具有副閘極結構之雷射退火複晶矽薄膜電晶體製作與特性研究

Abstract

複晶矽薄膜電晶體已經廣泛的使用在液晶顯示器的畫素控制元件。而為了達到將週邊驅動電路與畫素控制元件整合在同一大面積玻璃基板的目標，低溫多晶矽的技術是重要關鍵。其必須具備高的驅動電流、低的漏電流，以及良好的可靠度三個條件。不同的元件結構、結晶方法將影響元件特性甚巨。本論文結合了準分子雷射退火結晶方法與兩種不同的副閘極元件結構，進行低溫多晶矽薄膜電晶體的製作與特性研究，並且在不增加多餘光罩的前提下，加入新的製程步驟，以求得到優異的元件特性。 由掃描式電子顯微鏡的照片可以觀察到結晶的晶粒大小約1 μm，但是分佈並不均勻，這是因為準分子雷射系統掃描均勻度不佳。因此經由準分子雷射結晶製作的薄膜電晶體元件特性變異很大。 第一種副閘極結構在汲極/源極附近有自我對準厚閘極氧化層，可以降低漏電流至少一個等級。為了改善因氧化層增厚而下降的導通電流，我們引入氮化矽作為增厚層，雖然導通電流因為介電常數較大而提升，但是漏電流因為介面特性差也較大，使得開關電流比與使用氧化層相近。最後我們將元件結構搭配ONO堆疊式介電層得到了最佳的特性，在汲極電壓為1伏、閘極電壓為-5伏時，漏電流為2.25×10-10安培，比傳統低溫多晶矽薄膜電晶體改善了一百倍，且開關電流比提升到8.44×107。具有副閘極結構的薄膜電晶體在靜態熱電子應力測試下，更具有較少的最大轉導衰退以及臨限電壓偏移量。 第二種是具有副閘極耦合的元件結構，製造步驟完全與傳統薄膜電晶體相同，藉由改變覆蓋面積比例R，具有與位移結構相似的電性。本論文中的最佳條件是R=5，其在汲極電壓為1伏、閘極電壓為-5伏時，漏電流為3.51×10-10安培，比傳統低溫多晶矽薄膜電晶體改善了一百倍，且開關電流比提升到2.12×107。為了改善雷射退火造成多晶矽薄膜表面的粗糙度，在雷射退火結晶後的多晶矽上覆蓋一層超薄非晶矽，搭配本結構得到了最佳特性。當此副閘極結構（R=5）覆蓋5 nm超薄非晶矽且汲極電壓為1伏、閘極電壓為-5伏時，漏電流為2.4×10-9安培，開關電流比為5.85×106。具有副閘極結構的薄膜電晶體在靜態熱電子應力測試下，更具有較少的最大轉導衰退以及臨限電壓偏移量。