第07章-薄膜晶体管的结构与设计

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27.1a-Si:HTFT结构概述7.2背沟道刻蚀结构的a-Si:HTFT7.3背沟道保护结构的a-Si:HTFT7.4其他结构的a-Si:HTFT7.5薄膜晶体管阵列的设计本章主要内容37.1a-Si:HTFT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（Back-channeletched）和背沟道保护型（Back-channelstop）。7.2背沟道刻蚀型TFT的工艺流程5PEP1栅极Mo/AlNdPEP2a-Si:H岛SiNx/α-Si/n+-SiPEP3源漏电极及沟道切断Mo/Al/Mo;α-Si/n+-SiPEP4SiNx保护膜及过孔PEP5ITO像素电极7.2.15PEP阵列工艺67.2.1背沟道a-Si:HTFT的平面结构77.2.1背沟道a-Si:HTFT的断面结构a-SiTFT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81PEP栅线n+a-Si膜厚300Åa-Si膜厚1500ÅSiNx膜厚3500ÅAlNd/Mo膜厚2000~3000Å2PEPa-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93PEP信号线源极漏极切断后的沟道源极漏极信号线顶Mo500ÅAL膜厚3000Å底Mo300Ån+a-Si膜厚300Åa-Si膜厚1500ÅP-SiNx膜厚2500Å104PEP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2500Å（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115PEP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ITOITO膜厚500ÅP-SiN膜厚2500Å顶Mo500ÅAL膜厚3000Å底Mo300Ån+a-Si膜厚300Åa-Si膜厚1500ÅSiN膜厚3500ÅAlNd/Mo膜厚2000Å127.2.1背沟道a-Si:HTFT的断面结构ItemSub-ItemSpec(Ǻ)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7.2.2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ITO5ITO——6————7————154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167.2.2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177.2.2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18切断后n+a-Sia-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7.3背沟道保护型TFT的工艺流程7.3采用7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7————SiNx保护膜211PEPGL栅线2PEPIS阻挡层3PEPAI硅岛4PEPPXITO像素电极5PEPTH过孔6PEPSL源漏电极、n+a-Si沟道切断7PEPPVSiNx钝化层MoW1800ASiO2000ASiO2150Ag-SiN500Aa-Si500Ai/sSiN3000An+a-Si500AITO400AMoALMo275/3500/500AP-SiN2000A7.3.1采用7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。a-Si:HTFT阵列231PEP栅线等效电路•形成薄膜晶体管的栅极、栅线及存储电容的金属层241PEP栅线•MoW前清洗•→MoW溅射•→涂胶•→曝光•→显影•→显影后检查•→MoWCDE•→刻蚀后检查•→去胶glass25glassclenaing1PEP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），US超声清洗，旋转干燥。26glasssputterGateCSgas：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0.78±0.2Ω/□；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。27glsaacoating1PEP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%。28glassmask1PEP栅线——曝光29glass1PEP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。30glass1PEP栅线——CDEMoWCDE:使用的气体为CF4(125sccm)+O2(375sccm)；功率:800W，压力:30Pa；刚好刻蚀+O/E10%；掺氧气的目的是增加F*游离基的生成效率。主要反应：Mo+6F*→MoF6W+6F*→WF6CxHyOz+O*→COCxHyOz+F*→HF31glassgateCsgate1PEP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。32glasstext1PEP栅线——O/S检查检查标准：一条线两端的电阻大于40KΩ以上，认为是断线，正常是5KΩ~15KΩ程度；两条线间的电阻值测定在40KΩ以下，认为是短路，通常是高阻抗。332PEPi/sSiN阻挡层•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。glass342PEPI/SSiN阻挡层等效电路352PEPi/sSiN阻挡层•SiO前清洗•→SiOAPCVD•→4层CVD前清洗•→4层CVD（SiO，g-SiN，a-Si，i/sSiN）•→4层后清洗•→O2灰化•→涂胶•→背曝光•→曝光•→显影•→显影后检查•→i/sSiN湿法刻蚀•→刻蚀后检查•→去胶36双层绝缘层的作用37双层绝缘层的作用38glassSiH4O2N2GateSiOx2PEPi/sSiN阻挡层——APCVD基板加热后吹入SiH4、O2，热分解后在基板上堆积SiOx；厚度：2100Å；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）；39glassSiH4N2ON2SIH4NH3N2SIH4H2SiH4NH3N2SiOxg-SiNxa-siSiNx2PEPi/sSiN阻挡层——PCVDSiO膜厚：2150±430A；气体：SiH4+NO2+N2g-SiN膜厚：500±100A；气体：SiH4+NH3+N2a-Si膜厚：500±100A；气体：SiH4+H2I/sSiN膜厚：3000±600A；气体：SiH4+NH3+N2402PEPi/sSiN阻挡层——PCVD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；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/sSiN是阻挡层。是防止n+a-Si切断时防止刻到下面的a-Si膜。41glassSiNxSiOx2PEPi/sSiN阻挡层——O2灰化i/sSiN膜具有亲水性，与光刻胶的密着不好；把亲水性的i/sSiN变成疏水性的SiO；主要反应：SiN+O2→SiO+N2。42glass2PEPi/sSiN阻挡层——涂胶43glass2PEPi/sSiN阻挡层——背曝光用栅线作掩膜，为了提高对版精度；自对准。44glass2PEPi/sSiN阻挡层——正面曝光让部分栅线上的光刻胶曝光。45glass2PEPi/sSiN阻挡层——显影46glass2PEPi/sSiN阻挡层——湿刻刻蚀液：HF0.21wt%；药液温度：45±0.7℃；药液压力：0.25±0.05kg/cm2。473PEPa-Si岛•形成a-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。483PEPa-Si岛等效电路493PEPa-Si岛•→n+a-Si前清洗•→n+a-SiCVD•→涂胶•→曝光•→显影•→显影后检查•→3层CDE•→刻蚀后检查•→去胶glass50GlassN+cleaning3PEPa-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