TFT柵極絕緣層和非晶硅膜層的ITO污染對電學(xué)特性影響的研究

王守坤，袁劍峰，郭會斌，郭總杰，李升玄，邵喜斌

（北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京100176）

TFT柵極絕緣層和非晶硅膜層的ITO污染對電學(xué)特性影響的研究

王守坤?，袁劍峰，郭會斌，郭總杰，李升玄，邵喜斌

（北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京100176）

本文對TFT在柵極絕緣層和非晶硅膜層沉積過程中，透明電極ITO成分對膜層的污染和TFT電學(xué)性質(zhì)的影響進行分析研究.通過二次離子質(zhì)譜分析和電學(xué)測試設(shè)備對樣品進行分析.ITO成分會對PECVD設(shè)備、柵極絕緣層和非晶硅膜層產(chǎn)生污染，并會影響TFT的電學(xué)特性.建議采用獨立的PECVD設(shè)備完成ITO膜層上面的柵極絕緣層和非晶硅膜層的沉積，并且對設(shè)備進行周期性清洗，可降低ITO成分的污染和提高產(chǎn)品的電學(xué)性能.

薄膜晶體管；化學(xué)氣相沉積；柵極絕緣層；有源層；非晶硅膜；氧化銦錫；電學(xué)特性

1　引 言

目前，液晶顯示（LCD）已被廣泛地應(yīng)用于各種顯示領(lǐng)域［1］.由于TFT非晶硅有源層a-Si薄膜和柵極絕緣層SiNx是TFT器件的關(guān)鍵膜層，如果達不到最優(yōu)化，則嚴重影響產(chǎn)品的電學(xué)特性產(chǎn)品良率，因而引起眾多研究工作者的關(guān)注［2-3］.

邊緣場開關(guān)薄膜晶體管［4-5］（FFS-TFT）通常采用以下工藝來完成:第一次光刻工藝，形成公共電極（1stITO），通過第二次光刻工藝形成柵極金屬線（gate），第三次工藝，形成柵極絕緣層、半導(dǎo)體有源層和源/漏極金屬層（g-SiNx，a-Si&SD layer），第四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（2ndITO）.而第三次工藝是通過化學(xué)氣相沉積形成柵極絕緣層（g-SiNx）和非晶硅有源層（a-Si layer）.在此沉積過程中，產(chǎn)品的ITO膜層已經(jīng)形成并且會進入高溫等離子體環(huán)境的PECVD沉積設(shè)備，ITO就有可能會分解而污染設(shè)備，從而導(dǎo)致沉積的膜層摻入ITO的成分.

本文主要對TFT柵極絕緣層和有源層的成分進行分析，討論ITO膜層對PECVD設(shè)備和沉積膜層的污染性及TFT的電學(xué)性能的影響，并給出建議，提高產(chǎn)品性能.

2　實 驗

2.1樣品制備

實驗設(shè)備采用射頻頻率為13.56 M Hz的 PECVD系統(tǒng)，溫度為290～360℃.設(shè)備的等離子功率為3～22 k W，反應(yīng)腔的氣壓為159～320 Pa，電極間的距離為17～25 mm.柵極絕緣層膜層（SiNx）的反應(yīng)氣體為NH3、Si H4和N2，非晶硅有源層的反應(yīng)氣體為Si H4和H2，在完成第二次光刻形成透明ITO電極和柵極金屬線的玻璃基板上沉積SiNx薄膜和非晶硅膜層.玻璃基板為2 500 mm×2 200 mm的超薄玻璃基板，沉積的同時在基板上粘貼硅片（Si-wafer），進行樣品成分測試分析，拆除硅片后，玻璃基板會繼續(xù)進行TFT的后續(xù)制作，以便測試樣品的電學(xué)性質(zhì).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

表1為樣品的測試條件.其中×表示樣品不進行此工序.設(shè)備L和M表示等離子體化學(xué)氣相沉積柵極絕緣層或者非晶硅膜層的PECVD設(shè)備.其中，設(shè)備L表示長時間未進行清洗的PECVD設(shè)備；而設(shè)備M則是測試前已進行過清洗處理的PECVD設(shè)備.

表1　樣品測試條件Tab.1　Test condition of samples

續(xù)表

2.2分析測試方式

SIMS（Secondary Ion Mass Spectroscopy）:二次離子質(zhì)譜儀.高能一次離子轟擊樣品表面，并注入被分析樣品，把動能傳遞給固體原子，通過層疊碰撞，引起中性粒子和帶正負電荷的二次離子發(fā)生濺射，然后利用質(zhì)量分析器接收，并對被轟擊樣品的表面和內(nèi)部元素分布特征進行分析，就得到二次離子質(zhì)譜，通過此分析可以得到不同深度的微量元素含量.

EPM（electronic parameter measurement）: EPM相當(dāng)于一個大型的精確萬用表，可以測量包括電壓、電流、電阻、電容和閾值電壓在內(nèi)的多種電學(xué)參數(shù)，對有代表性的TFT器件的電學(xué)特性進行整體評估.

3　實驗測試結(jié)果

3.1TFT柵極絕緣層和非晶硅有源膜層成分測試結(jié)果

為分析ITO膜層分解的成分對PECVD設(shè)備及柵極絕緣層和非晶硅有源膜層的污染性，本文通過二次質(zhì)譜儀SIMS對樣品進行元素含量成分分析.SIMS樣品是通過粘在玻璃基板的硅片（Si-wafer）在PECVD設(shè)備進行膜層沉積制作，條件如表1.圖2和圖3分別是硅片樣品A，C和B，D的膜層結(jié)構(gòu)示意圖.

圖2　SIMS分析樣品A&C的膜層示意圖Fig.2　A&C films of SIMS samples

圖3　SIMS分析樣品B&D的膜層示意圖Fig.3　B&D films of SIMS samples

通過樣品SIMS測試分析，可得到樣品A，B，C和D在不同膜層深度中In和Sn元素成分含量分析圖譜.其中，圖4是A&C的SIMS測試分析結(jié)果.從圖4的分析結(jié)果可知，在PECVD的L和M設(shè)備制作的柵極絕緣層SiNx樣品，未發(fā)現(xiàn)明顯的Sn元素的峰位出現(xiàn)，即Sn元素成分可以忽略；但是在L設(shè)備制作的樣品A則會有明顯的In元素的成分出現(xiàn)，而且In元素的峰位位置是在SiNx膜層240 nm的深度，也就是在PECVD設(shè)備沉積剛開始的時刻點.

圖4　樣品A&C的SIMS測試結(jié)果Fig.4　SIMS result of sample A&C

圖5　樣品B&D的SIMS測試結(jié)果Fig.5　SIMS result of sample B&D

圖5為樣品B&D的SIMS測試分析結(jié)果.通過圖5的SIMS測試分析可知，在PECVD的L和M設(shè)備制作的柵極絕緣層SiNx和非晶硅膜層a-Si的樣品，也未發(fā)現(xiàn)明顯的Sn元素的峰位出現(xiàn)，即Sn元素成分也都可以忽略.而在L設(shè)備制作的樣品B在600 nm，360 nm和210 nm的深度會有明顯的In元素的峰位成分出現(xiàn)，分析可知此深度恰恰對應(yīng)樣品的各膜層在設(shè)備剛開始沉積的時刻點，這與樣品A的結(jié)果一致.

可見，ITO膜層成分已經(jīng)污染PECVD設(shè)備，并會對未清洗的L設(shè)備所沉積的柵極絕緣層和非晶硅膜層摻雜In元素；而清洗過的M設(shè)備則沒有發(fā)現(xiàn)對柵極絕緣層和非晶硅膜層產(chǎn)生污染的ITO成分的出現(xiàn).

3.2TFT電學(xué)特性測試結(jié)果

為確定ITO成分摻雜進入柵極絕緣層和非晶硅有源層對產(chǎn)品電學(xué)性質(zhì)的影響，本文進行了TFT電學(xué)測試.圖6，圖7，圖8和圖9分別是樣品TFT光照開啟電流，關(guān)閉漏電流，開關(guān)電流比和遷移率的分析圖表.分析可知，樣品E和F的TFT開啟電流和遷移率明顯小于樣品G，并且樣品E的光照漏電流明顯高于樣品F和G；樣品E的開關(guān)電流比也是三個樣品里面最差的.

圖6　樣品的光照開啟電流Fig.6　Photo Ionof samples

圖7　樣品的光照漏電流Fig.7　Photo Ioffof samples

圖8　樣品的光照開關(guān)電流比Fig.8　Photo Ion/Ioffof samples

可見，在設(shè)備L進行過柵極絕緣層沉積的樣品E和F，TFT工作開啟電流Ion和遷移率都比較差.柵極絕緣層的ITO污染會導(dǎo)致TFT開啟電流和遷移率降低.而樣品E的非晶硅膜層是在ITO污染的L設(shè)備進行沉積的，樣品F和G的非晶硅膜層是在未有ITO污染的M設(shè)備沉積的，所以，樣品E的光照漏電流變大與非晶硅膜層的ITO污染有關(guān).

圖9　樣品的遷移率Fig.9　Mobility of samples

圖10　樣品的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.10　TFT transfer curves of samples

圖10為樣品的TFT轉(zhuǎn)移特性曲線.分析可知，樣品F和G的亞閾特性值比樣品E的數(shù)值明顯陡峭，即樣品F和G的亞閾值擺幅（S）基本相同，并且都比樣品E的小.式（1）為亞閾值擺幅的表達式:

從a-Si TFT轉(zhuǎn)移特性曲線的亞閾特征參數(shù)S可以估計界面態(tài)密度的大小，S越小，表示樣品的界面態(tài)密度越小［6］.所以，樣品E的膜層界面態(tài)密度應(yīng)該受到ITO成分的污染影響.

為進一步確定樣品的電學(xué)穩(wěn)定性，選擇界面態(tài)密度較小的樣品F和G進行長時間光照條件的柵壓偏應(yīng)力電學(xué)測試，測試條件為負柵壓-30 V，溫度50℃，光照強度為5 000 cd/m2，時間為12 h.圖11～圖12，分別為樣品的負柵壓偏應(yīng)力TFT轉(zhuǎn)移特性曲線.

圖11　樣品F的負柵壓偏應(yīng)力TFT轉(zhuǎn)移曲線Fig.11　TFT transfer curves under gate negative bias stress of sample F

圖12　樣品G的負柵壓偏應(yīng)力TFT轉(zhuǎn)移曲線Fig.12　TFT transfer curves under gate negative bias stress of sample G

測試可知，在負柵壓偏應(yīng)力作用下，樣品F和G隨著測試時間的加長，TFT轉(zhuǎn)移特性曲線都向負方向移動.12 h測試后，樣品F和G的閾值電壓的變化量（ΔVth）分別為-4.92 V和-2.57 V，光照漏電流的變化量（ΔIoff）分別為3 880 p A和1 126 p A.可見，樣品G的穩(wěn)定性比較好.分析可知，ITO對柵極絕緣層的污染應(yīng)該也影響著TFT閾值電壓的穩(wěn)定性.

4　討論和分析

通過本文測試發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)品的ITO膜層上，如果通過PECVD設(shè)備沉積柵極絕緣層和非晶硅有源層，則此PECVD設(shè)備會有ITO成分的污染.若此設(shè)備使用時間較長并且不進行清潔，就會導(dǎo)致已經(jīng)遭受ITO污染的設(shè)備中的In元素進入柵極絕緣層和非晶硅有源層，而且測試發(fā)現(xiàn)In元素對膜層的摻雜發(fā)生在柵極絕緣層和非晶硅有源層沉積的開始點.

分析可知，ITO的主要成分為SnO2和In2O3，其比例是1∶9.在高溫等離子環(huán)境的PECVD設(shè)備，ITO膜層的成分就會被等離子轟擊并濺射到PECVD腔室的上電極板.由于上電極板也是反應(yīng)氣體的出口位置，這樣就會導(dǎo)致上電極板粘附的ITO成分隨著反應(yīng)氣體一起沉積到下基板，摻雜在柵極絕緣層和非晶硅有源層.而ITO中In元素的含量比高于Sn元素，并且In元素的熔點低于Sn元素，這樣就會導(dǎo)致柵極絕緣層和非晶硅有源層中污染的主要成分是In元素.同時，反應(yīng)氣體是由上電極板向下通入，在氣體通入的開始時刻，反應(yīng)氣流變化較大.所以測試會發(fā)現(xiàn)柵極絕緣層和非晶硅有源層中In元素的污染峰值，對應(yīng)于各層膜沉積的開始時刻.

對樣品的電學(xué)性質(zhì)測試分析可知，In元素對柵極絕緣層的污染會導(dǎo)致TFT開啟電流和遷移率降低，TFT器件的穩(wěn)定性也會變差.而In元素對非晶硅有源層的污染會導(dǎo)致TFT光照漏電流變大.這與膜層的界面態(tài)密度密切相關(guān).In元素對柵極絕緣層和非晶硅有源層的污染，會使產(chǎn)品的柵極絕緣層和非晶硅膜層的界面性能變差，導(dǎo)致產(chǎn)品的電學(xué)性能降低.因而，對PECVD設(shè)備進行清洗，或者將柵極絕緣層和有源層分開在不同的PECVD設(shè)備進行沉積，可以降低ITO的成分污染，并且可以明顯改善TFT的電學(xué)性能.

5　結(jié) 論

通過本文可以發(fā)現(xiàn)，PECVD設(shè)備如果遭受ITO膜層的污染，分解出的In元素就會再次沉積并摻雜在柵極絕緣層和非晶硅有源層，從而導(dǎo)致TFT開啟電流和遷移率降低，TFT光照漏電流變大，TFT器件的穩(wěn)定性也會變差.通過對設(shè)備進行定時清洗，或者考慮生產(chǎn)節(jié)拍而將柵極絕緣層和有源層分開在不同的PECVD設(shè)備進行沉積，可以改善ITO膜層成分對柵極絕緣層和非晶硅有源層的污染，提高產(chǎn)品的電學(xué)特性性能和提升產(chǎn)品的顯示品質(zhì).

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Influence of ITO contamination of TFT gate insulation& a-Si layers on electrical characteristics

WANG Shou-kun?，YUAN Jian-feng，GUO Hui-bin，GUO Zong-jie，LI Sheng-xuan，SHAO Xi-bin

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

Indium-tin-oxide（ITO）films as transparent conductive are applied on TFT.This paper studied the influence of ITO contamination of gate insulation&a-Si layers and TFT on electrical characteristics.The obtained samples were characterized by secondary ion mass spectroscopy（SIMS）and electronic parameter measurement（EPM）.The result shown on the gate insulation&a-Si layers had been contaminated by ITO in the PECVD equipment，and the contamination can make TFT electrical characteristics become worse.ITO concentration in process equipments plays an important role in the TFT electrical characteristics.Therefore，we suggest the gate insulation&a-Si layers should be deposited in independent equipment and the PECVD equipment should be cleaned periodically.Thus，the ITO contamination can be reduced and TFT electrical characteristics can also be improved.

TFT；PECVD；gate insulation layers；active layers；a-Si films；ITO；electrical characteristics

TN321.5

A doi:10.3788/YJYXS20153006.0930

1007-2780（2015）06-0930-07

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

2015-03-06；

2015-04-13.

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