非晶氧化物薄膜晶体管热稳定性的研究

发布时间：2017-05-21 22:06

  本文关键词：非晶氧化物薄膜晶体管热稳定性的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,非晶铟镓锌氧(amorphous indium gallium zinc oxide,a-IGZO)薄膜晶体管(Thin Film Transistors,TFTs)因具有较高的场效应迁移率、优良的大面积成膜均一性、高透光率及可常温制备等优点受到广泛关注,被普遍认为是传统的非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFTs)的替代品之一。然而其在器件的制作流程和器件工作物理机制两方面仍有待更深入的研究。基于此,本论文开展了基于N型硅基板的TFT器件的热稳定性研究,深入探讨了TFT的有源层含氧量以及保护钝化层对器件电学特性和热稳定性的影响,同时也成功地开发出了具有良好热稳定性的基于光刻技术的a-IGZO TFTs,这对于即将量产的a-IGZO TFTs具有重要的参考作用。主要的研究内容归纳如下:首先,我们采用射频磁控溅射镀膜技术在硅片上成功的制备出了特性良好的未加保护层的a-IGZO TFT器件,并且以此为基础研究了溅射工艺条件中氩气与氧气流量比例对IGZO薄膜及其TFT器件性能,特别是热稳定性的影响。研究表明,随着氧气流量从无到有逐渐增加,IGZO薄膜的沉积速率降低,薄膜表面粗糙度有变大趋势;对应的TFT器件的电学特性在氩气与氧气的流量比为30:1时达到最优化,而后随着氧流量的增大,器件特性明显恶化。研究了四种不同氧流量的器件在298K到398K范围内五中不同温度下器件的热稳定性。实验结果表明,器件在高温下,随着氧流量的增加,器件的转移特性曲线都向负漂,而且随着氧流量的增加,这种负漂越明显,这说明随着氧流量的增加,器件的热稳定性变差。其次,我们研究了在30:1的氩气与氧气流量比情况下,加不同厚度保护层a-IGZO TFT器件的热稳定性。经过比较研究,发现保护层厚度变化对器件的电学特性以及温度稳定有具有重大影响。在有保护层的情况下,背沟道与空气中的水、氧隔离,器件在低温下的热稳定性大为改善,而且随着保护层厚度的增加,这种改善作用越明显。但当测试温度超过473K时,各种保护层厚度的器件的转移特性都急剧恶化,分析认为这是由于有源层半导体在高温下本征激发产生了大量本征载流子。我们提出了一个关于保护层厚度与温度对于器件热稳定性影响的定性理论模型,结合该模型和实验结果我们得出如下结论:在低温下(低于473K)保护层越厚,器件的热稳定性越好;高温下(高于473K),a-IGZO层发生本征激发,器件变得不稳定。上述结论可以作为a-IGZO TFT器件实际应用时选择合适保护层厚度及工作条件的理论依据。最后,我们还进行了基于光刻工艺的a-IGZO TFTs的工艺开发、优化以及热稳定性的研究。实验发现栅绝缘层厚度对器件特性有较大影响,降低绝缘层厚度有利于改善器件的亚阈值摆幅;同时,良好的绝缘层的表面状态对于器件电学特性也有显著改善。实验中还发现在有源层沉积结束后不立即图形化,继续沉积源漏电极层,会形成良好的欧姆接触,避免了因有源层图形化过程残留在表面的污染物而造成的短路现象。在上述研究结果的基础上进行工艺整合制备出了钽电极a-IGZO TFTs并获得了较好的电学特性与热稳定性。
【关键词】：氧化物半导体 薄膜晶体管 热稳定性 氧空位 保护层 本征激发
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN321.5
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 引言13
• 1.2 薄膜晶体管13-18
• 1.2.1 薄膜晶体管发展历程13-15
• 1.2.2 薄膜晶体管工作原理15-16
• 1.2.3 主流TFT技术16-18
• 1.3 a-IGZO TFT技术及其研究现状18-23
• 1.3.1 a-IGZO材料特性19-22
• 1.3.2 a-IGZO TFT研究热点22-23
• 1.4 本文研究意义与内容23-25
• 第二章 TFT器件的制作及表征方法25-34
• 2.1 a-IGZO TFT器件的制备25-29
• 2.1.1 磁控溅射26
• 2.1.2 电子束蒸镀26-27
• 2.1.3 图形化工艺27-29
• 2.2 薄膜晶体管的特性表征29-33
• 2.2.1 薄膜的表征29-30
• 2.2.2 薄膜晶体管器件特性的表征30-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第三章 不同含氧量的IGZO薄膜及其器件的热稳定性研究34-43
• 3.1 引言34
• 3.2 不同含氧量的IGZO薄膜34-37
• 3.2.1 不同含氧量IGZO单膜的表面形貌35-36
• 3.2.2 不同含氧量IGZO单膜的氧元素分析36-37
• 3.3 不同含氧量a-IGZO TFT器件的热稳定性研究37-42
• 3.3.1 四种TFT常温下的转移特性37-39
• 3.3.2 四种TFT高温下的转移特性39-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 不同保护层厚度的A-IGZO TFT热稳定性研究43-51
• 4.1 引言43
• 4.2 不同保护层厚度的a-IGZO TFT器件制备43-45
• 4.3 不同保护层厚度的器件的热稳定性45-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第五章 基于光刻工艺的A-IGZO TFT的制备与研究51-62
• 5.1 引言51
• 5.2 基于光刻图形化的五道掩模版a-IGZO TFT制程51-53
• 5.3 工艺优化53-57
• 5.3.1 对栅极绝缘层的工艺优化54-55
• 5.3.2 对半导体材料与电极接触特性优化55-57
• 5.4 基于玻璃基板的a-IGZO TFT器件特性57-61
• 5.5 本章小结61-62
• 第六章 总结与展望62-65
• 6.1 内容总结62-63
• 6.2 工作展望63-65
• 参考文献65-71
• 致谢71-72
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的研究成果72-75

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