新型氧化物薄膜晶体管材料及工艺研究

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1、万方数据新型氧化物薄膜晶体管材料及工艺研究StudyonNoVelMaterialsandProcessesforoxideThin．FilmTransistors作者：浦海峰指导老师：张群教授指导小组：李越生教授沈杰副教授万方数据论文独创性声明本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。作者签名：涮矗运．日期：趣f暨≤：主论文使用授权声明本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留

2、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。作者签名：盛盔聋导师签名：日期：芝竺：生：兰万方数据援曼大肇非晶氧化物半导体(AOS)薄膜晶体管(TFTS)凭借其高迁移率、可见光区高透明性、低温制备等优点，在液晶显示器、有机发光二极管、全透明器件及柔性电子等领域具有潜在的应用前景而受到广泛关注。虽然AOS．TFl’s已被认为最有可能取代传统硅基薄膜晶体管应用于显示领域，为了获得TFTs器件更好的电学性能及其稳定性，在氧化物半导体沟道层和氧化物介质层材料以及制各工艺方面的研究仍然存在

3、大量的工作亟待开展。本论文围绕新型氧化物沟道层、栅介质层材料的研究、溶液法制各AOs薄膜的红外光照以及氧等离子体处理工艺研究等四个方面展开。主要研究内容和研究结果如下：利用直流磁控溅射法首次研制了高价态掺杂的非晶掺钨氧化铟(a—IW0)沟道层薄膜。所制备的“WO薄膜在可见光区具有良好的透明性，平均透射率超过85％，同时薄膜具有良好的平整度及均匀性，最大平均粗糙度仅为O．436砌。以a．IW0薄膜作为沟道层，旋涂的聚四乙烯苯酚(PⅦ-)作为栅介质层制备了顶栅结构的a．1w0．TFlb。器件电学性能表明钨起到了载流子抑制剂的作用，适量的掺杂有利于器件性能的提升。采用7．5at．％掺

4、杂的a．IWO作为沟道层的TFT具有最佳性能，其饱和迁移率、亚阂值摆幅、电流开关比分别为8．3cm2Ⅳs、0．58V斑ec和5．23×105，同时器件回扫曲线的偏移为0．47V，表现出良好的电学稳定性。研究发现，适度的大气退火处理有利于IWO薄膜上表面浅层区域中钨低价离子的进一步氧化及氧空位的修复。由于缺陷态的减少，上表面可以为电子的传输提供高迁移率的传输路径，退火后的a．1wO．TFT的迁移率增大到12．6cmWs。然而过长时间的退火处理却会导致薄膜中总载流子浓度的降低和薄膜表面平均粗糙度的上升，因而会导致迁移率的下降及亚阈值摆幅的增加。本工作表明高价态掺杂的a-IW0薄膜具

5、有良好的半导体性能，作为新型氧化物沟道层薄膜具有应用于高性能、全透明TFrS器件的前景。针对溶液法制各的氧化物TFTs器件性能有待提高的问题开展了深入研究。探索了氧等离子体处理对溶液法制备的a．IGzO．TFTS器件性能的影响。研究证实了氧等离子体处理后器件的迁移率、电流开关比均显著提升，分别由O．072cm2Ⅳs、8．23×104增加为1．07cm2Ⅳs和2．99×107，而亚阈值摆幅随等离子体处理时间的延长由O．84V似ec增加为2．01V／dec。分析发现，氧等离子体中存在原子氧和氧分子离子两种组分，原子氧与薄膜中的氧空位反应在降低氧空位浓度的同时，提升薄膜迁移率；而少量

6、的氧分子离子02+易于聚集在薄膜上表面作为捕获态存在，导致亚阈值摆幅的增加。因此。采用氧等离子体处理工艺时，需要尽量增加原子氧的含量、减少02+的含量，以获得预期的处理效果。溶液法制备氧化物半导体薄膜需要较高温度(>400℃)的退火处理，为了降低工艺温度，提出了采用红外辐射退火处理溶液法制备的氧化物沟道层的新工艺。傅里叶变换万方数据博士学位论文摘要覆曼大芋红外光谱分析表明红外辐射退火对有机基团分解的促进作用是热炉退火的6倍。红外辐射功率密度增加、退火时间延长有利于降低a．IGzO薄膜中残留的有机基团及金属氢氧化物，并促进氧化物的形成。以旋涂的PⅥ，为栅介质层，2．54W／cIn

7、2功率密度下红外退火的a．IGz0薄膜作为沟道层制各的TFT器件具有2．04cmWs的饱和迁移率，1．52x106的电流开关比和0．84V／dec的亚阈值摆幅，而工艺温度仅为300℃。实验结果证明红外退火处理是一种有效的退火处理颏工艺。针对hi曲-k材料存在热稳定性差、易于结晶及禁带宽度较窄击穿电压较低等问题，提出了一种溶液法制备二元混合型hi曲-k氧化铝钛(1AO)薄膜材料的新思路。通过控制薄膜的组分获得了介电常数在8．7．33．4问变化，光学禁带宽度5．6．3．8eV、以及具有较好热稳定