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(shù)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(xué)，重慶 400044）

電容器由上下電極和介質(zhì)層組成，介質(zhì)層即是絕緣層。在電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，絕緣材料內(nèi)部存在能量損耗，即介電損耗。介電損耗是評(píng)估介質(zhì)材料絕緣狀況和材料質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。在絕緣材料實(shí)際使用過(guò)程中，嚴(yán)禁出現(xiàn)大的介電損耗，否則會(huì)引起絕緣材料劇烈生熱而損壞，因此，在電氣設(shè)備絕緣材料的選用中，應(yīng)選擇介電損耗小的介質(zhì)材料[1-2]。對(duì)于電容器來(lái)說(shuō)，如果電介質(zhì)的介電損耗增加，介質(zhì)劇烈發(fā)熱，最終會(huì)導(dǎo)致電容器被擊穿。

薄膜晶體管液晶顯示器（Thin film transistor liquid crystal display，簡(jiǎn)稱(chēng)TFT-LCD）是目前的主流顯示技術(shù)，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(jiǎn)稱(chēng)GI）、非晶硅、源漏極（Source和Drain電極，簡(jiǎn)稱(chēng)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(duì)柵極施加-20～+20V 的掃描電壓信號(hào)，對(duì)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?xùn)艠O絕緣層的電容。通常，通過(guò)降低柵極絕緣層的厚度來(lái)增加電容[6]，但是，柵極絕緣層厚度降低，會(huì)導(dǎo)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(duì)于柵極絕緣層厚度面臨的矛盾，TFT 行業(yè)暫時(shí)無(wú)有效的解決方案。柵極絕緣層屬于電介質(zhì)，電介質(zhì)的擊穿與介電損耗相關(guān)，如果降低柵極絕緣層的介電損耗，那么絕緣層的耐壓強(qiáng)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(yōu)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(jié)合8.5 代TFT 產(chǎn)線，制作柵極絕緣層電容器和TFT，測(cè)試電容器的介電性能和TFT 轉(zhuǎn)移曲線，明確影響介電損耗的因素；開(kāi)發(fā)出一套表征柵極絕緣層電容器介電損耗的測(cè)試方法，明確介電損耗和耐壓強(qiáng)度的關(guān)系；同時(shí)，揭示介電損耗和TFT 性能的關(guān)系，為產(chǎn)線優(yōu)化TFT 性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制作

1.1.1 SiNx 薄膜MIM 電容器的制作

本實(shí)驗(yàn)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M(jìn)oNb/Cu/ MoNiTi，并通過(guò)曝光顯影、刻蝕對(duì)薄膜進(jìn)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(zhì)薄膜和a-Si，使用刻蝕技術(shù)對(duì)薄膜進(jìn)行圖案化處理，如圖1（b）所示。第三步，在完成SiNx 介質(zhì)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(jìn)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(jié)構(gòu)

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(jiǎn)稱(chēng)GI 層）層、a-Si 層、1ITO、鈍化層（PVX）和2ITO，每一層均是經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)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(cè)試設(shè)備及方法

本文采用Keysight 公司的B1500A 半導(dǎo)體分析儀和B2201A 開(kāi)關(guān)矩陣組成的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)薄膜晶體管測(cè)試轉(zhuǎn)移曲線，并對(duì)MIS 電容測(cè)試介電性能。

1.2.1 薄膜晶體管轉(zhuǎn)移曲線測(cè)試方法

固定源漏電壓（VDS）15V，柵極電壓掃描范圍為-20～+20V，測(cè)試源漏電流（IDS）隨VGS變化的關(guān)系，最終獲得器件的特性轉(zhuǎn)移曲線。通過(guò)曲線獲得器件的性能參數(shù)、開(kāi)態(tài)電流Ion、關(guān)態(tài)電流Ioff，進(jìn)一步可計(jì)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(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，這種被削弱的能量，一部分被介質(zhì)儲(chǔ)存起來(lái)，被稱(chēng)為介電常數(shù)；另一部分被損耗掉（轉(zhuǎn)化為熱能），被稱(chēng)為介電損耗，又稱(chēng)介質(zhì)損耗因數(shù)，是指介質(zhì)損耗角正切值[13]。本文主要研究介電損耗的相關(guān)內(nèi)容。

不同的電介質(zhì)，在不同狀態(tài)下，介電損耗也不盡相同。所以，在工程計(jì)算中并不選擇計(jì)算電介質(zhì)的能量損耗，而是通過(guò)電介質(zhì)電流的有功分量和無(wú)功分量的比值來(lái)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(chǎn)生主要是因?yàn)榻^緣介質(zhì)既產(chǎn)生有功損耗（電介質(zhì)電阻產(chǎn)生的損耗），又產(chǎn)生無(wú)功損耗（電介質(zhì)電容產(chǎn)生的損耗），導(dǎo)致施加在絕緣介質(zhì)上的交流電壓與電流之間的功率因數(shù)角φ不是90°，所以，將介電損耗因數(shù)定義如下：

根據(jù)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(shù)（tanδ）可以用以下公式表示：

因?yàn)棣?是功率因數(shù)角φ的余角，所以可以用數(shù)字化儀器，通過(guò)測(cè)量δ 或者φ得到介電損耗因數(shù)。

1.2.3 薄膜介電損耗測(cè)試方法

Agilent B1500A 半導(dǎo)體分析儀采用西林電橋法來(lái)測(cè)量阻抗，如圖4 所示，通過(guò)儀器內(nèi)部的等效電路模擬給出樣品的電容和損耗，再通過(guò)公式tanδ=1/ωRPC，計(jì)算得到薄膜的介電損耗，公式中Rp為介質(zhì)層漏電阻，C為介質(zhì)層電容，ω為角頻率。在測(cè)試過(guò)程中，連接在B1500A 半導(dǎo)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(hào)（AC Level），測(cè)量介電損耗隨電壓變化的曲線。Agilent B1500A 測(cè)量介電損耗，生成兩種模型：一種是串聯(lián)模型，另一種是并聯(lián)模型，本次使用的是并聯(lián)模型。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及電路示意圖

1.2.4 介電損耗影響因素及測(cè)試優(yōu)選條件驗(yàn)證

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

表1 實(shí)驗(yàn)條件匯總

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 MIM 器件介電損耗與頻率的相關(guān)性

由表2 可以看出，隨著頻率的增加，A、B、C 三個(gè)樣品的相對(duì)介電損耗均升高。在介電損耗測(cè)試過(guò)程中，對(duì)樣品施加交流信號(hào)，當(dāng)外電場(chǎng)的頻率很低時(shí)，介質(zhì)中各種極化都能跟上外電場(chǎng)的變化，介電損耗幾乎為零。當(dāng)外電場(chǎng)的頻率逐漸升高時(shí)，緩慢極化在某一頻率后開(kāi)始跟不上外電場(chǎng)的變化，由于緩慢極化滯后于外電場(chǎng)的變化而產(chǎn)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(duì)介電損耗的影響

2.2 MIM 器件介電損耗與濕度的相關(guān)性

由表3 可以看出，隨著濕度的增加，A、B、C 三個(gè)樣品的相對(duì)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(duì)介電損耗的影響

2.3 MIM 器件介電損耗與溫度的相關(guān)性

由表4 可以看出，隨著溫度的增加，介電損耗在50℃時(shí)存在拐點(diǎn)，主要原因是當(dāng)溫度很低（0℃）時(shí)，松弛時(shí)間很長(zhǎng)，松弛極化完全來(lái)不及建立，此時(shí)介電損耗很小；當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)（0～50℃），粒子熱運(yùn)動(dòng)能增大，松弛時(shí)間逐漸減小，松弛極化開(kāi)始產(chǎn)生，因而，介電損耗隨著溫度升高而增大；當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值（大于50℃）時(shí)，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(cè)試結(jié)果

SiNX層漏電阻產(chǎn)生的損耗，主要影響MIS 器件低頻階段；SiNX上下電極產(chǎn)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(cè)試條件，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試的條件設(shè)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(chǎn)品特性

3.1 MIS 器件介電損耗與擊穿電壓的相關(guān)性

介電損耗與擊穿電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5（a）所示。介電損耗越大，電介質(zhì)耐壓能力下降，柵極的金屬離子很容易越過(guò)降低勢(shì)壘，擴(kuò)散進(jìn)入柵極絕緣層SiNX中，SiNX在電場(chǎng)作用下，因損耗作用膜層內(nèi)部熱量積累并以熱能形式耗散，當(dāng)溫度達(dá)到足夠高時(shí)，膜層失去絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，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(shù)下的擊穿電壓曲線

3.2 介電損耗與TFT 器件的相關(guān)性

介電損耗與TFT 特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(kuò)散，形成導(dǎo)電通道，這會(huì)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(chǎn)生電子的能量流過(guò)程：Gate 充電，獲得電能；但Gate 存在電阻，部分電能會(huì)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(zhì)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(chǎn)生足夠數(shù)量電子，需要增加額外的柵壓來(lái)補(bǔ)充能量損失，最終表現(xiàn)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(guān)系

圖6 兩種膜層結(jié)構(gòu)擊穿示意圖

圖7 兩種膜層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)引入介電損耗的概念，實(shí)現(xiàn)對(duì)TFT 的柵極絕緣層電容器膜質(zhì)特性的表征。介電損耗受到測(cè)試頻率、溫度和濕度的影響，基于實(shí)驗(yàn)室條件，本文開(kāi)發(fā)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(qiáng)度及TFT 的Ion 特性均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)介電損耗由0.03%增加到0.40%，擊穿場(chǎng)強(qiáng)由334V 降低到300V，TFT 的Ion 由3.99uA 降至3.48uA。依據(jù)介電損耗的變化，可以?xún)?yōu)化TFT 工藝，既能提高TFT 的耐壓強(qiáng)度，又能提升TFT 的電學(xué)特性。