a-Si剩余膜厚對TFT特性的影響

田茂坤，黃中浩，諶 偉，王 愷，王思江，王 瑞，董曉楠，趙永亮，閔泰燁，袁劍峰，孫耒來

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶400700)

1 引 言

當(dāng)前主流顯示技術(shù)主要為TFT-LCD，AMPLED，QLED顯示技術(shù)，以及Micro-LED等多種新興技術(shù)。這些新興技術(shù)以超快響應(yīng)、高亮度、高效率等優(yōu)勢吸引著人們的目光，但是這些新興技術(shù)均存在各種技術(shù)難題等待解決。由此可見當(dāng)前TFT-LCD在顯示技術(shù)行業(yè)中，因工藝成熟，材料體系完整，產(chǎn)品性能穩(wěn)定等特點(diǎn)占有絕對優(yōu)勢地位。TFT作為陣列的開關(guān)器件，其良好的性能對LCD的顯示質(zhì)量存在重要的作用，其中TFT特性作為衡量TFT器件的重要參數(shù)。Ibaraki，宋躍等人認(rèn)為a-SiNx∶H/a-Si∶H異質(zhì)結(jié)a-Si∶H TFT的特征參數(shù)的界面效應(yīng)與有緣層的厚度相關(guān)[1-2]，因此通過研究TFT溝道位置a-Si 剩余厚度與TFT特性的關(guān)系來改善LCD的性能[3]。本文將通過電學(xué)特性測試設(shè)備在黑暗(Dark)和光照(Photo)兩種測試環(huán)境下對不同a-Si 剩余厚度的TFT器件電學(xué)性能的測試，得到開啟電壓Vth、工作電流Ion、漏電流Ioff、遷移率μ與a-Si 剩余厚度之間的關(guān)系，這樣可為工藝條件的改進(jìn)提供依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)利用重慶BOE G8.5代線生產(chǎn)平臺，使用2 200 mm×2 500 mm Corning 玻璃作為實(shí)驗(yàn)基板，玻璃厚度為0.5 mm；按照6 Mask工藝流程沉積各膜層結(jié)構(gòu)，使用ECCP模式離子刻蝕機(jī)，腔室設(shè)定固定的壓力、功率(Source/Bias)、SF6&Cl2氣體流量刻蝕溝道a-Si，在其他條件不變的情況下，通過改變刻蝕時間控制a-Si剩余厚度。

測試用玻璃ID：TEST1：(刻蝕時間52 s)；TEST2：(刻蝕時間48 s)；TEST3：(刻蝕時間44 s)；TEST4：(刻蝕時間40 s)；TEST5：(刻蝕時間37 s)；TEST6：(刻蝕時間34 s)；TEST7：(刻蝕時間31 s)；TEST8：(刻蝕時間28 s)；TEST9：(刻蝕時間24 s)；TEST10：(刻蝕時間20 s)；TEST11：(刻蝕時間16 s)；TEST12：(刻蝕時間12 s)。

為了減少成膜和刻蝕的設(shè)備差異性對特性的影響，本實(shí)驗(yàn)使用同一等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)腔室進(jìn)行成膜，再使用同一ECCP設(shè)備腔室進(jìn)行刻蝕，然后用光學(xué)薄膜測厚儀(K-Mac)測試a-Si剩余量，最后使用EPM(electronic parameter measurement)測試設(shè)備測出對應(yīng)TFT的特性：開啟電壓Vth、工作電流Ion、漏電流Ioff、遷移率μ以及Id-Vg曲線。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 黑暗(Dark)模式下特性測試結(jié)果

利用光學(xué)薄膜測厚儀(K-Mac)測試不同刻蝕時間下a-Si剩余量，結(jié)果如表1所示。

表1 刻蝕時間對應(yīng)的a-Si 剩余量Tab.1 a-Si remain corresponding to etching time

從表1可以看出經(jīng)過干法刻蝕機(jī)臺刻蝕以后，a-Si 剩余量在玻璃的不同位置存在差異性，因而會造成TFT特性不同位置存在差異，為了消除此影響，表征TFT特性的數(shù)值均采用均值。

表2 不同a-Si 剩余膜厚對應(yīng)的電學(xué)特性數(shù)據(jù)Tab.2 Corresponding electrical characteristic date of different a-Si remain

圖1所示為非晶硅TFT源漏電流(Ids)與柵極電壓(Vg)的關(guān)系曲線。測試環(huán)境：常溫黑暗環(huán)境；測試條件：源極和漏極電壓Vds=15 V，柵極電壓Vg=-30～30 V之間，Vg以最小值0.2 V遞增變化，因此測出源漏電流和柵極電壓對應(yīng)的Id/Vg曲線。

在柵極電壓為+15 V時是開態(tài)，柵極電壓為-8 V時是關(guān)態(tài)。Vg從-30 V到30 V變化過程中，對應(yīng)的Ids先降低，在達(dá)到最低值后曲線明顯上升，然后趨于緩和。從圖中可以看出，隨著a-Si 剩余厚度的增加Ids呈變大趨勢。

圖1 不同刻蝕時間對應(yīng)的I-V曲線Fig.1 I-V curve corresponding to different etching time

在TFT開關(guān)器件中，為了提高和改善半導(dǎo)體層與源極、漏極的歐姆接觸電阻需要增加n+非晶硅摻雜層，即非晶硅層由三層結(jié)構(gòu)組成：低速沉積非晶硅(AL)、高速沉積非晶硅(AH)和摻雜n+非晶硅(n+a-Si)，分別按照13.6%，63.7%，22.7%的比例沉積而成。其中n+a-Si主要為了減少源極、漏極與半導(dǎo)體的肖特基勢壘，在溝道位置必須刻蝕掉，AL結(jié)構(gòu)致密，是導(dǎo)電的主要通道，不能進(jìn)行刻蝕，需要完整保留，AH刻蝕量需要保證n+a-Si全部刻蝕，AL不受影響，因此實(shí)驗(yàn)選定a-Si 剩余膜厚范圍在20%～75%之間，對應(yīng)的TFT特性(開態(tài)、關(guān)態(tài)電流、開啟電壓、電子遷移率和開關(guān)電流比)的變化結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示，變化趨勢如圖2所示。

使漏極和源極導(dǎo)通的柵極電壓為開啟電壓(Vth)。如果Vth過高，則不利于信號的加載。如圖2(a)所示，當(dāng)a-Si剩余量偏低時Vth偏大，Vth隨著a-Si 剩余量增加先降低然后趨于穩(wěn)定。關(guān)于有緣層厚度與開啟電壓的關(guān)系，張少強(qiáng)等[4]做了相關(guān)的解釋：當(dāng)有源層偏厚時，表面空間電荷層與背面空間電荷層發(fā)生交迭，表面空間電荷層變?yōu)橛行Э臻g電荷層，在有源層與鈍化層的界面電勢的作用下表面有效空間電荷將增加，引起TFT的開啟電壓增加。

(a) a-Si 剩余量與閾值電壓關(guān)系(a)Relationship of a-Si remain and Vth

(b)a-Si 剩余量與工作電流Ion的關(guān)系(b)Relationship of a-Si Remain and Ion

(c)a-Si 剩余量與漏電流Ioff的關(guān)系(c)Relationship of a-Si remain and Ioff

(d)a-Si 剩余量與遷移率μ的關(guān)系(d)Relationship of a-Si remain and mobility

(e)a-Si 剩余量與開關(guān)比Ion/Ioff關(guān)系(e)Relationship of a-Si remain and Ion/Ioff圖2 a-si 剩余膜厚與TFT特性關(guān)系圖Fig.2 Relationship of a-Si remain and TFT characteristic

選定Vg=15 V時TFT在工作時對應(yīng)的漏極電流為工作電流(Ion)。TFT在處于開態(tài)的時間內(nèi)要將液晶充至需要的電壓，即Ion需要大于一定的值，經(jīng)驗(yàn)公式為：

Ion≥6CpixelVonNrow/Tframe，

(1)

其中：Cpixel為像素中所要充電的電容，Von為對液晶充電的電壓，Nrow為水平掃描線數(shù)，Tframe為畫面更新時間，6為經(jīng)驗(yàn)值。

如圖2(b)所示，Ion隨著a-Si 剩余量增加而逐漸增大。因?yàn)楫?dāng)有源層厚度較薄時，外加?xùn)艠O電壓，柵極絕緣層界面處的表面空間電荷層將擴(kuò)展到有源層的背面，影響開態(tài)電流。

選定漏電流(Ioff)為Vg=-8 V時的漏極電流。若漏電流過大會使TFT的電壓保持特性降低。Ioff需要小于一定值，經(jīng)驗(yàn)公式為：

Ioff≤CpixelVon/(TframeNgrayM)，

(2)

其中Ngray為灰階的數(shù)目，M為經(jīng)驗(yàn)值。

如圖2(c)所示，漏電流Ioff隨著a-Si 剩余量的增加而增加。因?yàn)橛芯墝雍穸仍黾?，表面空間電荷層屏蔽了背面空間電荷的影響，使得溝道的體電阻減小，因此Ioff增加。

載流子(μ)是在單位電壓條件下的遷移速率。如圖2(d)所示，μ隨著a-Si 剩余量增加先增加后趨于穩(wěn)定。因?yàn)橛芯墝雍穸绕停砻婵臻g電荷層與背面空間電荷層交迭程度增加，對背面空間電荷層的影響增大，遷移率降低。

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的顯示，需要滿足開關(guān)電流比：

Ion/Ioff≥105，

(3)

如圖2(e)所示，開關(guān)電流比隨著a-Si 剩余量膜厚的增加先增大后穩(wěn)定最后減少。

綜上所述，在其他條件不變的情況下，a-Si 剩余量厚度在65～105 nm之間(即剩余厚度范圍在30%～48%之間)時，TFT器件的電學(xué)特性比較穩(wěn)定，波動較小；而剩余厚度少于30%時，TFT特性變差，工作電流變小、開啟電壓變大、電子遷移率變小、開關(guān)電流比較?。皇Ｓ嗄ず翊笥?8%時，漏電流較大，開關(guān)電流比較小。因此溝道a-Si的剩余厚度與TFT特性密切相關(guān)[5]。

3.2 光照(Photo)模式下特性測試結(jié)果

為了模擬TFT器件在實(shí)際工作中的環(huán)境，其中光照環(huán)境對TFT的漏電流影響較大，雖然為了減少光照的影響設(shè)計(jì)底柵結(jié)構(gòu)阻擋來自背光源的光照，上方設(shè)計(jì)黑色矩陣(BM)抑制外界光照，但是光照對TFT漏電流還是存在影響，在這里主要分析光照模式下不同有緣層厚度對漏電流的影響[6]。測試環(huán)境：常溫，光照5 000 cd/m2。

如圖3所示，TFT半導(dǎo)體溝道在受到光照情況下形成光生載流子，即電子空穴對，電子向漏極方向移動，空穴向源極方向移動，從而形成空穴漏電流，因此光生載流子對TFT器件的漏電流影響是很明顯的。

圖3 光生載流子對TFT開關(guān)電流的影響Fig.3 Effect of photogenerated carriers on TFT switching current

圖4 a-Si 剩余膜厚與光照 Ioff的關(guān)系Fig.4 Relationship of a-Si remain and photo Ioff

從圖4 a-Si 剩余膜厚與光照漏電流(PhotoIoff)的關(guān)系可以看出，隨著a-Si 剩余膜厚的增加光照Ioff增大，在a-Si 剩余量小于95 nm以內(nèi)時，光照Ioff較低，同時變化趨勢較緩；大于95 nm時，光照Ioff較大，同時變化趨勢陡峭。從光照Ioff考慮a-Si 剩余膜厚需要控制在95 nm以內(nèi)(a-Si 剩余膜厚43%以內(nèi))，在這區(qū)間光照Ioff較小，同時變化趨勢較緩。

4 結(jié) 論

溝道位置a-Si 剩余厚度與TFT特性有著直接關(guān)系。a-Si 剩余厚度在30%～43%范圍內(nèi)時，TFT特性(黑暗和光照環(huán)境下)較好，變化趨勢較緩，工作電流大，可以快速完成充電；漏電流(黑暗和光照測試環(huán)境)較小，可以提高TFT的電壓保持特性；開啟電壓較小，有利于控制信號的加載；遷移率大，直接影響TFT的開關(guān)速度。a-Si 剩余厚度小于30%時，TFT特性較差，開啟電壓大、工作電流、遷移率小、開關(guān)電流比??；a-Si 剩余厚度大于43%時，黑暗和光照漏電流偏大，會影響TFT器件的關(guān)閉。