（微电子学与固体电子学专业论文）纳米硅薄膜晶体管制作及特性研究.pdf

黑龙江大学硬士学位论文 一一耥 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cs t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o na r e a so fa s i ：h 唧，p o l y - s it f ta n dn c s i ：ht f tw e r ed i s c u s s e d ，t h eb a s i cs t r u c t u r ed e s i g no ft o pg a t e n c s i ：ht f tw a sg i v e n ，b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fm o s f e t ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l e so f n c s i ：h tw a sa n a l y z e da n dg i v e n ，c o m b i n e dw i t ht h e n c s i ：ht h i nf i l m m i c r o s t r u c t u r em o d e l ，b a s e do nt h ea - s i ：h 矸tl e a k a g ec u r r e n tm o d e l ，n g - s i ：ht f t l e a k a g ec u r r e n tm o d e lw a sa n a l y z e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , t a k et h eb a s i cs t r u c t u r e d e s i g no ft o pg a t en c - s i ：h 啊ta st h ef o u n d a t i o n ，e s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e la n d a n a l y s e dt h es i m u l a t i o no fc h a r a c t e r i s t i c s ，s t u d yt h ei n f l u e n c eo fo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s a n dt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sb yt h ec h a n n e lf i l mt h i c k n e s s ，t h ec h a n n e lw l b a s e do nt h e s i m u l a t i o na n a l y s i s ，u s e dt h ec m o st e c h n o l o g yt od e s i g nn c s i ：ht l 可f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g yp r o c e s s ，n c s i ：ht h i nf i l m sw e r em a d eb yl p c v d o ns i 0 2l a y e rw e r et e s t e d a n ds u p e r f i c i a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e db yx r d ，r a l t l a ns p e c t r aa n da f m ，a c h i e v e d t h ep r e p a r a t i o no fn c , s i ：ht h i nf i l m st h i c k n e s s e sw e r e5 5 瑚m ，9 0n n la n d1 2 0n r f l ，t h e d e p o s i t i o ns t a t eo fn c 。s i ：ht h i nf i l m sm a d eo ns i 0 2l a y e r ，w i t ht h ei n c r e a s eo ff i l m t h i c k n e s s e s ，t h ec r y s t a l l i z a t i o np e a k ， a n d w e r ee n h a n c e d ；w i t h h i g ht e m p e r a t u r ev a c u u ma n n e a l i n g ，t h ec r y s t a l l i z a t i o np e a k ， a n d w e r ee n h a n c e ds i g n i f i c a n t l y t h i sp a p e ra d o p t e dl e d i tt od e s i g nn c s i ：ht f tc h i pl a y o u t t h en c s i ：ht h i n f i l m so f5 5n n l ，9 0n n la n d1 2 0n n li nt h i c k n e s s e sw e r ed i r e c t l yd e p o s i t e do nn - t y p e s iw a f e rw i t hh i g hr e s i s t i v i t ya n ds i 0 2l a y e r ，r e s p e c t i v e l y ，w ea d o p t e dc m o s t e c h n o l o g yt oc o m p l e t en c s i ：h 耶tf a b r i c a t i o na n dp a c k a g e a tr o o mt e m p e r a t u r e ，w e a d o p t e dk e i t h l e y 4 2 0 0s e m i c o n d u c t o rp a r a m e t e rt e s tm a c h i n et ot e s tt h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fs u b s t r a t et y p e ，c h a n n e lf i l mt h i c k n e s s ，a n d c h a n n e lw i d t h 1 e n g t hr a t i ot ot f to u t p u ta n dt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t ，a tr o o mt e m p e r a t u r e ，n c s i ：h1 1 f tw a sm a d eo ns i 0 2l a y e rh a ss w i t c h c u r r e n tr a t i o10 6 ，o p e ns t a t ec u r r e n t0 8 1 0 - 4a ，c l o s es t a t ec u r r e n t0 5 lf f l 0a ， t h r e s h o l dv o l t a g e17v ，c a r r i e r sm o b i l i t y7 3 2c m 2 v s n a b s t r a c t 宣i 宣i 置宣i i i i i 1 i k e yw o r d s ：n c s i ：h 耶t ；n c s i ：ht h i nf i l m s ；c m o st e c h n o l o g y ；a t l a s ；t h e s i m u l a t i o nm o d e l i 一 黑龙江大学硬士学位论文 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 纳米硅薄膜晶体管研究现状及发展趋势l 1 1 1 非晶硅薄膜晶体管2 1 1 2 多晶硅薄膜晶体管5 1 1 3 纳米硅薄膜晶体管7 1 2 本文研究目的与意义1 2 1 3 本章小结13 第2 章纳米硅薄膜晶体管基本结构和工作原理1 4 2 1 纳米硅薄膜晶体管结构分类1 4 2 1 1 共面结构1 5 2 1 2 交叠结构15 2 2 纳米硅薄膜晶体管基本结构1 6 2 3 纳米硅薄膜晶体管工作原理1 7 2 3 1m o s f e t 工作原理l7 2 3 2 纳米硅薄膜晶体管工作原理1 9 2 4 纳米硅薄膜晶体管输出特性理论分析2 2 2 5 本章小结2 5 第3 章纳米硅薄膜晶体管仿真分析2 6 3 1 纳米硅薄膜晶体管仿真结构模型一2 6 3 2 纳米硅薄膜晶体管电学特性仿真2 7 3 2 1 输出特性2 7 3 2 2 转移特性2 7 1 v 目录 3 3 本章小结2 9 第4 章纳米硅薄膜晶体管制作工艺3 l 4 1 纳米硅薄膜制备3l 4 1 1x r d 测试分析3 2 4 1 2r a m a n 光谱分析3 3 4 1 3a f m 研究3 4 4 2 纳米硅薄膜晶体管制作工艺流程一3 5 4 3 本章小结一3 8 第5 章实验结果与讨论3 9 5 1 纳米硅薄膜晶体管输出特性3 9 5 1 1 单晶硅上纳米硅薄膜晶体管输出特性3 9 5 1 2s i 0 2 层上纳米硅薄膜晶体管输出特性4 l 5 2 纳米硅薄膜晶体管转移特性一4 3 5 2 1 单晶硅上纳米硅薄膜晶体管转移特性。一4 4 5 2 2s i 0 2 层上纳米硅薄膜晶体管转移特性4 4 5 3 纳米硅薄膜晶体管跨导4 6 5 4 纳米硅薄膜晶体管温度特性4 7 5 5 本章小结4 9 结论5 0 参考文献51 致谢5 5 攻读硕士学位期间发表学术论文5 6 独创性声明5 5 第l 章绪论 第1 章绪论 薄膜晶体管( 英文名称为t h i n f i l mt r a n s i s t o r ，简称t f t ) 是场效应晶体管的一 种，大体的制作方式是在基板上沉积各种不同的薄膜，如半导体主动层、介电层 和金属电极层，器件主要由绝缘栅介质、栅极、源极、漏极和沟道层几大部分组 成，其中有源层和绝缘层是决定邗t 性能的关键1 1 1 。根据有源层材料的不同，薄 膜晶体管可分为有机薄膜晶体管和无机薄膜晶体管，以硅基材料为主的无机薄膜 晶体管主要分为非晶硅、多晶硅和纳米硅薄膜晶体管【2 1 。它们除了在结构上不同外， 性能和应用领域也不同。 人类对薄膜晶体管的研究有着悠久的历史。早在1 9 2 5 年，j u l i u se d g e rl i l i e n f e l d 首次提出结型场效应晶体管( f e t ) 的基本定律，开辟了对固态放大器的研究【3 】。 1 9 3 3 年，j u l i u se d g e rl i l i e n f e l d 又将绝缘栅结构引进场效应晶体管( 后来被称为 m o s f e t ) 。 1 9 3 5 年，c a h e l i 真正阐述了7 r f r 的具体概念和半导体的有关知识，并申请了 t f t 发明专利。1 9 4 8 年，m a h e rs h o c k l e y 通过对p n 结结构的分析和研究，研制出了 j f e t 。1 9 6 2 年，g e o r g e sw e i m e r 用多晶c d s 薄膜制作成邛t 。随后，又出现采用 c d s e 、i n s b 和g e 等半导体材料制作的叮器件【4 】。二十世纪六十年代，基于低成本、 大阵列显示的实际需求，t f t 的研究广为兴起。1 9 7 9 ，s u n j a el e c o m b e r 、c m s p e a r 和k e v i ng h a i t h 用a s i ：h 为有源层制作a s i ：h t 【5 】。1 9 8 0 年，i b m 公司的s t e v e d e e p 等人成功制作了p o l y s i 耵呵，但多晶硅的制备属于高温工艺。1 9 9 1 年， s e i k o e p s o n 和r o b e r tl i t t l e 等人报道了采用l p c v d g - 艺制作p o l y s it f t ，在5 5 0 淀积非晶硅，然后采用退火工艺，将非晶晶化成多晶。 近年来，有机薄膜晶体管( o t f t ) 的研究取得了突破性的进展。1 9 9 8 年，m m 公司用一种新型的具有更高的介电常数( 1 7 3 ) 的无定型金属氧化物锆酸钡作为并 黑龙江大学硬士学位论文 五苯有机薄膜晶体管的栅绝缘层【6 】，使该器件的驱动电压降低了4v ，迁移率达到 0 3 8c m w s 。1 9 9 9 年，b e l l 实验室的p f k a t z 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，并使器件迁移率达到0 1c m 2 v s 1 7 1 。至今，有机晶体 管的技术发展还不够成熟，有机薄膜的高阻抗、低迁移率问题尚未得到解决。 二十世纪初，国内外很多研究人员开始把研究重点放在纳米硅薄膜晶体管上。 2 0 0 3 年，i - c ，c h e n g 和s w a g n e r 首次在低温工艺下制成顶部栅极，底部源漏交叠结 构n 、p 沟道纳米硅薄膜晶体管，将以玻璃为衬底的纳米硅薄膜耶w 电子迁移率提高 到4 0c m 2 v 。s 。2 0 0 5 年，c z a n g - h ol e e ；f 1 a n d r e is a z o n o v 等人在此结构的基础上采用 等离子体增强化学气相淀积工艺将载流子迁移率提高到1 3 0c n l 2 s ，并在后续采 用欧姆接触将迁移率进一步提高到1 5 0c m 2 v s 。2 0 0 6 年，h m a h f o z - k o t b 希l a c s a l a u n 等人制作出悬浮栅结构薄膜晶体管，省略掉栅极与沟道之间的绝缘介质，该 晶体管的制作工艺与i c 工艺相兼容，大大降低了生产成本。2 0 0 7 年，j o o n g - h y t m p a r k 和s a n g - m y e o nh a n 等人采用原位工艺，在保证高迁移率的基础上，改进器件的 结构，抑制了栅极漏电流，将其降低到1 0 _ o a l 8 。2 0 0 8 年，i l i a sp a p p a s 和c a d i m i 仃i a d i s 等人将非晶硅和纳米硅双层薄膜作为纳米硅薄膜晶体管的有源层，大大 提高了器件的稳定性。2 0 1 0 年，i - c h u n gc h i u 和j u n 9 4 i eh u a n g - 等人将塑料作为纳米硅 薄膜晶体管的衬底，使器件制作工艺与低温工艺兼容，降低了生产成本，使器件 载流子迁移率和阈值电压随着施加拉力的增大而增加1 9 】。 本章将对非晶硅薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管和纳米硅薄膜晶体管基本结 构、特性、发展趋势和应用领域分别进行阐述。 2 0 世纪九十年代，非晶硅薄膜晶体管( a s i ：ht f t ) 成为液晶显示、笔记本电脑 和高像质显示终端的主导组成部分之一【1 0 】，它不仅功耗低、重量轻，还具有高像 质和大容量等特性，为满足当时液晶显示高分辨率和低功耗的需求，国内外都相 继投入到非晶硅薄膜晶体管的研究中【1 1 】，通过对不同结构设计，改善器件性能。 第1 章绪论 ( 1 ) 沟道钝化结构a s i ：ht f t 19 8 5 年， 正e et 气n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s 报道，j o h n n y k o s i n 等人为了减小绝缘层和沟道层的界面态密度，制作出图1 1 所示的底部栅 极结构a s i ：ht f t ，对于传统结构的a s i ：ht f t ，a - s i ：h 薄膜必须做的足够厚才能防 止源漏极过度刻蚀对沟道层造成的损伤，而厚的沟道层又会增加栅极漏电流1 2 1 。 因此，引入s i n x 层作为钝化保护层，防止对沟道的过度刻蚀。这种结构使得a - s i ：h t f t 的开关电流比高达1 07 以上。 c rs i n 。 a )b ) 图1 1 沟道钝化结构a - s i ：ht f t a ) 底部栅结构b ) 底部栅沟道钝化结构 f i g 1 - 1t h ea s i ：ht f to f c h a n n e lp a s s i v a t i o ns t r i 】c t u r e a ) t h eb o t t o m - g a t es 仃u c t u r eb ) t h eb o t t o m g a t ep a s s i v a t e d 蛐r u c t l 】r e ( 2 ) 局部a s i ：h 沟道a s i ：ht f t 19 9 7 年，正e et r a n s a c t i o n so n e l e c t r o nd e 、以c e s 报道，s eh w a n k i m 等人制作出图1 - 2 所示的局部a s i ：h 沟道a - s i ：h t ，此类晶体管的源、漏 极与栅极呈现出一定的偏移量，偏移区材料采用a s i ：h 1 ”。在关态下，a 。s i ：h 具有 较高的阻抗，使漏电流变小；在开态下，电阻变化不大，不会对开态电流产生影 响。该结构的晶体管提高了开关电流比和液晶显示的稳定性。 极 图1 - 2 局部非晶硅沟道a - s i ：ht f t f i g 1 2t h ea - s i ：ht f ro f l o c a la - s i ：hc h a n n e ls t r u c t u r e - 3 - 黑龙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 双栅结构a s i ：h t f t 2 0 0 3 年，e et ra n s a c t l o n so ne l e c t r o nd e v i c e s 报道，p e y m a n s e r v a t 等人给出双栅结构a - s i ：ht f t ，如图1 3 所示。双栅结构主要采用顶部栅和 底部栅结合方式。与单栅结构相比，双栅结构增加了项部栅的功能，当顶栅极在 一定范围内施加逐渐增大的正向偏压时，除了源漏电流会上升外，晶体管的阈值 电压和阈值斜率也会随之下斛14 1 。与单栅晶体管相比，该结构薄膜晶体管增强了 驱动能力和稳定性，主要应用在成像和显示领域。 t o pi n t e f f a c e m e t a ll a y e r s 同一a - s t ：h 口a - s l ：h 口a - $ 1 n , , ：h 口s u b s t r a t e 蹦搬啪m 俯伟l c 图1 3 双栅结构a - s i ：h n 可 f i g 1 3t h ea s i ：ht f to fd u a l g a t es l a - u c t u r e ( 4 ) 中心补偿结构a - s i ：ht f t 2 010 年，( ( i e e et ra n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e c e s 报道，j a ew o n c h o i 和j a ei kk i m d e 等人给出中心补偿结构a s i ：ht f t ，如图1 - 4 所示。以玻璃 为衬底，采用d c 溅射法制作m o w 双栅电极，两栅中间补偿距离2 岬，采用 p e c v d 法制作非晶硅薄膜作为沟道层f 1 5 】。采用这种结构的薄膜晶体管与传统结构 的晶体管相比具有更高的稳定性，阈值电压降低了3 3 ，作为下拉晶体管的稳定 周期长达3 1 0 8 s 。这种晶体管主要被用作门驱动电路的下拉电路。 曩蠢菇蕊曩焉露 霎：焱| | ：、，：，：? 。：一薯， 隰蕊赣震禽两葭：囊- 薯1 0 童蠢曩，- =盘鞠嚣龋暖蜻搿国搿 麟燮鬻瀚鬻塑鬻黼錾澄黼黼 一一；- 誓：；，i 一 a )b ) 图1 - 4 中心补偿结构a s i ：h 砸可 a ) 中心补偿结构剖面图b ) 中心补偿结构俯视图 f i g 1 _ 4t h ea - s i ：ht f ro fc e n t e rc o m p e n s a t i o ns t r u c t u r e a ) t h ec r o s ss e c t i o no fc e n t r a lc o m p e n s a t i o ns t r u c t u r e b ) t h et o pv i e wo f c e n 订a lc o m p e n s a t i o ns t r u c t u r e 孥一 墼竺 第l 章绪论 1 1 2 多晶硅薄膜晶体管 实验证明，无论a s i ：ht f t 在结构上如何创新，由于非晶硅薄膜表面存在许 多悬挂键和内部缺陷，使a s i ：ht f t 的载流子迁移率无法得到大幅度的提高，要 实现高速、高迁移率的特性，就必须采用新型材料来制作薄膜晶体管f 1 6 1 。由于 p o l y s i 薄膜的载流子迁移率比a s i ：h 薄膜高很多，所以多晶硅薄膜晶体管( p o l y s i a t t ) 在集成化驱动电路和大规模高频显示表现出独特的优势。 ( 1 ) 复合栅薄膜p o l y s it f t 2 0 0 5 年， i e e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s ) ) 报道，a l ia o r o u j i 等人将p o l y - s it f t 的栅极采用两种材料组合制作成复合栅薄膜p o l y s it f t ， 图1 5 给出剖面结构【17 】。与其它晶体管相比，该器件在不影响开态漏电流同时，大 大降低关态漏电流。此结构通过重掺杂栅极向沟道注入载流子来调控沟道中载流 子的浓度，而不是通过栅极电压感应降低沟道的势垒。此类晶体管主要应用在有 源矩阵液晶显示方面。 g a t e s o u f c ed r a i n l s 71 7 1 l s 。 | n + n + l ) f a i nh o u n o a r v 一 = = = = 3 = = = = = = ：= ：口 m e t a l s i 0 2 c r y s ip o t y s i 图1 - 5 复合栅薄膜结构p o l y s it f t f i g 1 5t h ep o l y s it f to fc o m p o s i t eg a t et h i n - f i l ms t r u c t u r e ( 2 ) 悬浮栅结构p o l y - s it f t 2 0 0 6 年，( ( s e n s o r sa n da c t u a t o r s ) ) 报道，h m a h f o z - k o t b 等人制作悬浮栅结 构p o l y s it f t ，如图1 - 6 所示。悬浮栅结构采用多晶硅为栅架桥，在栅极与沟道 之间不加入任何绝缘介质层，通过施加栅压来控制栅极和沟道层之间的电荷分布， 而气体n h 3 和n 0 2 会影响栅架桥与沟道层之间的电场分布，从而对晶体管输出特 性产生影响f 1 3 】，该晶体管可用于对特殊气体的检测。悬浮栅结构p o l y s it f t 具有 更高的栅极灵敏度，节省了绝缘层材料的制作成本，但制作工艺复杂，晶体管受 黑龙江大学硕士学位论文 温度和湿度的影响很大。 蠢筮镒窭繇驻隧藏黼 疆豳s i n x 鬻黼s i 0 2 p o l y s i 图1 - 6 悬浮栅结构p o l y s it i 可 f i g 1 6t h ep o l y s it 兀 o fs u s p e n d e dg a t es t r u c t u r e ( 3 ) 短栅多栅结构p o l y s it f t 2 0 0 7 年，l e e et r a n s , a c t i o n so ne l e c t r o nd e c e s 报道，a r o k i a n a t h a n 等人从提高氢化效果角度制作短栅多栅结构p o l y s it f t 【1 9 1 。氢钝化效果取 决于t f t 的结构，在厚栅情形，只有前栅边沿被氢钝化，而采用短栅多栅结构则可 以做到全部被氢化。因此，即使在厚栅情形，短栅多栅结构对减小阂值电压也是 有效的，同时在减小单位沟道长度、增加场效应迁移率等方面也很有效。从工艺 的复杂性、关态电流和像素稳定性等方面综合考虑，通常选取双栅结构【1 9 j 。图1 7 给出剖面结构。采用双栅结构的p o l y - s i 耶t 沟道长度比采用单栅结构的要长，关 态电流明显减少，但t f t 所占的体积比较大，会影响器件整体特性。 图l 一7 短栅多栅结构p o l y s it f t f i g 1 - 7t h ep o l y - s it f t o fs h o r t - g a t ea n dm u l t i g a t es 仃u c t u r e ( 4 ) l d d ( l i g h t l yd o p e dd r a i n ) 结构p o l y - s it f t 2 0 0 8 年，e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s ) ) 报道，a r o k i a n a t h a n 制成l d d 结构p o l y s it f t ，图1 8 给出该结构的剖面图【2 0 1 。通过对l o s 区内的多晶硅轻掺杂可改善沟道电场分布，避免器件漏端的强场效应，显著提高 器件的可靠性及热载流子寿命，目前在p o l y s i 邗t 结构中较普遍地采用这种结构。 6 第1 章绪论 l d d ( n ) l d d ( n ) 图1 8 漏极轻掺杂结构p o l y s i1 1 可 f i g 1 8t h ep 0 1 ) ，一s it f to f l i g h t l yd o p e dd r a i ns t r u c t u r e 除了上述结构外，还有许多其它的结构被提出，如岬- p 型栅结构、双有源 层结构( 在有源层上再淀积一层非晶硅层) 、超薄有源层结构等。同时，研究者还 在不断开发新的结构。 1 1 3 纳米硅薄膜晶体管 通过对多晶硅薄膜晶体管众多结构的研究发现，相比非晶硅薄膜晶体管，器 件的整体性能得到明显的改善和优化，尤其是在提高载流子迁移率方面取得了显 著效果。但低温大面积制备多晶硅较难，工艺复杂，造价相对较高，严重制约着 器件应用普及。低温多晶硅薄膜晶体管技术还有待进一步提高【2 1 】。二十世纪九十 年代，研究人员开始思索着是否能够采用一种新型材料来制备薄膜晶体管，而这 种材料同时具备非晶硅和多晶硅优质特性，即：高迁移率、制备工艺简单、造价 低廉、可大面积生长等，来提高薄膜晶体管的性能。随着纳米技术的发展，纳米 硅薄膜的出现在很大程度上解决了人们所面临的难题。纳米硅薄膜是由3 8n m 大小 的硅晶粒组成的，硅晶粒之间的界面是无序的a s i ：h 网络，厚度一般为2 - 4 个原子 层，纳米硅薄膜的能带结构类似a 。s i ：h c s i ：h 的异质结 2 2 1 ，禁带宽度可达1 7 0 1 8 5 e v ，采用纳米硅薄膜作为薄膜晶体管有源层，将会进一步提高器件的整体性能。 ( 1 ) 种子层结构顶部栅n c s i ：ht f t 2 0 0 3 年，也e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s ) ) 报道，i - c c h e n g 和s w a g n e r 在玻璃衬底上方淀积层5 0n m 厚的本征1 1 c s i ：h 薄膜，制作出带有种子 层结构n c s i ：ht f t ，图1 - 9 给出剖面图。该种子层有利于沟道层薄膜结晶，提高 种子层上方沟道层晶粒尺寸，进而提高n c s i ：h 邗t 的迁移率，迁移率为4 0c m 2 n s 。 黑龙江大学硕士学位论文 该结构晶体管在制作过程中，沟道层的生长是在源极和漏极形成以后，这种制作 工艺避免了沟道层的过度刻蚀，在一定程度上抑制了栅极漏电流。 薰囊 薹量黧一芝蚕 图1 - 9 种子层结构顶部栅n e - s i ：hn 叮 f i g 1 9b et o pg a t en c s i ：ht f to f s e e dl a y e rs 仃u c t u r e ( 2 ) 项栅交叠n c s i ：h 耶t 2 0 0 6 年，( j o u r n a lo f n o n c r y s m l l i n es o l i d s 报道，c z a l l g - h ol e e 在低温2 6 0 。c 下，采用p e c v d 制备顶部栅交叠n c s i ：ht f t 【2 4 1 ，如图1 1 0 所示。结构中n + n c s i ：h 与c r 层采用欧姆接触方式，将n c s i ：h 耶t 载流子的迁移率提高到1 3 0c m 2 s ，满 足了在高速开关装置和转化装置应用方面需求。为了进一步提高该晶体管的特性， a n d r e is a z o n o v 等人将n + n c s i ：h 与c r 层制作成肖特基接触方式，如图1 11 所示，将 二者共同作为源极和漏极，使电子迁移率高达1 5 0e m 2 厂v s ，空穴迁移率高达 2 5c m 2 s 。 3 0 0n m 3 0 0n m 9 0n m 5 0n m 5 0n m 图1 1 0 欧姆接触结构顶栅交叠n c s i ：h1 1 叮 f i g 1 - 101 1 1 et 印g a t eo v e r l a p p e dn e - s i ：h 唧o fo h i ec o n 协c ts 加e t u r e 3 0 0n m 3 0 0n m 9 0n m s i l i c i d e dn c s i ：h ? c r ，一s dc o n t a c l 图1 - 11 肖特基结构顶栅交叠n e - s i ：h ，n 呵 f i g 1 11t h et o pg a t eo v e r l a p p e dn g - s i ：h 唧o f s e h o t t k y 灿c t l l r e 第1 章绪论 ( 3 ) 氮化硅绝缘栅n c s i ：ht f t 2 0 0 7 年， i e e e ，认n s a c t l o n so ne l e c t r o nd e v i c e s ) ) 报道，c z a n g - h o l e e 和d e n i ss t r i a k h i l e v 等人采用a - s i n x ：h 作为栅极绝缘层，分别制作顶部栅和底 部栅极n c s i ：ht f t ，图1 1 2 为该结构的剖面图【2 5 1 。该结构n c s i ：ht f t 大大提高 阈值电压的稳定性，在有源发光二极管显示领域具有广阔的应用前景。 隆爨舔溪戮菇霜醺囊警誓- - _ _ 。“黼群始蠢尊搴尊强 c o m i n g1 7 3 7g l a s s a ) b ) 图1 1 2 氮化硅结构n c s i ：h 可 a ) 底栅结构b ) 顶栅结构 f i g 1 1 2t h e1 3 c s i ：ht f to f s i l i c o nn i t r i d es t r u c t u r e a ) t h eb o s o mg a t es t r u c t u r eb ) t h et o pg a t es t r u c t u r e ( 4 ) 双沟道底部栅n c s i ：h1 f t 2 0 0 7 年， i e e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s 报道， k y u n g w o o ks h i n 制作出双沟道层n c s i ：ht f t ，如图1 1 3 所示。该晶体管在厚度 为15n mn c s i ：h 薄膜上覆盖3 5n ma s i ：h 薄膜作为沟道层，将栅极漏电流降低到 0 1p a 。与单沟道层薄膜晶体管相比，该晶体管还具有较高的开态电流，较好的稳 定性，高开关电流比。此晶体管主要是用来提高液晶显示和x 射线成像机的像素 稳定性【2 6 1 。 图1 1 3 双沟道底部栅n c - s i ：h 玎 f i g 1 13t h en c s i ：ht f to fd o u b l e - c h a n n e lb o s o mg a t es t r u c t u r e ( 5 ) 复合源漏极底部栅n c s i ：ht f t 2 0 0 7 年，( ( s c i e n c e d i r e c t ) ) 报道，n a r p a t z a n i s 和a t h a t z o p o u l o s 制作出复 9 黑龙江大学硕士学位论文 合源漏极底部栅n c s i ：ht f t ，图1 14 为剖面图【拥。该器件是将非晶硅和纳米硅双 层薄膜作为器件的源极和漏极，将氮化硅作为绝缘层。该器件的场效应迁移率为 0 6c m 2 v s ，阈值电压为3v 。该结构有效抑制了关态电流，使开关电流比达到1 0 6 ， 进一步提高了底部栅极n c s i ：ht f t 的稳定性。 a s i 图1 1 4 复合源漏极底部栅n c s i ：hn 叮 f i g 】一14 功en c s i ：hn 可o fc o m p o s i t e - s o l l r c ea n d & a mb o s o mg a t es 仃u c m r e ( 6 ) 原位工艺顶部栅n c s i ：h t 2 0 0 7 年，g e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s 报道， j o o n g - h ) m np a r k 和s a n g - m y e o nh a n 等人采用原位工艺制作顶部栅极n c s i ：ht f t ， 图l 一15 为结构剖面图。将n c s i ：ht f t 栅极漏电流由5 2 1 0 。9a 降低到 3 6 10 。1 0a t 2 8 1 ，阈值摆幅由2 7 4m v d e c 降低到2 3 0m v d e c 。 图l 一15 原位工艺项部栅结构n c s i ：hn 呵 f i g 1 15r e n c s i ：ht f to fm - s i r ep r o c e s st o pg a t es 咖e t u r e ( 7 ) 金属电极底栅n c s i ：ht f t 2 0 0 8 年，e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s 报道，r a n a b i s w a s 等人在重掺杂的n c s i ：h 薄膜上直接蒸发铝作为源极和漏极，并在后续3 5 0 的n 2 环境中热退火，图l 一1 6 为此结构剖面图。该器件的载流子迁移率为】4c m 2 n s ， 阈值电压为4 5v 。采用此方法制作的底部栅n c s i ：ht f t 开关电流比高达1 0 7 【2 9 1 。 第1 章绪论 s u b s t r a t e 匿雾露霹3 ：5 冀0 鬻。c 鬻i i 鏊 蹙雾露霹：冀鬻鬻i i 鏊 图1 1 6 底栅金属材料n c s i ：ht f t f i g 1 16t h en c s i ：ht f to f b o t t o mg a t em e t a lm a t e r i a l ( 8 ) 补偿栅结构n c s i ：ht f t 2 0 0 9 年，正e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s 报j 酋，h y u nj u n g l e e 制作出补偿栅结构n c s i ：ht f t ，如图1 1 7 所示。该结构的栅铝电极没有完全覆 盖栅极绝缘介质层，二者形成一定的偏离量，采用这种结构能够减小寄生电阻， 抑制工作状态下跨导和载流子迁移率的降低，提高了稳定性【3 0 1 。 图1 1 7 补偿栅结构n c s i ：ht f t f i g 1 - 17t h el l c s i ：ht f to fc o m p e n s a t i o ng a t es t r u c t u r e ( 9 ) 塑料衬底n c s i ：ht f t 2 0 1 0 年，m e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o nd e v i c e s ) ) 报道，m h l e e 和s t c h a n g 等人采用塑料为衬底制作n c s i ：h 盯t ，图1 1 8 为剖面图。该器件 沟道薄膜中的陷阱能级密度会随着表面压力产生重新分布，电子场效应迁移率和 闽值电压会随着表面应力增加而增加，但稳定性会随着表面应力的增加而下降3 1 1 。 图1 一1 8 塑料衬底结构n c s i ：hn 玎 f i g 1 18t h en c s i ：h 研o f p l a s t i cs u b s t r a t es t r u c t u r e 黑龙江大学硬士学位论文 ( 10 ) 底部栅交叠结构n c s i ：ht f t 2 0 11 年，n 洒s o l i df i l m s 报道，m a s a k ih a m 在绝缘介质中掺入金属铬制 作出一种新型底部栅极结构n c s i ：ht f t ，图1 1 9 给出具体结构的剖面图。与传统 纳米硅薄膜晶体管相比，该结构具有更高的载流子迁移率( 9 4c m 2 n s ) ；更低的阂 值摆幅( 0 6v d e c ) 。此类器件在液晶显示器上大幅度提高成像质量【3 2 1 。 s i if _ r 7 ，r f r i n c 一、il “ g 螋妣 图1 - 1 9 底部栅极结构n c - s i ：h 弧吓 f i g 1 1 9t l l en c s i ：ht f to f b o s o m g a t es t n j c 时e 目前，在结构上，国内