非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管在漏脉冲应力下的可靠性研究

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本文研究了漏脉冲应力下非晶铟镓锌氧化物(Amorphous Indium-Gallium-Zinc-Oxide,a-IGZO)薄膜晶体管(Thin-Film Transistors,TFTs)的可靠性,并提出了可以抑制a-IGZO TFT在漏脉冲应力下退化的方法。漏脉冲应力后a-IGZO TFT的转移特性曲线向正栅压(Gate Voltage,Vgs)方向发生明显的漂移,开态电流大幅下降,而亚阈值摆幅几乎保持不变。通过正向和反向测量模式下转移曲线漂移量的比较以及电容电压(Capacitance-Voltage,CV)特性的测量,发现漏脉冲应力导致的退化主要发生在器件的漏端。同时,因为漏脉冲上升/下降沿以及频率的变化对退化没有影响,由此可以判断漏脉冲应力下的退化是由直流机制导致的。在相同的等效直流应力时间下,漏脉冲应力导致的退化比相同幅度的直流漏应力更大,意味着在漏脉冲应力的低电平期间器件也发生了退化。结合Silvaco Atlas仿真,发现延伸的漏电极(Extended Drain Electrode,EDE)覆盖的背沟道在漏脉冲应力的高电平期间同时存在强的垂直电场和高的电子浓度,因此漏脉冲应力的高电平作用期间发生电子注入到EDE区域的刻蚀阻挡层(Etching-Stop Layer,ESL)中。高电平期间注入到ESL中的电子将极大地增强EDE区域顶沟道的垂直电场,使得低电平作用期间顶沟道也出现电子的注入。因此,漏脉冲应力下a-IGZO TFT的退化是由EDE覆盖的背沟道和顶沟道的电子注入共同导致的,而顶沟道的电子注入是由背沟道的电子注入引起的。理解了漏脉冲应力下的退化机制之后,本文也提出了提高a-IGZO TFT在漏脉冲应力下的可靠性的方案。经过400℃氧气氛围中进行30分钟的退火后,器件的EDE和延伸的源电极(Extended Source Electrode,ESE)覆盖的a-IGZO的电阻率降至0.06Ω·cm 水平,意味着退火处理提高了该部分a-IGZO的导电性。由于EDE覆盖的a-IGZO的导电性的提高,从而可以保持和漏电极相同的电势,减弱了漏脉冲应力高电平期间ESL中的垂直电场,进而显著提高了器件在漏脉冲应力下的可靠性。退火处理的器件的初始转移特性发生负漂,器件的平带电压降至0V附近。通过Silvaco Atlas仿真,发现器件初始转移特性的负漂是因为氧气退火减少了沟道中的类受主型缺陷态。同时也发现,400℃氧气退火处理后的a-IGZO TFT在栅脉冲应力下的可靠性也得到了明显的改善,这主要是因为氧气退火导致的类受主型缺陷态的减少降低了栅脉冲下降沿耦合的瞬态电场和瞬态电流。
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