Electron cyclotron resonance (ECR) nitrous oxide ($N_2O$) plasma gate oxide and its application to the gate insulator of polycrystalline silicon thin-film transistors (poly-Si TFT's have been investigated systematically.
ECR $N_2O$-plasma oxidation was investigated as a thin oxide process to grow on polycrystalline silicon and (100), (111), and (110) oriented crystalline silicon. It was found that in spite of a low thermal budget, ECR $N_2O$-plasma oxidation incorporates nitrogen atoms at the silicon/silicon dioxide interface and forms a nitrogen-rich layer. The incorporated nitrogen atoms are tightly bound to silicon atoms at the interface with N(1s) electron energy of 397.8 eV and form Si≡N bonds. Oxidation rate in $N_2O$-plasma is very small and less dependent on crystalline orientation in comparison with thermal $O_2$, and therefore nearly identical in poly- and single crystalline-Si. Polysilicon oxide grown by ECR $N_2O$-plasma oxidation exhibits very high breakdown field of 10 MV/cm and large charge-to-breakdown up to 10 C/㎠, which is much better electrical properties than thermally grown oxides and comparable to those of oxide on crystalline silicon. The improvements are attributed to the smooth interface between polyoxide and poly-Si film.
Poly-Si TFT's fabricated with ECR $N_2O$-plasma oxide ($N_2O$-TFT's) show improved performance in comparison with those with thermal oxide, which is attributed not only to the smooth interface but also to oxygen- and nitrogen-plasma passivation. It was found that the incorporation of nitrogen accompanied by formation of Si≡N bonding mainly passivates the defect states in upper half band gap and turns the dangling bond midgap defect states into metastable tail states, which behave like donor states.
Short-channel effects of poly-Si TFT's were investigated. With the ECR $N_2O$-plasma oxide of 12 nm thickness, short-channel effects can be almost eliminated for n-channel (p-channel) transistors of 3 ㎛ (1 ㎛) gate length. It is inferred that reduction of defects by ECR $N_2O$-plasma passivation and strong Si-N bonds lead to good immunity to impact ionization, resulting in the suppression of short-channel effects. Moreover, donor-effects of nitrogen further suppress the short-channel effects in p-channel TFT's.
The hydrogenated n-channel $N_2O$-TFT's with 3 ㎛ gate length exhibit very small degradation (ΔVth ＜ 15 mV) under hot-carrier stresses and F-N stress (ΔVth = 81 mV, ΔGm/Gm = 2.2 %, ΔS/S = 4.7 %).The fabricated hydrogenated p-channel poly-Si TFTs with gate length not less than 2 mm show excellent stability characteristics of less than 0.1 V in the threshold voltage shift and of less than 3 % in the percent change of transconductance after harsh electrical stresses. In a small |Vgs| stress, an effective shortening of channel length is observed due to trapping of hot-electrons and the minimum leakage current is decreased. However, a large |Vgs| stress causes more degradation on the subthreshold slope and minimum leakage current due to trapping of hot-holes.
Self-heating effects and stability of poly-Si TFT's with thin ECR $N_2O$-plasma gate oxide have been investigated. Poly-Si TFT's on the quartz exhibit a negative output conductance, decrease in the saturation current, and severe self-heating effects. Although the self-heating effects significantly worsen the stability, poly-Si TFT's with ECR $N_2O$-plasma oxide show less degradation in comparison with those with thermal oxide. It was found that high temperature rise break hydrogenated bonds, which generates defect states. Thus, the presence of strong Si-O and Si-N bond in $N_2O$-TFT's, which has higher energy and better thermal stability than Si-H bond, is responsible for the improved stability of $N_2O$-Qtz-TFT's. After stressing, the on-current degrades small, which is due to the competing effects of increase of threshold voltage and enhanced short-channel effects. The degradation of stage delay of ring-oscillator is very small after accelerated aging, which results from the high stable poly-Si TFT's with ECR $N_2O$-plasma oxide.
ECR $N_2O$-플라즈마 산화에 의해 길러진 산화막을 게이트 절연막으로 사용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 성능, 단채널 효과, 및 신뢰성이 연구되었다.
다결정 실리콘과 (100),(111),(110) 방향의 단결정 실리콘 위에서 얇은 산화막을 기르기 위해 ECR $N_2O$-플라즈마 산화가 연구되었다. 낮은 열비용임에도, ECR $N_2O$-플라즈마 산화는 실리콘/실리콘 산화막 계면에 질소원자를 결합시킴으로써 질소 부유층을 형성한다. 결합된 질소 원자들은 계면에서 실리콘 원자들과 397.8 eV의 N(1s) 전자 결합에너지를 가지고 강하게 결합되어있다. ECR $N_2O$-플라즈마에서의 산화율은 ECR O$_2$-플라즈마에서의 산화에 비해 결정방향에 따른 의존성이 적고, 다결정 및 단결정 실리콘에서 거의 일치하는 산화율을 갖는다. ECR $N_2O$-플라즈마에 의해 길러진 다결정 산화막은 열산화에 의해 길러진 산화막보다 우수한 전기적 특성을 가지며, 이것은 단결정 실리콘위에 길러진 산화막들의 것과 비교할만 하다. 이러한 특성향상은 다결정 산화막과 다결정 실리콘 박막간의 부드러운 계면에 기인한다.
ECR $N_2O$-플라즈마 산화막을 사용하여 제작된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 (poly-Si TFT)는 열산화막을 사용한 것과 비교하여 우수한 성능을 갖는다. 이것은 부드러운 계면 뿐만 아니라, 산소 및 질소 플라즈마 수동화에 기인한다. Si-N결합을 형성하면서 결합된 질소는 dangling midgap결함준위를 준안정적 tail 준위로 바꾸는데 이것은 donor 준위로 작용한다.
Poly-Si TFT의 단채널 효과가 연구되었다. 12 nm두께의 ECR $N_2O$-플라즈마 산화막을 사용하여 n-채널의 경우 3 ㎛, p-채널의 경우 1 ㎛의 게이트 길이까지 단채널 효과를 억제 하였다. ECR $N_2O$-플라즈마 수동화에 의한 결함 감소와 강한 Si-N결합이 충격 이온화에 대한 내성을 증강시켜 단채널 효과가 억제되었다. 더구나, 질소의 donor 효과는 p-채널 poly-Si TFT의 단채널 효과를 더욱더 억제한다.
수소화 된 3 ㎛게이트 길이의 $N_2O$-TFT는 hot 캐리어 (ΔVth < 15 mV) 및 F-N 스트레스 (ΔVth = 81 mV, ΔGm/Gm = 2.2 %, ΔS/S = 4.7 %) 하에서 매우 적은 열화를 보여준다. 제작된 2 ㎛ 게이트 길이 이상의 수소화 된 p-채널 poly-Si TFT는 강력한 스트레스 하에서도 문턱전압 천이 0.1 V와 3 % 미만의 Gm 변화 정도의 매우 우수한 신뢰성을 보여준다. 작은 |Vgs| 스트레스의 경우, hot-electron에 의한 유효 채널 길이의 감소와 최소 누설전류의 감소를 나타낸다. 그러나 큰 |Vgs| 스트레스는 subthreshold 기울기 및 hot-hole에 의한 최소 누설전류 증가를 야기한다.
Excimer 레이져 처리를 이용한 poly-Si TFT의 성능 및 신뢰성에 대하여 연구하였다. 제작된 TFT는 모두 매우 우수한 이동도와 subthreshold 기울기를 나타내었다. 석영 기판 위에 제작된 TFT는 단열 기판의 열악한 열전도도에 기인되는 음의 출력 컨덕턴스와 포화 전류의 감소 등의 자기-발열 효과를 나타내며, 이것은 높은 드레인 및 게이트 전압에서 더욱더 심각하다. 석영 기판 위에 제작된 $N_2O$-TFT는 전기적 스트레스 하에서 실리콘 기판 위에 제작된 것보다 매우 큰 열화를 나타내지만, 같은 석영 기판 위에 제작된 Thermal-TFT 보다는 적은 열화를 나타낸다. $N_2O$-TFT내에 존재하는 Si-H보다 높은 결합에너지와 열적 안정성을 갖는 Si-O 또는 Si-N 결합이 신뢰성 향상의 원인으로 여겨진다. 수소화 하지 않은 소자로 제작된 CMOS 원형-진동기의 각 단별 지연시간 변화가 적었는데, 고 신뢰성을 갖는 ECR $N_2O$-플라즈마 산화막을 게이트 산화막으로 하는 poly-Si TFT를 사용하였기 때문이다.
