介電損耗在TFT性能提升中的應用

李硯秋，林鴻濤，顏京龍，崔曉鵬，陳維濤，周冉一，劉丹,方亮

（1.北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176；2.重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700；3.重慶大學，重慶 400044）

電容器由上下電極和介質層組成，介質層即是絕緣層。在電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，絕緣材料內部存在能量損耗，即介電損耗。介電損耗是評估介質材料絕緣狀況和材料質量優劣的關鍵參數。在絕緣材料實際使用過程中，嚴禁出現大的介電損耗，否則會引起絕緣材料劇烈生熱而損壞，因此，在電氣設備絕緣材料的選用中，應選擇介電損耗小的介質材料[1-2]。對于電容器來說，如果電介質的介電損耗增加，介質劇烈發熱，最終會導致電容器被擊穿。

薄膜晶體管液晶顯示器（Thin film transistor liquid crystal display，簡稱TFT-LCD）是目前的主流顯示技術，該顯示器的核心部件是TFT。TFT 通常由柵極（Gate）、柵極絕緣層（Gate Insulator，簡稱GI）、非晶硅、源漏極（Source和Drain電極，簡稱SD電極）、像素電極、鈍化層、公共電極組成，柵極采用Cu 電極，柵極絕緣層通常采用SiNx[3-5]。對柵極施加-20～+20V 的掃描電壓信號，對源漏極施加15V 電壓，TFT 源漏極之間的電流逐漸增加。為了提升TFT 的Ion，需要增加柵極絕緣層的電容。通常，通過降低柵極絕緣層的厚度來增加電容[6]，但是，柵極絕緣層厚度降低，會導致該電容的耐壓性能降低，柵極絕緣層容易被擊穿，造成Gate和SD 電極短路[7-8]。綜上所述，要提升TFT 的Ion，柵極絕緣層需要降低厚度；而要提升TFT 的耐壓能力，柵極絕緣層厚度需要增加。對于柵極絕緣層厚度面臨的矛盾，TFT 行業暫時無有效的解決方案。柵極絕緣層屬于電介質，電介質的擊穿與介電損耗相關，如果降低柵極絕緣層的介電損耗，那么絕緣層的耐壓強度可以提升。鑒于此，可以在柵極絕緣層降低厚度的前提下，優化TFT 制程工藝，降低柵極絕緣層的介電損耗，這樣既可以提升TFT 的Ion，又可以保證TFT 的耐壓能力。

本文結合8.5 代TFT 產線，制作柵極絕緣層電容器和TFT，測試電容器的介電性能和TFT 轉移曲線，明確影響介電損耗的因素；開發出一套表征柵極絕緣層電容器介電損耗的測試方法，明確介電損耗和耐壓強度的關系；同時，揭示介電損耗和TFT 性能的關系，為產線優化TFT 性能提供參考。

1 實驗

1.1 樣品制作

1.1.1 SiNx 薄膜MIM 電容器的制作

本實驗中SiNx 薄膜MIM 電容器的整體工藝流程如圖1 所示。第一步，先使用磁控濺射的方法沉積下電極薄膜MoNb/Cu，或者MoNb/Cu/ MoNiTi，并通過曝光顯影、刻蝕對薄膜進行圖案化處理[9]，如圖1（a）所示。第二步，使用PECVD 方法，在制備完成的下電極上沉積一層SiNx 介質薄膜和a-Si，使用刻蝕技術對薄膜進行圖案化處理，如圖1（b）所示。第三步，在完成SiNx 介質薄膜圖形化的基片上采用磁控濺射的方法制備Mo/Al/Mo 薄膜，并進行光刻圖形化處理[10]，得到MIM 電容器的上電極[11]，如圖1（c）所示。

圖1 MIS 膜層結構

1.1.2 薄膜晶體管TFT器件的制作

首先，在玻璃基板上依次制作Gate 層、SiNX（Gate Insulator，簡稱GI 層）層、a-Si 層、1ITO、鈍化層（PVX）和2ITO，每一層均是經過成膜→光刻→刻蝕步驟，最終圖形化，從圖2 可以看出薄膜晶體管TFT 是由源極、漏極、柵極、有源層、柵絕緣層組成[3-5]。

圖2 TFT 器件結構及制程順序示意圖

1.2 薄膜晶體管IV 曲線及MIM 電容器介電損耗測試設備及方法

本文采用Keysight 公司的B1500A 半導體分析儀和B2201A 開關矩陣組成的測試系統，對薄膜晶體管測試轉移曲線，并對MIS 電容測試介電性能。

1.2.1 薄膜晶體管轉移曲線測試方法

固定源漏電壓（VDS）15V，柵極電壓掃描范圍為-20～+20V，測試源漏電流（IDS）隨VGS變化的關系，最終獲得器件的特性轉移曲線。通過曲線獲得器件的性能參數、開態電流Ion、關態電流Ioff，進一步可計算得到器件的閾值電壓Vth 和遷移率Mob[12]。

1.2.2 介電損耗表征方法

介質在外加電場時，會產生感應電荷而削弱電場，這種被削弱的能量，一部分被介質儲存起來，被稱為介電常數；另一部分被損耗掉（轉化為熱能），被稱為介電損耗，又稱介質損耗因數，是指介質損耗角正切值[13]。本文主要研究介電損耗的相關內容。

不同的電介質，在不同狀態下，介電損耗也不盡相同。所以，在工程計算中并不選擇計算電介質的能量損耗，而是通過電介質電流的有功分量和無功分量的比值來表征，即tanδ，如圖3 所示。

圖3 電壓、電流相量圖

在圖3 中，δ 的產生主要是因為絕緣介質既產生有功損耗（電介質電阻產生的損耗），又產生無功損耗（電介質電容產生的損耗），導致施加在絕緣介質上的交流電壓與電流之間的功率因數角φ不是90°，所以，將介電損耗因數定義如下：

根據圖3（b）可知，施加在MIM 器件的總電流I可以分解為電容電流Ic 和電阻電流IR，因此,介電損耗因數（tanδ）可以用以下公式表示：

因為δ 是功率因數角φ的余角，所以可以用數字化儀器，通過測量δ 或者φ得到介電損耗因數。

1.2.3 薄膜介電損耗測試方法

Agilent B1500A 半導體分析儀采用西林電橋法來測量阻抗，如圖4 所示，通過儀器內部的等效電路模擬給出樣品的電容和損耗，再通過公式tanδ=1/ωRPC，計算得到薄膜的介電損耗，公式中Rp為介質層漏電阻，C為介質層電容，ω為角頻率。在測試過程中，連接在B1500A 半導體分析儀上的兩根探針，一根扎在下電極，另一根扎在上電極，在-25～+25V 掃描電壓和1kHz頻率下，加100mV 交流信號（AC Level），測量介電損耗隨電壓變化的曲線。Agilent B1500A 測量介電損耗，生成兩種模型：一種是串聯模型，另一種是并聯模型，本次使用的是并聯模型。

圖4 實驗設備及電路示意圖

1.2.4 介電損耗影響因素及測試優選條件驗證

介電性能是指電介質在外施電場的作用力下，其微觀極化作用反映在宏觀中所表現出的性能。因此，電介質介電性能受環境因素影響的本質，就是極化效應受外部環境的影響，主要表現在電介質的介電損耗隨頻率、濕度、溫度等環境因素的變化而不斷改變，如表1 所示。

表1 實驗條件匯總

2 實驗結果與分析

2.1 MIM 器件介電損耗與頻率的相關性

由表2 可以看出，隨著頻率的增加，A、B、C 三個樣品的相對介電損耗均升高。在介電損耗測試過程中，對樣品施加交流信號，當外電場的頻率很低時，介質中各種極化都能跟上外電場的變化，介電損耗幾乎為零。當外電場的頻率逐漸升高時，緩慢極化在某一頻率后開始跟不上外電場的變化，由于緩慢極化滯后于外電場的變化而產生電能的損耗，使介電損耗隨著頻率的增大而增大[11，14]。

表2 頻率對介電損耗的影響

2.2 MIM 器件介電損耗與濕度的相關性

由表3 可以看出，隨著濕度的增加，A、B、C 三個樣品的相對介電損耗均升高，主要原因是松馳極化損耗增加，致使介電損耗增大。

表3 濕度對介電損耗的影響

2.3 MIM 器件介電損耗與溫度的相關性

由表4 可以看出，隨著溫度的增加，介電損耗在50℃時存在拐點，主要原因是當溫度很低（0℃）時，松弛時間很長，松弛極化完全來不及建立，此時介電損耗很小；當溫度逐漸升高時（0～50℃），粒子熱運動能增大，松弛時間逐漸減小，松弛極化開始產生，因而，介電損耗隨著溫度升高而增大；當溫度超過某一數值（大于50℃）時，隨溫度上升，松弛極化減小，介電損耗減小。

表4 不同溫度下介電損耗測試結果

SiNX層漏電阻產生的損耗，主要影響MIS 器件低頻階段；SiNX上下電極產生的損耗，主要影響MIS 器件高頻階段[11，14]。本文主要研究SiNX層的損耗，所以選取低頻率1kHz 作為測試條件，實驗室標準室溫和濕度分別為 25℃、50.68%。在不考慮溫度和濕度的條件下，將介電損耗測試的條件設為：頻率為1kHz，溫度為25℃，濕度為50.68%。

3 基于介電損耗分析表征的產品特性

3.1 MIS 器件介電損耗與擊穿電壓的相關性

介電損耗與擊穿電壓實驗結果如圖5（a）所示。介電損耗越大，電介質耐壓能力下降，柵極的金屬離子很容易越過降低勢壘，擴散進入柵極絕緣層SiNX中，SiNX在電場作用下，因損耗作用膜層內部熱量積累并以熱能形式耗散，當溫度達到足夠高時，膜層失去絕緣能力，從而由絕緣狀態突變為導電狀態，致使膜層被擊穿，如圖5（b）所示。

圖5 兩組樣品不同介電常數下的擊穿電壓曲線

3.2 介電損耗與TFT 器件的相關性

介電損耗與TFT 特性的實驗結果如表5 所示。介電損耗大，Vth 大，Ion 偏小。主要原因是Cu 離子向柵極絕緣層擴散，形成導電通道，這會造成電容器的漏電流增加，介電損耗亦增加。Gate 充電到TFT 溝道產生電子的能量流過程：Gate 充電，獲得電能；但Gate 存在電阻，部分電能會以Gate 熱能形式損失，剩余部分能量極化柵極絕緣層；柵極絕緣層被極化，但該介質存在介電損耗，又有一部分能量以熱能形式損失。柵極絕緣層的介電損耗越大，消耗的能量越多，為了使得溝道產生足夠數量電子，需要增加額外的柵壓來補充能量損失，最終表現為Vth 增加，Ion 下降，如圖6、圖7 所示。

表5 介電損耗與TFT 特性關系

圖6 兩種膜層結構擊穿示意圖

圖7 兩種膜層結構轉移曲線

4 結語

本文通過引入介電損耗的概念，實現對TFT 的柵極絕緣層電容器膜質特性的表征。介電損耗受到測試頻率、溫度和濕度的影響，基于實驗室條件，本文開發了一套可以表征柵極絕緣層介電損耗的方法。柵極絕緣層的介電損耗與擊穿強度及TFT 的Ion 特性均呈負相關關系，當介電損耗由0.03%增加到0.40%，擊穿場強由334V 降低到300V，TFT 的Ion 由3.99uA 降至3.48uA。依據介電損耗的變化，可以優化TFT 工藝，既能提高TFT 的耐壓強度，又能提升TFT 的電學特性。