多晶硅薄膜晶体管特性研究
摘 长春英语学校要
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、自对准结构以及耗电小、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及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，漏极应力电压及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 transistordictionary的复数
Abstract
Today, p-Si TFTs are ud broadly in display devices becau of its high field effect mobility,high integration and high speed,high definition display,n channel and p channel capability,low power consumption and lf-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 gate-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
目录
摘要………………………………………………………………………………………...……..I
Abstract……………………………………………………..…………………………………...II
第一章 绪论……………………………………………………………………………………1
1.1薄膜晶体管的发展…………………………………………………………………………1
1.2薄膜晶体管的结构以及工作原理…………………………………………………………2
1.2.1薄膜晶体管的结构…………………………………………………………………….2
1.2.2薄膜晶体管的工作原理…………………………………………………………….…3
1.3多晶硅薄膜晶体管的应用…………………………………………………………………4
1.4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…………………………...………………6
2.1热载流子效应………………………………………………………………………………6
2.2热载流子注入栅氧化层引起的退化………………………………………………………6
2.3什么是预科热载流子的注入机制………………………………………………………………..…..…7
judd2.4 提高多晶硅薄膜晶体管抗热载流子效应的措施……………………………………..…9
2.5本章小结………………………………………………………………………………....…9
第三章 多晶硅薄膜晶体管可靠性研究………………..………………………………10
3.1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……………………..10
3.1.1 阈值电压变化与栅极应力电压的关系……………………………………………10
3.1.2 阈值电压变化与漏极应力电压的关系…………………………………………….11
3.1.3 阈值电压变化与应力时间的关系……………………………………………….…12
3.2 LDD多晶硅薄膜晶体管………………………………………………..……………12
3.3 LDD多晶硅薄膜晶体管对热载流子效应的改善………………………………..…13
3.4 LDD多晶硅薄膜晶体管的结构参数对可靠性的影响…………………………….14
3.4.1 LDD区注入能量对器件的影响………………………………………………..14
overall是什么意思
3.4.2 LDD区掺杂浓度对横向电场的影响…………………………………………...15
3.4.3 LDD区掺杂浓度对驱动性能的影响…………………………………………...16
3.5 LDD结构多晶硅薄膜晶体管热载流子退化的简单模型………………………….……17
3.6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、Spear和Ghaith用a-Si:H做有源层，做成如图1-1所示的TFTno bra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Tsumurathe cross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（PCG）；即使当薄膜严重扭曲，仍能正常工作。1998年，IBM[2]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突出-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，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trashcanTFT领域新竞争的开始。2005年，Chiang H.Q[4]等人利用ZIO作为活性层制得开关比107的薄膜晶体管。2006年，ChengH.C[5]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及工作原理
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、栅绝缘层及其管体构成，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 所占的体积比较大, 影响开关率, 主要应用在a- Si TFT LCD 中。
Offt结构[7]：图1-4是利用半导体的侧蚀技术制备的Offt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1-4Offt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Offt 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误差明显减少, 关态电流最小可达 4×10-10A。
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[10]。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 TFTmarketing management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。
