發(fā)布時(shí)間：2018-05-30 10:04

  本文選題：薄膜晶體管 + 低溫多晶硅��； 參考：《蘇州大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：近幾年來(lái),以多晶硅或金屬氧化物半導(dǎo)體為溝道材料的薄膜晶體管(TFTs)在面向高清電視和智能化、可觸控式多媒體技術(shù)等新型平板顯示產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用而備受關(guān)注。目前,以低溫多晶硅和銦鎵鋅氧(a-IGZO)為基礎(chǔ)的TFT技術(shù)因?yàn)榫哂休^高的遷移率和較低的工藝溫度等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為新一代有源矩陣驅(qū)動(dòng)的平板顯示方案的重要研究方向。但是,TFTs的可靠性問(wèn)題同樣也限制著平板產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。在實(shí)際的工作電路中,TFTs不僅受到直流偏壓的電應(yīng)力而且還要承受著開(kāi)關(guān)切換脈沖或信號(hào)變化等交流電信號(hào)的作用。相對(duì)而言,直流偏壓的影響和作用的物理過(guò)程比較清楚,但交流脈沖下的退化現(xiàn)象及退化機(jī)制目前均沒(méi)有統(tǒng)一的退化模型。因此,在本文中,我們分別研究了多晶硅TFTs和a-IGZO TFTs在各種動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的退化現(xiàn)象,并提出了相應(yīng)的退化機(jī)制。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果可概括如下:(一)多晶硅TFTs在動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的退化在多晶硅TFTs的柵極施加脈沖電應(yīng)力的作用下,通過(guò)改變柵脈沖的不同應(yīng)力條件,具體研究了器件的退化與脈沖的上升沿、下降沿、脈沖個(gè)數(shù)、基準(zhǔn)電壓和平帶電壓的關(guān)系,在總結(jié)得出退化現(xiàn)象發(fā)生于脈沖的下降沿并取決于脈沖個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上,提出非平衡態(tài)PN結(jié)退化模型。該退化模型闡述了器件從開(kāi)態(tài)向關(guān)態(tài)的快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中,載流子從深能級(jí)缺陷發(fā)射出來(lái)后,受源/漏極附近高電場(chǎng)的作用之下,形成熱載流子,并產(chǎn)生更多的缺陷,導(dǎo)致器件的性能退化。該模型能全面、完整地解釋多晶硅TFTs在柵和漏極處分別施加脈沖應(yīng)力或施加?xùn)?漏同步脈沖應(yīng)力所導(dǎo)致的器件退化現(xiàn)象。(二)一種含有載流子注入端的新型TFT及其退化抑制研究在理解退化發(fā)生過(guò)程的基礎(chǔ)上,為提高TFTs的可靠性及驅(qū)動(dòng)電路壽命,我們制備了一種可抑制動(dòng)態(tài)退化的新型TFT,即通過(guò)在溝道一側(cè)形成載流子注入端,載流子注入端的注入類型與源/漏導(dǎo)電類型相反。以新制備的n型器件為例,在脈沖下降沿切換時(shí),載流子注入端注入的空穴可使溝道的載流子濃度跟得上柵極脈沖電壓的變化速度,從而大幅抑制溝道源/漏區(qū)附近的非平衡態(tài)的形成以及熱載流子的產(chǎn)生,達(dá)到抑制動(dòng)態(tài)熱載流子效應(yīng)導(dǎo)致器件退化的目的。(三)a-IGZO TFTs的動(dòng)態(tài)退化研究首先研究了最典型的柵極脈沖應(yīng)力下a-IGZO TFTs器件的退化特性,比較了不同上升沿和下降沿對(duì)器件退化的影響關(guān)系。與多晶硅TFT類似的是,當(dāng)柵脈沖的下降沿較陡時(shí),器件性能的退化與動(dòng)態(tài)熱載流子導(dǎo)致的缺陷產(chǎn)生和電荷注入有關(guān),且脈沖個(gè)數(shù)是導(dǎo)致退化的主要因素;當(dāng)脈沖的下降沿較為平緩時(shí),可以將脈沖的應(yīng)力時(shí)間折算成“等效的直流應(yīng)力時(shí)間”來(lái)衡量器件的退化行為,此時(shí),柵脈沖的高電平時(shí)產(chǎn)生的電荷捕獲是退化的主要原因,而動(dòng)態(tài)熱載流子效應(yīng)的影響可忽略。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,我們提出了由動(dòng)態(tài)熱載流子導(dǎo)致的器件退化模型,即在水平瞬態(tài)電場(chǎng)的作用下,溝道內(nèi)來(lái)不及返回源、漏極的電子從水平瞬態(tài)電場(chǎng)中吸收能量成為熱載流子,部分熱載流子會(huì)越過(guò)界面勢(shì)壘注入柵絕緣層或被界面捕獲,導(dǎo)致的器件性能退化,并進(jìn)一步借助于Silvaco仿真軟件驗(yàn)證了提出退化模型的正確性。與柵脈沖下的動(dòng)態(tài)退化不同的是,對(duì)于柵/漏同步脈沖應(yīng)力和漏脈沖下的a-IGZO TFT器件退化,其本質(zhì)上一個(gè)直流偏壓導(dǎo)致的結(jié)果,它取決于脈沖的高電平時(shí)間長(zhǎng)短,而與動(dòng)態(tài)效應(yīng)無(wú)關(guān)。特別需要指出的是,由于a-IGZO TFT存在著應(yīng)力撤去后的恢復(fù)現(xiàn)象,導(dǎo)致a-IGZO TFT的最終退化量不僅取決直流等效應(yīng)力,而且還與脈沖的低電平時(shí)間長(zhǎng)短相關(guān)。此時(shí),器件性能退化可歸因于電應(yīng)力作用下與熱激發(fā)相關(guān)的電荷注入柵絕緣層或被界面捕獲而產(chǎn)生的結(jié)果。
[Abstract]:In recent years, the thin film transistors (TFTs) with polysilicon or metal oxide semiconductors as channel materials have attracted much attention in the new type of flat display industry, such as high-definition television and intelligent, touchable multimedia technology. At present, the TFT technology based on low temperature polysilicon and indium gallium and zinc oxygen (a-IGZO) is high. The advantages of mobility and low process temperature have become an important research direction for the new generation of active matrix driven plate display scheme. However, the reliability of TFTs also restricts the further development of the flat industry. In the actual working circuit, TFTs is not only subjected to the electrical stress of the direct current bias but also to the switch. In contrast, the effects and physical processes of the DC bias are relatively clear, but there are no unified degradation models for the degradation and degradation mechanisms under the AC pulse. Therefore, in this paper, we studied the various dynamic responses of polysilicon TFTs and a-IGZO TFTs respectively. The main research contents and results in this paper can be summarized as follows: (1) the degradation of polysilicon TFTs under dynamic stress and pulse electrical stress exerted on the grid of polysilicon TFTs, the degradation and pulse of the device are studied by changing the different stress conditions of the gate pulse. The relation between the rising edge, the drop edge, the number of pulse, the voltage of the reference voltage and the voltage and the voltage of the reference voltage is presented. On the basis of the conclusion that the degenerate phenomenon occurs at the drop edge of the pulse and depends on the number of pulses, the degenerate model of the non-equilibrium PN junction is proposed. The degenerate model states that the carrier from the open state to the close state is a deep level defect. After being launched, under the action of high electric field near the source / drain, a hot carrier is formed and more defects are produced, resulting in the degradation of the performance of the device. This model can fully explain the phenomenon of device degradation caused by the application of pulse stress or gate / leakage synchronous pulse stress at the gate and leakage of polysilicon TFTs. (two) A new type of TFT and its degradation inhibition study containing the carrier injection end, based on the understanding of the degradation process, to improve the reliability of the TFTs and the life of the driving circuit, we have prepared a new type of TFT to suppress the dynamic degradation, namely, the carrier injection end on one side of the channel, the injection type of the carrier injection end and the leakage guide. The electric type is opposite. As an example of the newly prepared n type device, the hole injected into the carrier injection end can make the carrier concentration of the channel up to the change speed of the gate pulse voltage at the drop edge of the pulse, thus greatly restrains the formation of the nonequilibrium state near the channel source / leakage region and the generation of the hot carrier, so as to suppress the dynamic thermal load. The flow subtraction effect leads to the degradation of the devices. (three) the dynamic degradation of a-IGZO TFTs first studies the degradation characteristics of the a-IGZO TFTs devices under the most typical gate pulse stress, and compares the influence of the different rising and descending edges on the degradation of the devices. Similar to the polysilicon TFT, the performance of the device when the drop edge of the gate pulse is steep The degradation is related to the defect generation caused by the dynamic hot carrier and the charge injection, and the number of pulses is the main factor causing the degradation. When the drop edge of the pulse is relatively slow, the stress time of the pulse can be converted into "equivalent DC stress time" to measure the deionization behavior of the device, at this time, the high electricity generation of the gate pulse is produced. Charge capture is the main cause of degradation, and the effect of dynamic hot carrier effect can be ignored. According to the experimental phenomenon, we propose a device degradation model caused by dynamic hot carrier, that is, under the action of the horizontal transient electric field, the channel in the channel is not able to return to the source, and the leakage of the electric energy is absorbed from the horizontal transient electric field to become a thermal carrier. The partial heat carrier will cross the barrier barrier of the interface into the barrier layer or be captured by the interface, resulting in the degradation of the device performance, and the correctness of the degenerate model is verified by the Silvaco simulation software. Unlike the dynamic degradation under the gate pulse, the grid / leakage same step pulse stress and the a-IGZO TFT device under the leakage pulse are retreated. As a result of a DC bias in essence, it depends on the high level time of the pulse and has nothing to do with the dynamic effect. In particular, it is necessary to point out that the final degradation of the a-IGZO TFT depends not only on the equivalent stress of the direct current, but also with the low power of the pulse, as the a-IGZO TFT has a stress withdrawal. In this case, the performance degradation of the device can be attributed to the result of electric stress induced charge injection into the gate insulating layer or by the interface.
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN321.5

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本文編號(hào)：1954892