半導體器件物理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 5 TFT的應用前景 2 TFT的發(fā)展歷程 1 1934年第一個TFT的發(fā)明專利問世 設想 2 TFT的真正開始 1962年 由Weimer第一次實現(xiàn) 特點 器件采用頂柵結(jié)構(gòu) 半導體活性層為CdS薄膜 柵介質(zhì)層為SiO 除柵介質(zhì)層外都采用蒸鍍技術 器件參數(shù) 跨導gm 25mA V 載流子遷移率150cm2 vs 最大振蕩頻率為20MHz CdSe 遷移率達200cm2 vs TFT與MOSFET的發(fā)明同步 然而TFT發(fā)展速度及應用遠不及MOSFET 3 TFT的發(fā)展歷程 3 1962年 第一個MOSFET實驗室實現(xiàn) 4 1973年 實現(xiàn)第一個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 實現(xiàn)了基于非晶硅 TFT 隨后實現(xiàn)驅(qū)動LCD顯示 遷移率 1cm2 vs 但空氣 H2O O2 中相對穩(wěn)定 6 80年代 基于CdSe 非晶硅TFT研究繼續(xù)推進 另外 實現(xiàn)了基于多晶硅TFT 并通過工藝改進電子遷移率從50提升至400 當時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LCD有源驅(qū)動的主流 4 7 90年代后 繼續(xù)改進a Si p SiTFT的性能 特別關注低溫多晶硅TFT制備技術 非晶硅固相晶化技術 有機TFT 氧化物TFT亦成為研究熱點 有機TFT具有柔性可彎曲 大面積等優(yōu)勢 TFT發(fā)展過程中遭遇的關鍵技術問題 低載流子遷移率 穩(wěn)定性和可靠性 低溫高性能半導體薄膜技術 低成本 大面積沉膜 挑戰(zhàn) 在玻璃或塑料基底上生長出單晶半導體薄膜 TFT的發(fā)展歷程 5 TFT的種類 按采用半導體材料不同分為 無機TFT 有機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 有機復合型TFT 采用無機納米顆粒與聚合物共混制備半導體活性層 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 VGS VT 導電溝道形成 此時當VDS存在時 則形成IDS 對于恒定的VDS VGS越大 則溝道中的可動載流子就越多 溝道電阻就越小 ID就越大 即柵電壓控制漏電流 對于恒定的VGS 當VDS增大時 溝道厚度從源極到漏極逐漸變薄 引起溝道電阻增加 導致IDS增加變緩 當VDS VDsat時 漏極被夾斷 而后VDS增大 IDS達到飽和 8 工作原理 與MOSFET相似 TFT也是通過柵電壓來調(diào)節(jié)溝道電阻 從而實現(xiàn)對漏極電流的有效控制 與MOSFET不同的是 MOSFET通常工作強反型狀態(tài) 而TFT根據(jù)半導體活性層種類不同 工作狀態(tài)有兩種模式 對于a SiTFT OTFT 氧化物TFT通常工作于積累狀態(tài) 對于p SiTFT工作于強反型狀態(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)柵誘導電荷可表示為 在忽略擴散電流情況下 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Vd Vg時 3 式簡化為 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的開關特性 VG對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 開關電流比 關態(tài)電流 閾值電壓 跨導 12 3 p SiTFF中的Kink效應 機理 高VD VD VDsat 時 夾斷區(qū)因強電場引起碰撞電離所致 此時ID電流可表示為 為碰撞電離產(chǎn)生率 與電場相關 類似于pn結(jié)的雪崩擊穿 13 4 Gate biasStressEffect 柵偏壓應力效應 負柵壓應力 正柵壓應力 現(xiàn)象1 閾值電壓漂移 負柵壓應力向正方向漂移 正柵壓應力向負方向漂移 產(chǎn)生機理 可動離子漂移 14 負柵壓應力 正柵壓應力 現(xiàn)象2 亞閾值擺幅 S 增大 機理 應力過程弱Si Si斷裂 誘導缺陷產(chǎn)生 15 5 p SiTFFC V特性 下圖為不同溝長TFT在應力前后的C V特性 自熱應力 BTS biastemperaturestress VG VD 30V T 55oC 應力作用產(chǎn)生缺陷態(tài) 引起C V曲線漂移 16 6 p SiTFF的改性技術 1 非晶硅薄膜晶化技術 更低的溫度 更大的晶粒 進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 改善穩(wěn)定性 4 基于玻璃或塑料基底的低溫工藝技術 350oC 17 p SiTFT制備工藝流程 1 簡單的底柵頂結(jié)構(gòu)型 Intrinsicp Si S Dcontacts 硅片氧化 光刻柵電極 多晶硅生長及金屬化 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 光刻柵電極 柵氧化 多晶硅生長及金屬化 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渡層 a Si膜 a Si晶化 光刻隔離區(qū) 沉積柵介質(zhì)層 實現(xiàn)器件隔離 柵重疊區(qū)輕摻雜 以減小泄漏電流 3 自對準頂柵結(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制備中的關鍵工藝技術 1 LTPSTFTLCDs技術水平 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 a Sithinfilm p Sithinfilm 晶化 1 p Si薄膜制備方法 低壓化學汽相沉積 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 射頻指無線電波發(fā)射范圍的頻率 為了避免干擾電臺工作 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 機殼 接地 陽極靶材接射頻電源 陰極 負電位 特點 可用于濺射介質(zhì)材料 也可濺射導電材料 但 電源貴 人身要防護 25 特點 1 單晶硅作為靶材 2 與基片粘附力強 成膜牢固 3 成膜厚度容易控制 3 不受材料熔點限制 4 成膜面積相對較大 5 基底溫度相對低 6 薄膜大都為非晶相 26 低壓化學氣相沉積 LPCVD Low PressureCVD 特點 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) 半導體的沉積 SiH4 H2 N2 27 等離子增強化學氣相沉積 PECVD PlasmaEnhancedCVD 直流輝光放電射頻放電脈沖放電微波放電等 特點 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 晶化方法與對應的TFT遷移率的關系 SPC Solid PhaseCrystallization MILC Metal inducedLateralCrystallization ELA ExcimerLaserCrystallization 橫向激光晶化示意圖 29 對于不同晶化方法在不同晶化溫度和時間下制備TFT的遷移率 數(shù)據(jù)值 遷移率與晶粒大小關系 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摻雜技術相比 p Si摻雜特點 a 襯底的低熱導率要求 溫和 的摻雜工藝以緩解對光阻的熱損傷 b 注入能量適合于有掩蔽層 或掩蔽層 時薄膜 100nm 的摻雜 c 設備簡單 低成本 且能對大面積基底實現(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 對于塑料基底 200oC 32 TFT器件典型性能參數(shù)及特點比較 注 表中數(shù)據(jù)僅為典型值 33 TFT的主要應用 1 LCD OLED顯示有源驅(qū)動的關鍵器件 右圖為簡單的兩管組成的模擬驅(qū)動方式 通過調(diào)制驅(qū)動管T2的柵極電流來控制流過OLED的電流 從而達到調(diào)節(jié)發(fā)光亮度的目的 T1管為尋址管 寫信號時 掃描線處于低電位 T1導通態(tài) 數(shù)據(jù)信號存到電容C1上 顯示時 掃描線處于高電位 T2受存儲電容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 工藝指標 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TFT的全打印7階環(huán)形振蕩器電路 37 全打印技術制備n p溝TFT 38 3 敏感元件 如 氣敏 光敏 PH值測定 N2O氣體環(huán)境 N2OGasSensors原理圖 溶液PH值測定原理圖 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試及參數(shù)提取 3 了解p SiTFT的主要效應及機理 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 6 了解不同類型薄膜晶體管性能和工藝上優(yōu)勢和不足 7 了解薄膜晶體管的主要應用 40