2.4　IGZO TFT技术

IGZO TFT是最具应用价值的Oxide TFT，具有如下优势：工艺温度低，可在室温下制作；可在常温下用磁控溅射大面积生产；禁带宽度达到3.4eV，在可见光波段是透明的；电子迁移率高；工作电压低，带隙中的缺陷态少；电极结构简单和关断电流低，不需要一个PN结来抑制反转工作和随之增加的关断电流；优良的均匀性和表面平坦性。

2.4.1　IGZO半导体特性

非晶IGZO半导体的电子迁移率之所以可达10cm2/Vs以上，得益于氧化物的强离子性。强离子性的化学键链接和在P区金属氧化物中空置金属的s轨道的大球形传播促成该电子结构的实现，有利于N沟道TFT的应用。IGZO半导体的带隙形成机理如图2-40所示。如图2-40（a）所示，氧化物具有很强的离子性，从金属到氧原子会发生电荷转移，由这些离子产生的马德隆势使得电子结构很稳定，提高了阳离子的电子能级，降低了阴离子的电子能级。因此，CBM主要由未占用的s轨道形成，而阳离子的VBM全部由O 2p轨道占据，如图2-40（b）。由于这样一种电子结构，结晶氧化物如ZnO、SnO2和In2O3具有较小的电子有效质量，为0.25～0.35me（me为电子的静止质量），并且有着相当高的电子迁移率200cm2/Vs。这些透明导电氧化物的CBM主要由重金属阳离子的s轨道组成，这些金属阳离子占据了很大空间，几乎延展成球形。s轨道的大空间延展形成了一个大的宽带离散的杂化CBM，这是电子有效质量小的原因。

IGZO导带底主要由重金属元素的ns轨道的未被占据态组成。如图2-41所示，s态电子云密度呈球对称分布，且半径较大，相互交叠形成电子的导通路径，非常有利于电子的传输。即便在材料处于非晶态时，原子排布比较杂乱，但由于s态电子云本身是球对称形分布的，对方向的变化不敏感，因此电子依然拥有良好的输运路径，这就是非晶态的IGZO载流子迁移率仍然很高的本质原因。非过渡金属氧化物的CBM是由金属阳离子的球状延展的s轨道组成的，它们与邻近金属的s轨道的重叠部分不会被无序的非晶结构明显改变，因此，CBM电子能级对于局部结构的随机性不敏感，电子传输不会受到显著的影响。所以，IGZO半导体即使在非晶态下也能有高的电子迁移率。

IGZO半导体中化学键的离子性可以降低亚带隙缺陷的DOS。IGZO半导体的电子结构缺陷如图2-42所示。在IGZO半导体中，导带主要由金属阳离子的未占用轨道组成。氧空位作为金属阳离子的一个非键合态，其能级（Vo）位于CBM上或位于接近CBM的地方，如图2-42（a）所示。这样，氧空位就表现为一个浅施主，形成不了一个有效的电子陷阱。不过，这种施主态在许多IGZO半导体中是不稳定的。有的场合，氧空位将不受约束，形成如图2-42（b）所示的一个被全部占据的深能态（满电子态）。这种深能级既不能俘获电子，也不能帮助N型TFT的电子传输。氧空位是形成浅施主（能级），还是形成满电子态，取决于氧空位的局部结构。

在高温等特定外界环境下，会造成IGZO半导体晶格中的氧脱离，形成氧空位（氧缺陷）。IGZO半导体中，金属元素的电负性一般小于氧，所以氧空位相当于取走一个氧原子而加上两个带正电的电子?空穴。如果这两个电子?空穴被束缚在氧空位上，则氧空位带正电。为了扩展CBM，可以在IGZO半导体中加入In3+和Sn2+等重金属阳离子。为了形成稳定的非晶结构，需要混合两种或更多种不同价电荷和不同尺寸的阳离子。为了更好地控制载流子浓度，需要加入一种具有强离子键的金属氧化物。

IGZO是一种N型半导体，禁带宽度约为3.5eV。In2O3中的In3+可形成5s电子轨道，有利于载流子的高速传输，电子迁移率在35cm2/Vs左右，保证IGZO能制作高迁移率TFT。Ga2O3有很强的离子键，Ga-O键远远强于In-O键和Zn-O键，所以掺入Ga可抑制氧空位的形成，抑制新移动电子的产生。ZnO中的Zn2+可以形成稳定四面体结构，保证IGZO形成稳定的非晶结构。

IGZO的In、Ga、Zn三种元素在薄膜中所占比例通过工艺手段的控制，可以有多种组合。如图2-43所示的IGZO薄膜的非晶结构和电子传输特性，薄膜是室温下用脉冲激光沉积形成的。和许多金属氧化物一样，纯ZnO和纯In2O3为结晶相。在ZnO或In2O3中分别掺入一定比例的Ga或Zn，就能形成非晶相的Zn-Ga-O或Zn-In-O。IGZO的电子迁移率比IZO低，电子浓度［图2-43（b）中括号内的数值］可以维持在1018cm?3上下。电子浓度也不能太低，如果电子浓度远远低于1017cm?3，则TFT更难以控制。掺入Ga含量过高会降低IGZO的电子迁移率。为了确保IGZO TFT特性稳定，需要加入适量的稳定剂阳离子与氧离子形成牢固的化学键。目前，在IGZO中，In:Ga:Zn的成分比例一般为2:2:3。

非晶态a-IGZO的有效质量和晶态c-IGZO近似，电子的传输特性也较为奇特。通过通常的霍尔测试，一定的霍尔电压和电子迁移率可以被观察到，而且霍尔迁移率随着载流子浓度的增加而增加。这种趋势与在简单结晶半导体中观察到的情况相反，也许可以通过渗流传导来解释。在这个模型中，在导带中存在势垒的分布，它限制了电子迁移率，电子在更高温度下获得了更短和更高的传输路径。这表明随着温度的升高，迁移率增加，活化能减少。

2.4.2　IGZO TFT器件特性

1. IGZO TFT的特性

IGZO的电子结构原理（DOS模型）如图2-44所示，在非晶态IGZO的DOS模型中，半导体带隙很宽，在3.4eV左右，费米能级EF在CBM下最深0.4eV，EF上方接近CBM的亚带隙态要比a-Si:H低一个数量级以上，距离EF下方约1.5eV的区域是一个处在VBM上方具有1.5eV左右带宽的深亚带隙区域。IGZO在CBM附近亚带隙态低是具有小S值和低工作电压的主要原因。并且，深亚带隙区域的缺陷态被电子占满，不再表现为电子陷阱。所以，即使在IGZO带隙中分布着高密度深缺陷态，IGZO TFT也能保持良好的电子传输特性。

IGZO的成膜条件决定亚带隙缺陷态的差异，但是热退火处理可以有效修复（移除）CBM附近影响电子传输的缺陷，大部分不能修复的VB缺陷并不影响电子传输。在非最优化条件下沉积的IGZO薄膜，具有较高的亚带隙吸收，所以亚带隙态密度比较高。但是，通过400℃的热退火处理，可以显著改善器件的特性，IGZO TFT特性接近于在最优化条件下沉积的IGZO TFT。不过，热退火只能减少接近一半的亚带隙吸收，即亚带隙DOS减少接近一半，剩下的亚带隙吸收依然高出在最优化条件下沉积的IGZO一个数量级以上。

非晶IGZO的电导率具有与a-Si类似的特点。电导率不仅与环境温度相关，还与外加的电场强度有关。图2-45分别给出了IGZO TFT在低温低栅压、高温低栅压和高温高栅压下的MIS能带结构。在低温低栅压下，能量接近费米能级EF下方的电子，可以跃迁到EF以上的邻近空态，可用于IGZO TFT输运的载流子极少。在高温低栅压下，电子由EF被激发到接近EC的带尾亚带隙区域，由于在栅压作用下靠近栅极绝缘层的IGZO导带EC下弯，因此使一小部分电子能够进入导电，用于IGZO TFT输运的载流子增加。在高温高栅压下，更多的电子从EF被激发到EC以上，用于IGZO TFT输运的载流子急剧增加。当IGZO TFT沟道载流子进入能带导电状态后，又遵守渗流导电机制。

通常，IGZO TFT不需要像a-Si TFT、LTPS TFT那样在MS构造部设计一层高掺杂的IGZO半导体层。因为本征IGZO半导体层与通用的源漏极金属之间具有良好的欧姆接触特性。IGZO TFT器件的源漏极接触电阻Rsd远小于沟道电阻Rch。相比a-Si TFT，IGZO TFT的开态电流高出一个数量级，而关态漏电流低出一个数量级，因此非常适用于TFT-LCD像素开关。

评价IGZO TFT特性的参数有电子迁移率μ（cm/Vs）、阈值电压Vth（V）、亚阈值摆幅S（V/dec）、开关电流比Ion/Ioff（log10）、漏电流Ioff（pA）等。以IGZO TFT为例，以上特性的典型值为μ =10cm2/Vs、Vth=2V、S=0.1V/dec、Ion/Ioff=8、Ioff=0.3pA、工作电压<5 V。在IGZO TFT中，IGZO的电导在10?3～10?6S/cm，对应的最小载流子密度在1012cm?3左右。IGZO的S值可能低至0.1mV/dec。通过减小IGZO膜厚到6nm，减小栅极绝缘层膜厚到15nm，可以使得到的S值小到63mV/dec，在室温下接近于59meV/dec的理论极限，IGZO TFT的工作电压最低达到1.5V。

2. IGZO TFT的实现

a-IGZO薄膜既可以采用PVD工艺成膜，也可以通过金属有机物化学气相淀积MOCVD工艺成膜，只要成膜条件能获得10?6～10?3S/cm的电导，并具有最小的亚带隙光吸收。成膜可以在室温下进行，成膜温度范围大。为了改善a-IGZO TFT器件特性，可在空气或者氧气氛围中进行300～400℃的热退火处理。在IGZO沟道上形成的源漏极，既可以是普通的Mo、Al、Cu等金属，也可以是ITO等透明半导体。为了避免源漏极薄膜氧化，热退火处理一般在源漏极成膜前进行。

PVD是IGZO的主流成膜工艺，所用靶材中In2O3:Ga2O3:ZnO之比一般为1:1:1（mol%）。PVD成膜时，IGZO常采用Ar+O2或Ar+N2等混合气体制作。一般采用湿法刻蚀形成a-IGZO图案，刻蚀液可以是H2SO4、H3PO4或H2O2，根据所采用的制作非晶金属氧化物IGZO薄膜结构及源漏金属电极材料，可以选择不同的刻蚀液。

用PVD进行IGZO成膜时，Ar和O2的流量比例一般为6:1。Ar离子轰击IGZO靶材时，In的溅射产率高，所形成的IGZO薄膜中In含量较高，氧空位较多。此时，氧空位充当载流子施主，提供较多的自由电子，IGZO薄膜导电特性较好，方块电阻值小。O2轰击IGZO靶材时，Ga的溅射产率高，有利于保证IGZO TFT的开关特性。如果用N2代替O2轰击IGZO靶材，则Zn的溅射产率高，相应的Ar和N2的成分比例要做调整。

IGZO成膜后，需要在O2氛围或N2O氛围中进行退火处理。退火后，气氛中的氧填补了部分氧空位，降低了载流子的浓度，薄膜的方块电阻增大。部分氧空位也可以被N原子填补。通过退火降低IGZO薄膜中的缺陷态，从而降低缺陷态对IGZO TFT特性的影响。

2.4.3　IGZO TFT可靠性

IGZO TFT器件不稳定因素如图2-46所示，IGZO TFT在TFT-LCD应用上的最大课题之一是器件的稳定性，包括偏压条件下的稳定性、光照条件下的稳定性和气氛条件下的稳定性等。器件不稳定的主要表现是阈值电压漂移，其中最突出的是电压应力下的阈值电压漂移。

1. IGZO TFT阈值电压漂移

IGZO TFT阈值电压漂移主要分为温度/电压应力（Bias Temperature Stress，BTS）下的阈值电压漂移，以及光/电压应力（Bias Illumination Stress，BIS）下的阈值电压漂移。

IGZO TFT的BTS实验结果如图2-47所示，在80℃环境温度下，分别进行PBTS（Positive BTS）和NBTS（Negative BTS）实验，各自在0～6000s的7个时间点进行IGZO TFT的I-V传输特性测量。在图2-47（a）所示的PBTS实验中，栅极持续加20V的正偏压，随着时间的增加，I-V曲线往右偏。在图2-47（b）所示的NBTS实验中，栅极持续加?20V的负偏压，随着时间的增加，I-V曲线往左偏。在图2-47中，log（Ids）～Vgs曲线对应的Ion/Ioff比值基本不变，亚阈值斜率（SS值）也基本不变，主要的变化是阈值电压差值?Vth增加。这说明，引起?Vth变化的主因是IGZO和栅极绝缘层界面或栅极绝缘层体内的陷阱捕获电子，在IGZO和栅极绝缘层界面并没有产生额外的电子捕获态。

在a-Si TFT中，基于电荷注入和电荷捕获机理建立的stretched-exponential方程，可以用于IGZO TFT的BTS建模分析：

式中，Vth0是Vth的初始值，τ=τ0exp（ET/kT）。

通常，半导体在光照后产生光生载流子，光生载流子作为少数载流子，对TFT的开态电流作用并不明显，但是对TFT关态电流的影响不容忽视。所以，光/电压应力下的阈值电压漂移主要研究IGZO TFT在栅极负偏压和光照条件下，阈值电压差值?Vth的变化情况。Vg=?20V和10000nit光照下的NBIS实验如图2-48所示，I-V特性曲线随着时间的推移不断左偏。NBIS实验中，?Vth负偏的机理可以用图2-49所示的三种物理机制进行解释：①形成对应氧空位VO的浅施主能态gOV（E）；②在光子作用下，电子脱离深施主能态gTD（E）对应的陷阱，氧空位VO离化成；③在电场作用下，向IGZO和栅极绝缘层界面扩散，与此对应的是空位被俘获进入栅极绝缘层。

图2-50给出了IGZO为500?的TFT在光照前后的I-V特性曲线漂移。①为光照前；②为光照10min后；③为停止光照后。IGZO膜厚对?Vth的影响机理主要表现为氧空位VO离化，或者空穴进入靠近IGZO一侧的栅极绝缘层中。所以，IGZO膜厚的设计存在一个最佳范围。如果IGZO膜厚过小，则栅极电压加在IGZO层上的电场EIGZO过大，氧空位离化明显，IGZO层的空穴更容易被捕获进入栅极绝缘层。如果IGZO膜厚过大，则受到IGZO层体效应的影响，光照后产生光生载流子的区域更多，I-V特性曲线漂移越明显。

2. IGZO TFT稳定性提升对策

影响可靠性的因素包括水分、光、氢和氧。改善IGZO-TFT性能的根本是降低IGZO薄膜的缺陷态密度，主要是减少氧缺陷。和a-Si相比，IGZO固溶体间各元素有离子键和共价键，键能比Si-Si共价键更大，稳定性更好。减少IGZO薄膜缺陷的方法有：①退火和/或等离子体处理，同时在等离子设备中附加电阻加热器；②分层和多次沉积IGZO薄膜；③采用不同的元素组合，优化半导体材料，其中要考虑元素的原子直径、电负性和价态；④解决多晶IGZO的晶界问题，像LTPS TFT一样通过器件设计避开Vth不均匀性问题。在蚀刻终止层上形成第2个栅极电极，Vth可以利用其偏压自由控制。

在工艺上，改进IGZO TFT稳定性的对策有改变镀膜方式（DC或RF）、调整镀膜参数（溅射气压、氧分压、功率等）、控制退火条件（温度、气氛、时间等）、进行沟道钝化（制作方式、材料类型）等。在结构上，改进IGZO TFT稳定性的主要对策是采用ESL结构。要想确保可靠性，重要的是要能够控制器件中的H2O分子，只要通过6小时的最终退火，即可将H2O分子从沟道区域中基本去除掉，使特性趋于稳定。

器件的稳定性随着温度的升高而劣化，绝缘层或绝缘层/有源层界面的陷阱态是引起阈值电压变化的主要原因。在顶栅结构中，绝缘层的制备会对有源层造成损伤，从而导致器件性能的劣化。老化过程并没有在绝缘层和有源层内部产生新的陷阱态。通过衬底加热及后退火等工艺可以有效降低绝缘层、有源层及绝缘层/有源层界面处的缺陷态密度，从而提高IGZO TFT的稳定性。SiO2薄膜修饰可以降低表面粗糙度和减少界面态的陷阱，所以能够提高晶体管性能。SiO2绝缘层的厚度对IGZO TFT的迁移率、阈值电压和开关比等性能有重要影响，而且对器件的稳定性也有很明显的影响。制备绝缘层的氧分压控制是关键。

3. CAAC-IGZO技术

通过改变IGZO薄膜的结晶状态，可以改善IGZO TFT的可靠性，提高器件的稳定性。借鉴多晶GZO薄膜通过高度c轴取向获得大颗粒（15～25nm）横向晶粒，以提升器件的工作特性。在GZO中掺入In后的IGZO，如果让膜的生长方向沿着c轴取向，则可以进一步提高器件的载流子迁移率和关断状态的漏电流。基于这个原理，日本SEL公司和夏普公司合作开发了CAAC-IGZO（C-Axis Aligned Crystal IGZO）。CAAC-IGZO的原子排列如图2-51所示，该结晶从c轴方向观察为六角形的结晶构造，从垂直于c轴方向观察则为层状的结晶构造。如图2-51（b）所示，与原来的非晶IGZO原子散乱排列不同，CAAC-IGZO的InO2、（Ga，Zn）O很有规律地沿着c轴呈层状分布。这种原子配置具有很高的结晶方位均一性，并且没有明确的晶界分布，所以CAAC-IGZO的特性均一性较好。CAAC结构可以抑制光照射条件下的器件I-V特性变化，阈值电压变化小。CAAC结构的IGZO可减少引起关态漏电流的空穴的发生，使85℃下的漏电流降至1.0×10?22A/μm以下。

CAAC-IGZO的制造工艺是在非晶IGZO层成膜后，追加退火处理，从而实现结晶生长。处理条件上有一些特殊的专用技术。但与现有的非晶类IGZO TFT相比，基本的制造工序没有变化。