第07章-薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)課件

1、第7章 薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)長春工業(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17.1 a-Si:H TFT結(jié)構(gòu)概述7.2 背溝道刻蝕結(jié)構(gòu)的a-Si:H TFT 7.3 背溝道保護(hù)結(jié)構(gòu)的a-Si:H TFT 7.4 其他結(jié)構(gòu)的a-Si:H TFT7.5 薄膜晶體管陣列的設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容27.1 a-Si:H TFT 結(jié)構(gòu)概述（b）背溝道刻蝕型源極柵極n+a-Sia-Si:HSiNx漏極SiNx阻擋層?xùn)艠On+a-Sia-Si:H源極SiNx漏極柵極（c）背溝道保護(hù)型SiNxa-Si:H源極（a）正交疊型漏極遮光層?xùn)艠O頂柵結(jié)構(gòu)是柵極在上面的一種結(jié)構(gòu)；底柵結(jié)構(gòu)是柵

2、極在下面的一種結(jié)構(gòu)，又可以分為背溝道刻蝕型（Back-channel etched）和背溝道保護(hù)型（Back-channel stop） 。37.2 背溝道刻蝕型TFT的工藝流程4PEP 1 柵極 Mo/AlNd PEP 2 a-Si:H 島 SiNx /-Si/ n+-Si PEP 3 源漏電極及溝道切斷 Mo/Al/Mo;-Si/ n+-Si PEP 4 SiNx保護(hù)膜及過孔 PEP 5 ITO像素電極7.2.1 5PEP陣列工藝57.2.1 背溝道a-Si:H TFT 的平面結(jié)構(gòu)67.2.1 背溝道a-Si:H TFT 的斷面結(jié)構(gòu)a-Si TFT信號(hào)線掃描線C處和C處斷面ITO像素電極存

3、儲(chǔ)電容C處C處71PEP 柵線n+a-Si膜厚 300a-Si膜厚 1500SiNx膜厚 3500AlNd/Mo膜厚 200030002PEP a-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Mo 500AL膜厚 3000底Mo 300n+a-Si膜厚 300a-Si膜厚 1500P-SiNx膜厚 250094PEP 鈍化層和過孔 P-SiNx鈍化層信號(hào)金屬上過孔（a）TFT上過孔漏極上的孔（c）TFT處平面圖形P-SiNx膜厚 2500（d）短路環(huán)處過孔平面圖形柵金屬上過孔信號(hào)金屬上過孔柵極上過

4、孔鈍化層絕緣層（b）柵金屬上過孔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 500P-SiN膜厚 2500頂Mo 500AL膜厚 3000底Mo 300n+a-Si膜厚 300a-Si膜厚 1500SiN膜厚 3500AlNd/Mo 膜厚2000117.2.1 背溝道a-Si:H TFT 的斷面結(jié)構(gòu)ItemSub-ItemSpec()PEP5ITOITO500PEP4PVSiNx2500PEP3M2Mo450Al2500Mo150PEP2Nn+a-Si30

5、0Ia-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，提高了寬長比，即增大了溝道寬度、減小了溝道長度；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、過孔4SiNx保護(hù)膜、過孔ITO5I

6、TO67144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)

7、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-Si a-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

8、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、過孔a-Si:H有源島4SiNx保護(hù)膜、過孔ITOITO像素電極5ITO過孔6源漏電極、n+a-Si溝道切斷7SiNx保護(hù)膜201PEP GL 柵線2PEP IS 阻擋層3PEP AI 硅島4PEP PX ITO像素電極5PEP TH 過孔6PEP SL 源漏電極、n+a-Si溝道切斷7PEP PV SiNx鈍化層MoW 1800ASiO 2000ASiO 2150Ag-SiN 500Aa-Si 500Ai/s SiN 3000An+a-

9、Si 500AITO 400AMoALMo 275/3500/500AP-SiN 2000A7.3.1 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:H TFT 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 MoW CDE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（處理過程是前給水10s、排水30s、給水90s，共兩回），

10、US超聲清洗，旋轉(zhuǎn)干燥。25glasssputterGate CSgas：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0.780.2/；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。清洗的過程中要從下面噴一種防靜電劑，其目的是為了防止涂膠過程中產(chǎn)生的靜電。輸水化（HMDS

11、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，帶來灰塵。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CDEMoW CDE:使用的氣體為CF4(125sccm)+O2(375sccm)； 功率:800W，壓力:30Pa； 剛好刻蝕+O/E 10%； 摻氧氣的目的是增加F*游離基的生成效率。

12、 主要反應(yīng)： Mo + 6F* MoF6 W + 6F* WF6 CxHyOz +O* CO CxHyOz +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40K以上，認(rèn)為是斷線，正常是5K 15K 程度； 兩條線間的電阻值測(cè)定在40K 以下，認(rèn)為是短路，通常是高阻抗。 322PEP i/s SiN阻擋層形成薄膜晶體管的絕緣層及

13、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。glass332PEP I/S SiN阻擋層等效電路Cgd342PEP i/s SiN阻擋層SiO前清洗SiO AP CVD4層 CVD前清洗4層CVD （SiO，g-SiN，a-Si，i/s SiN）4層后清洗O2灰化涂膠背曝光曝光顯影顯影后檢查i/s SiN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37glass SiH4 O2 N2Gate SiOx2PEP i/s SiN阻擋層AP CVD基板加熱后吹入SiH4 、O2 ，熱分解后在基板上堆積

14、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）；38glassSiH4 N2O N2SIH4 NH3 N2SIH4 H2SiH4 NH3 N2SiOxg-SiNxa-siSiNx 2PEP i/s SiN阻擋層PCVDSiO 膜厚： 2150430A；氣體：SiH4+NO2+N2g-SiN 膜厚：500100A；氣體：SiH4+NH3+N2a-Si 膜厚： 500100A；氣體：SiH4+H2I/s SiN膜厚：3000600A；氣體：SiH4+NH3+N2392PEP i/s SiN阻擋層PCVD經(jīng)射頻（13.56MHz）后，

15、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/s SiN是阻擋層。是防止n+a-Si切斷時(shí)防止刻到下面的a-Si膜。40glassSiNx SiOx2PEP i/s SiN阻擋層O2灰化i/s S

16、iN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。41glass2PEP i/s SiN阻擋層涂膠42glass2PEP i/s SiN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)。43glass2PEP i/s SiN阻擋層正面曝光讓部分柵線上的光刻膠曝光。44glass2PEP i/s SiN阻擋層顯影45glass2PEP i/s SiN阻擋層濕刻刻蝕液：HF 0.21wt%；藥液溫度：450.7；藥液壓力：0.250.05kg/cm2。463PEP a-Si島形成a-Si島，即形成薄膜晶體管的可以導(dǎo)電

17、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。473PEP a-Si島等效電路a-Si島483PEP a-Si島 n+a-Si前清洗n+a-Si CVD涂膠曝光顯影顯影后檢查3層CDE刻蝕后檢查去膠glass49GlassN+cleaning3PEP a-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

18、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-Si CVD的一個(gè)反應(yīng)室中被打掉。50glassN+a-si3PEP a-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：500100A；分布15。51glass3PEP a-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*

19、 SiF4 SiNx + F* SiF4 +N2 CxHyOz +O* CO CxHyOz +F* HF524PEP ITO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534PEP ITO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 54glassITO sputter4PEP ITO象素電極ITO濺射ITO濺射：膜厚是400A； 電阻率是60/； 透過率：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 、透過率受結(jié)晶狀態(tài)影響很大，所以基板加熱很重要。 濺射過程中微量的氧氣可

20、以改變薄膜的結(jié)晶狀態(tài)，降低電阻率。 濺射氣體是Ar 400Sccm和O2 0.6Sccm。55glass4PEP ITO象素電極ITO刻蝕刻蝕液：HCL:HNO3:H2O=20:1:10565PEP 過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的過程。575PEP 過孔等效電路VgVs585PEP 過孔涂膠曝光顯影595PEP 過孔SiO濕法刻蝕去膠606PEP MoALMo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，

21、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。616PEP MoALMo源漏電極等效電路漏電級(jí)MoALMo源電極MoALMo信號(hào)線MoALMoCds626PEP MoALMo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/D cleaning6PEP MoALMo源漏電極清洗MoALMo前清洗：主要是用刷洗，QDR水洗，LA

22、L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，通過退火也不會(huì)影響器件的性能。64glassS/D sputter底Mo膜厚：27550A；方塊電阻：11.004.0/氣體：Ar

23、AL膜厚：3500350A；方塊電阻：8010/氣體：Ar頂Mo膜厚：50050A；方塊電阻：4.40.9/氣體：Ar6PEP MoALMo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。656PEP MoALMo源漏電極刻蝕glassMoALMo濕刻：用H3PO4：CH3COOH：HO：HNO3=76.8：15.2：5：366glassn+a-Si切斷：氣體是HCL 250Sccm，SF6 200Sccm，He 300Sccm； 壓力26.7Pa，功率600W。 用

24、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/s SiN的選擇比。 用時(shí)間監(jiān)控，以免刻蝕I/s SiN等。6PEP MoALMo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

25、用大量的O3除去殘留的光刻膠，來更好的去膠。6PEP MoALMo源漏電極去膠687PEP P-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-SiN CVD涂膠曝光顯影顯影后檢查P-SiN PE 干法刻蝕刻蝕后檢查SiO濕法刻蝕刻蝕后檢查去膠 697PEP P-SiN鈍化層P-SiN前清洗P-SiN CVD涂膠707PEP P-SiN鈍化層曝光顯影717PEP P-SiN鈍化層去膠P-SiN PE727PEP P-SiN鈍化層要點(diǎn)說明 P-SiN前清洗：不用刷洗，以免把已經(jīng)形成好的器件劃傷。P-SiN CVD：膜厚是2000A；使用氣體是SiN4，N2，NH3。P-SiN PE是用終點(diǎn)監(jiān)控，加上過刻蝕90%。終點(diǎn)監(jiān)控可以保證P-SiN膜刻蝕凈。過刻蝕90%，是為了把過孔處表面的Mo刻蝕掉，AL暴露出來。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N2 80Sccm，SF6 480Sccm，He 480Sccm，功率1000W，壓力26.7Pa。O2是用來灰化