半導(dǎo)體器件物理ppt課件

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第六章薄膜晶體管 TFT 1 主要內(nèi)容 1 TFT的發(fā)展歷程 2 TFT的種類 結(jié)構(gòu)及工作原理 3 p siTFT的電特性 4 p siTFT的制備技術(shù) 5 TFT的應(yīng)用前景 2 TFT的發(fā)展歷程 1 1934年第一個(gè)TFT的發(fā)明專利問(wèn)世 設(shè)想 2 TFT的真正開(kāi)始 1962年 由Weimer第一次實(shí)現(xiàn) 特點(diǎn) 器件采用頂柵結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體活性層為CdS薄膜 柵介質(zhì)層為SiO 除柵介質(zhì)層外都采用蒸鍍技術(shù) 器件參數(shù) 跨導(dǎo)gm 25mA V 載流子遷移率150cm2 vs 最大振蕩頻率為20MHz CdSe 遷移率達(dá)200cm2 vs TFT與MOSFET的發(fā)明同步 然而TFT發(fā)展速度及應(yīng)用遠(yuǎn)不及MOSFET 3 TFT的發(fā)展歷程 3 1962年 第一個(gè)MOSFET實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn) 4 1973年 實(shí)現(xiàn)第一個(gè)CdSeTFT LCD 6 6 顯示屏 TFT的遷移率20cm2 vs Ioff 100nA 之后幾年下降到1nA 5 1975年 實(shí)現(xiàn)了基于非晶硅 TFT 隨后實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)LCD顯示 遷移率 1cm2 vs 但空氣 H2O O2 中相對(duì)穩(wěn)定 6 80年代 基于CdSe 非晶硅TFT研究繼續(xù)推進(jìn) 另外 實(shí)現(xiàn)了基于多晶硅TFT 并通過(guò)工藝改進(jìn)電子遷移率從50提升至400 當(dāng)時(shí)p SiTFT制備需要高溫沉積或高溫退火 a SiTFT因低溫 低成本 成為L(zhǎng)CD有源驅(qū)動(dòng)的主流 4 7 90年代后 繼續(xù)改進(jìn)a Si p SiTFT的性能 特別關(guān)注低溫多晶硅TFT制備技術(shù) 非晶硅固相晶化技術(shù) 有機(jī)TFT 氧化物TFT亦成為研究熱點(diǎn) 有機(jī)TFT具有柔性可彎曲 大面積等優(yōu)勢(shì) TFT發(fā)展過(guò)程中遭遇的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 低載流子遷移率 穩(wěn)定性和可靠性 低溫高性能半導(dǎo)體薄膜技術(shù) 低成本 大面積沉膜 挑戰(zhàn) 在玻璃或塑料基底上生長(zhǎng)出單晶半導(dǎo)體薄膜 TFT的發(fā)展歷程 5 TFT的種類 按采用半導(dǎo)體材料不同分為 無(wú)機(jī)TFT 有機(jī)TFT 化合物 CdS TFT CdSe TFT 氧化物 ZnO TFT 硅基 非晶Si TFT 多晶硅 TFT 基于小分子TFT 基于高分子聚合物TFT 無(wú) 有機(jī)復(fù)合型TFT 采用無(wú)機(jī)納米顆粒與聚合物共混制備半導(dǎo)體活性層 6 TFT的常用器件結(jié)構(gòu) 雙柵薄膜晶體管結(jié)構(gòu) 薄膜晶體管的器件結(jié)構(gòu) 7 TFT的工作原理 一 MOS晶體管工作原理回顧 當(dāng) VGS VT 導(dǎo)電溝道形成 此時(shí)當(dāng)VDS存在時(shí) 則形成IDS 對(duì)于恒定的VDS VGS越大 則溝道中的可動(dòng)載流子就越多 溝道電阻就越小 ID就越大 即柵電壓控制漏電流 對(duì)于恒定的VGS 當(dāng)VDS增大時(shí) 溝道厚度從源極到漏極逐漸變薄 引起溝道電阻增加 導(dǎo)致IDS增加變緩 當(dāng)VDS VDsat時(shí) 漏極被夾斷 而后VDS增大 IDS達(dá)到飽和 8 工作原理 與MOSFET相似 TFT也是通過(guò)柵電壓來(lái)調(diào)節(jié)溝道電阻 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流的有效控制 與MOSFET不同的是 MOSFET通常工作強(qiáng)反型狀態(tài) 而TFT根據(jù)半導(dǎo)體活性層種類不同 工作狀態(tài)有兩種模式 對(duì)于a SiTFT OTFT 氧化物TFT通常工作于積累狀態(tài) 對(duì)于p SiTFT工作于強(qiáng)反型狀態(tài) 工作于積累狀態(tài)下原理示意圖 TFT的工作原理 9 TFT的I V描述 在線性區(qū) 溝道區(qū)柵誘導(dǎo)電荷可表示為 在忽略擴(kuò)散電流情況下 漏極電流由漂移電流形成 可表示為 1 2 1 代入 2 積分可得 3 當(dāng)Vd Vg時(shí) 3 式簡(jiǎn)化為 在飽和區(qū) Vd Vg Vth 將Vd Vg Vth代入 3 式可得 4 10 p SiTFT的電特性 1 TFT電特性測(cè)試裝置 p Si 高摻雜p Si 11 2 p SiTFF器件典型的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性反映TFT的開(kāi)關(guān)特性 VG對(duì)ID的控制能力 輸出特性反映TFT的飽和行為 特性參數(shù) 遷移率 開(kāi)關(guān)電流比 關(guān)態(tài)電流 閾值電壓 跨導(dǎo) 12 3 p SiTFF中的Kink效應(yīng) 機(jī)理 高VD VD VDsat 時(shí) 夾斷區(qū)因強(qiáng)電場(chǎng)引起碰撞電離所致 此時(shí)ID電流可表示為 為碰撞電離產(chǎn)生率 與電場(chǎng)相關(guān) 類似于pn結(jié)的雪崩擊穿 13 4 Gate biasStressEffect 柵偏壓應(yīng)力效應(yīng) 負(fù)柵壓應(yīng)力 正柵壓應(yīng)力 現(xiàn)象1 閾值電壓漂移 負(fù)柵壓應(yīng)力向正方向漂移 正柵壓應(yīng)力向負(fù)方向漂移 產(chǎn)生機(jī)理 可動(dòng)離子漂移 14 負(fù)柵壓應(yīng)力 正柵壓應(yīng)力 現(xiàn)象2 亞閾值擺幅 S 增大 機(jī)理 應(yīng)力過(guò)程弱Si Si斷裂 誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生 15 5 p SiTFFC V特性 下圖為不同溝長(zhǎng)TFT在應(yīng)力前后的C V特性 自熱應(yīng)力 BTS biastemperaturestress VG VD 30V T 55oC 應(yīng)力作用產(chǎn)生缺陷態(tài) 引起C V曲線漂移 16 6 p SiTFF的改性技術(shù) 1 非晶硅薄膜晶化技術(shù) 更低的溫度 更大的晶粒 進(jìn)一步提高載流子遷移率 3 采用高k柵介質(zhì) 降低閾值電壓和工作電壓 2 除氫技術(shù) 改善穩(wěn)定性 4 基于玻璃或塑料基底的低溫工藝技術(shù) 350oC 17 p SiTFT制備工藝流程 1 簡(jiǎn)單的底柵頂結(jié)構(gòu)型 Intrinsicp Si S Dcontacts 硅片氧化 光刻?hào)烹姌O 多晶硅生長(zhǎng)及金屬化 刻蝕背面氧化層 光刻形成源漏接觸 柵氧化 18 2 完整的底柵頂接觸型結(jié)構(gòu) 本征p Si n p Si S Dcontacts 硅片氧化 光刻?hào)烹姌O 柵氧化 多晶硅生長(zhǎng)及金屬化 刻蝕金屬形成源漏接觸 刻蝕晶體管分離 刻蝕S D之外的n P Si 19 a b c 在基底上依次沉積過(guò)渡層 a Si膜 a Si晶化 光刻隔離區(qū) 沉積柵介質(zhì)層 實(shí)現(xiàn)器件隔離 柵重疊區(qū)輕摻雜 以減小泄漏電流 3 自對(duì)準(zhǔn)頂柵結(jié)構(gòu)p SiTFTs工藝流程 Poly Si 柵介質(zhì) n 摻雜區(qū) 20 d e p doped S DMetal GateMetal GOLDD Gate overlappedlightlydopeddrain ForDriveTFT highreliabilityandhighon current ForPixelTFT lowleakagecurrent 沉積金屬膜 確定柵極 源 漏區(qū)高摻雜并實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)激活 n doped 沉積隔離層 光刻源 漏接觸孔 沉積金屬層 光刻形成源漏電極 隔離介質(zhì)層 21 p SiTFT制備中的關(guān)鍵工藝技術(shù) 1 LTPSTFTLCDs技術(shù)水平 2002年 2005年 2009年 320 240 640 480 刷新頻率 1024 768 50 60 60 120 22 2002年 2005年 2009年 TEOS 正硅酸乙酯 23 2 p Si薄膜制備技術(shù) a Sithinfilm p Sithinfilm 晶化 1 p Si薄膜制備方法 低壓化學(xué)汽相沉積 LPCVD 方法2 方法1 直接沉積p Sithinfilm 早期CVD poly Mixture AmporphousLPCVD poly Mixture Amporphous 24 2 Si薄膜制備方法比較 射頻濺射 RF Radio FrequencySputtering 射頻指無(wú)線電波發(fā)射范圍的頻率 為了避免干擾電臺(tái)工作 濺射專用頻率規(guī)定為13 56MHz 原理 用射頻電源代替直流電源 在交變電場(chǎng)作用下 氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩 并電離為等離子體 電路 基片電極 機(jī)殼 接地 陽(yáng)極靶材接射頻電源 陰極 負(fù)電位 特點(diǎn) 可用于濺射介質(zhì)材料 也可濺射導(dǎo)電材料 但 電源貴 人身要防護(hù) 25 特點(diǎn) 1 單晶硅作為靶材 2 與基片粘附力強(qiáng) 成膜牢固 3 成膜厚度容易控制 3 不受材料熔點(diǎn)限制 4 成膜面積相對(duì)較大 5 基底溫度相對(duì)低 6 薄膜大都為非晶相 26 低壓化學(xué)氣相沉積 LPCVD Low PressureCVD 特點(diǎn) 壓力低 只需10Pa 沉積速度較低 0 01 0 1um min 均勻性好 可用于介質(zhì) 半導(dǎo)體的沉積 SiH4 H2 N2 27 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 PECVD PlasmaEnhancedCVD 直流輝光放電射頻放電脈沖放電微波放電等 特點(diǎn) 沉積溫度較低 加放電電源 使氣體離化 等離子體 SiH4 H2 N2 28 3 a Si薄膜晶化方法比較 晶化方法與對(duì)應(yīng)的TFT遷移率的關(guān)系 SPC Solid PhaseCrystallization MILC Metal inducedLateralCrystallization ELA ExcimerLaserCrystallization 橫向激光晶化示意圖 29 對(duì)于不同晶化方法在不同晶化溫度和時(shí)間下制備TFT的遷移率 數(shù)據(jù)值 遷移率與晶粒大小關(guān)系 30 4 p SiTFT制備中的摻雜及雜質(zhì)激活 摻雜工藝 離子注入 汽相沉積 CVD 雜質(zhì)源 P As B 等 雜質(zhì)源 POCl3 PH3 B2H6 雜質(zhì)激活方法 熱退火 快速熱退火 激光退火 固相擴(kuò)散 TFT制備中基本不采用 TFT制備中基本不采用 TFT制備中采用 TFT制備中采用 31 與VLSI摻雜技術(shù)相比 p Si摻雜特點(diǎn) a 襯底的低熱導(dǎo)率要求 溫和 的摻雜工藝以緩解對(duì)光阻的熱損傷 b 注入能量適合于有掩蔽層 或掩蔽層 時(shí)薄膜 100nm 的摻雜 c 設(shè)備簡(jiǎn)單 低成本 且能對(duì)大面積基底實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)率 d 摻雜工藝與低溫雜質(zhì)激活工藝兼容 通常 650oC 對(duì)于塑料基底 200oC 32 TFT器件典型性能參數(shù)及特點(diǎn)比較 注 表中數(shù)據(jù)僅為典型值 33 TFT的主要應(yīng)用 1 LCD OLED顯示有源驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵器件 右圖為簡(jiǎn)單的兩管組成的模擬驅(qū)動(dòng)方式 通過(guò)調(diào)制驅(qū)動(dòng)管T2的柵極電流來(lái)控制流過(guò)OLED的電流 從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)光亮度的目的 T1管為尋址管 寫(xiě)信號(hào)時(shí) 掃描線處于低電位 T1導(dǎo)通態(tài) 數(shù)據(jù)信號(hào)存到電容C1上 顯示時(shí) 掃描線處于高電位 T2受存儲(chǔ)電容C1上的電壓控制 使OLED發(fā)光 OTFT OLED單元 34 35 柔性基底上制備的超高頻RFCPU芯片 主要性能指標(biāo) 工藝指標(biāo) 2 基于TFT的數(shù)字邏輯集成電路 RF頻率 915MHz編碼調(diào)制方式 脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)速率 70 18kbits sCPU時(shí)鐘 1 12MHzROM 4kB RAM 512B 0 8m多晶硅TFT工藝晶體管數(shù)目 144k芯片面積 10 5 8 9mm2 36 基于有機(jī)TFT的全打印7階環(huán)形振蕩器電路 37 全打印技術(shù)制備n p溝TFT 38 3 敏感元件 如 氣敏 光敏 PH值測(cè)定 N2O氣體環(huán)境 N2OGasSensors原理圖 溶液PH值測(cè)定原理圖 Phototransistor結(jié)構(gòu)圖 39 思考題 1 了解薄膜晶體管基本結(jié)構(gòu) 工作原理 2 掌握薄膜晶體管電性能的測(cè)試及參數(shù)提取 3 了解p SiTFT的主要效應(yīng)及機(jī)理 4 掌握p SiTFT制備工藝流程 5 了解非晶硅薄膜晶化的方法及特點(diǎn) 6 了解不同類型薄膜晶體管性能和工藝上優(yōu)勢(shì)和不足 7 了解薄膜晶體管的主要應(yīng)用 40