栅极绝缘层和有源层沉积工艺的优化对TFT特性的影响研究

　　通过对低速沉积的栅极绝缘层(GL层)和低速沉积的有源层(AL层)的薄膜沉积条件进行了优化，分析了沉积AL层的功率，间距等条件的变更对薄膜的沉积速率和均匀性的影响，解释这些工艺条件对Ion的影响的本质，确定最佳的沉积AL层的沉积条件；调整了GL层的功率和NH3流量，分析了两者对Ion的影响规律并分析了内在的原因。通过对比优化前后的薄膜晶体管(TFT)特性曲线发现，Ion提升了32%，开关比(Ion/Ioff)提升了约40%，达到了优化TFT特性的目的。

　　目前，液晶显示器(LCD)正以其优异的显示品质及轻便性逐步取代普通的阴极射线管(CRT)显示器。对于大面积显示的LCD，采用有源矩阵是一种比较理想的选择，有源矩阵LCD采用的是薄膜晶体管(TFT)阵列，而TFT阵列主要使用a-Si：H作为TFT沟道。但是a-Si：H的载流子迁移率较低，其TFT特性尤其是开路状态下的电流较低，比多晶硅要小2～3个数量级，为满足充电要求，需要进一步提升a-Si：H的TFT特性。此外，由于氢化非晶硅(a-Si：H)薄膜存在比较大的缺陷密度，导致TFT中的a-Si：H薄膜和SiNx薄膜之间存在比较大界面态，使得a-Si：HTFT在光诱导或正栅极电压的作用下，会导致开路电流Ion的衰退和阀值电压的增大，对TFT的特性产生一定的影响，因而，在实际生产过程中，从提升产能和改善TFT特性的角度来考虑，一般将栅极绝缘层(GL层)和有源层(AL层)分为两步进行沉积，第一步为高速沉积层(GH层和AH层)，所沉积厚度占整个厚度的绝大部分，此膜层结构较疏松，并且含有较多的缺陷；第二步为低速沉积层(GL层和AL层)，这两层位于栅绝缘层和a-Si：H层的界面处，沉积速较低，膜层结构较致密，缺陷少。为了改善a-Si：H的TFT特性尤其是Ion的水平，本文对GL层和AL层的沉积条件进行了优化，最终达到Ion提升的要求。

1、实验

　　本文采用的玻璃基板尺寸规格为1100mm×1300mm。栅极绝缘层(SiNx)和氢化非晶硅层(a-Si：H)的沉积是在AKT-15K等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中连续完成的。PECVD设备的具体参数为：本底真空优于1.33Pa，反应气体由SiH4，NH3，N2等气体组分生成，各气体的具体流量为SiH4的流量为1.69～3.38Pa·l/s，NH3的流量为6.76～10.14Pa·l/s，N2的流量为16.9～30.42Pa·l/s；氢化a-Si采用SiH4分解方式生成，其中SiH4流量为1.69～5.07Pa·l/s；H2流量为11.83～20.28Pa·l/s，SiNx沉积功率为3000～6000W，a-Si沉积功率为500～2300W，沉积温度为300～400℃，气压为133～333Pa。

　　图1为PECVD设备反应腔体截面图的示意图，在沉积的过程中，影响薄膜性质的因素主要包括下极板的温度、两极板之间的距离、功率和气体比率等相关因素。

图1 PECVD设备反应腔体的截面示意图

　　反应气体通过由许多小孔组成的扩散口(diffuser)流入反应腔体中，此系统中沉积栅极绝缘层，通过一系列的化学反应生成栅极绝缘层(SiNx)和有源层(a-Si)，所发生的主要反应如下

　　本文针对AL层的SiH4和H2流量、压力、间距以及功率设计了5因子2水平的1/4的部分因子实验，确定了AL层提升Ion的最佳的沉积条件，在AL层的最佳的沉积条件的基础上，设计GL层的NH3流量和功率的全因子实验。

3、结论

　　本文通过对AL层和GL层的沉积条件进行了优化，改善了薄膜的致密性和两层的界面态，分析了AL层的功率，间距的变更对薄膜的沉积速率和均匀性的影响，解释这些工艺条件对Ion的影响的本质；通过GL层的功率和NH3流量的全因子实验，揭示了富硅化的SiNx薄膜可以提高GL层和AL层的晶格匹配度，减少了界面态，有利于提升TFT的Ion，分析了功率对Ion的影响规律，通过对比优化前后的TFT特性曲线发现，条件的变更起到了优化TFT特性的目的。