高性能薄膜トランジスタに向けた高性能薄膜トランジスタに向けた酸化亜鉛／絶縁膜界面制御と酸化亜鉛／絶縁膜界面制御とその電気特性評価その電気特性評価

微細素子科学講座　博士前期課程二年　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　藤井　茉美

修士論文発表会　2009.2.18

c

● O　　● Zn

背景　背景　ZnOZnOの潜在能力の潜在能力

結晶構造

六方晶系(ウルツ鉱型構造)

a = 3.250 Åc = 5.207 Å

Zn-O間 1.99 Å

イオン半径 Zn2+ 0.74 Å O2- 1.24 Å

融点 1975℃

密度 5.7 g/cm3

屈折率 1.9～2.0

比誘電率 8.12

有効質量 0.318m0 (electron)0.5m0 (hole)

バンドギャップ 可視領域で透明3.37 eV at RT

最大移動度 μn > 200 cm2/V・s (electron)

IDW’07 Tutorial

　　TFTTFT作製プロセス作製プロセス低温プロセス→フレキシブル基板

　ワイドバンドギャップ　ワイドバンドギャップ可視光に対して透明なデバイス

　高い電気特性　高い電気特性高移動度, 低閾値電圧

K.Nomura et al. Nature 432 488 (2004) シリコンを超える半導体材料

ZnOZnOの潜在能力の潜在能力

SAIT(Korea)

酸化物半導体薄膜トランジスタの劣化機構と欠陥状態の解明

背景　背景　ZnOZnO系材料が系材料がSiSiを超えるにはを超えるには

TFTTFTの低信頼性・低制御性の低信頼性・低制御性

酸化亜鉛のバンドギャップ内　　における欠陥準位が不明確

キャリヤ生成・消滅(Trapping) 　機構が未解明

キャリヤ濃度制御法が未確立

最適プロセスが未確立

R.B.M.Cross et al. Appl. Phys. Lett. 89, 263513 (2006)

透明フレキシブルディ透明フレキシブルディスプレイへのスプレイへの

実用化実用化

博士前期博士前期課程研究　内容課程研究　内容

Ø　バイアスストレスによる不安定性

Ø　TFT駆動時発熱解析

Ø　膜内および　　　　　　　　 界面捕獲準位モデル

Ø　シミュレーション

酸化亜鉛系薄膜トランジスタの信頼性向上を目指した酸化亜鉛系薄膜トランジスタの信頼性向上を目指した酸化物薄膜およびヘテロ接合界面の物性評価と制御酸化物薄膜およびヘテロ接合界面の物性評価と制御

2章酸化亜鉛系TFTへの電気的影響

3章酸化亜鉛系薄膜への酸素の影響

Ø　高圧水蒸気アニール処理による薄膜特性変化

Ø　アニール後の降温環境依存性

Mo

GIZOGIZOSiNx

Glass substrate

S

G

D Al

IGZOSiO2

W/L=90/10[μm] 　Vg=20[V]　Stress 10000[sec] 　　

実験結果　実験結果　ゲート電圧ストレスゲート電圧ストレス

-10 0 10 2010-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4

Vgs [V]

Ids

[A]

Before StressAfter 10000sec Stress1sec Relax10sec Relax100sec Relax1000sec Relax10000sec Relax

Relax 10000[sec]

-10 0 10 2010-14

10-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4

Vgs (V)

Ids

(A)

0110100100010000

Stress time (sec)

ti

th NqC

V1−

=

Ci :ゲート絶縁膜のキャパシタンスq : 素電荷Nt : 捕獲準位密度

閾値電圧のシフト→膜中捕獲準位密度の影響

GG

S D0 V

Id

20 V

　劣化　→　半導体膜中　負の捕獲準位生成

　回復　→　半導体膜中捕獲準位が減少

100 101 102 10310-2

10-1

100

101

Stress Time[sec]

⊿V

t［V］

n=0.3~0.6　Si-SiO2膜界面での界面準位の生成n=0.1~0.2　SiO2膜中へのホットキャリヤのトラップ

実験結果　実験結果　閾値電圧の変化量閾値電圧の変化量

出典：東京工芸大　丹呉浩侑　TFTの評価方法入門

n値を用いた劣化機構の推定

ntVth

VthtVthVth

∝

−=

　⊿

⊿ )0()(特性式

tVth

ntVth nlog

)log(log)log(

⊿　　　⊿ ∝∝

W/L=90/10[μm] 　Vg=20~50[V]　

Vg=50[V] n=0.18Vg=40 n=0.18Vg=30 n=0.18Vg=20 n=0.19

100 101 102 10310-1

100

101

Time[sec]

⊿V

t［V］

Relax 1000[sec]

100 101 102 10310-2

10-1

100

101

Stress Time[sec]

⊿V

t［V］

Vg=50[V] n=0.22Vg=40 n= 0.29Vg=30 n=0.37Vg=20 n=0.44

Stress 1000[sec]

実験結果　実験結果　ゲート電圧ストレスゲート電圧ストレス

　捕獲準位密度生成機構→ゲートストレス電圧に依存

　捕獲準位密度減少機構→ゲートストレス電圧に依存しない

Vg=20[V]　Vd=20[V]　　Stress 10000[sec] 　　W/L=90/10[μm]

-10 0 10 2010-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4

Vgs [V]

Ids

[A]

Stress time [sec] 0 1 10 100 1000 10000

10 0 101 10 2 10310-2

10-1

100

101

Stress Time[sec]

⊿V

t［V］

Vd=0[V] n=0.44Vd=5 n=0.42Vd=10 n=0.37Vd=15 n=0.40Vd=20 n=0.39

Vg=20[V]　Vd=0～20[V]　　Stress 1000[sec]

実験結果　実験結果　ドレイン電圧依存性ドレイン電圧依存性

S値増加

ゲート電圧ストレスによる膜内捕獲準位生成

ドレイン電圧ストレスによる界面準位生成

GG

S D0~20 V

Id

20 20 VV

gs

gs

bkbk

gs

frfr

i

gs

fr

gs

bkbk

gs

frfr

i

gs

fr

V

VD

VD

qC

V

VD

VD

qC

VS

∂∂

+∂∂

+

∂∂

−

+

+−

=−

−

φφφ

φφφ

1

1

1

1

ln

Vthほぼ変化無し

S :サブスレッショルドスイングD:界面捕獲準位密度 φ : ポテンシャルfr : 表面界面を表す添え字　　 Bk : 裏面界面を表す添え字

W/LW/L＝＝150/8150/8　　[[μμmm]]

Vg=20［V］,Vd＝0［V］ Vg=20［V］,Vd＝10［V］ Vg=20［V］,Vd＝20［V］

No Temperature rise Max Temp　70.2℃ Max Temp　89℃

IGZO-TFTにおけるドレイン電流起因の

ジュール熱発生を発見

Substrate Temperature　60℃

実験結果　実験結果　発熱解析　ドレイン電圧依存性発熱解析　ドレイン電圧依存性

DS

100μm

DS

100μm

DS

100μm

GG

S D0,10,20 V

Id

2020VV

Substrate=60Substrate=60℃℃

Mami Fujii et.al, Jpn. J. Appl. Phys., 47, pp.6236, 2008

Ei=Ef

Ec

EV

ゲート電極

ゲート絶縁膜

a-IGZO

Ef

Ec

EV

Ei

Ef

Ec

EV

EiEf

Ec

EV

EiEf

Ec

EV

Ei

OFF領域から閾値下領域まで閾値下領域ON領域

考察考察　　DOSDOSモデルモデル

EC

EV

2.7

0.10

3

En

erg

y (e

V)

Density of state　(a.u.)

NGA:アクセプタ型　　　　→負に帯電

NGD:ドナー型　　→正に帯電

ドナー型トラップの関数アクセプタ型トラップの関数

NGA　(半導体膜中)　:　Vth変化に影響NGD　(半導体膜/絶縁膜界面)　：　S値変化に影響

ドナー型：格子間ZnまたはVOの可能性アクセプタ型：VZｎの可能性

EｆEｆEｆ

EｆEｆVg

-10 0 10 2010-16

10-1510-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4

Vgs (V)

Ids

(A) NGA(cm-3eV-1)

1×10181.05×10181.1×1018

1.2×10181.15×1018

Trap density

負の捕獲準位密度増加：正方向シフト

正の捕獲準位密度増加：S値増加を伴った　

　　　　　　　　負方向シフト

考察　考察　デバイスシミュレーションデバイスシミュレーション

EC

EV

2.7

0.10

3

Ene

rgy

(eV

)

Density of state　(a.u.)

NGA：負帯電捕獲準位密度

NGD ：正帯電捕獲準位密度

実測値の定性的な再現に成功

NGA,NGDを増加

-10 0 10 2010-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4

Vgs (V)

Ids

(A)

0110100100010000

Stress time (sec)

-10 0 10 2010-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4

Vgs [V]

Ids

[A]

Stress time [sec] 0 1 10 100 1000 10000

0110100100010000

Stress time (sec)

-10 0 10 2010-16

10-1510-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4

Vgs (V)

Ids

(A) NGD (cm-3eV-1)

1×10171.5×10172×1017

3×10172.5×1017

Trap density

Mami Fujii et.al, Jpn. J. Appl. Phys., In press.

まとめまとめIGZO-TFTの電気的ストレスに対する不安定性

IGZOIGZO--TFTTFTの劣化の劣化　　ゲート電圧ストレス：　　ゲート電圧ストレス：

価電子帯上端近傍の負帯電の捕獲準位密度増加価電子帯上端近傍の負帯電の捕獲準位密度増加((起源　起源　VVZnZn：：亜鉛欠陥　の可能性）亜鉛欠陥　の可能性）

ZnO + Zn (gas) → Zn + O + Zn2+ + 2e2e

　　　　ドレイン電圧ストレス：ドレイン電圧ストレス：伝導帯下端近傍の正帯電の界面準位密度増加伝導帯下端近傍の正帯電の界面準位密度増加

((起源　格子間起源　格子間Zn,Zn,　　VVOO：：酸素欠陥　の可能性酸素欠陥　の可能性))ZnO → Zn + Vo2+ + 2e2e + 1/2 O2 (gas)

VZn2+ + O + Zn (gas) + 2e 2e → ZnO

ü各捕獲準位密度の起源を解明する今後の展望今後の展望

実験実験

熱処理条件・260℃, 1.41MPa, 1時間・260℃,1.2MPa,1分

高圧水蒸気アニール処理

Water

High PressureHigh Pressure　　VaporVapor

Heating upHeating up

高圧水蒸気アニール処理　(HPV)

H2O(OH-)の膜中取り込みによる効果界面におけるパッシベーション効果

冷却雰囲気・大気中・湿潤中

酸化物半導体のキャリヤ濃度酸化物半導体のキャリヤ濃度((捕獲準位密度捕獲準位密度))制御制御

HPV処理

260 ℃, 1.41 MPa, 1 hour

実験結果実験結果　　SIMS SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy)(Secondary Ion Mass Spectroscopy)

果

酸素欠陥補間水素パッシベーション炭素クリーニング

ZnOSiO2

0 100 200 300 400 500 600101

102

103

104

105

Thickness [nm]

Cou

nts

Per S

econ

d Si

HC

O

ZnO Si基板界面

0 100 200 300 400 500 600101

102

103

104

105

Thickness [nm]

Cou

nts

Per S

econ

d Si

H

C

O

ZnO Si基板界面

1018 1019 1020 1021100

101

102

100

101

102

103

104

105

Carrier concentration [cm-3]

Hal

l mob

ility

[cm

2 /Vs] Sheet resistance [Ω

/□]

HPV

Hall mobility [cm2/Vs]Sheet resistance [Ω/□]

1hアニール　湿潤中冷却1minアニール　湿潤中冷却

1018 1019 1020 1021100

101

102

100

101

102

103

104

105

Carrier concentration [cm-3]

Hal

l mob

ility

[cm

2 /Vs] Sheet resistance [O

/□]

HPV

Hall mobility [cm2/Vs]Sheet resistance [Ω/□]

1hアニール　湿潤中冷却1hアニール　大気中冷却

実験結果実験結果　　薄膜電気特性薄膜電気特性

AlIGZOSiO2

　HPV処理　→　高抵抗化　　湿潤中冷却　　→　大気中冷却より低抵抗化

考察　考察　IGZOIGZO薄膜薄膜

高圧湿潤雰囲気で熱処理　→　薄膜が高抵抗化湿潤酸素雰囲気で冷却　

→　大気中冷却より薄膜が低抵抗化

M-OH + M-OH → VO2+ + M-O-M + H2O↑ + 2e2e

フリーキャリヤ生成による低抵抗化

IGZOSiO2

H2O →　H＋＋OH-H＋,　OH- H2O

湿潤雰囲気中冷却還元反応

高圧湿潤雰囲気中熱処理再酸化反応

VO2+ + M-O-M + H＋ + OH－+ 2e 2e → ((In,Ga,ZnIn,Ga,Zn) ) M-OH + M-OH

キャリヤ消滅による高抵抗化

今後の展望今後の展望

IGZOIGZO--TFTTFTデバイスシミュレーションデバイスシミュレーション発熱分布・電界分布発熱分布・電界分布より定量的なフィッティングより定量的なフィッティング

IGZOIGZO薄膜薄膜膜内・界面欠陥評価膜内・界面欠陥評価１．１． 高圧水蒸気アニール処理高圧水蒸気アニール処理２．２． UVUV照射照射３３．． オゾン雰囲気中アニール処理法オゾン雰囲気中アニール処理法処理薄膜を用いたデバイス作製処理薄膜を用いたデバイス作製

　　　　高信頼性・透明・フレキシブルな高機能デバイス作製高信頼性・透明・フレキシブルな高機能デバイス作製