TFT有源層刻蝕均一性和電學(xué)性質(zhì)的研究

王守坤?,袁劍峰,郭總杰,郭會(huì)斌,劉 杰,鄭云友,贠向南,李升玄,邵喜斌

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司,北京100176)

TFT有源層刻蝕均一性和電學(xué)性質(zhì)的研究

王守坤?,袁劍峰,郭總杰,郭會(huì)斌,劉 杰,鄭云友,贠向南,李升玄,邵喜斌

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司,北京100176)

對(duì)TFT制作工藝中,TFT有源層刻蝕均一性與電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析研究。通過掃描電子顯微鏡,電學(xué)測(cè)試設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行分析。結(jié)果顯示溝道有源層的刻蝕功率,氣體比例及刻蝕壓強(qiáng)對(duì)有源層的刻蝕均一性都有較大影響,并會(huì)影響TFT電學(xué)特性的均一性。通過適當(dāng)降低刻蝕功率及反應(yīng)氣體SF6/Cl2的比例,同時(shí),降低反應(yīng)壓強(qiáng),可以改善有源層刻蝕的均一性。從而,TFT電學(xué)特性的均勻性得到優(yōu)化。

薄膜晶體管;加強(qiáng)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(yōu)點(diǎn),已被廣泛地應(yīng)用于各種大尺寸液晶顯示領(lǐng)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(zhàn),特別是作為TFT有源層的a-Si薄膜,如果達(dá)不到最優(yōu)化,其電學(xué)性質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響液晶顯示器的圖像顯示質(zhì)量和產(chǎn)品良率,因而引起眾多研究工作者的關(guān)注[3]。

本文主要對(duì)TFT有源層溝道的形成工藝進(jìn)行研究分析,特別是討論不同的刻蝕工藝參數(shù)對(duì)有源層刻蝕均勻性的影響,并通過TFT電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行確認(rèn),給出改善建議,提高產(chǎn)品性能。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備及反應(yīng)機(jī)理

實(shí)驗(yàn)采用東電公司(TEL)的ECCP模式離子刻蝕干刻設(shè)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(jìn)行TFT有源層的a-Si刻蝕,實(shí)驗(yàn)條件采用正交實(shí)驗(yàn),以反應(yīng)氣體SF6/Cl2的比例,壓強(qiáng)和功率比例(source/bias)為3因子,進(jìn)行3水平正交實(shí)驗(yàn),正交實(shí)驗(yàn)條件如表1,表中1 m T＝133.322 mPa。

表1 樣品正交實(shí)驗(yàn)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(xué)氣相沉積(PECVD)形成柵極絕緣層(g-SiNs)、半導(dǎo)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(jìn)行有源層導(dǎo)電溝道刻蝕的正交測(cè)試,條件如表2,刻蝕設(shè)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(jié)構(gòu)截面示意圖。

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

表2 樣品正交實(shí)驗(yàn)Tab.2 Orthogonal matrix of samples

圖2 TFT結(jié)構(gòu)截面圖Fig.2 Cross-sectional view of TFT

2.2 分析測(cè)試

SEM(scanning electron microscope):掃描式電子顯微鏡,利用此設(shè)備可對(duì)樣品進(jìn)行高倍率的表面形貌和截面形貌分析。測(cè)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(cè)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(chǎng)或磁場(chǎng)等等。

EPM(electronic parameter measurement): EPM相當(dāng)于一個(gè)大型的精確萬用表,可以測(cè)量TFT器件在暗態(tài)和光照環(huán)境下的電壓、電流、電阻、電容和閾值電壓等多種電學(xué)參數(shù),這樣就可以得出TFT-LCD面板的像素區(qū)域和周邊TEG區(qū)域的I-V曲線。從而對(duì)產(chǎn)品的電學(xué)特性進(jìn)行監(jiān)控和整體評(píng)估。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1 TFT有源層a-Si導(dǎo)電溝道測(cè)試結(jié)果

由于有源層刻蝕工藝的關(guān)鍵參數(shù)是刻蝕功率、反應(yīng)氣體及壓強(qiáng),并且樣品采用尺寸較大的玻璃基板進(jìn)行制備,所以確定上述刻蝕條件對(duì)樣品a-Si導(dǎo)電溝道的刻蝕量及刻蝕均勻性的影響,本文通過SEM測(cè)試對(duì)樣品進(jìn)行分析。為保證樣品的取樣準(zhǔn)確,對(duì)玻璃基板上的取樣位置進(jìn)行標(biāo)記切割,取樣位置包括角點(diǎn),邊緣點(diǎn)和中心點(diǎn),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(dǎo)電溝道SEM測(cè)試結(jié)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(dǎo)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(dǎo)電溝道a-Si刻蝕過量后的樣品截面圖;圖4-4,為TFT導(dǎo)電溝道a-Si未進(jìn)行刻蝕或刻蝕量不足的截面圖。

圖4 樣品TFT SEM結(jié)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(jié)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(jìn)行,而在point3位置有刻蝕量過大的情況出現(xiàn)。從圖6的溝道有源層的剩余厚度結(jié)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(shí)驗(yàn)分析結(jié)果,分析可知,隨著power(source/bias)和gas(SF6/ Cl2)的比例及氣壓的適當(dāng)降低,溝道有源層的刻蝕均勻性都會(huì)改善(均一性 ＝(最大值－最小值)/(最大值＋最小值),均一性的數(shù)值越小,均勻性越好)。

圖7 樣品刻蝕均勻性的結(jié)果Fig.7 Etching uniformity of samples

3.2 TFT電學(xué)特性測(cè)試結(jié)果

為確定溝道有源層厚度的均勻性對(duì)產(chǎn)品電學(xué)特性的影響,本文對(duì)樣品進(jìn)行了電學(xué)測(cè)試。圖8和圖9分別為樣品在光照條件下的開關(guān)電流比(photo Ion/Ioff)和光照漏電流(photo Ioff)電學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)分析圖表。

從圖8和圖9的測(cè)試結(jié)果可知,部分樣品的電學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)為零,即TFT功能失效;對(duì)比圖5和圖6的數(shù)據(jù)可知,電學(xué)測(cè)試異常點(diǎn)對(duì)應(yīng)于非晶硅刻蝕厚度量不足或過量點(diǎn),而樣品I的電學(xué)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(guān)[4]。

圖8 樣品的光照開關(guān)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(jìn)一步確定樣品的電學(xué)穩(wěn)定性,選取開關(guān)電流測(cè)試正常的樣品F,H和I,并對(duì)樣品的point3進(jìn)行柵壓偏應(yīng)力電學(xué)測(cè)試。測(cè)試條件為正柵壓＋27 V,時(shí)間為60 min。如圖10～圖12,分別為樣品的正柵壓偏應(yīng)力TFT轉(zhuǎn)移特性曲線。

圖10 樣品F的正柵壓偏應(yīng)力TFT轉(zhuǎn)移曲線Fig.10 TFT transfer curves under gate positive bias stress of F sample

測(cè)試可知,在正柵壓偏應(yīng)力下,隨著測(cè)試時(shí)間的加長(zhǎng),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?？梢?樣品I的穩(wěn)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(jié)果顯示,a-Si的刻蝕量也影響著TFT閾值電壓的穩(wěn)定性。

圖11 樣品H的正柵壓偏應(yīng)力TFT轉(zhuǎn)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(yīng)力TFT轉(zhuǎn)移曲線Fig.12 TFT transfer curves under gate positive bias stress of I sample

4 分析與討論

關(guān)于氣體刻蝕a-Si有源層導(dǎo)電溝道的工藝原理就是在高頻電場(chǎng)作用下,電子被電場(chǎng)加速并與反應(yīng)氣體分子發(fā)生撞擊,激發(fā)或電離反應(yīng)氣體,產(chǎn)生活性基團(tuán)和離子(通稱為plasma)。在plasma中的活性離子在電極電場(chǎng)的作用下,高速?zèng)_撞位于下極板上面的樣品進(jìn)行刻蝕,如圖1所示。此系統(tǒng)中刻蝕有源層a-Si所發(fā)生的主要反應(yīng):

從反應(yīng)式可知,SF6和Cl2經(jīng)過電子的碰撞產(chǎn)生氟和氯離子及活性離子團(tuán),最終經(jīng)過垂直轟擊與化學(xué)反應(yīng)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(guān)的關(guān)鍵部分,并且溝道a-Si的厚度與TFT特性密切相關(guān)[4-5]。本文測(cè)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(guān)態(tài)漏電流(photo Ioff)等TFT特性的均勻性就會(huì)有影響。所以對(duì)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(chǎn)需求的刻蝕速率的情況下不會(huì)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(duì)TFT-LCD的顯示品質(zhì)非常關(guān)鍵。

通過本文可以發(fā)現(xiàn),適當(dāng)降低source power/ bias power的比值及反應(yīng)氣體SF6/Cl2的比例,同時(shí)降低反應(yīng)氣體壓強(qiáng),對(duì)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(yīng)的調(diào)整其刻蝕功率密度比值,而source power主要作用是產(chǎn)生并維持plasma,bias power可調(diào)整刻蝕離子的運(yùn)動(dòng)速度和轟擊方向,所以適當(dāng)降低source power/bias power功率的比值,可提高等離子在刻蝕設(shè)備腔體內(nèi)的各向異性和改善刻蝕均一性;而非晶硅刻蝕的主要反應(yīng)氣體為SF6,輔助刻蝕氣體為Cl2。適當(dāng)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(nèi),否則,刻蝕速率會(huì)很難控制,電學(xué)特性也會(huì)變差;同時(shí),降低壓強(qiáng),可以降低plasma的密度,從而會(huì)減小橫向刻蝕量,使刻蝕的各向異性增強(qiáng),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(shù)的調(diào)整,a-Si有源層的刻蝕均一性得到優(yōu)化。而導(dǎo)電溝道a-Si的厚度又會(huì)影響TFT的電學(xué)特性。式(5)為關(guān)態(tài)漏電流的表達(dá)式[4]:

其中:W/L為溝道寬/長(zhǎng),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(tài)有關(guān)的參量;Eopt為光學(xué)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(guān)態(tài)漏電流會(huì)升高,這與本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。并且a-Si厚度也會(huì)影響閾值電壓[7],厚度在一定變化范圍內(nèi),開啟電壓保持穩(wěn)定,當(dāng)厚度減小到一定臨界值,a-Si與溝道鈍化絕緣層界面會(huì)形成背溝道電荷層,從而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向偏置電壓,導(dǎo)致閾值電壓偏大。從圖10～圖12可知,在正柵壓偏應(yīng)力作用下,亞閾值區(qū)、飽和區(qū)和線性區(qū)都向正向漂移。根據(jù)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(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生缺陷態(tài),從而導(dǎo)致閾值電壓漂移。所以,本文認(rèn)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(huì)增大,從而導(dǎo)致a-Si與背溝道絕緣層的界面缺陷增多,影響閾值電壓穩(wěn)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(xué)性質(zhì)的均一性和穩(wěn)定性得到提高。

5 結(jié) 論

通過本文實(shí)驗(yàn)分析可知,在TFT有源層溝道干法刻蝕的工藝過程中,適當(dāng)降低source power/bias power的比值及反應(yīng)氣體SF6/Cl2的比例,同時(shí)降低反應(yīng)氣體壓強(qiáng),對(duì)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(xué)性質(zhì)有著明顯的效果。綜上所述,通過上述參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整,可以改善產(chǎn)品的導(dǎo)電非晶硅有源層的刻蝕均一性,從而提高產(chǎn)品的電學(xué)特性的均勻性和穩(wěn)定性,提升產(chǎn)品的良率和顯示品質(zhì)。

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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(jí)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(lián)系人,E-mail:wangshoukun＠boe.com.cn