氢化非晶硅膜厚分布优化及TFT性能研究

氢化非晶硅膜厚分布优化及 TFT性能研究

方兴 1 付学群 2 高平羽 3

南京中电熊猫液晶显示科技有限公司 江苏南京 210000

摘要：氢化非晶硅薄膜因具有优良的光学特性和物理特性，被广泛应用于太阳能电池、传感器和大面积平板显示等领域。本文采用等离子增强化学气相沉积法（PECVD）在1.8m×1.5m的基板上制备非晶硅薄膜。通过调整下电极加热温差设置及电极间距（spacing）来改善膜厚分布，优化产品TFT特性。

关键词：氢化非晶硅；膜厚均一性；电极间距；PECVD

Study on thickness distribution optimization and TFT characteristics of hydrogenated amorphous silicon

Fang Xing¹ Fu Xuequn² Gao Pingyu³

Nanjing CEC Panda LCD Tecnology Co.,Ltd Nanjing, Jiangsu 210000

Abstract：Hydrogenated amorphous silicon thin films are widely used in solar cells, sensors and large area flat panel displays fields with their excellent optical and physical properties. In this paper, the hydrogenated amorphous silicon thin films were prepared on 1.8m × 1.5m substrates by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).The film thickness uniformity was improved and the TFT characteristics were optimized by adjusting the susceptor heating temperature and electrode spacing.

Key words: Hydrogenated amorphous silicon；plasma enhanced chemical vapor deposition ；thickness uniformity；electrode spacing

1 引言

TFT-LCD在显示技术行业中，因工艺成熟，材料体系完整，产品性能稳定等特点占有相当大优势地位。TFT作为阵列的开关器件，其良好的性能对LCD折显示质量存在重要的作用^[1]。然而，随着基板制作尺寸的增加，TFT器件的均匀性也面临着巨大挑战，特别是作为TFT有源层的非晶硅（a-Si）膜厚。非晶硅（a-Si）作为TFT有源层材料，在TFT开关器件中，为了提高和改善半导体层与源极、漏极的欧姆接触电阻需要增加n+非晶硅掺杂层，即非晶硅层由三层结构组成：低速沉积非晶硅（a-Si:L）、高速沉积非晶硅（a-Si :H）和掺杂n+非晶硅（n+ a-Si），其中n+ a-Si主要为了减少源极、漏极与半导体的肖特基势垒，在沟道位置必须刻蚀掉,否则在器件处于关闭状态时，部分电荷会通过n+ a-Si流失流失，导致像素电压漏电，形成亮点，产生电性不良。a-Si:L结构致密，是导电的主要通道，不能被刻蚀^[2]。有研究表面表明随着沟道内残留的a-Si厚度减少，TFT器件的电性先变好，再变差^[3,4]。因考虑到干蚀刻设备蚀刻的薄膜有一定的波动，需要要求PECVD成膜膜厚均一性较高，使沟道内残留的a-Si厚度分布均匀以提高TFT特性及产品良率。

用PECVD成非晶硅膜的主要化学方程式：

a-Si :H SiH₄ + H₂ →a-Si :H

n+ a-Si SiH₄ (PH₃ 1%)+ H₂ →n+ a-Si

PECVD法制备氢化非晶硅薄膜主要工艺参数：

1. 功率（Power）:主要提供一定功率以形成plasma，以利于化学反应的进行，影响沉积速率和薄膜致密程度。

2. 电极板间距（Spacing）:是susceptor和diffuser之间的距离；影响沉积速率和薄膜的平坦度。

3. 总压力（Pressure）:影响沉积速率。

4. 基板温度（Temperature）:影响沉积速率和薄膜致密程度

5. 反应气体压力（Pressure）:影响薄膜的构成

6. 反应气体的流量（Air flow）:影响薄膜的沉积速率及结构

本文在不影响非晶硅膜质及整体膜厚的情况下，保证其他条件不变，通过调整下电极加热温差设置（340℃~370℃）及微调电极间距spacing（1175mil~1300mil）来改善膜厚分布，优化产品TFT特性。

2 实验

2.1 样品制备及成膜条件

本文采用采用AKT-25K型设备，使用的气体为SiH4(纯度99.9999%),H2(纯度为99.999%),PH3(纯度99.9999%)。本文采用等离子体增强化学气象沉积（PECVD）法1500mm*1800mm的素玻璃基板上分别沉积厚度约2200A的高速沉积非晶硅（a-Si :H）和掺杂n+非晶硅（n+ a-Si）。

固定spacing(1250mil),调整下电极inner和Slit valve/Window侧加热温度差；固定下电极加热温度，调整spacing,测量膜厚及分布，实验条件如表1

表1:成膜条件表

Tab.1 Film forming condition table

2.2 分析测试

薄膜厚度测量仪（KMAC）:测量非晶硅膜厚度。测试原理可理解为使用可见的或者红外光从基板与薄膜表面反射光的干涉来完成检测。测量玻璃膜厚共设置25个测量点位，测量点位如图 1所示，计算整张玻璃基板上平均值是25个点所有膜厚的平均值，均匀度（Uniformity）按如下公式计算：Unif=(Tmax-Tmin)/(Tmax+Tmin)，其中Tmax为测试膜厚的最大值，Tmin为测试膜厚的最小值。

图 1膜厚测试点位

Fig.1 The test point location of the thickness measurement

电性测量仪（KGM):通过KGM测试设备测出对应TFT大的阈值电压Vth、工作电流Ion、反向截至电流Ioff以及相应的I/V曲线，从而对产品电学特性进行监控和整体评估。

3 实验测试结果

3.1 氢化非晶硅膜厚及分布

为保证良好的氢化非晶硅光学特性，主体成膜温度控制在340℃~370℃之间，电极间距保持在

1175mil~1300mil之间。氢化非晶硅膜厚相关数据如表 2，分布图形如图 2所示，

表 2 实验数据汇总

Tab.2 Summary of experimental data

图 2 膜厚分布图

Fig.2 a-Si :H thickness of samples

在spacing固定下，下电极inner温度设置340℃，slit valve/window温度由于370℃逐渐降低至340℃，随着温差减小，成膜速率变化不大，膜厚分布均一性由9.2%变差至22.1%；slit valve/window温度固定340℃，inner温度由340℃逐渐降低至310℃，随着温差增大，成膜速率略有下降，膜厚分布均一性由22.1%改善至15.3%；

在下电极温差固定30℃下，调节spacing可调整膜厚分布形状，总体来说，增大spacing，四周膜厚减少，减少spacing，四周膜厚增加。

3.2 膜厚分布均一性对TFT特性影响

为保证良好的氢化非晶硅光学特性，主体成膜温度控制在340℃~370℃之间，电极间距保持在1175mil~1300mil之间，可得到较好的TFT特性曲线图。对下电极温差调整和spacing微调，可进一步优化TFT特性。如图 3所示,随着膜厚分布uniformity边小，TFT特性变好，Ion越大，Ioff越小，Vth越小。

图 3 TFT特性测试

Fig.3 TFT characteristics of samples

4 结论

1. 主体成膜温度控制在340℃~370℃之间时，调整温差对成膜速率影响不大，对膜厚分布影响较大，相差30℃可得到较好的膜厚分布。

2. 调节spacing可调整膜厚分布形状，总体来说，增大spacing，四周膜厚减少，减少spacing，四周膜厚增加。

3. 随着基板非晶硅膜厚分布均一性越好，TFT特性越好，Ion越大，Ioff越小，Vth越小。

参考文献：

[1]谷至华. 薄膜晶体管（TFT）阵列制造技术[M]. 上海：复旦大学出版社,2007.

[2]马群刚. TFT-LCD 原理与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2011.

[3]郑载润，崔捷，董宜萍，李正伟，李斗熙. a-Silicon剩余厚度和TFT特性关系研究「J」.现代显示，2008，8

[4]闫方亮，沈世妃，侯智，等。a-Si厚度对TFT开关特性的影响[J]. 现代显示，2011，22(7):23-28.