TFT制作工艺.doc

一、引言TFT技术是采用新材料和新工艺的大规模半导体集成电路技术。TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片上制作大规模半导体集成电路，通过溅射、化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜，通过对膜的加工制造集成电路。采用非单晶基板大幅度地降低了成本。在大面积的玻璃或塑料基板上制造控制液晶开关性能的TFT是大规模IC技术重大发展。以分辨率为SXGA（12801024）的16.1英寸的TFT-LCD为例，在对角线为300400玻璃基板上制造近800万个TFT，对生产环境的要求（净化度为100级），对原材料纯度的要求（电子特气的纯度为99.999985%），对生产设备和生产技术的要求都是对现代工业技术的挑战，特别是制造大面积多晶硅TFT的激光退火技术更是对精密控制技术的挑战。随着九十年代初TFT技术的成熟，彩色液晶平板显示器迅速发展， 10年左右的时间，TFT-LCD迅速成长为主流显示器，开创了人类一个新的技术时代。TFT阵列技术之所以得到迅速发展是因为它具有非常突出的三大优点：1、大面积，规模化生产特性好；九十年代初第一代大面积玻璃基板（300mm400mm）TFT-LCD生产线投产，到2002年玻璃基板的面积已经扩大到了1100 mm1250mm，最近一次制造16块20英寸TFT模块的1370mm1770mm的玻璃基板的第6代生产线也进入了设计阶段。4代以上的TFT生产线基本上无人操作，全封闭的自动化大生产，成品率达到90%以上。TFT-LCD的规模化生产特性是其他显示器无法比拟的。2、高集成度，功能强大； 分辨率为SXGA（12801024）的16.1英寸的TFT阵列非晶硅的膜厚只有50nm，随着低温多晶硅技术的成熟，现在人们开始把驱动芯片集成到玻璃基板上，也考虑把整个控制系统集成到玻璃基板上，CHIPS ON GLASS，SYSTEM ON GLASS，其IC的集成度，对设备和工艺技术的要求，技术难度都超过传统的LSI。整个TFT阵列功能更强大，这是传统的大规模半导体集成电路所无法比拟的。3、低成本，工艺灵活，应用领域广泛；玻璃基板和塑料基板从根本上解决了大规模半导体集成电路的成本问题，为大规模半导体集成电路的应用开拓了广阔的应用空间。除了采用溅射、CVD、MCVD、PECVD等传统工艺成膜以外，激光退火技术也开始应用，既可以制作非晶膜，多晶膜，也可以制作单晶膜。不仅可以制作半导体硅膜，也可以制作其他的-族和-族半导体膜薄膜。TFT阵列技术是液晶、有机和无机薄膜电致发光等新一代平板显示器的技术基础。TFT的制造技术涉及半导体科学的基础研究，材料科学的研究，自动化系统控制技术的研究，精密制造技术的研究等多学科的发展，是当代光电子科学技术的发展热点。TFT-LCD是非常典型的规模效益型的现代化高技术产业，没有规模就没有效益，我们这里说的制造工艺是指大规模生产的制造工艺。为了更好地理解工艺过程我们首先先介绍TFTLCD的元件结构及其特点，然后再介绍制造工艺，关于制造工艺对元件特性的影响放在TFT阵列设计技术中讨论。二、TFT-LCD元件的结构及特点TFT-LCD是以TFT为控制元件，液晶为介质的光电子显示器件。常见的TFT结构主要有平面型和叠加型两类。平面型主要用于LCOS器件，它是硅单晶片上制作液晶的控制元件，工艺和结构就是大规模集成电路的技术。叠加型的TFT主要用于玻璃基板或塑料基板的液晶显示器和有机电致发光器件。我们这里讨论的就是这一类的器件。叠加型的TFT结构通常又分为顶栅结构和底栅结构两种，而底栅结构又分为刻蚀保护型和背沟道刻蚀型两种。栅极栅极绝缘层（SiNx）玻璃基板像素（ITO）保护层（SiNx）保护层（SiNx）源极/漏极（AlTa/Al/Cr）源极漏极栅极图1、单管底栅TFT的结构图1是单管底栅TFT的结构。上方是TFT的两张电子显微镜照片。下方是单管底栅TFT的结构示意图。TFT主要由栅极、栅极绝缘层（SiNx）、非晶硅层、n+非晶硅层、源极和漏极和保护层构成。栅极一般采用金属铬（Cr）、铬的合金材料或钼钽(MoTa)合金、铝（Al）以及铝合金等材料制作，厚度d = 180 nm，方块电阻Rs = 0.98/以下。栅极绝缘层一层的，也有两层的结构。一层可以是SiO，SiNx或AlO，厚度是:d = 175nm，第二一般采用层氮化硅（SiNx），厚度:d = 300nm。非晶硅层或多晶硅层是TFT的核心层，我们把它称作有源层，膜厚为d = 50nm。器件的电学特性和功能主要是由这一层材料的质量决定的。n+非晶硅层是为了提高和改善半导体层和源极、漏极的欧姆结合而制作的半导体掺杂层。掺杂层的厚度d = 50nm源极、漏极一般采用铝合金或金属铝或金属铬制作。漏电极接数据信号线、源电极接像素电极(ITO像素电极)。膜厚为d=427.5nm(上-Mo/Al/下-Mo=50/350/27.5nm)，电极的方块电阻为Rs=100m/以下。像素电极是氧化铟掺杂了氧化锡杂质形成的透明导电膜，简称ITO膜。ITO膜的厚度为d= 40nm，方块电阻为Rs=90/以下，可见光的透过率要求在95%以上。保护层和绝缘层一般采用氮化硅，膜厚为d=200nm。P型场效应晶体管的平面结构玻璃基板非晶硅TFT的叠加式结构源极漏极玻璃基板非晶硅顶栅结构晶圆片源极栅极漏极栅极P型场效应晶体管图2、平面结构的P型场效应晶体管和非晶硅顶栅结构的TFT的比较平面结构因为是在单晶硅片上制作，实际上就是P型的场效应晶体管，采用的也是大规模半导体集成电路的工艺和设备。因为硅单晶的载流子的迁移率很高，因此场效应晶体管的体积可以做的很小，线宽也可以很窄，分辨率可以做的很高，适合于做高亮度的投影机。叠加式式结构的TFT是在非晶体的衬底上做半导体器件，首先是做成各种膜，然后对膜进行加工，形成具有一定功能的半导体器件。成本比较低，但是工艺控制的难度加大。图3给出了几种不同结构的TFT的比较，图4给出了顶栅结构和底栅结构TFT的比较。目前大部分采用底栅结构。因为底栅结构的金属栅极和绝缘层同时可以作为半导体层的光学保护层，防止背光源发出的光照射到非晶硅层产生光生载流子破坏半导体层的电学特性。而顶栅结构必须要为半导体层设置一层保护膜。顶栅型（a）底栅型（b）栅极漏极源极源极漏极栅极源极漏极刻蚀保护型 沟道保护膜（c）源极漏极背沟道刻蚀型 栅极保护膜（d）图3、几种不同结构的TFT的比较表1、三种型式TFT结构比较 底栅方式顶栅方式背沟道刻蚀型沟道保护型半导体层(aSi)a-Si层厚（2000-3000）a-Si层厚（300-500）通过大幅度改进光刻技术，可以大幅度降低成本。工艺刻蚀n+a-Si层时a-Si层也被刻蚀，由于腐蚀选择比较小，所以a-Si层相应要厚，工艺难度大刻蚀n+a-Si层时SiNx层也被刻蚀，由于腐蚀选择比较大，所以a-Si层可以做都薄一些，工艺简单P-CVD工艺特性a-Si层厚，工艺难度大a-Si层薄，工艺难度小表2.TFT各层材料、厚度、电阻等参数 栅极绝缘层有源层n+有源层源极漏极像素电极保护层材料Cr，Al，MoTa，SiOxSiNxAl2O3a-Sia-Si掺磷AlMo/AlMoAlMo/AlMoInO，SnSiNx厚度nm180 175/3005050427.5427.540200方块电阻0.98/100m/100m/90/源极漏极顶栅结构底栅结构背光源栅极背光源漏极栅极源极4、顶栅结构和底栅结构TFT的比较漏极源极栅极TFT的结构W/L和TFT的尺寸电极的重迭掩膜板设计eff：电场作用下的电荷迁移率 0.5-1.0cm2/V-秒（a-Si）Cg：单位面积的栅极电容制造工艺参数图5、底栅结构背沟道刻蚀型TFT的立体和剖面图在图5的结构中存储电容Cs是栅极的一部分，简化了工艺，减低了成本。沟道的长度L由栅极确定，沟道的宽度W由源极和漏极确定。一般要求长宽比（L/W）应在1：6，早期的TFT沟道的长度在10，宽度在60左右。栅极刻蚀保护层源极漏极刻蚀保护层栅极图6、底栅结构刻蚀保护型TFT的立体和剖面图黑矩阵漏极和源极环境光彩膜背光源栅极TFT基板彩膜基板液晶存储电容ITO膜图7、底栅结构背沟道刻蚀型TFT-LCD的立体剖面图彩膜基板在TFT的部位制作了降低环境光干扰的黑矩阵。底栅和绝缘层保护了有源层不受背光源的光照射的影响。液晶夹在彩膜基板和TFT阵列基板形成的液晶盒内。三、TFT的制作工艺TFT的制作工艺也称为阵列工艺，就是在玻璃基板上有规则地排列薄膜晶体管，同时形成像素电极、数据信号电极、存储电容和控制元件(TFT)。TFT-阵列工艺的核心是曝光，一般围绕几次曝光重复制膜、清洗、涂光刻胶、曝光、显影、刻蚀、剥离、检查等基本环节。如果是需要7次曝光就需要7次这样的重复过程。如果4次曝光就重复4次。阵列工艺的主要设备工欲善其事，必先利其器。在TFT-LCD的制造过程中，阵列工艺是核心技术。而阵列工艺中制膜质量的均匀性和厚度的均匀性、曝光设备的精度、各道工序的重复性是保证高质量TFT电学性能的基础。制备高质量的TFT必须要对关键设备的性能、使用特性吃透。TFT的技术进步首先是设备制造和应用技术的进步。TFT设备投资是TFT-LCD制造业的主要投资。2000年和2001年全球在TFT设备上的总投资分别高达57.69亿美元和39.70亿美元。表3给出了TFT阵列工艺必备的主要设备。这些设备的配置根据生产规模和生产内容灵活调整，一般溅射和CVD，PECVD都是多台配置，一方面为了提高生产能力，另一方面可以保证生产的不间断性。曝光机也是根据不同的要求和条件多台配制的。如果要做多晶硅，还要配制必要的激光退火设备或金属诱导设备等。表3、阵列主要设备及用途设备名称用途CVD绝缘层PECVD制作有源层和绝缘层Dry Etch刻蚀半导体膜和绝缘层膜Dry Strip剥离刻蚀半导体膜和绝缘层膜的光刻胶Ion Implant制作n+有源层Laser Anneal制作多晶硅层Wet Etch刻蚀金属膜Wet Strip剥离金属膜的光刻胶Clean清洗Exposure曝光Coater/Developers显影Repair修整Array Test检测Other Array Eqpt.其它辅助设备阵列工艺的主要原材料 阵列工艺的材料分为直接用材、间接用材（特药和特气）和辅助用材3大类。阵列工艺主要直接材料有1、 玻璃基板对阵列基板的要求图8.阵列用玻璃基板第一基板本身必须要有优良的光学性能，非常高的透明度（Transparent）、非常低的反射率；第二、材质必须均匀（Optical Structural Uniform ）；第三、TFT的制造有多次高温工艺，基板的热稳定性(Thermal Stability)必须要好；第四、TFT制造工艺用到的化学药品很多，基板必须要有很好的化学耐药性（Chemical Durability）；第五、TFT-LCD面积较大，同时为了大规模的量产也要求基板面积越大越好，因此基板必须要有足够的机械强度（mechanical strength）；第六、TFT-LCD工艺机械精度要求极高，基板必须要有很好的精密机械加工特性（fine workability）；第七、TFT是高阻器件，基板必须要有优良的电学绝缘特性(Electrical property)；第八、价格要低(Low cost)。第九、越薄越好（0.3-0.7mm） 2、 靶材（Al，Mo，ITO，）对靶材的要求以Al靶材为例，主要要求高纯度，特别是对钠的要求非常严格，低于1个ppm。 （1）纯度 Al： 99.999%以上 （2）杂质 Fe： 0.0005%以下 Na： 1ppm以下 （3）其他 Si： 3ppm以下 Cu： 3ppm以下 Ti： 3ppm以下 Mn： 3ppm以下 Mg： 3ppm以下 Zn： 3ppm以下 Ni： 3ppm以下 Cr： 3ppm以下阵列间材主要是工艺过程必需的特种化学药品，也称作为特药。如玻璃基板清洗用的洗涤剂，活性剂，缓冲剂，围绕光刻工艺必需的各种化学药品如剥离液（ST-10，PI剥离液），显影液，光刻胶，刻蚀液，还有硅烷液，IPA（异丙醇）等。主要特种药液的技术要求如表4所示。表4、TFT阵列工艺用特药的技术要求 剥离液显影液刻蚀液光刻胶界面活性剂成分单体乙醇胺36.83%丁基二甘醇63.23%水80 wt%四甲基氢氧化铵20wt%HNO3 2.13%CH3COOH 10.95%H3PO4 72.93%水分 1.00wt%5%0.50%金属离子Na 50wtppb20 ppb1 ppm200 ppb1 ppmK 20wtppb20 ppb1 ppm200 ppb1 ppmMg 5wtppb100 ppb1 ppmCa 5wtppb200 ppb1 ppmAl 20wtppb1 ppmSi200wtppb1 ppmSn200wtppbFe 50wtppb20 ppb1 ppm200 ppb0.3 ppmCu 20wtppb1 ppm100 ppb0.1 ppmMn 20wtppb100 ppbCr1 ppm氯5 ppm炭酸根300ppm颗粒0.52.050个/ml50个/ml1个/ ml阵列工艺的气体有两类，一类是所谓的大宗气体，如氮气、氧气、氢气、压缩空气等。主要的性能指标如表5所示。表5、阵列工艺用大宗气体的技术要求 项目单位压缩空气HA氮气N2高纯氮气N4氧气净化氢气净化O2入口O4H2入口H4露点温度-70-80-90-70-90-80-90微粒子个/cf(at m)10(at1m)10(at0.1m)10(at 0.1m)10(at 0.1m)10(at 0.1m)纯度%-99.999999.999987599.799.999987599.99999.9999885含有杂质浓度O2COCO2CH4N2ppbppbppbppbppb-43-10101010-1,0002,00030,000-101010-100-1001002,00010101010-备注在氧气的含量不超过2ppm的时候，不需启动脱氧设备，请减少氧的含有浓度。经过净化设备后压力稍有减小。（净化设备内压力损失）终端filter使用0.01m。经过净化设备后压力稍有减小。终端filter使用0.01m。经过净化设备后压力稍有减小。另外一类是工艺特气，主要的气体有：六氟化硫气体（SF6）高纯氦气（He）二氧化碳（CO2）氨气（NH3）氩气（Ar）磷烷气（PH3）四氟化碳气体（CF4）硅烷气（SiH4）笑气（N2O）高纯度氯化氢气氪气（Kr）它们的技术要求如表6所示。TFT工艺特气主要用于化学反应。表6、TFT工艺用特气的技术要求 气体名称使用工序纯度（%）杂质（volppm）露点()粒子(/CU.FT)N2O2H2COCO2CH4H2OO2+Ar卤化碳-13卤化碳-23CF4（wt）HClAir（wt）THC*1XeSiH4CVD99.9951-500.10.10.10.11-100PH3(PH3=0.5%)CVDPH399.995H299.9999-1-0.50.05-0.5-0.5-0.5-8099.995103-0.20.53-135-Ar溅射99.99950.50.20.50.20.20.2-80-HeRIE99.99990.20.1-0.050.05-0.5-0.05-NH3CVD99.999wt4wt2wt0.5wt1wt-0.5wt1wt-N2OCVD99.9992wt1wt-5wt-50-SF6RIE99.999-0.1wt-0.6wt-0.0003-0.0002-HClRIE99.999wt1wt1wt0.1wt1wt4wt1wt1wt-CF4CDE99.999-5wt-55-0.10.1-CO2涂布机99.99515wt5wt2wt-107N1501.550.5108激光退火工艺难度大性能更好P200-600-2.020.4107N200-6001.510.3108d）无表面激光退火技术（SUFTLA）这是在塑料基板上制造P-Si-TFT的新技术。在塑料基板上制造P-Si-TFT除了加工温度上受到限制外，聚合物基板在印刷和加湿工艺中的膨胀是另一个技术难题。为了避免直接在塑料基板上加工晶体管遇到的技术难题，可以采取先把电路系统暂时布置在一块可以承受较高温度的基板上，然后再把电路系统转移到塑料基板上，这种新型的转移技术就叫做无表面激光退火技术（SUFTLA），近来已经应用于高性能P-Si TFT以及在PES聚合物基板上的电路的批量生产中。在SUFTLA工艺中，玻璃基板在SiO2缓冲层上涂覆可以使a-Si剥离的氢化物剥离层。在425左右的温度下，在涂覆过膜后的玻璃基板上造制高性能的P-Si TFT器件和电路。然后，用激光照射玻璃基板的剥离层，使氢发生光化学反应，从而把缓冲氧化层从玻璃基板上分离开。将TFT电路系统用不溶于水的粘着剂粘附转移到塑料基板上。经过转移的P-Si TFT的特性与未转移前完全相同。因此，使用塑料基板可以得到同样性能的器件和电路。对n-型和p-型的TFT，迁移率可分别达到125和63 cm2/v-sec，能满足FPD显示器的性能要求。因此，转移工艺被认为是近阶段十分可行的一种方法，尤其是对小尺寸的显示器。SUFTLA工艺避开了直接在塑料基板上生产加工的难点，对于生产小尺寸