薄膜晶體管器件在動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的退化研究.pdf

1、近幾年來(lái)，以多晶硅或金屬氧化物半導(dǎo)體為溝道材料的薄膜晶體管(TFTs)在面向高清電視和智能化、可觸控式多媒體技術(shù)等新型平板顯示產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用而備受關(guān)注。目前，以低溫多晶硅和銦鎵鋅氧(a-IGZO)為基礎(chǔ)的TFT技術(shù)因?yàn)榫哂休^高的遷移率和較低的工藝溫度等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為新一代有源矩陣驅(qū)動(dòng)的平板顯示方案的重要研究方向。但是，TFTs的可靠性問(wèn)題同樣也限制著平板產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。在實(shí)際的工作電路中，TFTs不僅受到直流偏壓的電應(yīng)力而且還要承受著開關(guān)

2、切換脈沖或信號(hào)變化等交流電信號(hào)的作用。相對(duì)而言，直流偏壓的影響和作用的物理過(guò)程比較清楚，但交流脈沖下的退化現(xiàn)象及退化機(jī)制目前均沒(méi)有統(tǒng)一的退化模型。因此，在本文中，我們分別研究了多晶硅TFTs和a-IGZO TFTs在各種動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的退化現(xiàn)象，并提出了相應(yīng)的退化機(jī)制。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果可概括如下：
　?。ㄒ唬┒嗑Ч鑄FTs在動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的退化
　　在多晶硅 TFTs的柵極施加脈沖電應(yīng)力的作用下，通過(guò)改變柵脈沖的不同應(yīng)力條件

3、，具體研究了器件的退化與脈沖的上升沿、下降沿、脈沖個(gè)數(shù)、基準(zhǔn)電壓和平帶電壓的關(guān)系，在總結(jié)得出退化現(xiàn)象發(fā)生于脈沖的下降沿并取決于脈沖個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上，提出非平衡態(tài)PN結(jié)退化模型。該退化模型闡述了器件從開態(tài)向關(guān)態(tài)的快速轉(zhuǎn)換過(guò)程中，載流子從深能級(jí)缺陷發(fā)射出來(lái)后，受源/漏極附近高電場(chǎng)的作用之下，形成熱載流子，并產(chǎn)生更多的缺陷，導(dǎo)致器件的性能退化。該模型能全面、完整地解釋多晶硅 TFTs在柵和漏極處分別施加脈沖應(yīng)力或施加?xùn)?漏同步脈沖應(yīng)力所導(dǎo)致的器件

4、退化現(xiàn)象。
　?。ǘ┮环N含有載流子注入端的新型TFT及其退化抑制研究
　　在理解退化發(fā)生過(guò)程的基礎(chǔ)上，為提高TFTs的可靠性及驅(qū)動(dòng)電路壽命，我們制備了一種可抑制動(dòng)態(tài)退化的新型TFT，即通過(guò)在溝道一側(cè)形成載流子注入端，載流子注入端的注入類型與源/漏導(dǎo)電類型相反。以新制備的n型器件為例，在脈沖下降沿切換時(shí)，載流子注入端注入的空穴可使溝道的載流子濃度跟得上柵極脈沖電壓的變化速度，從而大幅抑制溝道源/漏區(qū)附近的非平衡態(tài)的形成以及熱

5、載流子的產(chǎn)生，達(dá)到抑制動(dòng)態(tài)熱載流子效應(yīng)導(dǎo)致器件退化的目的。
　?。ㄈ゛-IGZO TFTs的動(dòng)態(tài)退化研究
　　首先研究了最典型的柵極脈沖應(yīng)力下a-IGZO TFTs器件的退化特性，比較了不同上升沿和下降沿對(duì)器件退化的影響關(guān)系。與多晶硅TFT類似的是，當(dāng)柵脈沖的下降沿較陡時(shí)，器件性能的退化與動(dòng)態(tài)熱載流子導(dǎo)致的缺陷產(chǎn)生和電荷注入有關(guān)，且脈沖個(gè)數(shù)是導(dǎo)致退化的主要因素；當(dāng)脈沖的下降沿較為平緩時(shí)，可以將脈沖的應(yīng)力時(shí)間折算成“等效的直

6、流應(yīng)力時(shí)間”來(lái)衡量器件的退化行為，此時(shí)，柵脈沖的高電平時(shí)產(chǎn)生的電荷捕獲是退化的主要原因，而動(dòng)態(tài)熱載流子效應(yīng)的影響可忽略。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們提出了由動(dòng)態(tài)熱載流子導(dǎo)致的器件退化模型，即在水平瞬態(tài)電場(chǎng)的作用下，溝道內(nèi)來(lái)不及返回源、漏極的電子從水平瞬態(tài)電場(chǎng)中吸收能量成為熱載流子，部分熱載流子會(huì)越過(guò)界面勢(shì)壘注入柵絕緣層或被界面捕獲，導(dǎo)致的器件性能退化，并進(jìn)一步借助于Silvaco仿真軟件驗(yàn)證了提出退化模型的正確性。
　　與柵脈沖下的動(dòng)態(tài)退化