半导体器件物理ppt课件

第六章薄膜晶体管 TFT 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 p SiTFT的电特性 1 TFT电特性测试装置 p Si 高掺杂p Si 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 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 20 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 21 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 22 2002年 2005年 2009年 TEOS 正硅酸乙酯 23 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 24 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 25 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 26 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 27 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 28 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 29 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 30 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 31 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 32 TFT器件典型性能参数及特点比较 注 表中数据仅为典型值 33 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 34 35 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 36 基于有机TFT的全打印7阶环形振荡器电路 37 全打印技术制备n p沟TFT 38 3 敏感元件 如 气敏 光敏 PH值测定 N2O气体环境 N2OGasSensors原理图 溶液PH值测定原理图 Phototransistor结构图 39 思考题 1 了解薄膜晶体管基本结构 工作原理 2 掌握薄膜晶体管电性能的测试及参数提取 3 了解p SiTFT的主要效应及机理 4 掌握p SiTFT制备工艺流程 5 了解非晶硅薄膜晶化的方法及特点 6 了解不同类型薄膜晶体管性能和工艺上优势和不足 7 了解薄膜晶体管的主要应用 40