面向平板顯示的P型多晶硅薄膜晶體管在交直流電應力下的退化研究.pdf

1、本文主要研究了P型低溫多晶硅薄膜晶體管(LTPSTFT)在交直流電應力條件下的退化特性和退化機制。研究內容主要包括：P型多晶硅薄膜晶體管在直流柵正偏置溫度應力下的退化(Positive Bias Temperature Instability，PBTI)特性和模型研究、交流柵正偏置溫度應力下的器件退化特性和模型研究、以及漏端交流電應力下的器件退化特性與機制研究。
　　 1．直流柵正偏置溫度應力下的退化研究
　　 首次發(fā)現(xiàn)

2、p型低溫多晶硅薄膜晶體管在直流柵正偏置溫度應力下呈現(xiàn)兩階段退化特性。在第一階段，器件經歷1秒應力后，開態(tài)電流(on-statecurrent，Ion)增加了3％并且閾值電壓Vth向正方向漂移了0.12V。然后，隨著應力時間的增加，Ion緩慢下降，但是其大小仍然大于器件的初始電流值。然而持續(xù)施加應力約1000秒后，器件開始進入第二階段退化，Vth開始往負方向漂移，而且Ion隨著應力時間增加而明顯降低。在此實驗現(xiàn)象上，我們提出了一個兩階段的

3、器件退化模型。在第一階段，溝道中的電子受到柵上正應力的影響，發(fā)生Fowler-Nordheim(F-N)隧穿至氧化層中，并被氧化層界面捕獲，從而使得Vth往正方向漂移，引起Ion的增加。但是被捕獲的電子也會被Poole-Frenkel(P-F)發(fā)射機制釋放，使得Ion緩慢下降。在第二階段，發(fā)生了與負偏置溫度不穩(wěn)定性(Negative Bias Temperature Instability,NBTI)相似的反應，產生了大量的固定正電荷，

4、使得Vth往負方向漂移，引起了Ion的顯著降低。
　　 2．交流柵正偏置溫度應力下的退化研究
　　 不同于以往的文獻報道，我們發(fā)現(xiàn)器件在交流柵正偏置溫度應力下發(fā)生了兩階段的退化，但其各個階段的退化現(xiàn)象又不同于直流PBTI的退化特征，一些新的退化機制主導了器件的退化特性。在第一階段，Ion隨著應力時間增加而持續(xù)上升，經過很長的應力時間后（約10000秒），Ion突然間急劇下降，形成了第二階段的退化。需要強調的是，在整個兩階

5、段退化過程中，器件的Vth變化較小，器件載流子遷移率的顯著變化造成了上述實驗現(xiàn)象。為了闡明器件的在此應力下的退化機制，我們詳細研究了器件在動態(tài)脈沖應力的各個部分發(fā)生的物理過程，結合實驗現(xiàn)象和模擬結果，提出了一個新的兩階段退化模型。退化的第一階段是由于電子捕獲而發(fā)生的有效溝道長度變短效應，使得溝道跨導gm和Ion增大。第二階段的退化則由動態(tài)熱載流子效應(Hot-Carrier,HC)相關的缺陷態(tài)產生機制主導，造成了載流子遷移率的顯著退化，

6、從而使Ion急劇降低。
　　 3．漏端動態(tài)脈沖電應力下的退化研究
　　 我們研究小組之前的工作發(fā)現(xiàn)，n型多晶硅薄膜晶體管在漏端交流脈沖應力下會遭受嚴重的動態(tài)HC退化，其退化特征與器件在柵端動態(tài)HC應力相似。本文的實驗表明對于p型多晶硅薄膜晶體管，在漏端交流應力下，器件發(fā)生了與n型器件相似的退化。退化與脈沖應力的上升沿有很強的依賴關系，而與其下降沿無關。之前提出的非平衡PN結退化模型能很好地解釋p型器件的退化特征。此外，在