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多晶硅薄膜晶体管开态模型中文摘要 多晶硅薄膜晶体管开态模型 中文摘要 本文主要提出了一个对于多晶硅薄膜晶体管广泛适用的开态电流解析模型。通过 比较m o s f e t 中三种普遍存在的迁移率退化模型，结合晶粒间界势垒调制效应，得 到了最适合于多晶硅薄膜晶体管的有效迁移率模型。基于该有效迁移率模型以及器件 的缓变沟道近似，我们成功推导出了多晶硅薄膜晶体管开态电流模型的解析表达式。 在此开态电流模型中载流子速度饱和、迁移率退化和晶粒间界势垒调制三种效应自然 地结合在一起，没有任何其它的近似。所有的模型参数都具有明确的物理意义没有任 何人为因素的引入。模型参数的提取与优化也进行了详细的讨论。 器件饱和区明确定义，推导出了饱和漏电压鲥的解析表达式。该表达式物理 基础完整。通过一定的简化，得到了在不用测量器件输出特性曲线的情况下直接准确 的预测场删数值的解析表达式。 关键词：多晶硅，薄膜晶体管，有效迁移率，开态电流模型，饱和漏电压 作者：郝晗 指导教师：王明湘 o n s t a t em o d e lf o rp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i nf i l mt r a n s i s t o r s o n - s t a t em o d e lf o rp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i nf i l m r ” lr a n s l s t o r s a b s t r a c t ac o m p r e h e n s i v ea n a l y t i c a lo n - s t a t ed r a i nc u r r e n tm o d e lf o rp o l y s it f t si s d e v e l o p e d f r o mt h r e em o b i l i t yd e g r a d a t i o nm o d e l sp r e v i o u s l ye m p l o y e di nm o s f e t s ， t h em o s ta p p r o p r i a t em o d e lf o rb o t hn a n dp t y p ep o l y - s it f t si sd e t e r m i n e d a n dg r a i n b o u n d a r yb a r r i e rc o n t r o l l e dc a r t i e rc o n d u c t i o nm o d e li sa d e q u a t e l yi n c o r p o r a t e d b a s e do n g r a d u a lc h a n n e la p p r o x i m a t i o n ，v e l o c i t ys a t u r a t i o n ，g r a i nb o t m d a r yb a r r i e rm o d u l a t i o n ，a n d g a t ev o l t a g ed e p e n d e n tm o b i l i t yd e g r a d a t i o ne f f e c ta r en a t u r a l l yi n c l u d e dt od e r i v ea n a c c u r a t ed r a i nc u r r e n tm o d e l ，w i t h o u ta n yo t h e ra p p r o x i m a t i o n se m p l o y e d a l lf i t t i n g p a r a m e t e r so fp r e s e n tm o d e la r et h ef e w e s ta n da r ea l lp h y s i c a le x p l i c i t l yd e f i n e d w i t hn o a r t i f i c i a lf a c t o r si n t r o d u c e d e x t r a c t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ep a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e di n d e t a i l d e v i c es a t u r a t i o nr e g i o ni se x p l i c i t l yd e f i n e d f o rt h ef i r s tt i m e ，ap h y s i c a l - b a s e df u l l a n a l y t i c a le x p r e s s i o nf o r 姗o fp o l y s it f t si sd e r i v e d ，w h i c h ，a f t e rs i m p l i f i e d s i m p l i f i c a t i o n ，c a nb eu s e df o rs t r a i g h t f o r w a r d 圪忉fp r e d i c t i o n 埘t hr e a s o n a b l ea c c u r a c y w i t h o u tm e a s u r i n gd e v i c eo u t p u tc u r v e s k e y w o r d s ：p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n ，t h i nf i l mt r a n s i s t o r s ，e f f e c t i v ec h a n n e lm o b i l i t y , d r a i nc u r r e n tm o d e l i n g ，d r a i ns a t u r a t i o nv o l t a g e i i w r i t t e n b y ：h a n h a o s u p e r v i s e db y ：m i n g x i a n gw a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：扯日 期：j 丝生剑 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 血堑金日 期：2 丝篁二! 二! f 导师签名：3 d 她日期：旦生型l 丛 多晶硅薄膜晶体管开态模型第一章绪论 第一章绪论 进入新千年，作为信息产业的重要构成部分一显示器件正在加速推进其平板化 的进程。目前，世界已进入“信息革命”时代，显示技术及显示器件在信息技术的发展 过程中占据了十分重要的地位，电视、电脑、移动电话、p d a 等可携式设备以及各 类仪器仪表上的显示屏为人们的日常生活和工作提供着大量的信息。没有显示器，就 不会有当今迅猛发展的信息技术。显示器集电子、通信和信息处理技术于一体，被认 为是电子工业在2 0 世纪微电子、计算机之后的又一重大发展机会。科学技术的发展 日新月异，显示技术也在发生一场革命，特别是自9 0 年代以来，随着技术的突破及 市场需求的急剧增长，使得以液晶显示( l c d ) 为代表的平板显示技术迅速崛起。平 板显示技术发展的同时也促进了多晶硅薄膜晶体管( p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i nf i l m t r a n s i s t o r , p o l y s it f t ) 的研究。 1 1 多晶硅t f t 的结构和制备 多晶硅t f t 的典型结构为在玻璃或是覆盖s i 0 2 层的硅衬底等绝缘材料上，淀积 本征多晶硅薄膜，接着形成栅氧和栅极，最后使用自对准工艺同时对源极和漏极进行 离子注入。多晶硅t f t 与单晶的m o s f e t 结构相似，尤其是与s o i 结构的m o s f e t 十分相近。然而多晶硅t f t 不是以单晶硅为衬底，而是用透光的玻璃。与单晶的场 效应晶体管相类似，当在栅极上加有电压时，将会感应形成导电的沟道，通过调节栅 压的大小，控制源漏之间的电流。由于多晶硅t f t 的有源区是本征的多晶硅薄膜， 其中存在大量的晶粒间界( g r a i nb o u n d a r y , g b ) ，使得多晶硅t f t 的沟道迁移率较低， 而且多晶硅t f t 的载流子输运机制远比单晶硅中复杂n 。2 1 。下图是多晶硅t f t 的结构 示意图，沟道中的晶粒间界显示在图中： 多晶硅薄膜晶体管开态模型第章绪论 图1 1 多晶硅t l 可硅二氧化硅表面和晶粒间界结构示意图 正是由于有源矩阵a m ( a c t i v em a t r i x ) 液晶显示器件l c d 的发展促进了多晶硅 t f t 的研究，有源矩阵液晶要求在一个较大的面积范围内( 例如1 4 英寸) ，为每一个 像素单元( 例如1 0 2 4 7 6 8 个像素单元) 配上一个开关元件。这个开关元件的阵列必 须做在透光的衬底上，因而常规的晶体管m o s 集成电路技术就很难胜任了。为了适 应有源矩阵液晶显示器件( a m l c d ) 的需要，人们研究了很多种类的开关元件阵列， 目前比较重要的有非晶硅t f t 阵列和多晶硅t f t 阵列。与目前l c d 显示中普遍采用 的非晶硅t f t 相比，多晶硅t f t 具有更高的迁移率( 通常高出二个数量级) 和驱动 电流，因此采用多晶硅t f t 不仅能够制造出高清晰、高分辨的l c d ，而且能够将外 围电路和像素电路集成在一起，进而能够基于t f t 工艺实现将处理器，存储器，驱 动电路及像素电路整合于一体的平板系统。 目前制备多晶硅薄膜的方法主要有：直接淀积，固相结晶法( s o l i dp h a s e c r y s t a l l i z a t i o n ，s p c ) ，激光晶化( l a s e rc r y s t a l l i z a t i o n ) ，和金属诱导横向结晶( m e t a l i n d u c e dl a t e r a lc r y s t a l l i z a t i o n ，m i l c ) 。 ( 1 ) 直接淀积刈 利用低压化学气相淀积( l o wp r e s s u r ec h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，l p c v d ) 技术 在5 7 5 6 5 0 。c 口1 范围内直接淀积生成多晶硅薄膜。淀积的多晶硅薄膜质量与淀积温度、 汽相压强和硅烷的浓度等因素有关。但是该方法制备的薄膜存在着晶粒尺寸越大，表 面越粗糙，还有许多悬挂键、缺陷等。这些因素导致所制备的多晶硅t f t 迁移率降 2 多晶硅薄膜晶体管开态模型 第一章绪论 低，开态电流减小。同时，制备温度高于6 0 0 。c 。必须采用昂贵的石英玻璃作基底， 使器件成本大为增加。 ( 2 ) s p c 非晶硅固相晶化方法是先采用l p c v d 或p e c v d 等方法淀积非晶硅薄膜，然 后在惰性气体气氛中长时间退火，使非晶硅薄膜晶化为多晶硅薄膜。用s p c 方法生 长的多晶硅薄膜晶粒尺寸依赖于非晶硅的淀积温度、退火温度以及膜厚。一般来说， 随着退火温度的升高，晶粒尺寸会增大。因此通过高温( 6 0 0 。c ) 退火晶化非晶硅薄 膜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 璃或其它耐高温玻璃，这无疑增加了生产的成本。所以降低多晶硅薄膜的生长温度是 多晶硅t f t 发展过程中亟待解决的一个问题。 ( 3 ) 激光晶化3 卅 利用激光加热非晶硅膜，使熔融的硅重结晶为多晶硅，称为激光晶化。激光晶化 的多晶硅薄膜的质量与初始硅膜及激光晶化方法有关。通常采用准分子脉冲激光器扫 描薄膜表面，通过线扫描( 一维交叠) 或面扫描( 二维交叠) 方式获得大面积多晶硅 薄膜。准分子激光晶化可以说是低温制备技术，而且用准分子激光晶化可制备出低缺 陷密度的多晶硅材料。然而准分子激光晶化的多晶硅薄膜的晶粒尺寸较小，而且设备 昂贵，制备过程较复杂。 ( 4 ) m i l c 5 】= 金属诱导横向结晶技术中，利用n i ( 镍) 诱导是目前主流的方法。n i 的主要形 式为金属n i 和n i 硝酸盐溶液。通常认为，n i 诱导晶化的发生是由于n i s i 2 的迁移， 由于n i s i 2 的晶体结构和s i 的晶体结构相近，晶格常数相差o 4 ，在低于3 5 0 。c 形成n i s i 2 ，作为籽晶，晶化温度可降低到5 0 0 。c 以下。图1 2 所示的是m i l c 的结 晶示意图。在退火时，金属n i 与非晶硅相接触处最先晶化，随着进一步退火，这些 最先晶化的区域逐渐向外扩展，晶粒进一步长大，最后达到在低温下形成p o l y - s i 薄 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。 相比其它工艺，m i l c 技术的膜均匀性较好，可以批量生产，且成本较低，更能 迎合市场要求。 多晶硅薄膜晶体管开态模型第一章绪论 图1 2m i l c 结晶示意图 1 2 本文实验方法与研究手段 1 2 1 器件制备工艺 本文研究中主要使用了四种不同类型的多晶硅t f t ，分别为n 型( 高温，低温) 和p 型( 高温，低温) 。所有的t f t 都是传统的自对准顶栅工艺，制备在热氧化的硅片 上。 ( 1 ) n 型低温t f t 1 ) 沟道层：在做好b u f f e ro x i d e 的硅片上l p c v d 淀积一层5 0 0 a 的非晶硅，接 着定义有源区。 2 ) n i 淀积和结晶：使用l p c v d 淀积一层8 0 0 a 低温氧化物( l o wt e m p e r a t u r eo x i d e ， l t o ) 后，光刻出结晶诱导窗口，室温下电子束蒸发5 m 的金属镍( n i ) 后，并在5 5 0 。c 氮 气气氛下退火2 4 d , 时来完成非晶硅有源区的单向晶化过程。镍移除后，继续在5 5 0 。c 氮气气氛下退火2 4 d 时。 3 ) 栅氧：前一步的l t o 被移除后，l p c v d 淀积一层1 0 0 0 a 的l t o 作为栅氧化 巳 力譬。 4 ) 栅：l p c v d 淀积3 0 0 0 a 的多晶硅作为栅极材料，然后光刻出图形。 5 ) 杂质注入和激活：使用自对准工艺同时对源极和漏极进行离子注入，注入剂 量为4 1 0 1 5 c m 。通过3 小时6 2 0 。c 的退火使注入杂质激活。 6 ) 光刻出电极接触孔，溅射铝硅合金层并加工成相应的金属电极。最后在保护性 4 多晶硅薄膜晶体管开态模型第一章绪论 气体中完成电极的合金化热处理。 ( 2 ) p 型低温t f t p 型低温多晶硅t f t 是溶液法阳1 的m i c i 艺。首先在5 5 0 。c 用l p c v d 淀积5 0 0 a 的非 晶硅。然后硅片放置在l o p p m 的镍硝酸盐溶液( p h 值为8 ) 中，然后在5 9 0 。c 氮气气 氛下退火6 小时。在使用p s g ( p h o s p h o s i l i c a t eg l a s s ) 镍吸杂后，定义有源区。l p c v d 淀积一层1 0 0 0 a 的l t o 作为栅氧化层。2 8 0 0 a 的非晶硅淀积作为栅极材料。使用自对 准工艺进行离子注入，注入剂量为4 1 0 1 5 c m 。然后栅m i c 同时通过6 4 , 时5 5 0 。c 的退 火使注入杂质激活。最后淀积5 0 0 0 a 的l t o ，光刻出电极接触孔，溅射铝硅合金层并加 工成相应的金属电极。 ( 3 ) 高温t f t 对于高温的多晶硅t f t ，首先淀积1 0 0 0 a 的非晶硅作为有源区，然后使用溶液法 的m i c i 艺，在5 5 0 。c 环境中退火3 4 , 时，之后在9 0 0 。c 氮气气氛下再结晶忉一个小时。 在9 5 0 。c 干氧( d r y0 2 ) 的环境下4 8 分钟形成多晶硅的氧化物作为栅氧。淀积2 8 0 0 a 的多 晶硅作为栅极材料。对于n 型和p 型的器件，都使用自对准工艺进行离子注入，注入剂 量为4 1 0 垢c m 一。随后，9 0 0 。c 的氮气气氛下退火1 5 小时完成杂质激活。其它的一些 工艺流程和p 型低温t f t 相似。 1 2 2 实验研究手段 本文的实验中使用的测量仪器为a g i l e n t 公司的4 1 5 6 c 半导体参数分析仪、 4 2 8 4 al c r 参数测量仪( 可用于测量器件2 0 1 mh z 的l c r 参数) ，v e c t o r 公司的 m x 1 1 0 0 b 手动探针台。实验中采用的器件尺寸为w = 2 2 0 1 x m ，l = l o l m a 。所做的主要 测量为： i v ( 使用4 1 5 6 c 测量) ：转移特性曲线( 缸珞) ，输出特性曲线( 缸) 。关 于转移特性和输出特性测量数据的建模将分别在下面的章节中详细描述。c v ( 使用 4 2 8 4 a 测量) ：电容电压曲线( 栅电容c f - 珞) 。c v 测量主要用于提取参数厶( 单 位面积的栅电容) 和”( 沟道反型层电荷出现在晶粒中时对应的圪) 。而且可以利用 积分算出q 咖( 沟道反型层电荷密度) ，根据公式，。= 等谚( 以) q 枷( 矿g ) 最终计 算出熊矿( 沟道中载流子的有效迁移率) 。具体的内容和提取方法将会在第二章中详细 多品硅薄膜晶体管开态模型第一章绪论 介绍。 1 3 多晶硅t f t 开态模型的研究动态 1 3 1m o s f e t 中的开态模型 m o s f e t 与多晶硅t f t 的结构相似，最主要的差别是沟道区。m o s f e t 的沟道 材料为单晶硅，结构比多晶硅t f t 简单，所以m o s f e t 中的开态电流模型可以作为 研究多晶硅t f t 模型的基础。通常情况下m o s f e t 中的漏电流易方程为： 彤 1 ，d = 风c 。( 名一圪一- 2 v o ) v o ( 卜1 ) 厶二 肋是低电场下的载流子迁移率，也就是理想情况下沟道中的载流子迁移率，c 矗 为单位面积的栅电容，是器件的阈值电压。由于沟道中的载流子受界面电荷、表 面的粗糙度和离化的杂质原子散射的影响，使表面迁移率低于硅本体的迁移率阳3 。 m o s f e t 中的载流子迁移率与s i s i 0 2 的界面状况和工艺过程有很大关系。上述的易模 型中，假定沟道中的迁移率是常数，这是一种近似，并不准确。实际上，当载流子在 沟道中运动时，会受到栅压圪引起的纵向电场和漏压引起的横向电场的影响，当电 场增加时，载流子受到的散射也增加。这是由于纵向电场在垂直方向上会导致载流子 加速，使带电载流子向表面方向运动，造成比不存在此电场时更加频繁的散射，出现 迁移率退化现象舾1 ；而横向电场则使载流子的横向运动加速，当足够高时，载流子 的速度会达到饱和。因此，迁移率不是恒定的。如果考虑到纵向电场引起的迁移率退 化和横向电场造成的载流子速度饱和，易的表达式1 为： 小击艉( 名一一詈眦 ( 1 - 2 ) 如，是饱和电场，娓与v t h ，孵口上有关的拟合参数。关于迁移率退化模型似的几种普 遍形式我们将会在下一章中具体介绍。 公式( 1 2 ) 可以用于m o s f e t 转移特性和输出特性线性区的建模，然而输出特 性中，随着的增加，沟道区在漏端被夹断，电流出现饱和，公式( 1 2 ) 将不再适 用。沟道开始夹断时的为饱和漏电压( d r a i ns a t u r a t i o nv o l t a g e ) ，用圪妇f 表示。在输 6 多晶硅薄膜晶体管开态模型第一章绪论 出特性的建模中，是一个非常关键的因素。一般情况下，m o s f e t q b 的，表示 为： = 名一 ( 1 - 3 ) 公式( 1 - 3 ) 是在假定夹断区q j ，n ：0 的情况下得到的。实际上，这是不可能的，因为电 流并不为0 ，所以这种假设是不正确的。更确切的描述应该是，夹断区的q 胁非常小但 却不是o 。如果考虑到载流子速度饱和，更适合计算器件尤其是短沟道器件，的方 法是通过饱和漏电流梳，确定，即漏端载流子达到速度饱和时对应的电流，的表 达式嘲为： 耐= l e ；讲( 正面瓦而- 1 ) ( 1 4 ) 1 3 2 多晶硅t f t 开态模型 多晶硅t f t 由于晶粒间界的存在，其载流子输运机制远比单晶硅m o s f e t 中复 杂。目前存在着很多关于多晶硅t f t 的开态电流模型n l g - l o = i w 从c 。( 一老) ( 1 5 ) m s h u t ，m j a e u n s k i 等人在1 9 9 4 年提出了公式( 1 5 ) 中的模型。其中兰一所( 巧 是沟道反型层电荷出现在晶粒中时对应的v o ，形不同于，所对于多晶硅是一个十分 重要的物理概念，m o s f e t 由于没有晶粒间界，所以k = g , h 1 。多晶硅t f t 存在大量 的晶粒间界，所以砟是远小于的。我们下面的建模工作都是基于所而非g , h 。娓拟 合参数。该模型主要考虑到栅压珞引起的迁移率退化( 似) 以及晶粒间界对沟道中电 荷( 所) 的影响。然而忽略了晶粒间界势垒调制这个重要的载流子输运机制，所以模 型的物理意义不够明确，而且从下图中可以明显看出，迁移率模型的拟合效果也不够 理想。 7 多晶硅薄膜晶体管开态模型 第一章绪论 一 丑- i y 戗a d 胁d 越 和k 翻嘲哺d o 3 91 2 廿 o i 啊v 脚l v 】 图1 3m j a c u n s k i 等人的迁移率模型拟合效果，参考文献 9 】中图8 ，n 型t f t ，w l = 5 0 r t m 5 0 r t m ， = 0 1 v 。 公式( 1 5 ) 所展示的开态电流模型没有考虑到多晶硅中晶粒间界势垒调制效应， 而且没有考虑由于纵向电场在沟道中的变化而导致的迁移率的变化，该模型的基本物 理机制和m o s f e t 类似，不能很好的反映多晶硅t f t 的物理特性。 彤 i d = c o x l l oe x p ( 一g 九灯) ( 一) ( 卜6 ) l 唬是晶粒间界的势垒高度。d i m i t r i a d i sc a 等人在1 9 9 5 年提出了公式( 1 6 ) 中的模 型，该开态电流模型虽然考虑到了晶粒间界势垒调制对于载流子输运机制的影响，但 是忽略了栅压引起的纵向电场所导致的迁移率的退化，所以该模型依然存在着物 理机制欠缺的问题。图1 4 为该模型的拟合效果。 8 西 船 o 一曩，|已一叁善苫鼍蓄霉露 多晶硅薄膜晶体管开态模型第一章绪论 图1 4d i m i t r i a d i sc a 等人的开态电流模型拟合效果，参考文献【1 】中图4 ，所用工艺为l p c v d 。 公式( 1 - 6 ) 中的开态电流模型只适用于很小的时候( 例如v t ) = 0 1 v ) ，而且 从图1 4 中可以看出，该模型的适用范围小( 仅为从到v g = 2 0 v ) ，v , h 附近的拟合 效果也不够理想。 l = 等风e x p ( 一g 唬k n c 甜( 略一) 南 ( 1 7 ) 缇经验参数。f a r m a k i sf v 等人在2 0 0 1 年提出了公式( 1 7 ) 中的模型。该模型与公式 ( 1 5 ) 和( 1 6 ) 中的模型相比，有了一定的提高，考虑到了迁移率退化和晶粒间界 势垒调制这两种重要的载流子输运机制，物理含义比较明确。但是该模型的不足之处 在于没有考虑到纵向电场在沟道中的变化而导致的迁移率的变化，而且模型只适用于 很小的时候。图1 5 为该模型的拟合效果： 9 多晶硅薄膜晶体管开态模型第一章绪论 g i 日塘p b j 鹪岬、，) 图1 5f a r m a k i sf v 等人的开态电流模型，参考文献 1 0 e e 图3 ( a ) 。两种类型的多晶硅t f t a ， b 的转移特性曲线，w l = 1 0 1 t m 1 0 1 a m ，= o 1 v 图1 5 中可以看出，公式( 1 7 ) 中的开态电流模型在大于阈值电压( 图中啪 很多的时候才能够完全适用，而且只能用于很小的时候( v o = 0 1 v ) 。该模型虽然 在大部分区域的拟合效果不错，物理意义也比较明确，但是适用范围小，因此该模型 有着较大的局限性。 尽管存在着一些其它的模型【l 卜】，形式上要比上述模型复杂，但是依然不能完全 解决以上模型的不足。总体来说，目前的建模工作或者忽略了迁移率的退化， 1 2 - j 4 ， 或者没有考虑到由于纵向电场在沟道中的变化而导致的迁移率的变化四ln 们1 4 3 ，因此 当前非常需要一个完整的多晶硅t f t 开态电流模型。 同时在多晶硅t f t 中，现在仍然没有可以接受的通用的解析表达式来预测饱和漏 电压，。在一些以前的研究中口ln 引，经验上引入饱和因数徘为拟合参数进行建模。 因此= a 。在没有弄清楚t f t q b a 的物理意义之前，只能通过实验上一些具体 的赡下的输出特性的拟合曲线来获得。实际上，口依赖于珞而且通常远大于1n 5 1 。因 此，在这种方法中，如果不进行相关的输出特性的实验测量而直接预测，显然是不 可行的。其它的一些研究n 妇“h 1 中，不用引入口，可以用复杂的数值计算的方法得 到n 盯或者通过一个与m o s f e t 相近的表达式1 。到目前为止，一个物理基础明确能够 直接准确的预测多晶硅t f t ，的解析表达式还不存在，所以当前我们非常需要这样 l o v)。：蜃e3q c 甚o 多品硅薄膜晶体管开态模型第一章绪论 一个表达式。 1 4 本文研究的意义 本文主要提出了一个对于多晶硅t f t 广泛适用的开态电流解析模型以及能够直 接准确的预测多晶硅t f t ，的解析表达式。本论文的研究工作完全基于m i l c 工 艺。考虑到有效纵向电场引起的迁移率退化和晶粒间界势垒调制这两种重要的载流子 输运机制，通过对m o s f e t 中三种普遍应用的迁移率退化模型n 6 1 的比较，得到了最 适合于多晶硅t f t 的有效迁移率模型。 基于上述提出的完备的多晶硅t f t 载流子有效迁移率模型以及器件的缓变沟道 近似，我们成功推导出了多晶硅t f t 开态电流的解析表达式。这是一个全面的表达 式，可以用于多晶硅t f t 转移特性和输出特性的建模。我们的开态电流模型可以成 功的应用于n 型和p 型不同类型，高温和低温不同工艺的器件，物理意义明确，没有 多余的经验参数。模型的精确度和适用范围与之前的模型相比有了显著的提高，并且 模型参数减少，物理意义更加清晰明确，没有引入任何的人为因子。 本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 通过对m o s f e t 中三种普遍应用的迁移率退化模型的比较，结合晶粒间界势垒调 制效应，得到了最适合于多晶硅t f t 的有效迁移率模型； ( 2 ) 基于缓变沟道近似，建立了一个数学上精确的开态电流如的解析表达式。该模型 的适用性在n 型和p 型( 高温，低温) 四种不同的多晶硅t f t 上得到了验证，不同的器件 上都具有相当高的精确度。输出特性的建模恰当地考虑了沟道长度调制效应。 ( 3 ) 三种物理机制：晶粒间界势垒调制，栅电压控制的迁移率退化以及载流子速度 饱和自然地结合在此开态电流模型； ( 4 ) 器件饱和区明确定义，推导出了饱和漏电压，的解析表达式。这是国际上首次 提出的适用于一般多晶硅t f t 的，表达式，物理意义明确。通过各种不同物理机 制重要性程度的比较，进行了一定的简化，即只保留晶粒间界势垒调制这个对于多晶 硅t f t ，影响最大的物理机制，得到了在不用测量器件输出特性曲线的情况下直接 准确的预测，数值的解析表达式。 多晶硅薄膜晶体管开态模型第一章绪论 参考文献 【1 】d i m i t r i a d i sc a ，t a s s i sd h ，“o nt h et h r e s h o l dv o l t a g ea n dc h a n n e lc o n d u c t a n c eo f p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i n f i l mt r a n s i s t o r s ，”j o u r n a lo fa p p l i e dp h y s i c s ，v 0 1 7 9 ，19 9 6 ， p p 4 4 3 1 - 7 【2 】m i n g x i a n gw a n g ，a n dm a nw o n g ，“a ne f f e c t i v ec h a n n e lm o b i l i t yb a s e da n a l y t i c a l o n c u r r e n tm o d e lf o rp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i n f i l mt r a n s i s t o r s ，”i e e et r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ，v 0 1 5 4 ，2 0 0 7 ，p p 8 6 9 - 8 7 4 3 】王阳元，t i 卡明斯，赵宝瑛等编著，多晶硅薄膜及其在集成电路中的应用，科学 出版社，北京，2 0 0 0 4 】饶瑞，a - s i 薄膜的低温晶化机理及其在t f t 中的应用研究，华中科技大学博士学 位论文，2 0 0 1 年1 月 5 】刘传珍、杨柏粱、袁剑峰等，金属诱导法低温多晶硅薄膜的制备与研究，半导体 学报，2 0 0 1 年1 月，笫2 2 卷，第l 期，6 l 一6 5 6 】z h i g u om e n g ，s h u y u nz h a o ，c h u n y aw u ，b oz h a n g ，m a nw o n ga n dh o is i n gk w o k ， “p o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o nf i l m sa n dt h i n - f i l mt r a n s i s t o r s u s i n g s o l u t i o n - b a s e d m e t a l - i n d u c e d c r y s t a l l i z a t i o n ，”j o u r n a lo fd i s p l a yt e c h n o l o g y ，v 0 1 2 ，2 0 0 6 ， p p 2 6 5 2 7 3 【7 】m w a n g ，z m e n g ，a n dm w o n g ，“t h ee f f e c t so fh i g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n go n m e t a l i n d u c e dl a t e r a l l yc r y s t a l l i z e dp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n ，”i e e et r a n s e l e c t r o n d e v i c e s ，v 0 1 4 7 ，2 0 0 0 ，p p 2 0 61 - 2 0 6 7 【8 】n a r o r a , m o s f e tm o d e l sf o rv l s ic i r c u i ts i m u l a t i o nt h e o r ya n dp r a c t i c e n e w y 0 r k v i e n n a ：s p r i n g e r - v e r l a g ，19 9 3 ，c h a p t e r6 9 】j a c u n s k im a r kd ，s h u rm i c h a e ls a n dh a c km i c h a e l ，“t h r e s h o l dv o l t a g e ，f i e l de f f e c t m o b i l i t y , a n dg a t e - t o - c h a n n e lc a p a c i t a n c ei np o l y s i l i c o nt f t s ，”i e e et r a n s o n e l e c t r o nd e v i c e s ，v 0 1 4 3 ，1 9 9 6 ，p p 1 4 3 3 1 4 4 0 【10 f a r m a k i sf v , b r i n ij ，k a m a r i n o sga n g e l i sc t ，d i m i t r i a d i sc a ，a n dm i y a s a k am ， “o n - c u r r e n tm o d e l i n go fl a r g e - g r a i np o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i n - f i l mt r a n s i s t o r s ， 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 ，v 0 1 4 8 ，2 0 0 1 ，p p 7 0 1 - 6 1 2 多晶硅薄膜晶体管开态模型 第一章绪论 11 】c h o p r as ，a n dg u p t ar s ，“m o d e l i n g o fs h o r tg e o m e t r yp o l y c r y s t a u i n e - s i l i c o n t h i n f i l mt r a n s i s t o r , ”i e e et r a n s o ne l e c t r o nd e v i c e s ，v 0 1 4 7 ，2 0 0 0 ，p p 2 4 4 4 6 【12 】h a t z o p o u l o sa t , t a s s i sd h ，h a s t a sn a ，d i m i t r i a d i sc a ，a n dgk a m a r i n o s ，“o n s t a t e d r a i nc u r r e n tm o d e l i n go fl a r g e - - g r a i np o l y - s it f t sb a s e do nc a r r i e rt r a n s p o r tt h r o u g h l a t i t u d i n a la n dl o n g i t u d i n a lg r a i nb o u n d a r i e s ，”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 ， v 0 1 5 2 ，2 0 0 5 ，p p 17 2 7 3 3 【1 3 】g u p t an ，a n dt y a g ib e “o n - c u r r e n tm o d e l i n go fp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nt h i n f i l m t r a n s i s t o r s ，”p h y s i c as c f i p t a ，v 0 1 7 2 ，2 0 0 5 ，p p 3 3 9 4 2 【l4 】g i y o u n gy a n g ，s u n g h o ih u r , a n dc h u l h ih a n ，ap h y s i c a l - b a s e da n a l y t i c a l t u l t i - o nm o d e lo fp o l y s i l i c o nt h i n - f i l mt r a n s i s t o r sf o rc i r c u i ts i m u l a t i o n ，”i e e et r a m o ne l e c t r o nd e v i c e s ，v 0 1 4 6 ，19 9 9 ，p p 16 5 7 2 【15 】e s t r a d am ，c e r d e i r aa ，o r t i z - c o n d ea ，g a r c i as a n c h e zf j ，a n di n i g u e zb ， “e x t r a c t i o nm e t h o df o rp o l y c r y s t a l l i n et f ta b o v ea n db e l o wt h r e s h o l dm o d e l p a r a m e t e r s ，”s o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c s ，v 0 1 4 6 ，2 0 0 2 ，p p 2 2 9 5 3 0 0 【16 】m o n g - s o n gl i a n g ，j e o n g y e o lc h o i ，p i n g - k e u n gk oa n dc h e n m i n gh u ， “i n v e r s i o n - l a y e rc a p a c i t a n c ea n dm o b i l i t yo fv e r yt h i ng a t e o x i d em o s f e t s ，” i e e et r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ，v 0 1 e d 一3 3 ，19 8 6 ，p p 4 0 9 13 1 3 多晶硅薄膜晶体管开态模型第二章多晶硅1 1 可有效迁移率模型 第二章多晶硅t f t 有效迁移率模型 2 1 有效迁移率的实验测量 根据实验数据，当场很小的时候，衔可以通过以下的场，o 加，的关系得到： ，。：w 肛，( 矿。) q 。( 矿，) y 。 ( 2 一1 ) ，d = 了谚( k ) q 协( 比) ( z 1 ) q 栅可以从低频时的电容- 电压( c v ) 测量中得到，即栅和沟道之间的电容( v d s 趋近 于0 ) 从乍v f s 开始积分的积分值： q 加，( 名) = - e e 8 ( c 弘( y ) 一c 萨，r b ) d v ( 2 - 2 ) v f , 是转移特性曲线中漏电流( 1 e a k a g ec u r r e n t ) n d 、时对应的，c g c , f b 是c g c 在忙v f s n 1 时的值。与之间存在线性关系： q 柳= c “( 以一一) = c “ ( 2 3 ) 是单位面积的栅电容。通过q f 聊和唯的线性坐标下的曲线，可以得到c “就是曲 线的斜率，而比则是x 轴的截距。 图2 1 ，2 2 分别为多晶硅t f tn 型和p 型的c v ，v s 曲线，其中( a ) 高温， ( b ) 低温。在c v 测量中，n 型t f t 信号频率为1 0 kh z ，p 型则为3 0 0i - i z 。这是为了 让所有的陷阱电荷可以有足够的响应时间来跟上测量信号的变化乜1 。下表是图2 1 ，2 2 中四种不同工艺的多晶硅t f t 参数厶和k 的实验提取值。关于有效迁移率的实验 值和建模将会在下一节给出。 表2 1 四种不同工艺的多晶硅t f t 参数和所的实验提取值 多品硅t f t n - t y p eh tn - t y p el tp - t y p eh tp - t y p el t 厶( f c m 2 ) 8 1 1 x 1 0 83 1 4 x1 0 88 0 9 x1 0 。83 0 5 x1 0 8 巧( - 1 0 40 3 30 9 2_ 4 8 7 1 4 多晶硅薄膜晶体管开态模型 第二章多晶硅t f t 有效迁移率模型 g e u u ” g a t ev o l a