金屬氧化物TFT閾值對LCD顯示屏可靠性的影響

樓均輝，姜 姝，吳天一，符鞠建，夏興達(dá)，何澤尚，遲 宵，應(yīng) 變，李喜峰*

(1.天馬微電子集團(tuán)，上海 201205； 2.上海大學(xué) 新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072)

1 引 言

非晶氧化物作為a-Si TFT的一個有競爭力的替代半導(dǎo)體材料，在平板顯示領(lǐng)域持續(xù)受到關(guān)注，多家平板顯示公司和平板顯示技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了大量的研究[1-4]。其中夏普公司率先成功實(shí)現(xiàn)IGZO驅(qū)動的LCD量產(chǎn)；LG公司2013年開始量產(chǎn)以IGZO驅(qū)動的OLED電視。和傳統(tǒng)的a-Si TFT相比，氧化物TFT具有的優(yōu)勢有：(1)高遷移率，適合于大尺寸、高PPI顯示屏驅(qū)動；(2)高穩(wěn)定性，更適合于OLED驅(qū)動。和LTPS-TFT相比，氧化物TFT具有的優(yōu)勢是：(1)不需要高成本的激光退火和離子注入，成本更低；(2)非晶結(jié)構(gòu)具有更好的短程均勻性；3)避免了激光退火，更適合大尺寸顯示屏[5-8]。

但是和傳統(tǒng)的硅基材料TFT相比，氧化物半導(dǎo)體中通常含有更多種類化學(xué)元素，因此在制備和器件工作過程中，更易受制程和使用環(huán)境的影響，而導(dǎo)致TFT的性能發(fā)生劣化。特別是金屬化合物中的含氧量容易受成膜和后續(xù)處理過程的影響而導(dǎo)致氧空位缺陷和氧含量不均勻[9-14]。另外，制程和工作環(huán)境中的氫也很容易作為不良摻雜進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體。上述多個原因?qū)е卵趸颰FT特別容易出現(xiàn)性能異常，從而使氧化物TFT驅(qū)動的顯示屏出現(xiàn)顯示異常和可靠性降低。這是限制氧化物半導(dǎo)體在顯示領(lǐng)域量產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵障礙，結(jié)果導(dǎo)致目前仍然只有少數(shù)公司能夠完全掌握氧化物半導(dǎo)體驅(qū)動的LCD或者OLED的量產(chǎn)技術(shù)。

氧化物半導(dǎo)體性能出現(xiàn)異常時，主要的表現(xiàn)為氧化物TFT的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一閾值電壓(Vth)出現(xiàn)異常，具體表現(xiàn)為Vth太負(fù)，或者在同一基板上Vth不均勻。本文研究了Vth對氧化物TFT驅(qū)動的LCD顯示屏的良率和可靠性的影響，特別是對窄邊框LCD中的外圍移位寄存器(VSR)電路以及顯示區(qū)域的像素TFT的影響，并進(jìn)行了相關(guān)的討論。

2 實(shí) 驗(yàn)

用于驅(qū)動LCD的氧化物TFT采用底柵頂接觸結(jié)構(gòu)(圖1)，其中刻蝕阻擋層(ESL)作為源漏電極刻蝕過程中的保護(hù)層防止刻蝕過程損傷到氧化物半導(dǎo)體層。在玻璃上先進(jìn)行柵極金屬層成膜并用光刻的方法圖形化；然后用PE-CVD的方法制作柵絕緣層，柵絕緣層為SiNx+SiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中SiO2更接近氧化物半導(dǎo)體層以阻擋SiNx中的氫進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體層；氧化物半導(dǎo)體層采用成分為In-Ga-Zn-O的靶材在真空腔內(nèi)用PVD的方法濺射成膜；成膜并圖形化后進(jìn)行高溫退火處理；然后用PE-CVD方法制作SiO2作為ESL層，用干刻方法將ESL圖形化后，制作源漏金屬層并圖形化；接著制作ITO層作為像素電極，然后再進(jìn)行鈍化保護(hù)層，鈍化層為PE-CVD成膜的SiO2+SiNx復(fù)合結(jié)構(gòu)；鈍化層上接著制作第二層ITO，作為SFT(Super fine TFT)-LCD的公共電極。然后進(jìn)行LCD后段和模組制程。

圖1 用于驅(qū)動SFT-LCD的氧化物TFT結(jié)構(gòu)Fig.1 Oxide-TFT structure for SFT-LCD

為了實(shí)現(xiàn)窄邊框，顯示屏的行驅(qū)動電路采用7T2C的外圍移位寄存器(VSR)電路(圖2)，VSR電路中的氧化物半導(dǎo)體也采用相同的底柵ESL結(jié)構(gòu)。其中T4是行掃描信號的輸出TFT。

圖2 7T2C VSR電路Fig.2 7T2C VSR circuit

由于氧化物TFT性能很容易受制程的影響，所以不同的制程工藝下，氧化物TFT表現(xiàn)出不同的TFT特性，本實(shí)驗(yàn)中將不同工藝下得到的具有不同性能的氧化物TFT分別用于驅(qū)動SFT-LCD。顯示屏制作完成后，在高溫環(huán)境(85 ℃)中長時間工作，進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，觀察顯示不良，并對不良屏測試VSR電路輸出信號，測試位置為圖2中7T2C電路中的Gn端。

3 結(jié)果與討論

圖3為在不同的工藝下氧化物TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線，TFT的W/L=5/9，測試溫度為室溫，Vds=1 V。其中工藝A得到的氧化物TFT的Vth最負(fù)，工藝B和C的氧化物TFT的Vth更正。表1為對應(yīng)于圖3中3個不同工藝制作的氧化物TFT的特性參數(shù)，其中Von取自于Ids=1×10-10A時的柵電壓值。

圖3 不同工藝得到的氧化物TFT的Id-Vg曲線Fig.3 Id-Vg curves of oxide-TFTs fabricated with different process

表1 圖3中的3個TFT的特性參數(shù)Tab.1 Characteristics of oxide-TFTs showed in Fig.3

用工藝A制作的顯示屏樣品在常溫下測試就出現(xiàn)顯示不良，具體表現(xiàn)為出現(xiàn)多條沿著柵極方向的橫紋，無法正常顯示，測試該顯示屏樣品的VSR電路輸出信號，出現(xiàn)不正常的連續(xù)多個脈沖(圖4(a))，而不是正常的行掃描信號。

圖4 工藝A制作的顯示屏的VSR電路輸出波形(a)和輸出管T4的電壓狀態(tài)(b)
Fig.4 Output waveform of VSR circuits of LCD fabricated with process A (a) and voltages on T4 TFT(b)

如果氧化物TFT的Vth偏負(fù)，或者說Von<0的情況下，當(dāng)Vgs=0 V時，在源漏電壓下會出現(xiàn)較高的源漏極間電流Ids。和a-Si TFT相比，氧化物TFT遷移率更高，同時亞閾值擺幅(SS)更小，所以該Ids電流會顯著大于a-Si TFT在類似狀態(tài)下的電流。圖4(b)為7T2C的VSR電路中輸出管 T4在顯示屏中相應(yīng)的Gn輸出為低電平時的電壓狀態(tài)，柵極和源極都處于低電平，所以兩者間Vgs=0 V。如果該TFT的Von<0 V，則源漏間就會存在較大的Ids電流，Vth越負(fù)，該Ids越大，這會導(dǎo)致T4管無法正常關(guān)斷，CK脈沖信號會通過T4管進(jìn)入Gn端，從而使VSR電路輸出不正常的連續(xù)多脈沖信號。

工藝B制作的顯示屏在室溫下顯示正常，VSR的輸出波形正常。但是當(dāng)將顯示屏放置在高溫環(huán)境(85 ℃)中數(shù)小時后，顯示出現(xiàn)異常，具體表現(xiàn)也為多條沿著柵極方向的橫紋，測試VSR輸出波形，也出現(xiàn)了類似工藝A制作的顯示屏的連續(xù)多脈沖。圖5為工藝B制作的TFT在常溫下和高溫下的TFT特性曲線，可以看到，隨溫度升高TFT轉(zhuǎn)移特性曲線出現(xiàn)明顯的負(fù)向移動。和工藝A相比，工藝B制作的TFT的Vth更正，所以在Vgs=0 V時，Ids間的電流比較小，在常溫下工藝B制作的顯示屏能夠正常顯示。但是隨著溫度的升高，Vth負(fù)向移動，Vgs=0 V時，Ids間的電流逐漸增大，最終導(dǎo)致出現(xiàn)了與工藝A制作的顯示屏類似的顯示不良，以及VSR輸出異常的多脈沖。

圖5 工藝B制作的氧化物TFT在不同溫度下的Id-Vg曲線
Fig.5Id-Vgcurves of oxide-TFT fabricated with process B at different temperature

工藝C制作的顯示屏無論在室溫和85 ℃時均正常顯示，VSR輸出波形也正常，這說明因?yàn)樵摴に囅碌难趸颰FT的Vth更正(表1)，即使溫度升高，Vth出現(xiàn)一定的負(fù)向移動，也不至于出現(xiàn)Ids電流增大導(dǎo)致的異常。但是該顯示屏在高溫下工作數(shù)天后，逐漸出現(xiàn)cross-talk，并且出現(xiàn)了明顯殘影。測試此時的VSR輸出，和前面A、B不同，VSR的輸出波形仍然正常，沒有出現(xiàn)連續(xù)多脈沖。圖6為以工藝C制作的氧化物TFT在高溫光照下的負(fù)偏壓穩(wěn)定性曲線(NBTS和NBITS)。其中NBTS的溫度為85 ℃，柵極偏壓為Vgs=-20 V; NBITS的溫度為70 ℃，柵極偏壓也為Vgs=-20 V，另加白色背光從氧化物TFT器件柵極下方照入，亮度為4 500 cd/m2。可以看到，如果沒有光照，即使溫度比較高，在長時間負(fù)偏壓下氧化物TFT的Vth也沒有明顯變化，但是在光照下，Vth出現(xiàn)非常明顯的負(fù)向漂移。類似的現(xiàn)象在以前的文獻(xiàn)中曾經(jīng)報道和研究過[15-19]。 工藝C制作的顯示屏中，由于VSR電路沒有被背光直接照射到，所以Vth的負(fù)向漂移不明顯，不至于出現(xiàn)工藝A或B的VSR輸出異常多脈沖不良。但是在顯示區(qū)域，像素內(nèi)的TFT由于受到背光的照射，且TFT長時間處于負(fù)偏壓下，Vth很容易發(fā)生負(fù)向偏移，這會導(dǎo)致該區(qū)域TFT不能正常關(guān)斷，從而發(fā)生漏電。在LCD中，像素區(qū)域的TFT漏電是顯示屏出現(xiàn)cross-talk和殘影的重要原因。

圖6 高溫下氧化物TFT的負(fù)偏壓穩(wěn)定性曲線。( a) NBTS；(b)NBITS。
Fig.6 NBTS (a) and NBITS (b) characteristics of oxide TFTs

基于以上分析，通過工藝調(diào)整Vth值和提升高溫光照下的負(fù)偏壓穩(wěn)定性，我們制作出氧化物TFT驅(qū)動的LCD顯示屏(10.1 in)如圖7所示，分辨率為1 920×1 080，通過VSR電路實(shí)現(xiàn)行驅(qū)動，并采用dual-gate設(shè)計(jì)。該顯示屏在70 ℃環(huán)境中500 h動態(tài)可靠性驗(yàn)證后，仍然正常工作。

圖7 1 k×2 k IGZO LCD顯示屏Fig.7 1 k×2 k IGZO LCD panel

4 結(jié) 論

對于VSR電路行驅(qū)動的窄邊框氧化物驅(qū)動的LCD顯示，Vth須調(diào)整到足夠正才能夠保證VSR電路正常工作，否則容易出現(xiàn)異常多脈沖輸出不良；同時需提高氧化物TFT在高溫光照下的負(fù)偏壓穩(wěn)定性，以提高顯示屏的可靠性。

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樓均輝(1975-)，男，浙江諸暨人，碩士，高級工程師，2004年于韓國嶺南大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事氧化物TFT驅(qū)動LCD和氧化物TFT驅(qū)動OLED顯示技術(shù)的研究。

E-mail:junhui_lou@tianma.cn

李喜峰(1978-)，男，山西大同人，博士，教授，2006年于復(fù)旦大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事薄膜晶體管及印刷電子器件的研究。

E-mail:lixifeng@shu.edu.cn