TFT有源層刻蝕均一性和電學性質的研究

王守坤?,袁劍峰,郭總杰,郭會斌,劉 杰,鄭云友,贠向南,李升玄,邵喜斌

(北京京東方顯示技術有限公司,北京100176)

TFT有源層刻蝕均一性和電學性質的研究

王守坤?,袁劍峰,郭總杰,郭會斌,劉 杰,鄭云友,贠向南,李升玄,邵喜斌

(北京京東方顯示技術有限公司,北京100176)

對TFT制作工藝中,TFT有源層刻蝕均一性與電學性質進行分析研究。通過掃描電子顯微鏡,電學測試設備對樣品進行分析。結果顯示溝道有源層的刻蝕功率,氣體比例及刻蝕壓強對有源層的刻蝕均一性都有較大影響,并會影響TFT電學特性的均一性。通過適當降低刻蝕功率及反應氣體SF6/Cl2的比例,同時,降低反應壓強,可以改善有源層刻蝕的均一性。從而,TFT電學特性的均勻性得到優化。

薄膜晶體管;加強型陰極耦合等離子體;有源層;非晶硅膜;均一性

1 引 言

目前,液晶顯示(LCD)以其薄體積,寬視角,高清晰等優點,已被廣泛地應用于各種大尺寸液晶顯示領域[1-2]。然而,隨著基板制作尺寸的增加,TFT器件的均勻性也面臨著巨大挑戰,特別是作為TFT有源層的a-Si薄膜,如果達不到最優化,其電學性質會嚴重影響液晶顯示器的圖像顯示質量和產品良率,因而引起眾多研究工作者的關注[3]。

本文主要對TFT有源層溝道的形成工藝進行研究分析,特別是討論不同的刻蝕工藝參數對有源層刻蝕均勻性的影響,并通過TFT電學性質進行確認,給出改善建議,提高產品性能。

2 實 驗

2.1 樣品制備及反應機理

實驗采用東電公司(TEL)的ECCP模式離子刻蝕干刻設備,玻璃基板為2 500 mm×2 200 mm的超薄玻璃基板,以SF6/Cl2為刻蝕氣體,進行TFT有源層的a-Si刻蝕,實驗條件采用正交實驗,以反應氣體SF6/Cl2的比例,壓強和功率比例(source/bias)為3因子,進行3水平正交實驗,正交實驗條件如表1,表中1 m T＝133.322 mPa。

表1 樣品正交實驗因素和水平Tab.1 Orthogonal matrix test factors&levels of samples

樣品第一次光刻形成柵極層(gate),然后通過化學氣相沉積(PECVD)形成柵極絕緣層(g-SiNs)、半導體非晶硅有源層(a-Si)和摻雜接觸層(n＋a-Si);第二次光刻形成TFT有源圖案層,在這步工序進行有源層導電溝道刻蝕的正交測試,條件如表2,刻蝕設備原理示意圖如圖1;第三次光刻形成溝道絕緣層(PVX)和過孔(via hole);最后一次光刻形成像素電極。通過上述的4次光刻完成樣品的制備。圖2為FFS-TFT結構截面示意圖。

圖1 刻蝕設備截面示意圖Fig.1 Cross-sectional view of the dry etch system

表2 樣品正交實驗Tab.2 Orthogonal matrix of samples

圖2 TFT結構截面圖Fig.2 Cross-sectional view of TFT

2.2 分析測試

SEM(scanning electron microscope):掃描式電子顯微鏡,利用此設備可對樣品進行高倍率的表面形貌和截面形貌分析。測試原理為發射高速電子轟擊物質表面,被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特征X射線和連續譜X射線、背散射電子、透射電子等粒子,利用電子和物質的相互作用,可獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息,如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。

EPM(electronic parameter measurement): EPM相當于一個大型的精確萬用表,可以測量TFT器件在暗態和光照環境下的電壓、電流、電阻、電容和閾值電壓等多種電學參數,這樣就可以得出TFT-LCD面板的像素區域和周邊TEG區域的I-V曲線。從而對產品的電學特性進行監控和整體評估。

3 實驗測試結果

3.1 TFT有源層a-Si導電溝道測試結果

由于有源層刻蝕工藝的關鍵參數是刻蝕功率、反應氣體及壓強,并且樣品采用尺寸較大的玻璃基板進行制備,所以確定上述刻蝕條件對樣品a-Si導電溝道的刻蝕量及刻蝕均勻性的影響,本文通過SEM測試對樣品進行分析。為保證樣品的取樣準確,對玻璃基板上的取樣位置進行標記切割,取樣位置包括角點,邊緣點和中心點,SEM樣品在玻璃基板的選取位置如圖3。

圖3 樣品取樣位置Fig.3 Test points of samples

圖4為樣品TFT有源層導電溝道SEM測試結果。其中,圖4-1,為樣品TFT俯視圖,虛線所示為樣品截面圖的切割位置示意線;圖4-2,為正常樣品的溝道截面圖,TFT導電溝道a-Si刻蝕工藝后的膜層厚度為正常條件;圖4-3,為TFT導電溝道a-Si刻蝕過量后的樣品截面圖;圖4-4,為TFT導電溝道a-Si未進行刻蝕或刻蝕量不足的截面圖。

圖4 樣品TFT SEM結果Fig.4 TFT SEM Test Results of Samples

圖5和圖6,分別是樣品的有源層a-Si溝道刻蝕厚度和溝道剩余厚度的SEM分析結果。從圖5可知,樣品I的刻蝕均勻性比較好,其他條件的樣品刻蝕均勻性差異較大,譬如樣品B,C,D和E在point1和point4的刻蝕量為零,即在此位置溝道刻蝕未進行,而在point3位置有刻蝕量過大的情況出現。從圖6的溝道有源層的剩余厚度結果可知,樣品I的均勻性也是最佳。

圖5 樣品非晶硅刻蝕厚度Fig.5 TFT a-Si etching thickness of samples

圖6 樣品TFT溝道非晶硅剩余厚度Fig.6 TFT a-Si remain thickness of samples

圖7為溝道a-Si刻蝕的正交實驗分析結果,分析可知,隨著power(source/bias)和gas(SF6/ Cl2)的比例及氣壓的適當降低,溝道有源層的刻蝕均勻性都會改善(均一性 ＝(最大值－最小值)/(最大值＋最小值),均一性的數值越小,均勻性越好)。

圖7 樣品刻蝕均勻性的結果Fig.7 Etching uniformity of samples

3.2 TFT電學特性測試結果

為確定溝道有源層厚度的均勻性對產品電學特性的影響,本文對樣品進行了電學測試。圖8和圖9分別為樣品在光照條件下的開關電流比(photo Ion/Ioff)和光照漏電流(photo Ioff)電學測試數據分析圖表。

從圖8和圖9的測試結果可知,部分樣品的電學測試數據為零,即TFT功能失效;對比圖5和圖6的數據可知,電學測試異常點對應于非晶硅刻蝕厚度量不足或過量點,而樣品I的電學均勻性與溝道厚度均勻性都較好,可見TFT特性與TFT溝道有源層非晶硅厚度密切相關[4]。

圖8 樣品的光照開關電流比Fig.8 Photo Ion/IIoffof samples

圖9 樣品的光照漏電流Fig.9 Photo Ioffof samples

為進一步確定樣品的電學穩定性,選取開關電流測試正常的樣品F,H和I,并對樣品的point3進行柵壓偏應力電學測試。測試條件為正柵壓＋27 V,時間為60 min。如圖10～圖12,分別為樣品的正柵壓偏應力TFT轉移特性曲線。

圖10 樣品F的正柵壓偏應力TFT轉移曲線Fig.10 TFT transfer curves under gate positive bias stress of F sample

測試可知,在正柵壓偏應力下,隨著測試時間的加長,閾值電壓向正向漂移,樣品I與F的閾值電壓(Vth)的增加值為3.2 V,而樣品H的閾值電壓則變化較大為3.7 V。可見,樣品I的穩定性也較好。分析可知,樣品I與F的溝道厚度基本一致,而樣品H的溝道厚度則明顯小于I與F。結果顯示,a-Si的刻蝕量也影響著TFT閾值電壓的穩定性。

圖11 樣品H的正柵壓偏應力TFT轉移曲線Fig.11 TFT transfer curves under gate positive bias stress of H sample

圖12 樣品I的正柵壓偏應力TFT轉移曲線Fig.12 TFT transfer curves under gate positive bias stress of I sample

4 分析與討論

關于氣體刻蝕a-Si有源層導電溝道的工藝原理就是在高頻電場作用下,電子被電場加速并與反應氣體分子發生撞擊,激發或電離反應氣體,產生活性基團和離子(通稱為plasma)。在plasma中的活性離子在電極電場的作用下,高速沖撞位于下極板上面的樣品進行刻蝕,如圖1所示。此系統中刻蝕有源層a-Si所發生的主要反應:

從反應式可知,SF6和Cl2經過電子的碰撞產生氟和氯離子及活性離子團,最終經過垂直轟擊與化學反應生成SiF4和SiCl4析出,刻蝕形成TFT的有源層溝道[3]。而此溝道是TFT開關的關鍵部分,并且溝道a-Si的厚度與TFT特性密切相關[4-5]。本文測試可知,如果有源層的刻蝕量和均勻性沒有得到控制,光照下的關態漏電流(photo Ioff)等TFT特性的均勻性就會有影響。所以對于TFT有源層的刻蝕條件要求是比較苛刻,既要保證滿足量產需求的刻蝕速率的情況下不會有非晶硅的殘留,又要保證刻蝕的均勻性,故有源層的刻蝕工藝條件對TFT-LCD的顯示品質非常關鍵。

通過本文可以發現,適當降低source power/ bias power的比值及反應氣體SF6/Cl2的比例,同時降低反應氣體壓強,對改善光照漏電流(photo Ioff)的均勻性有著明顯的效果。這是由于等離子體刻蝕面積和刻蝕腔室體積條件不變,如果改變source power/bias power的比值(3/1,4/2,5/3),可相應的調整其刻蝕功率密度比值,而source power主要作用是產生并維持plasma,bias power可調整刻蝕離子的運動速度和轟擊方向,所以適當降低source power/bias power功率的比值,可提高等離子在刻蝕設備腔體內的各向異性和改善刻蝕均一性;而非晶硅刻蝕的主要反應氣體為SF6,輔助刻蝕氣體為Cl2。適當降低SF6,增加Cl2的比例便于控制刻蝕率和均勻性,但是Cl2的比例不能過高,必須控制在一定比例范圍內,否則,刻蝕速率會很難控制,電學特性也會變差;同時,降低壓強,可以降低plasma的密度,從而會減小橫向刻蝕量,使刻蝕的各向異性增強,有利于改善TFT溝道非晶硅膜層的刻蝕均一性[6]。

所以,通過上述工藝參數的調整,a-Si有源層的刻蝕均一性得到優化。而導電溝道a-Si的厚度又會影響TFT的電學特性。式(5)為關態漏電流的表達式[4]:

其中:W/L為溝道寬/長,μe,μp為電子和空穴的遷移率;VD源漏極電壓為與a-Si界面態有關的參量;Eopt為光學禁帶寬度;T為溫度;q為電子電荷;d為a-Si的厚度。

由式(5)可知,隨著溝道a-Si的厚度增加,關態漏電流會升高,這與本文的實驗結果一致。并且a-Si厚度也會影響閾值電壓[7],厚度在一定變化范圍內,開啟電壓保持穩定,當厚度減小到一定臨界值,a-Si與溝道鈍化絕緣層界面會形成背溝道電荷層,從而會產生一個反向偏置電壓,導致閾值電壓偏大。從圖10～圖12可知,在正柵壓偏應力作用下,亞閾值區、飽和區和線性區都向正向漂移。根據M.J.Powell等人提出Defect Pool模型[8],閾值電壓的漂移,是由于在偏置電壓的作用下,弱Si－Si鍵斷裂形成懸掛鍵,并與積累的空穴或電荷發生反應產生缺陷態,從而導致閾值電壓漂移。所以,本文認為,有源層溝道刻蝕過程中,如果a-Si被轟擊刻蝕量過多,a-Si膜層遭受的破壞就會增大,從而導致a-Si與背溝道絕緣層的界面缺陷增多,影響閾值電壓穩定性。因此,通過本文a-Si的刻蝕量和刻蝕均一性的工藝改善,可使TFT電學性質的均一性和穩定性得到提高。

5 結 論

通過本文實驗分析可知,在TFT有源層溝道干法刻蝕的工藝過程中,適當降低source power/bias power的比值及反應氣體SF6/Cl2的比例,同時降低反應氣體壓強,對改善溝道非晶硅刻蝕均一性和光照漏電流(photo Ioff)的均勻性等電學性質有著明顯的效果。綜上所述,通過上述參數的優化調整,可以改善產品的導電非晶硅有源層的刻蝕均一性,從而提高產品的電學特性的均勻性和穩定性,提升產品的良率和顯示品質。

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Analysis of etching uniformity of active layers and electrical characteristics of thin film transistor electrode

WANG Shou-kun?,YUAN Jian-feng,GUO Zong-jie,GUO Hui-bin,LIU Jie, ZHENG Yun-you,YUN Xiang-nan,LI Sheng-xuan,SHAO Xi-bin

(Process Development Department,BOE Display Technology Co.Ltd,Beijing 100176,China)

Active layers(a-Si)were etched by enhance cathode couple plasma(ECCP)and used as electronic channels in the thin film transistors.The uniformity of active layers and electrical characteristics were studied.The obtained samples were characterized by scanning electron microscopy(SEM)and electronic parameter measurement.The etching power,gas ratio and etching pressure played an important role in uniformity of active layers,which can cause the issue about TFT electrical characteristics.The uniformity of active layers can be improved by reduced the ratio about etching power ratio(source power/bias power)and reaction gas ratio(SF6/Cl2),meanwhile,reaction pressure was also reduced.Therefore,the uniformity of TFT electrical characteristics can also be improved.

TFT;ECCP;active layers;a-Si films;uniformity

TN321.5

:A

10.3788/YJYXS20153005.0801

1007-2780(2015)05-0801-06

王守坤(1982－),男,山東人,碩士研究生,高級研究員,主要從事TFT-LCD工藝的研究。E-mail:wangshoukun＠boe.com.cn

2015-01-28;

:2015-03-26.

?通信聯系人,E-mail:wangshoukun＠boe.com.cn