基于IGZO－TFT的集成电路研究

The recent invention of a new oxide semiconductor material (InGaZnO,or IGZO) based thin film transistors will lead to the realization of the high-performance and low cost TFT integrated circuits. It is pointed out in this proposal that the self-alignment technology is a key to high-performance IGZO-TFT based IC in terms of the requirements of the flat panel display and IC, as well as the characteristics of IGZO-TFT.A novel self-aligned technology is thus proposed. The key idea of new technique is that using oxygen plasma to oxidize the IGZO film with high concentration of oxygen vacancy to reduce significantly the carrier concentration in the channel region. The source/drain regions are still kept in the state of the high concentration of carriers, namely high conductivity. The definition of source/drain regions and channel is up to the gate size and site. Therefore, the source/drain and channel are self-aligned to the gate well, minimizing the parasitic capacitance of the devices. On the base of the self-aligned technology, the TFT integrated circuit with a shift register as an example will be designed and fabricated. Analysis and simulation indicate that with the new self-aligned technology, the structure of the IC can be simplified much; the integration density, performance and power consumption can be improved significantly. These analyzed and simulated results need to be verified experimentally.

近年来基于一种新的氧化物半导体材料（铟镓锌氧，IGZO）的薄膜晶体管（TFT）的出现，使得基于TFT的高性能低成本集成电路的实现成为可能。本项目从平板显示和集成电路的内在要求出发并结合IGZO－TFT的特点，指出自对准工艺是实现高性能IGZO－TFT集成电路的关键。为此提出了一种新的自对准工艺方法。该方法的主要思路是采用氧等离子体对器件沟道区域原本含有大量氧空位的IGZO膜进行低温氧化处理，使其载流子浓度显著降低到所需范围，而源漏区仍然保持在高载流子浓度的高电导状态。而沟道与源漏区的界定由栅电极几何位置决定，从而使得栅、源漏区域自对准，所形成的寄生电容达到最小化。基于新的自对准工艺技术，本项目以移位寄存器为例，进行IGZO-TFT集成电路的设计与制备。分析和模拟表明，由于自对准工艺的显著优势，集成电路的结构可大为简化，集成度、性能和功耗指标也均能大幅提升。这些分析结果有待实验进行验证。

在IGZO－TFT集成电路的器件结构与制备工艺研究方面，我们主要进行了自对准背栅结构的BCE型IGZO-TFT工艺、自对准顶栅IGZO-TFT和IZO-TFT的工艺研究，取得了若干具有原创性的研究成果，这些成果均在本领域最有影响力的学术期刊和学术会议上发表。同时我们也获得了优化的IGZO-TFT的制备工艺，制成的器件的性能达到国际先进水平。主要创新点有：.引入了具有高电导的AZO作为过渡层来制备薄膜晶体管，结果表明：这层AZO可以保护IGZO背界面，使其在干法刻蚀过程中免受等离子体的轰击，同时也可以降低源漏之间的串联电阻。.开发了自对准BCE结构的a-IGZO TFT制备技术。这一技术可以调节栅与源漏的交叠，而交叠量的大小直接关系到TFT的性能。实验获得的交叠量为0.5 µm的自对准BCE TFT器件性能与交叠为2.0 µm的非自对准器件的性能基本一致。.针对IGZO TFT中等强度栅电应力下的阈值电压漂移，提出一个基于载流子运动的阈值电压漂移模型。该模型认为电栅应力下，沟道电子首先通过陷阱辅助隧穿进入到距离界面较近的陷阱中，然后在电场的帮助下，借助Poole Frenkel传导转移到栅介质中位置较深的陷阱中。针对IGZO TFT高强度栅电应力下的阈值电压漂移，提出一个考虑应力过程中载流子浓度和栅介质电场变化的电荷俘获模型。该模型更为准确预测了IGZO TFT在栅电应力下，尤其是在高栅压、高温或者长时间这类高强度电应力下的阈值电压漂移。.在集成的IGZO－TFT移位寄存器电路的设计与制作研究方面，我们在低功耗和高稳定性方面提出了若干具有创新性的设计思想。除了在本领域权威期刊和学术会议上发表了多篇论文外，还申请了多项中美发明专利，部分专利已经获得授权。其中，一些专利在企业实现了转化。主要创新点有：.提出了一种双极性脉冲电压偏置（BPBS）方法。与传统的单极性脉冲电压偏置（UPBS）相比，低频下BPBS可以有效抑制高温下TFT的VTH漂移。并用电荷俘获/脱俘获的物理模型对VTH漂移的物理机理进行了解释。.实现了具有双极性脉冲电压偏置的非晶硅TFT-GOA。与传统的采用UPBS的GOA相比，电路的寿命可以被延长5倍以上。该电路的性能在32英寸HD TFT-LCD电视面板中得到了验证。.提出了恒过驱动电压偏置方法，研究了TFT在此偏置下的VTH漂移规律。