[發明專利]一種氧化物半導體薄膜晶體管陷阱態密度提取方法

有效

• 申請號: 201710571427.0
• 申請日: 2017-07-13
• 公開（公告）號: CN107478977B
• 公開（公告）日: 2019-12-06
• 發明（設計）人: 強蕾;裴艷麗;王鋼
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 44102 廣州粵高專利商標代理有限公司
• 代理人: 陳偉斌<國際申請>=<國際公布>=<進入

1.一種氧化物半導體薄膜晶體管陷阱態密度提取方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)給氧化物半導體薄膜晶體管施加不同時長的正向偏壓應力，測試相應的轉移特性曲線；

2)基于轉移特性的變化規律，分析閾值電壓漂移機制，確定閾值電壓漂移隨時間的變化關系式；

3)如果閾值電壓漂移與所加應力時間滿足擴展指數模型，提取半導體體內陷阱態的特征溫度；

4)利用亞閾值擺幅和陷阱態的關系，提取半導體和柵絕緣層界面態密度以及半導體體內陷阱態密度；

在無光照，柵極施加不同時長的正向偏壓應力時，氧化物半導體薄膜晶體管轉移特性曲線是近似平行移動，亞閾值擺幅大小無明顯變化；

在正向偏壓應力下，氧化物半導體薄膜晶體管閾值電壓漂移機制包括：

1)陷阱態俘獲電子，包括界面態及體內陷阱態的俘獲和柵絕緣層陷阱態的俘獲；此時，薄膜晶體管亞閾值擺幅無變化，閾值電壓漂移和所加應力時間滿足指數關系；但如果被俘獲載流子進入柵絕緣層體內深陷阱態中，薄膜晶體管的閾值電壓漂移與所加應力時間則符合擴展指數關系；氧化物半導體薄膜晶體管的柵絕緣層為SiO₂時，閾值電壓漂移與所加應力時間滿足擴展指數模型；

2)陷阱態的產生；此時，薄膜晶體管的閾值電壓漂移與所加應力時間呈對數關系；

正向偏壓應力下，氧化物半導體薄膜晶體管閾值電壓漂移與所加應力時間滿足擴展指數模型時，閾值電壓漂移ΔV_th隨應力時間t的變化關系可表示為：ΔV_th＝(V_gs-V_th0){1-exp[-(t/τ)^β]}，式中V_gs為柵源電壓，V_th0為薄膜晶體管初始閾值電壓，τ為特征時間常數，β為離散因子，T_t為半導體體內陷阱態特征溫度，T為晶體管工作溫度；利用上述關系式，通過擬合曲線提取半導體體內陷阱態的特征溫度；

亞閾值擺幅SS可表示為

式中q為基本電荷，k為波爾茲曼常數，C_ox為單位面積柵絕緣層電容，D_it為半導體和柵絕緣層界面態密度，ε₀、ε_s分別為真空介電常數和半導體的相對介電常數，t_d、t_ch分別為耗盡層和溝道層厚度，N_T為外推到導帶底E_C處的陷阱態密度。

2.根據權利要求1所述的一種氧化物半導體薄膜晶體管陷阱態密度提取方法，其特征在于：亞閾值擺幅SS的計算方法，其特征在于參數t_d可表示為

式中φ_b為半導體費米能級E_F和本征費米能級E_i之間的差值，N_ch為溝道載流子濃度。

3.根據權利要求2所述的一種氧化物半導體薄膜晶體管陷阱態密度提取方法，其特征在于：亞閾值擺幅SS的計算方法，其特征在于參數N_ch可表示為

式中V_on為氧化物半導體薄膜晶體管的開啟電壓，定義為晶體管的轉移特性曲線中，漏源電流開始增大時所對應的柵源電壓。

4.根據權利要求1所述的一種氧化物半導體薄膜晶體管陷阱態密度提取方法，其特征在于：提取半導體體內陷阱態特征溫度T_t以及外推到導帶底處的陷阱態密度N_T，利用下式得到半導體體內陷阱態密度N_t

式中E為能量，E_C為氧化物半導體導帶底最小值。