Μελέτη Φαινομένων Γήρανσης σε Τρανζίστορς Λεπτών Υμενίων Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου Κρυσταλλοποιημένων με Προηγμένες Τεχνικές Ανόπτησης
Authors: Κοντογιαννόπουλος Ιωάννης 
Published: January 2014

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων διατάξεων λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου (poly-Si TFTs) που έχουν υποστεί στατική καταπόνηση θερμών φορέων (Hot Carrier, HC), λόγω εφαρμογής υψηλών πεδίων στον απαγωγό και την πύλη. Μελετήθηκαν δείγματα με διαφορετικά χαρακτηριστικά (μέγεθος κόκκων, προσανατολισμός του καναλιού σε σχέση με τα κοκκώδη όρια, διηλεκτρικό πύλης, γεωμετρία, τοπολογία πύλης). Η επίδραση αυτών των χαρακτηριστικών στην καταπόνηση διερευνάται κυρίως με την ανάλυση των χαρακτηριστικών μεταφοράς (IDS-VGS) και εξόδου (IDS-VDS) και την εξαγωγή ηλεκτρικών παραμέτρων για τη λειτουργία στη γραμμική και την περιοχή κόρου. Η επίδραση του εύρους του καναλιού στους μηχανισμούς καταπόνησης λόγω θερμών φορέων βρέθηκε να είναι σημαντική και διαφορετική για διαφορετικές συνθήκες καταπόνησης. Για μικρά κάθετα και μεγάλα πλευρικά πεδία, βρέθηκε ότι τα φαινόμενα HCs είναι εντονότερα σε διατάξεις στενώτερου εύρους καναλιού. Η διαφορά αυτή αποδόθηκε στο φαινόμενο DIBL (Drain Induced Barrier Lowering). Προτάθηκε νέος μηχανισμός σύμφωνα με τον οποίο η αγωγή των HCs λόγω φαινομένου DIBL πραγματοποιείται σε μεγαλύτερο βάθος υμενίου με αποτέλεσμα τη μείωση των δημιουργούμενων διεπιφανειακών παγίδων. Για μεγάλα κάθετα πεδία καταπόνησης πύλης βρέθηκε ότι τα φαινόμενα HCs είναι εντονότερα σε διατάξεις μεγαλύτερου εύρους καναλιού. Αυτή η συμπεριφορά εξηγήθηκε με βάση τα φαινόμενα αυτοθέρμανσης (Self Heating Effects, SHEs), τα οποία είναι έντονα στα τρανζίστορ πολυκρυσταλλικού πυριτίου λόγω του στρώματος θαμμένου SiO2, το οποίο έχει μικρή θερμική αγωγιμότητα. Λόγω φαινομένου Joule και του μηχανισμού απαγωγής της θερμότητας, η θερμοκρασία αναπτύσσεται πιο γρήγορα σε διατάξεις μεγαλύτερους εύρους καναλιού. Αυτή η πιο γρήγορη αύξηση της θερμοκρασίας διατάξεων με μεγαλύτερο εύρος είχε ως αποτέλεσμα την ταχύτερη κάθοδο ιόντων υδρογόνου από το SiO2 στη διεπιφάνεια και την έναυση του μηχανισμού έγχυσης ηλεκτρονίων. Στην ενδιάμεση συνθήκη καταπόνησης διαπιστώθηκε η ανάμειξη των μηχανισμών και βρέθηκε ότι επάγονται σημαντικά φαινόμενα αιωρούμενου σώματος λόγω συγκέντρωσης οπών στο σώμα της διάταξης και τα οποία συντελούν στην έναρξη της δράσης ενός παρασιτικού τρανζίστορ και στην αύξηση του ιονισμού προσκρούσεων για διατάξεις μεγαλύτερου εύρους. Στην ίδια συνθήκη βρέθηκε και η επίδραση του προσανατολισμού του καναλιού ως προς τα κοκκώδη όρια στην υποβάθμιση. Αναπτύχθηκε ηλεκτρικό μοντέλο πρόβλεψης της μεταβολής των ηλεκτρικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια καταπόνησης, με τη θεώρηση δύο poly-Si TFTs σε σειρά με διαφορετικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και εκτιμήθηκε ο χωρικός εντοπισμός της ζημιάς. Με TFTs που κατασκευάστηκαν στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, αναδείχθηκε ο ρόλος της επιφανειακής τραχύτητας στην τοπική ενίσχυση των πεδίων μέσω της διερεύνησης υμενίων κρυσταλλωμένων με διαφορετικές τεχνικές, ενώ εξετάστηκε και ο ρόλος της μεθόδου εναπόθεσης του διηλεκτρικού πύλης. Επιπρόσθετα, μελετήθηκαν διατάξεις διπλής πύλης και αποδείχθηκε η εξάρτηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων της εμπρόσθιας λειτουργίας από αυτά της οπίσθιας διεπιφάνειας και την τάση πύλης που εφαρμόζεται στην οπίσθια πύλη σε δείγματα που υπέστησαν καταπόνηση της εμπρόσθιας διεπιφάνειας με παράμετρο την τάση καταπόνησης της οπίσθιας διεπιφάνειας.