WAN Yun-hai;ZOU Zhi-xiang;LIN Liang;YANG Cheng-shao;HUANG Yin-hu;WANG Zhang-tao
【摘 要】为实现氧化物TFT(Indium Gallium Zinc Oxide Thin Film Transistor,IGZO TFT)特性的最优化,采用I-V数据和SEM(Scanning Electron Microscope)图片研究蚀阻挡层(Etch-Stop Layer,ESL)沉积条件与氧化物TFT特性的关系.通过调整沉积温度、正负极板间距、压力和功率,分析了PECVD沉积ESL SiO 2的成膜规律,并对所得到的TFT进行了特性分析.发现ESL膜层致密性过差时,后期高温工艺会造成水汽进入IGZO半导体膜层,从而引起TFT特性恶化.而采用高温、高压力等方法取得高致密性的ESL膜层由于高强度等离子体对IGZO本体的还原反应也会致使TFT特性劣化.结果表明,在保证膜层致密性前提下,等离子体对IGZO本体伤害最小的ESL沉积条件才是最优化的ESL沉积条件. 西菲律宾海
【期刊名称】《液晶与显示》
【年(卷),期】2019(034)001
人力资源开发
【总页数】7页(P7-13)
【关键词】氧化物半导体;薄膜晶体管液晶显示器;等离子体增强化学气相沉积法;刻蚀阻挡层
【作 者】WAN Yun-hai;ZOU Zhi-xiang;LIN Liang;YANG Cheng-shao;HUANG Yin-hu;WANG Zhang-tao
【作者单位】;;;;;
【正文语种】中 文
【中图分类】TN141.9
1 引 言
KAD网络
近十几年来，氧化物 TFT逐渐成为面板业界的热点研究问题。氧化物TFT不仅具有高电子迁移率、高开口率、光学稳定性好等优点，而且无须将传统非晶硅TFT产线做太多变动和投注更多的资金购买设备就能得到较高良率的高性能氧化物TFT元件。因此，氧化物TFT
结合了传统非晶硅 TFT易制作、高良率以及LTPS (Low Temperature Poly-silicon) TFT高电子迁移率、低功耗等技术优点，受到了越来越多面板生产厂商和TFT研究者的关注[1-4]。然而，氧化物 TFT 稳定性当前依旧是其产业化推进中的最大障碍。当前有氧化物 TFT-LCD量产实绩仅有三星、夏普、LG和京东方4家公司，其产品特性正在经历着市场的考验。在氧化物TFT的理论和实验验证中，人们发现影响TFT 稳定性的主要因素有栅极绝缘层缺陷态密度，前沟道界面态密度，氧化物半导体本体缺陷态分布及密度，以及背沟道界面态密度[5-8]。在我们的研究中，栅极绝缘层以及前沟道界面对TFT特性的影响非常有限，其优化方案很容易取得，而ESL 沉积条件对TFT 特性的影响非常明显，目前也没有研究确定其优化方向。本研究的目的就是通过调整背沟道刻蚀阻挡层ESL(Etch-Stop Layer) PECVD沉积条件，到影响氧化物TFT特性相关的关键因素，实现ESL 沉积条件的优化。
2 实验方法
本实验在1 397 mm(55 in)超高分辨率产品上，实验在京东方光电科技集团氧化物半导体IGZO量产G8.5 代线完成。图1 所示为本产品TFT截面示意图。本产品采用ESL结构的6掩膜工艺，相对背沟道刻蚀(Back Channel Etch，BCE)结构，增加一道ESL 掩膜。ESL为氧
化硅(SiO2)薄膜，沉积气体为一氧化二氮(N2O)和硅烷(SiH4)。与BCE结构相比，ESL结构可以阻挡漏源极图案形成过程中硫酸系刻蚀药液对于IGZO半导体背沟道的刻蚀，因此TFT特性更加稳定。然而，ESL 沉积中N2O 中解离的O2-离子和H+离子会不可避免地进入到IGZO 本体，与其发生氧化和还原反应，进而影响IGZO 半导体的载流子浓度和分布。此外，ESL本身膜层致密性也会直接关系到后续工艺中水汽等小分子对IGZO 半导体的侵蚀程度。因此, ESL沉积条件对氧化物半导体特性状态和长期信赖性有着非常显著的影响。本文将从膜层致密性和TFT特性两方面分析ESL PECVD最佳沉积条件的选择问题(在本实验中， SiH4 与 N2O 气体比率固定为90∶1)。
本实验中，ESL沉积采用了板式PECVD设备进行，在我们研究中发现沉积温度，正负电极间距, 压力和功率对于膜层致密性和TFT特性影响较大。因此，本研究主要从这4个方面来研究ESL沉积条件对于TFT 特性的影响。本实验将通过SEM分析ESL沉积条件下膜层致密性，并使用Agilent EPM机台测试W=28 μm，L=12 μm 的TFT I-V 曲线(测试点位为TFT 基板上均匀分布32点)。我们将从这两组测试结果综合评估ESL 沉积条件的优劣。
图1 TFT 器件截面示意图Fig.1 Crosspicture of TFT
3 实验结果和讨论
氟化钙3.1 温度
沉积温度是ESL成膜条件中非常重要的一环。温度升高，SiH4解离生成的SiH3 和O自由基会获得足够的能量，其迁移能力和被吸附到基体表面弛豫能力都会增强[8-9]。此外，温度提高，弱Si—H，O—H比率将会减少，SiO2膜层致密性和膜质均一性会在一定程度内得到增强。然而，温度提高，腔体内的等离子体强度提升，对于IGZO背沟道的侵蚀力度加大，这种侵蚀主要为游离H+离子与IGZO的还原反应，造成TFT I-V 曲线左移。另一方面，温度增加到一定程度后，基板表面的温度均一性变差， IGZO膜层的不均一性也被体现出来，总体的结果就是基板不同位置处等离子体与IGZO背沟道之间产生的物理及化学反应程度的差异性扩大。因此，沉积温度提高，I-V曲线均一性变好，但是增加到临界值以后，I-V曲线向左漂移，且曲线发散。
图2 不同ESL 沉积温度下膜层致密性. (a)170 ℃；(b)200 ℃；(c)230 ℃。Fig.2 Densification of ESL film with different temperature. (b)170 ℃；(b)200 ℃；(c)230 ℃.
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图2所示为沉积温度为170，200，230 ℃下，ESL SiO2 膜层 Top 面SEM 图(反应条件为：正负极板间距 850 mm，压力133 Pa, 功率12 kW)。170 ℃沉积温度下，膜层致密性较差，可以看到明显的孔状结果，且大小孔分布不均一。这种膜层结构无法阻断后续的退火工艺，成膜工艺和刻蚀工艺环境气氛对于IGZO 背沟道的影响，因此TFT稳定性较差。提高沉积温度到200 ℃后，膜层均一性和致密性明显提升，因此I-V曲线均一性变好。继续提高温度到230 ℃，膜层致密性进一步提高，但是ESL沉积造成的IGZO本身的物理性刻蚀，以及ESL与IGZO 之间的氧平衡在基板上的均一性变差。因此，I-V 曲线的均一性明显变差, 如图3所示。
图3 不同ESL 沉积温度下的I-V曲线.(a)170 ℃； (b)200 ℃； (c)230 ℃。Fig.3 I-V curve of ESL film with different temperature. (a)170 ℃；(b)200 ℃；(c)230 ℃.
表1所示为不同温度下TFT的开启电压Ion、漏电流Ioff、阈值电压Vth。如表1所示，可以看到沉积温度在200 ℃在Vth上存在一个明显拐点。ΔVth=Vthmax-Vthmin为32个I-V 曲线监控点阈值电压最大值和最小值的差，用来表征TFT 特性的均一性，数值越大表示TFT 特性越发散，越不稳定。
表1 不同沉积温度下的I-V 特性数据比较Tab.1 Comparison of I-V data of different temperature沉积温度/℃ Ioff/pA Ion/μA Vth/V ΔVth/V 1702.5822.31.91.922002.9118.62.91.872302.5826.91.62.09
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3.2 正负电极间距
正负电极间距是调整等离子体形状和密度的有效手段。正负电极间距越小，气体在腔体内的迟留时间越短，反应性气体到达衬底基板的解离时间缩短，但是等离子体密度增加，反应基团到达衬底的能量急剧增加[10]。总体的结果是: 随正负电极间距减少，膜层致密性增强，沉积速度未明显提升。但是正负电极间距降低到一定程度后，反应活性基团对氧化物半导体背沟道的侵蚀会逐渐加剧，会恶化TFT的特性稳定性以及均一性。图4和图5分别为正负电极间距为550，700，850 mm 下膜层SEM Top 面，I-V曲线(反应条件为：温度 200 ℃，压力133 Pa, 功率12 kW)。
图4 不同ESL 沉积正负电极间距下膜层致密性.(a)550 mm；(b) 700 mm； (c) 850 mm。Fig.4 Densification of ESL Film with Different Spacing. (a) 550 mm; (b) 700 mm; (c) 850 mm.
如图4所示，当正负电极间距设置为550 mm 时，膜层致密性最佳，但是正负电极间距过小，等离子体对于IGZO背沟道轰击强度会比较强，造成IGZO内部氧含量减少。因此，伴随着氧空穴明显减少，Vth出现向左漂移的情况。更严重的是IGZO成膜不均一或者ESL 沉积等离子体强度不均一, 还会引起IGZO膜层氧含量均一性变差，最终导致I-V曲线的发散。在以前的研究中，Vth 左移表明IGZO半导体掺杂浓度增加，IGZO 解离电子的能力增强，费米能级向导带附近迁移。因此，TFT在光照和温度影响下的正向偏置电压稳定性增强，而光照和温度影响下的负向偏置电压稳定性减弱。负向偏置电压稳定性减弱，产品出现沙粒Mura 风险将会增加，在我们的实验中也得到了证实。当正负电极间距逐步增加，膜层致密性也逐渐变差。
图5 不同ESL 沉积正负电极间距下的I-V 曲线。(a)550 mm；(b)700 mm；(c)850 mm.Fig.5 I-V curve of ESL film with different spacing. (a)550 mm；(b) 700 mm；(c) 850 mm.
表2 不同沉积间距下的 I-V 特性数据比较Tab.2 Comparison of I-V data of different spacing沉积Spacing/mmIoff/pA Ion/μA Vth/V ΔVth/V 5502.833.41.953.327002.4822.61.91.928502.9118.62.91.87
3.3 压力
反应压力增加，等离子体离子浓度提升，因而膜层沉积速率显著增加。在本实验中，随着压力的提高，膜层致密性也逐渐变好，如图6所示(反应条件为：温度 200 ℃，正负电极间距 700 mm, 功率12 kW)。致密性的提升一方面是由于压力提升，反应离子之间结合更加紧密；另一方面，高压力下H原子更易进入到沉积膜层内部，与膜层内部的悬挂健和缺陷结合，进一步提升了膜层致密性。图7 中的I-V可以解释这一观点，在较大的沉积压力下，H原子更易进入膜层，还原氧化物半导体造成I-V左移。当气压增加到266 Pa时，氧化物半导体直接导体化，TFT 开关失效。然而, 压力为66 Pa 时，SEM图可见此反应压力下的膜层较200 Pa的膜层疏松，孔状结构明显, I-V曲线也较差。考虑到膜层疏松对于后期工艺过程的耐受性以及产品的信赖性，过低的反应压力也是不可取的。表3所示，可知沉积压力为 66 Pa和200 Pa 的I-V数据未见太明显差异，综合考虑，我们选择200 Pa 为最优沉积压力。
图6 不同沉积压力下的ESL膜层致密性.(a)66 Pa；(b)200 Pa； (c)266 Pa。Fig.6 Densification of ESL film with different pressure.(a)66 Pa.(b)200 Pa. (c)266 Pa.
图7 不同ESL 沉积压力下的I-V曲线.(a)66 Pa；(b)200 Pa；(c)266 Pa。Fig.7 I-V curve of ESL film with different pressure.(a)66 Pa；(b)200 Pa；(c)266 Pa.
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