多晶硅薄膜晶体管可靠性研究及其模拟

论文摘要

近年来,随着多晶硅薄膜晶体管（poly-Si Thin Film Transistor:TFT）技术的不断发展,其应用也越来越广泛,并被视为a-Si薄膜晶体管的理想替代品。相对于a-Si TFT,poly-Si TFT具有明显的优势:高迁移率、高速高集成化、p型和n型导电模式、自对准结构以及耗电小、分辨率高等优点,能够提供更亮、更精细的画面。其中p型和n型的导电模式不仅可以实现液晶显示（LCD）的驱动,而且也可以实现有机发光显示器（OLED）的驱动。因此采用多晶硅薄膜晶体管有源矩阵是未来大屏幕、高分辨率平板显示的首选驱动方法之一。随着器件尺寸减小至深亚微米,漏极附近的高电场产生的热载流子,注入到多晶硅薄膜层晶界中或者栅氧层中在Si-SiO2界面处,打断Si-H甚至弱的Si-Si产生受主型界面态,导致器件特性如阈值电压漂移、跨导和漏电流降低等的退化,最终引起器件以及器件所在电路的功能失效。热载流子退化效应所致器件以及电路系统的可靠性是器件的长期失效问题。本文借助TCAD工具,通过工艺模拟软件Tsuprem4来建立其器件结构,通过器件模拟软件Medici来计算其电学特性,研究热载流子效应。首先,由于多晶硅层中存在晶界,研究了晶界中陷阱密度对热载流子效应的影响,结果显示,提高多晶硅层的质量能较好的提高器件的抗热载流子性能。其次,在热载流子分析与模拟中,考虑了晶界中陷阱的影响,对MOSFET在静态应力作用下热载流子退化模型进行修正,并用这个模型模拟在热载流子注入情况下多晶硅薄膜晶体管的退化,模拟得到的结果能基本与国外文献中的实验结果符合。本文还研究了源漏扩展结构多晶硅薄膜晶体管的结构参数对器件可靠性的影响。对漏极轻掺杂结构器件改变栅氧的厚度,计算结果表明:栅氧厚度的变化与器件的热载流子退化并不成线性关系;另外,深入研究了源漏扩展区的掺杂浓度对器件热载流子可靠性的影响,指出提高掺杂浓度后器件退化的区域发生变化,使其对热载流子损伤的敏感程度降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 薄膜晶体管的发展
• 1.2 薄膜晶体管的结构、工作原理
• 1.2.1 薄膜晶体管的结构
• 1.2.2 薄膜晶体管的工作原理
• 1.3 多晶硅薄膜晶体管的应用
• 1.4 多晶硅薄膜晶体管的热载流子效应及本文研究的意义
• 第二章 模拟工具与方法
• 2.1 模拟工具介绍
• 2.1.1 Tsuprem4 简介
• 2.1.2 Medici 简介
• 2.2 模型的选择
• 2.2.1 Medici 模拟时模型的选择
• 2.2.2 晶界中陷阱模型的选择
• 2.3 本章小结
• 第三章 多晶硅薄膜晶体管的可靠性分析及其模拟
• 3.1 前言
• 3.2 多晶硅薄膜层中陷阱密度对热载流子效应的影响
• 3.2.1 多晶硅陷阱模型中陷阱密度最小值对热载流子效应的影响
• 3.2.2 多晶硅陷阱模型中陷阱密度最大值对热载流子效应的影响
• 3.3 热载流子效应的物理模型
• 3.3.1 热载流子注入栅氧层中的退化
• 3.3.2 热载流子的注入机制
• 3.3.3 氧化层和界面陷阱
• 3.3.4 界面态的产生和热载流子退化的Si-H 断裂模型
• 3.4 热载流子效应的模拟研究
• 3.4.1 模拟方法及器件的参数
• 3.4.2 模拟结果
• 3.5 提高多晶硅薄膜晶体管抗热载流子效应的措施
• 3.6 本章小结
• 第四章 源漏扩展结构多晶硅薄膜晶体管可靠性的研究
• 4.1 LDD 多晶硅薄膜晶体管
• 4.2 LDD 多晶硅薄膜晶体管对热载流子效应的改善
• 4.3 LDD 多晶硅薄膜晶体管的结构参数对可靠性的影响
• 4.3.1 LDD 多晶硅薄膜晶体管存在的不足
• 4.3.2 LDD 多晶硅薄膜晶体管栅氧层厚度对热载流子效应的影响
• 4.3.3 源漏扩展区掺杂浓度对多晶硅薄膜晶体管产生界面态的影响
• 4.3.4 提高源漏扩展区掺杂浓度对多晶硅薄膜晶体管性能的改善
• 4.4 不同掺杂浓度源漏扩展结构多晶硅薄膜晶体管的热载流子退化
• 4.4.1 界面态产生位于区域A 时掺杂浓度不同时器件热载流子退化特性的研究
• 4.4.2 界面态产生位于区域B 时掺杂浓度不同时器件热载流子退化特性的研究
• 4.4.3 掺杂浓度相同时界面态产生不同区域器件热载流子退化特性的研究
• 4.5 源漏扩展结构多晶硅薄膜晶体管热载流子退化的简单模型
• 4.6 本章小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文