第五章5TFT及其制造技術(shù)

薄膜晶體管（TFT）

主要內(nèi)容（1）TFT的發(fā)展歷程（2）TFT的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理（3）p-siTFT的電特性（4）p-siTFT的制備技術(shù)（5）TFT的應(yīng)用前景TFT的發(fā)展歷程（1）1934年第一個TFT的發(fā)明專利問世-----設(shè)想.（2）TFT的真正開始----1962年，由Weimer第一次實現(xiàn).

特點：器件采用頂柵結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體活性層為CdSe薄膜.柵介質(zhì)層為SiO,除柵介質(zhì)層外都采用蒸鍍技術(shù).

器件參數(shù)：跨導(dǎo)gm=25mA/V,載流子遷移率150cm2/vs,最大振蕩頻率為20MHz.CdSe----遷移率達200cm2/vsTFT與MOSFET的發(fā)明同步，然而TFT發(fā)展速度及應(yīng)用遠不及MOSFET?!TFT的發(fā)展歷程（3）1962年，第一個MOSFET實驗室實現(xiàn).（4）1973年，實現(xiàn)第一個CdSe

TFT-LCD(6*6)顯示屏.-----TFT的遷移率20cm2/vs,Ioff=100nA.之后幾年下降到1nA.（5）1975年，實現(xiàn)了基于非晶硅-TFT.隨后實現(xiàn)驅(qū)動LCD顯示.----遷移率＜1cm2/vs,但空氣（H2O,O2)中相對穩(wěn)定.（6）80年代,基于CdSe,非晶硅TFT研究繼續(xù)推進.另外，實現(xiàn)了基于多晶硅TFT，并通過工藝改進電子遷移率從50提升至400.---當時p-SiTFT制備需要高溫沉積或高溫退火.---a-SiTFT因低溫、低成本，成為LCD有源驅(qū)動的主流.（7）90年代后，繼續(xù)改進a-Si,p-SiTFT的性能，特別關(guān)注低溫多晶硅TFT制備技術(shù).----非晶硅固相晶化技術(shù).有機TFT、氧化物TFT亦成為研究熱點.---有機TFT具有柔性可彎曲、大面積等優(yōu)勢.TFT發(fā)展過程中遭遇的關(guān)鍵技術(shù)問題？低載流子遷移率穩(wěn)定性和可靠性低溫高性能半導(dǎo)體薄膜技術(shù)低成本、大面積沉膜挑戰(zhàn)：在玻璃或塑料基底上生長出單晶半導(dǎo)體薄膜！TFT的發(fā)展歷程TFT的種類按采用半導(dǎo)體材料不同分為：無機TFT有機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無/有機復(fù)合型TFT：采用無機納米顆粒與聚合物共混制備半導(dǎo)體活性層TFT的常用器件結(jié)構(gòu)雙柵薄膜晶體管結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的器件結(jié)構(gòu)TFT的工作原理一、MOS晶體管工作原理回顧當|VGS|>|VT|,導(dǎo)電溝道形成.此時當VDS存在時，則形成IDS.對于恒定的VDS,VGS越大,則溝道中的可動載流子就越多,溝道電阻就越小,ID就越大.即柵電壓控制漏電流.對于恒定的VGS,當VDS增大時，溝道厚度從源極到漏極逐漸變薄,引起溝道電阻增加,導(dǎo)致IDS增加變緩.當VDS＞VDsat時,漏極被夾斷,而后VDS增大，IDS達到飽和.工作原理：與MOSFET相似,TFT也是通過柵電壓來調(diào)節(jié)溝道電阻，從而實現(xiàn)對漏極電流的有效控制.與MOSFET不同的是：MOSFET通常工作強反型狀態(tài),而TFT根據(jù)半導(dǎo)體活性層種類不同,工作狀態(tài)有兩種模式：對于a-SiTFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于積累狀態(tài).

對于p-SiTFT工作于強反型狀態(tài).工作于積累狀態(tài)下原理示意圖TFT的工作原理TFT的I-V描述在線性區(qū),溝道區(qū)柵誘導(dǎo)電荷可表示為在忽略擴散電流情況下，漏極電流由漂移電流形成，可表示為…….（1）…….（2）(1)代入(2)，積分可得：…….（3）當Vd<<Vg時,(3)式簡化為在飽和區(qū)(Vd>Vg-Vth),將Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得：…….（4）p-SiTFT的電特性1.TFT電特性測試裝置p-Si高摻雜p-Si2.p-SiTFF器件典型的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性反映TFT的開關(guān)特性,VG對ID的控制能力.輸出特性反映TFT的飽和行為.特性參數(shù)：遷移率、開關(guān)電流比、關(guān)態(tài)電流、閾值電壓、跨導(dǎo)3.p-SiTFF中的Kink效應(yīng)機理:高VD

（VD>VDsat）時,夾斷區(qū)因強電場引起碰撞電離所致.此時ID電流可表示為:為碰撞電離產(chǎn)生率,與電場相關(guān),類似于pn結(jié)的雪崩擊穿.4.Gate-biasStressEffect(柵偏壓應(yīng)力效應(yīng)）負柵壓應(yīng)力正柵壓應(yīng)力現(xiàn)象1：閾值電壓漂移.負柵壓應(yīng)力向正方向漂移,正柵壓應(yīng)力向負方向漂移.產(chǎn)生機理：可動離子漂移.負柵壓應(yīng)力正柵壓應(yīng)力現(xiàn)象2：亞閾值擺幅(S)增大.機理：應(yīng)力過程弱Si-Si斷裂,誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生.5.p-SiTFFC-V特性下圖為不同溝長TFT在應(yīng)力前后的C-V特性自熱應(yīng)力BTS(biastemperaturestress)：VG=VD=30V,T=55oC;應(yīng)力作用產(chǎn)生缺陷態(tài)，引起C-V曲線漂移.6.p-SiTFF的改性技術(shù)（1）非晶硅薄膜晶化技術(shù)-----更低的溫度、更大的晶粒,進一步提高載流子遷移率.（3）采用高k柵介質(zhì)----降低閾值電壓和工作電壓.（2）除氫技術(shù)----改善穩(wěn)定性.（4）基于玻璃或塑料基底的低溫工藝技術(shù)(<350oC).p-SiTFT制備工藝流程1、簡單的底柵頂結(jié)構(gòu)型Intrinsicp-SiS/Dcontacts硅片氧化光刻柵電極多晶硅生長及金屬化刻蝕背面氧化層光刻形成源漏接觸柵氧化2、完整的底柵頂接觸型結(jié)構(gòu)本征p-Sin+p-SiS/Dcontacts硅片氧化光刻柵電極柵氧化多晶硅生長及金屬化刻蝕金屬形成源漏接觸刻蝕晶體管分離刻蝕S/D之外的n+P-Sip-Si薄膜制備技術(shù)a-Sithinfilmp-Sithinfilm晶化（1）p-Si薄膜制備方法----低壓化學(xué)汽相沉積（LPCVD）方法2：方法1：直接沉積p-Sithinfilm早期CVD○poly△Mixture□AmporphousLPCVD●poly▲Mixture■Amporphous（2）Si薄膜制備方法比較

射頻濺射(RF:Radio-FrequencySputtering)射頻指無線電波發(fā)射范圍的頻率，為了避免干擾電臺工作，濺射專用頻率規(guī)定為13.56MHz。原理： 用射頻電源代替直流電源，在交變電場作用下，氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩，并電離為等離子體。電路：基片電極、機殼→接地→陽極靶材接射頻電源→陰極(負電位)特點： 可用于濺射介質(zhì)材料，也可濺射導(dǎo)電材料。 但，電源貴，人身要防護。特點：1.單晶硅作為靶材.2.與基片粘附力強、成膜牢固.3.成膜厚度容易控制.3.不受材料熔點限制.4.成膜面積相對較大.5.基底溫度相對低.6.薄膜大都為非晶相.

低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD:Low-PressureCVD)

特點：■壓力低，只需10Pa■沉積速度較低：0.01～0.1um/min?！鼍鶆蛐院谩！嗫捎糜诮橘|(zhì)、半導(dǎo)體的沉積。SiH4+H2,N2

等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD:PlasmaEnhancedCVD)直流輝光放電射頻放電脈沖放電微波放電等特點：沉積溫度較低

加放電電源，使氣體離化→等離子體SiH4+H2,N2與VLSI摻雜技術(shù)相比，p-Si摻雜特點：(a)、襯底的低熱導(dǎo)率要求“溫和”的摻雜工藝以緩解對光阻的熱損傷；(b)、注入能量適合于有掩蔽層（或掩蔽層）時薄膜（＜100nm)的摻雜；(c)、設(shè)備簡單（低成本），且能對大面積基底實現(xiàn)高產(chǎn)率；(d)、摻雜工藝與低溫雜質(zhì)激活工藝兼容（通常＜650oC,對于塑料基底＜200oC）.TFT器件典型性能參數(shù)及特點比較（cm2/Vs)開關(guān)電流比關(guān)鍵工藝優(yōu)勢不足a-SiTFT0.5~1>107A-Si:H沉積及摻雜低溫,玻璃塑料基底低、有光響應(yīng)p-SiTFT100~300105~107硅膜沉積、晶化、摻雜高遷移率高溫,有光響應(yīng)小分子TFT0.1~10104~106蒸鍍高于聚合物TFT難大面積,有光響應(yīng)聚合物TFT0.01~1103~105旋涂、打印低成本,易大面積低,不穩(wěn)定,有光響應(yīng)ZnOTFT1~100105~108濺射、ALD高,可見光透明難大面積,不穩(wěn)定注:表中數(shù)據(jù)僅為典型值.TFT的主要應(yīng)用1.LCD、OLED顯示有源驅(qū)動的關(guān)鍵器件右圖為簡單的兩管組成的模擬驅(qū)動方式，通過調(diào)制驅(qū)動管T2的柵極電流來控制流過OLED的電流，從而達到調(diào)節(jié)發(fā)光亮度的目的。T1管為尋址管。寫信號時，掃描線處于低電位，T1導(dǎo)通態(tài)，數(shù)據(jù)信號存到電容C1上；顯示時，掃描線處于高電位，T2受存儲電容C1上的電壓控制，使OLED發(fā)光.OTFT-OLED單元柔性基底上制備的超高頻RFCPU芯片主要性能指標：工藝指標：2.基于TFT的數(shù)字邏輯集成電路RF頻率：915MHz編碼調(diào)制方式：脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)速率：70.18