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        8光罩BCE結(jié)構(gòu)IGZO-TFT的鈍化層通孔柱狀不良的改善

        2020-12-09 03:09:06王志強(qiáng)
        液晶與顯示 2020年12期
        關(guān)鍵詞:工藝

        劉 浩, 常 維, 王志強(qiáng), 劉 勃

        (重慶京東方光電科技有限公司,重慶 400700)

        1 引 言

        目前TFT主要包括非晶硅TFT、多晶硅TFT和銦鎵鋅氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide,IGZO)TFT[1]。而氧化物TFT不僅具有高電子遷移率、高開(kāi)口率、光學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),并且在傳統(tǒng)非晶硅TFT產(chǎn)線基礎(chǔ)上,進(jìn)行極少數(shù)設(shè)備改造,就可生產(chǎn)高性能氧化物TFT原件,投資費(fèi)用低,受到越來(lái)越多面板生產(chǎn)廠商和TFT研究者的關(guān)注[2-3]。

        IGZO TFT在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采用傳統(tǒng)的底柵結(jié)構(gòu),膜層結(jié)構(gòu)從下往上分別是:柵極、絕緣層(SiNx& SiO2)、IGZO、源漏極、鈍化層1(簡(jiǎn)稱(chēng)PVX1(SiO2))、公共電極、鈍化層2(簡(jiǎn)稱(chēng)PVX2(SiNx))、像素電極。相對(duì)于非晶硅TFT,鈍化層增加了SiO2為IGZO 提供氧分壓,用以確保TFT 特性[4]。鈍化層通孔刻蝕需要同時(shí)刻蝕SiNx和SiO2兩種不同膜層,通常SiNx采用六氟化硫和氧氣刻蝕氣體進(jìn)行刻蝕,SiO2采用四氟化碳和氧氣刻蝕氣體進(jìn)行刻蝕[5-7],由于IGZO通孔結(jié)構(gòu)相對(duì)于非晶硅膜層復(fù)雜,且兩種膜層膜質(zhì)差異較大,在通孔刻蝕過(guò)程中易出現(xiàn)通孔形貌異常,導(dǎo)致通孔連接異常。

        本文針對(duì)IGZO通孔柱狀不良進(jìn)行系統(tǒng)研究,確定通孔柱狀發(fā)生的根本原因,同時(shí)討論了改善柱狀不良的方法,成功解決了IGZO通孔柱狀問(wèn)題,為IGZO的泛應(yīng)用提供技術(shù)參考。

        2 通孔柱狀原因分析及機(jī)理研究

        2.1 不良現(xiàn)象確認(rèn)

        本文采用六氟化硫和氧氣刻蝕氣體刻蝕SiNx,四氟化碳和氧氣刻蝕氣體刻蝕下層SiO2,主要反應(yīng)方程如下:

        SF6→F·+SFx·x=1,2,3,4,5

        (1)

        SiNx+4F·→SiF4↑+N2↑

        ,

        (2)

        其中:F·、SFx· 表示化學(xué)反應(yīng)性高的活性自由基,真空系統(tǒng)將反應(yīng)生成物 SiF4、N2等揮發(fā)性氣體抽離反應(yīng)腔室,從而完成對(duì)SiNx的刻蝕。

        CF4→F·+CFx·x=1,2,3

        (3)

        SiO2+4F·→SiF4↑+O2↑

        (4)

        其中:F·、CFx· 表示化學(xué)反應(yīng)性高的活性自由基,真空系統(tǒng)將反應(yīng)生成物 SiF4、O2等揮發(fā)性氣體抽離反應(yīng)腔室,從而完成對(duì)SiO2的刻蝕。

        圖1為鈍化層刻蝕(PVX Etch)工藝完成后不良圖片。由圖1可見(jiàn), 鈍化層刻蝕完成后,通孔中間有柱狀不良,高度和SiO2膜層高度接近,這種不良可能會(huì)導(dǎo)致接觸電阻偏大,甚至影響產(chǎn)品品質(zhì)和信賴(lài)性測(cè)試,因此急需改善。

        圖1 刻蝕后通孔形貌

        為了明確不良發(fā)生的原因,首先需要對(duì)通孔設(shè)計(jì)和膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,重慶京東方某款氧化物TFT產(chǎn)品設(shè)計(jì)為背溝道刻蝕(BCE)結(jié)構(gòu),鈍化層通孔刻蝕主要形成兩種通孔結(jié)構(gòu),如圖2所示:一種通孔為2ITO-ITO(R1孔),1ITO和2ITO均為非晶硅即a-ITO,在常溫情況下,在電場(chǎng)作用下,通過(guò)氬氣濺射靶材進(jìn)行沉積,沉積厚度均為70 nm。鈍化層刻蝕時(shí)只刻蝕SiNx,這種通孔主要分布在外圍,連接外圍線路;另外一種通孔為2ITO-SD(R2孔),鈍化層刻蝕時(shí)需要同時(shí)刻蝕SiNx和SiO2,這種通孔主要分布在像素區(qū),主要將像素電極(2ITO)和TFT開(kāi)關(guān)連接。

        圖2 通孔結(jié)構(gòu)示意圖

        R2通孔采用三層套孔設(shè)計(jì),鈍化層通孔。1ITO 孔和有機(jī)膜(ORG)孔。有機(jī)膜孔在有機(jī)膜層經(jīng)過(guò)曝光顯影形成,1ITO 孔在ITO層 ITO 刻蝕后形成,鈍化層通孔在鈍化層刻蝕后形成,俯視圖如圖3所示。目前發(fā)現(xiàn)發(fā)生不良主要為像素區(qū)R2孔,為了查清發(fā)生原因,我們對(duì)R1通孔進(jìn)行掃描電鏡確認(rèn),發(fā)現(xiàn)R1孔形貌規(guī)整,無(wú)柱狀不良現(xiàn)象,如圖4所示。這說(shuō)明SiNx刻蝕正常,R2通孔可能和套孔結(jié)構(gòu)相關(guān)或者SiO2通孔刻蝕過(guò)程異常導(dǎo)致。

        圖3 R2通孔設(shè)計(jì)

        圖4 刻蝕后R1通孔形貌

        2.2 柱狀不良原因分析

        為了研究通孔柱狀是否與有機(jī)膜和1ITO膜層相關(guān),我們?cè)诹慨a(chǎn)工序基礎(chǔ)上分別去掉有機(jī)膜和1ITO膜層驗(yàn)證,然后鈍化層刻蝕后分別進(jìn)行掃描電鏡確認(rèn),如圖5所示。

        圖5 刻蝕后通孔形貌

        由圖5可知,有機(jī)膜膜層去掉后,通孔柱狀不良并無(wú)明顯改善,而1ITO膜層去掉后,通孔形貌干凈,柱狀不良完全消失,所以柱狀不良和1ITO 膜層相關(guān)。為進(jìn)一步查清發(fā)生的原因, ITO刻蝕完成后對(duì)ITO 孔進(jìn)行掃描電鏡確認(rèn),如圖6所示。

        圖6 ITO刻蝕后過(guò)孔形貌

        掃描電鏡顯示ITO 刻蝕后,ITO孔有圓形小顆物,形狀以及大小和柱狀顆粒物類(lèi)似,懷疑此顆粒物為ITO結(jié)晶物,ITO在沉積過(guò)程中極易結(jié)晶[8-9],ITO在常溫下進(jìn)行沉積,隨著沉積進(jìn)行,腔室溫度逐漸升高,在膜層上方形成結(jié)晶,膜厚越厚,沉積時(shí)間越長(zhǎng),溫度升高越高,結(jié)晶越嚴(yán)重。ITO結(jié)晶物殘留在SiO2上方,在鈍化層刻蝕時(shí)由于ITO結(jié)晶物阻擋刻蝕,且SiO2刻蝕采用低壓力刻蝕,物理刻蝕占主導(dǎo)作用[10],主要以縱向刻蝕為主,優(yōu)先從結(jié)晶處進(jìn)行刻蝕,由于物理刻蝕對(duì)ITO結(jié)晶物刻蝕率極慢,鈍化層刻蝕完成后ITO結(jié)晶仍然沒(méi)有被刻蝕完,導(dǎo)致SiO2未被刻蝕從而形成柱狀,柱狀高度剛剛與SiO2膜層高度接近。

        3 改善措施及效果

        柱狀不良主要為ITO結(jié)晶導(dǎo)致ITO 刻蝕不干凈,從而阻擋SiO2刻蝕導(dǎo)致,以下主要從ITO 工藝和鈍化層刻蝕工藝兩個(gè)方面進(jìn)行改善。

        3.1 ITO 刻蝕時(shí)間延長(zhǎng)和ITO膜厚降低

        因?yàn)镮TO結(jié)晶物阻擋SiO2刻蝕形成柱狀不良,嘗試增加ITO刻蝕時(shí)間將生成的ITO結(jié)晶物反應(yīng)掉。透明電極膜ITO為氧化銦(In2O3)和氧化錫(SnO2)的合成物,刻蝕藥液主要為硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)。其中硫酸的作用使In2O3和SnO2溶解,硝酸的作用是作為緩沖溶液,調(diào)節(jié)刻蝕速率,其反應(yīng)方程式如下:

        In2O3+6H+→2In3++3H2O

        ,

        (5)

        SnO2+4H+→Sn4++2H2O

        ,

        (6)

        在量產(chǎn)基礎(chǔ)上,分別將ITO刻蝕時(shí)間延長(zhǎng)20 s和40 s, 鈍化層刻蝕完成后進(jìn)行掃描電鏡確認(rèn),如圖7所示。

        圖7 ITO刻蝕工藝優(yōu)化后通孔形貌

        由圖7可知,分別將1ITO 刻蝕時(shí)間延長(zhǎng)20 s和40 s,通孔柱狀并無(wú)改善,這說(shuō)明ITO一旦形成結(jié)晶,通過(guò)延長(zhǎng)刻蝕時(shí)間均無(wú)法將結(jié)晶的ITO刻蝕干凈,這主要因?yàn)榻Y(jié)晶的ITO變得更加致密,化學(xué)藥液不容易滲透到ITO里面,導(dǎo)致ITO刻蝕速率大大降低,從而出現(xiàn)ITO殘留。

        根據(jù)ITO結(jié)晶性能, ITO膜厚越大,ITO沉積時(shí)間越長(zhǎng),腔室內(nèi)部溫度升高更高,越容易結(jié)晶,因此可以通過(guò)降低ITO膜厚來(lái)改善結(jié)晶,從而改善通孔柱狀,在量產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上分別降低ITO膜層厚度10 nm和20 nm,通孔柱狀形貌如圖8所示。從掃描電鏡結(jié)果來(lái)看,ITO厚度降低,通孔柱狀不良變輕微,當(dāng)ITO厚度降低20 nm時(shí),柱狀不良已經(jīng)很輕微,但仍然無(wú)法消除,1ITO作為公共電極,產(chǎn)品對(duì)膜厚有特殊要求,并且需要通孔搭接,降低膜厚可能會(huì)影響過(guò)孔接觸電阻,因此需要嘗試通過(guò)變更其他工藝進(jìn)行通孔柱狀不良改善。

        圖8 降低ITO膜厚后通孔形貌

        3.2 鈍化層刻蝕工藝優(yōu)化

        針對(duì)ITO結(jié)晶導(dǎo)致柱狀不良,通過(guò)改善刻蝕氣體比例(CF4/O2)嘗試將殘留的ITO結(jié)晶物刻蝕反應(yīng)掉,從而形成干凈的通孔形貌,刻蝕氣體流量由qv(CF4)/qv(O2)=1 200/400增大到qv(CF4)/qv(O2)=3 000/1 000,通孔形貌干凈,柱狀不良得到明顯改善,通孔坡度角無(wú)明顯變化,均在70°~82°間,不同位置別略有差異,如圖9所示。

        圖9 優(yōu)化鈍化層刻蝕工藝后通孔形貌

        由圖9可知,通過(guò)增大刻蝕氣體,通孔柱狀不良消失,這說(shuō)明在功率和壓力不變情況下,氣體量增多,產(chǎn)生了更多的活性基團(tuán)和結(jié)晶的ITO發(fā)生反應(yīng),在壓力不變的情況下通入更多的反應(yīng)氣體使得氣體交換速度更快,有利于及時(shí)將反應(yīng)掉的結(jié)晶ITO抽出,進(jìn)一步加快了ITO刻蝕速率,殘留在SiO2上面的ITO結(jié)晶物被反應(yīng)抽出后便不能阻擋SiO2刻蝕,這種通過(guò)鈍化層刻蝕工藝變更,在不改變ITO膜層厚度情況下,通孔柱狀不良能夠得到徹底改善。

        4 結(jié) 論

        本文針對(duì)氧化物通孔柱狀不良進(jìn)行系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)此不良為1ITO在成膜時(shí)形成小顆粒結(jié)晶物導(dǎo)致,ITO結(jié)晶后,刻蝕速率大幅下降,從而殘留在SiO2上方,在鈍化層刻蝕時(shí)殘留的ITO結(jié)晶物阻擋SiO2刻蝕,從而形成柱狀。ITO結(jié)晶物一旦形成,通過(guò)延長(zhǎng)ITO刻蝕時(shí)間,仍然無(wú)法將結(jié)晶的ITO刻蝕反應(yīng);ITO膜厚降低可有效改善結(jié)晶,柱狀不良得到減輕,但無(wú)法完全消除;通過(guò)增大刻蝕氣體,將殘留的ITO結(jié)晶物反應(yīng)抽出,通孔柱狀不良完全消失,柱狀不良完全得到改善。

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