氧化物薄膜晶體管刻蝕阻擋層PECVD沉積條件研究

萬云海， 鄒志翔， 林 亮， 楊成紹， 黃寅虎， 王章濤

(京東方科技集團股份有限公司合肥鑫晟工廠，合肥 230012)

1 引 言

近十幾年來，氧化物 TFT逐漸成為面板業(yè)界的熱點研究問題。氧化物TFT不僅具有高電子遷移率、高開口率、光學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，而且無須將傳統(tǒng)非晶硅TFT產(chǎn)線做太多變動和投注更多的資金購買設(shè)備就能得到較高良率的高性能氧化物TFT元件。因此，氧化物TFT結(jié)合了傳統(tǒng)非晶硅 TFT易制作、高良率以及LTPS (Low Temperature Poly-silicon) TFT高電子遷移率、低功耗等技術(shù)優(yōu)點，受到了越來越多面板生產(chǎn)廠商和TFT研究者的關(guān)注[1-4]。然而，氧化物 TFT 穩(wěn)定性當(dāng)前依舊是其產(chǎn)業(yè)化推進中的最大障礙。當(dāng)前有氧化物 TFT-LCD量產(chǎn)實績僅有三星、夏普、LG和京東方4家公司，其產(chǎn)品特性正在經(jīng)歷著市場的考驗。在氧化物TFT的理論和實驗驗證中，人們發(fā)現(xiàn)影響TFT 穩(wěn)定性的主要因素有柵極絕緣層缺陷態(tài)密度，前溝道界面態(tài)密度，氧化物半導(dǎo)體本體缺陷態(tài)分布及密度，以及背溝道界面態(tài)密度[5-8]。在我們的研究中，柵極絕緣層以及前溝道界面對TFT特性的影響非常有限，其優(yōu)化方案很容易取得，而ESL 沉積條件對TFT 特性的影響非常明顯，目前也沒有研究確定其優(yōu)化方向。本研究的目的就是通過調(diào)整背溝道刻蝕阻擋層ESL(Etch-Stop Layer) PECVD沉積條件，找到影響氧化物TFT特性相關(guān)的關(guān)鍵因素，實現(xiàn)ESL 沉積條件的優(yōu)化。

2 實驗方法

本實驗在1 397 mm(55 in)超高分辨率產(chǎn)品上，實驗在京東方光電科技集團氧化物半導(dǎo)體IGZO量產(chǎn)G8.5 代線完成。圖1 所示為本產(chǎn)品TFT截面示意圖。本產(chǎn)品采用ESL結(jié)構(gòu)的6掩膜工藝，相對背溝道刻蝕(Back Channel Etch，BCE)結(jié)構(gòu)，增加一道ESL 掩膜。ESL為氧化硅(SiO2)薄膜，沉積氣體為一氧化二氮(N2O)和硅烷(SiH4)。與BCE結(jié)構(gòu)相比，ESL結(jié)構(gòu)可以阻擋漏源極圖案形成過程中硫酸系刻蝕藥液對于IGZO半導(dǎo)體背溝道的刻蝕，因此TFT特性更加穩(wěn)定。然而，ESL 沉積中N2O 中解離的O2-離子和H+離子會不可避免地進入到IGZO 本體，與其發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，進而影響IGZO 半導(dǎo)體的載流子濃度和分布。此外，ESL本身膜層致密性也會直接關(guān)系到后續(xù)工藝中水汽等小分子對IGZO 半導(dǎo)體的侵蝕程度。因此, ESL沉積條件對氧化物半導(dǎo)體特性狀態(tài)和長期信賴性有著非常顯著的影響。本文將從膜層致密性和TFT特性兩方面分析ESL PECVD最佳沉積條件的選擇問題(在本實驗中， SiH4與 N2O 氣體比率固定為90∶1)。

本實驗中，ESL沉積采用了板式PECVD設(shè)備進行，在我們研究中發(fā)現(xiàn)沉積溫度，正負(fù)電極間距, 壓力和功率對于膜層致密性和TFT特性影響較大。因此，本研究主要從這4個方面來研究ESL沉積條件對于TFT 特性的影響。本實驗將通過SEM分析ESL沉積條件下膜層致密性，并使用Agilent EPM機臺測試W=28 μm，L=12 μm 的TFTI-V曲線(測試點位為TFT 基板上均勻分布32點)。我們將從這兩組測試結(jié)果綜合評估ESL 沉積條件的優(yōu)劣。

圖1 TFT 器件截面示意圖Fig.1 Crosspicture of TFT

3 實驗結(jié)果和討論

3.1 溫度

沉積溫度是ESL成膜條件中非常重要的一環(huán)。溫度升高，SiH4解離生成的SiH3和O自由基會獲得足夠的能量，其遷移能力和被吸附到基體表面弛豫能力都會增強[8-9]。此外，溫度提高，弱Si—H，O—H比率將會減少，SiO2膜層致密性和膜質(zhì)均一性會在一定程度內(nèi)得到增強。然而，溫度提高，腔體內(nèi)的等離子體強度提升，對于IGZO背溝道的侵蝕力度加大，這種侵蝕主要為游離H+離子與IGZO的還原反應(yīng)，造成TFTI-V曲線左移。另一方面，溫度增加到一定程度后，基板表面的溫度均一性變差， IGZO膜層的不均一性也被體現(xiàn)出來，總體的結(jié)果就是基板不同位置處等離子體與IGZO背溝道之間產(chǎn)生的物理及化學(xué)反應(yīng)程度的差異性擴大。因此，沉積溫度提高，I-V曲線均一性變好，但是增加到臨界值以后，I-V曲線向左漂移，且曲線發(fā)散。

圖2 不同ESL 沉積溫度下膜層致密性. (a)170 ℃；(b)200 ℃；(c)230 ℃。Fig.2 Densification of ESL film with different temperature. (b)170 ℃；(b)200 ℃；(c)230 ℃.

圖2所示為沉積溫度為170，200，230 ℃下，ESL SiO2膜層 Top 面SEM 圖(反應(yīng)條件為：正負(fù)極板間距 850 mm，壓力133 Pa, 功率12 kW)。170 ℃沉積溫度下，膜層致密性較差，可以看到明顯的孔狀結(jié)果，且大小孔分布不均一。這種膜層結(jié)構(gòu)無法阻斷后續(xù)的退火工藝，成膜工藝和刻蝕工藝環(huán)境氣氛對于IGZO 背溝道的影響，因此TFT穩(wěn)定性較差。提高沉積溫度到200 ℃后，膜層均一性和致密性明顯提升，因此I-V曲線均一性變好。繼續(xù)提高溫度到230 ℃，膜層致密性進一步提高，但是ESL沉積造成的IGZO本身的物理性刻蝕，以及ESL與IGZO 之間的氧平衡在基板上的均一性變差。因此，I-V曲線的均一性明顯變差, 如圖3所示。

圖3 不同ESL 沉積溫度下的I-V曲線.(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所示為不同溫度下TFT的開啟電壓Ion、漏電流Ioff、閾值電壓Vth。如表1所示，可以看到沉積溫度在200 ℃在Vth上存在一個明顯拐點。ΔVth=Vthmax-Vthmin為32個I-V曲線監(jiān)控點閾值電壓最大值和最小值的差，用來表征TFT 特性的均一性，數(shù)值越大表示TFT 特性越發(fā)散，越不穩(wěn)定。

表1 不同沉積溫度下的I-V 特性數(shù)據(jù)比較Tab.1 Comparison of I-V data of different temperature

3.2 正負(fù)電極間距

正負(fù)電極間距是調(diào)整等離子體形狀和密度的有效手段。正負(fù)電極間距越小，氣體在腔體內(nèi)的遲留時間越短，反應(yīng)性氣體到達襯底基板的解離時間縮短，但是等離子體密度增加，反應(yīng)基團到達襯底的能量急劇增加[10]?？傮w的結(jié)果是: 隨正負(fù)電極間距減少，膜層致密性增強，沉積速度未明顯提升。但是正負(fù)電極間距降低到一定程度后，反應(yīng)活性基團對氧化物半導(dǎo)體背溝道的侵蝕會逐漸加劇，會惡化TFT的特性穩(wěn)定性以及均一性。圖4和圖5分別為正負(fù)電極間距為550，700，850 mm 下膜層SEM Top 面，I-V曲線(反應(yīng)條件為：溫度 200 ℃，壓力133 Pa, 功率12 kW)。

圖4 不同ESL 沉積正負(fù)電極間距下膜層致密性.(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.

如圖4所示，當(dāng)正負(fù)電極間距設(shè)置為550 mm 時，膜層致密性最佳，但是正負(fù)電極間距過小，等離子體對于IGZO背溝道轟擊強度會比較強，造成IGZO內(nèi)部氧含量減少。因此，伴隨著氧空穴明顯減少，Vth出現(xiàn)向左漂移的情況。更嚴(yán)重的是IGZO成膜不均一或者ESL 沉積等離子體強度不均一, 還會引起IGZO膜層氧含量均一性變差，最終導(dǎo)致I-V曲線的發(fā)散。在以前的研究中，Vth左移表明IGZO半導(dǎo)體摻雜濃度增加，IGZO 解離電子的能力增強，費米能級向?qū)Ц浇w移。因此，TFT在光照和溫度影響下的正向偏置電壓穩(wěn)定性增強，而光照和溫度影響下的負(fù)向偏置電壓穩(wěn)定性減弱。負(fù)向偏置電壓穩(wěn)定性減弱，產(chǎn)品出現(xiàn)沙粒Mura 風(fēng)險將會增加，在我們的實驗中也得到了證實。當(dāng)正負(fù)電極間距逐步增加，膜層致密性也逐漸變差。

圖5 不同ESL 沉積正負(fù)電極間距下的I-V 曲線。(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 不同沉積間距下的 I-V 特性數(shù)據(jù)比較Tab.2 Comparison of I-V data of different spacing

3.3 壓力

反應(yīng)壓力增加，等離子體離子濃度提升，因而膜層沉積速率顯著增加。在本實驗中，隨著壓力的提高，膜層致密性也逐漸變好，如圖6所示(反應(yīng)條件為：溫度 200 ℃，正負(fù)電極間距 700 mm, 功率12 kW)。致密性的提升一方面是由于壓力提升，反應(yīng)離子之間結(jié)合更加緊密；另一方面，高壓力下H原子更易進入到沉積膜層內(nèi)部，與膜層內(nèi)部的懸掛健和缺陷結(jié)合，進一步提升了膜層致密性。圖7 中的I-V可以解釋這一觀點，在較大的沉積壓力下，H原子更易進入膜層，還原氧化物半導(dǎo)體造成I-V左移。當(dāng)氣壓增加到266 Pa時，氧化物半導(dǎo)體直接導(dǎo)體化，TFT 開關(guān)失效。然而, 壓力為66 Pa 時，SEM圖可見此反應(yīng)壓力下的膜層較200 Pa的膜層疏松，孔狀結(jié)構(gòu)明顯,I-V曲線也較差?？紤]到膜層疏松對于后期工藝過程的耐受性以及產(chǎn)品的信賴性，過低的反應(yīng)壓力也是不可取的。表3所示，可知沉積壓力為 66 Pa和200 Pa 的I-V數(shù)據(jù)未見太明顯差異，綜合考慮，我們選擇200 Pa 為最優(yōu)沉積壓力。

圖6 不同沉積壓力下的ESL膜層致密性.(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.

圖7 不同ESL 沉積壓力下的I-V曲線.(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.

表3 不同沉積壓力下的 I-V 特性數(shù)據(jù)比較Tab.3 Comparison of I-V data of different pressure

3.4 反應(yīng)功率

反應(yīng)功率對膜層均勻性，沉積速度有著至關(guān)重要的作用。反應(yīng)功率直接決定了腔體內(nèi)等離子體形狀, 反應(yīng)性離子濃度以及其到達基底的速度。在我們的實驗中，沉積功率對TFT器件穩(wěn)定性影響明顯。

圖8 不同ESL 沉積功率下膜層SEM 圖片. (a) 6 kW；(b)12 kW；(c)18 kW。Fig.8 SEM pic of ESL film with different power.(a) 6 kW；(b)12 kW；(c)18 kW.

沉積功率/kW Ioff/pA Ion/μA Vth/V ΔVth/V 67.66.05.980.49122.215.73.680.93185.917.63.041.06

如圖8所示，當(dāng)沉積功率為6 kW時，I-V曲線存在明顯的駝峰效應(yīng)，Vth明顯較大。據(jù)表4所示I-V數(shù)據(jù)可知, 沉積功率逐步增加，Vth隨之也逐步減少。然而，功率提升到18 kW時，I-V曲線的均勻性變差，說明反應(yīng)功率增加而帶來的等離子體強度增加也會造成TFT特性的不均。我們分析為功率增加，正負(fù)電極間距維持不變的情況下，等離子體對于IGZO 背溝道以及本體的轟擊強度會逐步增強，對于H+或者OH-這種小離子很容易進入IGZO本體而還原IGZO，造成IGZO導(dǎo)電性增加，致使TFT穩(wěn)定性變差。反應(yīng)功率增加，離子反應(yīng)活性增加，亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)含量減少，膜層致密性增加。也就是說當(dāng)ESL沉積功率較小時, 等離子體強度不夠，SiH4解離出來的H+對IGZO 還原能力減弱，N2O解離得到的O與IGZO中的金屬離子結(jié)合比與Si原子結(jié)合更加容易，因而IGZO半導(dǎo)體處于一個富氧的狀態(tài)。因而,ESL沉積功率較低時，TFT 的開啟電壓會明顯較高。圖8和圖9分別為反應(yīng)功率為6，12，1 8 kW下ESL膜層的SEM圖片和I-V曲線(反應(yīng)條件為：溫度 200 ℃， 壓力200 Pa, 正負(fù)電極間距 700 mm)。

圖9 不同ESL 沉積正負(fù)電極間距下的膜層致密性。 (a) 6 kW；(b)12 kW；(c)18 kWFig.9 I-V curve of ESL film with different power. (a) 6 kW;(b)12 kW;(c)18 kW

4 結(jié) 論

本實驗在BOE LCD IGZO半導(dǎo)體G8.5 代量產(chǎn)線進行，通過分析不同背溝道刻蝕阻擋層的沉積溫度，正負(fù)電極間距，壓力和功率下膜層的致密性和I-V曲線，確立了ESL 沉積優(yōu)化的方向。我們發(fā)現(xiàn)ESL膜層致密性過差時，后期高溫工藝造成的水汽進入會使TFT 特性惡化。而采用高溫、高壓力等方法取得高致密性的ESL膜層由于高強度等離子體對于IGZO本體的還原反應(yīng)也會致使TFT 特性劣化。因此，ESL沉積條件要考慮膜層致密性的同時，要減少沉積過程中等離子體對于IGZO 半導(dǎo)體的損傷。

ESL沉積條件的優(yōu)化，不僅僅要考慮ESL 本身的致密性，以及對IGZO 本體的損傷，還需要綜合考慮前溝道GI 與 IGZO 界面態(tài)氧平衡，更需要重點關(guān)注IGZO 的沉積氧分壓以及高溫后處理工藝。這些關(guān)鍵工藝雖然不會改變ESL 沉條件對于TFT 特性的影響規(guī)律，但會直接決定其沉積條件最佳中心值范圍。因此，如果需要根據(jù)本研究確立實際生產(chǎn)條件，還需要結(jié)合自身設(shè)備和其它工藝能力來確定ESL 的最佳沉積條件。