分析TFT亮態(tài)漏電流影響因素的測試方法

侯清娜，張新宇，王崢，林鴻濤，馮蘭，劉冬

分析TFT亮態(tài)漏電流影響因素的測試方法

侯清娜，張新宇，王崢，林鴻濤，馮蘭，劉冬

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京100176)

對于薄膜晶體管液晶顯示器來說，TFT的特性對產(chǎn)品的品質(zhì)有很大的影響，而其亮態(tài)漏電流Ioff的影響尤為重要。為改善器件性能，需要深入分析TFT亮態(tài)漏電流的影響因素。本文在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出一種測試方法，首先使用BM PR (Black Matrix Photo Resist)對TFT溝道的不同位置進(jìn)行遮擋;再對遮擋樣品進(jìn)行TFT特性測試。進(jìn)而能模擬出實(shí)際工作中的TFT亮態(tài)漏電流，可以更加簡便有效地優(yōu)化TFT下方的柵極金屬線寬，同時(shí)降低亮態(tài)漏電流。最后制作了54．6 cm(21．5 in)改善樣品，通過新測試方法分析，將柵極金屬線加寬約1．5 μm，改善后樣品的亮態(tài)漏電流從14．08 pA降至約9．50 pA。所以，使用新的測試方法無需將樣品制作到模組后再進(jìn)行品質(zhì)評價(jià)，簡單有效并降低了產(chǎn)品制造成本。

薄膜晶體管液晶顯示;TFT測試方法;亮態(tài)漏電流

1 引言

薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor LCD，TFT-LCD)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電視、電腦、手機(jī)、游戲機(jī)、導(dǎo)航等各類顯示設(shè)備中［1］，其體積小、重量輕，并且具有高分辨率、高對比度、高解析度等特點(diǎn)。TFT的半導(dǎo)體層可以使用非晶硅、微晶硅或者多晶硅，目前絕大部分產(chǎn)品是采用氫化非晶硅(amorphous silicon，a-Si∶H)制成的［2-3］。非晶硅TFT具有技術(shù)成熟，良率較高，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是非晶硅的載流子遷移率較低，其TFT特性尤其是開路狀態(tài)下的電流較低，對于高分辨率的高端產(chǎn)品，提升非晶硅的TFT的特性是一個(gè)需要解決的現(xiàn)實(shí)問題。為滿足充電要求，需要進(jìn)一步提升非晶硅TFT的特性［4-7］。作為TFT有源層的氫化非晶硅薄膜是一種對光很敏感的材料，在光照條件下可以使a-Si∶H TFT的關(guān)態(tài)電流(即漏電流，Ioff)上升2～3個(gè)數(shù)量級，嚴(yán)重影響TFT特性［8-10］。

為了研究TFT的特性，我們對TFT分別在暗態(tài)(Dark)和亮態(tài)(Photo)情況下進(jìn)行了閾值電壓(Vth)、開態(tài)電流(Ion)、關(guān)態(tài)電流(Ioff)和電子遷移率(mobility)等參數(shù)的測試。其中亮態(tài)漏電流對產(chǎn)品影響較大，而TFT工作時(shí)背光源呈亮態(tài)狀態(tài)，所以亮態(tài)過程中的漏電流控制就變得尤為重要，我們希望TFT在亮態(tài)時(shí)的漏電流越小越好。

本文提出一種新的測試方法，通過使用BM PR(Black Matrix Photo Resist)對TFT上方不同位置進(jìn)行遮擋，能模擬實(shí)際工作中的TFT亮態(tài)漏電流，以此來分析判斷背光源對漏電流的影響程度，從而更有針對性對亮態(tài)漏電流進(jìn)行改善，提高產(chǎn)品的顯示質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)方法

通常在進(jìn)行TFT轉(zhuǎn)移特性曲線測試時(shí)，僅是對陣列基板測試，即陣列基板上方?jīng)]有任何遮擋。這樣TFT溝道就完全暴露在外部環(huán)境中。如果在測試時(shí)將設(shè)備內(nèi)的上側(cè)光源打開，光直接照射到TFT溝道，亮態(tài)漏電流會從14．08 pA急劇上升至244．08 pA，如表1所示。

雖然在TFT轉(zhuǎn)移特性曲線測試過程中設(shè)備內(nèi)上側(cè)光源一直處于關(guān)閉狀態(tài)，但為了模擬TFT工作狀態(tài)下的特性，需要開啟設(shè)備背光源來獲得亮態(tài)下的TFT相關(guān)特性。

如圖1(a)所示，TFT下方的柵極金屬線對背光源的光有遮擋作用，但是①②兩個(gè)位置的寬度仍會對TFT的亮態(tài)漏電流有影響。亮態(tài)過程中測試背光源需要開啟，如果此時(shí)背光源發(fā)出的光在設(shè)備內(nèi)發(fā)生反射、衍射或折射，如圖1(b)所示，這些光照射到溝道中，使用通常的測試方法是無法區(qū)分其影響程度的，導(dǎo)致測試結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性?；谝陨显?，我們設(shè)計(jì)了此次實(shí)驗(yàn)。將TFT溝道上方的不同位置進(jìn)行遮擋，進(jìn)而更加準(zhǔn)確測試分析背光源對亮態(tài)漏電流的影響。

表1 TFT受光照前后對比Tab．1Contrast before and after light

具體遮擋方式如表2所示。驗(yàn)證1，遮擋住源極和漏極(Source/Drain)上端部分，即圖1(a)中所標(biāo)記的位置①;驗(yàn)證5，相應(yīng)露出源/漏極金屬上端部分;通過這兩種驗(yàn)證方式，主要觀察位置①受到光照后亮態(tài)漏電流的變化情況，進(jìn)而分析受哪種光影響。驗(yàn)證2，將TFT溝道遮擋住一半，即遮擋至漏極金屬線位置，觀察溝道底部是否存在衍射光等的影響。驗(yàn)證3、驗(yàn)證4、驗(yàn)證6，主要觀察位置圖1(a)中所標(biāo)記的位置②是否會受到折射光的影響。根據(jù)以上幾組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我們制作了相應(yīng)的樣品，并對這些樣品進(jìn)行TFT轉(zhuǎn)移特性曲線測試，最后分析不同位置的亮態(tài)漏電流情況。

圖1 TFT結(jié)構(gòu)圖Fig．1Structure of TFT

由于TFT有源層對光的敏感性，遮擋材料的選擇也尤為重要。如果使用金屬材料遮擋，制作過程中需要使用紫外光對金屬進(jìn)行固化，因此在形成遮擋層的同時(shí)紫外光也會照射到有源層導(dǎo)致TFT特性發(fā)生變化。通過對不同材料的實(shí)驗(yàn)對比，我們最終選用了彩膜(Color Fliter，CF)基板上所使用的BM PR材料，將BM PR覆蓋在TFT上方需要遮擋的位置，不需要進(jìn)行紫外線固化等工序，可以等樣品自然晾干，這樣就能使TFT不受外界光照的干擾，保證測試的準(zhǔn)確性。最后制作的遮擋樣品如表3所示，由于BM PR具有流動性，因此除了驗(yàn)證2與預(yù)期樣品存在一些差異外，其他樣品基本可以得到表1所需要的各種驗(yàn)證方式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在對以上6組實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行轉(zhuǎn)移曲線測試，數(shù)據(jù)如表4所示。正常的TFT亮態(tài)漏電流約14．08 pA，驗(yàn)證1將TFT溝道的源/漏極前端遮擋住，其亮態(tài)漏電流降至7．54 pA;驗(yàn)證5露出TFT溝道源/漏極前端部分，此時(shí)亮態(tài)漏電流為12．27 pA;通過這兩組數(shù)據(jù)可以看出，TFT溝道源/漏極前端部分受到光照后對亮態(tài)漏電流的影響很大。驗(yàn)證2、3、4幾乎是全部遮住了TFT溝道，故亮態(tài)漏電流數(shù)值都比正常情況下小很多，但是比暗態(tài)下的漏電流仍偏大，說明背光源的光線會通過反射等途徑影響到有源層，產(chǎn)生一定的漏電流。驗(yàn)證6將柵極金屬和源/漏極金屬的側(cè)邊遮擋住，亮態(tài)漏電流也存在一定的下降。說明當(dāng)此部分沒有遮擋的時(shí)候，背光源會在兩層金屬層之間產(chǎn)生折射，并影響到亮態(tài)漏電流。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab．4Data of the shadowed-TFT

進(jìn)一步的，我們在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將測試樣品下側(cè)的入射光也進(jìn)行了遮擋，分析背光源對TFT亮態(tài)漏電流的影響。測試結(jié)果如表5所示，

表5 遮擋背光源測試數(shù)據(jù)Tab．5Data based on shadowed-backlight

圖2 柵極金屬線加寬驗(yàn)證Fig．2Experiment of optimizing the Gate line width

通過數(shù)據(jù)可以知道，背光源被遮擋后的亮態(tài)漏電流均有一定程度的下降。前面實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證4和驗(yàn)證5這兩種方式下的TFT溝道已經(jīng)被完全遮擋住，但是亮態(tài)漏電流還是較高;但是此次下側(cè)入射光也被遮擋住以后，亮態(tài)漏電流降低了約50%。由此可以進(jìn)一步說明柵極金屬和源/漏極金屬之間是存在折射光并影響著漏電流的。

通過以上實(shí)驗(yàn)，可知，如果要降低亮態(tài)漏電流，就要盡量減少照射到有源層的各類光線。根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，我們選取了21．5 in的液晶面板，將TFT下方的柵極金屬線加寬約1.5 μm，如圖2所示。加寬后的柵極金屬線能更加有效的遮擋從下方透過的光線，降低其對有源層的影響。最后對柵極金屬線加寬后的樣品進(jìn)行TFT轉(zhuǎn)移特性曲線測試，數(shù)據(jù)如表6所示，亮態(tài)漏電流下降了約5 pA。所以，通過我們提出的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測試，能更加準(zhǔn)確的優(yōu)化柵極金屬線寬，在不影響產(chǎn)品其他特性的前提下有效降低亮態(tài)漏電流。

表621 ．5吋樣品TFT參數(shù)Tab．6Data of 21．5 in

5 結(jié)論

本文通過提出的測試方法，我們能更有效地模擬出真實(shí)環(huán)境下的TFT亮態(tài)漏電流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試的數(shù)值也說明亮態(tài)漏電流會受到背光源光線的折射、衍射等影響，所以柵極金屬線與有源層之間的距離設(shè)計(jì)非常重要。同時(shí)借助這種測試方法，能簡單地優(yōu)化柵極金屬線設(shè)計(jì)，將21．5 in樣品柵極金屬線加寬約1．5 μm，亮態(tài)漏電流從14．08 pA降至9．05 pA。無需將產(chǎn)品做到模組階段后再去評價(jià)畫質(zhì)驗(yàn)證，就能得到所希望的亮態(tài)漏電流。所以，我們提出的這種測試方法不僅能通過測試發(fā)現(xiàn)異常問題，也能更有針對性的改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)節(jié)約了產(chǎn)品的制造成本。

［1］Tang Y J，Cui H Q，Liu J，et al．Premeditate display quality of FFS-LCD using negative LC by DC stress［C］．IDW’14，2014:70-72．

［2］Kanicki，Jerzy．Amorphous and Microcystalline Semiconductor Devices［M］．Materials and Device Physics．Artech House，Inc．，1992．

［3］戴亞翔，田民波．TFT LCD面板的驅(qū)動與設(shè)計(jì)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2008．

Dai Y X．Design and Operation of TFT LCD Panels［M］．Beijing:Tsinghua University Press，2008．(in Chinese)

［4］謝振宇，龍春平，鄧朝勇，等．高速沉積氮化硅薄膜對其化學(xué)鍵及其性能的影響［J］．液晶與顯示，2007，22(1): 26-31．

Xie Z Y，Long C P，Deng C Y，et al．Effect of high deposition rate on chemical bonds and properties of SiN film［J］．Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2007，22(1):26-31．(in Chinese)

［5］王守坤，孫亮，郝昭慧，等．基板支撐梢對TFT柵界面Nx和a-Si成膜特性的影響［J］．液晶與顯示，2012，27(5): 613-617．

Wang S K，Sun L，Hao Z H，et al．Pin effect on SiNx and a-Si layer of thin film transistor［J］．Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27(5):613-617．(in Chinese)

［6］樸勇，梁宏軍，高鵬，等．沉積參數(shù)對碳氮化硅薄膜化學(xué)結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的影響［J］．應(yīng)用光學(xué)，2006，27(4):274-281．Piao Y，Liang H J，Gao P，et al．The influence of deposition structure and optical properties parameters on chemical of silicon carbonitride film［J］．Journal of Applied Optics，2006，27(4):274-281．(in Chinese)

［7］張金中，張文余，謝振宇，等．柵極絕緣層工藝優(yōu)化對氫化非晶硅TFT特性的改善［J］．真空科學(xué)與技術(shù)，2012，32 (11):991-995．

Zhang J Z，Zhang W Y，Xie Z Y，et al．Growth and optimization of hydrogenated amorphous Si films for thin film transistor fabrication［J］．Journal of Vacuum Science and Technology，2012，32(11):991-995．(in Chinese)

［8］王長安，周雪梅，張少強(qiáng)，等．一種能有效抑制背光照影響的非晶硅薄膜晶體管［J］．半導(dǎo)體光電，2000，21(2): 100-103．

Wang C A，Zhou X M，Zhang S Q，et al．Amorphous Silicon thin film transistor structure for effectively suppressing backlight illumination effect［J］．Semiconductor Optoelectronics，2000，21(2):100-103．(in Chinese)

［9］Wronski C R．Intrinsic and light induced gap states in a-Si:H materials and solar cells［J］．Effects of Microstructure，Thin Solid Films，2004，451-452:470-475．

［10］Kaushik R，Kiat Seng Y．Low Voltage，Low Power VLSI Subsystems［M］．McGraw-Hill Professional，2004．

Method for analyzing influence factors in photo off-leakage current for TFT

HOU Qing-na，ZHANG Xin-yu，WANG Zheng，LIN Hong-tao，F(xiàn)ENG Lan，LIU Dong
(Beijing BOE Display Technology Co．Ltd．，Beijing 100176，China)

The electrical properties of TFT-LCD are so significant especially for the leakage current at photo state(Photo Ioff)．In this paper we investigated the factors which could affect the Photo Ioffin order to improve the TFT-LCD performance．A measurement method has been proposed based on experiment results．The black matrix(BM)photo resist(PR)has been used to shield different parts of TFT channel，then the difference of electrical properties could be confirmed through TFT I-V curve．According to the experiment results，it is quite easy and effective to decrease the photo Ioffvalue by optimizing the gate line width．Finally we used this method on 54．6 cm(21．5 in)TFT LCD samples．Optimized results showed that the gate line should be widened 1．5 μm based on the original design．The actual result was proved though TFT characteristic measurement results，the photo Ioffdecreased to 9．50 pA from 14．08 pA．It turns out that the proposed method is quite effective in the practical production process．

thin-film transistor liquid crystal display;test method for thin-film-transistor;photo offleakage current

TN141

A

10．3788/YJYXS20153004．0628

侯清娜(1985－)，女，遼寧桓仁人，學(xué)士，高級研究員，主要從事LCD相關(guān)研發(fā)工作。E-mail:houqingna@boe．com．cn

1007-2780(2015)04-0628-06

2014-12-15;

2015-01-27．基金項(xiàng)目:京東發(fā)研發(fā)基金項(xiàng)目

*通信聯(lián)系人，E-mail:houqingna@boe．com．cn