第07章-薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)說(shuō)課材料

第7章薄膜晶體管的

結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)王麗娟2013年02月10日平板顯示技術(shù)基礎(chǔ)，2013年，北京大學(xué)出版社17.1a-Si:HTFT結(jié)構(gòu)概述7.2背溝道刻蝕結(jié)構(gòu)的a-Si:HTFT7.3背溝道保護(hù)結(jié)構(gòu)的a-Si:HTFT7.4其他結(jié)構(gòu)的a-Si:HTFT7.5薄膜晶體管陣列的設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容27.2背溝道刻蝕型TFT的工藝流程4PEP1柵極Mo/AlNd

PEP2a-Si:H

島SiNx/α-Si/n+-SiPEP3源漏電極及溝道切斷

Mo/Al/Mo;α-Si/n+-SiPEP4SiNx保護(hù)膜及過(guò)孔PEP5ITO像素電極7.2.15PEP陣列工藝57.2.1背溝道a-Si:HTFT的平面結(jié)構(gòu)67.2.1背溝道a-Si:HTFT的斷面結(jié)構(gòu)a-SiTFT信號(hào)線掃描線C處和C’處斷面ITO像素電極存儲(chǔ)電容C處C’處71PEP柵線n+a-Si膜厚300?a-Si膜厚1500?SiNx膜厚3500?AlNd/Mo膜厚2000~3000?2PEPa-Si島柵極a-Si:Hn+a-SiSiNx柵線及柵極存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)電容有源島SiNx絕緣膜83PEP信號(hào)線源極漏極切斷后的溝道源極漏極信號(hào)線頂Mo500?AL膜厚3000?底Mo300?n+a-Si膜厚300?a-Si膜厚1500?P-SiNx膜厚2500?94PEP鈍化層和過(guò)孔

P-SiNx鈍化層信號(hào)金屬上過(guò)孔（a）TFT上過(guò)孔漏極上的孔（c）TFT處平面圖形P-SiNx膜厚2500?（d）短路環(huán)處過(guò)孔平面圖形柵金屬上過(guò)孔信號(hào)金屬上過(guò)孔柵極上過(guò)孔鈍化層絕緣層（b）柵金屬上過(guò)孔105PEP象素電極

（d）TFT處的平面圖形像素電極ITO像素電極ITO（a）TFT處ITO存儲(chǔ)電容上電極ITO（b）存儲(chǔ)電容處ITO接觸電極ITO（c）外引線處ITOITO膜厚500?P-SiN膜厚2500?頂Mo500?AL膜厚3000?底Mo300?n+a-Si膜厚300?a-Si膜厚1500?SiN膜厚3500?AlNd/Mo膜厚2000?117.2.1背溝道a-Si:HTFT的斷面結(jié)構(gòu)ItemSub-ItemSpec(?)PEP5ITOITO500PEP4PVSiNx2500PEP3M2Mo450Al2500Mo150PEP2Nn+a-Si300Ia-Si1500GSiNx3500PEP1M1Mo500AlNd270012常采用5次光刻：1次光刻：柵線2次光刻：有源島3次光刻：源漏電極4次光刻：鈍化及過(guò)孔5次光刻：像素電極TFT的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有多種，矩形溝道、U型溝道等；優(yōu)化設(shè)計(jì)：1.采用U型溝道，提高了寬長(zhǎng)比，即增大了溝道寬度、減小了溝道長(zhǎng)度；2.采用I型存儲(chǔ)電容，增大了存儲(chǔ)電荷量，提高了開口率。TFT的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)137.2.2采用4次光刻的工藝流程光刻數(shù)5次光刻4次光刻1柵極柵極2a-Si:H有源島a-Si:H有源島、源漏電極、n+a-Si溝道切斷3源漏電極、n+a-Si溝道切斷SiNx保護(hù)膜、過(guò)孔4SiNx保護(hù)膜、過(guò)孔ITO5ITO——6————7————144次光刻中第二次光刻的工藝流程5次光刻的第二次有源島、第三次源漏電極、溝道切斷4次光刻的第二次光刻有源島島、源漏電極、溝道切斷a-Si:Hn+a-SiSiNx源極漏極切斷后的溝道157.2.2采用4次光刻的工藝流程玻璃基板柵極源漏電極金屬層n+a-Si歐姆接觸層a-Si:H半導(dǎo)體層SiNx絕緣層光刻膠源漏電極金屬層光刻膠分成三個(gè)區(qū)域：曝光區(qū)；半曝光區(qū)；未曝光區(qū)GTM及HTM掩膜版第一次光刻后柵極基板進(jìn)行連續(xù)沉積4層薄膜：氮化硅層非晶硅層摻磷的非晶硅層源漏電極金屬層涂膠多段式調(diào)整掩膜版曝光167.2.2采用4次光刻的工藝流程第2次光刻的工藝流程概括為：連續(xù)沉積薄膜→涂膠→多段式調(diào)整掩膜版曝光→顯影→濕法刻蝕→干法刻蝕及灰化→再濕刻、去膠、再干法刻蝕。光刻膠（a）顯影形成了光刻膠圖形

源漏電極（b）濕刻源漏電極的金屬層

n+a-Si歐姆接觸層a-Si:H有源島光刻膠（c）干法刻蝕及灰化

17切斷后n+a-Sia-Si:H有源島（b）去膠及再干法刻蝕溝道切斷n+a-Si源極漏極（a）再濕刻溝道處金屬漏極光刻膠溝道處源極第2次光刻的工藝流程概括為：連續(xù)沉積薄膜→涂膠→多段式調(diào)整掩膜版曝光→顯影→濕法刻蝕→干法刻蝕及灰化→再濕刻、去膠、再干法刻蝕。7.2.2采用4次光刻的工藝流程187.3背溝道保護(hù)型TFT的工藝流程197.3采用7次光刻的工藝流程光刻數(shù)5次光刻4次光刻7次光刻1柵極柵極柵極2a-Si:H有源島a-Si:H有源島、源漏電極、n+a-Si溝道切斷阻擋層3源漏電極、n+a-Si溝道切斷SiNx保護(hù)膜、過(guò)孔a-Si:H有源島4SiNx保護(hù)膜、過(guò)孔ITOITO像素電極5ITO——過(guò)孔6————源漏電極、n+a-Si溝道切斷7————SiNx保護(hù)膜201PEPGL柵線2PEPIS阻擋層3PEPAI硅島4PEPPXITO像素電極5PEPTH過(guò)孔6PEPSL源漏電極、n+a-Si溝道切斷7PEPPVSiNx鈍化層MoW1800ASiO2000ASiO2150Ag-SiN500Aa-Si500Ai/sSiN3000An+a-Si500AITO400AMoALMo275/3500/500AP-SiN2000A7.3.1采用7次光刻的工藝流程21就是在玻璃基板上有規(guī)則地整齊排列薄膜晶體管的工程。a-Si:HTFT陣列221PEP柵線等效電路柵電極柵線MoWMoWMoW存儲(chǔ)電容形成薄膜晶體管的柵極、柵線及存儲(chǔ)電容的金屬層231PEP柵線MoW前清洗→MoW濺射→涂膠→曝光→顯影→顯影后檢查→MoWCDE→刻蝕后檢查→去膠glass24glassclenaing1PEP柵線——清洗MoW前清洗：主要是用刷洗（NCW-601A0.3%表面活性劑），QDR水洗（處理過(guò)程是前給水10s、排水30s、給水90s，共兩回），US超聲清洗，旋轉(zhuǎn)干燥。25glasssputterGateCSgas：Kr，N21PEP柵線——濺射MoW濺射：采用MoW：W=65：35的合金靶材；膜厚是1800A；電阻率是0.78±0.2Ω/□；耐熱耐藥性好；Mo的耐酸堿等化學(xué)藥品性差，于是W添加可以提高耐化學(xué)藥品性；W量多，膜的電阻率會(huì)上升，所以W的添加量定為35%；濺射氣體用Kr，因?yàn)锳r深入膜的量多，電阻率會(huì)上升。26glsaacoating1PEP柵線——涂膠MoW涂膠：經(jīng)基板清洗、烘干、輸水化（HMDS液）處理、涂膠、基板邊緣清洗、烘干、冷卻。清洗的過(guò)程中要從下面噴一種防靜電劑，其目的是為了防止涂膠過(guò)程中產(chǎn)生的靜電。輸水化（HMDS液）處理是用N2把HMDS液變成霧狀，然后噴灑到基片上，目的是為了提高膠與基板的接觸性能；基板邊緣清洗的目的是為了刷洗邊緣的光刻膠，以免光刻膠固化后，用機(jī)械手夾時(shí)，會(huì)掉下來(lái)，帶來(lái)灰塵。光刻膠膜厚：15000A±500A；均勻性<5%。27glassmask1PEP柵線——曝光28glass1PEP柵線——顯影顯影：顯影液使用的是有機(jī)堿TMAH(N(CH3)4OH)2.38%水溶液。29glass1PEP柵線——CDEMoWCDE:使用的氣體為CF4(125sccm)+O2(375sccm)；功率:800W，壓力:30Pa；剛好刻蝕+O/E10%；摻氧氣的目的是增加F*游離基的生成效率。主要反應(yīng)：Mo+6F*→MoF6W+6F*→WF6CxHyOz+O*→COCxHyOz+F*→HF30glassgateCsgate1PEP柵線——去膠去膠：二甘醇二丁醚65wt%乙醇胺35wt%噴淋去膠、超聲、水洗、干燥、O3灰化O3灰化的原理：用O3吹基板，O3與光刻膠反應(yīng)生成揮發(fā)性的分子（CO2、H2O）而除去。31glasstext1PEP柵線——O/S檢查檢查標(biāo)準(zhǔn)：一條線兩端的電阻大于40KΩ以上，認(rèn)為是斷線，正常是5KΩ~15KΩ程度；兩條線間的電阻值測(cè)定在40KΩ以下，認(rèn)為是短路，通常是高阻抗。

322PEPi/sSiN阻擋層形成薄膜晶體管的絕緣層及阻擋層。阻擋層的作用是防止n+a-Si切斷時(shí)刻到下面的a-Si。由于有阻擋層存在，因此這種TFT的結(jié)構(gòu)是背溝道阻擋型TFT。glass332PEPI/SSiN阻擋層等效電路Cgd342PEPi/sSiN阻擋層SiO前清洗→SiOAPCVD→4層CVD前清洗→4層CVD（SiO，g-SiN，a-Si，i/sSiN）→4層后清洗→O2灰化→涂膠→背曝光→曝光→顯影→顯影后檢查→i/sSiN濕法刻蝕→刻蝕后檢查→去膠35雙層絕緣層的作用36雙層絕緣層的作用37glassSiH4O2N2GateSiOx2PEPi/sSiN阻擋層——APCVD基板加熱后吹入SiH4

、O2

，熱分解后在基板上堆積SiOx；厚度：2100?；溫度：430℃；反應(yīng)氣體：SiH4、O2保護(hù)氣體：N2（目的是形成良好的凈化環(huán)境）；38glassSiH4N2ON2SIH4NH3N2SIH4H2SiH4NH3N2SiOxg-SiNxa-siSiNx2PEPi/sSiN阻擋層——PCVDSiO

膜厚：

2150±430A；氣體：SiH4+NO2+N2g-SiN

膜厚：500±100A；氣體：SiH4+NH3+N2a-Si膜厚：

500±100A；氣體：SiH4+H2I/sSiN膜厚：3000±600A；氣體：SiH4+NH3+N2392PEPi/sSiN阻擋層——PCVD經(jīng)射頻（13.56MHz）后，產(chǎn)生化學(xué)活性強(qiáng)的離子、游離基，在基板表面發(fā)生加快的化學(xué)反應(yīng)形成薄膜；兩層SIO是絕緣層。成兩次SiOx成膜并在中間加一道清洗，其作用是為了針孔錯(cuò)開。G-SiN是一種匹配膜。介于絕緣層SiO和有源層a-Si之間。為了讓SiO和a-Si有很好的接觸。另外也能起到絕緣的作用。A-Si是有源層。A-Si是非晶硅，是一種半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)是價(jià)電子正好把價(jià)帶填滿，禁帶較窄，一般在2個(gè)電子伏特時(shí)，價(jià)帶中的電子就可以被激發(fā)到導(dǎo)帶，于是有導(dǎo)電的本領(lǐng)。I/sSiN是阻擋層。是防止n+a-Si切斷時(shí)防止刻到下面的a-Si膜。40glassSiNxSiOx2PEPi/sSiN阻擋層——O2灰化i/s

SiN膜具有親水性，與光刻膠的密著不好；把親水性的i/s

SiN變成疏水性的SiO；主要反應(yīng)：SiN+O2→SiO+N2。41glass2PEPi/sSiN阻擋層——涂膠42glass2PEPi/sSiN阻擋層——背曝光用柵線作掩膜，為了提高對(duì)版精度；自對(duì)準(zhǔn)。43glass2PEPi/sSiN阻擋層——正面曝光讓部分柵線上的光刻膠曝光。44glass2PEPi/sSiN阻擋層——顯影45glass2PEPi/sSiN阻擋層——濕刻刻蝕液：HF0.21wt%；藥液溫度：45±0.7℃；藥液壓力：0.25±0.05kg/cm2。463PEPa-Si島形成a-Si島，即形成薄膜晶體管的可以導(dǎo)電的小島。n+a-Si是歐姆接觸層。N+a-Si的導(dǎo)電性介于金屬與半導(dǎo)體之間，就是為了在MoALMo與a-Si之間形成良好的接觸。473PEPa-Si島等效電路a-Si島483PEPa-Si島→n+a-Si前清洗→n+a-SiCVD→涂膠→曝光→顯影→顯影后檢查→3層CDE→刻蝕后檢查→去膠glass49GlassN+cleaning3PEPa-Si島——清洗清洗液：LAL-50(HF:NH4F:H2O=0.17:17.10:82.73)+O3水；n+a-Si前清洗中使用的是LAL-50和O3水處理。其作用是用LAL-50把容易氧化的a-Si表層的氧化硅去掉，以免n+a-SI與a-Si之間接觸不良。用O3水處理是為了把LAL-50處理后的a-Si再生成一層氧化硅的保護(hù)膜，防止再自然氧化。經(jīng)O3水處理的氧化硅在n+a-SiCVD的一個(gè)反應(yīng)室中被打掉。50glassN+a-si3PEPa-Si島——n+a-Sin+a-Si是歐姆接觸層；n+a-Si的導(dǎo)電性介于金屬與半導(dǎo)體之間，就是為了在MoALMo與a-Si之間形成良好的接觸；氣體：SiH4+PH3+H2；膜厚：500±100A；分布≤15。51glass3PEPa-Si島——CDE氣體：CF4(670sccm)+O2(330sccm)；功率：800W;壓力:30Pa；刻蝕膜：n+a-Si/a-Si/g-SiN；終點(diǎn)監(jiān)控。主要反應(yīng)：Si+4F*→SiF4SiNx+F*→SiF4+N2CxHyOz+O*→COCxHyOz+F*→HF524PEPITO象素電極等效電路象素電極ITO形成液晶顯示器的畫面顯示區(qū)域534PEPITO象素電極ITO前清洗→ITO濺射→ITO后清洗→涂膠→曝光→顯影glass→顯影后檢查→ITO濕刻→刻蝕后檢查→去膠54glassITOsputter4PEPITO象素電極——ITO濺射ITO濺射：●膜厚是400A；●電阻率是60Ω/□；●透過(guò)率：75%●靶材In2O3：SnO2=90：10●結(jié)構(gòu)是立方晶結(jié)構(gòu)，因?yàn)镮TO的刻蝕速率慢，而且電阻率、透過(guò)率受結(jié)晶狀態(tài)影響很大，所以基板加熱很重要?！駷R射過(guò)程中微量的氧氣可以改變薄膜的結(jié)晶狀態(tài)，降低電阻率?！駷R射氣體是Ar400Sccm和O20.6Sccm。55glass4PEPITO象素電極——ITO刻蝕刻蝕液：HCL:HNO3:H2O=20:1:10565PEP過(guò)孔涂膠→曝光→顯影→顯影后檢查→SiO濕刻SiO刻蝕藥液：HF：NH4F：H2O=6：30：64→刻蝕后檢查→去膠就是把基板邊緣需要引線、測(cè)試和短路環(huán)部分的SiO刻蝕掉，暴露下面的MoW的過(guò)程。575PEP過(guò)孔等效電路VgVs585PEP過(guò)孔涂膠曝光顯影595PEP過(guò)孔SiO濕法刻蝕去膠606PEPMoALMo源漏電極形成薄膜晶體管的源漏電極N+a-Si切斷就是把源漏電極之間的n+a-Si刻凈，防止源漏電極短路。MoALMo的上層Mo的作用是上層Mo的作用是填平AL的小丘，防止因小丘引起的斷線等缺陷。下層Mo的作用是防止AL還原ITO及防止AL向n+a-Si和a-Si擴(kuò)散導(dǎo)致TFT的特性中的開關(guān)比上升。616PEPMoALMo源漏電極等效電路漏電級(jí)MoALMo源電極MoALMo信號(hào)線MoALMoCds626PEPMoALMo源漏電極MoALMo前清洗→MoALMo濺射→MoALMo后清洗→涂膠→曝光→顯影→顯影后檢查→MoALMo濕刻→刻蝕后檢查→n+切斷刻蝕→刻蝕后檢查→去膠63glassS/Dcleaning6PEPMoALMo源漏電極——清洗MoALMo前清洗：主要是用刷洗，QDR水洗，LAL刻蝕，QDR水洗，超聲清洗，IPA干燥。LAL刻蝕：因?yàn)镸oALMo濺射前，n+a-Si暴露于大氣，和容易氧化形成氧化硅，所以要用LAL刻蝕去表面的氧化物，O3水處理：在表面再形成一層薄的氧化硅，但不同于n+a-Si前清洗的地方是在濺射中沒(méi)有除去氧化物的刻蝕室，因?yàn)镸oALMo是金屬，金屬離子的活性高，在熱退火中很容易滲透，不會(huì)影響與n+a-Si的接觸性能。在工藝中，有時(shí)也不用O3水處理，不形成薄的氧化物，因?yàn)榍逑春蠛芸炀瓦M(jìn)行濺射，即使表面形成一層自然的氧化硅，通過(guò)退火也不會(huì)影響器件的性能。64glassS/Dsputter底Mo膜厚：275±50A；方塊電阻：11.00±4.0Ω/□氣體：ArAL膜厚：3500±350A；方塊電阻：80±10Ω/□氣體：Ar頂Mo膜厚：500±50A；方塊電阻：4.4±0.9Ω/□氣體：Ar6PEPMoALMo源漏電極——MoAlMo濺射相對(duì)反射率215%（僅AL，480nm可見光），相對(duì)反射率時(shí)棒硅對(duì)下層膜的反射率。相對(duì)反射率的好壞決定MoALMo刻蝕的好壞，反射率不好，刻蝕性也不好。656PEPMoALMo源漏電極——刻蝕glassMoALMo濕刻：用H3PO4：CH3COOH：H·O：HNO3=76.8：15.2：5：366glassn+a-Si切斷：氣體是HCL250Sccm，SF6200Sccm，He300Sccm；壓力26.7Pa，功率600W。用O2灰化出去表面變應(yīng)的光刻膠。HCL是為了提高a-Si對(duì)I/sSiN的選擇比。用時(shí)間監(jiān)控，以免刻蝕I/sSiN等。6PEPMoALMo源漏電極——n+切斷67glassSL去膠：有濕法去膠和灰化部分；灰化是干法去膠，為了除去殘留的光刻膠。用IPA處理和紫外燈照射。因?yàn)锳L容易被稀釋的去膠液腐蝕，為了保證圖形的完整性，6PEP和7PEP有AL以后的去膠都用IPA去膠，其作用是置換的作用。以免少量的去膠液帶到水洗槽，會(huì)刻蝕AL。其它幾次光刻可用可不用紫外燈照射，但第六次必須用。因?yàn)榈诹稳ツz連續(xù)兩次刻蝕，光刻膠的性質(zhì)會(huì)發(fā)生微小的變化，為了更好的除去光刻膠，用紫外燈照射，防止O3分解，可以用大量的O3除去殘留的光刻膠，來(lái)更好的去膠。6PEPMoALMo源漏電極——去膠687PEPP-SiN鈍化層形成TFT的鈍化層，保護(hù)TFT防止受到灰塵、潮濕的影響。P-SiN前清洗→P-SiNCVD→涂膠→曝光→顯影→顯影后檢查→P-SiNPE干法刻蝕→刻蝕后檢查→SiO濕法刻蝕→刻蝕后檢查→去膠697PEPP-SiN鈍化層P-SiN前清洗P-SiNCVD涂膠707PEPP-SiN鈍化層曝光顯影717PEPP-SiN鈍化層去膠P-SiNPE727PEPP-SiN鈍化層要點(diǎn)說(shuō)明★P-SiN前清洗：不用刷洗，以免把已經(jīng)形成好的器件劃傷?！颬-SiNCVD：膜厚是2000A；使用氣體是SiN4，N2，NH3。★P-SiNPE是用終點(diǎn)監(jiān)控，加上過(guò)刻蝕90%。終點(diǎn)監(jiān)控可以保證P-SiN膜刻蝕凈。過(guò)刻蝕90%，是為了把過(guò)孔處表面的Mo刻蝕掉，AL暴露出來(lái)。原因是Mo容易氧化，形成氧化鉬，使得引線及測(cè)試時(shí)接觸不良加不上電壓。使用氣體是N280Sccm，SF6480Sccm，He480Sccm，功率1000W，壓力26.7Pa