第六章 a-SiH TFT绝缘薄膜的沉积
塑料基底a-Si:H TFT制备技术
塑料基底a-Si：H TFT制备技术姚建可;许宁生;邓少芝;陈军;佘峻聪;王彬【摘要】采用PECVD工艺,在300℃下在50μm厚的Kapton E高分子塑料片上制备了底栅结构a-Si:H TFT阵列(20×20).用傅里叶变换红外光谱仪表征了a-Si:H 薄膜的结构,用二探针法和四探针法分别表征了a-Si:H薄膜和n+a-Si:H薄膜的电导率.a-Si:H薄膜中的H(原子数分数)约为15.6%,H主要以SiH和SiH2基团的形式存在,其电导率为8.2×10-7～8.8×10-6 S/cm;n+a-Si:H薄膜的电导率为3.8×10-3 S/cm.所制备的TF工具有以下性能:Ioff≈1×10-14 A,Ionn≈1×10-9 A,Ion/Ioff≈105,Vth≈5 V,μ≈0.113cm2/(V·s),S≈2.5 V/dec,满足TFT-LCD等平板显示器件的开关寻址电路要求.【期刊名称】《液晶与显示》【年(卷),期】2010(025)004【总页数】4页(P542-545)【关键词】塑料基底;a-Si:H TFT;柔性显示【作者】姚建可;许宁生;邓少芝;陈军;佘峻聪;王彬【作者单位】中山大学,光电材料与技术国家重点实验室,广东省显示材料与技术重点实验室,广东,广州,510275;中山大学,光电材料与技术国家重点实验室,广东省显示材料与技术重点实验室,广东,广州,510275;中山大学,光电材料与技术国家重点实验室,广东省显示材料与技术重点实验室,广东,广州,510275;中山大学,光电材料与技术国家重点实验室,广东省显示材料与技术重点实验室,广东,广州,510275;中山大学,光电材料与技术国家重点实验室,广东省显示材料与技术重点实验室,广东,广州,510275;中山大学,光电材料与技术国家重点实验室,广东省显示材料与技术重点实验室,广东,广州,510275【正文语种】中文【中图分类】O753.2柔性显示器件是倍受显示领域关注的新型平板显示器件技术之一,而柔性TFT电路阵列的实现,是实现有源驱动柔性显示器件的关键。
集成电路制造技术第六章(物理方法薄膜沉积技术)
E-beam Evaporation Machine
热蒸发和电子束蒸发 技术的比较
热蒸发
电子束蒸发
Advantages Simple equipment Low contamination
• 集成电路芯片制造工艺中，在硅片上制作的器件 结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成的。
二种薄膜沉积工艺
• 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）
利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介 质材料和半导体材料的沉积，如SiO2, poly-Si, Si3N4……
• 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）
第六章：薄膜制备技术—— 物理沉积方法
Chapter 6: Thin Film Deposition Techniques： Physical Vapor Deposition
(PVD)
图形的转换方法
填充法 (Additive)
刻蚀法 (Etching or Subtractive)
填充法
刻蚀法
IC制造中的薄膜
溅射技术 (Sputtering)
溅射技术基本原理：在真空腔中两个平板电极中充 有稀薄惰性气体，在施加电压后会使气体电离，离 子在电场的加速下轰击靶材(阴极)，在使靶材上撞 击(溅射)出原子，被撞击出的原子迁移到衬底表面 形成薄膜。
驱动方式： 直流型 DC Diode 射频型 RF Diode 磁场控制型 Magnetron
RML : 蒸汽源材料的消耗速率 （温度越高，消耗速率 越快） : 沉淀材料的质量密度（ 材料本身性质）
薄膜沉积原理分析课件
研究和发展新的薄膜沉积技术，如原子层沉积（ALD）、脉冲激光沉积（PLD）、化学气相沉积（CVD）等。
新技术
通过调整工艺参数和材料组成，提高薄膜的性能，如力学性能、光学性能、电学性能等。
实现对薄膜结构和性能的精确控制，以满足不同应用领域的严格要求。
控制
优化
跨学科
将薄膜沉积技术应用于其他学科领域，如生物医学、能源、环境等。
详细描述
金属有机物化学气相沉积采用金属有机化合物作为反应前驱体，通过热解或等离子体增强方式在基底上形成金属或金属氧化物薄膜。该方法具有较高的成膜质量和可调的薄膜性质，广泛应用于微电子、光电子和催化等领域。
利用激光诱导化学反应，在局部快速形成高质量薄膜。
总结词
激光化学气相沉积通过高能激光束诱导局部化学反应，在基底上快速形成高质量薄膜。该方法具有高精度、高分辨率和高沉积速率等特点，适用于制备微纳结构薄膜和功能薄膜。
脉冲激光沉积是一种利用脉冲激光束将靶材熔化并形成等离子体，然后将等离子体沉积在基底表面的方法。
延时符
化学气相沉积原理
通过加热反应气体，使其在基底上发生化学反应形成薄膜。
总结词
热化学气相沉积利用高温条件，使反应气体在基底表面发生热分解或化学反应，形成固态薄膜。该方法具有较高的沉积速率和较成熟的工艺，广泛应用于制备各种功能薄膜。
在真空蒸发镀膜过程中，首先将蒸发材料放入坩埚中，然后加热坩埚使材料蒸发。蒸发出来的原子或分子在真空中向四面八方运动，最终沉积在基底表面形成薄膜。
溅射镀膜是一种利用高能离子轰击靶材表面，使靶材原子或分子溅射出来并沉积在基底表面的方法。
在溅射镀膜过程中，惰性气体在电场的作用下加速并撞击靶材表面，使靶材原子或分子从表面溅射出来。这些溅射出来的原子或分子在真空中向四面八方运动，最终沉积在基底表面形成薄膜。
a-siTFT
亚阈值前区
I
subf DS
W = ⋅ Isub0 ⋅ EXP VGS +raVDS) ( L Sf +γVDS
γ是亚闲值前区的斜率受VDS影响的拟合参数。 ra 、Sf、γ，受制作工艺影响，Sf体现了前界面 的界面态密度和局域态的影响；ra体现了漏电压 对电子分布的影响程度;γ体现了漏电压对前界面 的界面态和局域态的分布的影响程度。 界面态 密度、深局域态密度决定着TFT亚阈值前区的特 性。
亚阈值后区
I
subr DS
W V GS −V TR + = ⋅ I rsub0 ⋅ EXP( rnV DS) L Sr
截止区
I = W ⋅ ∆LD ⋅ JOF ⋅ EXP (
off DS
VGS VFP
+ rp ⋅VDS)
I
off DS
=I
subf DS
+ g0 ( VGS + Deff ⋅VDS )
• a-si:H TFT的电流-电压及电容-电压特性依 赖于带尾的局域态和带隙的缺陷局域态。 • 带隙中的局域态形成有两种可能,第一种是 非晶态硅中的断健，因为实际的非晶态硅 中存在一定的断键，又称悬键，第二种可 能性是无序效应。
• 在亚阈值前区，感应出的电子大部分被局 域态和绝缘层界面态所俘获，电流很小， 栅极的正压增加时，电流指数增加，当高 于Von时，过渡到饱和区。带尾导更接近费 米能级，导带中产生被栅极电压感应的受 激电子层，参与导电的电子增加，导带尾 态的态密度快速的指数增加。
V =V +V +φ Q = −Q − Q − Q Q = C •V
GS fm s MS
GS m ss GS fm fm
TFT液晶屏的薄膜技术及应用
液晶屏：TFT液晶屏具有晶体管的“有源性”和“薄膜”的“薄”的双重特性，与平板显示屏(例如LCD、OLED等)组合，构成当今的平板电视(TFT-LCD、TFT-OLED)，TFT 是其中关键核心部件之一。
TFT液晶屏：通常TFT有源材料是硅薄膜，根据硅薄膜结构不同，晶体管分为非晶硅TFT(a-SiTFT)、多晶硅(p-SiTFT)和单晶硅MOSFET(c-SiMOSFET)。
此外采用有机材料制备的TFT，称为有机TFT。
TFT技术在平板显示产业中处于核心地位，具有资金密集、人才密集、技术密集的特点，面板产值高，产业集聚效应明显。
TFT技术虽然成熟，还在迅速发展中，通过改善薄膜材料和制备工艺还有不断降低生产成本的空间，同时提高面板性能。
TFT液晶屏薄膜技术1.非晶硅薄膜。
非晶硅薄膜晶体管技术是70年代提出的。
经过各国科学家近30年的不懈努力，如今第七代以上液晶显示器(LCD)生产线已全部实现自动化，工业生产技术相当成熟。
已经发展成为当今世界液晶显示器的主流产品，未来发展的目标是更大的屏幕尺寸和更低的生产成本。
非晶硅TFT技术，其优点是制备工艺成熟，相对简单，成品率高，适合于大面积生产。
其缺点是TFT只有N型器件，迁移率只有0.5-1.0cm2/Vs。
2.多晶硅薄膜。
多晶硅薄膜工艺主要分为两大类：(1)高温工艺，指整个加工过程中温度高于900℃。
高温工艺只能以昂贵的石英为衬底，TFT性能好，高温工艺只适用于中小尺寸的显示屏或投影屏系列。
液晶屏：(2)低温工艺，整个加工过程中温度低于600℃。
采用低温工艺可在廉价玻璃衬底上制作较大的显示屏。
低温多晶硅(LTPS)TFT由于其低功耗、轻便、薄型、提供大电流和系统集成性而被广泛地应用于有源(主动)驱动显示TFT-LCD和AMOLED中。
多晶硅TFT的工艺关键是如何低成本地、大面积制备优良的多晶硅薄膜。
3.有机薄膜TFT。
有机TFT的出现，将对现有非晶硅TFT形成有力的竞争是不言而喻的。
a-siTFT
• 在亚阈值后区，负的栅压使表面积累的电 子大部分耗尽，由于表面高的界面太密度， 在阻挡层界面有一个弱的反电子沟道存在， 栅压负方向增加，亚阈值电流减小，过渡 到截止区。泄露电流随栅压往负方向成指 数增加，主要是由场增强使深陷阱态中的 载流子发散造成的。
a-Si:H TFT阈值电压
• a-si:H TFT的电流-电压及电容-电压特性依 赖于带尾的局域态和带隙的缺陷局域态。 • 定义a-Si:H TFT的阈值电压为TFT开启时的 栅极电压，即半导体导带的起始受激电压， 用Vth表示。它包括存在功函数差和各种类 型电荷屏蔽的栅压Vto，和局域态屏蔽的那 部分栅压。
V =V +V +φ Q = −Q − Q − Q Q = C •V
GS fm s MS
GS m ss GS fm fm
loc
• 定义阈值电压Vth是在Qm=0，并且的Vs=0下推 导出的，则:
V
TH
=
Q Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
GS fm
+φ
MS
V =V
TH
+ηVDS T0
迁移率µ0 和θ的提取
u
eff
=
u 1 − θ (V −V
a-Si H TFT参数
• 沟道宽W、沟道长L、漏端交叠长△LD、第 一层和第二层绝缘层厚度T1和T2是器件的 几何参数，根据设计参数得到。第一层和 第二层绝缘层介电常数ε1和ε2。在I-V特性 中是从资料中查得，主要提取Vth、Vto、η、 µ0 、θ；电流电压的模型参数vmax、Jof、 VFP、rp、Sf、ra、γ、Isub0、Xn、rn、Sr、 VTR、Sr、Irsubo、VTR、g0、Deff
提取Vto、η、µ0 、θ
塑料基底a—Si：HTFT制备技术
ｎ ａ Ｓ ： ｆｌ ｉ ａ ｕ ｅ ｙ ｔ ｒ ｂ ｓ ａ ｄ ｆ ｕ ｒ ｂ ｓ ｍｅ ｈ ｄ ｒ ｓ ｅ ｔｖ ｌ ． Ｔｈ － ｉ Ｈ ｉ ｍ ｓ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｂ ｗｏ ｐ ｏ ｅ ｎ ｏ ｒ ｐ ｏ ｅ ｔ ｏ ， ｅ ｐ ｃ ｉ ｔ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｓｒｃ ： ｔｍ ａ ｅ ｔ ｕ ｔ ｒ ａ Ｓｉ：Ｈ ＴＦＴ ａ ｒ ｙ ｒ ａ ｗａ ｄｅ ｓｔ ｄ ｙ ｔ ｎ ａ ｄ ｓ ｐｏ ｉｅ ｂ ｓ ａ ｄ ｒ ＰＥＣＶ Ｄ
ｐｒ ｃ ｓ ｔ３ ０ ℃ ｏ ｐｔ ｐ ａ ｔｃ ｓ ｓ ｒ ｔ ｔ ｈｉｋｎ ｓ ０ “ｍ ． Ｔｈｅ ｓｒ ｃ ｕｒ ｏ ｅ ｓａ ０ ｎ Ｋａ ｏｎ Ｅ ｌ ｓ ｉ ｕｂ ｔ ａ ｅ ｗｉｈ ｔ ｃ ｅ ｓ ｏｆ５ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏｆ ａ Ｓｉ Ｈ ｉｍ ｓｃ ａ ａ ｔ ｒｚ ｄ ｂ Ｒ ｐｅ ｔ ｕ — ： ｆｌ ｗａ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｅ ｙ Ｉ ｓ ｃ ｒ ｍ． Ｔｈｅｅ ｅ ｔ ｉａ ｏｎ ｃ ｉ ｉｙ ｏ － ： ｆｌ ａ ｌ ｃ ｒｃ １ｃ ｄｕ ｔｖ ｔ ｆａ Ｓｉ Ｈ ｉｍ ｎｄ
摘
要： 用 Ｐ Ｃ 采 Ｅ ＶＤ工 艺 ， ３ ０ 。 在 ５ ｚ 厚 的 Ｋａ ｔ ｎ Ｅ高 分 子 塑 料 片 上 制 备 了底 栅 结 构 ａＳ ； 在 ０ Ｃ下 ０／ ｍ ｐｏ — ｉＨ
ＴＦ 阵列 （０ ０ 。用 傅 里 叶 变 换 红 外 光谱 仪表 征 了 ａ ｉＨ 薄膜 的 结 构 ， 二 探 针 法 和 四探 针 法 分 别 表 征 Ｔ ２ ×２ ） —： Ｓ 用 了 ａＳ： 薄膜 和 ｎ ａｓ： 薄 膜 的 电 导率 。ａｓ： 薄 膜 中 的 Ｈ（ 子 数 分 数 ） 为 １ ． ， 主 要 以 ＳＨ 和 —ｊＨ —ｊＨ —ｉＨ 原 约 ５６ Ｈ ｉ Ｓｌ。 团 的形 式 存 在 ， 电导 率 为 ８ ２ Ｏ ～ ８ ８ １ Ｓ ｃ ｎ ａｓ ： 薄 膜 的 电导 率 为 ３ ８ ０ ｓ ｉ 基 其 ． ×１ ．× ０ ／ｍ； —ｉＨ ． ×１ ／ ｃ ｒ ｎ Ｆ Ｊ Ｈ ０ １Ａ，Ｉ ≈ １ １ ～ Ａ，Ｊ ／ 。≈ １ Ｖ ｈ ５Ｖ， ≈ ０ １３ 。 × ０ 。ｊ “ ０ ， ≈ ． １ 晶 。所 制 备 的 Ｔ Ｔ 具 有 以 下 性 能 ：。≈ １×１ －
第六章 薄膜淀积
低温，快速淀积，好的 台阶覆盖能力，好的间 隙填充能力
要求 RF 系统，高成 本，压力远大于张力， 化学物质（如 H2）和 颗粒沾污
高的深宽比间隙的填充， 金属上的 SiO2,ILD-1,ILD, 为了双镶嵌结构的铜籽晶 层，钝化( Si3N4).
连续加工的APCVD 反应炉
反应气体 1 惰性分隔气体 膜 反应气体 2 硅片
p+ silicon substrate
引
言
从MSI到LSI时代，芯片的设计和加工相对较 为直接，上图给出了制作一个早期 CMOS所需的淀 积层。图中器件的特征尺寸远大于 1µm。如图所 示，由于特征高度的变化，硅片上各层并不平坦 ，这将成为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片 制造的限制因素。 随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯 片加工过程中，需要 6 层甚至更多的金属来做连 接 , 各金属之间的绝缘就显得非常重要，所以， 在芯片制造过程中，淀积可靠的薄膜材料至关重 要。薄膜制备是硅片加工中的一个重要工艺步骤 。
优点
缺点
台阶覆盖能力差, 有颗粒沾污 低产出率 高温，低的淀积速率， 需要更多的维护，要求 真空系统支持
应用
低温二氧化硅 (掺杂或不掺杂).
LPCVD (低压 CVD) 等离子体辅助 CVD: 等离子体增强 CVD (PECVD) 高密度等离子体 CVD (HDPCVD)
高温二氧化硅 (掺杂或不 掺杂),氮化硅、多晶硅等
p-well p- Epitaxial layer
p+ Silicon substrate
• 用TEOS－O3淀积SiO2
TEOS 是正硅酸乙脂。分子式为 Si(C2H5O4) ， 是一种液体。臭氧（O3）包含三个氧原子，比氧气 有更强的反应活性，因此，这步工艺可以不用等离 子体，在低温下（如 400℃）进行，因为不需要等 离子体，O3就能是TEOS分解，因此反应可以在常 压（ APCVD,760 托）或者亚常压 (SACVD ， 600 托 ) 下。淀积的二氧化硅薄膜改善了台阶覆盖轮廓，均 匀性好，具有作为绝缘介质优异的电学特性。 优点：对于高的深宽比槽有良好的覆盖填充能力。 缺点： SiO2 膜多孔，因而通常需要回流来去掉潮气 并增加膜密度。
a-SiH_TFT的能带和工作内部结构
即可能降低成本
彩晶的10.4寸和16.1寸采用的是背沟道阻挡 型结构；6.5采用的是背沟道刻蚀型结构
16
a-Si TFT驱动原理
•a-Si TFT有源矩阵液晶显示器：a-Si是指有源层采用的是半导体材料a-Si的LCD； TFT是指 薄膜晶体管；有源矩阵是指有TFT等有源元件的矩阵形结构的LCD；液晶 显示器英文缩写是LCD。
△LD i/s SiNx
绝缘层
a-Si:H
1. a-Si:H TFT的工作原理
当VGS≤VTR时，泄漏电流是由于Poole- Fenkel效应引起的载流子发散造成的， 所以该区又叫Poole-Fenkel发散区。在漏源之间的泄漏电流随栅压往负方向 增加，呈指数增加，主要是由场增强使得深缺陷态中的载流子发散造成的。
3.TFT-LCD的基本结构
•倒栅型（底栅型）：背沟道刻蚀型和背沟道阻挡型。
•背沟道刻蚀型的半导体层a-Si层的厚度是2000~3000A；刻蚀 n+a-Si层时a-Si层也被刻蚀，由于刻蚀的选择比小，所以a-Si 层相应要厚，工艺难度大；a-Si层厚，所以生产性不好。 •背沟道阻挡型的半导层a-Si层的厚度是300~500A；刻蚀n+aSi层时SiN也被刻蚀，由于刻蚀选择比大a-Si层可以做得薄， 工艺简单；a-Si层薄P-CVD的生产性好。
绝缘层
欧姆接触
MIS结构
3
a-Si:H TFT的能带图
1. a-Si:H TFT的工作原理
随栅极电压VGS而变化，基本上可分为积累、耗尽、反型 三种情况
表面出现电子的积累而带负电
Ec
Ec
qvB
Ef
Ef
集成电路薄膜沉积
集成电路薄膜沉积介绍集成电路薄膜沉积是现代集成电路制造过程中的关键步骤之一。
它是指将薄膜材料沉积在集成电路芯片的表面，以实现电路功能和保护芯片。
本文将详细介绍集成电路薄膜沉积的过程、方法和应用。
薄膜沉积的原理薄膜沉积是将薄膜材料以原子、离子或分子形式沉积在基底表面的过程。
常用的薄膜沉积方法包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。
物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是利用真空蒸发、离子束溅射或磁控溅射等方法将薄膜材料从固体源蒸发或溅射，并沉积在基底表面。
这种方法适用于沉积金属膜、氧化物膜和氮化物膜等薄膜材料。
化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是利用化学反应使气相中的薄膜前驱体分解生成固态薄膜，并沉积在基底表面。
常见的CVD方法有热CVD、低压CVD和气相淀积等。
该方法可用于沉积非金属薄膜材料，如多晶硅、氮化硅等。
薄膜沉积的步骤薄膜沉积的过程通常包括前处理、沉积、后处理和质量检测等步骤。
前处理前处理是为了准备好基底表面，以使薄膜能够良好地附着在其上。
通常包括清洗、蚀刻和表面修饰等步骤。
1.清洗基底表面，去除尘埃、有机物和氧化物等杂质。
2.蚀刻基底表面，去除表面氧化层，提高接触性和附着性。
3.表面修饰，如引入功能分子以改善特定性能。
沉积沉积是将薄膜材料沉积在基底表面的步骤。
根据材料和方法的不同，可以采用PVD或CVD等沉积方法。
1.物理气相沉积：–真空蒸发：将固态薄膜材料加热至其气化温度，使其蒸发成气体，然后通过凝结在基底表面。
–离子束溅射：利用高能离子束轰击固态薄膜材料，将其溅射到基底表面形成薄膜。
–磁控溅射：在磁场作用下，将固态薄膜材料离子化并溅射到基底表面。
2.化学气相沉积：–热CVD：通过热分解化学前驱体，使其生成固态薄膜并沉积在基底表面。
–低压CVD：在较低压力下进行CVD，可控制沉积速率和薄膜性质。
–气相淀积：通过气相反应，生成固态薄膜颗粒同时沉积在基底表面。
后处理后处理是为了改善薄膜性质，如晶格结构、表面光洁度和薄膜应力等。
平板显示技术基础—习题答案
第一章习题答案一、填空题1. 投影型空间成像型直视型阴极射线管显示器平板显示器2. 主动发光型非主动发光型3. CRT投影技术LCD投影技术数字光处理器表面数字微晶装置4. 阴极射线管电子束电子枪阴罩荧光粉层5. 等离子体气体放电发光6. 半导体硅上的液晶玻璃半导体硅材料7. 头盔显示器全息显示器8. 真空荧光真空荧光管9. 无数个小发光二极管拼接10. 300mm×400mm 2二、名词解释1. 主动发光型显示器是指利用电能使器件发光，显示文字和图像的显示技术。
2. 被动发光型显示器是指器件本身不发光，需要借助于太阳光或背光源的光，用电路控制外来光的反射率和透射率，才能实现显示。
3. 投影型显示器是用显示器显示图像后，再经光学系统放大后投影到屏幕上的一种显示。
4. 空间成像型显示器是空间虚拟图像，也是投影显示的一种，代表技术是头盔显示器5. 电致发光显示器是利用某些材料在外界电场作用下发光实现显示的一种主动发光显示器。
6. 场致发射显示器是一种用冷阴极在高电场作用下发射电子，轰击涂覆在屏幕上的荧光粉发光实现显示的。
7. 发光二极管显示器是采用无数个小发光二极管拼接组成的显示器。
8. 响应时间是指显示器对输入信号的反应时间，如像素由暗转到亮，再由亮转到暗的图像完全显示所用的时间。
9. 亮度是指在单位面积上显示器画面明亮程度。
10. 开口率是像素的有效透光区面积与像素总面积的比值。
11. 对比度是指显示器的最大亮度与最小亮度的比值。
12. 灰度是指在白和黑之间的亮度层次分成几个等级，表示显示亮度不同的反差。
13. 拖尾是显示器在显示动态图像时出现的边缘模糊、看不清细节的现象。
14. 像素是平板显示图像的很多纵横排列的点中最小单位的点。
15. PPI，Pixels per inch，是每英寸所拥有的像素数目。
16. 画面尺寸是指显示区域对角线的长度。
17. 长宽比是显示画面横方向尺寸和纵方向尺寸的比。
第六章 a-SiH TFT绝缘薄膜的沉积
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:H TFT绝缘薄膜的沉积
YUE KUO
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一、绝缘层材料和沉积方法的选取 二、PECVD SiNx绝缘层 Ⅰ.PECVD SiNx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）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
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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
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II. SiNx栅绝缘层
PECVD SiNx薄膜应该稍微多含氮（slightly nitrogen-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
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• 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
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• （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 ）
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III.
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
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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
Байду номын сангаас
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-free hydrogen radical）中 2、在栅绝缘层和a-Si:H薄膜之间加入薄界面层
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IV. 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Δ Vth，因为：
• 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
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• （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 ）
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• a-Si:H TFT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
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
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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Δ Vth相对应的
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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TFT钝化层还 有SiOx背沟覆盖层
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• 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/aSi: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aSi:H/栅绝缘层界面并导 致能带弯曲现象
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• 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
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• 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。
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VI.
背沟钝化绝缘层
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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
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II. SiNx栅绝缘层
PECVD SiNx薄膜应该稍微多含氮（slightly nitrogen-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
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（particle generation）
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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:H TFT绝缘薄膜的沉积
YUE KUO
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一、绝缘层材料和沉积方法的选取 二、PECVD SiNx绝缘层 Ⅰ.PECVD SiNx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
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• 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）
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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
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薄膜的Egopt可以用作TFT的可靠性（reliability）的 参照
Δ 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
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• 制备a-Si:H TFT的PECVD系统的比较
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• 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。
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• 采用SiNx做a-Si:H TFT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
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I.
PECVD 沉积工艺
等离子能量（plasma energy）是一个重要因素 沉积能量和沉积速率的一般关系
V.
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
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• 双层SiNx栅绝缘层TFT的µeff与界面SiNx沉积能量的函数关系
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
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（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
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底栅TFT具有比顶栅TFT更好的性能，因为它的缺陷态 密度较低。双层栅绝缘层常用于大面积TFT阵列的制备 。体薄膜可以从多种类型的材料中选取，界面薄膜却 只能是SiNx，以便获得高质量高可靠性的TFT。SiNx还 是一种很好的背沟钝化层。 绝缘沉积工艺会引入粒子产生，这会影响大面积阵列 TFT的生产。能量是粒子控制的主要因素。沉积设备设 计也会影响TFT生产工艺的产效。