NANO COMMUNICATION 23 No.4 15 Effects of Annealing Process on RF poly-si TFTs with Various Channel Wire Widths : : Abstract The high-frequency performance of trigate polycrystalline silicon thin-film transistors (poly- Si TFTs) with different annealing methods, rapid thermal annealing (RTA) or low-temperature microwave annealing (MWA) are investigated. MWA exhibits sufficient dopant activation efficiency, suppressed punch-through characteristics and good short channel effect control of poly-si TFTs than does rapid thermal annealing. In addition, the variation of the cutoff frequency (f T ) and the maximum oscillation frequency (f max ) with the width of the channel wire (W 0 ) is also investigated. A poly-si TFT with a short channel and a narrow channel wire, annealed using microwave, has a high driving current, a good gate controllability, and a better highfrequency performance than that annealed by rapid thermal annealing. Keywords Microwave Annealing (MWA) Poly-Si TFTs Cutoff Frequency
3 16 (Liquid Crystal Display, LCD) (Low-Temperature Polysilicon, LTPS) (TFT- LCD) (a-si) (System On Panel, SOP) [1-5] : (Drain-induced Barrier Lowering, DIBL) (Short-channel Effects, SCE) (Fin Field-effect Transistor, FinFET) (RF) 200 nm n + 5 15 cm -2 20 kev 1000 1 3000 W 300 TEOS (Al-Si-Cu) Agilent N5245A HP 4142B (S-Parameter) - (On- Wafer Measurement) (Deembedding) 1(a) (Multiple Fingers Structure) (RF TFT) 1(b) A-A (TEM) (h) 85 nm (W 0 ) 130 nm 1.8 m 3.8 m W W=(W 0 +2h) (N f ) 63 m 2 3 W 0 =130 nm 3.8 m (I D -V G ) 6 p 2 m 100 nm 600 24 (E-beam) LPCVD 50 nm (TEOS) 1 (a) RF TFT ;(b) A-A TEM
奈米通訊 NANO COMMUNICATION 23卷 No. 4 退火機制對於不同通道線寬之射頻複晶矽薄膜電晶體之影響 17 圖2 W0=130 nm 在不同通道長度下 使用不同退火機制的 ID-VG 圖 (a)vds=0.1 V;(b)Vds=2 V 圖3 圖4 磷濃度在劑量為 5E15 ions/cm2 的 SIMS 分佈圖 圖5 W0=130 nm 和 3.8μm 於通道長度 1μm 使用不同退火機 W0=3.8 μm 在不同通道長度下 使用不同退火機制的 ID-VG 圖 (a)vds=0.1 V;(b)Vds=2 V 圖 單一通道寬度W0=3.8μm元件 當通道長度小於700 nm 使用傳統快速熱退火時 可觀察到大關閉電流和 穿透效應(Punch-through) 然而不論單一通道寬度大小 W0=130 nm與3.8μm 當VDS=0.1 V且使用微波退火的狀態 制的 ID-VG 圖 下 通道長度即使微縮到200 nm 還能擁有很優異的開 關特性 ION/IOFF值分別為8 106 A/A和6 107 A/A 圖4為 31 高頻特性 P濃度的二次離子質譜儀分析圖(SIMS) 使用快速熱退 火1000 1秒的摻雜分佈在尾端與峰值區域有明顯的擴 圖6和7為單一通道線寬W 0=130 nm 1.8μm與3.8 散 然而 使用微波退火的摻雜分佈則和as-implanted 的 μm的元件在不同汲極電流下之截止頻率與最大震盪頻 摻雜分佈較為相似 這些結果顯示低溫微波退火可以有 率 從圖中可觀察到使用快速熱退火或微波退火的元件 效抑制源極與汲極摻雜的擴散 此外 指狀閘極結構也 其截止頻率(fT)與最大震盪頻率(fmax)都會隨著W0增加而上 可以改善閘極的控制力 圖5為W0=130 nm與3.8μm的元 升 大線寬(W 0=1.8 μm和3.8μm)元件在採用快速熱退 件在通道長度為1μm的情況下 使用不同退火機制的轉 火時 會得到比微波退火更高的截止頻率與最大震盪頻 換特性曲線圖 由於微波退火有較少的摻雜擴散 且較 率 如圖8 然而 小線寬元件(130 nm)在使用快速熱退 短W0可提高閘極控制能力 故當W0=130 nm時 使用微 火時 其最大震盪頻率則會比使用微波退火技術的元件 波退火的元件有最小的汲極引致能障下降(DIBL)值 汲極 來的小 然兩者確有相似的截止頻率 為了分析不同單 引致能障下降在此處的定義為 VGS/ VDS @ IDS=10 A 一通道寬度W0與退火機制對高頻特性的影響 此處我們 -8 使用小訊號模型來萃取不同結構之寄生電阻 電容 轉 導 等參數 本文萃取S參數的等效電路模型為Lovelace
3 18 6 W 0 RF TFT 8 W 0 W 0 7 W 0 RF TFT 9 [6] 9 (f T ) : (1) g m C gs C gd - - (W 0 =1.8 3.8 m) 10 (W 0 =1.8 m 3.8 m) 11 W 0 (Fringing Capacitance) [7] W 0 (W 0 =1.8 m 3.8 m) (Overlap Capacitances) (W 0 =1.8 m 3.8 m) 10 11 (W 0 =130 nm) (Poly-depletion Effect)
奈米通訊 NANO COMMUNICATION 23卷 No. 4 退火機制對於不同通道線寬之射頻複晶矽薄膜電晶體之影響 19 的串聯電阻與汲源極電阻(R ds =1/g ds ) 使用微波退火的 元件相較於使用快速熱退火的元件具有較低的串聯電阻 值 其主要原因為微波退火有較少的摻雜外擴散(Outdiffusion)[10] 如圖12 而使用快速熱退火的元件相較於 使用微波退火的元件則有較低的汲源極電阻值 這是由 於快速熱退火有較大的摻雜擴散與較短的通道長度 首先 我們分析不同退火方式對大尺寸(W 0 =1.8μm和 3.8μm)元件之最大震盪頻率的影響 雖然使用微波退火 圖 10 的元件相較於使用快速熱退火的元件有較高的汲源極電 不同熱退火條件之 RF TFT 的轉導值 阻值與較低的串聯電阻值 然而 使用微波退火的元件 其最大震盪頻率依然低於使用快速熱退火的元件 由此 圖 11 不同熱退火條件之 RF TFT 寄生電容值 (a) Cgs 值 (b) Cgd 值 圖 12 不同退火機制之 RF TFT 寄生電阻 Rg 與 Rd 圖 13 不同退火機制之 RF TFT 的 Rds 值 閘極反轉層電容和驅動電流下降 轉導值也連帶受到影 響 當閘極的長度與寬度微縮時 會使複晶矽空乏效應 越亦嚴重 這主要是受到角落與邊緣的空乏效應(Corner and Edge Depletion)所影響 [8] 當單一通道寬度W 0=130 nm時 複晶矽空乏效應佔主導地位如圖8之插圖 故可 觀察到使用快速熱退火的元件其轉導值會隨著W0減少而 下降 而使用微波退火的元件其轉導值則會隨著W0減少 而增加 這要歸功於三閘極結構優異的閘極控制力 由 於轉導值和閘極電容相互抵銷 因此使用快速熱退火和 使用微波退火的元件有相似的截止頻率值 最大震盪頻率(fmax)的近似公式為[9]: (2) 其中g ds為輸出轉導 R g和r d分別代表閘極和汲極的串聯 可知使用微波退火的大尺寸(W0=1.8μm和3.8μm)元件有 電阻 圖12和13分別為使用快速熱退火與微波退火元件 較低的最大震盪頻率乃是由於截止頻率較低所至 接著 我們分析小尺寸(W0=130 nm)元件於不同退火機制下最大
3 20 1 L=1 m W 0 =130 nm (I ON /I OFF ) V DS =0.1 V : V GS = 5 V V DS = 2 V 200 nm (W 0 =130 nm) Punchthrough (>10 7 A/A) (W 0 =130 nm) Punch-through L=200 nm 1.2 GHz 2.17 GHz ( ) 1 L=1 m W 0 =130 nm [1] K. M. Lim et al. A High Resolution Poly-Si TFT LCD ] 9 [ Employing Analog Sample and Hold Driver, Displays - Technology and Applications, vol. 29, no5, pp. 497, 2008. [2] S. H. Chen et al. Design of Digital Time-Modulation Pixel Memory Circuit on Glass Substrate for Low Power Application, SID Digest, pp.1281, 2007. [3] K. S. Nah et al. A 16.7M Color VGA Display Driver IC with Partial Graphic RAM and 500Mb/s/ch Serial Interface for Mobile a-si TFT-LCDs, Solid-State Circuits Conference, ISSCC 2007. Digest of Technical Papers. IEEE International, pp.140, 2007. (W 0 ) [4] V. Tolis et al. LCD-related Technologies Next Generation of Poly-Si TFT Technology: Material Improvements and Novel Device Architectures for System-On-Panel (SOP), Sharp Technical Journal, no.92, pp.29-34, 2005. [5] Y. H. Yu et al. Ring-Based Direct Injection-Locked
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