1、第23卷第2期 2008年4月 液晶与显示 Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays V0L 23，NO2 Apr，2008 文章编号：10072780(2008)02017305 LDD工艺参数对多晶硅薄膜晶体管KINK效应的影响 丁 磊 ，许 剑 ，韩郑生 ，梅 沁。，钟传杰 (1江南大学信息工程学院，江苏无锡214122； 2中国科学院微电子研究所，北京100029；3无锡供电公司信息中心，江苏无锡214061) 摘要：利用Tsuprem4和Medici软件，研究了多晶硅薄膜晶体管的LDD掺杂参数，如掺杂 剂量、离子注入能量对KINK
2、效应的影响，得到了它们之间的关系。计算结果表明，随着 LDD掺杂剂量的变化，KINK效应对器件的影响是非线性的且存在一个最小值，在掺杂为 2X10 cm 时达到最小。而LDD掺杂能量对KINK效应的影响是线性的，即随着离子注入 能量的增加，KINK效应的影响变小。 关键词：多晶硅薄膜晶体管；KINK效应；Medici；Tsuprem4 中图分类号：TN3215 文献标识码：A 1 引 言 多晶硅TFT不仅可应用于有源矩阵液晶显 示器(AMLCD)和有机发光显示器中(OLED)的 像素驱动n ，而且随着低温工艺的发展，也可应 用在静态存储器(SRAM) 和EPROM中5。 由于多晶硅TFT特有的
3、SOI结构，在足够高的 源漏电压下，漏极电场较大，沟道载流子在漏端高 场区获得足够的能量，通过碰撞电离产生电子一空 穴对。对于部分耗尽的TFT，空穴向较底电势的 浮体区移动，由于源体结较高的势垒，空穴会堆积 在体区，使阈值电压降低，漏端电流增大，进一步 产生更多的电子一空穴对，在输出特性曲线中表现 为曲线上翘，即KINK效应。 国内外对多晶硅TFT的KINK效应已经进 行了大量的研究，如Ling Wang阐述了多晶硅 TFT中KINK效应产生的机理，并提出了包含 KINK效应的电流公式L6，LMariucci提出了一 种能有效抑制KINK效应的器件结构(AT TFTS)“ 。LDD TFT作为
4、一种可以减小漏极电 场，有效抑制KINK效应的器件结构受到了广泛 的重视，为此，本文采用二维数值方法，利用模拟 软件Medici和Tsuprem4，模拟得到了LDD参数 和KINK效应之间的关系。 收稿日期：200710-15；修订日期：200712-10 *通讯联系人，E-mail：Zhongchuanjiejiangnaneducn 2 多晶硅TFT的器件结构和陷阱 模型 图1是模拟用的器件结构，其沟道长度为 1 m，沟道掺杂剂量为210em_。，掺杂能量为 15 keV；LDD的掺杂剂量为110 em，离子注 入能量为150 keV；源漏极的掺杂剂量为1 10”em一，离子注入能量为10
5、0 keV，有源区厚度 为01_tm。 S G D N 【 多晶硅 N LDD 二氧化硅 图1器件结构 Fig1 Structure of the device 相对于单晶硅器件，多晶硅TFT的有效迁 移率较低，主要原因是多晶硅薄膜是由大量小晶 粒组成，在晶粒与晶粒之间构成的晶界中存在着 大量的缺陷和陷阱，从而形成了晶界势垒，降低了 沟道的有效迁移率 。为简单起见，本文采用了 Medici软件中较简单的陷阱模型，其分布如图2 维普资讯 http:/ 174 液 晶 与 显 示 第23卷 图2多晶硅陷阱分布模型 Fig2 Trap states model of poly-silicon 所示，
6、空穴和电子陷阱密度分别为： 空穴陷阱密度： f r EFEv mI一一1A+B x expi(ElEv)-og(署)i (1) 电子陷阱密度： f r EF一& 1 一 唧【c 一 。g( )l (2) 其中E1和E2分别取定值为一o25 eV和04 eV， A是空穴陷阱密度的最小值，B是空穴陷阱密度 的最大值，C是电子陷阱密度的最小值，D是电子 陷阱密度的最大值。参考沟道区的掺杂，选取不 同的A、B、c、D的值，经过参数优化，确定A、B、 C、D分别取为510 cm eV_。、110cm-。 eV一 、110 cm一。eV 、110 cm。eV 。 保持其他参数不变，可以通过改变A、B、c、
7、 D的数值，研究多晶硅陷阱密度对电流的影响。 对于N沟道器件，主要是电子陷阱起作用，因此 参数C和D是影响电流的主要参数。图3给出 了电流与系数C的关系以及根据Mingxiang Wang提出的迁移率模型 ，选取合适的参数，计 算得出的c对有效迁移率的影响。计算结果表 明，当C在一定范围内变化时，电流和迁移率具 有相同的变化趋势，随着电子陷阱密度的最小值 增大，二者都出现峰值，表明此时电流的相对增加 量(定义相对电流增加量为( 一 。)I ，其中 为计入KINK效应时的电流， 。为不计 KINK效应时的电流)较大，即器件受KINK效应 影响较大。 图4给出了电流和迁移率与D的关系计算 结果。计
8、算表明，随着电子陷阱密度最大值的增 加，沟道区电子的平均迁移率不断降低，对应的电 ClO (em eV一 1 图3电流、迁移率和系数c之间的关系( 一3 V， 一 15 V) Fig3 Relationship between current，mobility and coeffi cient C D10 em一 图4 电流、迁移率大小与系数D之间的关系( 一3 V， Vd一15 V) Fig4 Relationship between current，mobility and coeffi cient D 流大小也在不断减小，电流和迁移率具有相同的 变化趋势。 3 LDD工艺参数对KINK效
9、应的 影响 LDD的掺杂剂量、离子注入的能量均影响 LDD掺杂区的杂质分布及杂质浓度最大值的位 置，因此也必然影响LDD区域电场的分布。 其他参数不变，杂质的3种掺杂剂量下多晶 硅TFT的输出特性曲线如图5所示，掺杂剂量为 410 cm 时曲线翘曲度最大，电流相对增加量 为253，器件受KINK效应的影响也最大；掺杂 为510 cm 时次之，电流相对增加量为286； 掺杂为110 cm 时曲线翘曲度最小，电流相 对增加量为184，即器件的KINK效较小。这说 明LDD的掺杂剂量对KINK效应的影响并不是 线性的。图5(b)给出了电流的相对增加量随掺 维普资讯 http:/ 第2期 丁 磊，等：
10、LDD工艺参数对多晶硅薄膜晶体管KINK效应的影响 175 杂剂量变化的计算结果，表明电流的相对增加量 随掺杂剂量的增加先变小再变大，在掺杂为2 10 cm 附近时达到最小。 LDD dose10 cm-2 图5 掺杂剂量对器件输出特性和电流相对增量的影响 (a)掺杂剂量不同时的器件输出特性曲线；(b)电 流的相对增量随掺杂剂量的变化 Fig5 Influence of doses on drain current characteristics and comparative increment of current 杂质浓度的分布决定电场的分布，即杂质浓 度分布的改变影响了沟道电场的分布。
11、图6(a) 是3种掺杂浓度下沿沟道方向漏极附近的杂质浓 度分布，零点选在器件长度方向的中点。电场最 大值的大小决定了KINK效应的大小，图6计算 结果也表明，在掺杂浓度为410 cm 时电场 峰值最大，KINK效应的影响也最大，掺杂浓度为 110 cm 时电场峰值最小，KINK效应的影响 也最小，和图5的结论一致。 其他参数不变，改变LDD掺杂时的离子注入 能量，它对KINK效应的影响如图7(a)所示 ( 一3 V，Vd一15 V)。掺杂能量为80 keV时曲 线的翘曲度最大，电流的相对增量为381，器件 受KINK效应的影响也最大；掺杂能量为100 keV 时次之，电流相对增量为261；掺杂
12、能量为120 keV 时曲线翘曲度最小，电流的相对增量也最小，为 212，器件受KINK效应的影响也最小。图7(b) ：-、 。昌 己 一 图6 3种掺杂剂量下杂质和电场分布。(a)沿沟道方向 的掺杂浓度分布；(b)沿沟道方向的电场大小(V 一 3 V，Vd一15 V) Fig6 Impurity and electric field distribution with three kinds of doses LDD implant energykeY 图7离子注入能量不同时器件的输出特性曲线和电流相 对增量图(a)掺杂能量不同时器件的输出特性曲线； (b)电流的相对增量与离子注入能量的关系
13、 Fig7 Drain current characteristics and comparative in crement of current with different energy 维普资讯 http:/ 176 液 晶 与 显 示 第23卷 显示了离子注入能量与电流相对增量的关系，即 随着离子注入能量的增加，KINK效应的影响变 小，这与图7(a)的结论符合。 图8是3种离子注入能量下，在漏极附近垂 2 3 kngtII or Y directiontm 图8离子注入能量不同时杂质沿y(垂直沟道)方向上 的分布 Fig8 Impurity distribution in Y dir
14、ection with different implant energy 参 考 文 献： 直于沟道方向上的杂质分布，零点选在沟道的表 面。掺杂能量为80 keV时杂质浓度分布的变化 最快，此时漏极附近出现较大的电场，KINK效 应的影响也最大；掺杂能量为100 keV时杂质浓 度的变化较为平缓，KINK效应的影响也较小；掺 杂能量为120 keV时杂质浓度变化最为平缓，因 此漏极附近电场也最小，KINK效应的影响也最 小，和图7的结果相吻合。 4 结 论 利用了二维工艺模拟软件Tsuprem4和二维 器件模拟软件Medici，对多晶硅TFT的KINK 效应进行了模拟研究。对于不同的LDD工艺
15、参 数，KINK效应得到抑制的程度也不同。计算表 明，其他参数不变时，随着掺杂剂量的增加，电流 的相对增加量出现谷值，即在掺杂为2x10 crn 附近时达到最小；随着掺杂能量的增加，电流的相 对增量减小，即KINK效应减弱。 1Zhang Shengdong，Zhu Chunxiang，Sin Johnny K OUltrathin elevated channel poly-Si TFT technology for fully- integrated AMLCD system on glass EJIEEE Electron Device Lett，2000，47(3)：569575 2C
16、eli F G，Jacobs S J，Kim T SOrganic LED structure with improved efficiencyCIEEE Lasers and Electro- optics Society(LEDS)，San Francisco，CA：IEEE，1997：366367 3Fumihiko Hayashi，Hiroaki Ohkubo，Toshifumi Takahashi，et a1A highly stable SRAM memory cell with top- gated P-N drain poly-Si TFTs for 15 V operatio
17、n EcJEDM TechDig，San Francisco，CA，USA IEEE 1996：283286 4岳帮辉，魏廷存，樊晓桠手机用TFTLCD驱动芯片内置SRAM的研究与设计J液晶与显示，2006，21(5)：566 57O 5Young N D，Harkin G，Bunn R M，et a1The fabrication and characterization of EEPROM arrays on glass using a low-temperature poly-Si TFT processJIEEE TransElectron Devices，1996，43(11)：19
18、301936 6Ling Wang，Fjeldly Tor A，Benjamin Iniguez，et a1Self-heating and kink effects in asi：H thin film transistors JIEEE TransElectron Devices，2000，47(2)：387-396 7Mariucei L，Fortunato G，Bonfiglietti A，et a1Polysilicon TFT structures for Kink-effect suppression EJ1IEEE TransElectron De ces，2004，51(7)
19、：11351142 8Palumbo DomenicO，Masala Silvia，Tassini Paolo，et a1Electrical stress degradation of small-grain polysilicon thin- film transistorsJJEEE TransElectron Devices，2007，54(3)：476482 9Wang Mingxiang，Wong ManAn effective channel mobility-based analytical on-current model for polycrystalline silico
20、n thin-film transistors-JIEEE TransElectron Devices，2007，54(4)：869874 维普资讯 http:/ 第2期 丁 磊，等：LDD工艺参数对多晶硅薄膜晶体管KINK效应的影响 177 Influence of LDD Parameters on KINK Effect of Poly-Silicon Thin Film Transistors DING Lei 。XU Jan 。HAN Zhengsheng。，MEI Qin。，ZHONG Chuan-j ie (1School of Information Technology，Ji
21、angnan University，Wuxi 214122，China，E-mail：zhongchuanjie(jiangnaneducn 2Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China； 3Wuxi Power Supply Company，Wuxi 214061，China) Abstract KINK effect of polysilicon thin film transistors influenced by LDD parameters，for example
22、the implant energy and the implant doses，was simulated and analyzed using TCAD tools，Tsuprem4 and MediciThe simulating results indicated that KINK effect of the device is nonlinearly changed with the variational LDD implant dosesand there is a minimum point around the doping level at 210 。cm一 Moreov
23、er，the KINK effect is linearly decreased withthe increasing of ion implantation energy Key words：polySi TFT；KINKeffects；Medici；Tsuprem4 作者简介：丁磊(1986一)，男，安徽毫州人，硕士研究生，主要从事多晶硅薄膜晶体管的研究。 ， 欢迎订阅2008年液晶与显 示 液晶与显示是中国最早创办的液晶学科专业期刊，也是中国液晶学科和显示技术领域中惟一的 综合性专业学术期刊。它由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国光学光电子行业协会液 晶分会和中国物理学会液晶分
24、会主办，科学出版社出版。 液晶与显示以创新性、综合性、实用性为办刊特色，内容丰富，涵盖面广，信息量大，可读性强，既 是启迪科技人员开拓创新思路的参考期刊，又是从事液晶和显示技术研究与开发的广大科技人员、大专 院校师生及相关领域的科技工作者进行学术交流的论坛，也是图书、情报等部门必不可少的信息来源。 液晶与显示为双月刊，国内定价300O元，全年180O0元，国内外公开发行。国内邮发代号：12 203，国内读者可在当地邮局订阅；也可通过“全国非邮发报刊联合发行部”订阅(地址：天津市大寺泉集 北里别墅17号，邮编300385)，本刊的代号为：5074。国外读者可通过中国国际图书贸易总公司订阅 (地址：北京399信箱，邮编：100044)，国外发行代号：4868BM。同时，液晶与显示编辑部将竭诚为广 大读者服务，随时办理订阅。 地址：长春市东南湖大路16号中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 液晶与显示编辑部 邮编：130033 电 话：043186176059 043184613406 传真：043185682346 E-mailyjxsciompaccn；yjyxs126com http：wwwy ejingyuxianshiorg 维普资讯 http:/
