第四章 氨電漿處理對元件的影響
4.3 電漿修補後的電性
圖 4-2 與圖 4-3 為電漿修補 30 分鐘與一小時的不同通道數比較，可看見多通道在 Vg負偏壓下的漏電流效應還是存在，而從弱反轉區的曲線重疊情形來看，臨界電壓位移 量漸漸減少，圖 4-4 及圖 4-5 則是不同通道長度的比較，相較於未經電漿修補時，其次
臨界斜率更陡，電流開關電流更大，而通道較長的特性會略差於通道短的。圖 4-6 為雙 通道元件的氨電漿處理前後電性圖，可以發現電漿處理 1 小時候特性最好，有很陡的次 臨界斜率達 114 mV/dec，高電流開關比(4.92×109)，隨處理時間越長，有開電流越大閉 電流越小的趨勢，而臨界電壓也由 5.37 V 下降至-0.05V。圖 4-7 則為圖 4-6 電將處理前 後的 Id-Vd 電性，處理一小時後，汲極電流大幅度改善，接近一個 Order。 另外轉導 Gm 也由 2.8×10-7提升到 7.45×10-7，即載子遷移率由 19.5 cm2/V-s 改善至 51.8 cm2/V-s，
如圖 4-8 所示。DIBL 方面，未經電漿處理前，DIBL 約 86.7 mV/V，但經過電漿修補後，
幾乎看不見 DIBL 效應，如圖 4-9 所示，圖中電漿處理一小時後，Vd=2 V 下，閉電流反 而很大，是因為 GAA 結構並無法抑止 GIDL 效應，反而因為通道完全包覆，造成通道 表面電場很高，更顯現出 GIDL 的漏電流，GIDL 效應會在下一節討論。
另外圖 4-10 為觀察 Vth的變動，傳統的平面電晶體會因為通道的縮短，造成臨界 電壓下降，元件提早導通，即為短通道效應，通常元件 Vth從閘極長度為 4 µm 就會開始 往下掉，因此從圖中可知 GAA 結構元件，Vth並無明顯下降，表示它有抑止短通道效應 的能力，從它的誤差範圍可以看出經過一小時電漿修補後，誤差明顯變小，Vth 的擾動 (Variation)改善了。另外我們拿 8 Channels 與微米線做比較，在同樣閘極長度，及寬度 (Width)接近下，增加控制面積，經電漿處理後，發現其比微米線有較陡的次臨界斜率，
較高的電流開關比，較大的載子遷移率，因為奈米線平均接收電漿的修補，效率較高，
如圖 4-11 所示。最後整理出經過電漿處理 30 分鐘及 1 小時的各項參數表格，如表 4-2 與 4-3 所示。
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2 channels 4 channels 8 channels 16 channels 20 channels 40 channels 80 channels
Drain Current (A/um)
Gate Voltage (V) NH3 treatment 0.5 hr
2 channels 4 channels 8 channels 16 channels 20 channels 40 channels 80 channels
Drain Current (A/um)
Gate Voltage (V)
W/L = 70 nm/ 2 um NH3 treatment 1 hr
圖4-3、不同的通道數比較(電漿處理1小時)。
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2 channel GAA TFTs Vd=0.5V
Gate length 2um Gate length 3um Gate length 4um
Drain Current (A/um)
Gate Voltage (V) NH3 treatment 0.5 hr
2 channel GAA TFTs Vd=0.5V
Gate length 2um Gate length 3um Gate length 4um
Drain Current (A/um)
Gate Voltage (V)
圖4-5、不同閘極長度比較(電漿處理1小時)。
Drain Current (A)
Gate Voltage (V) Vd=0.5 V
as-fabricated NH3 treatment 0.5 hr
Drain Current (A)
Drain Voltage (V)
Vg=3.6V
圖4-7、電漿處理前後Id-Vd特性比較。
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Gate Voltage (V)
as-fabricated NH3 treatment 0.5 hr NH3 treatment 1 hr
圖4-8、電漿處理前後轉導(Transconductance, Gm)特性比較。
Drain Current (A)
Gate Voltage (V)
as-fabricated NH3 treatment 0.5 hr NH3 treatment 1 hr
圖4-9、電漿處理前後DIBL效應比較。
表 4-1、電漿處理前後 DIBL 數據。
Gate Length (um) as-fabricated
Gate Length (um) NH3 treatment 0.5 hr
(b)
DIBL (mV/V)
As-fabricated 86.7
Treatment 0.5 hr 5.2
Treatment 1 hr 1.4
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Gate Length (um) NH3 treatment 1 hr
(c)
圖4-10、電漿處理前後Vth Variation比較。
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 microwire tri-gate TFT
Id(A/um)
Vg (V)
W/L= 0.5um/2um Vth= 2.63 V SS= 420 mV/dec Ion/Ioff=7.6E+06 W/L= 75nm/2um X8
Vth= -0.11 V SS= 133 mV/dec Ion/Ioff=2.81E+09
圖4-11、電漿處理1小時的八個通道元件與微米線元件比較。
表 4-2、各項參數整理(電漿處理 0.5 小時)。
NH3 plasma treatment for 30 minutes (@ Vd = 0.5V)
Channel Length 2 µm
# of nanowires
(70 nm) 2 4 8 16 20 40 80
microwire
0.5µm 1µm
Vth (V) 1.73 1.49 1.39 1.65 1.77 1.64 1.16 3.19 3.52
S.S. (mV/dec) 274 290 273 221 251 243 230 441 480
Ion/Ioff ratio (107) 0.73 2.79 5.55 12.3 15.2 27.3 42.5 0.59 0.34
Ionmax(µA) 2.85 6.49 12.1 24.3 28.1 57.3 92.7 2.29 4.4
Gmax (µS) 0.38 0.92 1.62 3.32 3.82 7.89 13.1 0.38 0.79
Mobility(cm2/Vs) 26.4 32 28.2 28.9 26.6 27.4 22.8 17 20.6
表 4-3、各項參數整理(電漿處理 1 小時)。
NH3 plasma treatment for 60 minutes (@ Vd = 0.5V)
Channel Length 2 µm
# of nanowires (70 nm)
2 4 8 16 20 40 80 microwire
0.5 µm 1 µm
Vth (V) -0.2 -0.13 -0.11 -0.09 -0.08 -0.1 -0.1 2.63 2.9
S.S. (mV/dec) 116 135 133 137 131 128 132 420 446
Ion/Ioff ratio (109) 0.11 0.95 2.81 6.89 9.05 12.1 22.3 0.0076 0.0027
Ionmax (µA) 5.3 8.57 16.8 34.4 45.2 84.4 134 2.54 4.79
Gmax (µS) 0.79 1.17 2.30 4.77 6.19 12.2 22.4 0.38 0.73
Mobility (cm2/V·s) 54.9 40.7 40 41.5 43 42.4 38.9 17 19