SnO_x薄膜晶体管和基于氧化物半导体的CMOS集成电路研究

发布时间：2020-08-15 11:07

【摘要】：氧化物半导体材料(OS)凭借其低成本、低沉积温度、高迁移率(1～100 CIcm2/Vs)、在可见光波段透明和易于大面积制备的优点,在柔性、透明和可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。目前,OS薄膜晶体管(TFT)已经开始在商用的平板显示器中取代非晶硅(a-Si)TFT。除平板显示,OS TFT在其他领域(例如制备在玻璃或柔性衬底上的集成电路和高频器件)也有巨大的应用潜力。大部分OS为n型半导体,例如非晶铟镓锌氧(a-IGZO)和氧化锌(ZnO),只有极少数的OS表现出p型导电特性。最近,一些OS被认为是具有研究价值和应用潜力的p型材料,然而,总体来说p型OS的研究进展还落后于n型OS。对于OS来说,发展CMOS技术是一个重要课题。在基于OS的低功耗、高噪声容限、高良率、高可靠性的CMOS集成电路(IC)中,p型TFT不可或缺。长期以来,由于没有与n型OS TFT性能相当的高性能p型OS TFT,基于OS的复杂CMOS电路的研究和应用一直受到限制,因此,科学家们付出了大量的努力去寻找和研究p型OS。时至今日,已经发现的p型OS包括三元铜氧化物、二元铜氧化物、氧化亚锡(SnO)、氧化镍等。在这些p型OS中,SnO凭借其本征p型导电特性和高空穴迁移率被认为是最具潜力的p型OS之一。虽然基于p型SnO和n型OS(例如In203、SnO2、、IGZO、和ZnO)的CMOS反相器的研究已经有所报道,但是对基于OS的CMOS电路的系统性研究目前仍然非常有限。本论文针对P型OS发展比较落后的现状,利用微纳加工技术和镀膜工艺,制备了高质量的SnOx薄膜和高性能SnOx TFT,并基于p型SnO TFT和n型IGZO TFT设计和制备了多种CMOS电路。在此基础上,本文对SnOx薄膜的材料特性、TFT和CMOS电路的器件物理、制备工艺和电学性能进行了系统性研究。主要研究内容如下:1)实验中发现SnOx薄膜的性质对溅射功率非常敏感。当溅射功率仅增大不到2%时,薄膜的导电类型就由n型转变为p型。当溅射功率略低于临界值时(120 W),SnOx TFT的n型导电特性最好。反之,当溅射功率略高于临界值时(122W),SnOxTFT的p型导电特性最好,其开关比为1.79××1O4,亚阈值摆幅在所有溅射功率下制备的p型SnOx TFT中最低。当进一步提高溅射功率时,p型SnOx TFT的开关比下降了一个数量级以上。我们所制备的p型SnOx TFT是目前文献中报导的开关比最高的单栅p型SnOx TFT之一。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱以及TFT的转移特性和输出特性表征分析,发现溅射功率会显著影响SnOx薄膜的化学计量比,从而影响TFT的电学性能。研究结果还表明,Sn原子团簇在薄膜表面的析出会有效减小薄膜中Sn间隙原子的含量,进而降低SnO带隙中由Sn间隙原子引入的缺陷态密度,这一效应在退火温度为250 ℃时最为明显。最终,得益于SnO带隙中缺陷态密度的下降,SnO TFT的关态电流可以维持在比较低的量级,使开关比达到1O4以上。p型SnO TFT的高关态电流一直是制备基于OS的高性能CMOS电路的瓶颈之一,而上述研究结果和分析为进一步降低p型SnO TFT的关态电流,优化p型SnO TFT的综合性能提供了实验和理论上的有力指导,并为下一步制备基于p型SnO TFT和n型OS的CMOS电路打下了基础。2)SnO是目前唯一一种在TFT中表现出双极性导电特性的OS。当溅射功率为200 W、退火温度为150-250 ℃时,我们观测到了SnOx TFT的双极性导电特性。X射线衍射图谱表明退火后的SnOx薄膜含有多晶SnO和金属Sn。扫描电子显微镜图表明薄膜退火后表面出现了微孔,一些原子团簇随后沿着微孔析出,并且实验结果表明,这些原子团簇最有可能是金属Sn原子团簇。原子力显微镜图表明随着Sn原子团簇的形成,薄膜的表面粗糙度大幅增大。这一工作的重要意义在于:薄膜中多余的Sn原子通常被认为会降低成膜质量,但是,如果多余的Sn原子从薄膜中析出,使薄膜中的化学计量比平衡,就会降低SnO带隙中的缺陷态密度,有利于SnO的双极性导电特性的产生。具体机制如下:退火后薄膜中产生的微孔成为理想的形核中心,薄膜中多余的Sn原子会沿着微孔大量析出,使SnO带隙中由Snn间隙原子引入的缺陷态密度大幅下降,进而使费米能级可以在栅压的作用下在导带底和价带顶之间自由移动。双极性TFT在类CMOS电路中有独特的应用前景,而本研究结果对实现双极性SnOx薄膜在基于OS的类CMOS电路中的应用具有一定的参考价值。另外,我们所制备的双极性SnOx TFT的工艺温度不超过200 ℃,因此可以被制备在聚酰亚胺等柔性衬底上。3)结合n型IGZO和p型SnO TFT,本论文中制备了高性能CMOS反相器。IGZO和SnO薄膜都是在室温条件下,采用适合工业大面积生产的射频磁控溅射法制备的。最高的制备工艺温度不超过225 ℃,这使得CMOS电路可以在柔性衬底上制备。首先,采用一种初期的版图和工艺,制备了 CMOS反相器。当电源电压(FDD)为10 V时,p型和n型沟道宽长比的比值为5的CMOS反相器的电压增益高达1 12,噪声容限高达35.4%VDD,逻辑摆幅高达VDD。我们还测试了反相器的动态特性:当VDD为10 V时,反相器的输入-输出延迟时间为27.75 us。然后,为了便于进行大规模或大面积的集成,我们进一步优化了版图和工艺并制备了新的CMOS反相器。在优化的CMOS反相器中,p型和n型沟道宽长比的比值为6。反相器具有满幅的输出电压(0-FDD)、极低的平均稳态功耗(8.84 nW)、极高的电压增益(131.57)、极高的噪声容限(～40%VDD)、极高的良率(98%)和极高的均匀性(多个CMOS反相器的电学性能参数的标准差可忽略不计)。4)采用初期的版图和工艺制备了基本CMOS逻辑门电路和3阶环形振荡器(RO)。与非门(NAND)和传输门(TG)的逻辑功能正确,输出电压范围均为理想的0-VDD。当VDD为20 V时,3阶RO的振荡频率为32.87 kHz,对应的延迟时间为5.07 us。我们的研究结果表明,除NAND和TG之外的各种基本CMOS逻辑门和适用于大面积柔性透明电路的、具有高噪声容限和低功耗的复杂CMOS电路也是可以基于n型IGZO TFT和p型SnO TFT实现的。5)采用优化的版图和工艺,制备了各种CMOS电路,包括NAND、或非门(NOR)、异或门(XOR)、D锁存器、全加器以及7、1 1、21和51阶RO。NAND、NOR、XOR、D锁存器和全加器具有理想的动态输入-输出特性。其中,D锁存器和全加器分别是典型的时序逻辑电路和组合逻辑电路。NAND、NOR、XOR、D锁存器和全加器理想的性能说明OS可以用来搭建柔性、透明电子设备中具有复杂逻辑功能的CMOS IC。7、11、21和51阶RO被制备出来用于系统性地研究我们的CMOS电路的速度、均匀性和良率。当VDD为10V时,延迟时间约为11us,这一延迟时间使我们的CMOS电路在对速度要求不太高的应用场景中具有应用潜力。RO的振荡周期和阶数的线性关系表明我们的CMOS电路在1.5 cm× 1.5 cm的样品区域内具有极高的均匀性。另外,51阶RO中包含104个TFT(其中有52个IGZO TFT和52个SnO TFT),是世界上第一个基于OS的中规模CMOS集成电路,这进一步显示了我们所开发的CMOS工艺具有极高的良率。上述工作展示了基于OS的低功耗、大面积、大规模和高性能的柔性透明CMOS电路在平板显示之外的领域的应用潜力,而其对于未来将OS CMOS IC投入实际应用,具有一定的参考价值。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386
【图文】：

ＯＳ邋ＴＦＴ，ｐＯ；逡逑然后介绍ＯＳ邋ＴＦＴ在ＡＭＦＰＤ和１Ｃ中的应用；最后阐述本论文的研究工作。逡逑１．２氧化物半导体薄膜晶体管的发展历程逡逑１．２．１薄膜晶体管的起源逡逑ＴＦＴ概念最早可以追溯到１９３０年Ｌｉｌｉｅｎｆｅｌｄ和Ｈｅｉｌ等人提出的发明专利。逡逑然而受工艺技术所限，这一概念并没有马上转化为实际的器件。直到１９６２年，逡逑随着工艺水平的进步，ＲＣＡ实验室的Ｗｅｉｒａｅｒ使用掩模版定义各层图形，采用真逡逑空蒸镀技术在玻璃衬底上依次制备了金源漏电极、ｎ型多晶硫化镉（ＣｄＳ）半导逡逑体有源层、二氧化硅绝缘层、金栅电极。ＣｄＳ邋ＴＦＴ是第一个真正意义上的ＴＦＴ，逡逑并且其表现出了明显的场效应特性。Ｗｅｉｍｅｒ的相关文章，“Ｔｈｅ邋ＴＦＴ－ＡＮｅｗ逡逑Ｔｈｉｎ－ＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ”，在当时引起了广泛关注R[。逡逑ＣｄＳ逦ＤＡＲＫ？邋ＰＯＳ丨丁丨ＶＥ邋ＧＡＴＥ逡逑

逡逑二＾逦Ｖ0（邋ＶＯＬＴＳ）逡逑图１邋－１邋Ｗｅｉｍｅｒ报导的第一个ＴＦＴ的器件结构示意图（左）、照片（中）和输出特性曲线（右）逡逑｜７0１。逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｄｅｖｉｃｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋（ｌｅｆｔ），邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋（ｍｉｄｄｌｅ），邋ａｎｄ邋ｏｕｔｐｕｔ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋（ｒｉｇｈｔ）邋ｏｆ邋ｔｈｅ逡逑ｆｉｒｓｔ邋ＴＦＴ邋ｒｅｐｏｒｔｅｄ邋ｂｙ邋Ｗｅｉｍｅｒｆ７０Ｊ．逡逑１．２．２邋ｎ型氧化物半导体薄膜晶体管的发展历程逡逑３逡逑

（ｖａｌｅｎｃｅ邋ｂａｎｄ邋ｍａｘｉｍｕｍ，邋ＶＢＭ）由局域化的０邋２ｐ轨道构成，不利于空穴的传输，逡逑空穴迁移率（＾）低［８４］。目前只有少数几种０Ｓ具有与众不同的能带结构，使其逡逑适合ｐ型导电，例如氧化亚锡（ＳｎＯ）和氧化亚铜（Ｃｕ２０）。图１－３给出了邋ＳｎＯ逡逑和Ｃｕ２０的电子结构示意图。ＳｎＯ的ＶＢＭ由Ｓｎ邋５ｓ轨道和０邋２ｐ轨道杂化而成，逡逑Ｓｎ邋５ｓ轨道削弱了邋０邋２Ｐ轨道的局域化特性，带来了低空穴有效质量和高与逡逑ＳｎＯ类似，Ｃｕ２０的ＶＢＭ由Ｃｕ邋３ｄ轨道和０邋２ｐ轨道杂化而成，同样有利于空穴逡逑传输。除了邋ＳｎＯ和Ｃｕ２０之外，氧化镍（ＮｉＯ）等也被发现是颇具潜力的ｐ型逡逑０Ｓ材料［６９］。ＭＯ、Ｃｕ２０和ＳｎＯ是目前研究最多的三种ｐ型ＯＳ，而基于上述三逡逑种ｐ型０Ｓ的ＴＦＴ的制备均始于２００８年［８４－８６］，下面分别介绍以上三种ｐ型ＯＳ邋ＴＦＴ逡逑的发展历程。逡逑（ａ）逦Ｓｎ邋ｃａｔｉｏｎ逦（ｂ）逦Ｃｕ邋ｃａｔｉｏｎ逡逑）逦（５ｐ）逦Ｗ逦（４ｓ）逡逑Ｅｎｅｒｇｙ逦ＣＢＭ逦Ｅｎｅｒｇｙ逦ＣＢＭ逡逑卜逦ｕ，逡逑ＶＢＭ逦ＶＢＭ逡逑ｂｂｂ｜＾ｒｈｂｃ、逡逑Ｓｎ邋ｃａｔｉｏｎ0邋ａｎｉｏｎ逦Ｃｕ邋ｃａｔｉｏｎ逦Ｏ邋ａｎｉｏｎ逡逑４ｄ１0５ｓ２逦２ｐ６逦５ｒｆｉ0逦Ｔｌ逦２ｐ？逡逑图１－３邋（ａ）邋ＳｎＯ和（ｂ）邋Ｃｕ２０的电子结构示意图丨６９丨。逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋ＳｎＯ邋ａｎｄ邋（ｂ）邋Ｃｕ２0｜６９１．逡逑（１）邋ＮｉＯＴＦＴ的发展历程逡逑２００８年

本文编号：2794026