SiO2/SiNx疊層鈍化層在非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管的應(yīng)用

林清平

摘 要：本文基于傳統(tǒng)底柵交疊型非晶銦鎵鋅氧（a-IGZO）TFT研究了等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）生長(zhǎng)SiO2、SiNx及雙層SiO2/SiNx的鈍化層工藝，并優(yōu)化了薄膜沉積的工藝參數(shù)以及膜層厚度。其中，SiO2的沉積對(duì)a-IGZO的影響較小，然而其膜質(zhì)致密性不佳，無法提供較好的環(huán)境氣氛阻隔效果。SiNx雖然鈍化效果更優(yōu)，但其沉積過程中向a-IGZO內(nèi)引入過量氫時(shí)將造成器件特性退化。雙層SiO2/SiNx鈍化層結(jié)構(gòu)則能兼顧SiO2、SiNx兩者優(yōu)點(diǎn)，顯示出較好的鈍化效果。通過SiO2/SiNx疊層鈍化之后，在2000s的PBTS后的閾值電壓漂移量?Vth=1.25V，?SS=0.52V/dec，在2000s的NBTS后，其閾值電壓漂移量?Vth=-0.74V，?SS=0.1V/dec，相比于鈍化前優(yōu)異很多，證明SiO2/SiNx雙層鈍化層能有效地隔絕環(huán)境中的水汽和氧氣的影響

關(guān)鍵詞：薄膜晶體管;銦鎵鋅氧化物;無機(jī)鈍化層;SiO2/SiNx鈍化層;電應(yīng)力穩(wěn)定性

1 引言

隨著科技的進(jìn)步以及人們對(duì)人機(jī)交互體驗(yàn)要求的不斷提高，平板顯示技術(shù)備受關(guān)注，目前市場(chǎng)上有源矩陣液晶顯示（AMLCD）和有源矩陣發(fā)光二極管顯示（AMOLED）已經(jīng)取代傳統(tǒng)的陰極攝像管顯示（CRT）而成為主流顯示技術(shù)，控制著大部分的市場(chǎng)份額。而薄膜晶體管（Thin Film Transistor， TFT）是有源顯示器的重要開關(guān)和驅(qū)動(dòng)元件，自然也成為各大企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前相較于a-Si：H TFT技術(shù)[1]，LTPS TFT[2]，有機(jī)物TFT[3]等技術(shù)，非晶金屬氧化物TFT具有較高的遷移率、關(guān)態(tài)電流低、大面積均勻性好、工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性優(yōu)異、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代平板顯示的主流技術(shù)，而非晶銦鎵鋅氧化物TFT（a-IGZO TFT）是其典型代表[4]。但是由于a-IGZO TFT的背溝道對(duì)環(huán)境中的水分子（H2O）和氧分子（O2）較敏感，容易受其吸附的影響，而使器件性能退化，因此需要在其背面沉積一層鈍化層，以隔絕環(huán)境中的水和氧氣的吸附。目前對(duì)a-IGZO TFT器件進(jìn)行鈍化的材料和方法有很多，比如氧化硅（SiO2）[5]，氮化硅（SiNx）[6]，氧化鋁（Al2O3）[7-8]等無機(jī)鈍化層，但是二氧化硅鈍化層不夠致密，鈍化效果有限，氮化硅鈍化層雖然比較致密，鈍化效果比較好，但是在沉積過程中會(huì)引入大量的H，導(dǎo)致器件性能退化，使用ALD設(shè)備生長(zhǎng)氧化鋁鈍化層則生長(zhǎng)速度很慢，難以量產(chǎn)。因此本文使用SiO2/SiNx疊層鈍化層，揚(yáng)長(zhǎng)避短，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，顯示出優(yōu)異的鈍化效果。

本文制備了底柵a-IGZO TFT器件，并制備SiO2/SiNx疊層鈍化層。對(duì)比了無鈍化層和SiO2/SiNx疊層鈍化后的器件發(fā)現(xiàn)，采用SiO2/SiNx疊層鈍化層的器件可以避免環(huán)境中的水、氧吸附效應(yīng)造成的器件特性惡化，穩(wěn)定性得到顯著提高。

2工藝流程：

制備底柵a-IGZO TFT器件的工藝流程如下：

1.沉積底柵電極并圖形化

使用磁控濺射臺(tái)，沉積柵極（Gate）鉬（Mo）電極 150nm，濺射氣體為Ar流量50sccm，濺射氣壓0.36pa，濺射功率120w，通過濕法腐蝕對(duì)其進(jìn)行圖形化以形成Mo柵電極，刻蝕液為 H2O2 與 NH3·H2O 混合溶液。

2.生長(zhǎng)柵介質(zhì)

使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）在300℃條件下沉積柵介質(zhì)SiO2 膜層200nm。

3.沉積有源層

磁控濺射設(shè)備，直流濺射鍍IGZO膜40nm（濺射條件：直流電源功率100w，氣體流量Ar：O2=47sccm：3sccm，濺射氣壓0.4pa。

4. 退火

將樣品置于退火爐中用氧氣（O2）退火，退火溫度為350℃，退火時(shí)間為90min。

5. 有源層圖形化

通過濕法刻蝕圖形化IGZO膜層，刻蝕液為稀鹽酸。

6.lift-off工藝沉積源漏電極

磁控濺射鉬電極150nm并用剝離的方法進(jìn)行圖形化作為源漏電極。

7.正膠光刻并用反應(yīng)離子刻蝕SiO2形成柵極接觸孔。

8.沉積SiO2/SiNx疊層鈍化層

使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）分別沉積100nmSiO2和25nmSiNx疊層鈍化層，沉積溫度為150℃。

9. 圖形化及干法刻蝕開孔（S/D/Gate電極）

通過反應(yīng)離子刻蝕SiO2/SiNx，刻蝕氣體為CF4：O2=30：5（sccm：sccm）。

11 測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為B1500A。

3 結(jié)果與討論：

圖2為氣體流量比硅烷（SiH4）：一氧化二氮（N2O）=5 ：400（sccm：sccm）制備的二氧化硅鈍化層對(duì)器件性能影響圖，其中器件的寬長(zhǎng)比為W/L=100/100（μm：μm），柵壓Vg從-20V掃到30V，分別測(cè)試Vds=0.1V和Vds=10.1V時(shí)的器件轉(zhuǎn)移特性。圖中黑色線為鈍化前器件的基本特性圖，紅色的線為二氧化硅鈍化后器件的基本特性圖，藍(lán)色的線為鈍化后通過250℃的氧氣（O2）退火一個(gè)小時(shí)后器件的基本特性圖。從圖中可以得出鈍化后器件關(guān)不斷，通過退火后其性能能夠部分恢復(fù)，其可能的原因與上述相似。通過250℃退火后與無鈍化時(shí)的狀態(tài)相比，其閾值電壓的漂移量?Vth= -1.7V，其亞閾值擺幅SS也相應(yīng)地退化，其SS漂移量為?SS = 0.21V/dec。

由此可以得出：氣體流量比硅烷（SiH4）：一氧化二氮（N2O）=5 ：400（sccm：sccm）制備得的二氧化硅鈍化層會(huì)使器件關(guān)不斷，通過250℃的氧氣氣氛退火一個(gè)小時(shí)后，器件性能可以部分恢復(fù)。

圖3所示為，氣體流量比為SiH4：NH3：N2= 10：30：400（sccm：sccm：sccm）的氮化硅鈍化層對(duì)a-IGZO TFT器件的轉(zhuǎn)移特性影響圖，其中選取寬長(zhǎng)比W/L=100/50（μm/μm）和W/L=100/100（μm/μm）的TFT器件為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試時(shí)柵壓Vg從-20V 到30V，漏極電壓（Vds）為10.1V，氮化硅厚度為200nm。從圖中可以看出，器件通過沉積200nm氮化硅之后，器件關(guān)不斷，失去了開關(guān)特性。原因推測(cè)可能是生長(zhǎng)氮化硅過程中，有源層受離子轟擊變得更導(dǎo)電，以及沉積過程中引入大量的H而導(dǎo)致。而通過250℃的氧氣氣氛退火1h后，其性能依舊關(guān)不斷。原因可能是氮化硅過于致密，使得氧氣通不過鈍化層，起不到修復(fù)的作用。因此可以看出，氮化硅的致密性比較大。

圖4所示為，厚度為25nm氮化硅鈍化層的NBS特性圖。由上述實(shí)驗(yàn)可知200nm厚的氮化硅使得器件關(guān)不斷，失去器件的開關(guān)特性，因此此實(shí)驗(yàn)將氮化硅厚度減薄至25nm。從圖中可以看出25nm的氮化硅在250℃的氧氣氣氛下退火后可恢復(fù)開關(guān)特性，但是其特性與未鈍化時(shí)相比，退化較多。通過3600s的負(fù)柵壓應(yīng)力測(cè)試后，其閾值電壓往負(fù)漂移量ΔVt= -12V，亞閾值擺幅漂移量ΔSS= 0.71V/dec，由此可以看出減薄氮化硅厚度，H的引入減少，通過退火，氧氣可以通過薄膜氧化修復(fù)有源層，進(jìn)而恢復(fù)開關(guān)性能。

圖5所示為無鈍化層時(shí)器件的PBTS特性圖，圖6所示為SiO2/SiNx雙層鈍化后的PBTS特性。對(duì)比圖5和圖6可知，器件在SiO2/SiNx雙層鈍化后其閾值電壓略微往負(fù)漂移，SS也增大，但是其在2000s的PBTS后的閾值電壓漂移量?Vth=1.25V，?SS=0.52V/dec，相比于鈍化前優(yōu)異很多，證明SiO2/SiNx雙層鈍化層能有效地隔絕環(huán)境中的水汽和氧氣的影響。

圖7所示為無鈍化層時(shí)器件的NBTS特性圖，圖8所示為SiO2/SiNx雙層鈍化后的NBTS特性。對(duì)比圖5和圖6可知器件在SiO2/SiNx雙層鈍化后其閾值電壓略微往負(fù)漂移，其SS也增大，但是其在2000s的NBTS后的閾值電壓漂移量?Vth=-0.74V，?SS=0.1V/dec，相比于鈍化前優(yōu)異很多，證明SiO2/SiNx雙層鈍化層能有效地隔絕環(huán)境中的水汽和氧氣的影響。

本文制備了底柵a-IGZO TFT器件，使用二氧化硅薄膜作為鈍化層并通過250℃的氧氣氣氛退火后，其性能可以部分恢復(fù)，但是其致密度不夠，不足以阻擋外部環(huán)境對(duì)器件的影響;使用氮化硅薄膜作為鈍化層，但是如果厚度太厚（比如200nm），其沉積過程中會(huì)引入大量的H，使得器件關(guān)不斷，氧氣氣氛中退火也難以恢復(fù)開關(guān)特性，但是厚度太薄阻擋不住外部壞境的影響;因此本文使用SiO2/SiNx雙層鈍化層，把SiO2作為緩沖層過度，而外層SiNx作為阻擋層，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，使其鈍化效果明顯提升，經(jīng)過2000s的PBTS后的閾值電壓漂移量?Vth=1.25V，?SS=0.52V/dec，經(jīng)過2000s的NBTS后的閾值電壓漂移量?Vth=-0.74V，?SS=0.1V/dec，相比于鈍化前優(yōu)異很多，證明SiO2/SiNx雙層鈍化層能有效地隔絕環(huán)境中的水汽和氧氣的影響。

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（北京大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳518055）