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、光學穩定性好等優點，而且無須將傳統非晶硅TFT產線做太多變動和投注更多的資金購買設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結合了傳統非晶硅 TFT易制作、高良率以及LTPS (Low Temperature Poly-silicon) TFT高電子遷移率、低功耗等技術優點，受到了越來越多面板生產廠商和TFT研究者的關注[1-4]。然而，氧化物 TFT 穩定性當前依舊是其產業化推進中的最大障礙。當前有氧化物 TFT-LCD量產實績僅有三星、夏普、LG和京東方4家公司，其產品特性正在經歷著市場的考驗。在氧化物TFT的理論和實驗驗證中，人們發現影響TFT 穩定性的主要因素有柵極絕緣層缺陷態密度，前溝道界面態密度，氧化物半導體本體缺陷態分布及密度，以及背溝道界面態密度[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化方向。本研究的目的就是通過調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特性相關的關鍵因素，實現ESL 沉積條件的優化。

2 實驗方法

本實驗在1 397 mm(55 in)超高分辨率產品上，實驗在京東方光電科技集團氧化物半導體IGZO量產G8.5 代線完成。圖1 所示為本產品TFT截面示意圖。本產品采用ESL結構的6掩膜工藝，相對背溝道刻蝕(Back Channel Etch，BCE)結構，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結構相比，ESL結構可以阻擋漏源極圖案形成過程中硫酸系刻蝕藥液對于IGZO半導體背溝道的刻蝕，因此TFT特性更加穩定。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，與其發生氧化和還原反應，進而影響IGZO 半導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系到后續工藝中水汽等小分子對IGZO 半導體的侵蝕程度。因此, ESL沉積條件對氧化物半導體特性狀態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設備進行，在我們研究中發現沉積溫度，正負電極間距, 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果綜合評估ESL 沉積條件的優劣。

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

3 實驗結果和討論

3.1 溫度

沉積溫度是ESL成膜條件中非常重要的一環。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膜層致密性和膜質均一性會在一定程度內得到增強。然而，溫度提高，腔體內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，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出來，總體的結果就是基板不同位置處等離子體與IGZO背溝道之間產生的物理及化學反應程度的差異性擴大。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(反應條件為：正負極板間距 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果，且大小孔分布不均一。這種膜層結構無法阻斷后續的退火工藝，成膜工藝和刻蝕工藝環境氣氛對于IGZO 背溝道的影響，因此TFT穩定性較差。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，數值越大表示TFT 特性越發散，越不穩定。

表1 不同沉積溫度下的I-V 特性數據比較Tab.1 Comparison of I-V data of different temperature

3.2 正負電極間距

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

圖4 不同ESL 沉積正負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，當正負電極間距設置為550 mm 時，膜層致密性最佳，但是正負電極間距過小，等離子體對于IGZO背溝道轟擊強度會比較強，造成IGZO內部氧含量減少。因此，伴隨著氧空穴明顯減少，Vth出現向左漂移的情況。更嚴重的是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，最終導致I-V曲線的發散。在以前的研究中，Vth左移表明IGZO半導體摻雜濃度增加，IGZO 解離電子的能力增強，費米能級向導帶附近遷移。因此，TFT在光照和溫度影響下的正向偏置電壓穩定性增強，而光照和溫度影響下的負向偏置電壓穩定性減弱。負向偏置電壓穩定性減弱，產品出現沙粒Mura 風險將會增加，在我們的實驗中也得到了證實。當正負電極間距逐步增加，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 特性數據比較Tab.2 Comparison of I-V data of different spacing

3.3 壓力

反應壓力增加，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(反應條件為：溫度 200 ℃，正負電極間距 700 mm, 功率12 kW)。致密性的提升一方面是由于壓力提升，反應離子之間結合更加緊密；另一方面，高壓力下H原子更易進入到沉積膜層內部，與膜層內部的懸掛健和缺陷結合，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，還原氧化物半導體造成I-V左移。當氣壓增加到266 Pa時，氧化物半導體直接導體化，TFT 開關失效。然而, 壓力為66 Pa 時，SEM圖可見此反應壓力下的膜層較200 Pa的膜層疏松，孔狀結構明顯,I-V曲線也較差。考慮到膜層疏松對于后期工藝過程的耐受性以及產品的信賴性，過低的反應壓力也是不可取的。表3所示，可知沉積壓力為 66 Pa和200 Pa 的I-V數據未見太明顯差異，綜合考慮，我們選擇200 Pa 為最優沉積壓力。

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 特性數據比較Tab.3 Comparison of I-V data of different pressure

3.4 反應功率

反應功率對膜層均勻性，沉積速度有著至關重要的作用。反應功率直接決定了腔體內等離子體形狀, 反應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，當沉積功率為6 kW時，I-V曲線存在明顯的駝峰效應，Vth明顯較大。據表4所示I-V數據可知, 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導電性增加，致使TFT穩定性變差。反應功率增加，離子反應活性增加，亞穩結構含量減少，膜層致密性增加。也就是說當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中的金屬離子結合比與Si原子結合更加容易，因而IGZO半導體處于一個富氧的狀態。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分別為反應功率為6，12，1 8 kW下ESL膜層的SEM圖片和I-V曲線(反應條件為：溫度 200 ℃， 壓力200 Pa, 正負電極間距 700 mm)。

圖9 不同ESL 沉積正負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 論

本實驗在BOE LCD IGZO半導體G8.5 代量產線進行，通過分析不同背溝道刻蝕阻擋層的沉積溫度，正負電極間距，壓力和功率下膜層的致密性和I-V曲線，確立了ESL 沉積優化的方向。我們發現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 半導體的損傷。

ESL沉積條件的優化，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 界面態氧平衡，更需要重點關注IGZO 的沉積氧分壓以及高溫后處理工藝。這些關鍵工藝雖然不會改變ESL 沉條件對于TFT 特性的影響規律，但會直接決定其沉積條件最佳中心值范圍。因此，如果需要根據本研究確立實際生產條件，還需要結合自身設備和其它工藝能力來確定ESL 的最佳沉積條件。