第07章-薄膜晶体管的结构与设计课件.ppt

1、平板显示技术基础，2013年，北京大学出版社27.1 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本章主要内容37.1 a-Si:H TFT 结构概述结构概述（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；底栅结构是栅极在下面的一种结构，又可以分为背沟道刻蚀型（Bac

2、k-channel etched）和背沟道保护型（Back-channel stop） 。5 PEP 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67.2.1 背沟道背沟道a-Si:H TFT 的平面结构的平面结构77.2.1 背沟道背沟道a-Si:H TFT 的断面结构的断面结构a-Si TFT信号线扫描线C处和C处断面ITO像素电极存储电容C处C处8n+a-Si膜厚 300a-Si膜厚 1500SiNx膜厚 350

3、0AlNd/Mo膜厚 20003000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9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 250010P-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孔钝化层绝缘层（b）栅金属上过孔11（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

4、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2000127.2.1 背沟道背沟道a-Si:H TFT 的断面结构的断面结构ItemSub-ItemSpec()PEP5ITOITO500PEP4PVSiNx2500PEP3M2Mo450Al2500Mo150PEP2Nn+a-Si300Ia-Si1500GSiNx3500PEP1M1Mo500AlNd270013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

5、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 的设计结构的设计结构7.2.2 采用采用4次光刻的工艺流程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ITO5ITO67154次光刻中第二次光刻的工艺流程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

6、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167.2.2 采用采用4次光刻的工艺流程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177.2.2 采用采用4次光刻的工艺流程次光刻的工艺流程第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

7、、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 18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 采用采用4次光刻的工艺流程次光刻的工艺流程7.3 采用采用7次光刻的工艺流程次光刻的工艺流程光刻数5次光刻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

8、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211PEP 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-Si 500AITO 400AMoALMo 275/3500/500

9、AP-SiN 2000A7.3.1 采用采用7次光刻的工艺流程次光刻的工艺流程22就是在玻璃基板上有规则地整齐排列薄膜晶体管的工程。23 形成薄膜晶体管的栅极、栅线及存储电容的金属层24 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 glass25glassclenaingMoW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），US超声清洗，旋转干燥。26glasssputtersputterGate CGate CS Sgas：Kr， N2lMoW溅射：采用MoW：W=

10、65：35的合金靶材；膜厚是1800A；l电阻率是0.780.2/；l耐热耐药性好；lMo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。27glsaacoatingcoatingMoW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

11、，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%。28glassmask29glass显影：显影液使用的是有机碱 TMAH (N(CH3)4OH) 2.38%水溶液。30glassMoW 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。 主要反应： Mo + 6F* MoF6 W + 6F* WF6 CxHyOz +O* CO CxHyOz +F* HF31glassgateCsCsgategate去胶：二甘醇二丁醚6

12、5wt% 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。32glasstext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。 33 形成薄膜晶体管的绝缘层及阻挡层。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。glass3435 SiO前清洗 SiO AP CVD 4层 CVD前清洗 4层CVD （SiO，g-SiN，a-Si，

13、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 363738glass SiH4 O2 N2Gate SiOxl基板加热后吹入SiH4 、O2 ，热分解后在基板上堆积SiOx；l厚度：2100；l温度：430；l反应气体： SiH4 、O2 保护气体：N2（目的是形成良好的净化环境）；39glassSiH4 N2O N2SIH4 NH3 N2SIH4 H2SiH4 NH3 N2SiOxSiOxg-SiNxg-SiNxa-sia-siSiNxSiNx l SiO 膜厚： 2150430A；气体：SiH4+NO2+N2l g-

14、SiN 膜厚：500100A；气体：SiH4+NH3+N2l a-Si 膜厚： 500100A；气体：SiH4+H2l I/s SiN膜厚：3000600A；气体：SiH4+NH3+N240l经射频（13.56MHz）后，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；l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。lG-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。lA-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

15、，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。lI/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。41glassSiNx SiOxSiNx SiOxli/s SiN膜具有亲水性，与光刻胶的密着不好；l把亲水性的i/s SiN变成疏水性的SiO；l主要反应： SiN + O2 SiO + N2。42glass43glassl用栅线作掩膜，为了提高对版精度；l自对准。44glassl让部分栅线上的光刻胶曝光。45glass46glassl刻蚀液：HF 0.21wt%；l药液温度：450.7；l药液压力：0.250.05kg/cm2。47 形成a-

16、Si岛，即形成薄膜晶体管的可以导电的小岛。 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。4849 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glass50GlassN+cleaningl清洗液：LAL-50(HF:NH4F:H2O=0.17:17.10:82.73)+O3水；ln+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水处理是为了把LAL-50处理后的a

17、-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。51glassN+a-siN+a-siln+a-Si是欧姆接触层；ln+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；l气体：SiH4+PH3+H2；l膜厚：500100A；分布15。52glass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* SiF4 SiNx + F* SiF4 +N2 CxHyOz +O* C

18、O CxHyOz +F* HF53 形成液晶显示器的画面显示区域54 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 55glassITO sputterITO sputterITO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。56glass刻蚀液：HCL:HNO3:H2

19、O=20:1:1057 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。58596061 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，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。6263 MoALMo前清洗 MoALMo溅射 MoALMo后清洗 涂

20、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 64glassS/D cleaninglMoALMo前清洗：主要是用刷洗，QDR水洗，LAL刻蚀， QDR水洗，超声清洗，IPA干燥。lLAL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，lO3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。l在工艺中，有时也不用O3水处理，不形成薄的氧化物，

21、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。65glassS/D sputterS/D sputterl 底Mo膜厚：27550A；方块电阻：11.004.0/气体：Arl AL膜厚：3500350A；方块电阻：8010/气体：Arl 顶Mo膜厚：50050A；方块电阻：4.40.9/气体：Arl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。66glassMoALMo湿刻：用H3PO4：CH3COOH：HO：HNO3=76.8：15.2：5：367

22、glassn+a-Si切断：气体是HCL 250Sccm，SF6 200Sccm，He 300Sccm； 压力26.7Pa，功率600W。 用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。68glassSL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

23、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，可以用大量的O3除去残留的光刻胶，来更好的去胶。69 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 70717273 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

24、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是用来灰化的。747次光刻的平面图形次光刻的平面图形1PEP 栅 线2PEP i/s SiNx阻挡层753PEP 有源岛4PEP 像素电极7次光刻的平面图形次光刻的平面图形765PEP 过孔6PEP 源漏电极7PEP 钝化层7次光刻的平面图形次光刻的平面图形777.4 其他结构的其他结构的a-Si:H TFTAlSiNxa-Si:H栅极0.3m0.3m0.3m0.3m1.

25、0mMon+a-SiSiNxn+a-SiMo玻璃基板漏极源极垂直结构的a-Si:H TFT NiCrn+a-SiSiO2SiO2光刻胶a-SiNiCrNiCr采用剥离工艺的自动准结构a-Si:H TFT的工艺流程 787.5 薄膜晶体管阵列的设计薄膜晶体管阵列的设计30m30m10m40m22m14m13m10m10m12m10m20m（c）源、漏电极及信号线版（a）栅线、柵电极与存储电容版（b）有源层岛版797.5 薄膜晶体管阵列的设计薄膜晶体管阵列的设计10m264m88m36m40m22m204m244m58m（e）ITO像素电极版（f）5次光刻叠加版图（d）封装及过孔版80abgfff

26、fgggeeddddbcbbhijkkmna：显示区域；b： 扫描电极外引线；c：信号电极外引线；d： 短路环 ； e：银点电极；f： 对版标记； g： 液晶屏划片标记；h： 信号IC引脚；i： FPC引脚；j：快检测试点；k： 彩膜版划片标记；m：奇栅IC引脚；n：偶栅IC引脚 7.5 薄膜晶体管阵列的设计薄膜晶体管阵列的设计81本章小结本章小结 背沟道刻蚀结构的a-Si:H TFT 2代线以上的生产线，多数采用5次光刻的背沟道刻蚀型结构，分别是栅线、有源岛、源漏电极、钝化层及过孔、和像素电极。 背沟道保护型结构的a-Si:H TFT 1代生产线采用的是背沟道保护型结构，采用7次光刻的制作工艺，分别为栅线、阻挡层、有源岛、像素电极、过孔、源漏电极、钝化层。 其他结构的a-Si:H TFT 顶栅结构、垂直结构、自对准型底栅结构等。 薄膜晶体管阵列的设计 阵列版图的核心是计算和设计单元像素，然后在周边设计上扫描电极外引线和信号电极外等构成了阵列基板的整体布局。