半导体器件物理chapter6TFT及其制造技术

1、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-si TFT的电特性,（4）p-si TFT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=25 mA/V,载流子迁移率150 cm2/vs,最大振荡频率为20 MHz. CdSe-迁移率达200 cm2/vs,TFT与MOSFET的发明同步，然而T

2、FT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CdSe TFT-LCD(6*6)显示屏.-TFT的迁移率20 cm2/vs,Ioff=100 nA.之后几年下降到1 nA.,（5）1975年，实现了基于非晶硅-TFT.随后实现驱动LCD显示. -迁移率1 cm2/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-Si TFT

3、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-Si TFT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

4、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VDSVDsat时,漏极被夹断,而后VDS增大，IDS达到饱和.,工作原理：与MOSFET相似

5、,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-Si TFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于积累状态. 对于p-Si TFT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VdVDsat）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

6、率,与电场相关,类似于pn结的雪崩击穿.,4. Gate-bias Stress Effect (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-Si TFF C-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(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;,应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移.,6. p-Si TFF的

7、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(350 oC).,p-Si TFT制备工艺流程,1、简单的底栅顶结构型,Intrinsic p-Si,S/D contacts,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/D contacts,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

8、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-Si TFTs工艺流程,:Poly-Si,:栅介质,:n- 掺杂区,(d),(e),:p+ doped,:S/D Metal,:Gate Metal,GOLDD: Gate-overlapped lightly doped drain,For Drive TFT: high reliability and high on-current; For Pixel TFT: low leakage curre

9、nt.,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-Si TFT制备中的关键工艺技术,1、LTPS TFT LCDs 技术水平,2002年,2005年,2009年,（320240）,（640480）,（刷新频率）,（1024768）,（5060）,（60120）,2002年,2005年,2009年,TEOS: 正硅酸乙酯,2、p-Si 薄膜制备技术,a-Si thin film,p-Si thin film,晶化,（1）p-Si 薄膜制备方法-低压化学汽相沉积（LPCVD）,方法2

10、：,方法1：直接沉积p-Si thin film,早期CVD poly Mixture Amporphous LPCVD poly Mixture Amporphous,（2）Si 薄膜制备方法比较,射频溅射(RF: Radio-Frequency Sputtering) 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

11、： 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-Pressure CVD),特点： 压力低，只需10Pa 沉积速度较低：0.010.1um/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: Plasma Enhanced CVD),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,（

12、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-Phase Crystallization,MILC:Metal-induced Lateral Crystallization,ELA:Excimer Laser Crystallization,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-Si TFT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

13、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（100 nm)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650 oC,对于塑料基底200 oC）.,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

14、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：915 MHz 编码调制方式：脉宽调制 数据速率：70.18 kbits/s CPU时钟：1.12 MHz ROM: 4 kB, RAM: 512 B,0.8 m多晶硅TFT工艺 晶体管数目：144k 芯片面积：10.5*8.9 mm2,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，