氧化铪/氮氧化铪栅介质金属氧化物薄膜晶体管的研制

题名:氧化铪/氮氧化铪栅介质金属氧化物薄膜晶体管的研制
作者:袁龙炎
学位授予单位:武汉大学
关键词:薄膜晶体管;;金属氧化物半导体;;高介电常数介质;;氧化锌;;氮氧化铪
摘要:
 薄膜晶体管(TFT)作为平板液晶显示器中的核心元件,在提高液晶显示器的显示性能及拓宽显
示应用领域上具有举足轻重的地位。传统的非晶硅有源层薄膜晶体管器件由于迁移率较低(-1 cm2／V
·s),受可见光影响较大,且价格Strong magnets居高不下,亟需发展新型的薄膜晶体管器件。本论文主要从薄膜晶体管
的各个组成部分——电极、有源层和绝缘层等三个方面对器件性能的影响为出发点,探寻提高薄膜晶体
管工作性能的途径。
 源漏电极是薄膜晶体管的电流输出组件,联系着有源层和外部电路,其与有
源层之间形成欧姆接触以及较小的接触电阻是薄膜晶体管正常工作的先决条件；另外,器件的电流通过
电极输出,要求电极本身的电阻不能太大。采用低功函数低电阻率的氮化铪薄膜作为氧化锌(ZnO)薄膜
晶体管的电极,可以保证与有源层形成欧姆接触并获得较低的接触电阻。研制成功的ZnO-TFT,其驱动电
流为1.95μA,场效应迁移率为1.56 cm2／V·s,电流开关比为-4×102。
 有源层是薄膜晶体管的工作
层,经栅电压诱导产生导电沟道,形成电流的通路。金属氧化物半导体具有比其它有源层材料更高的场
效应迁移率,且在可见光范围内透明,能制成全透明的TFT器件,是透明电子器件的核心组成部分。本文
通过脉冲激光沉积法(PLD)制备的氧化铟镓锌(IGZO)薄膜,其禁带宽度为3.50eV-3.61 eV,在可见光范围
内光的透射率在80%以上。在室温和400℃的衬底温度下制备了电阻率分别为103-104Ω·cm半导体性质
的IGZO薄膜以及电阻率为-10-2Q·cm的IGZO高导电薄膜。薄膜的最高霍尔迁移率为54 cm。／V·s,用
高介电常数(high-κ)的Ba0.6Sr0.4TiO3作为栅介质制备的IGZO-TFT器件的工作特性为：饱和驱动电流
为0.14 mA,场效应迁移率为5.8 cm2／V·s,电流开关比为2×105。
 栅绝缘层的电学性能以及其
与有源沟道之间的界面特性对薄膜晶体管的阈值电压、业阂值特性以及场效应迁移率都有较大的影响
。本文通过磁控溅射方法制备了high-κ介质材料氮氧化铪(HfOxNy),并对其光学和电学特性进行了研
究。本文发现在氧化铪(HfO2)介质中掺入氮元素可以提高结晶温度,并可以改善其与介质接触界面的质
量。通过对HfOxNy作为栅介质的Al/HfOxNyα-IGZO的MIS电容的电学特性研究,发现HfOxNy能显著改善
界面质量,形成较低的界面态密度,并能提高栅介质的可靠性。本文利用HfOxNy/HfO2/HfOxNy叠层结构
作为栅绝缘层制备的IGZO-TFT具有优异的性能,场效应迁移率为10.2cm2/V·s,电流开关比为-106,饱和
驱动电流达到了0.33 mA。
学位年度:2010