多晶硅薄膜晶体管特性研究.docx

1、多晶硅薄膜晶体管特性研究多晶硅薄膜晶体管特性研究摘 要多晶硅薄膜晶体管（polysilicon thin film transiston）因其高迁移率、高速高集成化、p型和n型导电模式、自对准结构以和耗电小、分辨率高等优点，近年来被广泛的应用于液晶显示器。随着器件尺寸减小至深亚微米，热载流子退化效应所致器件以和电路系统的可靠性是器件的长期失效问题。本文主要研究热载流子效应。首先，研究热载流子退化与栅极应力电压，漏极应力电压和应力时间的依赖关系。其次，漏极轻掺杂（Light Doped Drain，LDD）结构是提高多晶硅薄膜晶体管抗热载流子特性的一种有效方法，研究了LDD结构多晶硅薄膜晶体管的

2、结构参数对器件可靠性的影响。关键词：多晶硅薄膜晶体管 热载流子效应 可靠性Study on Characteristics of polysilicon thin film transistorAbstractToday, p-Si TFTs are used broadly in display devices because of its high field effect mobility,high integration and high speed,high definition display,n channel and p channel capability,low power

3、 consumption and self-aligned structures. With the device scaling down to deep-submicrometer, the reliability of the device circuit system induced by hot carrier effect is long-term failure. Hot carrier effects is studied. Firstly,we mainly study the dependence between hot carrier degradation and ga

4、te-stress voltage,drain-stress voltage and stress time.Secondly,the structure of Light Doped Drain is an effective means to resist hot carrier effect ,the influence of parameters of LDD structures on reliability of p-Si TFT was investigated.Keywords：p-Si TFT;hot carrier effect;reliability摘要.IAbstrac

5、t.II第一章 绪论11.1薄膜晶体管的发展11.2薄膜晶体管的结构以和工作原理21.2.1薄膜晶体管的结构.21.2.2薄膜晶体管的工作原理.31.3多晶硅薄膜晶体管的应用41.4多晶硅薄膜晶体管的热载流子效应5第二章 多晶硅薄膜晶体管的热载流子效应.62.1热载流子效应6 2.2热载流子注入栅氧化层引起的退化62.3热载流子的注入机制.72.4 提高多晶硅薄膜晶体管抗热载流子效应的措施.92.5本章小结.9第三章 多晶硅薄膜晶体管可靠性研究.103.1多晶硅薄膜晶体管可靠性与热载流子应力条件的依赖关系.103.1.1 阈值电压变化与栅极应力电压的关系103.1.2 阈值电压变化与漏极应力电

6、压的关系.113.1.3 阈值电压变化与应力时间的关系.123.2 LDD多晶硅薄膜晶体管.123.3 LDD多晶硅薄膜晶体管对热载流子效应的改善.133.4 LDD多晶硅薄膜晶体管的结构参数对可靠性的影响.143.4.1 LDD区注入能量对器件的影响.143.4.2 LDD区掺杂浓度对横向电场的影响.153.4.3 LDD区掺杂浓度对驱动性能的影响.163.5 LDD结构多晶硅薄膜晶体管热载流子退化的简单模型.173.6本章小结.19结语.20参考文献.21致谢.22第一章 绪论1.1薄膜晶体管的发展人类对薄膜晶体管（thin film transiston: TFT）的研究工作已经有很长的

7、历史。1925年，Julius Edger Lilienfeld首次提出结型场效应晶体管（FET）的基本定律，从此开辟了对固态放大器的研究。1933年，Lilienfeld又将绝缘栅结构引入场效应晶体管（后来被称为MISFET）。1962年，Weimer用多晶CaS薄膜做成薄膜晶体管（TFT）；随后，又出现了用CdSe、InSb、Ge等半导体材料做成的TFT器件。二十世纪六十年代，基于低费用、大阵列显示的实际需求，TFT的研究广为兴起。1973年，Brody等人首次研制出有源矩阵液晶显示（AMLCD），并用CdSe 、TFT作为开关单元。随着多晶硅掺杂工艺的发展，1979年LeComber、S

8、pear和Ghaith用a-Si:H做有源层，做成如图1-1所示的TFT器件1。后来许多实验室都进行了将AMLCD以玻璃为衬底的研究。二十世纪八十年代，硅基TFT在AMLCD中有着极重要的地位，所做成的产品占据了市场绝大部分份额。1986年Tsumura等人首次用聚噻吩为半导体材料制备了有机薄膜晶体管（OTFT），OTFT技术从此开始得到发展。九十年代，以有机半导体材料作为活性层成为新的研究热点。由于在造工艺和成本上的优势，OTFT被认为将来极可能应用在LCD、OLED的驱动中。近年来，OTFT的研究取得了突破性的进展。1996年，飞利浦公司采用多层薄膜叠合法制作了一块15微克变成码发生器（P

9、CG）；即使当薄膜严重扭曲，仍能正常工作。1998年，IBM2公司用一种新型的具有更高的介电常数（17.3）的无定型金属氧化物锆酸钡作为并五苯有机薄膜晶体管的栅绝缘层，使该器件的驱动电压降低了4V，迁移率达到0.38cm2v-1s-1。1999年，Bell实验室3的Katz和他的研究小组制得了在室温下空气中能稳定存在的噻吩薄膜，并使器件的迁移率达到0.1cm2v-1s-1。Bell实验室用并五苯单晶制得了一种双极型有机薄膜晶体管,该器件对电子和空穴的迁移率分别达到2.7cm2v-1s-1和1.7cm2v-1s-1，这向有机集成电路的实际应用迈出了重要的一步。最近几年，随着透明氧化物研究的深入，

10、以ZnO、ZIO等半导体材料作为活性层制作薄膜晶体管，因性能改进显著也吸引了越来越多的兴趣。器件制备工艺很广泛，比如：MBE、CVD、PLD等均有研究。ZnO-TFT技术也取得了突破性进展。2003年，Nomura等人使用单晶InGaO3(ZnO)5获得了迁移率为80cm2v-1s-1的TFT器件。美国杜邦公司采用真空蒸镀和掩膜挡板技术在聚酰亚铵柔性衬底上开发了ZnO-TFT，电子迁移率为50cm2v-1s-1。这是在聚酰亚铵柔性衬底上首次研制成功了高迁移率的ZnO-TFT，这预示着在氧化物TFT领域新竞争的开始。2005年，Chiang H.Q4等人利用ZIO作为活性层制得开关比107的薄膜

11、晶体管。2006年，ChengH.C5等人利用CBD方法制得开关比为105、迁移率0.248cm2v-1s-1的TFT，这也显示出实际应用的可能。图1-1 薄膜晶体管剖面图1.2薄膜晶体管的结构以和工作原理1.2.1薄膜晶体管的结构薄膜晶体管主要是有源极、漏极、栅极、有源层、栅绝缘层和其管体构成，其中有源层和栅绝缘层是决定薄膜晶体管性能的两个关键层。根据有源层的材料不同，可以将薄膜晶体管分为单晶硅薄膜晶体管（c-Si TFT）、非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT）、多晶硅薄膜晶体管（p-Si TFT）、有机薄膜晶体管（OTFT）和氧化锌薄膜晶体管（ZnO TFT）。目前被广泛研究的TFT结构一

12、般可以分为两类6：正交叠（Normal Staggered）又称为顶栅结构如图1-2；反交叠（Inverted Staggered）也称为底栅结构如图1-3。图1-2顶栅结构的p- Si TFT 的剖面图图1-3底栅结构的p- Si TFT 的剖面图根据欧姆接触层的掺杂类型不同，又可将薄膜晶体管分为n型和p型。n型TFT欧姆接触层掺入的是五价元素如磷，而p型TFT欧姆接触层掺入的是三价元素如硼。在实际制备多晶硅薄膜晶体管时为了提高其性能人们设计了不同的p-Si TFT结构：双栅结构：采用双栅结构的p- Si TFT 因为沟道长度比采用单栅结构的要长, 关态电流明显的减少。但其TFT 所占的体积

13、比较大, 影响开关率, 主要应用在a- Si TFT LCD 中。Offset结构7：图1-4是利用半导体的侧蚀技术制备的Offset结构多晶硅薄膜晶体管的剖面图，可以看到源、漏极区和栅极有一个明显的偏移量Lox。因为偏移区Lox没有掺杂，阻抗较高，大大减少了TFT关态电流，对于提高器件的开关比有很大的帮助。但是，Lox大小要适中，不能太大，而且制作比较困难。图1-4Offset结构薄膜晶体管典型剖面图补偿栅结构8：图1-5是利用补偿栅结构制作的p-Si TFT, 能够解决在Offset 结构中因采用自对准工艺而引起的左右 Lox不等的问题。在刻蚀过程中因为有补偿栅的保护, 其左右Lox误差明

14、显减少, 关态电流最小可达 410-10A。图1-5补偿栅结构薄膜晶体管典型剖面图LDD（lightly doped drain）结构9：与普通的结构相比，LDD结构（图1-6）在p-Si沟道与源、漏极间增加了一段轻掺杂区n-区。通过轻掺杂区，改善了沟道中靠近漏极附近的电场分布，降低了横向电场的峰值，从而提高了器件抗热载流子的能力。但是，LDD结构也引入了寄生电阻效应。目前这一结构在多晶硅薄膜晶体管中得到了很好的应用。图1-6LDD结构薄膜晶体管典型剖面图 1.2.2薄膜晶体管的工作原理薄膜晶体管是一种绝缘栅场效应晶体管。它的工作状态可以利用Weimer表征的单晶硅MOSFET工作原理来描述1

15、0。以n沟MOSFET为例物理结构如图1-7所示。图1-7 MOSFET结构图当栅极施以正电压时，栅压在栅绝缘层中产生电场，电力线由栅电极指向半导体表面，并在表面处产生感应电荷。随着栅电压的增加，半导体表面将由耗尽层转变为电子积累层，形成反型层。当达到强反型时（即达到开启电压时），源、漏间加上电压就会有载流子通过沟道。当源漏电压很小时，导电沟道近似为一恒定电阻，漏电流随源漏电压增加而线性增大。当源漏电压很大时，它会对栅电压产生影响，使得栅绝缘层中电场由源端到漏端逐渐减弱，半导体表面反型层中电子由源端到漏端逐渐减小，沟道电阻随着源漏电压增大而增加。漏电流增加变得缓慢，对应线性区向饱和区过渡。当源

16、漏电压增到一定程度，漏端反型层厚度减为零，电压在增加，器件进入饱和区。在实际LCD生产中，主要利用a-Si：H TFT的开态（大于开启电压）对像素电容快速充电，利用关态来保持像素电容的电压，从而实现快速响应和良好存储的统一。1.3多晶硅薄膜晶体管的应用非晶硅薄膜晶体管以a-Si为半导体活性层。器件活性层中通常含有大量的悬挂键载流子的迁移率很低一般小于1cm2v-1s-1，通常进行氢处理以提高迁移率。非晶硅薄膜晶体管制作温度低，可用玻璃为基底，并具有大面积均匀性、能实现大面积彩色显示、具有大容量、高像质显示性能，但光敏退化性严重需要加掩膜层。相对于非晶硅薄膜晶体管，多晶硅薄膜晶体管具有较高的迁移

17、率、响应速度较快、易高度集成化、具有P/N 型导电模式、自对准结构、省电、抗光干扰能力强、分辨率高、可以制作集成化驱动电路等优点，更加适合于大容量的高频显示，尺寸可以做得更小，有利于提高成品率和降低生产成本，而且P/N型导电模式可以实现LCD、OLED的驱动等优点。因此其应用领域十分广泛，如有源矩阵液晶显示器、静态随机存取存储器、高速打印机、高压薄膜晶体管、传真机、三维集成电路等。目前多晶硅TFT主要应用在小尺寸显示器件上，如头戴式显示器、液晶光阀等, 大尺寸显示器主要还是LCD和PDP。但随着LCD和OLED产业的发展，人们要求显示设备轻且具有高清晰度高品质的画面，对系统的集成化程度的要求也

18、越来越高，但非晶硅TFT已经不能满足其发展的需求。随着多晶硅TFT研究的深入，制备工艺的不断改善，晶化方法11不断提出，有望在玻璃底板上实现对驱动电路、控制电路、存储电路和端口电路等的集成，从而可以大大减轻面板的重量、提高成品率、降低成本。1.4多晶硅薄膜晶体管的热载流子效应在现代亚微米和深亚微米集成电路中，热载流子注入效应是多晶硅薄膜晶体管的一个重要失效机理。在器件尺寸等比缩小的同时，器件工作电压并未能等比例减小，这就导致沟道区的横向和纵向电场显著增加。当热载流子在大于104V/cm的高电场下运动时，它从电场获得的能量大于散射过程中与晶格原子碰撞损失的能量，因而载流子的温度会超过晶格温度，这

19、样的载流子叫做热载流子。热载流子退化效应所导致器件以和电路系统的可靠性是器件的长期失效问题，它是一种积累过程。随着集成电路技术向深亚微米方向的发展，器件内的热载流子退化效应所带来的氧化层或沟道表面的损伤尺度占沟道总尺度的比例也迅速增加，所引起的器件参数或特性的变化量也明显变大，因此热载流子效应引起的器件的可靠性已成为必须考虑的因素。不仅如此，热载流子效应纳入器件设计过程成为器件设计规则之一，已是必然的趋势，这也是目前器件物理研究领域中形成的器件内热载流子效应研究比较热的原因所在。对热载流子效应的研究中，主要关心的问题是热载流子效应引起的器件特性，如阈值电压特性、跨导以和线性区和饱和区漏电流等量

20、的变化，并由此估计热载流子效应带来的器件寿命问题。热载流子效应的研究动力是寻求能削弱热载流子效应的新型器件结构，对现有器件结构通过设计新的工艺或进行工艺优化，改进器件几何结构和掺杂剖面，实现对器件系统的热载流子效应的加固，以保证系统的长期可靠性。本文的研究有利于加深对热载流子效应的理解，并分析了一些器件参数对热载流子退化的影响，以希望能对器件设计和制作有帮助。第二章 多晶硅薄膜晶体管热载流子效应在现代亚微米和深亚微米集成电路中，热载流子注入效应是多晶硅薄膜晶体管的一个重要失效机理。因此对热载流子效应的形成以和热载流子的注入机制的研究是不可忽略的。2.1 热载流子效应多晶硅薄膜晶体管在所加的漏极

21、电压形成的高电场作用下，沟道中的载流子从源向漏方向加速运动。在达到栅极边缘之前，部分“幸运”载流子能获得足以克服Si-SiO2界面势垒的能量，热电子会注入到栅下的SiO2层中去。某些热载流子与硅原子发生碰撞电离，产生电子穴对，进而产生雪崩热载流子，使沟道电流倍增。其中一部分“幸运”载流子注入到栅氧化层中后，会以其能量打开Si-O，Si-H，甚至Si-Si键，在Si-SiO2界面产生受主型界面态12，或被栅氧化层中的陷阱所俘获而形成陷阱电荷。另一方面，与单晶硅不同，多晶硅层由大量小晶粒组成，每一个晶粒都可以看作一块小单晶体，它们各自具有不同的晶向，彼此由晶界连接。晶界是晶粒间的过渡区，结构复杂，

22、其厚度通常为几个原子层。由于晶粒的取向不同，因此晶粒之间存在不完全键合且无规则排列的原子，产生大量的悬挂键，形成可成为陷阱的局域性连续型和离散型带隙能态。由于晶界中这些大量的悬挂键和缺陷态，形成了高密度陷阱。晶粒间的杂质电离产生的载流子首先被陷阱态俘获，减少了参与导电的自由载流子的数目。陷阱在俘获载流子之前是电中性的，但是在俘获载流子之后就带电了,在其周围形成一个多子势垒区，阻挡载流子从一个晶粒向另一个晶粒运动，导致载流子迁移率下降。热载流子产生的界面态和陷阱电荷都会引起器件局部电场的变化，从而导致器件特性如阈值电压、跨导和漏电流等的退化，最终引起器件以和器件所在电路的功能失效。这就是热载流子

23、效应。2.2热载流子注入栅氧层引起的退化当热载流子具有越过Si-SiO2界面势垒能量，到达Si-SiO2界面就可能出现3种情况：（1）部分载流子穿过SiO2层形成栅电流；（2）部分载流子注入到SiO2，并被陷阱俘获形成陷阱电荷；（3）另一部分载流子在陷落以前，以其能量打开处于界面上的Si-O、Si-H等键，产生受主型界面态。其中（2）（3）两个过程，最后都会导致界面(或等效的)电荷随注入时间而积累。电荷积累将在沟道区形成阻碍载流子运动的势垒。同时，界面电荷也会增强界面附近电子的库仑散射，使迁移率降低。因此，经过一段时间的积累，会使器件性能退化。器件的退化区主要位于漏结附近，但随应力时间的增加退

24、化区逐渐向源区伸展。器件性能退化主要表现为阐值电压Vth、跨导Gm、电流Id、亚阈值斜率S等参数的退化，产生器件的长期可靠性问题。然而由于热载流子引起的氧化层退化是集中在某些区域，这些区域的没有办法精确确定，所以，对这些分析的解释是非常复杂且很难证实的。2.3热载流子的注入机制目前提出的关于热载流子注入栅氧化层的注入机理有六种，包括三种在漏极附近的局部区域进行的注入：（1）沟道热电子注入（Channel Hot-Electron injection）、（2）漏极雪崩热载流子注入（Drain Avalanche Hot-electron injection）、（3）二次产生热电子注入（Secon

25、dary Generation Hot-electron injection），以和三种向整个沟道平面的注入：（4）衬底热电子注入（Substrate Hot-electron injection）、（5）F-N隧道注入（Fowler-Nordheim Tunneling injection）、（6）直接隧穿注入（Direct Tunneling injection）。对于多晶硅薄膜晶体管，工作区域主要是在一层薄薄的有源层内，下面是隐埋层，主要考虑一下两种注入机制带来的影响。1、沟道热电子注入当多晶硅薄膜晶体管沟道表面反型，载流子就会在漏极电压作用下，从源极向漏极加速运动。在到达漏极边缘之前，

26、部分载流子（主要是电子）能够获得足够的能量以翻越Si-SiO2界面势垒而注入到栅氧层中，这种电子就称为沟道热电子，简写成CHE。沟道热电子即是从沟道逃离出来的向栅氧层运动的“幸运电子”。沟道热电子能导致栅氧层或是Si-SiO2界面发生明显退化，并伴有栅极电流产生。在高的Vds的情况下，漏区附近的横向电场使电子加速，热载流子效应会更明显。多晶硅薄膜晶体管中主要的沟道热载流子效应的微观机理13： 第一，沟道方向电场使导电载流子加速，并获得高能量，它们在强栅场作用下越过Si-SiO2势垒。一般漏区附近沟道电场最大，故注入发生在该区域。第二，当沟道夹断，漏区附近较窄的耗尽区电压降很大，横向电场足以使得

27、从沟道注入到该区域的部分高能量载流子在漏区附近与晶格碰撞，产生电子空穴对，具有能克服Si-SiO2界面势垒能量的电子将注入到栅氧化层中。注入到SiO2层的热电子，一部分由栅极流出成为栅电流Ig，剩下的一部分被SiO2中的电子陷阱俘获，还有一部分到达Si-SiO2界面并形成界面陷阱。2、漏极雪崩热载流子注入还有一部分热载流子是晶体管在饱和态工作时，在夹断区域与晶格原子碰撞，通过碰撞电离，产生电子-空穴对，载流子（主要是通过碰撞电离产生的）的产生主要集中在沟道中的漏区附近。因此，碰撞电离过程在夹断区形成了由电离产生的电子和空穴组成的雪崩等离子体。雪崩等离子体中的大部分电子被漏区吸收，但还有一部分电

28、子和空穴能够获得足够的能量或者是在纵向电场的作用下克服Si-SiO2界面势垒注入到栅氧化层中。这种热载流子就是漏极雪崩热载流子，简写成DAHC。此外，二次热电子注入是在VgsVds条件下，有少数载流子的二次碰撞电离或是轫致辐射引起的，这一点和漏极雪崩热载流子有类似之处。二次热电子注入很少引起器件的退化，但是，随着器件特征尺寸进入深亚微米，这一现象也是越来越明显。图2-1栅电流随栅压的变化图2-1是栅极电流随栅压的变化曲线图。从图中可见，在低栅极偏置电压下，器件漏区电场比较高，靠近漏区氧化层中的电场禁止电子注入到栅极，因而低栅极偏置电压下栅极电流比较小；但是，由于漏区高电场的作用，碰撞电离产生的

29、电子-空穴对相对比较多，这部分载流子具有较高的能量，能注入到栅氧化层中，形成栅极电流。因为栅极电流是由准弹性散射注入到栅氧中的电子被栅极收集形成的，早期的有关热载流子可靠性的研究把栅极电流大小作为退化级别的主要指数。然而栅极电流只是那些能够克服氧化层中的镜像势阱并且到达栅极的电子。而实际上，进入栅氧的电子，大部分会被栅氧化层中的电荷陷阱俘获或是产生界面态，只是很少部分的电子能够被栅极收集形成栅极电流。 2.4 提高多晶硅薄膜晶体管抗热载流子效应的措施从器件结构和工艺的角度，抑制热载流子退化效应主要从以下两个方面14-15进行考虑：1由于热载流子的产生根源在于漏端附近的强电场，故可采用“漏极工程”（Drain engineering）。利用双扩散漏（Double Diffused Drain,DDD）或轻掺杂漏（Lightly Doped Drain,LDD）等降低电场的器件结构可以减小强电场引发的器件可靠性问题。漏极工程指通过调节漏端的掺杂分布来降低漏附近的高电场。经常采用的方法漏极轻掺杂（LDD）技术，其主要特点在于沟道末端和原有漏区之间引入了轻掺杂漏区（n-）。LDD结构降低了沟道与源（漏）区结合部位的浓度梯度。事实上，LDD区域起着浓度缓冲的作用。重要的是，LDD区域的存在，显著地降低了沟道与源（漏）区结合部位的电场强度，并将场强的峰值位置移向沟道末端，从而抑