论文部分内容阅读
以非晶铟镓锌氧化物(Amorphous Indium-Gallium-Zinc Oxide,a-IGZO)为有源层材料的薄膜晶体管(Thin-Film Transistor,TFT)近年来因其优良的特性而广受关注。抬高金属型金属氧化物(Elevated-Metal Metal-Oxide,EMMO)TFT是一种通过氧气退火从而形成源/漏区域的a-IGZOTFT,其制备过程中的多次氧气退火工艺对器件特性起到了至关重要的作用。本文研究了 EMMO TFT制备工艺中不同的源漏退火工艺对EMMOTFT的电学特性和可靠性的影响,结合X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)等表征技术分析了不同的退火工艺对a-IGZO薄膜的影响,最后提出了较优的退火方案。在最后一步退火工艺之前,EMMO TFT还没有形成低阻的源/漏区域,界面处存在的缺陷影响了器件的转移特性,所以器件的开态电流较低,阈值电压较负,亚阈值摆幅较大。EMMO TFT在经过传统的氧气400□退火后可以形成本征的沟道和缺陷浓度较高的低阻源/漏区域,此时器件的Ion//off变大,Vth约为-0.7 V且SS变小至230 mV/dec.,但是短沟道器件(L=2 μm)会出现源漏短路现象。当降低氧气退火温度至200 □时,亚阈值区域变缓并且器件出现较为明显的驼峰(hump)电流。将退火氛围改为氮气,我们发现当温度超过300□时,器件会直接源漏短路,而降低到200 时,氮气退火则会提升器件特性,此时器件Ion/Ioff增加至1010,Vth约为-0.1 V且SS降低至140 mV/dec.,同时也避免了传统氧气400□退火过程中源/漏区域的氧空位缺陷向沟道扩散导致的短沟道器件短路现象。我们以200□氩气退火为对照组,验证了此温度下氮气氛围对提高器件特性起到了重要的作用。氧气400□和氮气200□退火后器件都有着较好的电学特性,我们对这两种退火条件下的器件进行了可靠性测试,包括双极型栅脉冲应力和热稳定性实验。经过传统氧气400□退火的EMMO TFT在栅脉冲应力下退化很小,并且由直流机制主导,氮气200□退火后的器件也在栅脉冲应力下展现出较小的退化,这说明基于这两种退火工艺制备的EMMO TFT深能级缺陷较少;对两种退火条件制备的器件进行热稳定性实验,我们发现氧气400 □退火的器件在氮气300 □下会出现源漏短路现象,而氮气200□退火的器件可以保持开关特性不变,这说明后者的热稳定性更好。另外,我们还发现若在氧气400 □退火后加入氮气200□退火也可以提高EMMO TFT的热稳定性,但如果把氮气200 □退火放在氧气400 □退火之前进行则没有提高器件热稳定性的作用。为了探究不同退火条件下a-IGZO有源层中氧-金属离子键及氧空位等缺陷的变化,我们制备了不同条件下退火的样品并且对其进行了 XPS表征。通过分析发现氧气400 □和氮气200□退火都可以减少初始a-IGZO中的氧空位缺陷,继续经过氮气300□退火后,前者氧空位大量增加,后者则保持不变。另外,对基于这两种退火条件制备的EMMO TFT进行持续光电导(Persistent Photocondudctivity,PPC)效应实验,发现经过氮气200□退火的器件短时间内光电流衰减更快,说明其氧空位缺陷更少。我们认为这是由于低温氮气退火过程中形成的氮-金属键更稳定,对氧空位缺陷的形成有更明显的抑制作用。因此将氮气200 □退火作为最后一步退火条件将有效提高器件的可靠性和热稳定性。