CN101495877A - 使用电偏置应力的tft阵列的阵列测试方法 - Google Patents

使用电偏置应力的tft阵列的阵列测试方法 Download PDF

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Abstract

一种用于检测薄膜晶体管(TFT)液晶显示器(LCD)面板中的TFT缺陷的方法，其部分地包括：向设置在面板上的TFT施加应力偏置；以及检测TFT电特性的变化。TFT电特性的变化可使用电压成像光学系统或电子束来检测。在施加应力偏置时，可改变面板温度。可选地，检测TFT阵列上的电特性的变化。

Description

使用电偏置应力的TFT阵列的阵列测试方法
技术领域
本发明涉及测试薄膜晶体管(TFT)阵列，更具体地，涉及测试薄膜晶体管阵列的功能和可靠性。
背景技术
用于例如电视应用的薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)需要较明亮的背光以获得较好的图象质量。图1是TFT-LCD模块化组件的剖视图。所示的模块化组件包括偏光器层14和光学膜12，接着是TFT面板10，在TFT面板10上方形成有液晶层16，然后是背光20。彩色滤光片22和偏光器14设置在液晶层16的上方。较明亮的背光增加了TFT-LCD工作期间的温度，从而导致了TFT-LCD截止电流Ioff的增加。对于良好的TFT，随着温度而变化的Ioff的变化相对较小，不会影响TFT-LCD图像质量。但是，在有缺陷的TFT的情况下，随温度变化的截止电流变化足够大，会使得工作期间TFT-LCD图像质量下降。
图2是典型的非晶硅(a-Si)TFT的剖视图，是典型的N沟道增强型场效应晶体管。金属栅极40首先在玻璃板上构图，接着是栅极绝缘电介质材料42(例如氮化硅(SiN))以及非晶硅半导体(a-Si)层44和n+a-Si层46的等离子增强的CVD(化学气相沉积)沉积。源极金属层48和漏极金属层50然后被构图。接下来，钝化层52沉积在整个结构上。n+a-Si层46作为电子的低阻欧姆触点，以最大化导通电流。其还阻止空穴注入本征层(intrinsic layer)中，以最小化截止(OFF)状态下的漏泄电流。
平板显示器中的TFT作为开关工作。如果栅极电压超过阈电压，且源极端和漏极端之间施加有电压，则电流从源极流向漏极。栅极层40和a-Si层44作为电容器的平行板，其间设置有电介质SiN层42。
非晶硅不是很稳定，在暴露于强照度或载荷子注入时，其特性可被改变。随着时间推移，在TFT正常工作期间，a-Si层44与SiN电介质层42之间的分界面可累积电荷，从而导致a-Si TFT的阈值随时间漂移。在正常工作条件下，在导通时间中的阈电压漂移与在截止时间中发生的阈电压漂移具有相反极性。因此，漂移部分地彼此抵销。此外，只要TFT驱动能够克服这一漂移或变化，则工作不会受到影响。
图4A是理想的非晶半导体的能带图。对于非晶半导体，由传导带与价电子带之间的间隙分隔的本征定域态建立在带边沿附近。但是，例如非晶形物质内的缺陷或悬空键的杂质填充在具有缺陷定域态的带间隙中，如图4B所示。缺陷定域态导致了由定域态之间的热协助的隧道效应引起的非零温度下电荷的活动性。因此，与正常的半导体不同，例如a-Si的非晶形半导体中的激活能与迁移间隙相关而与能隙无关。
TFT的源-漏电流ISD通过以下等式与能态密度相关：
ln I SD ∝ [ A - E C - E F - q Ψ S kT ]
其中，A是常数，EC是导电能量，EF是费米能量，ΨS是能态密度，q是电子电荷，k是波耳兹曼常数，T是以绝对温标为单位的温度。图5是图3所示的金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的能带图。
在未施加电压并且处于室温时，TFT的源-漏电流ISD(IOFF)具有很小但是非零的数值。随着温度升高，ISD增大，如图6所示。在某些TFT-LCD面板应用(例如电视)中，TFT由背光照亮并因此温度升高，电流Ioff通常保持充分小。
在TFT的加工中，a-Si通过硅烷的等离子增强的化学气相沉积(PECVD)或类似物质和方法沉积。当硅-硅键断裂时，所形成的a-Si膜通过悬空键被留下。悬空键是非晶形半导体层内的缺陷，使得带间隙内具有非零的能态密度，从而导致电荷迁移(截止电流)。为了最小化由悬空键引起的能态密度，a-Si被氢化。通常对于TFT，a-Si:H膜包含有约10-20％的氢。
但是在加工期间，Si:H键可能会无意中断裂。例如，在a-Si:H膜的离子轰击期间，高能量离子可使得Si:H键断裂，留下导致能态密度增加和较大Ioff的悬空键。在加工期间高能量离子的生成可能是由不良或错误的工艺参数引起的，并可导致整个板(面板)效应而不是单个独立的TFT缺陷。换言之，面板的整个区域而不是单个孤立的TFT可具有质量较差的a-Si:H膜。
良好的TFT在a-Si:H和SiNx膜的带间隙中具有较小的能态密度，而有缺陷的TFT在a-Si:H和SiNx膜的带间隙中具有较大的能态密度。随着温度升高，带间隙中陷获的电荷输送到传导带中，并增大了TFT截止电流。因此，有缺陷的TFT在较高温度时会具有较大的Ioff(参见图6)。
在引入用于TFT-LCD电视的高照度背光之前，以上描述的缺陷不会导致失效像素，而由导通TFT和截止TFT引起的阈电压漂移会彼此抵销。近年来，TFT-LCD面板制造商已经注意到，在模块化组件处的大功率的(因此温度较高的)背光会导致上述缺陷并且会不利地影响产量。这一类型的缺陷不能被修复，但是在制造过程中足够早地检测到它是重要的，从而能够对制造工作参数进行反馈和修正，以最小化损耗。
一种已知的检测这些缺陷的方法利用了Ioff对温度的依赖性。当热量施加至已经组装为模块的TFT-LCD板或面板时，测量截止电流。但是实际上，这种方法在TFT-LCD制造商所要求的高生产率下难以实现。抽样是可接受的技术，当前，在阵列制造之后以及在组装步骤中的许多步骤完成之后，制造商会对组装的模块进行完全的测试。与加热整个面板并测量Ioff相关的主要缺点在于(a)加热面板所需的时间，以及(b)与大尺寸(可能是两米长两米宽)面板相适应所需的装置的复杂度。
在LCD板的阵列测试期间和刚好在板被分成面板并组装成模块的加工步骤之前，对于检测这种类型的TFT缺陷的方法和装置的需求一直存在。
发明内容
一种用于检测薄膜晶体管(TFT)液晶显示器(LCD)面板中的TFT缺陷的方法，其部分地包括：向设置在面板上的TFT施加应力偏0置；以及检测TFT电特性的变化。TFT电特性的变化可使用电压成像光学系统或电子束来检测。
在某些实施方案中，在施加应力偏置时，可改变面板温度。在施加应力偏置时，面板可被加热或冷却。在某些实施方案中，检测TFT阵列上的电特性的变化。
在组装成模块之前，可在TFT制造层面向屏幕有缺陷的板应用缺陷检测。在加工过程的较早阶段执行缺陷检测，因此降低了总成本。
附图说明
图1是现有技术中公知的平板显示器(FPD)组件的剖视图；
图2是现有技术中公知的非晶硅(a-Si)薄膜晶体管(TFT)的剖视图；
图3示出了现有技术中公知的、图2的TFT中的导电沟道和电流的形成；
图4A是现有技术中公知的、理想的非晶形半导体的能带图；
图4B是现有技术中公知的、典型的非晶形半导体的能带图；
图5是现有技术中公知的MIS(金属-绝缘体-半导体)的能带图；
图6示出了现有技术中公知的、作为温度倒数的函数的TFT漏-源电流的多个曲线；
图7A是MIS器件在施加电偏置之前的能带图；
图7B是图7A的MIS器件在施加使得电荷俘获在带间隙中的电偏置之后的能带图；
图7C是图7A的MIS器件在施加使得在带间隙中产生能态的电偏置之后的能带图；
图8示出了TFT阈电压漂移对偏置应力时间和偏置应力电压的依赖性；
图9示出了在施加偏置应力之前和之后，对于良好的和有缺陷的TFT，作为栅-源电压的函数的漏-源电流的各种曲线；
图10是根据本发明的一个实施方案的、检测与TFT中的a-Si:H层相关的缺陷所采取的步骤的流程图。
具体实施方式
根据本发明，为了检测TFT面板中的缺陷，在已知的时间间隔内向TFT面板施加电偏置。所施加的电偏置使得电荷俘获在SiNx膜中和/或在a-Si:H膜中产生能态，从而导致了TFT阈电压漂移。阈电压漂移导致了TFT IOFF电流的变化。阈电压漂移量(/ΔVT)取决于所施加的偏置电压、偏置的持续时间、以及膜中初始的能态密度。
图7A是MIS器件在施加电偏置之前的能带图。图7B是图7A的MIS器件在施加使得电荷俘获在带间隙中的电偏置之后的能带图。图7C是图7A的MIS器件在施加使得在带间隙中产生能态的电偏置之后的能带图。
图8示出了TFT阈电压漂移对偏置应力时间和偏置应力电压的依赖性。如图8所示，应力时间越长或者偏置电压VGB越大，阈电压漂移量/ΔVT越大。
图9的曲线100示出了在施加偏置应力之前，对于良好的和有缺陷的TFT，作为栅-源电压函数的漏-源电流。图9的曲线102示出了在施加偏置应力之后，对于良好的TFT，作为栅-源电压函数的漏-源电流。图9的曲线104示出了在施加偏置应力之后，对于有缺陷的TFT，作为栅-源电压函数的漏-源电流。如图9中所示，对于每个栅-源电压，有缺陷的TFT与良好的TFT相比，由阈电压漂移所引起的电流漂移更大。
因此，根据本发明，为了检测与TFT中的a-Si:H层相关的缺陷，施加足够时间的电偏置应力，以增大缺陷的能态密度。缺陷的能态密度的增大使得器件的阈电压产生相应的漂移以及Ioff。受应力的板或面板具有漂移的阈电压，因而能够使用标准TFT阵列测试器(例如，由位于CA 95138圣何塞Optical Court 5970的光子动力学公司制造的Array Checker，其使用电压成像光学系统(VIOS)技术)对其进行电测试。也可使用其他的电子阵列测试器，例如使用电子束技术的测试器或测量阈电压漂移的任何其他装置。
图10是根据本发明的一个实施方案的、检测与TFT中的a-Si:H层相关的缺陷所采取的步骤的流程图。向测试中的面板施加电(电压)偏置应力202。电压水平和偏置的持续时间由用户来选择。电偏置测试的应用在204结束。偏置应力使得有缺陷的面板具有漂移的阈值电压漂移。接下来，使用测试器(例如，由光子动力学公司制造的ArrayChecker)来执行像素电测试(pixel electric test)，以测量电压变化。在应用应力测试之前或之后设定缺陷阈值208。偏置应力使得有缺陷的面板具有漂移的阈电压漂移，该漂移的阈电压漂移可由VIOS检测。在缺陷提取210之后，在缺陷程度基础上确定面板的价值212
在某些实施方案中，用户可调节的应力电压可为+/-50伏特，而用户可调节的应力时间可在1000至2000秒之间变化。可对制造流程中的面板的样品或者对每个面板施加应力。
在某些实施方案中，如果面板的温度发生变化，则偏置应力时间可缩短。这样，在施加电压应力同时，可对测试中的板加热或冷却。作为一种选择，可在施加电压应力之前或之后对测试中的板加热或冷却。
只要a-Si:H膜的温度保持低于a-Si:H沉积温度(例如，大约250至350℃)，则TFT(良好的和有缺陷的)都不会被进一步损坏。与应力测试相结合，将TFT温度升高至例如50℃则可足以使缺陷暴露。
在去除了加热源之后，通过热量的施加而受到应力的TFT释放回其正常(良好的或有缺陷的)状态。因此，随着电压测试的进行，可能需要加热。如果电压测试方法对温度具有依赖性，则这一设置可能具有缺点。
在去除了偏置电压之后，通过施加偏置电压而受到应力的TFT释放回到其正常(良好的或有缺陷的)状态。一般来说，释放时间可为数小时，并通常少于一天。因此，可在阵列测试器装置的不同位置向板施加偏置电压。板可随后设置在阵列测试器中，用于较短时间间隔(短于数小时)内的测试。这可有助于保持阵列测试器的较高利用率。
以上本发明的实施方案是示例性而并非限制性的。各种选择和等同都是可能的。由于本文的公开内容，其他的添加、删减或修改是显而易见的，并且均落在所附的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于检测薄膜晶体管(TFT)液晶显示器(LCD)面板中的TFT缺陷的方法，包括：
向设置在所述面板上的TFT施加应力偏置；
终止所述应力偏置；以及
检测所述TFT的电特性的变化。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使用电压成像光学系统来检测所述电特性的变化。
3.如权利要求1所述的方法，其中，使用电子束来检测所述电特性的变化。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在施加所述应力偏置时改变所述面板的温度。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在施加所述应力偏置时加热所述面板。
6.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在施加所述应力偏置时冷却所述面板。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在检测所述TFT电特性的变化时改变所述面板的温度。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：
在检测所述TFT电特性的变化时加热所述面板。
9.如权利要求7所述的方法，进一步包括：
在检测所述TFT电特性的变化时冷却所述面板。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述TFT以阵列的形式设置，所述方法进一步包括：
检测TFT阵列的电特性的变化。
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Open date: 20090729