金属氧化物薄膜晶体管的迁移率和可靠性的耦合模型和联合优化的研究

As one major pillar of the China high-technology industries, the display industry is in a critical historical period of transition from liquid crystal display to organic light-emitting diode display, and from silicon-based thin-film transistors (TFTs) to metal-oxide (MO) TFTs. Developing the next-generation display is not only an important national strategic plan, but also a great opportunity for China panel industry to build its own core technologies. Currently, MO TFT suffers from a core technology bottleneck of hard combining high mobility and high reliability, delaying the pace of industry upgrading, while most studies still focused on the individual optimization of either mobility or reliability. ..Here is proposed to investigate the key scientific problem behind this technical challenge, the coupling relationship model between mobility and reliability in MO TFT. In this project, Elevated-Metal Metal-Oxide (EMMO) device structure will be adopted, so that the doping and annealing processes can be used to flexibly adjust its channel carriers and defects. By clarifying the dependence of TFT mobility and reliability on the carrier and defect concentration in MO, the coupling relationship model between mobility and reliability will be established and then these two parameters can be jointly optimized. This will provide both theoretical and technological basis for the implementation of high-mobility high-reliability MO TFTs.

作为国家的支柱性高科技产业，显示产业正处在在从液晶显示向有机发光二极管显示、从硅基薄膜晶体管向金属氧化物薄膜晶体管过渡的关键历史时期。发展下一代显示不仅是国家的重要战略规划，也是中国面板产业实现核心技术自主化的重大机遇。当前，金属氧化物薄膜晶体管面临着高迁移率和高可靠性难以兼顾的关键键技术瓶颈，迟滞了产业升级的步伐，而多数研究仍集中针对迁移率或可靠性进行单独优化。..本项目拟研究这一技术挑战背后的关键科学问题——金属氧化物薄膜晶体管的迁移率和可靠性的耦合关系模型。本项目拟采用新型抬高金属型金属氧化物（EMMO）器件结构，配合掺杂和退火工艺对其沟道的载流子和缺陷态进行灵活调节，通过揭示薄膜晶体管的迁移率和可靠性对金属氧化物中载流子和缺陷态的依赖关系，建立起迁移率和可靠性的耦合关系模型，进而对两个参数进行相应的联合优化，为实现可靠性和迁移“双高”的金属氧化物薄膜晶体管打下理论和技术基础。

非晶金属氧化物（MO: Metal-Oxide）半导体材料被认为是支撑半导体显示、大面积柔性电子和三维集成电路等新兴应用的关键半导体技术。虽然其典型代表——非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）的迁移率现阶段还远低于低温多晶硅（LTPS），但是随着材料体系的逐渐拓展、制程工艺的不断优化和薄膜晶体管（TFT）器件结构的持续改进，MO TFT的迁移率有望达到甚至超LTPS TFT的水平。此过程对MO器件的稳定性也提出了严苛的挑战，MO TFT的迁移率和可靠性的耦合关系正是本课题的研究重点。. 本研究工作主要包含以下四个方面：.1）金属氧化物的材料本征特性的研究；.2）MO中缺陷态转化对器件稳定性影响的研究；.3）高稳定性MO器件结构的研究;.4）可靠性和迁移率联合优化的抬金型金属氧化物（ EMMO：Elevated-Metal Metal-Oxide）TFT的研究。. 主要内容和成果如下：.1）利用结构优化的MO肖特基势垒二极管（SBD），评估了MO材料中本征缺陷状态。分别研究氧、氟和氢等元素对 a-IGZO 中缺陷状态及a-IGZO SBD特性的影响；.2）研究了SATG MO TFT的电流应力稳定性，探讨了MO中缺陷态转化对于器件稳定性影响。线性区电流应力退化主要是自加热退化，退化中后期会发生氧空位的深浅能级转换，使得沟道载流子浓度上升阈值电压负漂，这种机制会形成温度正反馈循环使得器件阈值电压快速负漂直至击穿；.3）通过研究金属反应的缺陷产生机制，澄清了金属反应方法对MO的掺杂过程和机理，表明了MO中缺陷与载流子的依赖关系。金属和MO之间发生氧化还原反应，生成的氧空位和间隙金属均可以作为浅施主提供载流子。研究了基于金属反应掺杂源漏的SATG a-IGZO TFT，所制备的器件表现出优异的电学特性；.4）首次研发了一种新型突变异质结沟道TFT。深入研究双有源层 TFT的迁移率提升受限的原因，发现两层MO之间存在阳离子相互扩散问题，缓变的界面层不能够有效地形成异质结量子阱沟道。因此提出一个中间层结构，综合考虑其扩散阻挡效果、能带结构和电子隧穿机制，形成突变异质结量子阱。利用超薄氧化铝中间层，成功将迁移率提升到44.8 cm2/Vs，同时增强了器件稳定性。