面向SOP的非易失性薄膜晶体管存储器及其可靠性研究

This project faces the applications to advanced system-on-panel (SOP), and investigates non-volatile thin-film-transistor (TFT) memory devices based on a-IGZO channel. This project will employ atomic-layer-deposition (ALD) dielectric films and metal nanodots as key materials of TFT memory devices. By designing of physical structure and screening of materials, it is anticipant of obtaining charge tunneling layer, blocking layer and charge storage medium with optimized spacial structure and material compositions, in order to meet the requirements of TFT memory devices with low operating voltages and good data retention for the SOP applications. Further, this project will investigate the programming/erasing charcteristics, charge retention and endurance of the memory device as well as its electrical reliability under high temperature and biasing stress, and will understand deeply the programming and ersing mechanisms of the memory devices under different conditions, and the microcosmic mechanisms for degradation of the performances of the memory devices. These can provide basic fundamentals for novel physical structures of TFT memory device, and offer technical solutions of high performance TFT memory devices.

本项目面向先进的系统面板（SOP）的应用，开展基于非晶态的铟镓锌氧化物（a-IGZO）沟道的非易失性薄膜晶体管（TFT）存储器的原型器件的研究。拟以原子层淀积的介质薄膜和金属纳米点为关键材料，通过对器件物理机构的设计和材料的筛选，获得具有特定空间结构和材料组成的电荷隧穿层、阻挡层以及电荷存储媒介，以满足SOP应用对低功耗和良好数据保持特性的TFT存储器的性能要求。通过对存储器原型器件的编程/擦除特性、电荷保持特性、耐受性以及高温和偏压应力下的电学可靠性进行研究，深入理解不同条件下存储器的编程/擦除机理，以及器件性能发生退化的微观机制，为设计新型物理结构TFT存储提供理论依据，为制备高性能TFT存储器提供技术路线。

系统面板（SOP）技术是将多种元件全部集成在同一个显示面板上，以获得高性能和低成本的系统。本项目针对先进SOP的应用需求，开展了基于非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）薄膜晶体管（TFT）的非易失性存储器的研究。采用原子层淀积技术，研究了Pt、Ni纳米颗粒的自组装生长，获得了高密度均匀分布的纳米颗粒的理想生长条件；研究了SiO2、ZrO2、Al2O3及其叠层结构的电学性能以及介质中的导电机理；研究了金属氧化物半导体ZnO、In2O3和掺Al2O3的ZnO的物理和化学特性。基于上述关键材料的研究，本项目进一步开展了以金属纳米晶（Pt、Ni）、陷阱介质（掺Zn的Al2O3）、氧化物半导体（IGZO、掺Al的ZnO）为电荷存储媒介的a-IGZO TFT存储器的研究，通过对各种电荷存储媒介性能的评价，获得了电可编程/擦除的a-IGZO TFT存储器的解决方案，解决了国际上公认的a-IGZO TFT存储器电擦除效率低，甚至无法电擦除的难题。譬如，采用高电子浓度的IGZO薄膜作为电荷存储媒介，可以获得工作电压低、编程/擦除效率高、电可编程/擦除的a-IGZO TFT存储器件，同时还具有多级存储功能。基于Pt纳米颗粒电荷存储的a-IGZO TFT存储器具有高效的紫外光擦除性能，因此在光擦除存储器和紫外探测领域具有很好的应用前景。基于掺Zn的Al2O3电荷俘获层的a-IGZO TFT存储器在编程后具有非常好的电荷保持能力，因此可用于一次性可编程存储器。同时，本项目还对存储器原型器件的光电擦除效应进行了系统的研究，深入理解了单色光波长、栅极偏压以及载流子传输三者之间的相互作用机制，为进一步开发和实现多功能a-IGZO TFT存储器提供了理论依据。.自本项目实施以来，共发表SCI论文19篇，包括在电子器件领域国际一流期刊EDL和TED上发表论文6篇，在工程技术I区期刊JMCC上发表论文1篇，在APL和JAP上发表论文2篇。受邀在国际学术会议上做相关邀请报告6次。获授权中国发明专利1件。