[发明专利]高稳定性非晶态金属氧化物TFT器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，特别是涉及一种高稳定性非晶态金属氧化物薄膜晶体管(TFT)器件结构，属于平板显示器件技术。

背景技术

有源阵列有机发光二极管(Active-Matrix Organic Light Emitting Diodes，AMOLED)显示具有移动图像响应时间短、色彩鲜艳、对比度高、视角广以及低功耗、超轻超薄等优异特性，被视为取代当前占据主流地位的有源液晶显示(AMLCD)成为下一代主流显示的核心技术平台。成功研制高分辨率主流尺寸的AMOLED显示面板主要涉及到TFT驱动基板性能、OLED材料特性与显示模组的封装技术等三个技术研究领域。因为OLED发光的基本原理决定了发光亮度变化受驱动电流大小的控制，并接近正比关系，所以如何制备能提供较大、并且稳定与均匀电流驱动的TFT基板成为当前AMOLED显示领域重要的研究课题。

工艺简单、均匀性好的非晶硅(a-Si)TFT是制备大尺寸AMLCD的主流技术。但是由于沟道迁移率低(＜1cm²/V·s)、器件长期稳定性差，a-Si TFT很难实际应用于驱动AMOLED显示的基板中。改进的微晶硅nc-Si TFT由于实际的界面态问题，在迁移率与稳定性之间一直未能取得较好的平衡。高性能的低温多晶硅(Low Temperature Polycrystalline Si，LTPS)TFT的迁移率高(＞100cm²/V·s)，并且长期稳定性好，是首个成熟的驱动AMOLED显示的TFT阵列基板技术。然而LTPS TFT沟道由不同尺寸大小的晶粒组成，会导致严重的器件性能分布的均匀性问题，并且沟道晶膜涉及到复杂昂贵的晶化过程，会极大限制LTPS TFT驱动大面积AMOLED显示的发展空间。

随着对氧化物半导体材料的研究深入，Hoffman R.L.等人于2003年发表了以ZnO为基础的透明氧化物TFT。这种二元氧化物半导体通常表现为多晶态，其缺点和LTPS TFT技术类似。2004年，Nomura K.等人在Nature上发表了非晶态InGaZnO(IGZO)混合型多元氧化物TFT。IGZO TFT由于其特殊的沟道材料结构表现出均匀的迁移率与阈值电压分布，载流子迁移率较大(＞10cm²/V·s)并且亚阈值斜率优异(～0.20V/dec)，此外，还可以通过简单的溅射工艺制备沟道层，因此，无需昂贵的激光设备或者长时间的固态晶化过程，可以实现大尺寸面板的低成本生产。因此，以IGZO为代表的非晶态氧化物TFT结合了a-Si TFT与LTPS TFT的优点，在驱动大面积AMOLED显示上迅速成为了美国、日本、韩国与台湾地区的研究热点。

从材料特性上来说，IGZO由In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO构成，禁带宽度在3.4eV左右，是一种离子性非晶态N型半导体材料。In₂O₃中的In³⁺可以形成5S电子轨道，有利于载流子的高速传输；Ga₂O₃有很强的离子键，可以抑制O空位的产生；ZnO中的Zn²⁺可以形成稳定四面体结构，理论上可以使金属氧化物IGZO形成稳定较高导电的非晶结构。在研究过程中发现，氧化物TFT电学特性在长期偏压电应力作用下较容易发生改变，具体表现为阈值电压漂移、亚阈值斜率劣化、驱动与关态电流变化等。基本机理经分析表现为沟道/栅介质界面陷阱态的电荷注入与捕获、电荷隧穿与栅介质层捕获、背沟道环境氧/氢分子场助吸附与电荷扩散、沟道中过量亚态离化氧空位电荷激发再注入等几种可能。

常规暗场下的氧化物TFT的电致稳定性可以通过一定的技术手段加以改善，但是近来在驱动AMOLED或者液晶显示过程中的外界光照影响是一个很重要的问题。IGZO禁带宽度在3.4eV左右，对短波长紫外光有很好的吸收作用。在光照和长时间负偏栅压电应力作用下，IGZOTFT的阈值通常会大幅向负向移动，造成器件功能失效。这种光照下长期稳定性行为非常复杂，在不同的偏压条件下、不同的界面状态下、不同的制备工艺都表现出不相同的变化趋势。目前只能综合常规的光生空穴的注入与捕获原理以及光生载流子在沟道表面处产生不同能级的亚态从而影响到空穴的注入与捕获的总体效果来定性解释。