發(fā)布時間：2020-05-04 08:51

【摘要】：非晶氧化物半導(dǎo)體(AOS),包括非晶銦鎵鋅氧(a-IGZO)、非晶銦鋅氧(a-IZO)等,有望取代傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體而成為新一代薄膜晶體管(TFT)的溝道層材料。AOS TFT具有較高的場效應(yīng)遷移率(μ_(FE)10 cm~2 V~-11 s~(-1))、較低的制程溫度和較好的成膜均一性等優(yōu)點(diǎn),但也存在器件穩(wěn)定性(如偏壓穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、光照穩(wěn)定性等)較差的缺點(diǎn)。據(jù)報道,在AOS TFT的溝道層中采用摻氮工藝可以有效地改善其電學(xué)穩(wěn)定性,但其相關(guān)的物理機(jī)理目前仍不清楚。此外,研究并確定適合實(shí)際生產(chǎn)的摻氮工藝也具有非常重要的意義。本文的主要目的在于研究摻氮工藝對于AOS TFT的作用機(jī)理和物理機(jī)制,并探索進(jìn)一步提升摻氮AOS TFT電學(xué)穩(wěn)定性的新材料和新工藝,從而為摻氮工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ)。首先,我們研究了摻氮工藝對于AOS TFT電學(xué)特性的影響機(jī)理。我們對比研究了摻氮工藝與傳統(tǒng)的摻氧工藝對于典型的AOS TFT(即a-IGZO TFT)的影響。通過研究發(fā)現(xiàn),摻氧工藝會顯著地降低a-IGZO薄膜中的氧空位濃度,并且引入較多的溝道和界面缺陷態(tài);而摻氮工藝能夠微調(diào)a-IGZO薄膜中的氧空位濃度,而且?guī)缀鯖]有引入缺陷態(tài);這就導(dǎo)致了摻氧工藝會引起a-IGZO TFT操作特性的大幅劣化,而摻氮工藝則對器件的操作特性影響不大。與傳統(tǒng)的摻氧工藝不同,摻氮工藝可以顯著地改善a-IGZO TFT的穩(wěn)定性(包括偏壓穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和光照穩(wěn)定性等)。以熱穩(wěn)定性測試為例,在O 1s峰中,摻氧工藝制備的a-IGZO薄膜的O_2/O_(total)值隨溫度增加的變化量非常大(11.8%),而摻氮樣品的O_2/O_(total)值隨溫度增加的變化量很小(0.6%);這說明了摻氧工藝加劇了a-IGZO薄膜中的氧空位濃度隨溫度的變化程度,而摻氮工藝則顯著地抑制了a-IGZO薄膜中的氧空位濃度隨溫度的變化,由此導(dǎo)致了摻氮a-IGZO TFT在所有樣品中表現(xiàn)出了最佳的熱穩(wěn)定性。其次,我們研究了摻氮工藝對于AOS(包括a-IGZO和a-IZO)中化學(xué)鍵的影響機(jī)理。通過器件測試與薄膜表征,我們闡明了AOS TFT的摻氮物理機(jī)制。對于摻氮a-IGZO(a-IGZO:N),當(dāng)采用低摻氮量時,N原子會優(yōu)先與Ga~(3+)離子鍵合成穩(wěn)定的Ga-N鍵,同時引入了較少的與N相關(guān)的缺陷,這抑制了a-IGZO:N薄膜中氧空位濃度的變化,從而改善了器件穩(wěn)定性;而采用高摻氮量時,由于Ga~(3+)離子是有限的,額外的N原子會轉(zhuǎn)而與In~(3+)和Zn~(2+)離子鍵合形成較不穩(wěn)定的In-N鍵和Zn-N鍵,另外,也引入了較多的與N相關(guān)的缺陷,導(dǎo)致了在穩(wěn)定性測試條件下,a-IGZO:N薄膜中氧空位濃度的較大變化,進(jìn)而使TFT器件表現(xiàn)出了顯著劣化的電學(xué)穩(wěn)定性。然而,與a-IGZO:N薄膜不同,摻氮a-IZO(a-IZO:N)薄膜內(nèi)不存在穩(wěn)定的Ga-N鍵,僅含有相對不穩(wěn)定的In-N和Zn-N鍵。a-IZO:N薄膜內(nèi)不夠穩(wěn)定的Metal-N鍵(In-N和Zn-N鍵)和與N相關(guān)的缺陷態(tài)均會隨著摻氮量的增加而顯著地增加,因此,在光照和熱偏壓測試條件下,a-IZO:N薄膜中氧空位濃度的變化也會隨著摻氮量的增加而變得越來越明顯,從而導(dǎo)致了a-IZO:N TFT的光照穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性會隨著摻氮量的增加而逐漸劣化。接著,我們將摻氮工藝與雙層溝道(DSCL)結(jié)構(gòu)相結(jié)合并制備了高穩(wěn)定性的DSCL TFT(a-IZO/a-IGZO:N TFT和a-IZO:N/a-IGZO:N TFT)。DSCL TFT展現(xiàn)出了比較好的操作特性和穩(wěn)定性。較高的場效應(yīng)遷移率來源于特殊設(shè)計的DSCL結(jié)構(gòu),即由具有較高缺陷態(tài)密度的載流子產(chǎn)生層(a-IZO、a-IZO:N薄膜等)和具有較低缺陷態(tài)密度的載流子傳輸層(a-IGZO:N薄膜)共同構(gòu)成的疊層結(jié)構(gòu)。另外,采用a-IGZO:N薄膜能很好地抑制溝道內(nèi)的缺陷和氧空位的變化,減弱環(huán)境光照和氣氛對器件溝道的影響,從而獲得更好的器件穩(wěn)定性。最后,我們研究了適用于摻氮AOS TFT的新型保護(hù)層材料(包括鉬鋅氧(MZO)和鋁錳鋅氧(AMZO))。將MZO(或AMZO)材料與摻氮工藝相結(jié)合能夠很好地改善a-IGZO TFT的環(huán)境穩(wěn)定性(尤其是光照穩(wěn)定性),這是由于MZO和AMZO材料能夠很好地吸收UV光并隔離環(huán)境氣氛對器件的影響,從而顯著地抑制器件溝道內(nèi)缺陷態(tài)的變化。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN321.5

【參考文獻(xiàn)】

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1 徐佳能;環(huán)境氣氛對非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管穩(wěn)定性影響的研究[D];上海交通大學(xué);2017年

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本文編號：2648292