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第六章薄膜晶体管 TFT 主要内容 1 TFT的发展历程 2 TFT的种类 结构及工作原理 3 p siTFT的电特性 4 p siTFT的制备技术 5 TFT的应用前景 TFT的发展历程 1 1934年第一个TFT的发明专利问世 设想 2 TFT的真正开始 1962年 由Weimer第一次实现 特点 器件采用顶栅结构 半导体活性层为CdS薄膜 栅介质层为SiO 除栅介质层外都采用蒸镀技术 器件参数 跨导gm 25mA V 载流子迁移率150cm2 vs 最大振荡频率为20MHz CdSe 迁移率达200cm2 vs TFT与MOSFET的发明同步 然而TFT发展速度及应用远不及MOSFET TFT的发展历程 3 1962年 第一个MOSFET实验室实现 4 1973年 实现第一个CdSeTFT LCD 6 6 显示屏 TFT的迁移率20cm2 vs Ioff 100nA 之后几年下降到1nA 5 1975年 实现了基于非晶硅 TFT 随后实现驱动LCD显示 迁移率 1cm2 vs 但空气 H2O O2 中相对稳定 6 80年代 基于CdSe 非晶硅TFT研究继续推进 另外 实现了基于多晶硅TFT 并通过工艺改进电子迁移率从50提升至400 当时p SiTFT制备需要高温沉积或高温退火 a SiTFT因低温 低成本 成为LCD有源驱动的主流 7 90年代后 继续改进a Si p SiTFT的性能 特别关注低温多晶硅TFT制备技术 非晶硅固相晶化技术 有机TFT 氧化物TFT亦成为研究热点 有机TFT具有柔性可弯曲 大面积等优势 TFT发展过程中遭遇的关键技术问题 低载流子迁移率 稳定性和可靠性 低温高性能半导体薄膜技术 低成本 大面积沉膜 挑战 在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜 TFT的发展历程 TFT的种类 按采用半导体材料不同分为 无机TFT 有机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 无 有机复合型TFT 采用无机纳米颗粒与聚合物共混制备半导体活性层 TFT的常用器件结构 双栅薄膜晶体管结构 薄膜晶体管的器件结构 TFT的工作原理 一 MOS晶体管工作原理回顾 当 VGS VT 导电沟道形成 此时当VDS存在时 则形成IDS 对于恒定的VDS VGS越大 则沟道中的可动载流子就越多 沟道电阻就越小 ID就越大 即栅电压控制漏电流 对于恒定的VGS 当VDS增大时 沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄 引起沟道电阻增加 导致IDS增加变缓 当VDS VDsat时 漏极被夹断 而后VDS增大 IDS达到饱和 工作原理 与MOSFET相似 TFT也是通过栅电压来调节沟道电阻 从而实现对漏极电流的有效控制 与MOSFET不同的是 MOSFET通常工作强反型状态 而TFT根据半导体活性层种类不同 工作状态有两种模式 对于a SiTFT OTFT 氧化物TFT通常工作于积累状态 对于p SiTFT工作于强反型状态 工作于积累状态下原理示意图 TFT的工作原理 TFT的I V描述 在线性区 沟道区栅诱导电荷可表示为 在忽略扩散电流情况下 漏极电流由漂移电流形成 可表示为 1 2 1 代入 2 积分可得 3 当Vd Vg时 3 式简化为 在饱和区 Vd Vg Vth 将Vd Vg Vth代入 3 式可得 4 p SiTFT的电特性 1 TFT电特性测试装置 p Si 高掺杂p Si 2 p SiTFF器件典型的输出和转移特性曲线 转移特性反映TFT的开关特性 VG对ID的控制能力 输出特性反映TFT的饱和行为 特性参数 迁移率 开关电流比 关态电流 阈值电压 跨导 3 p SiTFF中的Kink效应 机理 高VD VD VDsat 时 夹断区因强电场引起碰撞电离所致 此时ID电流可表示为 为碰撞电离产生率 与电场相关 类似于pn结的雪崩击穿 4 Gate biasStressEffect 栅偏压应力效应 负栅压应力 正栅压应力 现象1 阈值电压漂移 负栅压应力向正方向漂移 正栅压应力向负方向漂移 产生机理 可动离子漂移 负栅压应力 正栅压应力 现象2 亚阈值摆幅 S 增大 机理 应力过程弱Si Si断裂 诱导缺陷产生 5 p SiTFFC V特性 下图为不同沟长TFT在应力前后的C V特性 自热应力 BTS biastemperaturestress VG VD 30V T 55oC 应力作用产生缺陷态 引起C V曲线漂移 6 p SiTFF的改性技术 1 非晶硅薄膜晶化技术 更低的温度 更大的晶粒 进一步提高载流子迁移率 3 采用高k栅介质 降低阈值电压和工作电压 2 除氢技术 改善稳定性 4 基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术 350oC p SiTFT制备工艺流程 1 简单的底栅顶结构型 Intrinsicp Si S Dcontacts 硅片氧化 光刻栅电极 多晶硅生长及金属化 刻蚀背面氧化层 光刻形成源漏接触 栅氧化 2 完整的底栅顶接触型结构 本征p Si n p Si S Dcontacts 硅片氧化 光刻栅电极 栅氧化 多晶硅生长及金属化 刻蚀金属形成源漏接触 刻蚀晶体管分离 刻蚀S D之外的n P Si a b c 在基底上依次沉积过渡层 a Si膜 a Si晶化 光刻隔离区 沉积栅介质层 实现器件隔离 栅重叠区轻掺杂 以减小泄漏电流 3 自对准顶栅结构p SiTFTs工艺流程 Poly Si 栅介质 n 掺杂区 d e p doped S DMetal GateMetal GOLDD Gate overlappedlightlydopeddrain ForDriveTFT highreliabilityandhighon current ForPixelTFT lowleakagecurrent 沉积金属膜 确定栅极 源 漏区高掺杂并实现杂质激活 n doped 沉积隔离层 光刻源 漏接触孔 沉积金属层 光刻形成源漏电极 隔离介质层 p SiTFT制备中的关键工艺技术 1 LTPSTFTLCDs技术水平 2002年 2005年 2009年 320 240 640 480 刷新频率 1024 768 50 60 60 120 2002年 2005年 2009年 TEOS 正硅酸乙酯 2 p Si薄膜制备技术 a Sithinfilm p Sithinfilm 晶化 1 p Si薄膜制备方法 低压化学汽相沉积 LPCVD 方法2 方法1 直接沉积p Sithinfilm 早期CVD poly Mixture AmporphousLPCVD poly Mixture Amporphous 2 Si薄膜制备方法比较 射频溅射 RF Radio FrequencySputtering 射频指无线电波发射范围的频率 为了避免干扰电台工作 溅射专用频率规定为13 56MHz 原理 用射频电源代替直流电源 在交变电场作用下 气体中的电子随之发生振荡 并电离为等离子体 电路 基片电极 机壳 接地 阳极靶材接射频电源 阴极 负电位 特点 可用于溅射介质材料 也可溅射导电材料 但 电源贵 人身要防护 特点 1 单晶硅作为靶材 2 与基片粘附力强 成膜牢固 3 成膜厚度容易控制 3 不受材料熔点限制 4 成膜面积相对较大 5 基底温度相对低 6 薄膜大都为非晶相 低压化学气相沉积 LPCVD Low PressureCVD 特点 压力低 只需10Pa 沉积速度较低 0 01 0 1um min 均匀性好 可用于介质 半导体的沉积 SiH4 H2 N2 等离子增强化学气相沉积 PECVD PlasmaEnhancedCVD 直流辉光放电射频放电脉冲放电微波放电等 特点 沉积温度较低 加放电电源 使气体离化 等离子体 SiH4 H2 N2 3 a Si薄膜晶化方法比较 晶化方法与对应的TFT迁移率的关系 SPC Solid PhaseCrystallization MILC Metal inducedLateralCrystallization ELA ExcimerLaserCrystallization 横向激光晶化示意图 对于不同晶化方法在不同晶化温度和时间下制备TFT的迁移率 数据值 迁移率与晶粒大小关系 4 p SiTFT制备中的掺杂及杂质激活 掺杂工艺 离子注入 汽相沉积 CVD 杂质源 P As B 等 杂质源 POCl3 PH3 B2H6 杂质激活方法 热退火 快速热退火 激光退火 固相扩散 TFT制备中基本不采用 TFT制备中基本不采用 TFT制备中采用 TFT制备中采用 与VLSI掺杂技术相比 p Si掺杂特点 a 衬底的低热导率要求 温和 的掺杂工艺以缓解对光阻的热损伤 b 注入能量适合于有掩蔽层 或掩蔽层 时薄膜 100nm 的掺杂 c 设备简单 低成本 且能对大面积基底实现高产率 d 掺杂工艺与低温杂质激活工艺兼容 通常 650oC 对于塑料基底 200oC TFT器件典型性能参数及特点比较 注 表中数据仅为典型值 TFT的主要应用 1 LCD OLED显示有源驱动的关键器件 右图为简单的两管组成的模拟驱动方式 通过调制驱动管T2的栅极电流来控制流过OLED的电流 从而达到调节发光亮度的目的 T1管为寻址管 写信号时 扫描线处于低电位 T1导通态 数据信号存到电容C1上 显示时 扫描线处于高电位 T2受存储电容C1上的电压控制 使OLED发光 OTFT OLED单元 柔性基底上制备的超高频RFCPU芯片 主要性能指标 工艺指标 2 基于TFT的数字逻辑集成电路 RF频率 915MHz编码调制方式 脉宽调制数据速率 70 18kbits sCPU时钟 1 12MHzROM 4kB RAM 512B 0 8m多晶硅TFT工艺晶体管数目 144k芯片面积 10 5 8 9mm2 基于有机TFT的全打印7阶环形振荡器电路 全打印技术制备n p沟TFT 3 敏感元件 如 气敏 光敏 PH值测定 N2O气体环境 N2OGa