第六章 a-SiH TFT絕緣薄膜沉積

薄膜晶體管材料和工藝

第一卷非晶硅薄膜晶體管

第六章a-Si:HTFT絕緣薄膜的沉積

YUEKUO一、絕緣層材料和沉積方法的選取二、PECVDSiNx絕緣層 Ⅰ.PECVDSiNx沉積工藝 Ⅱ.SiNx柵絕緣層 Ⅲ.界面效應(yīng) Ⅳ.底柵絕緣層和頂柵絕緣層 Ⅴ.雙層?xùn)沤^緣層 Ⅵ.背溝鈍化絕緣層三、與絕緣層有關(guān)的產(chǎn)效問題四、總結(jié)a-Si:HTFT絕緣薄膜

1、柵絕緣層（gatedielectric）2、溝道鈍化層（channelpassivation）3、晶體管的保護(hù)層（completetransistorpassivation）a-Si:H/絕緣層界面特性會影響溝道工作區(qū)a-Si:HTFT的性能很大程度上是由結(jié)構(gòu)決定的PECVD是一種理想的方法，原因有以下幾點(diǎn)：a-Si:H普遍采用PECVD沉積絕緣層/a-Si:H層可以在一次真空泵抽真空過程（one－pump－down）中沉積，這樣就保證了界面的潔凈絕緣層材料性能很容易調(diào)節(jié)，達(dá)到與某一a-Si:H層匹配使TFT特性最佳在兩個(gè)沉積步驟間加上一個(gè)等離子體步驟可使界面特性得到優(yōu)化采用SiNx做a-Si:HTFT絕緣層要優(yōu)于其他PECVD絕緣材料

采用SiNx柵絕緣層的TFT比采用SiOx柵絕緣層的TFT具有較低的S和較小的Vth

PECVD沉積工藝

等離子能量（plasmaenergy）是一個(gè)重要因素

沉積能量和沉積速率的一般關(guān)系每一條曲線都有一個(gè)臨界能量Wcritical，低于臨界能量時(shí)沉積速率隨著能量的增大而增大，高于臨界能量時(shí)沉積速率隨著能量的增大而減小當(dāng)能量低于Wcritical時(shí)，薄膜的生長由前驅(qū)物在襯底表面的吸附作用和化學(xué)反應(yīng)決定。當(dāng)能量高于Wcritical時(shí)，刻蝕機(jī)制就不可以忽略了（a）RI，（b）NH和SiH鍵與等離子能量的變化關(guān)系

薄膜的RI隨著能量的增大而下降，達(dá)到最小值后，能量繼續(xù)增大，變化關(guān)系就反轉(zhuǎn)了。RI最小值出現(xiàn)在Wcritical附近;SiH峰隨著能量的增大而下降直至能量達(dá)到Wcitical。當(dāng)能量高于Wcritical時(shí)SiH峰就消失了等離子體能量與薄膜應(yīng)力的關(guān)系

當(dāng)能量增大時(shí)薄膜應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，最小應(yīng)力出現(xiàn)在Wcritical附近。這與薄膜中N濃度的變化趨勢是一致的等離子體能量與一致性的關(guān)系

PECVD薄膜厚度均勻性隨能量增大接近Wcritical而逐漸惡化，超過Wcritical時(shí)厚度均勻性變得很差較大的沉積能量使等離子態(tài)粒子成核速率較高 通過控制等離子能量低于Wcritical可以減小沉積過程中粒子衍生（particlegeneration） 輸入氣流中氫含量對（a）薄膜中氫濃度和Si-H鍵，（b）沉積速率的影響

SiNx柵絕緣層PECVDSiNx薄膜應(yīng)該稍微多含氮（slightlynitrogen-rich），并且要含有大量的氫（例如20％，甚至更高）閾值電壓和場效應(yīng)遷移率與柵SiNx層中氮含量的關(guān)系

為了獲得較低的Vth和較高的μeff，需要一個(gè)適中的x，即在1.0和1.1之間輸入氣流中H2/N2＋H2比率對倒置交錯(cuò)三層TFT的μeff和Vth的影響最高的μeff和最低的Vth出現(xiàn)在比率為70％時(shí)。在這一比率時(shí)，薄膜應(yīng)力最小，低于該比率時(shí)具有拉應(yīng)力，高于該比率時(shí)具有壓應(yīng)力柵SiNx薄膜的RI和倒置交錯(cuò)三層TFT的Vth的一般關(guān)系在一個(gè)很窄的RI范圍（即1.85和1.90之間）可以獲得最低的Vth,有可能當(dāng)薄膜RI介于1.85和1.90之間時(shí)SiH和NH原子團(tuán)存在最佳的匹配，使缺陷態(tài)密度最小，從而使a-Si:H/SiNx界面態(tài)密度最小薄膜的Egopt可以用作TFT的可靠性（reliability）的參照

ΔVth隨柵SiNx的Egopt的減小而降低直至達(dá)到5.4eV左右。因此TFT的特性和可靠性最好時(shí)，柵SiNx應(yīng)是含氮稍多的，具有較低的壓應(yīng)力，并且具有較高的Egopt界面效應(yīng)界面的粗糙度是由兩種薄膜的沉積條件決定的粗糙薄膜在高能量下沉積，而光滑薄膜在低能量下沉積光滑的界面是保證TFT性能和可靠性的關(guān)鍵具有光滑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有較低的Vth和較高的μeff界面態(tài)和應(yīng)力效應(yīng)

PECVD薄膜既可以有拉應(yīng)力也可以有壓應(yīng)力，這取決于氮含量或RI。當(dāng)SiNx薄膜含氮或含硅量明顯的高時(shí)兩種薄膜之間的應(yīng)力失配會變大。較高的應(yīng)力失配是與低μeff及高ΔVth相對應(yīng)的

柵絕緣層界面的改善1、將暴露在、、或等離子體中或等離子自由氫粒子（plasma-freehydrogenradical）中2、在柵絕緣層和a-Si:H薄膜之間加入薄界面層底柵絕緣層和頂柵絕緣層底柵（倒置，交錯(cuò)）TFT的性能比頂柵（常規(guī)或交錯(cuò)）TFT的性能要好，倒置交錯(cuò)TFT有較高的μeff、較低的Vth、較高的Ion和較低的ΔVth，因?yàn)椋航缑婕捌涓浇腶-Si:H的帶寬隨沉積順序的變化而改變與倒置交錯(cuò)界面相比，交錯(cuò)界面具有較高的氫含量，較大的帶尾態(tài)寬度和更嚴(yán)重的應(yīng)力失配，這會導(dǎo)致TFT性能變差交錯(cuò)界面通常比底氮化物結(jié)構(gòu)具有更大的界面態(tài)密度倒置交錯(cuò)TFT的柵絕緣界面比常規(guī)交錯(cuò)TFT的具有更低的氫含量相同薄膜沉積條件條件下沉積的底柵和頂柵a-Si:HTFT的轉(zhuǎn)移特性

（a）常規(guī)（交錯(cuò)）結(jié)構(gòu)和（b）倒置交錯(cuò)結(jié)構(gòu)中/a-Si:H界面及其附近區(qū)域的帶寬（倒置交錯(cuò)結(jié)構(gòu)中體a-Si:H的帶寬比常規(guī)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)中的要低0.21eV）雙層?xùn)沤^緣層產(chǎn)效（yield）更高晶體管特性更好雙層SiNx/TaOx柵絕緣層比單層SiNx柵絕緣層較高的μeff、較低的Ioff、較高的Ion和較低的Vth

雙層SiNx柵絕緣層TFT的μeff與界面SiNx沉積能量的函數(shù)關(guān)系

在雙層?xùn)沤^緣TFT中應(yīng)力失配是很重要的問題。很明顯，TFT中不同薄膜間的應(yīng)力失配較低時(shí)就能得到很好的性能在多層TFT結(jié)構(gòu)中總應(yīng)力應(yīng)該最低以便獲得較好的器件性能。背溝鈍化絕緣層

背溝絕緣層材料，成分和沉積條件都會影響TFT性能倒置交錯(cuò)雙層a-Si:HTFT的轉(zhuǎn)移特性：曲線A是沒有背溝覆蓋層的；曲線B有SiOx背溝覆蓋層；曲線C既有SiOx整個(gè)TFT鈍化層還有SiOx背溝覆蓋層一般用SiNx作背溝鈍化層比SiOx要好。然而，下圖顯示加上背溝鈍化層后，TFT性能會下降。隨著頂SiNx沉積條件的變化，Ioff會增大，Vth會減小，這是因?yàn)榻缑嫘再|(zhì)（如電荷密度），受等離子體參數(shù)的影響背溝絕緣層對TFT的影響主要?dú)w因于絕緣層/a-Si:H界面的電子積聚。由于a-Si:H層通常很薄，界面電荷能夠滲透穿過整個(gè)a-Si:H層到達(dá)a-Si:H/柵絕緣層界面并導(dǎo)致能帶彎曲現(xiàn)象與絕緣層有關(guān)的產(chǎn)效問題與絕緣層相關(guān)的產(chǎn)效損失可以分為三部分：結(jié)構(gòu)，沉積工藝和沉積設(shè)備較厚的和雙層的柵絕緣層可以避免兩個(gè)傳導(dǎo)層間的短路粒子產(chǎn)生是PECVD產(chǎn)效的最大殺手,當(dāng)沉積能量低于Wcritical時(shí)粒子數(shù)目會大大減少,Wcritical是影響大面積SiNx薄膜一致性和TFT特性的一個(gè)重要因素多腔系統(tǒng)分兩種，即直線式（in-line）或分布式（distributed）

制備a-Si:HTFT的PECVD系統(tǒng)的比較

總結(jié)PECVDSiNx被廣泛認(rèn)為是最好的柵絕緣層和背溝絕緣層。PECVD沉積工藝有大量的可調(diào)整的參數(shù)。薄膜的結(jié)構(gòu)和組成會隨工藝參數(shù)的微小變化而急劇改變。大多數(shù)參數(shù)，如RI、應(yīng)力、FTIRSiH/NH比率或大面積一致性都與Wcritical有關(guān)。等離子態(tài)的氫會影響沉積工藝和薄膜性質(zhì)。為了優(yōu)化a-Si:HTFT特性，SiNx柵絕緣層含氮量應(yīng)稍微多些、應(yīng)具有很大的氫含量和較低的應(yīng)力。SiNx薄膜的Egopt會影響TFT的可靠性。底柵TF