（凝聚态物理专业论文）基于玻璃衬底的薄膜晶体管（tft）制备技术的研究.pdf

中山大学硕士学位论文 论文题目：基于玻璃衬底的薄膜晶体管( t f t ) 制备技术的研究 专业：凝聚态物理 硕士生：李洪 指导教师：许宁生教授 中文摘要 薄膜晶体管( t h i nf i l mt r a n s i s t o r 简称呵) 在平板显示技术中有重要应 用，是实现高分辨平板显示器件的关键。本论文以研制出具有实用特性的耵呵为 目标，从掌握n 可制各技术及工艺出发，结合现有的实验条件，在n 叮的设 计、工艺、测试方面开展了工作。 论文在简单介绍了薄膜晶体管的工作原理和基本结构后，选择底栅结构的非 晶硅n 叮器件开展工作。首先，对1 w 结构各层薄膜材料进行选择和制备。1 r i 呵 金属电极薄膜材料选择c r 和烈。用磁控溅射法制备c r 薄膜，获得方块电阻为 1 2 5 2 5 倒口的薄膜；用真空蒸发法制备a l 薄膜，可获得方块电阻为0 4 0 4 5 纠口的薄膜。订叮绝缘层材料选择s i 0 2 和s i n x 。用p e c v d 方法制备，s i 0 2 绝缘 层的耐压达到7m v c m 左右，s i n x 绝缘层的耐压达到5m v c m 。呵有源层材 料选择a - s i ，用p e c v d 方法同样可以获得有源层的a - s i 薄膜和欧姆接触层n + a s i 薄膜，有源层a - s i 薄膜暗电导率小于1 0 4 1 0 4 q c m ，欧姆接触层n + a - s i 薄 膜暗电导率为1 0 - 3 ，q c m 。上述各层薄膜的厚度，通过台阶仪法来进行检测。 其次，设计叩的结构参数，结果是：宽长比w l 是9 ，欧姆接触层厚度 是3 01 1 1 3 1 ，有源层厚度是1 5 0i l m ，绝缘层是3 0 0n m ，栅电极层厚度是1 0 0 衄， 上电极层厚度是2 5 01 1 1 1 1 。设计掩模版，它们包括叮阵列、单个n 可、测试电 极、测试电容等，掩模版大小为2 英寸。 最后，按照底栅结构的非晶硅n 可工艺的流程，制备出叮器件。并对其 进行了电学特性测试，测试结果如下：所制备的叮器件样品，a - s i 导电沟道的 中山大学硕士学位论文 电子迁移率达到0 2c m 2 s ，驱动电压小于1 5v ，t f t 器件的开关电流比达到 1 0 4 左右( 为v a = 1 5 v ，v g = 3 0 v 时) ，器件具有实现晶体管的开关特性。 关键词：薄膜晶体管( t f t ) ，非晶硅薄膜晶体管( a - s it f t ) ，薄膜沉积 中山大学硕士学位论文 t i t l e ：t h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yr e a s e r e ho ft h i nf i l mt r a s i s t o ro y r ) o ng l a s ss u b s t r a t e m a j o r ：c o n d e n s e d - m a t t e rp h y s i c s n a m e ：h o n gl i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rn i n g s h e n gx u a b s t r a c t t h i nf i l mt m n s i s i t o r ( t f t ) ，w h i c hi sak e yt ot h eh i g h - r e s o l u t i o nd i s p l a y , h a s i m p o r t a n ta p p l i e di nt h ep l a td i s p l a yf i l e d i no r d e r t om a s t c rt h en 可f a b r i c a t i o nt c c l m o l o g y , t h et a r g e to ft h ep a p e ri st of a b r i c a t ep r a c t i c a lt f rc o m b i n i n gw i f l lt h ee x i s t e de q u i p m e n t s t h e r e 蛳s o m ew o r k sh a db e e nd o n ef r o md i f f c r a n tp a r t ss u c h 笛1 1 丌d a s i g n , f a b r i c a t i o np r o c e s sa n d m e a s u r i n g a f t e ras m a l lp a r tg i v e nt oi n t r o d u c et h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h eb a s e ds t r u c t u r e so f t f t ，w ec h o s et h eb a c k - c h a n n e l - e t c h e ds t r u c t u r et os p r e a do u rr e s e a r c hw o r k f i r s t o fa 1 1 i ti st os e l e c tt h es u i t a b l et h i nf i l m sa n dt oa c c o m p l i s he a c hl a y e r sd e p o s i t i o n c r f i l mo ra 1f i l mh a db e e nc h o s e 嬲m e t a le l e c t r o d el a y e r c rf i l mw a sd e p o s i t e db y s p u t t e r i n ga n di t sr e s i s t a n c ei s1 2 5 2 5 饼口a 1 丘l mw a sd e p o s i t e db yv a c t r i i i i e v a p o r a t i o na n di t sr e s i s t a n c ei s0 4 o 4 5q ，口s i 0 2f i l mo rs i n x 丘l mh a sb e e nc h o s e d i e l c c t i e cl a y e r t h ed i e l e c t i e cf i l mc a nb ed e p o s i t e db yp e c v d 。t h eb r e a kd o w n v o l t a g eo fs i 0 2 a n ds i n xe a c hl a y e ra t t a i nt o7m v c ma n d5m v c m a - s if i l mw a s c h o s ea sa c t i v el a y e ra n dn + a - s if i l mw a sc h o s ea so h mc o n t a c tl a y e r ma - s ia n dn 十 a - s if i l m sa l s oc a nb ed e p o s i t e db yp e c v d t h ed a r kc o n d u c t a n c eo f t h ea - s if i l ml e s s t h a n1 0 - 7 1 0 s o c ma n dt h a to f n + a - s if i l mi sa p p r o x i m a t e l yl 旷，o c m s u r f a c e p m f i l e fc a nm e a s u r ee a c hf i l m st h i c k n e s s s e c o n d l y , t h ed e s i g nc o n s t r t l c tp a r a m e t e r so f 啊叮a r ew l = 9 3 0 衄o fo h m c o n t a c tl a y e r 1 5 0 姗o f t h ea c t i v el a y e r , 3 0 0n mo f t h ei n s u l a t i o nl a y e r , 1 0 0s i no f t h e g a t ep o l el a y e ra n d2 5 0n mo ft h es u o u r e d r i a nl a y e r t h em a s ks i z ei s2 i n c hw h i c h c o n t a i n st w a r m y s i n g l et f ra n do t h e rt e s t i n gd e v i c e s 中山大学硕一l 学位论立 a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h ef a b r i c a t i o nf l o w i n go fb a c k g a t es t r u c t u r e ，w em a d eo u t t h et f td e v i c ea n d h a da l le l e c t r i ct e s t i n go f t h ea - s it f td e v i c e t h em o b i l i t yo f a s i c h a n n e li sa b o u t0 2c m 2 v sa n dt f td r i v ev o l t a g el e s st h a n1 5v w h e np l u s1 5v d r i v ev o l t a g ea n d3 0vg a t ev o l t a g eo i lt f t t h er a t i oo fo nc u r r 甜i ta n do f fc u r r e n tc a l l a t t a i n t o1 0 4s o i t sc a n w o r k a s as w i t c h k e y w o r d s ：t h i nf i l mt r a n s i s t o r ( t f ，a - s it f t ，f i l md e p o s i t i o n 中山大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 平板显示技术简介【l 棚 在当今世界信息化的时代中，显示技术在信息技术的发展中占据着重要的地 位。自上世纪九十年代以来，随着显示技术的革新和市场需求的急剧增加，平板 显示器具有体积小、重量轻、耗电省、辐射小、电磁兼容性好等一系列优点，而 且随着显示工艺技术的不断的突破，平板显示器的亮度、视角、全彩色等性能已 经可以和阴极射线管显示器相媲美，平板显示器技术取得了极大的发展。 电子显示器通过信息调制方式的不同，分为主动发光型和被动发光型两大 类。其中，利用信息来调制各像素的发光亮度和颜色，进行直接显示的为主动发 光型；而器件本身不发光，利用信息调制外光源，进行显示的为被动发光型。按 照显示原理分类，主要有阴极射线管( c a t h o d er a yt u b e ，c r t ) 显示、液晶显 示( l i q u e dc r y s t a l sd i s p l a y ，l c d ) 、等离子显示( p l s m ad i s p l a yp a n e l ， p d p ) 、发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 显示、有机发光二极管 ( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e ，o l e d ) 显示、电致发光( e l e c t r o n i c l u m i n e m e n e e ，e l ) 显示、场发射显示( f i l e de m i t t i n gd i s p l a y ，f e d ) 、电子纸 张( e l e c t r o n i cp a p e r ，e - p a p e r ) 显示等方式。 阴极射线管是一种基于电子束器件的电光转换机制的显示器件，自1 8 9 7 年德 国的b r a n n 首先发明c r t 以来【1 1 ，已有一百多年的历史。它具有全色化、分辨率 高、对比度好、亮度高以及经济性等优点，目前占据显示市场的主导地位。但同 时c r t 具有的大体积、重量重、图像闪烁、高驱动电压和软x 射线辐射等缺点， 阻碍着c r t 的进一步发展，给平板显示器提供了巨大的发展机会。 平板显示器腰l a tp a n e ld i s p l a y ，f p d ) 是显示技术的一个重要组成部分，具有 平板化、重量轻、体积小等优点，结构上基本都采用类似的矩阵式层状结构。 f p d 技术发展迅速删，其中l c d 、p d p 、o l e d 、f e d 是当前f p d 技术的代表。 l c d 是平板显示器件的代表，它利用是液晶分子在电场、磁场、温度、应力 等外部作用下分子结构重新排列，使液晶光学性质发生改变的独特性质来进行显 示。液晶显示器具有轻巧、便携、微功耗、易集成和彩色化等特点，目前其发展 趋势是全色化、大容量、大面积、宽视角和快速响应特性、高度集成和高分辨率 中山大学硕士学位论文 等，已经成为信息显示技术领域的研究热点。其中以硅材料为基础的薄膜晶体管 有源矩阵液晶显示技术以大容量、高清晰度、高质彩色的视频显示，应用于数字 照相机、笔记本电脑、全球导航系统( g p s ) 以及各种监视器和电视显示中，具 有广阔的应用自斧景。 p d p 技术利用是惰性气体等离子体放电时所产生的紫外线，激发驱动电极矩 阵交点上的彩色荧光粉，实现器件发光。虽然这种器件的驱动电压较高，但它结 构简单易于实现较大的面积和相对精细的像素，在大型f p d 中最具优势。九十年 代以来，彩色p d p 在关键技术方面取得了重大突破，并随着产业化发展速度的加 快，使其在直视式大屏幕视频显示领域的优势得到充分的发挥。 o l e d 利用正负载流子注入有机半导体薄膜后，载流子复合产生发光进行显 示，是从二十世纪中期发展起来的一种新型技术。o l e d 与l c d 相比具有更薄更 轻、主动发光、广视角、高清晰，响应快速、微功耗、低温和抗震、潜在的低制 造成本及柔性等特点，在平板显示技术领域中得到极大的关注。近年来o l e d 产 品的研究、开发及产业化上都取得较大进展，目前o l e d 技术将朝大型化与更高 分辨率方向前进。但o l e d 寿命和稳定性是需要解决的问题，大面积化工艺和全 彩色显示等问题也是主要难题。 f e d 是利用阴极发射材料在外加电场下的尖端放电，然后由电子束轰击阳极 上的荧光粉而发光。f e d 发光原理与c r t 最接近，但它具有l c d 的厚度和重量、 c r t 般快速的响应速度和比l c d 高的亮度等优点，因此认为是c r t 的最好继承 学，适用于c r t 和l c d 的应用领域。但是由于f e d 的结构复杂，在产品化过程中 同样遇到大面积的稳定性、后期制备工艺复杂和使用寿命上的困难。 电子纸是一种超薄、超轻的显示屏，其视觉效果和普通纸张十分类似，电子 纸的实现方式是多样的，其中受关注的是一种叫做“电子墨水”的液体涂覆在柔 性基材上来制各电子纸。电子墨水【s 卅是一种悬浮物，它具有对光有着不同反射 作用的带电粒子，在不同极性的电压下，粒子的运动方向不同，呈现出不同的稳 定状态，从而显示出不同的颜色和灰度。在外场作用下可以实现可逆、双稳态、 柔性的显示。电子纸具有低功耗、可视性好、柔性显示、造价低廉、可重复使 用、无电磁辐射和易于大面积化等优点。目前，电子墨水显示距离现实视频显示 还有很大差距。 2 中山大学硕士学位论文 随着社会的发展，平板显示技术的应用领域不断拓宽，对显示质量、方式和 相关技术也不断提出新的课题和更高的要求，该领域的研究工作也不断深入向高 层次发展。 1 2 薄膜晶体管有源驱动的液晶平板显示技术t 7 以o 】 七十年代初英国人o l a v e 等研合成了联苯氰基类正性向列液晶材料后，发展 了t n l c d ( t w i s t e dn e m a t i c - l i q u i dc r y s t a l sd i s p l a y ) 产业。利用t n l c d 特 点，开发了电子数字手表、计算器、数字化仪器仪表、游戏器等产品，充分展示 了液晶显示的优点。为了增加l c d 的信息容量，s c h e f f e r 等人嗍提出了s t n - l c d ( s u p e r t w i s t e d n e m a t i c - l i q u i dc r y s t a l sd i s p l a y ) 方案，利用其电光特性曲线特 性好的特点，在简单点阵显示中占空比可达到1 4 8 0 ，实现了v g a 笔记本电脑显 示。s t n - l c d 器件结构于t n - l c d 器件结构类同，在 i n l c d 生产技术基础 上，8 0 年代末形成了s t n l c d 产业。 黛，群 ( a ) 无源矩阵l e d 图1 - 1 液晶显示器的驱动结构及其简化电路模型网 简单无源矩阵l c d 如图1 1 ( a ) 所示，由水平的扫描电极x 和垂直的信号 电极y 构成，其电极x 和y 交点构成液晶显示的像素电容矩阵。由于可以将液 晶像素视为一个无极性阻抗，定义x i 和k 电极相交点( x j ，x ) 像素为全选像 素( 以下称全选点) ，( x i ，x ) 以外但在x i 或x 电极上的各像素为半选择像素( 以 下称半选点) ，既不在) ( i 行又不在y j 列的点称为非选择像素( 以下称非选点) 。矩 阵驱动时，由于液晶像素双向导通性，当全选点加上电压后，半选点和非选点也 获得一定的分压而被。点亮”，造成全选点与周围半选点及非选点间对比度降 低，显示质量降低。综上所述，交叉串扰现像的根本原因在于简单矩阵驱动方式 及液晶材料本身的无极性阻抗，而且理论分析表明，交叉串扰现像随着矩阵行、 列数目的增大而加剧，最大驱动行列数n 直接受液晶材料的陡度因子y 的限 3 中山大学硕卜学位论立 制。一般t n - l c d 显示最大容量不超过2 0 0 行，而s t n l c d 显示的最大容量不 超过3 0 0 行，主要用于移动电话、掌上电脑、文字处理器等产品的显示终端。 s t n l c d 点阵显示存在的响应速度、占空比、对比度、灰度级等的局限 性，在7 0 年代b r o d y 等人【1 提出了t f t l c d 显示方案。当时使用的是c d s e t f t 阵列，但c d s e 材料的半导体工艺不成熟，发展缓慢。与此同时，借鉴于大 规模集成电路的s i 半导体工艺，a - s it f t 技术获得了发展，到了九十年代初形成 了a - s it f t l c d 产业。初期的t f t l c d 产品，在视角特性、亮度、对比度、彩 色等显示品质方面远不如c r t ，而且因制作工艺复杂、工艺流程长、成品率低、 产量低、产品价格昂贵等不足，难以开拓市场。经过5 - 6 年努力和技术进步， t f t l c d 品质不断完善，开拓市场，市场占有率逐步上升。 1 9 8 4 年，日本精工研制成功2 4 0 x 2 2 0 像素2 英寸a - s in 叮a m l c d ( a c t i v em a t r i xl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 的产品，标志 i t r - l c d 进入实用期。 1 9 8 5 年，东芝开发出a - s i t f t l o 英寸v g a 彩色l c d 样机；1 9 8 7 年，a - s i n 玎6 英寸彩色液晶电视的开发；1 9 8 8 年，夏普开发出a - s in 叮1 1 0 英寸高清晰度投影 电视；1 9 8 9 年a s it f t l c d 首先在计算机上的应用实现生产化；1 9 9 4 年，a - s i t f t2 1 英寸全彩色a m l c d 推向市场：1 9 9 7 年，4 0 英寸s v g aa - s in 叮 a m l c d 电视制作成功；2 0 0 3 年，三星成功开发了大尺寸的5 7 英寸薄膜晶体管 液晶显示器( t f t - l c d ) ；2 0 0 4 年，夏普6 5 英寸1 9 2 0 1 0 8 0 的高清晰t f t l c d 液晶电视样品发表；韩国三星电子公司于2 0 0 5 年3 月宣布，成功开发了世 界最大尺寸的8 2 英寸薄膜晶体管液晶显示器，在短短几十年的时间内，t f r a m l c d 获得了快速发展。 缫曩瓣 x l 搬翱垅错 ( b ) 有源矩阵l c d 图1 - 1 液晶显示器的驱动结构及其简化电路模型【9 】 t f t - l c d 型液晶显示器是在简单矩阵基础上，采用每一个液晶像素设置一 个n 叮开关和信号电荷存储电容的结构形式，如图l - l ( b ) 所示。晶体管源极 4 中山大学硕士学位论文 是矩阵中垂直列电极y 所在的数据线，漏极接像素电容及信号存储电容，在栅极 上接水平电极x 所在的扫描线信号。这样，通过有源器件把数据信号传送给像素 电容实现显示，避免了简单矩阵驱动中的交叉串扰效应，并使像素具有信号存储 功能，从而突破了对扫描电极行数的限制，原理上能实现近于1 0 0 占空比的静 态驱动效果。目前，t f t - l c d 由1 9 9 1 年第一代生产线到现在第七代生产线，其 分辨率已由c g a ( 3 2 0 x 2 0 0 ) 提高到u x g a ( 1 6 0 0 x1 2 0 0 ) ，其发展速度超 出摩尔定律的速度。 如上述可见，薄膜晶体管技术在液晶平板显示技术中的重要性，事实上它也 是高分辨率平板显示器件实现的技术关键。 1 3 薄膜晶体管的结构及基本原理【1 1 。1 9 】 薄膜晶体管是在绝缘衬底上沉积一层半导体薄膜，通过刻蚀等技术制作出源 极、漏极，栅极及管体而成，其结构由栅电极、栅绝缘层、有源层、欧姆接触层 以及源漏电极等几个主要部分组成。n 叮器件结构大体可分为两类【l l 】：一类为正 交叠( n o r m a ls t a g g e r e d ，简称n s ) 结构，又称顶栅结构，如图l 2 ( a ) 所示； 另一类为反交叠( i n v e r t e ds t a g g e r e d ，简称i s ) 结构，又称底栅结构，反交叠结 构又包括背沟道刻蚀型( b a c k - c h a n n e l - e t c h e d ) 和背沟道保护型( b a c k - c h a n n e l p r o t e c t e d ) ，如图1 - 2 ( b ) 和1 2 ( c ) 所示。目前，氢化非晶硅薄膜晶体管液晶 显示器( a - s i ：ht f t - l c d ) 普遍采用的是反交叠结构的氢化非晶硅薄膜晶体管 ( a - s i ：h t f r ) 。 ( a ) 正交叠结构 hr “ ”! 一 降至蚴隆鲤蜜 l 蕊四娶s 一竺叫i g 蛙聪叠矗& 竺：l i o ii 口 l ( b ) 反交叠结构背沟道刻蚀型( c ) 反交叠结构背沟道保护理 图l - 2 1 1 玎基本结构【6 】 中山大学硕，l 学位论文 背沟道刻蚀型t i 玎在制作过程中，要求腐蚀剂对n + a - s i 层和a - s i 层的腐蚀 速度上选择性强，以防止a - s i 层被腐蚀透。背沟道保护型邗t 比背沟道刻蚀型 t f t 制作过程其工艺要增加一次套刻工艺，它具有a - s i 层变薄，关态电流很小、 刻蚀条件宽松等的优点，因此工业生产采用背沟道保护型结构。 从材料上看，多晶硅薄膜晶体管( p s i 叮) 同a - s it f t 相比，多晶硅薄膜 的电子迁移率比非晶硅薄膜的电子迁移率高，更适应于半导体系统集成化，但是 p - s it f t 的制作过程中光刻次数会增加2 3 次，而且p s it f t 的漏电流较大。 为减小p s i 的漏电流，从器件结构入手，主要采用如图1 3 的以下几种方式：多 栅极结构 1 2 1 偏移( o f f s 0 0 结构0 3 ，l d d ( l i g h t l yd o p e dd r a i n ) 结构0 4 ，部分 a - s i 沟道结构【1 5 】等。 2 鲥掣糟投s 摄荐护气经攘鼍慧 丝箍黪 ( 1 ) 多栅极结构1 1 2 ( 2 ) 偏移( o f f s e t ) 结构【1 3 】 o ) l d d ( l i g h t l yd o p e dd r a i n ) 结构【1 4 1( 4 ) 部分a - s i 沟道结构【1 5 】 图1 - 3 几种p - s i l 下t 的结构 薄膜晶体管工作原理与绝缘栅场效应管( m o s f e t ) 相似【1 6 1 ，尤其与s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 结构的全耗尽场效应晶体管十分相近。因而可以通过认识 场效应晶体管的工作原理，来对薄膜晶体管工作原理进行了解【1 7 阍。在场效应管 中，两个高掺杂浓度区域形成的导电通道称为沟道。场效应管的基本工作原理是 通过外加电压，形成电场并对沟道的厚度和形状进行控制，以改变沟道电阻，从 而改变电流的大小。下面以增强型n m o s 管为例，详细描述场效应晶体管的工 6 中山大学硕士学位论文 作原理。先在栅极与源极之间加上正向电压u 6 s ，如图1 - 4 ( a ) 所示，由于栅极 与p 型衬底之间为二氧化硅绝缘体，它们构成一个平板电容器，u o s 在二氧化硅 绝缘体中产生一个垂直于衬底表面的电场，电场方向下二氧化硅绝缘层很薄，产 生的电场强度很大，在这电场的作用下，p 衬底中的电子被吸引到表面层。当 u o s 较小时。吸引到表面层中的电子很少，而且立即被空穴复合，只形成不能导 电的耗尽层。当u o s 达到某一个数值u g s o n ( 开启电压) 时，吸引表面层中的电 子，除填满空穴外，多余的电子在原为p 型半导体的衬底表面形成一个自由电子 占多数的n 型层，称为反型层。反型层沟通了漏区和源区，成为它们之间的导电 沟道。当加上栅源电压u o s 并且大于u g s 洲时，在漏区和源区形成了导电沟道 后，同时再加上漏源电压u p s 并且大于0 时，导电沟道形状会变成如图1 - 4 ( b ) 所示的楔形形状。这种楔形结构形成是因为u v s 作用于栅极沟道不同位置间的电 位差不同引起的，靠近源极一端的电位差最大为u a s ，靠近漏极一端的电位差位 u g d = u g s u p s ，因而反型层为楔形的不均匀分布。 r d ( a ) ( b ) 图1 - 4 增强型n m o s 管工作原理【1 9 】 导电沟道形成后，在源漏电压u p s 作用下，产生漏极电流b 。u o s 越大，导 电沟道越厚，沟道电阻越小，i d 就越大。改变栅极电压，就能改变导电沟道的厚 薄和形状，即改变导电沟道的电阻值，实现对漏极电流i d 的控制作用，来达到控 制的目的。其中a - s i ，n 可和n m o s 管的不同之处在于，n m o s 管沟道产生层为 掺杂的半导体材料，而a - s i1 r i 吓沟道产生层为有源层的本征半导体材料，器件沟 道是通过栅极电压的感生电荷累积形成的，有源层特性对器件性能影响较大。 7 中山大学硕士学位论文 1 4 薄膜晶体管制作工艺流程 n 叮制作的主要工艺流程包括薄膜蒸镀、电极刻蚀、腐蚀、掺杂、退火、欧 姆接触和钝化。例如：反交叠结构背沟道保护型a - s in 叮的制作工艺流程包括如 下环节【1 9 l ：处理玻璃基板一溅射法沉积栅电极一光刻刻蚀制作栅电极图形一 c v d 法沉积栅绝缘膜s i n x c v d 法沉积a - s i 膜一光刻胲0 蚀a - s i 制作硅岛一 c v d 法沉积沟道保护层s i n x - - 光刻陔4 蚀制作硅岛保护层一c v d 法制作1 1 + a - s i 膜一光刻胲0 蚀制作沟道一溅射法制作i t o 一光刻陔0 蚀制作源漏电极一溅射法制 作数据布线一光刻刻蚀制作数据布线图形- - c v d 法沉积保护膜。 1 5 薄膜晶体管技术研究状况阻拥 有源矩阵液晶显示器件l c d 的发展极大地促进了薄膜晶体管技术的发展， 自p g l e c o m b e r 等人 2 0 】于1 9 7 9 年在e l e c 佳o nl e t t e r 上发表了有关非晶态硅薄膜 晶体管可用作有源阵列型液晶显示的开关器件之后，直至1 9 8 6 年才有3 英寸的 小型薄膜晶体管为驱动的彩色电视产品问世，该电视的像素约9 万个( 信号数： 3 7 2 条，扫描数：2 4 0 条) 。从那以后t f t - l c d 技术进展迅速，并形成了t f t l c d 显示产业，由九十年代初的第1 代线( 3 0 0 x 4 0 0 m m ) 发展到现在的第7 代 线( 1 8 7 0 x 2 2 0 0 m m ) ，三星己宣布建第8 代线( 2 3 0 0 x 2 6 0 0 m m ) ，产品朝着大 型化和高清晰化方向发展。 目前，应用于l c d 显示技术的薄膜晶体管主要有非晶硅薄膜晶体管( a - s i t f t ) 【2 1 1 和多晶硅薄膜晶体管( p o l y s in 呵) 2 2 1 两科a 。其中非晶硅薄膜晶体管 ( a s it f d 主要以氢化非晶硅薄膜晶体管( a - s i ：h 叮) 、氢化微晶硅n 呵( uc s i ： h 1 f n 和微晶硅n 叮( pc s i n 叮) 为代表。 最早的研究是非晶硅薄膜晶体管，其优点是非晶硅薄膜可在较温度下沉积形 成，衬底材料可以选用较为普通的玻璃，工艺成本较低，晶体管开关性能较好 i o i i i 。f r 1 0 7 【2 3 1 ，目前a - s in 叮技术已成为当前有源矩阵液晶显示器件所采用的 主流技术。 随着视频显示信号处理电路集成化和l c d 应用发展的要求，a - s in 叩技术 受到挑战。l c d 显示器扫描电极驱动电路和信号电极驱动电路，目前大都采用专 8 中山大学硕士学位论文 门设计的c m o s ( 互补金属氧化物半导体) 集成电路芯片，利用t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和c o g ( c h i po ng l a s s ) 技术，把专用驱动电 路与a - s i1 1 玎阵列的行与列的引出电极连接在一起。这种连接，会降低合格率， 增加成本，因此研究者提出了将n 叮阵列与驱动电路集成化的方案h 。l c d 通 常的驱动电路工作频率在几兆赫到几十兆赫，而a - s in 吓中的电子迁移率仅有 1 1 0c m 钾s ，不能满足工作频率的需要，因此多晶硅呵成为了一个优选的 方案。p - s in 可能满足周边电路设计和高清晰度的要求，其具有如下优点陋j ：( 1 ) 高迁移率。p - s i 电子和空穴迁移率( 3 0 1 0 0 曲s ) 比a - s i ( o 1 l g m 2 v s ) 高1 2 数量级，意味着1 1 丌的响应速度快，图像数据写入速度快， 更适于大容量的高频显示。( 2 ) t r r 的尺寸可以缩小，单个显示单元上的像素有效 面积增大，提高器件开口率。( 3 ) p 、n 型导电的控制。p - s in 叮能实现n + 、p 两 种类型的掺杂，能制作n m o s 和p m o s 两种类型叮，即p - s it f r r 能制作互补 型晶体管驱动电路，使p - s it f t - l c d 实现周边驱动与显示屏一体化成为可能， 从而使器件的功耗更低、体积更小，同时解决了高密度引线的问题，提高成品 率，降低生产成本。( 4 ) 自对准结构。由于p - s i 易实现重掺杂，所以p - s in 叮可 以用栅极作掩膜对p - s i 进行离子注入，形成重掺杂的n + 型p - s i 源区和漏区，采 用自对准结构，栅与源、栅漏的交叠变小，从而减小了栅源，栅漏之间的寄生电 容c 簪和c g d ，寄生电容的减小对n 叮的工作特性和显示品质的提高均有益。( 5 ) 抗光干扰能力强。p - s i 材料有源层抗光干扰能力强，在光照条件下，漏电流不会 增大，省去了遮光层。 多晶硅薄膜晶体管在实际应用中的困难是：由于多晶硅t f t 的有源区是本征 的多晶硅薄膜，电子迁移率较大，导致n 叮的关态电流即漏电流较大( i o n - - n l t f e v d w l ) ；另一方面高迁移率p - s i 材料的低温大面积制备较困难，工艺上 存在一定的难度。因此，提出减小漏电流的叮新型结构和研究低温下的多晶硅 薄膜晶体管，是人们研究薄膜晶体管的前沿课题。 1 6 本文研究的内容和组成 实现高分辨率、大面积的平板显示技术，t f t 技术是关键。目前，结合显示 器件的1 下t 技术主要掌握在国外的厂家和研究机构，中国在产品化n 叮的技术 掌握上存在很大差距。本论文工作以研制出具有实用性的n 叮为目标，从掌握 9 中山大学硕十学位论文 t f t 制各技术及工艺出发，结合现有的实验条件，在t f t 的设计、工艺、测试 方面开展工作。具体内容是以驱动电压为1 5 伏的平板显示器为对象，开展基于 玻璃衬底的t f t 器件制各工艺技术研究，制定的t f t 技术指标为： 1 ) 栅极的方块电阻： o 5d 【a 、c r 5m v c m ； 3 ) 有源层电子迁移率：0 2e m 2 n s ； 4 ) 玎的驱动电压： 1 5 v ： 5 ) t f t 的开关电流比：1 0 5 ； 根据器件目标，首先我们利用现有的实验条件研究有源层、欧姆接触、栅绝 缘层、金属电极的制各工艺和技术，尤其是对器件材料选择、制备工艺和结构参 数进行合理的优化，研究在制备非晶硅吓过程中遇到的工艺问题如光刻问 题、对准问题、材料的刻蚀等。其次，设计单管和阵列的1 1 可器件，选择底栅结 构的a - s i 矸呵为器件对象，进行器件t 艺制作技术研究。最后，对所制备的n 叮 样品进行电学特性测试和分析。 针对所展开的内容工作，本论文分为三章，内容包括n 呵器件材料制备技术 和器件结构中薄膜层特性的表征，a - s it f t 器件结构设计与制备以及结论。 1 0 中山大学硕士学位论文 第2 章t f t 器件材结构薄膜层制备及其特性表征 n 叮由栅极金属层、绝缘层、有源层( 半导体活性层) 、欧姆接触层及源漏 电极金属层组成。每结构层材料的厚度和性能均会对1 1 玎的性能产生影响。因 此，在制备符合设计要求的叮阵列之前，必须首先制备出性能较好的结构各层 薄膜，掌握它们的制备工艺参数。 制备出薄膜晶体管器件结构薄膜层后，需要对其的进行了表征分析。薄膜的 厚度和均匀性是器件结构薄膜层必须要表征的性能，它涉及工艺制备环节的评 价，薄膜的电学性能表征是器件应用必须要掌握的参量，因此，表征主要以形貌 表征和电学性能表征两方面来进行。 本章主要讨论n 呵衬底和各结构层材料的选择，以及各结构层薄膜的制备工 艺，并对器件结构薄膜层进行了表征分析。 2 1 衬底材料的选择 本研究对象是基于玻璃n 呵，因此玻璃作为器件的衬底。由于玻璃有很多种 类，所以选择的范围比较广。考虑到薄膜晶体管主要是应用在平板显示技术中， 因此根据平板显示器要求对玻璃基板进行选择，t f t - l c d 的玻璃衬底基板的基 本要求口5 1 是：1 ) 耐热性主要指温度性能和热收缩，二者有内在的联系。在制 造r 叩工艺过程中，基板要经过反复地热处理，其中温度要求高的p - s in 吓加 热到6 0 0 ，要求基板在这一温度下保持刚性，否则玻璃变形和降温时会带来热 应力，还会造成尺寸变化。2 ) 化学稳定性。基板玻璃必须经得住1 r i 叮制造过程 中得各种化学处理，从腐蚀剂和清洗剂到强碱和强酸，基板对化学稳定性的要求 几乎是玻璃品种中最严格的。3 ) 表面和内部缺陷。基板必须有高的表面质量和 内在质量，制造电路的表面应无任何划伤和污点，缺陷应小于几微米，以免损害 电路。4 ) 碱的限制。一般的玻璃制作中都会带入大量的碱主要时是n a + ，在高 温下基板中的n a + 会对n 叮栅介电材料造成污染，导致器件寿命下降，因此出现 了无碱基板玻璃。5 ) 热膨胀系数。由于要与硅材料匹配，要求玻璃的热膨胀系 数a 为4 0 1 0 一1 7 ，左右。 中山大学硕十学位论文 产业化的t f t - l c d 多采用无碱性玻璃，如用t f t - l c d 专用玻璃c o m i n g 1 7 3 7 ，这种特种玻璃的各个参数分别为：厚度0 7m n l ，密度2 4 5g c m 2 ，热膨胀 系数3 7 6 1 0 7 ( 2 0 3 0 0 ) ，适用温度 2 0u q e r a ) ，无法满足 大面积、高分辨率显示器对信号延迟的要求。而金属铝是一种较低电阻率的材 料，薄膜电阻率一般在3 “o c m 左右，从理论上能够满足大面积显示器的信号 传输要求【l 】，但是铝的熔点低并且热稳定性差，其相变点在1 3 0 ，在制备n 叮 1 2 中山大学硕士学位论文 工艺中容易形成小丘现像，造成薄膜在衬底上附着性差，而产生脱落的现像，同 时小丘的形成也会造成器件结构中的绝缘层容易产生电击穿，导致器件失效。此 外，铝薄膜的化学稳定性差，表面易氧化，并且很容易在硅中溶解。为解决铝材 料的缺点，人们提出了以铝薄膜为基体的合金材料或在铝电极下沉积一层稳定性 强的金属电极的多层结构的解决方案唧，希望在保持铝基体低电阻特性的基础 上，通过其它金属的掺杂、覆盖或铺垫减缓铝薄膜在高温工艺中的应力，抑制小 丘的形成，并在热稳定性及化学稳定性方面得到改善，成为实用化的金属电极材 料。 实验中，根据实验目标：栅极的方块电阻舢要小于0 5 例口或c r 要小于8 倒口的要求，我们利用直流磁控溅射的方法和电子束蒸发的方法，开展了一系列 实验。 2 2 2 金属电极薄膜的制备 2 2 2 1 直流磁控溅射法制备金属电极薄膜 在本实验中，探索采用了磁控溅射的方法制备金属电极薄膜。磁控溅射的原 理是【硐：利用带有几十电子伏特的高能粒子或离子束照射固体表面，靠近固体表 面的原子层获得入射粒子的一部分能量，并在真空中脱离靶源成为游离态粒子， 然后游离态粒子沉积在基片上达到制取各种薄膜的目的。溅射工艺被广泛地应用 于样品表面镀膜的半导体器件工艺中。它具备很多优点例如：易控制，可获得大 面积均匀膜层，可制备各种不同成分和配比的合金膜，可连续沉积多层膜等。溅 射镀膜的不足在于需要预先制备各种成分的靶材，并且靶材的利用率不高。 样品制备采用的s p 3 型磁控溅射系统，其结构简图如图2 1 所示。溅射系统 主要由下述系统组成：( 1 ) 反应室；( 2 ) 衬底；( 3 ) 靶材、加热及温度测 控；( 4 ) 工艺气体的储存、传送及流量测控；( 5 ) 真空泵、机械泵与压力监 测。其中电源部分包括直流和交流两套电源可以实现直流和射频溅射。反应室直 接与真空系统相连，先由机械泵抽真空至4p a 左右，然后打开分子泵抽高真空达 1 0 巧p a 。反应室有三个靶座，可以对三种不同材料进行溅射，制备多层材料和合 金材料。真空室的直径为6 0m m ，特别设置了衬底大小为2 英寸和4 英寸的样品 架，并且可以多个衬底同时进行薄膜沉积，在传动系统的控制下，衬底可以实现 公转和自转的运动，以保证成膜的均匀性，在衬底大小为4 英寸的范围，成膜的 1 3 中山丈学硕l 学位论文 均匀性理论误差可以控制在5 的范围内。在上述系统中a l 膜和c r 膜采用直流 溅射方法制备，当本底真空度抽至4 x1 0 dp a 时通入a r 气，氩气气流为4 0 s c c m ，溅射气压为1 5p a ，溅射功率是3 0 0w ，c r 膜的溅射速率为6n m m i n 。a i 膜的溅射速率为7n m m i n 。 图2 - 1 磁控溅射系统简图 2 2 2 2 真空蒸镀法制备金属电极薄膜 本实验中，探索了采用真空蒸镀制备金属电极薄膜。真空蒸镀法根据蒸发源 的不同可分为多种形式如电阻式蒸法、电子束蒸发、电弧蒸发等。本实验利用电 阻式蒸发和电子束蒸发方法。下面选择电子柬蒸发法介绍其工作原理。将蒸发材 料放入水冷坩锅中，利用磁场线圈使电子柬聚焦和偏转，直接对被材料轰击，电 子束的动能变成热能，使蒸发材料气化蒸发后凝结在衬底表面成膜，达到使材料 蒸发的目的。单位时间内蒸发材料单位面积上蒸发出来的材料质量称为蒸发速 率。电子束蒸发解决了电阻加热方式中加热功率或加热温度的限制，并且克服了 来自坩埚、加热元件以及支撑部件的可能的污染问题田】。 电子束蒸发系统是一种真空蒸镀系统，一般包括前处理设备，蒸发镀膜机和 后处理设备三部分。蒸发镀膜机，由真空室、真空( 排气) 系统、蒸发系统和电 器设备等组成，结构如图2 - 2 所示。真空室内除样品架外，有加热、离子轰击或 离子源等装置。为提高镀膜厚度的均匀性，样品架有转动机构。真空系统由机械 泵、扩散泵组成；蒸发系统包括蒸发源及电器设备；电器设备包括测量真空度和 控制台。由于铬的熔点比较高为1 8 9 0 度，在实验中采用的是电子束蒸发的方 1 4 中山大学硕士学位论文 法，蒸发速率约为1 3n m s 。金属铝的熔点比较低为6 6 0 度，因此采用的是电阻 蒸发的方法，蒸发速率也为1 3n m s 。 电子枪 图2 - 2 电子束镀膜