一氧化锡薄膜晶体管与类CMOS电子器件研究

发布时间：2018-01-12 23:18

本文关键词：一氧化锡薄膜晶体管与类CMOS电子器件研究　出处：《中国科学院宁波材料技术与工程研究所》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：传统的硅基半导体材料已难以满足新型大面积透明、柔性以及超精细显示技术的发展要求。与硅基材料相比,氧化物半导体具有高透过率、高载流子迁移率、优异的机械性能以及低成本制备等优点,是用于新型显示驱动薄膜晶体管(TFT)的理想材料。然而,多数高性能氧化物半导体呈现n-type输运特性,与n-type氧化物性能相匹配的p-type氧化物比较稀缺。这使得氧化物半导体的应用局限于单极型器件,而难以在互补型器件、电路等应用领域发挥其作用。因此,开发高性能p-type或双极性氧化物半导体是当前氧化物电子学领域的关键。鉴于此,本论文致力于p-type一氧化锡(SnO)的研究。本文采用磁控溅射制备SnO薄膜,并系统的探究了溅射功率、O_2/(O_2+Ar)流量比(氧分压)、工作气压、原位施加衬底偏压以及原位衬底加温对SnO薄膜的微结构、光学以及电学性能的影响。在薄膜制备基础上,本论文构筑了底栅p-type SnO薄膜晶体管,系统的研究了不同沟道层制备条件对SnO TFT的性能影响,并通过优化后退火处理工艺进一步提高了p-type SnO TFT的性能。基于p-type SnO TFT研究,通过SnO TFT背沟道表面修饰方法,本论文实现了SnO TFT的工作模式由单极p-channel到双极性工作模式的转变,并对TFT的工作模式转变机理进行了深入研究。基于双极性SnO TFT研究,本轮文构筑了类互补型逻辑反相器并获得高电压增益(100)兼宽噪声容限。主要结论如下:1、SnO薄膜性能1)低氧分压沉积的SnO薄膜含有较多金属Sn,随着氧分压增加,金属Sn相逐渐变弱,SnO相逐渐增强,直至生成的薄膜为单相SnO薄膜。高氧分压下,基膜的部分SnO被氧化成SnO_2,使得SnO相变弱且混合相薄膜呈现非晶态结构。正是由于薄膜的相组成转变,薄膜的光学带隙随着氧分压增加而增大,而薄膜的折射率随着氧分压增加而下降。纯相SnO薄膜的光学带隙值约为2.6 e V,折射率值约为2.7(波长550 nm)。2)对于金属Sn占主导的Sn-SnO混合相薄膜(n-type输运区),其电子浓度随着SnO含量增加(氧分压上升)而升高,电阻率随着SnO含量增加而下降,载流子输运呈现简并传导。这可能是由于SnO在富Sn的环境下会产生施主类缺陷态,导致薄膜的电子浓度上升。对于SnO占主导的Sn-SnO混合相薄膜(p-type输运区),其空穴浓度随着Sn含量减少而逐渐下降,电阻率随着Sn含量减少而逐渐增加。这可能是因为金属Sn相关的结构缺陷在SnO薄膜中产生受主类缺陷态,导致薄膜的空穴浓度上升。对于SnO占主导的SnO-SnO_2混合相薄膜(p-type输运区),其空穴浓度随着SnO_2含量增加(氧分压上升)而下降,电阻率随着SnO_2含量增加而增加。这是因为SnO的部分空穴载流子被SnO_2的施主缺陷所补偿,导致空穴浓度下降。当SnO_2的施主缺陷近乎完全补偿掉SnO的空穴时,薄膜呈现高阻态,而当SnO_2的施主缺陷浓度超过SnO的空穴浓度时,薄膜呈现n-type传导特性。由于金属Sn和Sn4+相关的结构缺陷对空穴具有较强的散射作用,因此Sn-SnO混合相薄膜、SnO-SnO_2混合相薄膜的空穴霍尔迁移率较单相SnO薄膜低。射频功率40 W沉积的单相SnO薄膜具有较高的空穴迁移率5.6 cm2V-1s-1,空穴载流子浓度为8.9×1017-6.0×1018 cm-3。3)高工作气压沉积的SnO薄膜含有较多SnO_2,导致薄膜的光学带隙随着工作气压增加而增大,折射率随着工作气压增加而下降。正是由于SnO_2的形成,薄膜的空穴浓度和迁移率随着工作气压增加而下降,而电阻率随着工作气压增加而增大。4)原位施加衬底偏压会向SnO薄膜引入过多的氧,导致部分SnO被氧化成SnO_2,且其含量随着偏压功率增大而增加。因此,薄膜的光学带隙随着偏压功率增加而增大,折射率随着偏压功率增加而减小。此外,薄膜的空穴浓度和空穴迁移率随着偏压功率增加而下降,而电阻率随着偏压功率增加而增大。5)原位施加衬底温度有利于调节薄膜的织构特性,制备出结晶质量较高的SnO薄膜。但原位衬底加温制备的SnO薄膜的空穴浓度较高(1020 cm-3),不适合用作TFT沟道层。2、单极p-type SnO TFT1)直流溅射制备的SnO薄膜的霍尔迁移率比较低,因此对应的p-type SnO TFT的场效应迁移率比较低(0.37 cm2V-1s-1),并且器件难以关断,电流开关比较低(~10)。因此直流溅射沉积的SnO薄膜不利于制备高性能TFT。2)低射频溅射功率(20 W)制备的SnO TFT的场效应迁移率(0.51 cm2V-1s-1)和电流开关比(~10)均较低。高射频溅射功率(60 W)制备的SnO TFT具有较高的场效应迁移率(1.8 cm2V-1s-1)。然而,由于SnO沟道层本征空穴浓度过高,器件的电流开关比较低(~60)。射频40 W制备的SnO TFT具有最佳的场效应迁移率和电流开关比,分别为2.24 cm2V-1s-1和2.4×103。此外,由于Sn-SnO、SnO-SnO_2混合相薄膜具有大量的结构缺陷,因此以混合相薄膜作为沟道层的TFT的电流开关比和场效应迁移率较低,而单相SnO TFT具有较高的场效应迁移率和电流开关比。3)沟道层厚度较薄的SnO TFT具有较高的场效应迁移率和电流开关比。然而,沟道层厚度过薄时,薄膜因严重偏离SnO化学计量比而呈现高阻态,因此p-type SnO TFT最优沟道层厚度为15-20 nm。4)延长SnO TFT的退火持续时间可降低沟道层的空穴浓度,提高器件的电流开关比。然而,长时间退火将导致栅介质-半导体界面质量退化,增强空穴载流子散射,导致器件的场效应迁移率下降。退火时间过短,SnO沟道层结晶质量较差,原子空位、间隙等结构缺陷较多,器件的场效应迁移率和电流开关比均较低。SnO TFT的最优退火时间为2小时,器件的场效应迁移和电流开关比分别可达2.44 cm2V-1s-1和6.0×103。5)通过改变源漏金属电极功函数和源漏电极与SnO之间插入超薄介质层均难以调节p-type SnO TFT的开启电压,表明SnO体或表面可能存在费米能级钉扎现象,导致金属-SnO层之间的势垒高度不依赖于源漏金属功函数。3、双极性SnO TFT1)器件的双极性工作模式可通过SnO TFT背沟道表面的介质层(比如Al_2O_3)钝化技术来实现,且制程工艺对SnO TFT的双极性输运有极其重要的影响:(i)未经钝化而进行退火处理的TFT(AWP)呈现单极p-channel输运;(ii)TFT经退火处理后采用介质层钝化(ABP)呈现较弱的n-channel反型行为;(iii)TFT经介质层钝化后进行退火处理(AAP)展现出优异的双极性工作性能。单相SnO TFT具有最佳的双极性输运性能,而Sn-SnO、SnO-SnO_2混合相沟道层TFT的双极性工作的对称性较差。最佳的双极性SnO TFT的n-和p-channel的场效应迁移率分别为1.64 cm2V-1s-1和0.65 cm2V-1s-1,n-和p-channel的电流开关比分别为1700和560,开启电压为8.5 V。2)根据能带图分析和器件模拟结果,AAP器件优异的双极性输运特性源于其合适的表面钝化修饰工艺对SnO表面缺陷态形成的有效抑制,而非钝化层对外界环境氧或水蒸汽等气氛的屏蔽作用。Au-Al_2O_3-SnO的电容-电压测试分析表明-SnO的界面正电荷能辅助耗尽沟道层空穴载流子,从而更加利于器件的n-channel反型和双极性工作。综上,SnO TFT背沟道表面的Al_2O_3钝化层具有三种功能:(i)钝化层能屏蔽外界环境气氛与SnO沟道层之间产生的电荷交换或化学反应,提高器件的稳定性;(ii)钝化层能有效的抑制SnO表面缺陷态的形成,降低SnO带隙中的次能隙DOS,使得费米能级能较自由的由价带边移向导带边,实现n-channel反型和双极性工作;(iii)Al_2O_3-SnO界面的正电荷能辅助耗尽沟道层的空穴载流子,降低TFT的开启电压,进一步增强反型n-channel和双极性工作性能。此外,AAP薄膜较AWP、ABP薄膜具有更低的空穴浓度,有利于沟道层载流子的耗尽和TFT的n-channel反型以及双极性工作。3)对于双极性SnO TFT,较低功函数源漏接触(Ni-SnO接触)利于电子注入,较高功函数源漏接触(Ti-SnO)利于空穴注入。金属Mg具有较低的功函数,但因其易被氧化而在Mg-SnO界面形成较高的势垒层使得载流子注入效率下降。在Al_2O_3、Ta_2O_5、Si O_2、Hf O_2等钝化层材料之中,以Al_2O_3作为钝化层的器件具有最佳的双极性输运性能,而以Ta_2O_5、Si O_2、Hf O_2作为钝化层的器件的开启电压均较高,n-和p-channel的场效应迁移率和电流开关比均较低。4)双极性SnO TFT在负栅极偏压应力下具有良好的电学稳定性,而器件的转移曲线在正栅极偏压应力下展示出正向、平行的移动趋势,且转移曲线形状保持不变。SnO TFT在正栅极偏压应力下的性能漂移源于SnO沟道层、SnO-Si O_2(栅介质层)界面的多种陷阱对电子的捕获过程。在不同的正栅极偏压幅值和温度下,SnO TFT的开启电压变化量随应力时间的变化关系均符合扩展指数模型。通过扩展指数模型拟合提取的驰豫时间和平均热激活能分别为1.6×104 s和0.43 eV。4、类互补型逻辑反相器1)基于双极性SnO TFT研究,本论文构筑了双极性逻辑反相器。由于SnO TFT具有平衡的电子和空穴注入特性,双极性SnO反相器展示出高电压增益(100)兼宽噪声容限(15.3 V)。反相器的输出信号可与较低频率(3.8 Hz)的输入信号波形保持同步,但难以快速的反馈于较高频率(16.6 Hz)的输入信号,这源于双极性SnO TFT较低的场效应迁移率。由于低氧分压沉积的沟道层为Sn-SnO混合相,TFT双极性工作的对称性较差,导致反相器的电压增益、转变阈值电压、噪声容限以及电压转变宽度等特征参数随着氧分压下降而逐渐退化。2)双极性SnO反相器在空气环境下展现出优异的稳定性。器件在空气环境下暴露10个月后,其电压增益、转变阈值电压、噪声容限以及电压转变宽度等特征参数依然保持稳定。这表明TFT背沟道表面的钝化层能有效的屏蔽外界环境气氛与SnO沟道层之间产生的电荷交换或化学反应,进一步增强双极性SnO TFT和反相器在空气环境下的稳定性。
[Abstract]:On the basis of the research of thin films , the structure of SnO _ 2 thin films has been studied . The results are as follows : 1 . SnO _ 2 thin films have higher transmittance , high carrier mobility , excellent mechanical properties and low cost . SnO _ 2 - doped SnO _ 2 mixed phase thin film ( p - type transport zone ) has a higher hole mobility than that of SnO _ 2 . The effect mobility ( 0.51 cm2V - 1s - 1 ) and the current - switching ratio ( ~ 10 ) of SnO TFT prepared by direct current sputtering are lower than those prepared by low - frequency sputtering power ( 20 W ) . SnO TFT prepared by high - frequency sputtering power ( 60 W ) has higher field effect mobility ( 1.8 cm2V - 1s - 1 ) . The results show that the thin film of SnO TFT has high field effect mobility and current switching ratio . On the basis of energy band diagram analysis and device simulation results , the excellent bipolar transport characteristics of the device have three functions : ( i ) the passivation layer can shield the hole carriers of the channel layer and lower the opening voltage of the TFT . Based on the bipolar SnO TFT research , the complementary logic inverter ( 1 ) has constructed a bipolar logic inverter . Since the SnO TFT has balanced electron and hole injection characteristics , the bipolar SnO inverter exhibits a high voltage gain ( 100 ) and a wide noise margin ( 15.3 V ) . The output signal of the inverter can be kept in synchronization with the input signal waveform at lower frequency ( 3.8 Hz ) , but it is difficult to quickly feed back the input signal at higher frequency ( 16.6 Hz ) .

【学位授予单位】：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN321.5

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