第六章a-SiHTFT绝缘薄膜的沉积

1、Inst. Of Opto-electronics薄膜晶体管材料和工艺薄膜晶体管材料和工艺 第一卷第一卷 非晶硅薄膜晶体管非晶硅薄膜晶体管第六章第六章 a-Si:H TFT绝缘薄膜的沉积绝缘薄膜的沉积 YUE KUOInst. Of Opto-electronics一、绝缘层材料和沉积方法的选取一、绝缘层材料和沉积方法的选取 二、二、PECVD PECVD SiNxSiNx绝缘层绝缘层 .PECVD .PECVD SiNxSiNx沉积工艺沉积工艺 .SiNxSiNx栅绝缘层栅绝缘层 .界面效应界面效应 .底栅绝缘层和顶栅绝缘层底栅绝缘层和顶栅绝缘层 .双层栅绝缘层双层栅绝缘层 .背沟钝化绝缘层

2、背沟钝化绝缘层 三、与绝缘层有关的产效问题三、与绝缘层有关的产效问题 四、总结四、总结Inst. Of Opto-electronics a-Si:H TFT绝缘薄膜绝缘薄膜 1、栅绝缘层（gate dielectric）2、沟道钝化层（channel passivation）3、晶体管的保护层（complete transistor passivation） a-Si:H/绝缘层界面特性会影响沟道工作区 a-Si:H TFT的性能很大程度上是由结构决定的Inst. Of Opto-electronics PECVD是一种理想的方法，原因有以下几点：是一种理想的方法，原因有以下几点： a-Si

3、:H普遍采用PECVD沉积 绝缘层/ a-Si:H层可以在一次真空泵抽真空过程（onepumpdown）中沉积，这样就保证了界面的洁净 绝缘层材料性能很容易调节，达到与某一a-Si:H层匹配使TFT特性最佳 在两个沉积步骤间加上一个等离子体步骤可使界面特性得到优化Inst. Of Opto-electronics 采用采用SiNxSiNx做做a-a-Si:HSi:H TFT TFT绝缘层要优于其他绝缘层要优于其他PECVDPECVD绝缘材料绝缘材料 采用SiNx栅绝缘层的TFT比采用SiOx栅绝缘层的TFT具有较低的S和较小的Vth Inst. Of Opto-electronicsI.I.P

4、ECVD PECVD 沉积工艺沉积工艺 等离子能量（等离子能量（plasma energyplasma energy）是一个重要因素）是一个重要因素 沉积能量和沉积速率的一般关系 每一条曲线都有一个临界能量Wcritical，低于临界能量时沉积速率随着能量的增大而增大，高于临界能量时沉积速率随着能量的增大而减小 当能量低于Wcritical时，薄膜的生长由前驱物在衬底表面的吸附作用和化学反应决定。当能量高于Wcritical时，刻蚀机制就不可以忽略了 Inst. Of Opto-electronics （a）RI，（b）NH和SiH键与等离子能量的变化关系 薄膜的RI随着能量的增大而下降，达到

5、最小值后，能量继续增大，变化关系就反转了。RI最小值出现在Wcritical附近 ; SiH峰随着能量的增大而下降直至能量达到Wcitical。当能量高于Wcritical时SiH峰就消失了Inst. Of Opto-electronics 等离子体能量与薄膜应力的关系当能量增大时薄膜应力从拉应力变为压应力，最小应力出现在Wcritical附近。这与薄膜中N浓度的变化趋势是一致的 等离子体能量与一致性的关系PECVD 薄膜厚度均匀性随能量增大接近Wcritical而逐渐恶化，超过Wcritical时厚度均匀性变得很差 较大的沉积能量使等离子态粒子成核速率较高通过控制等离子能量低于Wcritic

6、al可以减小沉积过程中粒子衍生（particle generation） Inst. Of Opto-electronics输入气流中氢含量对（输入气流中氢含量对（a a）薄膜中氢浓度和）薄膜中氢浓度和SiSi-H-H键，键，（b b）沉积速率的影响）沉积速率的影响 Inst. Of Opto-electronicsII.II.SiNxSiNx栅绝缘层栅绝缘层PECVD SiNx薄膜应该稍微多含氮（薄膜应该稍微多含氮（slightly nitrogen-rich），并且要含有大量的氢（例如），并且要含有大量的氢（例如20，甚至更高），甚至更高）阈值电压和场效应迁移率与栅SiNx层中氮含量的关系

7、 为了获得较低的Vth和较高的eff，需要一个适中的x，即在1.0和1.1之间 Inst. Of Opto-electronics 输入气流中H2/N2H2比率对倒置交错三层TFT的eff和Vth的影响 最高的eff和最低的Vth出现在比率为70时。在这一比率时，薄膜应力最小，低于该比率时具有拉应力，高于该比率时具有压应力 Inst. Of Opto-electronics 栅SiNx薄膜的RI和倒置交错三层TFT的Vth的一般关系 在一个很窄的RI范围（即1.85和1.90之间）可以获得最低的 Vth,有可能当薄膜RI介于1.85和1.90之间时SiH和NH原子团存在最佳的匹配，使缺陷态密度

8、最小，从而使a-Si:H/SiNx界面态密度最小 Inst. Of Opto-electronics 薄膜的Egopt可以用作TFT的可靠性（reliability）的参照 Vth随栅SiNx的Egopt的减小而降低直至达到5.4eV左右。因此TFT的特性和可靠性最好时，栅SiNx应是含氮稍多的，具有较低的压应力，并且具有较高的Egopt Inst. Of Opto-electronicsIII.界面效应界面效应界面的粗糙度是由两种薄膜的沉积条件决定的粗糙薄膜界面的粗糙度是由两种薄膜的沉积条件决定的粗糙薄膜在高能量下沉积，而光滑薄膜在低能量下沉积在高能量下沉积，而光滑薄膜在低能量下沉积Inst

9、. Of Opto-electronics 光滑的界面是保证TFT性能和可靠性的关键具有光滑SiNx表面的TFT比具有粗糙SiNx表面的TFT有更高的eff ；具有光滑a-Si:H表面的TFT比具有粗糙a-Si:H表面的TFT有较低的Vth和较高的effInst. Of Opto-electronics 界面态和应力效应PECVD 薄膜既可以有拉应力也可以有压应力，这取决于氮含量或RI。当SiNx薄膜含氮或含硅量明显的高时两种薄膜之间的应力失配会变大。较高的应力失配是与低eff及高Vth相对应的 Inst. Of Opto-electronics 栅绝缘层界面的改善1、将暴露在、或等离子体中或

10、等离子自由氢粒子（plasma-free hydrogen radical）中 2、在栅绝缘层和a-Si:H薄膜之间加入薄界面层 Inst. Of Opto-electronicsIV.IV.底栅绝缘层和顶栅绝缘层底栅绝缘层和顶栅绝缘层 底栅（倒置，交错）TFT的性能比顶栅（常规或交错）TFT的性能要好，倒置交错TFT有较高的eff 、较低的Vth、较高的Ion和较低的Vth，因为：界面及其附近的a-Si:H的带宽随沉积顺序的变化而改变 与倒置交错界面相比，交错界面具有较高的氢含量，较大的带尾态宽度和更严重的应力失配，这会导致TFT性能变差 交错界面通常比底氮化物结构具有更大的界面态密度 倒置

11、交错TFT的栅绝缘界面比常规交错TFT的具有更低的氢含量 Inst. Of Opto-electronics相同薄膜沉积条件条件下沉积的底栅和顶栅a-Si:H TFT的转移特性 Inst. Of Opto-electronics（a）常规（交错）结构和（b）倒置交错结构中/a-Si:H界面及其附近区域的带宽（倒置交错结构中体a-Si:H的带宽比常规交错结构中的要低0.21eV ）Inst. Of Opto-electronicsV.双层栅绝缘层双层栅绝缘层产效（yield）更高晶体管特性更好 双层SiNx/TaOx栅绝缘层比单层SiNx栅绝缘层较高的eff 、较低的Ioff、较高的Ion和较低

12、的Vth Inst. Of Opto-electronics双层SiNx栅绝缘层TFT的eff与界面SiNx沉积能量的函数关系 Inst. Of Opto-electronics 在双层栅绝缘TFT中应力失配是很重要的问题。很明显，TFT中不同薄膜间的应力失配较低时就能得到很好的性能 在多层TFT结构中总应力应该最低以便获得较好的器件性能。Inst. Of Opto-electronicsVI.背沟钝化绝缘层背沟钝化绝缘层 背沟绝缘层材料，成分和沉积条件都会影响TFT性能 倒置交错双层a-Si:H TFT的转移特性：曲线A是没有背沟覆盖层的；曲线B有SiOx背沟覆盖层；曲线C既有SiOx整个T

13、FT钝化层还有SiOx背沟覆盖层 Inst. Of Opto-electronics一般用SiNx作背沟钝化层比SiOx要好。然而，下图显示加上背沟钝化层后，TFT性能会下降。随着顶SiNx沉积条件的变化，Ioff会增大，Vth会减小，这是因为界面性质（如电荷密度），受等离子体参数的影响 背沟绝缘层对TFT的影响主要归因于绝缘层/a-Si:H界面的电子积聚。由于a-Si:H层通常很薄，界面电荷能够渗透穿过整个a-Si:H层到达a-Si:H/栅绝缘层界面并导致能带弯曲现象 Inst. Of Opto-electronics 与绝缘层有关的产效问题与绝缘层有关的产效问题 与绝缘层相关的产效损失可以

14、分为三部分：结构，沉积工艺和沉积设备 较厚的和双层的栅绝缘层可以避免两个传导层间的短路 粒子产生是PECVD产效的最大杀手 ,当沉积能量低于Wcritical时粒子数目会大大减少,Wcritical是影响大面积SiNx薄膜一致性和TFT特性的一个重要因素 多腔系统分两种，即直线式（in-line）或分布式（distributed） Inst. Of Opto-electronics制备a-Si:H TFT的PECVD系统的比较 Inst. Of Opto-electronics 总结总结 PECVD SiNx被广泛认为是最好的栅绝缘层和背沟绝缘层。PECVD 沉积工艺有大量的可调整的参数。薄膜的结构和组成会随工艺参数的微小变化而急剧改变。大多数参数，如RI、应力、FTIR SiH/NH比率或大面积一致性都与Wcritical有关。等离子态的氢会影响沉积工艺和薄膜性质。 为了优化a-Si:H TFT特性，SiNx栅绝缘层含氮量应稍微多些、应具有很大的氢含量和较低的应力。SiNx薄膜的Egopt会影响TFT的可靠性。In