具有铜电极的氧化物TFT中的铜原子扩散及其抑制方法研究

Adopting copper as the electrodes and wiring material of oxide thin film transistors (TFTs) can reduce the bad effect caused by “signal delay” on large size, high resolution display. However, copper atoms can easily diffuse to the oxide semiconductor, thus deteriorate the performance and stability of TFT device. this project plans to adopt copper as the source/drain electrodes of oxide TFTs, trying to reduce Adopting copper as the electrodes and wiring material of oxide thin film transistors (TFTs) can reduce the bad effect caused by “signal delay” on large size, high resolution display. However, copper atoms can easily diffuse to the oxide semiconductor, thus deteriorate the performance and stability of TFT device. this project plans to adopt copper as the source/drain electrodes of oxide TFTs, trying to reduce the bad effect of copper diffusion on the performance of oxide TFTs from two aspects of using copper alloy to suppress copper diffusion and designing the constituents of oxide semiconductor to prevent copper atoms from diffusion. Main research contents include: 1) the chemical reaction, diffusion depth at the interface between copper alloy and oxide semiconductor and their influence on the device performance, 2) exploring the influence of oxide semiconductor constituents and micro-structure on copper diffusion and the corresponding suppression mechanism. 3) discuss how the copper diffusion deteriorate the performance and stability of oxide TFT based on the interface characters such as interface reaction, diffusion depth, diffusion area. The results were expected to improve the performance and stability of oxide TFTs with copper electrodes.

采用铜作为氧化物薄膜晶体管（TFT）的电极及布线材料可降低“信号延迟”对大尺寸、高分辨率显示屏造成的不利影响。但铜原子易扩散至氧化物半导体中从而导致TFT的性能和稳定性劣化。本项目将采用铜作为氧化物TFT的源漏电极，针对铜原子易扩散的问题，从利用铜合金抑制铜扩散和设计氧化物半导体的组分使其不利于铜扩散两个角度出发，以期降低铜扩散对氧化物TFT性能的影响。主要研究内容包括：1）研究铜合金与氧化物半导体的界面反应、扩散深度等界面特征及其对器件性能的影响；2）探索氧化物半导体的组分和微观结构对铜原子扩散的影响规律及其抑制机理，开发可“抗铜扩散”的氧化物半导体并将其用作氧化物TFT的有源层或背沟道包覆层。3）从铜/氧化物半导体的界面化学反应、扩散深度、扩散区域等界面特征出发探讨铜原子扩散劣化氧化物TFT性能和稳定性的机理。研究结果有利于改善具有铜电极的氧化物TFT的性能和稳定性。

氧化物 TFT 具有高的载流子迁移率和良好的电学均匀性，非常适合用于驱动大尺寸、高分辨率的 AMOLED 显示面板，被誉为平板显示的“下一代”背板技术。本项目主要研究背沟道刻蚀（BCE）型氧化物TFT，具有铜电极的氧化物TFT以及基于原子层沉积（ALD）技术制备高品质氧化物半导体薄膜。本项目利用结晶InGaO耐酸腐蚀的特性，将其用作薄膜晶体管（TFT）的有源层，成功制备了高性能的BCE型氧化物薄TFT。此外，设计了InGaO/InZnO叠层作为TFT的有源层，即高迁移率的InZnO作为TFT的前沟道，搭配耐酸腐蚀的InGaO作为背沟道，制备了BCE型TFT，进一步提高BCE型TFT的迁移率等性能指标。BCE型氧化物TFT易于小型化，是制备高分辨率显示屏的关键技术。研究了铜电极对氧化物TFT性能及稳定性的影响，发现氧化物半导体的组分对铜扩散的敏感程度不同，为氧化物TFT的铜制程技术提供一种新的思路。采用铜作为氧化物TFT背板的电极及布线可以降低信号延迟，促进其在大尺寸、高分辨率显示屏中的应用。采用原子层沉积技术制备氧化物薄膜，探索薄膜的生长机理及性能调控方法，为其在TFT、太阳能电池、LED等领域的应用打下基础。采用空间原子层沉积（sALD）技术制备氧化锌（ZnO）薄膜。sALD技术具有常规ALD技术的优异的三维共形性、大面积均匀性、亚单层的膜厚控制和低的生长温度等优点，可用于制备高品质的薄膜。同时，sALD具有比常规ALD更高的沉积速率和高的产率，沉积速率可达~1 nm/s的量级，在工业规模化生产中展现出令人期待的应用前景。所制备的ZnO薄膜具有良好的光电特性，并且可在低于100 oC的温度下制备，展示出在PET等柔性衬底上应用的潜力。本项目进一步研究了退火处理对sALD-ZnO薄膜特性的影响，为ZnO薄膜的性能调控以及后续的器件应用提供了有用的参考数据。采用氧气等离子体增强型ALD（PEALD）技术制备了氧化铟（In2O3）薄膜。研究了氧气等离子体脉冲时间、衬底温度以及退火处理对In2O3薄膜特性的影响。后续拟继续开展使用原子层沉积技术制备InZnO、InGaZnO等多元氧化物半导体薄膜的研究，并尝试将其应用于TFT器件中。