薄膜晶體管器件在動態(tài)應力下的退化研究.pdf

1、近幾年來，以多晶硅或金屬氧化物半導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等新型平板顯示產(chǎn)業(yè)中的應用而備受關注。目前，以低溫多晶硅和銦鎵鋅氧(a-IGZO)為基礎的TFT技術因為具有較高的遷移率和較低的工藝溫度等優(yōu)勢已經(jīng)成為新一代有源矩陣驅動的平板顯示方案的重要研究方向。但是，TFTs的可靠性問題同樣也限制著平板產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。在實際的工作電路中，TFTs不僅受到直流偏壓的電應力而且還要承受著開關

2、切換脈沖或信號變化等交流電信號的作用。相對而言，直流偏壓的影響和作用的物理過程比較清楚，但交流脈沖下的退化現(xiàn)象及退化機制目前均沒有統(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在各種動態(tài)應力下的退化現(xiàn)象，并提出了相應的退化機制。本文的主要研究內容和結果可概括如下：
　　（一）多晶硅TFTs在動態(tài)應力下的退化
　　在多晶硅 TFTs的柵極施加脈沖電應力的作用下，通過改變柵脈沖的不同應力條件

3、，具體研究了器件的退化與脈沖的上升沿、下降沿、脈沖個數(shù)、基準電壓和平帶電壓的關系，在總結得出退化現(xiàn)象發(fā)生于脈沖的下降沿并取決于脈沖個數(shù)的基礎上，提出非平衡態(tài)PN結退化模型。該退化模型闡述了器件從開態(tài)向關態(tài)的快速轉換過程中，載流子從深能級缺陷發(fā)射出來后，受源/漏極附近高電場的作用之下，形成熱載流子，并產(chǎn)生更多的缺陷，導致器件的性能退化。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力或施加柵/漏同步脈沖應力所導致的器件

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)生過程的基礎上，為提高TFTs的可靠性及驅動電路壽命，我們制備了一種可抑制動態(tài)退化的新型TFT，即通過在溝道一側形成載流子注入端，載流子注入端的注入類型與源/漏導電類型相反。以新制備的n型器件為例，在脈沖下降沿切換時，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，達到抑制動態(tài)熱載流子效應導致器件退化的目的。
　?。ㄈ゛-IGZO TFTs的動態(tài)退化研究
　　首先研究了最典型的柵極脈沖應力下a-IGZO TFTs器件的退化特性，比較了不同上升沿和下降沿對器件退化的影響關系。與多晶硅TFT類似的是，當柵脈沖的下降沿較陡時，器件性能的退化與動態(tài)熱載流子導致的缺陷產(chǎn)生和電荷注入有關，且脈沖個數(shù)是導致退化的主要因素；當脈沖的下降沿較為平緩時，可以將脈沖的應力時間折算成“等效的直

6、流應力時間”來衡量器件的退化行為，此時，柵脈沖的高電平時產(chǎn)生的電荷捕獲是退化的主要原因，而動態(tài)熱載流子效應的影響可忽略。根據(jù)實驗現(xiàn)象，我們提出了由動態(tài)熱載流子導致的器件退化模型，即在水平瞬態(tài)電場的作用下，溝道內來不及返回源、漏極的電子從水平瞬態(tài)電場中吸收能量成為熱載流子，部分熱載流子會越過界面勢壘注入柵絕緣層或被界面捕獲，導致的器件性能退化，并進一步借助于Silvaco仿真軟件驗證了提出退化模型的正確性。
　　與柵脈沖下的動態(tài)退化