薄膜晶体管透明电极铟锡氧化物雾状不良的分析研究

王守坤，郭总杰，袁剑峰，林承武，邵喜斌

（北京京东方显示技术有限公司，北京 100176）

1 引 言

目前，液晶显示（LCD）以其低功耗、薄体积、高清晰等优点，展示出强劲的发展趋势，被广泛应用于从手机到大尺寸电视的各种显示领域［1－3］。但是TFT－LCD需要背光模块为其提供显示光源，这就要求液晶盒特别是TFT基板的具有高透过率，否则会对LCD的显示亮度和对比度产生不良影响［4－5］。

边缘场开关薄膜晶体管（fringe field switching thin film transistor，FFS－TFT）技术，就是为提高透过率、对比度和亮度而开发的一种广视角显示技术，其原理是利用同一平面内像素电极产生的边缘电场使液晶分子在平面内旋转，提高液晶显示的视角［6－7］。制成一般通过5次光刻工艺：通过第一次工艺形成栅极金属层（gate layer）；通过第二光刻形成有源半导体层、源／漏金属电极和数据线（g－SiNx，a－Si＆SD layer）；通过第三次光刻形成透明像素电极（1stITO layer）；通过第四次光刻形成沟道绝缘层（PVX layer）；通过第五次光刻形成公共透明电极ITO。公共电极的材料为透明金属氧化物ITO，沟道绝缘层（PVX layer）为SiNx，通过PECVD（等离子增强型化学气相淀积）设备直接覆盖在透明像素电极之上［8］。但是，在沟道绝缘层的沉积过程中，与氮化硅膜层接触的透明电极ITO通常会发生雾状不良，导致透过率下降，影响产品性能。本文就针对此种不良进行讨论分析，并给出建议。

2 实 验

2.1 样品制备及反应机理

实验设备采用射频频率为13.56MHz的PECVD系统，温度为290℃。反应气体为NH3、SiH4和N2，在完成第三次光刻形成透明像素电极的玻璃基板上沉积SiNx薄膜。玻璃基板为2 500mm×2 200mm的超薄玻璃基板，等离子区功率为3kW至22kW。反应腔的气压为159～320Pa，电极间的距离为17～25mm。

传统的工艺条件，在沟道绝缘层（PVX layer）SiNx进行沉积之前，通常进行沟道的等离子体界面处理，可达到清扫沟道和TFT特性提升的目的，但是这样就会在FFS－TFT透明电极ITO上面发生雾状的不良。即使不进行等离子体界面处理，直接进行沟道绝缘层高速沉积工艺，也会产生雾状不良［9］。图1为 FFS－TFT 结构截面示意图。

图1 TFT结构截面图Fig.1 Cross－sectional view of TFT

为了解决雾状不良，可以在透明导电金属ITO薄膜上面使用低流量SiH4沉积薄层氮化硅作为缓冲层（buffer layer），然后使用高流量的SiH4再高速沉积氮化硅薄膜，这样不仅解决了薄雾状不良，同时可以满足生产节拍的需求［9］。本文主要从缓冲层的厚度和膜层界面的等离子体方面进行测试分析，实验的条件如表1所示（缓冲层SiH4∶高速沉积层SiH4＝1∶10）。

表1 样品测试条件Tab.1 Sample test condition

2.2 分析测试

SEM （scanning electron microscope）：扫描式电子显微镜，利用此设备可对样品进行高倍率的表面形貌和截面形貌分析。测试原理为发射高速电子轰击物质表面，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子等粒子，利用电子和物质的相互作用，可获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。

Macro Scope／Micro Scope inspection system（M／M）：宏观／微观显微镜，为光学测试设备。利用Macro可肉眼宏观检查玻璃基板表面上的斑点和缺陷；Micro检查适用于通过高倍率（放大倍数有×5，×10，×20，×50，×100）下玻璃基板每层的图形的缺陷。

BLU Electro－optical Measure System：可利用此设备进行透明样品的透过率（transmittance，Tr.）测试。测试方法为模拟正常工作时背光源的透射光强，然后将透过的光强数据进行收集，与初始入射光强进行比较，得出样品的透过率。

3 实验测试结果

3.1 M／M＆SEM测试结果

图2为SiNx薄膜沉积之前进行H2等离子体处理的样品A，在显微镜不同放大倍数（×5，×10，×20，×100）的测试结果；图3为正常未发生雾状不良的样品测试结果。从图2和图3的测试结果对比可知，在ITO薄膜上面，沉积SiNx薄膜之前，如果使用H2等离子体处理，薄膜会变的非常粗糙，表面呈现出密集的小黑点。

图2 样品A M／M测试结果Fig.2 Sample A M／M test result

图3 正常样品MM测试结果Fig.3 No haze defect sample M／M test result

图4为样品A（进行H2等离子体处理）的SEM 测试结果，其中，4－1，4－2为SEM 俯视图，4－3，4－4为SEM截面图，从SEM 的俯视图可知，SiNx薄膜的表面有很多密集球状小突起；从截面图可以发现，ITO薄膜和SiNx薄膜的相接触的界面有很多空洞和突起，并且SiNx薄膜的表面凹凸不平，粗糙度很大。

图4 样品A SEM 测试结果Fig.4 Sample A SEM test result

图5 不同实验条件测试样品MM测试结果Fig.5 Samples M／M test result

图5为各个测试条件的M／M测试结果。结果显示，样品（A，F）表面很粗糙；其他样品表面正常。分析可知，ITO薄膜的表面分别进行6，12和18nm缓冲层的沉积，都未发现雾状不良；而且在缓冲层（6nm）沉积之前，先进行N2等离子体处理，也未发现雾状不良；然而，在缓冲层（6nm）之后，进行高功率的H2等离子体处理，会出现密集的小突起，SiNx薄膜的表面极其粗糙，可知，发生了雾状不良；而缓冲层（18nm）之后进行低功率H2等离子体处理，也不会发生雾状不良。

图6为SiNx薄膜过孔SEM截面测试结果，从结果可知，样品（A，B，D，F）发生膜层下端刻蚀倒角；样品（C，E）过孔刻蚀正常。即ITO膜层表面进行H2等离子体界面处理，或者缓冲膜层沉积工艺后进行H2或N2等离子体界面处理，即使功率很小，也会在过孔刻蚀工艺过程中，发生膜层下端刻蚀倒角（undercut）的不良现象；而在缓冲层（6nm）沉积之前，先进行N2等离子体处理，未发现刻蚀倒角的不良。

图6 样品过孔SEM界面测试结果Fig.6 Sample via hole SEM test result

3.2 透过率测试分析

表2和图7分别为样品的透过率测试数据和分析图表。

表2 透过率测试数据Tab.2 Sample transmittance test

表2为样品的透过率测试数据，图7为透过率数据分析图。从分析可知，在SiNx薄膜沉积的前后，如果进行高功率H2等离子体的界面的处理，会降低透过率；然而，在SiNx薄膜沉积前后进行N2等离子体处理，不会影响透过率；并且在SiNx薄膜后进行较低功率H2的处理，对透过率也没有太大影响。

图7 样品透过率测试结果分析Fig.7 Sample transmittance test analysis

4 讨论和分析

PECVD方法沉积SiNx薄膜时，反应气体通过由许多小孔组成的扩散口均匀地流入设备反应腔中，此系统中沉积绝缘层（SiNx）所发生的主要反应［10］：

从反应式可知，SiH4在等离子体条件下会裂解出大量的具有很强还原性的H＋［11］。如果进行高速SiNx薄膜沉积或者在ITO薄膜的表面直接进行H2等离子处理，大量H＋就会置换出ITO薄膜（主要成分In2O3）的In，使之析出在ITO薄膜表面和扩散到SiNx薄膜中，ITO薄膜与SiNx薄膜的界面变得粗糙（如图4）。当光照射在这些析出的金属In原子上时，就会发生散射和反射，从而降低光线的透过率，使ITO表面显现出不均性雾状不良。如果在沉积SiNx薄膜之前，使用H2等离子体处理，In原子析出会更加严重，表现为密集小黑点的不良现象，透过率会极差（如图3）［9］。

通过本文测试，可以发现在高速沉积之前，进行微薄的缓冲层沉积，可以解决雾状不良。考虑到生产节拍，缓冲层厚度应该尽量降低，6nm的厚度可以达到防止雾状不良的目的；如果缓冲膜层工艺后面进行N2或者H2等离子体界面处理，即使功率很小，也会发生膜层下端刻蚀倒角，因为缓冲膜层经过等离子体处理后，膜层会变的更加疏松，这样，缓冲膜层在刻蚀过程中，相对于上面的膜层刻蚀速率就会加快，从而会发生刻蚀倒角的不良；缓冲膜层工艺后面的等离子体功率加大，等离子体就会击穿缓冲膜层，到达透明电极ITO，而会引起雾状不良。所以要防止雾状不良，应该在高速沉积SiNx膜层之前，先有微薄的较致密的缓冲层沉积，并且在沉积前后，尽量避免等离子体的处理，如若要进行沟道清扫，可以选用低功率的N2等离子处理，而非H2等离子体。

5 结 论

通过实验分析可知，在ITO薄膜上高速沉积SiNx薄膜之前，可以先进行6nm的微薄厚度的致密缓冲层的沉积，即可达到防止雾状不良，又可满足生产节拍的要求；而SiNx薄膜之前的H2等离子体界面处理，会引起严重的雾状不良，沉积后进行等离子体（H2或者N2）处理会引起过孔的下端膜层刻蚀过快的倒角不良，所以尽量避免在沉积前后进行等离子体处理。综上所述，通过上述参数调整，可以改善玻璃基板的透过率和膜质特性，提高产品性能。

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