背沟道刻蚀型氧化物薄膜晶体管的研究

发布时间：2017-03-19 10:01

  本文关键词：背沟道刻蚀型氧化物薄膜晶体管的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：薄膜晶体管(TFT)阵列是有源矩阵液晶显示屏(AMLCD)和有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示屏的像素驱动部件,在实现大尺寸、高清晰度、高帧频率的显示中起着重要作用。目前TFT的有源层材料主要有氢化非晶硅、低温多晶硅、有机半导体和氧化物半导体,其中氧化物半导体具有较高的电子迁移率和好的均匀性,适合用于驱动AMLCD和AMOLED。为了实现高分辨率显示,TFT器件尺寸需要实现“小型化”,而实现背沟道刻蚀(BCE)结构是TFT器件尺寸“小型化”的关键。BCE-TFT的制作工艺简单,成本较低。更重要的是,其沟道尺寸定义精度高,容易实现器件尺寸的“小型化”。然而,在氧化物TFT中,由于有源层极易被大多数常用的刻蚀液腐蚀,S/D电极和有源层的刻蚀选择比很低,这往往导致器件制作失败。因此,实现BCE结构的氧化物TFT关键在于提高S/D电极和有源层的刻蚀选择比。本论文致力于实现BCE结构的氧化物TFT。首先,通过引入惰性的碳膜刻蚀缓冲层,保护有源层在刻蚀S/D电极的过程中不受腐蚀,完成S/D电极刻蚀后将缓冲层去除,实现了BCE结构的效果。在这种方法中,由于有源层受缓冲层保护,理论上对刻蚀液和S/D电极的选择没有限制,可使用包括Cu在内的电极材料。然而,引入刻蚀缓冲层的方法额外增加了缓冲层的沉积和去除的工序,相应地增加了成本。为了避免引入刻蚀缓冲层,本论文使用双氧水基刻蚀液直接在有源层上刻蚀Mo S/D电极,刻蚀选择比高于3000,成功制备了BCE结构的a-IZO TFT。随着显示面板的分辨率提高和尺寸增大,“信号延迟”现象将更加严重,使用低电阻率的铜(Cu)作为TFT的电极和布线材料已成为一项迫切的需求。本论文接着使用含双氧水和铵盐的刻蚀液刻蚀Cu S/D电极成功制备了BCE结构的a-IZO TFT,刻蚀选择比高达4800。使用双氧水基刻蚀液刻蚀S/D电极制备BCE结构的氧化物TFT的方法简单,且刻蚀选择比很高。然而,由于使用双氧水基刻蚀液对电极材料选择的限制较大,且刻蚀液的保存期限短,在使用过程中存在着“爆炸”的风险,较难在大规模生产中应用。最后,为了使用常规刻蚀液,在不引入缓冲层的前提下实现BCE-TFT,本论文通过在沉积薄膜的过程中加热衬底的方法获得了具有较强抗腐蚀性的结晶In Ga O薄膜,基于结晶In Ga O有源层成功制备了BCE-TFT。在引入碳膜刻蚀缓冲层的BCE-TFT中,碳膜有效地保护了有源层不受损伤,且可使用氧气等离子体轻易去除。碳膜经过高温退火后出现“石墨化”,电阻率低至0.1Ωcm。碳膜较好的导电性有利于S/D电极与有源层之间形成良好的接触,Mo/C/a-IZO的接触电阻仅为80Ωcm。引入碳膜对TFT性能的影响很小。通过这种方法制备的aIZO TFT表现出良好的电学性能;饱和区场效应迁移率为14.4 cm2/Vs,亚阈值摆幅为0.21 V/decade,阈值电压为2.0 V。使用双氧水刻蚀Mo S/D电极的过程中,通过在双氧水中添加KOH可加速Mo电极的刻蚀速率,同时减弱了由刻蚀液渗透至光刻胶与Mo膜界面引起的Mo电极的“边缘氧化”现象。通过这种方法制备的a-IZO TFT具有良好的性能;饱和区迁移率为11.5 cm2/Vs,亚阈值摆幅为0.21 V/decade,阈值电压接近0 V。在使用含双氧水和铵盐的刻蚀液刻蚀Cu S/D电极的BCE-TFT中,为了解决Cu膜粘附性差的问题,提出使用a-IZO作为Cu的粘附层,同时作为TFT的有源层。a-IZO粘附层增强了Cu膜与衬底的粘附性,这应归因于Cu/a-IZO界面处存在Cu Ox界面层;同时,相比于a-IGZO,Cu在a-IZO中的扩散得到了抑制,这是由于Cu在a-IZO中扩散需要穿过能量势垒较高的In O2层,而在a-IGZO中扩散可穿过能量势垒较低的GZO层的扩散势垒比穿过GZO层的高;Cu/a-IZO的接触电阻仅为33.6Ωcm,这应归因于Cu与a-IZO之间较匹配的能带结构和a-IZO较高的载流子浓度。通过这种方法制备的a-IZO TFT表现出良好的电学性能和可靠性;饱和区场效应迁移率为12.2 cm2/Vs,亚阈值摆幅为0.22 V/decade,阈值电压为-0.4 V。在制备基于结晶In Ga O有源层的BCE-TFT时,本论文通过在沉积薄膜的过程中加热衬底的方式获得了结晶In Ga O薄膜。使用常规的磷酸基刻蚀液在其上刻蚀Mo S/D电极时,刻蚀选择比高达56以上。基于结晶In Ga O有源层制备的BCE-TFT获得了合理的电学性能;饱和区场效应迁移率μsat、亚阈值摆幅SS和阈值电压Vth分别为11.9cm2/Vs,0.37 V/decade和-0.43 V。此外,本工作提出使用Ag/IZO作为顶发射OLED的反射阳极。Ag/IZO复合薄膜具有高的热稳定性、高的储存稳定性和低的表面粗糙度。更重要的是,与常规的Ag/ITO反射阳极相比,Ag/IZO具有更好的刻蚀特性和更简单的制作工艺。使用Ag/IZO复合薄膜作为反射阳极制备的顶发射OLED器件并取得了良好的性能。
【关键词】：薄膜晶体管 氧化物半导体 背沟道刻蚀结构 铜电极 银反射电极
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN321.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 氧化物薄膜晶体管的器件结构介绍12-14
• 1.2.1 刻蚀阻挡层（ESL）结构13
• 1.2.2 背沟道刻蚀（BCE）结构13-14
• 1.3 氧化物薄膜晶体管的性能参数及其提取方法介绍14-17
• 1.3.1 开态电流（Ion）、关态电流（Ioff）和开关电流比（Ion / Ioff）14-15
• 1.3.2 迁移率（μ）15
• 1.3.3 亚阈值摆幅（SS）15
• 1.3.4 阈值电压（Vth）、开启电压（Von）15-16
• 1.3.5 金属半导体接触电阻16-17
• 1.4 氧化物薄膜晶体管的材料与器件介绍17-21
• 1.4.1 有源层17-20
• 1.4.2 绝缘层与钝化层20-21
• 1.4.3 电极材料21
• 1.5 本论文的工作21-23
• 第二章 引入碳膜刻蚀缓冲层的BCE结构的氧化物TFT23-34
• 2.1 引言23
• 2.2 TFT器件的制备23-24
• 2.3 碳膜的性能和对有源层的保护效果24-29
• 2.4 TFT器件的性能和稳定性29-31
• 2.5 Mo/C/a-IZO的接触电阻及TFT的界面分析31-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 使用双氧水刻蚀Mo S/D电极的BCE结构的氧化物TFT34-41
• 3.1 引言34-35
• 3.2 刻蚀条件对刻蚀速率和刻蚀选择比的影响35-37
• 3.3 TFT器件的制备37-38
• 3.4 S/D电极刻蚀过程对TFT器件性能的影响38-39
• 3.5 本章小结39-41
• 第四章 使用双氧水基刻蚀液刻蚀Cu S/D电极的BCE结构的氧化物TFT41-58
• 4.1 引言41-42
• 4.2 Cu膜的制备与表征42-45
• 4.3 Cu膜的图形化45-47
• 4.4 使用Cu S/D电极的氧化物TFT的前期工艺验证47-49
• 4.5 TFT器件的制备方法49-51
• 4.6 TFT器件的性能和稳定性51-53
• 4.7 Cu/a-IZO的界面分析和TFT器件性能的改善机制53-56
• 4.8 本章小结56-58
• 第五章 基于结晶InGaO有源层的BCE结构TFT58-69
• 5.1 引言58
• 5.2 Ga的含量对InGaO薄膜性能的影响58-64
• 5.3 基于结晶InGaO有源层的BCE-TFT64-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 用作顶发射OLED反射阳极的Ag/IZO复合薄膜69-82
• 6.1 引言69-70
• 6.2 Ag膜和IZO膜的制备70-72
• 6.3 IZO的厚度对Ag/IZO复合薄膜性能的影响72-75
• 6.4 Ag/IZO作为顶发射OLED反射电极的可行性75-79
• 6.5 Ag/IZO作为阳极的顶发射TOLED79-81
• 6.6 本章小结81-82
• 结论82-84
• 参考文献84-99
• 攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果99-101
• 致谢101-102
• 附件102

【参考文献】

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1 刘佰全;陶洪;苏跃举;高栋雨;兰林锋;邹建华;彭俊彪;;Color-stable,reduced efficiency roll-off hybrid white organic light emitting diodes with ultra high brightness[J];Chinese Physics B;2013年07期

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本文编号：255853