铟锌氧化物薄膜晶体管基于低频噪声的可靠性研究

发布时间：2020-07-12 13:01

【摘要】：铟锌氧化物薄膜晶体管(IZO TFT)由于其迁移率高、开关比大、透光性佳和电学稳定性好等优点,在柔性集成电路以及平板显示领域取得了广泛的应用。在IZO TFT的发展过程中,器件可靠性成为了制约其进一步扩大应用领域的主要瓶颈。本文主要基于低频噪声对IZO TFT在不同应力下(光照、电应力、温度、氢气环境)的可靠性进行研究。论文的主要的研究工作和结果包括:(1)讨论了负偏压光照应力下IZO TFT的电学特性与应力前后的低频噪声。单独光照实验的结果表明器件电学特性的变化是由类受主态和光激发产生的电离氧空位所引起的。还分析了器件退化与光照波长的关系,随着光照波长的减小可以观察到器件阈值电压减小与亚阈值斜率增大。同时,负偏压光照应力实验表明外加负栅压大幅度降低了电离氧空位与自由电子之间的复合效应,加剧了器件的退化。另外,通过中间隙方法(Mid-gap method)将电离氧空位与类受主态的影响分开讨论,结果表明电离氧空位是导致阈值电压负漂的主导因素。负偏压光照应力后器件的恢复特性表明电离氧空位在室温下会部分恢复而在高温下可以全部恢复。负偏压光照应力前后器件的低频噪声分析结果表明在应力过程中栅氧化层捕获电荷的变化很小,证明了在应力过程中电离氧空位是导致低频噪声增大的根本原因,这与所提出的器件电学特性退化机制一致。(2)研究了10-400K温度范围内IZO TFT的转移特性。讨论了器件在不同温度下主导的载流子传输机制,实验结果表明随着温度的降低载流子传输机制会从陷阱限制传导转变为变程跃迁。另外,在10-300K的温度范围内研究了IZO TFT低频噪声特性与温度的关系。在10-300K的范围内,测量的低频噪声随着温度的降低而增加。其在80-200K范围内遵循M-N定律,在低于80K时遵循Mott定律。通过对低频噪声的分析表明随着温度降低器件会从界面主导转变为体主导。还提取了器件平带电压功率谱密度和平均Hooge参数,并分析了它们随温度的变化。(3)研究了IZO TFT在氢气环境下电学特性的稳定性。实验结果表明氢气能渗透过钝化层进入器件内部,从而对器件的电学参数产生影响。氢作为阳离子与氧离子结合生成的羟基以及伴随产生的电离氧空位是导致器件阈值电压负向漂移的主要原因,而氢作为阴离子与沟道中金属离子结合生成的M-H结构是器件亚阈值斜率增大的主要原因。另外,器件的低频噪声结果表明随着氢的扩散器件的低频噪声增大,器件从体主导逐渐向界面主导转变。在氢气扩散的过程中,栅氧化层陷阱捕获电荷的变化很小,沟道界面处的界面态增多是低频噪声增大的主导因素。表明是由于氢的渗入引起了电离氧空位的增加,从而产生了更多的自由载流子随机捕获/释放过程,使得低频噪声增大。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5
【图文】：

转移特性曲线,压应力,电子捕获

图 1-1 正栅压应力前后 IGZO TFT 的转移特性曲线[35]人[35]研究了在正栅压应力（PBS）下非晶铟镓锌氧的稳定性。实验结果如图 1-1 所示，表明器件转移特性正方向移动。作者通过电子捕获模型对退化现象进行解道中的电子被捕获在沟道/介质界面处或者注入到栅氧化分栅极电压的作用。

转移特性曲线,单色光,膜吸收,线性坐标

图 1-2 a-IGZO TFT 在不同波长的单色光照射后的转移特性曲线[36](a)线性坐标，(b)对数坐标Liu Yuan 等人[37]研究了不同温度下 a-IGZO TFT 的传输特性。转移特性曲线如图 1-3所示，随着温度的升高，转移特性曲线向负方向移动。这是由于随着温度的升高，PECVD-SiO2钝化膜中的氢被 IZO 膜吸收，在沟道中产生自由载流子，并且引起了阈值电压的负偏移。

转移特性曲线,膜吸收,线性坐标,自由载流子

1-2 a-IGZO TFT 在不同波长的单色光照射后的转移特性曲线(a)线性坐标，(b)对数坐标n 等人[37]研究了不同温度下 a-IGZO TFT 的传输特性。转移特性温度的升高，转移特性曲线向负方向移动。这是由于随着温2钝化膜中的氢被 IZO 膜吸收，在沟道中产生自由载流子，并移。

【参考文献】