧化物TFT性能的關(guān)鍵。

目前，關(guān)于氧化物半導(dǎo)體靶材熱壓致密化的研究報(bào)道鮮有見到，有關(guān)熱壓燒結(jié)工藝對(duì)氧化物陶瓷靶材性能及TFT器件性能的影響未見報(bào)道。本文以ZnO和 In2O3混合粉體為原料通過熱壓燒結(jié)制備IZO靶材，經(jīng)磨削、拋光、超聲清洗后， 通過磁控濺射制備 IZO TFT，研究熱壓燒結(jié)工藝對(duì)IZO靶材和TFT性能的影響，并通過工藝優(yōu)化制備出性能優(yōu)良的 IZO靶材和半導(dǎo)體特性優(yōu)異的IZO-TFT。

2 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)所用納米ZnO、In2O3粉體顆粒購(gòu)買自廣州延瑞化工有限公司，純度99.99%，無水乙醇純度 95%。球磨機(jī)選自南京大學(xué)儀器廠，型號(hào)QM-3SP4；熱壓燒結(jié)爐選自上海晨華電爐有限公司，型號(hào) ZT-65-21Y；砂輪機(jī)選用上海福賽機(jī)械有限公司，品牌Qualiforte，型號(hào)MD3225；拋光機(jī)來自山東藍(lán)疇儀器裝備科技有限公司，型號(hào)LCMP-1A。

2.1 IZO靶材的制備

IZO靶材制備工藝如圖1所示。以納米ZnO和納米In2O3粉末為原料(純度99.99%)，按照化學(xué)組成ZnO : In2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為80% : 20%)，球磨28 h后取出烘干，過篩制得IZO (Zn : In原子比為0.87 : 0.13)粉末。

選取直徑50 cm石墨模具，填充粉末，置于熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)曲線如圖2所示。燒結(jié)溫度(T)分別為850、900、950 °C，保溫時(shí)間(t)為60或90 min，燒結(jié)壓力為16 MPa，保壓時(shí)間為30 min。隨爐冷卻后取出，經(jīng)后期處理(脫膜、磨削、拋光)制得φ 50 × 4 mm的IZO靶材。

2.2 IZO-TFT的制備

圖2 IZO靶材熱壓燒結(jié)曲線Fig.2 Hot-pressing sintering curve of IZO target.

IZO TFT采用底柵結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先，在室溫條件下通過直流磁控濺射的方法在玻璃基板上濺射一層厚度為300 nm的鋁釹合金(Al-Nd)作為柵極17。然后通過陽極氧化的方法在 Al-Nd的表面制備一層厚度為 200 nm的AlOx:Nd作為柵絕緣層,單位面積電容達(dá) 38 nF?cm?2，泄漏電流密度為 3 × 10?8A?cm?218。再使用所制備的IZO靶材在室溫下通過射頻磁控濺射方法沉積20 nm厚的IZO薄膜。濺射氣氛為氬氣(流量為9 SCCM)，濺射氣壓為0.45 Pa，濺射功率為60 W。最后采用直流磁控濺射的方法在室溫下濺射一層240 nm厚的氧化銦錫(ITO)薄膜，通過遮擋掩膜定義溝道寬/長(zhǎng)為300 μm/300 μm的源漏電極。所有器件在空氣氣氛下400 °C退火30 min。

2.3 性能表征

利用X射線衍射(XRD)分析靶材的物相結(jié)構(gòu)，掃描電子顯微鏡(SEM)觀察靶材形貌、元素含量和分布，紫外可見透射光譜分析IZO靶材制備薄膜的透射率，TFT器件的半導(dǎo)體特性根據(jù)半導(dǎo)體參數(shù)分析儀表征。

圖3 IZO-TFT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure schematic of IZO-TFT.

3 結(jié)果與討論

3.1 制備工藝

根據(jù)典型燒結(jié)方式，采用熱壓燒結(jié)法制備IZO靶材19?21。燒結(jié)過程分為手動(dòng)升溫、程序升溫、程序保溫、程序降溫(降溫第一階段)、隨爐冷卻階段(降溫第二階段)，200 °C以下采用手動(dòng)緩慢升溫，有利于物料水分和無水乙醇的揮發(fā)，保溫階段給予物料充分的反應(yīng)、充足保壓時(shí)間，足夠長(zhǎng)的保溫時(shí)間使得氣孔排出，使得靶材致密化。

熱壓燒結(jié)的壓力大小對(duì)于IZO靶材本身的密度、成品率及最后制備器件的性能都有很大的影響。壓力過小，靶材的機(jī)械強(qiáng)度降低，容易發(fā)生破裂，不利于后續(xù)的鍍膜工藝。提高壓力，坯體密度相對(duì)應(yīng)提高，但壓力過高，對(duì)提高坯體密度作用不大，反而會(huì)使其中的閉合氣孔壓縮，當(dāng)壓力除去閉合氣孔會(huì)重新擴(kuò)大，會(huì)導(dǎo)致出模的坯件開裂，破壞良好的黏結(jié)組織22。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，采用16 MPa保壓30 min作為熱壓的壓力條件，并且在熱壓過程中緩慢升壓，不至于堵塞氣體排出通道，熱壓完成也需要緩慢降壓。

3.2 IZO靶材性能分析

3.2.1 IZO靶材的物相分析

圖4為850?950 °C燒結(jié)溫度制備的IZO靶材的XRD圖譜，可以看出，燒結(jié)溫度較低、燒結(jié)時(shí)間較短(850 °C-60 min 或 900 °C-60 min)時(shí)，IZO靶材的主要衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)的ZnO晶體衍射峰一致，譜峰符合六方纖鋅礦ZnO的結(jié)構(gòu)特征，表明In的摻雜并未改變ZnO的晶格結(jié)構(gòu)；當(dāng)提高燒結(jié)溫度至950 °C時(shí)，靶材峰譜中出現(xiàn)較為明顯的InZnOx(2θ ≈ 34.49°)，相應(yīng)于(002)面的衍射譜峰；延長(zhǎng)保溫時(shí)間(900 °C-90 min)InZnOx的衍射譜峰進(jìn)一步增強(qiáng)并占據(jù)主導(dǎo)地位。這表明提高燒結(jié)溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間有利于形成InZnOx晶相，從而提高靶材的密度(ρ)和提高相應(yīng) TFT器件的性能(見表 1、表 2)。

3.2.2 燒結(jié)溫度對(duì)IZO靶材微觀結(jié)構(gòu)的影響

燒結(jié)過程中粉體顆粒系統(tǒng)有兩個(gè)本征的特點(diǎn)：顆粒之間的接觸和顆粒之間存在的孔隙，外加壓力和化學(xué)鍵合力共同促進(jìn)燒結(jié)頸的長(zhǎng)大和孔隙體積的減小，IZO靶材宏觀的致密化過程對(duì)應(yīng)著微觀結(jié)構(gòu)的變化，圖 5是不同燒結(jié)溫度下熱壓靶材的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微組織圖像?？梢钥闯觯瑹Y(jié)溫度為850 °C時(shí)，靶材內(nèi)部不呈現(xiàn)顆粒狀而是存在大量尺寸均勻、粒徑較小的晶粒(經(jīng)過孔洞連通、氣孔閉合、圓化和收縮階段)，是典型的燒結(jié)致密化過程。

圖4 不同條件下制備IZO靶材XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of IZO targets fabricated at different conditions.(a) 850 °C-60 min, (b) 900 °C-60 min, (c) 950 °C-60 min,(d) 900 °C-90 min

燒結(jié)溫度(T)升高到900 °C，靶材晶粒稍長(zhǎng)大，卻出現(xiàn)閉合孔的長(zhǎng)大、粗化和連通等“逆生長(zhǎng)”現(xiàn)象，進(jìn)而影響到靶材的致密度(見表1)，這與尋常報(bào)道的相對(duì)密度先增大后減小有所不同23?25。燒結(jié)過程靶材內(nèi)部有兩種趨勢(shì)：一是靶材的燒結(jié)致密化，即粉末顆粒聚集、晶粒尺寸長(zhǎng)大、閉合孔縮小、空位向表面擴(kuò)散；二是粉末的揮發(fā)(尤其是 In2O3)，破壞靶材的燒結(jié)致密化。900 °C時(shí)粉體顆粒的揮發(fā)稍占優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)靶材“逆生長(zhǎng)”情況，可以通過提高燒結(jié)溫度加速靶材的燒結(jié)致密化。溫度為950 °C時(shí)，靶材晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大、粗化，閉合孔縮小變形，數(shù)量也相對(duì)減小。900 °C燒結(jié)溫度時(shí)延長(zhǎng)保溫時(shí)間(Time)從 60 min到 90 min，使得空位的遷移充分進(jìn)行，氣孔遷移到表面并且被排除，從而使燒結(jié)過程進(jìn)一步完成。

表1 不同條件下IZO靶材性能對(duì)比Table 1 Summarized properties of IZO target with different preparation condition.

表2 不同條件靶材制備的IZO-TFT性能對(duì)比Table 2 Summarized properties of IZO-TFT with different targets.

圖5 不同條件下IZO靶材SEM圖Fig.5 SEM patterns of IZO targets fabricated at different conditions.(a) 850 °C-60 min, (b) 900 °C-60 min, (c) 950 °C-60 min,(d) 900 °C-90 min

圖6 不同條件下IZO靶材EDS元素面分部圖(In-藍(lán)色，Zn綠色，O紅色)Fig.6 EDS element distribution maps for In, Zn and O (respectively with blue, green and red) of IZO targets fabricated at different conditions.(a) 850 °C-60 min, (b) 900 °C-60 min, (c) 950 °C-60 min,(d) 900 °C-90 min, color online.

為了進(jìn)一步分析靶材元素構(gòu)成和分布，進(jìn)行EDS測(cè)試，元素分布如圖6所示，元素點(diǎn)掃描見表格1。圖6可以看出In、Zn、O三種元素均勻分布在整個(gè)靶材平面，沒有明顯的元素富集，表明In2O3和ZnO充分均勻混合。如表1所示，靶材元素比(Zn/In)在900 °C-60min的條件下最高，在900 °C-90 min燒結(jié)條件下最低且最接近計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)比(Zn : In原子比為0.87 : 0.13)，其他條件則居中。說明900oC-60 min條件下In2O3揮發(fā)較多使得In含量較低，影響到In向ZnO晶格的擴(kuò)散，導(dǎo)致InZnOx相較少，空位較多，而燒結(jié)溫度的提升或者保溫時(shí)間的延長(zhǎng)有利于In向ZnO晶格的擴(kuò)散以及空位向表面遷移，相對(duì)抑制了In揮發(fā)(或重新吸收揮發(fā)的In)，這點(diǎn)與SEM表面形貌和XRD結(jié)果相符合。

3.2.3 靶材壽命測(cè)定

靶材的使用壽命是靶材在一定功率下連續(xù)穩(wěn)定濺射沉積薄膜的時(shí)間。分別取四塊靶材在70 W(靶材直徑50 mm，功率密度3.6 W?cm?2)的功率下濺射1.5 h，靶材表面均沒有出現(xiàn)開裂、擊穿、中毒等現(xiàn)象，靶材的壽命均大于105 W?h。

3.3 IZO薄膜性能表征

取IZO靶材進(jìn)行60W功率濺射，濺射速率如表格1所示，所得薄膜400 °C空氣中退火30 min后進(jìn)行紫外可見透射光譜測(cè)試，圖 7可以看出，IZO薄膜平均透過率均超過 86%，在可見光譜范圍內(nèi)展現(xiàn)出良好的透過性。

圖7 IZO靶材制備薄膜的紫外可見透射光譜，所有薄膜均400 °C 退火30 minFig.7 UV-visible transmittance spectra of films fabricated with different IZO targets, all film annealed at 400 °C for 30 min.

3.4 IZO-TFT性能分析

對(duì)燒結(jié)IZO靶材制備的TFT進(jìn)行半導(dǎo)體特性表征，輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線分別如圖 8以及圖9所示。圖8可以看出，所有IZO TFT均具有明顯的線性區(qū)和飽和區(qū)，不同柵壓(VD)的輸出

圖8 IZO靶材制備TFT的輸出特性曲線Fig. 8 Output characteristic of IZO-TFT with different targets.(a) 850 °C-60 min, (b) 900 °C-60 min, (c) 950 °C-60 min, (d) 900 °C-90 min

曲線在20.1 V的漏極電壓(VD)下均達(dá)到飽和，且飽和區(qū)平緩，器件可以穩(wěn)定得輸出電流。此外，開態(tài)電流(Ion，即 ID) (d) > (a) > (b)或(c)，表明900 °C燒結(jié)溫度、90 min保溫時(shí)間條件的靶材制備的IZO-TFT具有最大的開態(tài)電流。

圖9和表2可以看出，通過磁控濺射IZO靶材制備的 IZO-TFT均具有較大的遷移率(μsat> 10 cm2?V?1?s?1)、低的亞閾值擺幅(SS)、高的開關(guān)比(Ion/Ioff) > 106、和小的開啟電壓(Von)。隨著燒結(jié)溫度的提高，遷移率逐漸降低，靶材密度與遷移率并沒有明顯的關(guān)系，900 °C-60 min 制備的靶材密度較低，使得相同功率下濺射速率較慢，靶材在濺射過程中容易產(chǎn)生突起，惡化薄膜質(zhì)量，導(dǎo)致薄膜缺陷較多，同時(shí) In含量相對(duì)較低，降低了IZO-TFT的性能。保溫時(shí)間延長(zhǎng)至90 min，靶材密度得到提升，濺射速率加快，TFT實(shí)現(xiàn)最佳性能，μsat為 16.25 cm2?V?1?s?1，SS 為 0.27 V?dec?1，Ion/Ioff是 2.19 × 107，Von是?2.2 V。溫度升高至950 °C時(shí)，靶材致密度提升，根據(jù)SEM圖像可知晶粒長(zhǎng)大稍顯異常，導(dǎo)致沉積薄膜均一性，使得TFT性能更差?？梢姡m當(dāng)高的密度的靶材對(duì)于半導(dǎo)體薄膜和TFT的制備是至關(guān)重要的。

取燒結(jié)溫度850 °C、保溫時(shí)間為60 min的條件燒結(jié)的IZO靶材，通過磁控濺射法制備IZO TFT，400 °C空氣中退火30 min后，進(jìn)行正柵偏壓(PBS)和負(fù)柵偏壓(NBS)穩(wěn)定性測(cè)試，分別如圖10(a, b)所示。測(cè)定條件，正偏壓為VG= 20 V，負(fù)偏壓時(shí)VG= ?20 V，VD保持在0 V不變，偏壓持續(xù)總時(shí)間為 3600 s。可以看出，正刪偏壓條件下，TFT的開啟電壓的漂移量為0.40 V，負(fù)柵偏壓條件下，器件的開啟電壓的漂移量是?0.39 V，表明850 °C-60 min熱壓條件的靶材制備的器件具有良好的電學(xué)穩(wěn)定性。

圖9 IZO靶材制備TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線，每個(gè)器件的曲線含正掃和回掃兩條曲線Fig.9 Transfer characteristic of IZO-TFT with different targets, and every device′s curve includes positive sweep and reverse sweep.

圖10 IZO-TFT的(a)正柵偏壓(VG = 20V)以及負(fù)柵偏壓(VG = ?20V)穩(wěn)定性Fig.10 (a) positive gate bias stress (VG = 20 V), and(b) negative gate bias stress (VG = ?20 V) of IZO-TFT.

4 結(jié) 論

以ZnO和 In2O3混合粉體為原料在真空條件下熱壓燒結(jié)制備出氧化銦鋅(IZO)靶材，XRD圖譜可以看出IZO靶材結(jié)晶性良好，譜峰符合六方纖鋅礦ZnO 的結(jié)構(gòu)特征，SEM圖像表明IZO靶材表面平整，元素分布均勻，表明In2O3和 ZnO充分均勻混合。

IZO靶材采用16 Mpa保壓30 min的加壓方式，燒結(jié)溫度從850 °C提升到950 °C，IZO靶材的密度相對(duì)得以提升，晶粒逐漸長(zhǎng)大，是典型的燒結(jié)致密化過程。燒結(jié)溫度為900 °C時(shí)In2O3揮發(fā)較多破壞了靶材燒結(jié)致密化，提高燒結(jié)溫度或延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間加速了In向ZnO晶格的擴(kuò)散以及空位向表面遷移，相對(duì)抑制了In揮發(fā)，促進(jìn)InZnOx晶相形成，有利于提高靶材的密度和提高相應(yīng)TFT器件的性能。

以上熱壓燒結(jié)IZO靶材通過磁控濺射方法制備IZO-TFT，900 °C時(shí)制備靶材密度較低，濺射中惡化薄膜質(zhì)量，溫度升高至950 °C時(shí)靶材密度最高但晶粒稍顯異常，導(dǎo)致薄膜均一性變差，使得TFT性能變差，900 °C-90 min以及850 °C-60 min燒結(jié)條件的靶材密度較高，所制備的TFT器件的性能優(yōu)異，且具有良好的電學(xué)穩(wěn)定性，可見適當(dāng)高密度的靶材對(duì)于半導(dǎo)體薄膜和TFT的制備是至關(guān)重要的。

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Preparation of Indium-Zinc-Oxide Thin Film Transistors by Hot-Pressing Sintering Target

SONG Er-Long LAN Lin-Feng＊LIN Zhen-Guo SUN Sheng SONG Wei LI Yu-Zhi GAO Pei-Xiong ZHANG Peng PENG Jun-Biao
(State Key Laboratory of Luminescence Materials and Devices, South China University of Technology,Guangzhou 510640, P. R.China)

The sintering condition was studied how to influence the performance of indium-zinc-oxide (IZO) target and thin film transistor (TFT) in this paper. IZO targets was prepared by hot-pressing sintering using mixed power (20% (w, mass fraction) In2O3), then fabricated TFT with above sintering targets. X-ray diffraction (XRD) patterns & scanning electron microscopy (SEM)images showed targets had good crystallinity and elements were uniformly distributed. The target was typical densification process with sintering temperature of 850 °C. The volatilization of In2O3undermined the densification of the target, with condition of 900 °C-60 min. It can be seen that increase of sintering temperature and elongation of preserving time could inhibit the In2O3volatilization, facilitated the sintering densification of IZO target and formed the InZnOxcrystal phase,thereby increased the density of the target. IZO TFTs′ performance showed the sputtering deteriorates the film quality with low-density target, and the grain of the high-density target was slightly abnormal,which resulted in deterioration of the film uniformity, all reduced the performance of TFT. Therefore, anappropriate high-density target was essential for the preparation of IZO-TFT.

Thin film transistors; IZO; Hot-pressing sintering; Target; Magnetron sputtering

March 13, 2017; Revised: April 20, 2017; Published online: May 11, 2017.

O649

10.3866/PKU.WHXB201705114 www.whxb.pku.edu.cn

＊Corresponding author. Email: lanlinfeng@scut.edu.cn; Tel: +86-20-87114567.

The project was supported by the National Key Research Program of China (2016YFB0401105), National Natural Science Foundation of China (61204087),Pearl River S&T Nova Program of Guangzhou, China (2014J2200053) and Guangdong Province Science and Technology Plan, China (2015B090914003).

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0401105), 國(guó)家自然科學(xué)基金(61204087), 廣州市珠江科技新星(2014J2200053)及廣東省科技計(jì)劃(2015B090914003)資助項(xiàng)目

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