a-Si TFT用氮化硅薄膜的制备及其性能研究

摘要

非晶氢化氮化硅(a-SiNx:H,简称氮化硅)薄膜具有优良的物理性能和光电性能,在微电子学、光电子学及太阳能电池等领域有广泛的应用,特别是近十多年来发展迅速的TFT-LCD用的薄膜晶体管。本试验采用射频等离子增强化学气相沉积法(RF-PECVD)在1.3m×1.1m的玻璃衬底制备薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD)用的氮化硅薄膜。氮化硅薄膜作为制备薄膜晶体管的重要材料主要有三方面的应用:1)作为薄膜晶体管的栅绝缘层,具有优良的绝缘性能、高的场击穿强度和低的电子缺陷密度等优点;2)作为薄膜晶体管的钝化层,具有介电常数高、阻挡碱金属离子(如Na+)能力强、质硬耐磨、疏水性好和针孔密度低等优点;3)作为栅界面层具有良好的绝缘性能,且电子缺陷密度更低,更重要的是能降低栅绝缘层和非晶硅层的之间的界面态,优化薄膜晶体管性能。由于RF-PECVD的反应机理极其复杂,通过RF-PECVD法制备的氮化硅薄膜的组成、结构及其性能与沉积参数密切相关。前人做的工作大多是经验性的,至今人们对于RF-PECVD氮化硅薄膜的研究还很不成熟,尚处于研究探索的阶段,从而在理论上有必要对RF-PECVD法氮化硅薄膜做进一步的研究。本文以研制适合于工业生产且性能优良的氮化硅薄膜为目的,研究工艺参数对氮化硅薄膜的组成、结构及性能的影响。傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)是研究氮化硅薄膜的组成和结构的重要方法之一。吸收光谱中吸收峰的强度正比于薄膜中伸缩振动键的密度,而Si-H键的吸收峰是由HSiN2Si/H2SiNSi、H2SiN2和HSiN3的吸收峰叠加而成。研究表明,通过分别计算拟合后的标准正态Gauss峰的积分强度可以得到比较准确的Si-H键含量。椭偏仪和折射仪是研究氮化硅薄膜物理和光电性能的重要分析方法。影响氮化硅薄膜性能的主要沉积参数有等离子区功率、反应腔气压、电极间距、沉积温度和反应气体流量等。本文旨在研究探索工艺参数对氮化硅薄膜的性能(如光禁带宽度、相对介电常数、折射率等)和钝化层氮化硅薄膜台阶覆盖性能的影响,以及栅界面层氮化硅薄膜厚度对薄膜晶体管导通电流性能的影响,制备性能优良的氮化硅薄膜。

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第一章 引言

1.1 课题研究背景及意义

1.2 氮化硅薄膜的性质及主要应用

1.2.1 物理性质及应用

1.2.2 化学性质及应用

1.3 氮化硅薄膜的主要制备方法

1.3.1 等离子增强型化学气相沉积(PECVD)法

1.3.2 甚高频等离子增强化学气相沉积(VHF-PECVD)

1.3.3 常压化学气相沉积(APCVD)法

1.3.4 低压化学气相沉积(LPCVD)法

1.3.5 微波电子回旋共振等离子增强形化学气相沉(MWECR-PECVD)

1.3.6 光化学气相沉积(Photo-CVD)法

1.4 本论文的主要工作内容及意义

第二章 a-Si TFT的结构、制造工艺和工作机制

2.1 a-Si TFT的结构

2.2 TFT结构的制造工序

2.3 a-Si TFT的工作机制

2.4 TFT栅绝缘层、栅界面层及钝化层应满足的条件

第三章 实验

3.1 实验材料及清洗

3.2 RF-PECVD设备及其操作

3.3 氮化硅薄膜样品的制备

3.3.1 栅绝缘层和栅界面层氮化硅薄膜实验设计(DOE)

3.3.2 钝化层氮化硅薄膜的制备

3.4 工艺参数对氮化硅薄膜性能的影响

3.5 氮化硅薄膜反应机理

3.6 薄膜的性能测试

3.6.1 傅立叶转换红外光谱法(FTIR)

3.6.2 椭偏仪

第四章 栅绝缘层/界面层氮化硅薄膜结构和性能分析

4.1 a-SiN_x:H薄膜的红外光谱分析

4.2 工艺参数对栅绝缘层氮化硅薄膜沉积速率的影响

4.3 沉积速率对氮化硅薄膜结构的影响

4.4 Si-H键含量、N-H键含量和氢含量对氮化硅薄膜性能的影响

4.5 栅界面层氮化硅薄膜

第五章 钝化层(PVX)氮化硅薄膜

5.1 台阶覆盖性

5.2 实验结果及分析

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表和录用的学术论文