低溫複晶矽薄膜電晶體負偏壓溫度不穩定與天線效應之研究

Abstract

此論文探討了低溫複晶矽薄膜電晶體(LTPS TFTs)的可靠度，包含了負偏壓溫度不穩定(NBTI)與天線效應(antenna effect)。此外，我們也針對天線效應對低溫複晶矽薄膜電晶體負偏壓溫度不穩定的影響進行探討。最後，我們提出一個新模型來解釋負偏壓溫度不穩定與熱載子效應(hot-carrier effect)相結合下對元件特性的影響。 首先，我們證實負偏壓溫度不穩定對p型通道低溫複晶矽薄膜電晶體可靠度而言是重要的可靠度問題，在負偏壓溫度不穩定應力(NBTI stress)測試下，我們發現臨界電壓漂移(threshold-voltage shift)與晶界缺陷態位(grain-boundary trap states)和界面缺陷態位(interface trap states)的產生息息相關，實驗結果也顯示，低溫複晶矽薄膜電晶體之負偏壓溫度不穩定劣化機制可由diffusion-controlled electrochemical reactions來解釋。此外，我們也分析臨界電壓回復(threshold-voltage recovery)，並且推論此回復是由diffusion-controlled electrochemical reactions的逆反應所造成。我們藉由修改傳統金氧半場效電晶體(MOSFET)的負偏壓溫度不穩定模型，提出了一個新模型來解釋低溫複晶矽薄膜電晶體負偏壓溫度不穩定的劣化機制。我們也利用電荷幫浦(charge pumping)的技術來探討此劣化機制，分析出基底(bulk)缺陷態位的特性(包含晶界缺陷態位與界面缺陷態位)，並萃取出固定氧化層電荷(fixed oxide charge)的密度。因此，低溫複晶矽薄膜電晶體之負偏壓溫度不穩定劣化機制更確信是由界面缺陷態位、晶界缺陷態位與固定氧化層電荷的產生所造成。 接著，我們針對低溫複晶矽薄膜電晶體設計不同的天線結構，來探討天線效應對元件特性和可靠度的影響。實驗結果發現，當元件具有較大的天線面積時，元件特性會發生不穩定的現象，特別是造成臨界電壓的不均勻分佈，另外在閘極偏壓應力(gate-bias stress)與熱載子應力下也有較差的可靠度。此外，我們也研究天線效應對負偏壓溫度不穩定的影響，並發現天線效應會加速負偏壓溫度不穩定的程度，導致元件有較差的臨界電壓、次臨界擺幅(subthreshold swing)、場效載子遷移率(field-effect mobility)和驅動電流(drive current)。 最後，我們研究p型通道低溫複晶矽薄膜電晶體在負偏壓溫度不穩定與熱載子應力測試下的劣化機制。在固定的閘極電壓應力下，我們探討在不同的汲極電壓應力對元件劣化的影響。實驗結果顯示，在低的汲極電壓應力下，元件的劣化主要是負偏壓溫度不穩定所主導；在高的汲極電壓應力下，負偏壓溫度不穩定會被抑制，元件劣化機制轉由熱載子應力所主導。為了定量分析負偏壓溫度不穩定與熱載子應力兩者對元件所造成的劣化，我們針對負偏壓溫度不穩定與熱載子應力的模型加以修改，並提出了一個與實驗結果相吻合的新模型。