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(lèi)、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(gè)TFT的發(fā)明專(zhuān)利問(wèn)世-----設(shè)想.（2）TFT的真正開(kāi)始----1962年，由Weimer第一次實(shí)現(xiàn).

特點(diǎn)：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(dá)200cm2/vsTFT與MOSFET的發(fā)明同步，然而TFT發(fā)展速度及應(yīng)用遠(yuǎn)不及MOSFET?!TFT的發(fā)展歷程（3）1962年，第一個(gè)MOSFET實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn).（4）1973年，實(shí)現(xiàn)第一個(gè)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(shí)現(xiàn)了基于非晶硅-TFT.隨后實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)LCD顯示.----遷移率＜1cm2/vs,但空氣（H2O,O2)中相對(duì)穩(wěn)定.（6）80年代,基于CdSe,非晶硅TFT研究繼續(xù)推進(jìn).另外，實(shí)現(xiàn)了基于多晶硅TFT，并通過(guò)工藝改進(jìn)電子遷移率從50提升至400.---當(dāng)時(shí)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L(zhǎng)CD有源驅(qū)動(dòng)的主流.（7）90年代后，繼續(xù)改進(jìn)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(jī)TFT、氧化物TFT亦成為研究熱點(diǎn).---有機(jī)TFT具有柔性可彎曲、大面積等優(yōu)勢(shì).TFT發(fā)展過(guò)程中遭遇的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(zhǎng)出單晶半導(dǎo)體薄膜！TFT的發(fā)展歷程TFT的種類(lèi)按采用半導(dǎo)體材料不同分為：無(wú)機(jī)TFT有機(jī)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(wú)/有機(jī)復(fù)合型TFT：采用無(wú)機(jī)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(dāng)|VGS|>|VT|,導(dǎo)電溝道形成.此時(shí)當(dāng)VDS存在時(shí)，則形成IDS.對(duì)于恒定的VDS,VGS越大,則溝道中的可動(dòng)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(duì)于恒定的VGS,當(dāng)VDS增大時(shí)，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(dāng)VDS＞VDsat時(shí),漏極被夾斷,而后VDS增大，IDS達(dá)到飽和.工作原理：與MOSFET相似,TFT也是通過(guò)柵電壓來(lái)調(diào)節(jié)溝道電阻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流的有效控制.與MOSFET不同的是：MOSFET通常工作強(qiáng)反型狀態(tài),而TFT根據(jù)半導(dǎo)體活性層種類(lèi)不同,工作狀態(tài)有兩種模式：對(duì)于a-SiTFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于積累狀態(tài).

對(duì)于p-SiTFT工作于強(qiáng)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(kuò)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(dāng)Vd<<Vg時(shí),(3)式簡(jiǎn)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(cè)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(kāi)關(guān)特性,VG對(duì)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(kāi)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(jī)理:高VD

（VD>VDsat）時(shí),夾斷區(qū)因強(qiáng)電場(chǎng)引起碰撞電離所致.此時(shí)ID電流可表示為:為碰撞電離產(chǎn)生率,與電場(chǎng)相關(guān),類(lèi)似于pn結(jié)的雪崩擊穿.4.Gate-biasStressEffect(柵偏壓應(yīng)力效應(yīng)）負(fù)柵壓應(yīng)力正柵壓應(yīng)力現(xiàn)象1：閾值電壓漂移.負(fù)柵壓應(yīng)力向正方向漂移,正柵壓應(yīng)力向負(fù)方向漂移.產(chǎn)生機(jī)理：可動(dòng)離子漂移.負(fù)柵壓應(yīng)力正柵壓應(yīng)力現(xiàn)象2：亞閾值擺幅(S)增大.機(jī)理：應(yīng)力過(guò)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(zhǎng)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(jìn)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(jiǎn)單的底柵頂結(jié)構(gòu)型Intrinsicp-SiS/Dcontacts硅片氧化光刻?hào)烹姌O多晶硅生長(zhǎng)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?hào)烹姌O柵氧化多晶硅生長(zhǎng)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(wú)線電波發(fā)射范圍的頻率，為了避免干擾電臺(tái)工作，濺射專(zhuān)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(chǎng)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(jī)殼→接地→陽(yáng)極靶材接射頻電源→陰極(負(fù)電位)特點(diǎn)： 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(hù)。特點(diǎn)：1.單晶硅作為靶材.2.與基片粘附力強(qiáng)、成膜牢固.3.成膜厚度容易控制.3.不受材料熔點(diǎn)限制.4.成膜面積相對(duì)較大.5.基底溫度相對(duì)低.6.薄膜大都為非晶相.

低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD:Low-PressureCVD)

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

等離子增強(qiáng)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(diǎn)：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(diǎn)：(a)、襯底的低熱導(dǎo)率要求“溫和”的摻雜工藝以緩解對(duì)光阻的熱損傷；(b)、注入能量適合于有掩蔽層（或掩蔽層）時(shí)薄膜（＜100nm)的摻雜；(c)、設(shè)備簡(jiǎn)單（低成本），且能對(duì)大面積基底實(shí)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(duì)于塑料基底＜200oC）.TFT器件典型性能參數(shù)及特點(diǎn)比較（cm2/Vs)開(kāi)關(guān)電流比關(guān)鍵工藝優(yōu)勢(shì)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(jiàn)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(dòng)的關(guān)鍵器件右圖為簡(jiǎn)單的兩管組成的模擬驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)調(diào)制驅(qū)動(dòng)管T2的柵極電流來(lái)控制流過(guò)OLED的電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)光亮度的目的。T1管為尋址管。寫(xiě)信號(hào)時(shí)，掃描線處于低電位，T1導(dǎo)通態(tài)，數(shù)據(jù)信號(hào)存到電容C1上；顯示時(shí)，掃描線處于高電位，T2受存儲(chǔ)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(biāo)：工藝指標(biāo)：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