激光晶化能量对多晶硅薄膜晶体管特性影响的研究
作者：江朝庆
来源：《电子技术与软件工程》2016年第13期
摘要本文利用准分子激光晶化技术制备了低温多晶硅薄膜晶体管，研究了不同激光晶化能量密度对多晶硅薄膜晶粒尺寸以及器件电学特性的影响。

为了进一步阐释激光晶化能量密度对多晶硅薄膜晶体管特性产生影响的原因，通过二维器件仿真拟合了多晶硅薄膜晶体管特性并提取了缺陷态密度等参数。

通过比较得到态密度随着能量密度变化规律，最终得到最优工艺条件。

【关键词】激光晶化能量密度多晶硅薄膜晶体管缺陷态器件仿真
在经过了阴极射线显像管，液晶屏显示技术以后，发展到了有机发光二极管（OLED）显示器又称为有机电激光显示技术阶段。

OLED显示器极大提升了画面的细腻程度和彩色饱和度及对比度，使人们对于视觉的享受追求到达了一个新的境界。

有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）产业在国内外都得到迅速的发展，其中代表性的企业有三星，台积电等。

多晶硅薄膜晶体管在AMOLED做驱动电路，起着重要的作用，对于其迁移率，阈值电压，亚阈值摆幅，均一性等参数都有很高的要求。

利用二维器件仿真工具对多晶硅薄膜晶体管进行器件仿真，通过模型的选取以及参数的调整，能够让我们对于多晶硅薄膜晶体管的复杂物理机制进行研究讨论。

例如多晶硅材料的晶粒结构特性，以及漏电模型我们都可以通过仿真工具建模来分析。

而且在对更为复杂的应用中，还可以利用它来建新的器件，并预测相关的电学特性。

在半导体行业及集成电路产业中都有深远的意义。

1 ELA多晶硅薄膜晶体管制备与分析
1.1 工艺流程
本论文中用到了P型准分子激光晶化（ELA）多晶硅薄膜晶体管器件，其制备工艺流程如下：
利用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）方法在玻璃衬底上沉淀厚度为100nm的
Si02缓冲层。

450℃下采用PECVD，淀积厚度为50nm非晶硅。

利用准分子激光法制备多晶硅薄膜，为了研究比较不同晶化能量密度的激光对器件特性，分别采用能量密度为390、410、430、450、470、490、510、530 mJ/cm2激光光照来制备多晶硅薄膜晶体管，定义有源区，并在有源区上利用PECVD法淀积厚度为120 nm的栅氧层。

之后利用金属溅射法将MoW作为栅
极材料，干法刻蚀栅极金属及多余的栅氧层。

采用离子淋浴工艺将杂质剂量为1.6×1015cm-2的硼离子注入形成源漏端，注入能为50keV。

在450℃条件下退火2小时激活杂质。

淀积绝缘层，刻出接触孔，溅射形成源、漏金属，定义金属电极图形。

最后，淀积厚度为300nm的SiNx钝化层。

最终形成ELA多晶硅薄膜晶体管。

1.2 ELA多晶硅薄膜晶体管的特性分析
使用不同激光退火能量密度制备的多晶硅薄膜作为TFT沟道有源层，制作沟道宽长比
W/L=10 /10 的TFT器件，并用Vector公司MX-1100B手动探针台和Agilent公司的4156C半导体参数分析仪对制备的TFT器件进行测试分析。

测试条件为Vds=-0.1V，-5V，Vg扫描范围为-15V～5V。

过程中测试漏极电流Ids，得到TFT转移特性曲线。

然后通过计算最大跨导法得到场效应迁移率μEF，截距法得到TFT阈值电压Vth，亚阈值摆幅SS及在Vgs=-15V、5V定电流条件下分别得到开、关态电流Ion、Ioff。

图1所示即为所测转移特性曲线。

从图中2可以看到，本次TFT特性参数测试结果表明随着激光退火能量密度的增加，所得TFT迁移率、开态电流均呈现逐步增加的趋势；亚阈值电压、漏电电流、亚阈值摆幅则呈现下降趋势。

能量密度较低（460mJ/cm2）时，尽管迁移率、开态电流仍然有所增加，亚阈值电压、亚阈值摆幅、漏电电流有所下降，但这种趋势非常缓，尤其是阈值电压，和亚阈值摆幅几乎呈现对激光能量密度良好的稳定性。

2 ELA多晶硅薄膜晶体管的器件仿真
利用二维多晶硅薄膜晶体管仿真来拟合ELA多晶硅薄膜晶体管特性曲线，从而得到多晶硅薄膜晶体管态密度等参数。

通过比较不同能量密度下态密度参数的变化，说明能量密度对多晶硅薄膜晶体管特性的影响。

2.1 陷阱态与器件仿真
在二维器件仿真中，对态密度DOS的描述为：
其中，g（E）是总的DOS在能量E上的分布。

由四部分组成，包括两个指数形式的带尾态（类施主态gTA和类受主态gTD）以及两个高斯分布的深能态（类受主态gGA和类受主态gGD）。

类受主态（陷阱空时呈电中性，被电子填充时带负电性）存在于多晶硅禁带的上半部分，而类施主态（发射电子后陷阱空时带正电，被填充时呈电中性）存在于多晶硅禁带的下半部分。

为了能够对多晶硅薄膜晶体管电学特性进行仿真，在定义了器件的结构基础上，首先对结构的划分网格，每个网格代表计算的节点，网格的疏密程度代表计算的精度。

同时结合多晶硅薄膜晶体管的相关物理模型，如迁移率模型，电极接触模型，漏电电流模型，间界分布模型等，由输入电压、电流等初始条件得到我们所需要求的结果。

利用二维器件仿真来模拟ELA多晶硅薄膜晶体管转移特性曲线。

所用器件能量密度为530mJ/cm2宽长比为W/L=10μm/10μm；栅极扫描电压范围为-15V～5V，漏端电压分别为
Vds=-5V，-2V，-0.1V。

最终我们拟合的结果如图3所示。

从图3中我们可以看出，利用二维器件仿真ELA多晶硅薄膜晶体管，所用的参数能够拟合测量数据。

同样道理，我们将不同能量密度器件都进行仿真，所得到的参数列表如表1所示。

经过上面的仿真，我们可以得到相关参数变化趋势图4所示。

通过二维器件仿真我们可以看到，不同能量密度条件下的ELA多晶硅薄膜晶体管其态密度变化明显。

对于，类施主态（gTD、gGD）而言，在ED小于460 mJ/cm2时，其值随着能量密度的增大明显减小，直到大于460 mJ/cm2，则将近饱和，缓慢下降。

多晶硅薄膜的缺陷态不再有显著的变化，即达到了激光退火修复缺陷的极限能力。

2.2 能量密度（ED）不同对器件特性的影响
根据上面的内容中知道，不同晶化能量密度的器件其态密度DOS分布不同，由此造成ELA多晶硅薄膜晶体管特性发生变化。

为了说明其中原理，比较Vds=-5V时的不同能量密度的ELA多晶硅薄膜晶体管的转移曲线族，其开态区电流明显值不同，如图5所示。

栅电压较大时，由于表面势的原因，费米能级Ef位于价带附近。

此时费米能级Ef最接近类施主能级ETD，此时对ELA多晶硅薄膜晶体管其主要作用的是带尾态类施主缺陷态密度gTD。

并且，随着能量密度的增加，由于NTD的减小，缺陷态密度gTD也减小，陷阱俘获载流子数也减少，电流增大，符合图5中电流变化规律。

同样分析高斯态类施主缺陷态密度gGD，当栅压较小时，对亚阈值区电流特性的影响较大，而带尾态类受主缺陷密度gTA、高斯态类受主缺陷密度gGA由于处于禁带上方，对P型多晶硅薄膜晶体管而言，对电流特性影响较小。

3 结论
在利用准分子激光法工艺制作多晶硅薄膜晶体过程中，发现在不同能量密度条件下的多晶硅薄膜晶体管特性明显发生改变。

利用SEM可以看出随着晶化能量密度的增大，晶粒尺寸增大。

为了进一步探究激光晶化能量密度对器件特性影响规律，使用半导体二维器件仿真对准分子激光法制备多晶硅薄膜晶体管特性进行了研究，并分析了激光晶化能量密度对ELA多晶硅薄膜晶体管特性的影响。

基于多晶硅态密度的带尾态指数分布模型和深能态高斯分布模型，成功拟合了不同能量密度的多晶硅薄膜晶体管特性曲线，从而提取出态密度模型等参数。

通过分
析能量密度和态密度的变化，以及ELA多晶硅薄膜晶体管特性曲线变化的原因，我们能够得到最优的工艺条件激光晶化能量约为大于460mJ/cm2。

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作者简介
江朝庆（1990-），男，安徽省滁州市人。

现为苏州大学电子信息学院研究生。

主要研究方向为半导体器件物理。

作者单位
苏州大学电子信息学院江苏省苏州市 215006。