多晶硅薄膜晶体管的串联电阻模型

I 多晶硅薄膜晶体管的串联电阻模型 中文摘要 本文提出了多晶硅薄膜晶体管 (串联电阻物理模型。该模型针对器件的物理结构，详细地分析了栅极与源漏极交叠区域（即源漏掺杂离子横向扩散进入本征沟道所形成的交叠区域）中存在的三种物理效应：栅压诱导产生的载流子积累效应、电流路径的发散效应以及晶粒间界势垒对载流子的调制效应。据此建立了多晶硅 联电阻模型，该模型可以准确的描述多晶硅 联电阻对栅压的非线性依赖关系。利用该模型计算得到的串联电阻值可以与实验提取值很好地吻合，并在 种不同工艺的多晶硅 件上都得到了验证。 此外，我们还对上述模型进行了进一步的讨论与优化，得到了串联电阻模型的解析表达式，从解析表达式中可以看出器件参数对多晶硅 联电阻的影响，并逐一澄清了串联电阻的各个分量。 最终， 本文提出了一些可以有效减小串联电阻的方法。 关键词： 多晶硅，薄膜晶体管，串联电阻，物理模型 作 者：何荣华 指导老师：王明湘 is to By to of in is on In we a of an to on to of to e 目 录 第一章 绪论 .板显示技术 . 液晶显示器 . 有机发光显示器 . 等离子显示器 .晶硅 论 . 多晶硅 术的优点 . 多晶硅 构 . 低温多晶硅 造工艺简介 .验样品的制备及测试仪器 . 多晶硅薄膜晶体管的制备 . 实验测试仪器 .考文献 .二章 串联电阻模型的研究现状 .晶硅中的 .的 . 联结构的 . 联结构的 .章小结 .考文献 .三章 多晶硅 串联电阻模型 .晶硅的晶粒间界势垒模型 . 多晶硅的晶粒间界缺陷 . 多晶硅的晶粒间界势垒对载流子迁移率的调制 .验结果与模型的验证 . 实验结果的比较 . 模型参数的合理性验证 .型的优化与解析表达式 . 模型的优化 . 串联电阻的解析表达式 .小串联电阻的方法 .章小结 .考文献 .四章 结论及未来工作 . 谢 .1 第一章 绪论 进入 21 世纪以来，电子信息技术产业发展迅速，随着市场需求的急剧增长，以液晶显示 (为代表的平板显示 (技术迅速崛起，平板显示产业被视为是 21 世纪最具发展潜力的电子信息产业之一1-2。 以液晶为介质、以薄膜晶体管 (控制元件的光电子产品，它的应用涉及了电视、电脑以及移动电话、数码相机等便携式电子设备。相对于传统的阴极射线管（ 示器来说， 有平板化、低功耗、低辐射、使用寿命长等优点。 作为平板显示技术的核心部件，多晶硅薄膜晶体管 (越来越受到社会的广泛关注。多晶硅 术的持续进步，推动了液晶显示技术向着高分辨率和高清晰度的方向发展。 与之前应用较广的非晶硅薄膜晶体管 (比，多晶硅 载流子迁移率及驱动电流等方面表现出更大的优势3-4，发展前景更为广阔，多晶硅 被认为是未来大屏幕显示、高分辨率平板显示的首选驱动方法。随着市场需求的进一步扩大，多晶硅 件的尺寸也越做越小，这就不可避免地带来了很多寄生效应，使得对多晶硅 性的建模变得越来越复杂，但是基于其优越的应用前景，多晶硅 术向前发展的同时也促进了人们对其器件物理模型及参数的研究。 板显示技术 晶显示器 晶显示器是 简称， 构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体， 两片平行玻璃板中间有许多在垂直和水平方向上分布的细小电线，通过外加电场促使杆状液晶分子扭转改变方向，光线即可透射出来产生画面。液晶显示是目前市面上最常见的平板显示器，液晶显示器结构简单，重量轻，可 2 以做得很薄，而且工作寿命比较长，进入市场以后，广受消费者欢迎，很快就成为主流的平板显示器5。液晶显示器的阈值电压很低，因而可以采用 成电路进行低电压驱动，这样的驱动方式功耗低，耗能少，环保性能好，这些都是 晶显示器突出的优势。更关键的是， 晶显示器可以实现高分辨率、全彩色的显示。晶显示器的这些优点，使得其适用于大规模自动化生产，拥有相当强的市场竞争力，使用也越来越广。当然了，液晶显示器本身也存在一些缺点，比如：高质量的液晶显示器造价昂贵，不能广泛推广；液晶显示器的视角相对于阴极射线管显示器较小，会影响显示色彩的对比度，但是目前已经找到解决办法，使得液晶显示器的视角接近 平，但往往成本较高，仅限于高档次的液晶显示器上使用。另外，液晶的响应时间易受使用环境温度的影响，在低温时往往响应速度会变慢。 机发光显示器 机发光显示器）是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入与复合导致发光的显示器6。 用电流驱动方式，基于多晶硅 扫描线路可以直接构建在玻璃衬底上，而不需要额外增加外围的驱动器和互连线。作为显示器件， 其独特的技术特点（竞争优势） 。 首先， 有更薄更轻、主动发光（不需要背光源） 、无视角问题、高清晰度、高亮度、可实现柔软显示等特点，而且响应速度极快、耗能较低、可使用的环境温度范围更广，制造成本更低，因而被业界认为是最理想和最具发展前景的下一代显示技术7。 如下不可替代的特点： 1）更容易实现白光； 2）无需背光源，因为 身就是真正的面光源，可直接用于照明； 3）可以实现厚度小于 2超薄光源； 4）能够制成可弯曲的、任意形状的光源； 5）制造工艺更简单，甚至可以通过喷墨打印、丝网印刷等方法制备大面积光源； 6）高效节能，无污染。 7）低电压直流驱动，耗能更低、使用更安全。 3 当然， 必然存在其缺点：首先是工程障碍， 然已经进入商品化生产阶段，但是往往局限于手机、 车音响等小尺寸显示设备，大尺寸 次， 色彩均匀性仍然有问题，在长时间使用后会出现色彩不均匀的问题。 离子显示器 等离子显示器即 称 继阴极射线管 (液晶屏 (后的一种新颖的直视式图像显示器。作为优秀的视频显示设备和高清晰的电脑显示器，等离子体显示器以出众的图像效果、独特的数字信号直接驱动方式被用户广泛接受，因而使之成为高清数字电视的最佳显示设备8。 1）与传统 示器相比，等离子显示器的体积更小、重量更轻，而且无 外，由于 个发光单元的结构是完全一致的，这样的设计能够有效解决 示器中常见的图像畸变的问题。 2）与 晶显示屏相比，等离子显示器的亮度更高、色彩还原性更好、灰度更为丰富，且对迅速变化的画面响应速度也比液晶显示器快。 示器的屏幕亮度高达 150 勒克斯，即使在明亮的环境下也可以尽情地体验大画面带来的视觉感受。 3） 示器可以做得很轻薄，而且很容易与大规模集成电路集成在一起，结构更加简单， 体内零部件可任意拆卸， 同时也因此能够大幅度减少机子的体积和重量，效果十分理想。 艺方便易行，很适合现代化大批量生产。 发展前景 ：虽然等离子显示器诞生时间比较早，但是一直没有被用户广泛接受，主要原因是其定价高，而且动态画面品质未能超越普通显示器，因此这几年来等离子显示器仍未能打入市场。不过仍有不少公司采取积极态度，不但没有放弃等离子显示器的研制，更制造出 第二代的等离子电视机， 下电器便是其中的代表。第二代等离子显示器采用了一种全新 的扫描方式，名为双重扫描（ ，方法是将整个显示画面分为上下两半，然后上半面及下半面可以同时进行扫描，这样做的好处是可大大缩短扫描时间，使得整个画面的颜色更平均自然，能够有效地降低动态画面的噪声，使显示的画面更为细腻。 4 晶硅 论 晶硅 术的优点 在目前的 术中，为了实现高对比度、大屏幕显示等目的，主流的高性能 多数都采用有源矩阵液晶显示技术 ( 主要特点是它为每个像素都分别配置一个开关元件，这样每个像素都可以由相应的点脉冲直接控制，因而每个节点都是相对独立的。这样的设计既缩短了反应时间，又能够精确地控制灰度，显示的色彩比其他显示技术更为逼真。 目前，在 源矩阵液晶显示技术中，研究得最多、工艺最成熟、生产规模最大的是非晶硅 。这是由于非晶硅 有较高的电阻率，不需要对器件进行特殊的隔离，因而可以采用简单的器件结构，制备过程可采用传统的光刻技术。另外，由于非晶硅 低温工艺，所以在大面积的玻璃衬底上制作是可行的，制造成本较低，适合大规模生产。但是非晶硅薄膜晶体管的迁移率很低 (典型值为 s)，且开态电流偏小，难以在高分辨率时有很好的表现，而多晶硅 好弥补了这些缺陷：多晶硅 载流子迁移率比非晶硅 高出两个数量级，而且在获得相同驱动电流的情况下，多晶硅 器件尺寸要比非晶硅 两个数量级。所以多晶硅 像素结构更细微，更易于获得高开口率，能够实现低功耗、高分辨和高速的响应。多晶硅 另一个重要对优势在于，它可以在显示基板上实现同时制备有源矩阵以及周边的驱动电路， 进而实现一个完整的显示系统集成于同一基板，这样就能够大幅度地提升产品性能，实现低成本和轻薄化生产，并且有效地避免了液晶面板与周边驱动电路的板级组装与互连，有利于提高显示系统的可靠性。基于上述优势，多晶硅 术必将成为有源矩阵液晶显示技术中非常重要的一项技术，应用前景十分广阔3-5。 晶硅 构 多晶硅薄膜晶体管的器件结构与 常相似，只不过多晶硅 是以 5 单晶硅为衬底，而是在绝缘材料（玻璃或是覆盖 淀积本征多晶硅薄膜作为器件有源区（如图 示） 。而且，多晶硅 一个很大的区别在于多晶硅薄膜中存在着大量的晶粒间界缺陷 (GB 这些缺陷会捕获相邻晶粒的载流子，形成晶粒间界势垒，这些势垒对载流子的迁移率有调制作用，所以多晶硅 载流子输运机制要比单晶硅 杂得多9-11。图 多晶硅 典型结构示意图 ,本文研究的 是传统的顶栅结构的 图 晶硅 典型结构图 温多晶硅 造工艺简介 低温多晶硅 (术是指在温度低于 600的条件下制备多晶硅薄膜晶体管的技术，目前制备低温多晶硅的方法主要有： (1) 准分子激光结晶法（ 准分子激光晶化12-13的主要优点是短脉冲宽度（ 15，浅光学吸收深度，短波长，高能量，使得非晶硅 融化的时间非常短（ 50，衬底发热小，因此可以在玻璃基板上实现。此外，利用 术，通过适当的选择，还可以实现混合晶化，即在同一片基板上的不同区域获得多晶硅与非晶硅的混合体。目前最常用的激光器有三种： 光器、 光器和 光器， 对应的波长分别为 19324808璃基板上的非晶硅层会强烈吸收这种波段的紫外光，从而驱使其融化与再结晶。由于非晶硅在脉冲辐照期间的热扩散长度很短（小于 100，因此只有非晶硅层会出现融化现象，玻璃基板的温度仍然很低（低于 400） ，这就使得 术 6 可以使用廉价的普通玻璃作为基板13，大大缩减成本。此外，通过 艺还可以获得大面积的多晶硅薄膜（通过一维交叠或二维交叠的方式） ，但是这种方式存在脉冲交叠处结晶质量均匀性很差的问题。目前 艺存在的主要问题是：大面积均匀性差，杂质激活比较困难，这些问题都值得我们去做进一步的了解与研究。 (2) 金属诱导横向结晶法（ 最新发展起来的 术也受到了越来越多的关注14-17，因为 术能够得到高性能和高均匀性的多晶硅薄膜，而且 术是批量工艺，适合大面积生产。在 术中，利用 ）进行诱导结晶是目前主流的方法。 主要形式为金属 硝酸盐溶液。通常认为， 诱导结晶的发生是由于发生了于 晶格结构非常相似，晶格常数相差仅为 在低于 350 C 时可以形成 此可以有效地降低晶化温度（一般 500 C 以下） 。 图 示的是 结晶示意图。在退火时，金属 非晶硅接触处最先结晶，随着退火的进一步深入，这些最先结晶的区域逐步向外扩展，晶粒逐渐长大，最后在低温下形成完整的 膜。由于在沟道中晶体是横向结晶的，因此这种工艺被称为金属诱导横向结晶。与其它工艺相比， 艺形成的多晶硅薄膜均匀性较好，而且 艺可以大批量生产，且成本较低，更能迎合市场的需求。 图 术结晶示意图 (3) 固相结晶法（ 固相结晶法18先是采用 者 方法在基板上淀积一层非晶硅薄膜，然后在高温（高于 600）下，经过 10 到 100 小时的退火，使非晶硅薄膜结晶， 7 形成多晶硅薄膜。 结晶过程包含了成核与长大，一旦晶核超过一定临界尺寸后就可以进一步的长大。用 法得到的多晶硅薄膜的晶粒尺寸依赖于非晶硅的淀积温度、退火炉温以及非晶硅薄膜的厚度，一般来说，退火温度越高，晶粒尺寸就会越大，而大晶粒尺寸对提高多晶硅薄膜晶体管的特性是有帮助的，因为多晶硅薄膜的载流子迁移率与晶粒尺寸是相关的。因此通过高温（高于 600）制备的多晶硅薄膜普遍具有较高的电子迁移率， 但是高温过程要求衬底使用石英玻璃或者其他耐高温的玻璃基板，这无疑增加了生产的成本，所以降低多晶硅薄膜生长的温度是多晶硅 外，对于 术来说，另一个明显的缺点是退火时间太长，很难达到大批量快速生产的要求。 实验样品的制备及测试仪器 多晶硅薄膜晶体管的制备 本文研究中用到了三种不同类型的多晶硅 别是 N 型 P 型P 型 为传统的顶栅结构，具体的制作工艺流程如下： . 在单晶硅片上热氧化生长 300 氧化层 2. 在 550C 条件下采用化学气相淀积法 积 50非晶硅 3. 定义有源区，光刻出诱导窗口，电子束蒸发 在 550C 氮气气氛下退火24 小时，完成非晶硅到多晶硅的结晶过程 15-174. 移除 续在 550C 氮气气氛下退火 48 小时 5. 淀积 100 为栅极氧化层 6. 淀积 300多晶硅作为栅，光刻出栅极图形 7. 使用自对准工艺对源极和漏极进行磷离子注入，杂质剂量为 41015入能量为 150. 在 620C 下退火 3 小时，完成杂质激活 9. 光刻出金属接触孔 8 10. 溅射铝并合金化形成相应的金属电极 11. 刻蚀多余的金属，并在在保护性气体中完成电极的合金化热处理 . 在单晶硅片上热氧化生长 300 氧化层 2. 在 550C 条件下采用化学气相淀积法 积 50非晶硅 3. 将硅片浸在浓度为 10硝酸镍溶液中，接着在 590C 氮气气氛下退火 6小时 16-174. 磷硅玻璃 (吸杂 5. 在 630C 氮气保护气中预退火 8 小时 6. 淀积 100 为栅极氧化层 7. 淀积 280多晶硅作为栅，光刻出栅极图形 8. 源漏区离子注入（自对准， 60，注入剂量为 410159. 在 630C 下退火 8 小时，完成杂质激活 10. 光刻出金属接触孔 11. 溅射铝并合金化形成相应的金属电极 12. 刻蚀多余的金属，并在保护性气体中完成电极的合金化热处理 . 在玻璃衬底上淀积 100 2. 在 450C 条件下采用 淀积 50非晶硅 3. 分子激光晶化，得到多晶硅 124. 定义有源区 5. 积栅氧，厚度为 120. 溅射得到栅极金属 . 干法刻蚀栅及多余的栅氧层 8. 采用 艺 13 ，对源 /漏区进行硼离子注入，注入能量为 50量为 015 9 9. 在 450C 下退火 2 小时，完成杂质激活 10. 淀积绝缘层并刻出接触孔 11. 淀积源漏金属电极 12. 刻蚀多余金属层，并淀积 度为 300验测试仪器 在本文研究中，所用到的测量仪器包括： 司的 4156C 半导体参数分析仪， 4284A 数测量仪， 司的 动探针台。 由于实验测试的多晶硅 件是尺寸都是在 m 量级，因此需要使用精密控制的探针台及探针来进行扎针测试。图 示为该手动探针台的实物图片。 图 司的 动探针台 10 图 156C 前面板以及 40501B 前面板 安捷伦 4156C 半导体测试仪为半导体器件的测量提供了精确的测量平台，可以用来测试半导体器件的转移特性、输出特性及准静态 性，其测量电流精度可达到 10此对于低电流测量也具有一定的精度。在本论文中主要采用 4156C 来测量多晶硅 安捷伦 4284A 数测量仪是用来测量器件的电阻、电容及电感特性，其测量频率范围可以从 20 1本论文中主要是采用 4284A 来测量多晶硅 电容电压 11 参考文献 1 乔中莲，马国恒，杨东升，刘飞，“平板显示的发展趋势，” 现代显示，第130期，18011. 2 王阳元，多晶硅薄膜及其在集成电路中的应用，科学出版社，2006. 3 “, of 12, 4, 3612004. 4 S. D. “ 10, 7211995. 5 Y, “ 2007 2007. 6 M, S, L, M. K, “FT 48, 5, 8452001. 7 薛敏. 金属诱导横向结晶州大学硕士学位论文，2006年4月 8 T, M, T, N, S, “of a 1 47, 1, 772000. 9 M. . “An 54, 4, 2007. 10 J. F. R. P. J. W. D. G. . “in 12 3, 2, 11931982. 11 . W. “of 46, 12, 52471975. 12 K. K. I. . “of by 41, 10, 18761994. 13 S. C, D. Y, “of by an 310, 12, 3171997. 14 “by 17, 4, 1601996. 15 “” 49, 6, 9912002. 16 M. . “ 35, 3372004. 17 “ 54, 5, 12442007. 18 Y. . “ J. 75, 7, 32351994. 13 第二章 串联电阻模型的研究现状 在半导体器件中，串联电阻（ 影响器件 性的一个重要参数。伴随着器件特征尺寸的不断减小，沟道电阻也越来越小，对于长沟道器件来说，源、漏串联电阻远远小于器件沟道电阻 (所以 是对于短沟道器件来说，当器件的沟道电阻减小到与串联电阻相当时，势必会影响器件 型的准确性。另一方面，低温制造工艺限制了源漏区的杂质激活，也会导致器件源漏串联电阻的升高，使得 效应更加明显，因此建立一个准确的串联电阻模型是十分必要的。目前报道的器件串联电阻模型主要分两类： 1、传统的 -5，认为 2、区别于传统 -10，认为 这些模型都是基于非晶硅或者 建的， 多晶硅的串联电阻模型尚无报道。 首先介绍传统的 方法所基于的是器件在线性区的 型，认为 (/2)( )d s ox gt d d d (2 其中 处 L， L 认为是掩模版上标示的沟道长度 的差值。根据公式（ 2，测量的器件总电阻 1()()2 (2 在 件中，载流子迁移率可以假设成是一个常数，那么在某个固定的 K 即为一个常数，那么 。如图 示，当取一组不 14 同的 些 这一点的坐标 (L, 即可算出器件的 L 和 图 统的 但是这种传统方法并不适合用来提取多晶硅 寄生电阻，因为多晶硅 是随着器件沟道长度的变化的，沟道长度越短，迁移率越大11。因此，传统 么利用这种方法提取出来的结果也是不可信的。我们在实验中利用该方法提取得到的 N 型多晶硅 L 均为负值，这显然 是不合理的。因此传统方法在提取器件串联电阻时有一定的局限性。由于传统方法的局限性，在实际应用中人们更倾向于用物理模型来解释 过目前报道的物理模型都是基于非晶硅或者 建的，多晶硅的串联电阻物理模型尚无报道，因此我们在做这方面研究之前，必须先借鉴前人在非晶硅与 的研究结果，且 器件结构与多晶硅 相似，具有一定的参考价值。 15 晶硅中的 韩国的 人提出了一种基于传输线模型（ 计算方法6，把电流拆分成 x 和 y 两个方向，在这两个方向上利用基尔霍夫定律（ s 别进行一系列计算，得出串联电阻阻值，但是方法仅给出了 没有详细介绍串联电阻的构成，而且他们使用的是构的非晶硅 图 示） ，与多晶硅 器件结构有很大的不同，因此没有太多的借鉴。 图 a) 非晶硅 结构示意图（ (b) 域 x 和 y 两个方向上的电流分量 16 的 联结构的 人提出了一种