薄膜晶體管透明電極銦錫氧化物霧狀不良的分析研究

王守坤，郭總杰，袁劍峰，林承武，邵喜斌

（北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 引 言

目前，液晶顯示（LCD）以其低功耗、薄體積、高清晰等優(yōu)點(diǎn)，展示出強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢，被廣泛應(yīng)用于從手機(jī)到大尺寸電視的各種顯示領(lǐng)域［1－3］。但是TFT－LCD需要背光模塊為其提供顯示光源，這就要求液晶盒特別是TFT基板的具有高透過率，否則會對LCD的顯示亮度和對比度產(chǎn)生不良影響［4－5］。

邊緣場開關(guān)薄膜晶體管（fringe field switching thin film transistor，F(xiàn)FS－TFT）技術(shù)，就是為提高透過率、對比度和亮度而開發(fā)的一種廣視角顯示技術(shù)，其原理是利用同一平面內(nèi)像素電極產(chǎn)生的邊緣電場使液晶分子在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高液晶顯示的視角［6－7］。制成一般通過5次光刻工藝：通過第一次工藝形成柵極金屬層（gate layer）；通過第二光刻形成有源半導(dǎo)體層、源／漏金屬電極和數(shù)據(jù)線（g－SiNx，a－Si＆SD layer）；通過第三次光刻形成透明像素電極（1stITO layer）；通過第四次光刻形成溝道絕緣層（PVX layer）；通過第五次光刻形成公共透明電極ITO。公共電極的材料為透明金屬氧化物ITO，溝道絕緣層（PVX layer）為SiNx，通過PECVD（等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積）設(shè)備直接覆蓋在透明像素電極之上［8］。但是，在溝道絕緣層的沉積過程中，與氮化硅膜層接觸的透明電極ITO通常會發(fā)生霧狀不良，導(dǎo)致透過率下降，影響產(chǎn)品性能。本文就針對此種不良進(jìn)行討論分析，并給出建議。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備及反應(yīng)機(jī)理

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用射頻頻率為13.56MHz的PECVD系統(tǒng)，溫度為290℃。反應(yīng)氣體為NH3、SiH4和N2，在完成第三次光刻形成透明像素電極的玻璃基板上沉積SiNx薄膜。玻璃基板為2 500mm×2 200mm的超薄玻璃基板，等離子區(qū)功率為3kW至22kW。反應(yīng)腔的氣壓為159～320Pa，電極間的距離為17～25mm。

傳統(tǒng)的工藝條件，在溝道絕緣層（PVX layer）SiNx進(jìn)行沉積之前，通常進(jìn)行溝道的等離子體界面處理，可達(dá)到清掃溝道和TFT特性提升的目的，但是這樣就會在FFS－TFT透明電極ITO上面發(fā)生霧狀的不良。即使不進(jìn)行等離子體界面處理，直接進(jìn)行溝道絕緣層高速沉積工藝，也會產(chǎn)生霧狀不良［9］。圖1為 FFS－TFT 結(jié)構(gòu)截面示意圖。

圖1 TFT結(jié)構(gòu)截面圖Fig.1 Cross－sectional view of TFT

為了解決霧狀不良，可以在透明導(dǎo)電金屬ITO薄膜上面使用低流量SiH4沉積薄層氮化硅作為緩沖層（buffer layer），然后使用高流量的SiH4再高速沉積氮化硅薄膜，這樣不僅解決了薄霧狀不良，同時(shí)可以滿足生產(chǎn)節(jié)拍的需求［9］。本文主要從緩沖層的厚度和膜層界面的等離子體方面進(jìn)行測試分析，實(shí)驗(yàn)的條件如表1所示（緩沖層SiH4∶高速沉積層SiH4＝1∶10）。

表1 樣品測試條件Tab.1 Sample test condition

2.2 分析測試

SEM （scanning electron microscope）：掃描式電子顯微鏡，利用此設(shè)備可對樣品進(jìn)行高倍率的表面形貌和截面形貌分析。測試原理為發(fā)射高速電子轟擊物質(zhì)表面，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征X射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子等粒子，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。

Macro Scope／Micro Scope inspection system（M／M）：宏觀／微觀顯微鏡，為光學(xué)測試設(shè)備。利用Macro可肉眼宏觀檢查玻璃基板表面上的斑點(diǎn)和缺陷；Micro檢查適用于通過高倍率（放大倍數(shù)有×5，×10，×20，×50，×100）下玻璃基板每層的圖形的缺陷。

BLU Electro－optical Measure System：可利用此設(shè)備進(jìn)行透明樣品的透過率（transmittance，Tr.）測試。測試方法為模擬正常工作時(shí)背光源的透射光強(qiáng)，然后將透過的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，與初始入射光強(qiáng)進(jìn)行比較，得出樣品的透過率。

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

3.1 M／M＆SEM測試結(jié)果

圖2為SiNx薄膜沉積之前進(jìn)行H2等離子體處理的樣品A，在顯微鏡不同放大倍數(shù)（×5，×10，×20，×100）的測試結(jié)果；圖3為正常未發(fā)生霧狀不良的樣品測試結(jié)果。從圖2和圖3的測試結(jié)果對比可知，在ITO薄膜上面，沉積SiNx薄膜之前，如果使用H2等離子體處理，薄膜會變的非常粗糙，表面呈現(xiàn)出密集的小黑點(diǎn)。

圖2 樣品A M／M測試結(jié)果Fig.2 Sample A M／M test result

圖3 正常樣品MM測試結(jié)果Fig.3 No haze defect sample M／M test result

圖4為樣品A（進(jìn)行H2等離子體處理）的SEM 測試結(jié)果，其中，4－1，4－2為SEM 俯視圖，4－3，4－4為SEM截面圖，從SEM 的俯視圖可知，SiNx薄膜的表面有很多密集球狀小突起；從截面圖可以發(fā)現(xiàn)，ITO薄膜和SiNx薄膜的相接觸的界面有很多空洞和突起，并且SiNx薄膜的表面凹凸不平，粗糙度很大。

圖4 樣品A SEM 測試結(jié)果Fig.4 Sample A SEM test result

圖5 不同實(shí)驗(yàn)條件測試樣品MM測試結(jié)果Fig.5 Samples M／M test result

圖5為各個(gè)測試條件的M／M測試結(jié)果。結(jié)果顯示，樣品（A，F(xiàn)）表面很粗糙；其他樣品表面正常。分析可知，ITO薄膜的表面分別進(jìn)行6，12和18nm緩沖層的沉積，都未發(fā)現(xiàn)霧狀不良；而且在緩沖層（6nm）沉積之前，先進(jìn)行N2等離子體處理，也未發(fā)現(xiàn)霧狀不良；然而，在緩沖層（6nm）之后，進(jìn)行高功率的H2等離子體處理，會出現(xiàn)密集的小突起，SiNx薄膜的表面極其粗糙，可知，發(fā)生了霧狀不良；而緩沖層（18nm）之后進(jìn)行低功率H2等離子體處理，也不會發(fā)生霧狀不良。

圖6為SiNx薄膜過孔SEM截面測試結(jié)果，從結(jié)果可知，樣品（A，B，D，F(xiàn)）發(fā)生膜層下端刻蝕倒角；樣品（C，E）過孔刻蝕正常。即ITO膜層表面進(jìn)行H2等離子體界面處理，或者緩沖膜層沉積工藝后進(jìn)行H2或N2等離子體界面處理，即使功率很小，也會在過孔刻蝕工藝過程中，發(fā)生膜層下端刻蝕倒角（undercut）的不良現(xiàn)象；而在緩沖層（6nm）沉積之前，先進(jìn)行N2等離子體處理，未發(fā)現(xiàn)刻蝕倒角的不良。

圖6 樣品過孔SEM界面測試結(jié)果Fig.6 Sample via hole SEM test result

3.2 透過率測試分析

表2和圖7分別為樣品的透過率測試數(shù)據(jù)和分析圖表。

表2 透過率測試數(shù)據(jù)Tab.2 Sample transmittance test

表2為樣品的透過率測試數(shù)據(jù)，圖7為透過率數(shù)據(jù)分析圖。從分析可知，在SiNx薄膜沉積的前后，如果進(jìn)行高功率H2等離子體的界面的處理，會降低透過率；然而，在SiNx薄膜沉積前后進(jìn)行N2等離子體處理，不會影響透過率；并且在SiNx薄膜后進(jìn)行較低功率H2的處理，對透過率也沒有太大影響。

圖7 樣品透過率測試結(jié)果分析Fig.7 Sample transmittance test analysis

4 討論和分析

PECVD方法沉積SiNx薄膜時(shí)，反應(yīng)氣體通過由許多小孔組成的擴(kuò)散口均勻地流入設(shè)備反應(yīng)腔中，此系統(tǒng)中沉積絕緣層（SiNx）所發(fā)生的主要反應(yīng)［10］：

從反應(yīng)式可知，SiH4在等離子體條件下會裂解出大量的具有很強(qiáng)還原性的H＋［11］。如果進(jìn)行高速SiNx薄膜沉積或者在ITO薄膜的表面直接進(jìn)行H2等離子處理，大量H＋就會置換出ITO薄膜（主要成分In2O3）的In，使之析出在ITO薄膜表面和擴(kuò)散到SiNx薄膜中，ITO薄膜與SiNx薄膜的界面變得粗糙（如圖4）。當(dāng)光照射在這些析出的金屬In原子上時(shí)，就會發(fā)生散射和反射，從而降低光線的透過率，使ITO表面顯現(xiàn)出不均性霧狀不良。如果在沉積SiNx薄膜之前，使用H2等離子體處理，In原子析出會更加嚴(yán)重，表現(xiàn)為密集小黑點(diǎn)的不良現(xiàn)象，透過率會極差（如圖3）［9］。

通過本文測試，可以發(fā)現(xiàn)在高速沉積之前，進(jìn)行微薄的緩沖層沉積，可以解決霧狀不良?？紤]到生產(chǎn)節(jié)拍，緩沖層厚度應(yīng)該盡量降低，6nm的厚度可以達(dá)到防止霧狀不良的目的；如果緩沖膜層工藝后面進(jìn)行N2或者H2等離子體界面處理，即使功率很小，也會發(fā)生膜層下端刻蝕倒角，因?yàn)榫彌_膜層經(jīng)過等離子體處理后，膜層會變的更加疏松，這樣，緩沖膜層在刻蝕過程中，相對于上面的膜層刻蝕速率就會加快，從而會發(fā)生刻蝕倒角的不良；緩沖膜層工藝后面的等離子體功率加大，等離子體就會擊穿緩沖膜層，到達(dá)透明電極ITO，而會引起霧狀不良。所以要防止霧狀不良，應(yīng)該在高速沉積SiNx膜層之前，先有微薄的較致密的緩沖層沉積，并且在沉積前后，盡量避免等離子體的處理，如若要進(jìn)行溝道清掃，可以選用低功率的N2等離子處理，而非H2等離子體。

5 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)分析可知，在ITO薄膜上高速沉積SiNx薄膜之前，可以先進(jìn)行6nm的微薄厚度的致密緩沖層的沉積，即可達(dá)到防止霧狀不良，又可滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求；而SiNx薄膜之前的H2等離子體界面處理，會引起嚴(yán)重的霧狀不良，沉積后進(jìn)行等離子體（H2或者N2）處理會引起過孔的下端膜層刻蝕過快的倒角不良，所以盡量避免在沉積前后進(jìn)行等離子體處理。綜上所述，通過上述參數(shù)調(diào)整，可以改善玻璃基板的透過率和膜質(zhì)特性，提高產(chǎn)品性能。

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