第六章 a-SiH TFT绝缘薄膜沉积

薄膜晶体管材料和工艺

第一卷非晶硅薄膜晶体管

第六章a-Si:HTFT绝缘薄膜的沉积

YUEKUO一、绝缘层材料和沉积方法的选取二、PECVDSiNx绝缘层 Ⅰ.PECVDSiNx沉积工艺 Ⅱ.SiNx栅绝缘层 Ⅲ.界面效应 Ⅳ.底栅绝缘层和顶栅绝缘层 Ⅴ.双层栅绝缘层 Ⅵ.背沟钝化绝缘层三、与绝缘层有关的产效问题四、总结a-Si:HTFT绝缘薄膜

1、栅绝缘层（gatedielectric）2、沟道钝化层（channelpassivation）3、晶体管的保护层（completetransistorpassivation）a-Si:H/绝缘层界面特性会影响沟道工作区a-Si:HTFT的性能很大程度上是由结构决定的PECVD是一种理想的方法，原因有以下几点：a-Si: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（one－pump－down）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采用SiNx做a-Si:HTFT绝缘层要优于其他PECVD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

PECVD沉积工艺

等离子能量（plasmaenergy）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（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Wcritical可以减小沉积过程中粒子衍生（particlegeneration） 输入气流中氢含量对（a）薄膜中氢浓度和Si-H键，（b）沉积速率的影响

SiNx栅绝缘层PECVDSiNx薄膜应该稍微多含氮（slightlynitrogen-rich），并且要含有大量的氢（例如20％，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

为了获得较低的Vth和较高的µeff，需要一个适中的x，即在1.0和1.1之间输入气流中H2/N2＋H2比率对倒置交错三层TFT的µeff和Vth的影响最高的µeff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，使缺陷态密度最小，从而使a-Si:H/SiNx界面态密度最小薄膜的Egopt可以用作TFT的可靠性（reliability）的参照

ΔVth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在高能量下沉积，而光滑薄膜在低能量下沉积光滑的界面是保证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µeff；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µeff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µeff及高ΔVth相对应的

栅绝缘层界面的改善1、将暴露在、、或等离子体中或等离子自由氢粒子（plasma-freehydrogenradical）中2、在栅绝缘层和a-Si:H薄膜之间加入薄界面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µeff、较低的Vth、较高的Ion和较低的ΔVth，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交错TFT的栅绝缘界面比常规交错TFT的具有更低的氢含量相同薄膜沉积条件条件下沉积的底栅和顶栅a-Si:HTFT的转移特性

（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）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µeff、较低的Ioff、较高的Ion和较低的Vth

双层SiNx栅绝缘层TFT的µeff与界面SiNx沉积能量的函数关系

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。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:HTFT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TFT钝化层还有SiOx背沟覆盖层一般用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与绝缘层有关的产效问题与绝缘层相关的产效损失可以分为三部分：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）

制备a-Si:HTFT的PECVD系统的比较

总结PECVDSiNx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、FTIRSiH/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:HTFT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。底栅TF