第07章-薄膜晶体管的结构与设计课件

1、第7章 薄膜晶体管的结构及设计长春工业大学王丽娟2013年02月10日平板显示技术基础，2013年，北京大学出版社17.1 a-Si:H TFT结构概述7.2 背沟道刻蚀结构的a-Si:H TFT 7.3 背沟道保护结构的a-Si:H TFT 7.4 其他结构的a-Si:H TFT7.5 薄膜晶体管阵列的设计本章主要内容27.1 a-Si:H TFT 结构概述（b）背沟道刻蚀型源极栅极n+a-Sia-Si:HSiNx漏极SiNx阻挡层栅极n+a-Sia-Si:H源极SiNx漏极栅极（c）背沟道保护型SiNxa-Si:H源极（a）正交叠型漏极遮光层栅极顶栅结构是栅极在上面的一种结构；底栅结构是栅

2、极在下面的一种结构，又可以分为背沟道刻蚀型（Back-channel etched）和背沟道保护型（Back-channel stop） 。37.2 背沟道刻蚀型TFT的工艺流程4PEP 1 栅极 Mo/AlNd PEP 2 a-Si:H 岛 SiNx /-Si/ n+-Si PEP 3 源漏电极及沟道切断 Mo/Al/Mo;-Si/ n+-Si PEP 4 SiNx保护膜及过孔 PEP 5 ITO像素电极7.2.1 5PEP阵列工艺57.2.1 背沟道a-Si:H TFT 的平面结构67.2.1 背沟道a-Si:H TFT 的断面结构a-Si TFT信号线扫描线C处和C处断面ITO像素电极存

3、储电容C处C处71PEP 栅线n+a-Si膜厚 300a-Si膜厚 1500SiNx膜厚 3500AlNd/Mo膜厚 200030002PEP a-Si岛栅极a-Si:Hn+a-SiSiNx栅线及栅极存储电容存储电容有源岛SiNx绝缘膜83PEP 信号线源极漏极切断后的沟道源极漏极信号线顶Mo 500AL膜厚 3000底Mo 300n+a-Si膜厚 300a-Si膜厚 1500P-SiNx膜厚 250094PEP 钝化层和过孔 P-SiNx钝化层信号金属上过孔（a）TFT上过孔漏极上的孔（c）TFT处平面图形P-SiNx膜厚 2500（d）短路环处过孔平面图形栅金属上过孔信号金属上过孔栅极上过

4、孔钝化层绝缘层（b）栅金属上过孔105PEP 象素电极 （d）TFT处的平面图形像素电极ITO像素电极ITO（a）TFT处ITO存储电容上电极ITO（b）存储电容处ITO接触电极ITO（c）外引线处ITOITO膜厚 500P-SiN膜厚 2500顶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 背沟道a-Si:H TFT 的断面结构ItemSub-ItemSpec()PEP5ITOITO500PEP4PVSiNx2500PEP3M2Mo450Al2500Mo150PEP2Nn+a-Si30

5、0Ia-Si1500GSiNx3500PEP1M1Mo500AlNd270012常采用5次光刻：1次光刻：栅线2次光刻：有源岛3次光刻：源漏电极4次光刻：钝化及过孔5次光刻：像素电极TFT的设计结构有多种，矩形沟道、U型沟道等；优化设计：1.采用U型沟道，提高了宽长比，即增大了沟道宽度、减小了沟道长度；2.采用I型存储电容，增大了存储电荷量，提高了开口率。TFT 的设计结构137.2.2 采用4次光刻的工艺流程光刻数5次光刻4次光刻1栅极栅极2a-Si:H有源岛a-Si:H有源岛、源漏电极、n+a-Si沟道切断3源漏电极、n+a-Si沟道切断SiNx保护膜、过孔4SiNx保护膜、过孔ITO5I

6、TO67144次光刻中第二次光刻的工艺流程5次光刻的第二次有源岛、 第三次源漏电极、沟道切断4次光刻的第二次光刻有源岛岛、源漏电极、沟道切断a-Si:Hn+a-SiSiNx源极漏极切断后的沟道157.2.2 采用4次光刻的工艺流程玻璃基板栅极源漏电极金属层n+a-Si 欧姆接触层a-Si:H 半导体层SiNx 绝缘层光刻胶源漏电极金属层光刻胶分成三个区域： 曝光区； 半曝光区； 未曝光区GTM及HTM掩膜版第一次光刻后栅极基板进行连续沉积4层薄膜： 氮化硅层 非晶硅层 掺磷的非晶硅层 源漏电极金属层 涂胶多段式调整掩膜版曝光167.2.2 采用4次光刻的工艺流程第2次光刻的工艺流程概括为：连续

7、沉积薄膜涂胶多段式调整掩膜版曝光显影湿法刻蚀干法刻蚀及灰化再湿刻、去胶、再干法刻蚀。 光刻胶（a）显影形成了光刻胶图形 源漏电极（b）湿刻源漏电极的金属层 n+a-Si 欧姆接触层a-Si:H 有源岛光刻胶（c）干法刻蚀及灰化 17切断后n+a-Si a-Si:H 有源岛（b）去胶及再干法刻蚀沟道切断n+a-Si源极漏极（a）再湿刻沟道处金属漏极光刻胶沟道处源极第2次光刻的工艺流程概括为：连续沉积薄膜涂胶多段式调整掩膜版曝光显影湿法刻蚀干法刻蚀及灰化再湿刻、去胶、再干法刻蚀。 7.2.2 采用4次光刻的工艺流程187.3 背沟道保护型TFT的工艺流程197.3 采用7次光刻的工艺流程光刻数5次

8、光刻4次光刻7次光刻1栅极栅极栅极2a-Si:H有源岛a-Si:H有源岛、源漏电极、n+a-Si沟道切断阻挡层3源漏电极、n+a-Si沟道切断SiNx保护膜、过孔a-Si:H有源岛4SiNx保护膜、过孔ITOITO像素电极5ITO过孔6源漏电极、n+a-Si沟道切断7SiNx保护膜201PEP GL 栅线2PEP IS 阻挡层3PEP AI 硅岛4PEP PX ITO像素电极5PEP TH 过孔6PEP SL 源漏电极、n+a-Si沟道切断7PEP PV SiNx钝化层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次光刻的工艺流程21就是在玻璃基板上有规则地整齐排列薄膜晶体管的工程。a-Si:H TFT 阵列221PEP 栅线等效电路栅电极栅线MoWMoWMoW存储电容形成薄膜晶体管的栅极、栅线及存储电容的金属层231PEP 栅线MoW前清洗MoW溅射涂胶曝光显影显影后检查 MoW CDE刻蚀后检查去胶 glass24glassclenaing1PEP 栅线清洗MoW前清洗：主要是用刷洗（NCW-601A0.3%表面活性剂），QDR水洗（处理过程是前给水10s、排水30s、给水90s，共两回），

10、US超声清洗，旋转干燥。25glasssputterGate CSgas：Kr， N21PEP 栅线溅射MoW溅射：采用MoW：W=65：35的合金靶材；膜厚是1800A；电阻率是0.780.2/；耐热耐药性好；Mo的耐酸碱等化学药品性差，于是W添加可以提高耐化学药品性；W量多，膜的电阻率会上升，所以W的添加量定为35%；溅射气体用Kr，因为Ar深入膜的量多，电阻率会上升。26glsaacoating1PEP 栅线涂胶MoW涂胶：经基板清洗、烘干、输水化（HMDS液）处理、涂胶、基板边缘清洗、烘干、冷却。清洗的过程中要从下面喷一种防静电剂，其目的是为了防止涂胶过程中产生的静电。输水化（HMDS

11、液）处理是用N2把HMDS液变成雾状，然后喷洒到基片上，目的是为了提高胶与基板的接触性能；基板边缘清洗的目的是为了刷洗边缘的光刻胶，以免光刻胶固化后，用机械手夹时，会掉下来，带来灰尘。光刻胶膜厚：15000A 500A；均匀性5%。27glassmask1PEP 栅线曝光28glass1PEP 栅线显影显影：显影液使用的是有机碱 TMAH (N(CH3)4OH) 2.38%水溶液。29glass1PEP 栅线CDEMoW CDE:使用的气体为CF4(125sccm)+O2(375sccm)； 功率:800W，压力:30Pa； 刚好刻蚀+O/E 10%； 掺氧气的目的是增加F*游离基的生成效率。

12、 主要反应： Mo + 6F* MoF6 W + 6F* WF6 CxHyOz +O* CO CxHyOz +F* HF30glassgateCsgate1PEP 栅线去胶去胶：二甘醇二丁醚65wt% 乙醇胺 35wt% 喷淋去胶、超声、水洗、干燥、O3灰化O3灰化的原理：用O3吹基板， O3与光刻胶反应生成挥发性的分子（CO2、H2O）而除去。31glasstext1PEP 栅线O/S检查检查标准： 一条线两端的电阻大于40K以上，认为是断线，正常是5K 15K 程度； 两条线间的电阻值测定在40K 以下，认为是短路，通常是高阻抗。 322PEP i/s SiN阻挡层形成薄膜晶体管的绝缘层及

13、阻挡层。阻挡层的作用是防止n+a-Si切断时刻到下面的a-Si。由于有阻挡层存在，因此这种TFT的结构是背沟道阻挡型TFT。glass332PEP I/S SiN阻挡层等效电路Cgd342PEP i/s SiN阻挡层SiO前清洗SiO AP CVD4层 CVD前清洗4层CVD （SiO，g-SiN，a-Si，i/s SiN）4层后清洗O2灰化涂胶背曝光曝光显影显影后检查i/s SiN湿法刻蚀刻蚀后检查去胶 35双层绝缘层的作用36双层绝缘层的作用37glass SiH4 O2 N2Gate SiOx2PEP i/s SiN阻挡层AP CVD基板加热后吹入SiH4 、O2 ，热分解后在基板上堆积

14、SiOx；厚度：2100；温度：430；反应气体： SiH4 、O2 保护气体：N2（目的是形成良好的净化环境）；38glassSiH4 N2O N2SIH4 NH3 N2SIH4 H2SiH4 NH3 N2SiOxg-SiNxa-siSiNx 2PEP i/s SiN阻挡层PCVDSiO 膜厚： 2150430A；气体：SiH4+NO2+N2g-SiN 膜厚：500100A；气体：SiH4+NH3+N2a-Si 膜厚： 500100A；气体：SiH4+H2I/s SiN膜厚：3000600A；气体：SiH4+NH3+N2392PEP i/s SiN阻挡层PCVD经射频（13.56MHz）后，

15、产生化学活性强的离子、游离基，在基板表面发生加快的化学反应形成薄膜；两层SIO是绝缘层。成两次SiOx成膜并在中间加一道清洗，其作用是为了针孔错开。G-SiN是一种匹配膜。介于绝缘层SiO和有源层a-Si之间。为了让SiO和a-Si有很好的接触。另外也能起到绝缘的作用。A-Si是有源层。A-Si是非晶硅，是一种半导体材料，半导体材料的特点是价电子正好把价带填满，禁带较窄，一般在2个电子伏特时，价带中的电子就可以被激发到导带，于是有导电的本领。I/s SiN是阻挡层。是防止n+a-Si切断时防止刻到下面的a-Si膜。40glassSiNx SiOx2PEP i/s SiN阻挡层O2灰化i/s S

16、iN膜具有亲水性，与光刻胶的密着不好；把亲水性的i/s SiN变成疏水性的SiO；主要反应： SiN + O2 SiO + N2。41glass2PEP i/s SiN阻挡层涂胶42glass2PEP i/s SiN阻挡层背曝光用栅线作掩膜，为了提高对版精度；自对准。43glass2PEP i/s SiN阻挡层正面曝光让部分栅线上的光刻胶曝光。44glass2PEP i/s SiN阻挡层显影45glass2PEP i/s SiN阻挡层湿刻刻蚀液：HF 0.21wt%；药液温度：450.7；药液压力：0.250.05kg/cm2。463PEP a-Si岛形成a-Si岛，即形成薄膜晶体管的可以导电

17、的小岛。 n+a-Si是欧姆接触层。N+a-Si的导电性介于金属与半导体之间，就是为了在MoALMo与a-Si之间形成良好的接触。473PEP a-Si岛等效电路a-Si岛483PEP a-Si岛 n+a-Si前清洗n+a-Si CVD涂胶曝光显影显影后检查3层CDE刻蚀后检查去胶glass49GlassN+cleaning3PEP a-Si岛清洗清洗液：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水处理。其作用是用LAL-50把容易氧化的a-Si表层的氧化硅去掉，以免n+a-SI与a-Si之间接触不良。用O3

18、水处理是为了把LAL-50处理后的a-Si再生成一层氧化硅的保护膜，防止再自然氧化。经O3水处理的氧化硅在n+a-Si CVD的一个反应室中被打掉。50glassN+a-si3PEP a-Si岛n+a-Sin+a-Si是欧姆接触层；n+a-Si的导电性介于金属与半导体之间，就是为了在MoALMo与a-Si之间形成良好的接触；气体：SiH4+PH3+H2；膜厚：500100A；分布15。51glass3PEP a-Si岛CDE气体：CF4(670sccm)+O2(330sccm)；功率：800W; 压力:30Pa；刻蚀膜：n+a-Si/a-Si/g-SiN；终点监控。主要反应： Si + 4F*

19、 SiF4 SiNx + F* SiF4 +N2 CxHyOz +O* CO CxHyOz +F* HF524PEP ITO象素电极等效电路象素电极ITO形成液晶显示器的画面显示区域534PEP ITO象素电极ITO前清洗ITO溅射ITO后清洗涂胶曝光显影glass显影后检查ITO湿刻刻蚀后检查去胶 54glassITO sputter4PEP ITO象素电极ITO溅射ITO溅射：膜厚是400A； 电阻率是60/； 透过率：75% 靶材In2O3：SnO2=90：10 结构是立方晶结构，因为ITO的刻蚀速率慢，而且电阻率 、透过率受结晶状态影响很大，所以基板加热很重要。 溅射过程中微量的氧气可

20、以改变薄膜的结晶状态，降低电阻率。 溅射气体是Ar 400Sccm和O2 0.6Sccm。55glass4PEP ITO象素电极ITO刻蚀刻蚀液：HCL:HNO3:H2O=20:1:10565PEP 过孔涂胶曝光显影显影后检查SiO湿刻SiO刻蚀药液：HF：NH4F：H2O=6：30：64刻蚀后检查去胶 就是把基板边缘需要引线、测试和短路环部分的SiO刻蚀掉，暴露下面的MoW的过程。575PEP 过孔等效电路VgVs585PEP 过孔涂胶曝光显影595PEP 过孔SiO湿法刻蚀去胶606PEP MoALMo源漏电极形成薄膜晶体管的源漏电极 N+a-Si切断就是把源漏电极之间的n+a-Si刻净，

21、防止源漏电极短路。 MoALMo的上层Mo的作用是上层Mo的作用是填平AL的小丘，防止因小丘引起的断线等缺陷。下层Mo的作用是防止AL还原ITO及防止AL向n+a-Si和a-Si扩散导致TFT的特性中的开关比上升。616PEP MoALMo源漏电极等效电路漏电级MoALMo源电极MoALMo信号线MoALMoCds626PEP MoALMo源漏电极MoALMo前清洗MoALMo溅射MoALMo后清洗涂胶曝光显影显影后检查MoALMo湿刻刻蚀后检查n+切断刻蚀刻蚀后检查去胶 63glassS/D cleaning6PEP MoALMo源漏电极清洗MoALMo前清洗：主要是用刷洗，QDR水洗，LA

22、L刻蚀， QDR水洗，超声清洗，IPA干燥。LAL刻蚀：因为MoALMo溅射前，n+a-Si暴露于大气，和容易氧化形成氧化硅，所以要用LAL刻蚀去表面的氧化物，O3水处理：在表面再形成一层薄的氧化硅，但不同于n+a-Si前清洗的地方是在溅射中没有除去氧化物的刻蚀室，因为MoALMo是金属，金属离子的活性高，在热退火中很容易渗透，不会影响与n+a-Si的接触性能。在工艺中，有时也不用O3水处理，不形成薄的氧化物，因为清洗后很快就进行溅射，即使表面形成一层自然的氧化硅，通过退火也不会影响器件的性能。64glassS/D sputter底Mo膜厚：27550A；方块电阻：11.004.0/气体：Ar

23、AL膜厚：3500350A；方块电阻：8010/气体：Ar顶Mo膜厚：50050A；方块电阻：4.40.9/气体：Ar6PEP MoALMo源漏电极MoAlMo溅射相对反射率215%（仅AL，480nm可见光），相对反射率时棒硅对下层膜的反射率。相对反射率的好坏决定MoALMo刻蚀的好坏，反射率不好，刻蚀性也不好。656PEP MoALMo源漏电极刻蚀glassMoALMo湿刻：用H3PO4：CH3COOH：HO：HNO3=76.8：15.2：5：366glassn+a-Si切断：气体是HCL 250Sccm，SF6 200Sccm，He 300Sccm； 压力26.7Pa，功率600W。 用

24、O2灰化出去表面变应的光刻胶。 HCL是为了提高a-Si对I/s SiN的选择比。 用时间监控，以免刻蚀I/s SiN等。6PEP MoALMo源漏电极n+切断67glassSL去胶：有湿法去胶和灰化部分； 灰化是干法去胶，为了除去残留的光刻胶。 用IPA处理和紫外灯照射。因为AL容易被稀释的去胶液腐蚀，为了保证图形的完整性，6PEP和7PEP有AL以后的去胶都用IPA去胶，其作用是置换的作用。以免少量的去胶液带到水洗槽，会刻蚀AL。其它几次光刻可用可不用紫外灯照射，但第六次必须用。因为第六次去胶连续两次刻蚀，光刻胶的性质会发生微小的变化，为了更好的除去光刻胶，用紫外灯照射，防止O3分解，可以

25、用大量的O3除去残留的光刻胶，来更好的去胶。6PEP MoALMo源漏电极去胶687PEP P-SiN钝化层形成TFT的钝化层，保护TFT防止受到灰尘、潮湿的影响。P-SiN前清洗P-SiN CVD涂胶曝光显影显影后检查P-SiN PE 干法刻蚀刻蚀后检查SiO湿法刻蚀刻蚀后检查去胶 697PEP P-SiN钝化层P-SiN前清洗P-SiN CVD涂胶707PEP P-SiN钝化层曝光显影717PEP P-SiN钝化层去胶P-SiN PE727PEP P-SiN钝化层要点说明 P-SiN前清洗：不用刷洗，以免把已经形成好的器件划伤。P-SiN CVD：膜厚是2000A；使用气体是SiN4，N2，NH3。P-SiN PE是用终点监控，加上过刻蚀90%。终点监控可以保证P-SiN膜刻蚀净。过刻蚀90%，是为了把过孔处表面的Mo刻蚀掉，AL暴露出来。原因是Mo容易氧化，形成氧化钼，使得引线及测试时接触不良加不上电压。使用气体是N2 80Sccm，SF6 480Sccm，He 480Sccm，功率1000W，压力26.7Pa。O2是用来灰化