非晶硅TFT栅界面层氮化硅薄膜性能的研究

1、 非晶硅TFT 栅界面层氮化硅薄膜性能的研究谢振宇3龙春平邓朝勇林承武(北京京东方光电科技有限公司北京100176I nterfacial Structures and Properties of SiN Layer in a 2Si Thin Film TransistorsX ie Zhenyu 3,Long Chunping ,Deng Chaoy ong and Lin Chengwu(Array Technology Department , BOE Optoelectronics Technology Co. , Ltd , Beijing 100176, China Abstra

2、ct Inter facial structures and properties of S iN layer in a 2S i thin film transistors (TFT were characterized with F ourier trans formin frared spectroscopy (FTIR ,and ellips ometry. The results show that high density of S i 2N bond or low density of S i 2H bond may widen the opti 2cal band gap an

3、d increase the relative dielectric constant. The S iN layer strongly affects the microstructures at the a 2S i :H/S iN x :Hinter face ,and thereby im proves TFT stability and its field effect m obility.K eyw ords G ate interface ,A 2SiN x H ,Optical band gap ,Dielectric constant ,On current摘要采用傅里叶变换

4、红外光谱仪、椭偏仪和Y AF 25000M 等测试仪器, 、光学性能、物理性能以及晶体管导电性能进行分析研究。结果表明:提高栅界面层N 2H 键含量(或减少S i 2H 键含量 界面性能, 提高薄膜晶体管的稳定性和场效应迁移率。关键词栅界面层氮化硅导通电流中图分类号:TN30518:167227126(2007 042341205近年来,a 2(thin film transistors , TFTs , 容易实现大面积制备和漏电流小等优点, 在有源矩阵驱动显示器件中发挥了重要作用。薄膜晶体管栅绝缘层要求具有优良的物理化学性能、光学性能和机械性能。淀积在玻璃基板上要求淀积温度低于500, 目前

5、研究在柔性(塑料 基板生长薄膜, 甚至要求更低的淀积温度(<150 。氮化硅(SiN 薄膜作为一种重要的薄膜材料满足上述要求, 图1为a 2Si H 薄膜晶体管结构示意图, 氮化硅薄膜在薄膜晶体管液晶显示(TFT 2LC D 有三方面的应用:(1 作为薄膜晶体管的栅绝缘层, 具有优良的绝缘性能, 高的场击穿强度和低的电子缺陷密度等优点1; (2 作为薄膜晶体管的钝化层, 具有介电常数高, 阻挡碱离子(如Na + 能力强, 质硬耐磨, 疏水性好, 针孔密度低等优点2; (3 作为栅界面层不仅具有良好的绝缘性能, 电子缺陷密度更低, 更重要的是能降低栅绝缘层和非晶硅层的界面态, 优化薄膜晶体

6、管性能3 。图1a 2S i :H薄膜晶体管双绝缘非晶氮化硅层结构示意图Fig 11Cross 2sectional view of an a 2S i H TFT with thetw o layered gate insulator of a 2S iN x H射频等离子增强型化学气相淀积(RF 2PEC VD 技术是近年来极受重视的制备介质薄膜和半导体薄膜的先进工艺技术。它允许衬底保持在较低温收稿日期:2006207212143第27卷第4期2007年7、8月真空科学与技术学报CHI NESE JOURNA L OF VAC UUM SCIE NCE AND TECH NO LOGY (

7、350以下 下大面积生长薄膜, 且淀积均匀性高,阶梯覆盖性能以及工艺重复性好。由于栅绝缘层氮化硅薄膜与非晶硅薄膜间存在界面态,a 2Si H 薄膜晶体管(TFTs 在光诱导或正栅极电压的作用下, 会导致导通电流(On current , I on 的衰退和阈值电压的增大3。Nam 2Deog 等最早提出双绝缘氮化硅薄膜层结构模型, 通过增加一层富硅氮化硅薄膜来改善薄膜晶体管性能3。其理由是a 2SiN x H 薄膜和a 2Si H 薄膜界面相邻的晶格尺寸不同, 匹配度低, 界面态高。而富硅a 2SiN x H 薄膜禁带宽度介于a 2Si H 和栅绝缘层(富氮a 2SiN x H 薄膜 之间,

8、能提高栅界面层和非晶硅层的晶格匹配度, 减少界面态, 从而改善a 2Si H 薄膜晶体管的性能;Naftali 2Lustig 等认为富氮(氮硅比大于栅绝缘层之值 的a 2SiN x H 薄膜作为栅界面层, 能够改善非晶硅/氮化硅的界面性能, 提高薄膜晶体管的稳定性和场效应迁移率4。本文采用RF 2PEC VD 制备富氮a 2SiN x H 薄膜作为栅界面层, 分析了工艺参数对薄膜的沉积速率以及沉积速率对薄膜结构的影响, 根据薄膜中Si 2H 键、N 2H 键、Si 2N 键以及Si 2Si 键含量的变化关系, 析了Si 2H 键含量和N 2H 性能的影响。管性能的影响1实验111样品制备及反

9、应机理实验设备采用RF 2PEC VD 系统。射频频率为13156MH z , 反应气体为NH 3、SiH 4和N 2的混合气体, 气体流量比恒定为1430。衬底为1300mm ×1100mm 的超薄玻璃基板, 等离子区功率为3000W至4000W 。反应腔的气压为133Pa 267Pa , 电极间的距离为25mm 30mm 。图2显示的是反应腔的示意图, 反应气体通过由许多小孔组成的喷头均匀地流入反应腔中, 此系统中主要发生的反应:4NH 3+3SiH 4Si 3N 4+12H 2(1 3SiH 4+2N 2Si 3N 4+6H 2(2反应式(1 中SiH 4和NH 3在等离子区反

10、应生成胺基硅(Si (NH 2 4 , 其反应机理可以理解为NH 3电离成NH 2离子,NH 2离子然后取代SiH 4的部分或者全部氢原子反应生成Si (NH 2 4。其中三胺基硅(Si (NH 2 3 是氮化硅薄膜生长的主要反应基。Si (NH 2 3在玻璃基板表面通过热分解、键合等方式生成a 2SiN x H 薄膜5; 反应式(2 的反应机理为SiH 4和N 2在等离子区电离成SiH 3离子和N 离子, 依靠SiH 3离子和N 离子在基板表面的反应生成a 2SiN x H 薄膜。其生长模式被认为是SH 3离子在基板表面生长一层类似a 2Si H 的薄膜, 这层类a 2Si H 的薄膜在生长

11、的过程中同时被基态的N 离子氮化6 。图2RF 2PEC VD 系统示意图Fig 12Cross 2sectional view of the RF 2PEC VD system112分析测试(FTIR 分析薄膜中Si 2H N 2算H H ,a 2SiN x H 薄膜N :式(3 和式(4 7。N =A xd =A x d (ln (3 Cx =N tot×100%=N totd (ln (4其中x 表示Si 2H 和N 2H 键的键合模式, A x 是键合模式x 的校准因子, ( 是吸收峰的吸收系数, 是波数的函数。N tot 是薄膜的总的原子密度(近似等于510×10

12、22cm -3 。N 2H 键的校准因子近似等于510×1020cm -2。Si 2H 键共有三种键合模式, 分别为HSiN 2Si/H 2SiNSi 、H 2SiN 2和HSiN 3, 其校准因子数分别近似等于111×1020cm -2、410×1020cm -2、和210×1020cm -27。采用椭偏仪分析薄膜的介电常数、光禁带宽度以及折射系数等物理光学性能。椭偏仪是一种没有破坏性且精确度极高的光学测试方法, 其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。TFT 的导通电流采用Y AF 25000M 测试系统测试, 是在栅极电压为

13、15V 时的漏极电流。2结果与讨论211工艺参数对沉积速率的影响栅界面层薄膜生长的工艺参数主要包括:反应气体流量、等离子区功率、反应腔气压、电极间距以243真空科学与技术学报第27卷 及反应温度等, 其中反应温度对薄膜沉积速率影响比较小。实验是在反应温度、 反应气体流量及流量图3反应腔气压(a 、等离子区功率(b 和电极间距(c 对沉积速率的影响Fig 13The in fluence of (a pressure ; (b plasma power ;(c and electrode spacing on the deposition rate比恒定的情况下进行。图3给出用MI NIT AB

14、 软件作的关于等离子区功率、反应腔气压和电极间距对沉积速率的影响的主因子分析曲线图。从图3(a 可以看出, 反应腔气压对沉积速率影响显著, 在130Pa 至267Pa 之间, 沉积速率随着气压上升, 从1168nm/s 上升到2103nm/s 。因为反应腔气压增大能减缓反应基在等离子区的平均自由程, 促进反应基之间的反应, 提高沉积速率8。基次为等离子功率对沉积速率影响, 图3(b 显示在3000W 至4000W 之间, 沉积速率随等离子功率增大, 从1167nm/s 上升到1190nm/s 。等离子功率增大会分解更多的氨气分子和氮气分子, 提高反应基的浓度, 促进反应基之间的反应, 从而提高

15、薄膜的沉积速率8。图3(c 所示随着电极间距从25mm 上升到30mm , 沉积速率上升了011nm/s , 说明电极间距对沉积速率影响很小。212沉积速率对a 2SiN x H 薄膜中键结构及组分的影响A 2SiN x H 薄膜的键合方式主要包括:Si 2H 、N 2H 、Si 2N 和Si 2Si 键。薄膜中这些键的含量相互之间的关系以及氮硅原子比x 可以通过下面的公式得到7,9:N=(Si 2N+N2H /3(5 Si =(Si 2N+Si 2H+Si 2Si /4(61/x =Si /N=0. 084Si 2H/N2H+0. 70(7薄膜在沉积过程中沉积速率会影响薄膜中Si 2H 、N

16、 2H 、Si 2N 和Si 2Si 键的含量。图4显示Si 2H 键和N 2H键含量随沉积速率的变化趋势图, 可以看到随着沉积速率从114nm/s 增大到2114nm/s ,Si 2H 键的含量从2at. %增大到5at. %左右,N 2H 键的含量从27at. %下降到20at. %, 因此, 氢含量(Si 2H 键含量与N 2H 键含量之和 从29%25%左右。Si 2Si 键。这是由于, 高的等离子区NH 2离子, 几乎所有的Si 离子被氮化, 阻止生成Si 2Si 键8。Si 2N 键含量随氮硅原子比增大而上升, 根据N 2H 键和N 2H 键随沉积速率的变化关系, 通过公式(7 可

17、以得到氮硅原子比随沉积速率增大, 从11416下降到11387左右。综上所述, 随着沉积速率上升,N 2H 键含量、Si 2N 键含量、氮含量、氢含量以及硅氮原子比降低,Si 2H 键含量和硅含量增大 。图4S i 2H 和N 2H 键含量随沉积速率变化的关系Fig 14The S i 2H bond and N 2H bond densities asa function of the deposition rate213Si 2H 键和N 2H 键含量对薄膜性能的影响图5(a 和(b 分别显示Si 2H 键和N 2H 键含量对343第4期谢振宇等:非晶硅TFT 栅界面层氮化硅薄膜性能的研究

18、 a 2SiN x H 薄膜相对介电常数(r 的影响点趋势图 。图5S i 2H 键(a 和N 2H 键(b 含量对相对介电常数r 的影响Fig 15The in fluence of S i 2H bond density (a and N 2H bonddensity (b on relative dielectric constant r由图可以看出, 随着Si 2H 键含量从2at. %增大到5at. %(或N 2H 键含量从27at. %下降到20at. % , 相对介电常数从316下降到217左右。薄膜的性能取决于薄膜的键结构, 主要受Si 2H 、N 2H 和Si 2N 键含量的

19、影响。一方面:由于SiN 薄膜的缺陷主要是Si 和N 悬挂键, 其中,Si 悬挂键的能级主要分布在深局域态, 靠近本征费密能级的位置, 形成一个深能级陷阱。N 悬挂键的能级主要分布在价带带尾态, 形成一个浅能级陷阱。然而, 绝大多数的这类陷阱由于氢的钝化作用生成Si 2H 和N 2H 键, 薄膜由于氢原子的介入致密度增加, 电子迁移率减缓, 介电性能增强8。因此, 相对介电常数随着氢含量上升而增大, 从图4可知, 氢含量随Si 2H 含量增大而减小, 随N 2H 含量增大而增大; 另一方面:由于Si 2N 键比Si 2Si 键长短键能高,Si 2N 键含量增加会促进薄膜原子排列更加紧密, 电子

20、在薄膜中的迁移率由于薄膜结构紧密而减缓, 介电性能增强。因为Si 2N 键含量随Si 2H 键含量增大而增大, 随N 2H 键含量增大而减小, 介电常数也随之变化。综上所述,从图5(a 和(b 可以看出, 影响薄膜介电常数的主要因素为氢含量,Si 2H 键含量的影响相对较弱。图6(a 和(b 分别显示Si 2H 键和N 2H 键含量对光禁带宽度(E 04 的影响点趋势图。研究表明E 04的大小通过改变a 2SiN x H 薄膜中氮含量来调节10。Si 2Si 键位于相对宽阔的价带带尾态, 导致薄膜结构松散和多孔。为了提高光禁带宽度,Si 2Si 键的含量应该尽量减少8。因为Si 2Si 键含量

21、可以忽略, 且氮含量随Si 2H 键含量增大(或N 2H 键含量减小 而减小, 所以光禁带宽度随Si 2H 键含量增大而减小, 随N 2H 键含量增大而增大 。图6S i 2H 键(a 和N 2H 键(b 含量对光禁带宽度的影响Fig 16The in fluences of S i 2H bond density (a andN 2H bond density (b on optical band gap214栅界面层薄膜膜厚对TFT 特性的影响图7显示栅界面层沉积速率为119nm/s 时, 栅界面层厚度对薄膜晶体管(TFT s 导通电流(I on 的影响折线图。在一定的测试条件下:测试结果

22、可以清楚看到, 薄膜厚度在0到30nm 之间, 导通电流随着栅界面层厚度增大而显著增大。当薄膜厚度在30nm 以后, 导通电流随栅界面层厚度变化较小。说明富氮a 2SiN x H 栅界面层能改善栅绝缘层与a 2Si H 的界面态, 提高薄膜晶体管的导通电流, 改善薄膜晶体管的性能。443真空科学与技术学报第27卷 图7栅界面层膜厚对TFTs 的导通电流的影响Fig 17The in fluence of thickness of gateinter face layer on current3结论采用RF 2PEC VD 方法成功制备了高品质的栅界面层a 2SiN x H 薄膜。实验结果表明, 沉积速率主要受反应腔气压影响和等离子区功率的影响, 电极间距则影响很小。N 2H 键含量、Si 2N 键含量、氮含量、氢含量以及硅氮原子比随着沉积速率的上升而降低,Si