TFT-LCD设计及制作(7)-CVD

TFT-LCD设计及制作（7）——CVD成膜（非金属膜）■化学气相沉积技术原理及分类■CVD材料■CVD设备■CVD工艺条件的确定■CVD成膜设备的回顾与展望2TFT-LCD设计及制作在TFT制备中一共有4层非金属膜需要采用化学气相沉积工艺完成，金属栅极的绝缘层(SiNx，SiO2)、非晶硅层(a-Si)，n+非晶硅层(n+a-Si)和最后的保护层(SiNx，SiO2)。这些非金属膜的质量直接确定了TFT的电学性能，这些非金属膜的制作是TFT工艺技术的核心。3TFT-LCD设计及制作CVD涉及的主要设备和材科包括:常压化学气相沉积(atmosphericpressurechemicalvapordeposition，APCVD);低压化学气相沉积(lowpressurechemicalvapordeposition，LPCVD);等离子增强化学气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，PECVD);4TFT-LCD设计及制作工艺气体硅烷(SiH4)、磷烷(PH3)、氨气(NH3)、笑气(N2O)、氮气(N2)、氢气(H2)5TFT-LCD设计及制作1、化学气相沉积技术原理及分类2、CVD材料3、CVD设备4、CVD工艺条件的确定5、CVD成膜设备的回顾与展望6TFT-LCD设计及制作（1）化学气相沉积技术原理化学气相沉积技术是利用热能、等离子放电、紫外光照射等形式的能源或上述能源形式的综合利用，使气态物质在灼热的固体热表面上发生化学反应并在该表面上沉积，形成稳定的固态物质膜的工业过程。化学气相成膜工艺的参数主要考虑气体流量、气体成分、气体压力、射频功率、电极间距、基板温度和电极结构等。7TFT-LCD设计及制作在TFT阵列工艺中，PECVD中的化学反应主要是SiH4+H2生成a-SiSiH4+NH3+N2生成SiNx8TFT-LCD设计及制作图6.3所示是CVD成膜的二维模型，气流平行于玻璃基板表面。在主气流与玻璃基板表面之间，气流速率从主气流速率递减到基板表面的零，此区域定义为边界层。9TFT-LCD设计及制作我们把边界层上界面和基板表面的反应物浓度分别记为CG;和Cs，经边界层扩散到基板表面的气流速率为F1;基板表面被消耗掉的气流速率为F2，于是，可得到（6.1）BsGCCDF110TFT-LCD设计及制作式中，D为扩散系数;δB为边界层厚度，可表达为式中，µ是动力黏度，Z是距气流进口的距离；VG是边界层上界面处气体的速率。GBVz511TFT-LCD设计及制作在气体分子为刚性硬球近似下，扩散系数可表达为：22333PaTmkD式中，k为玻耳兹曼(Boltzmann)常数；T为绝对温度;P是气体压强；m和a分别是气体分子的质量和半径。12TFT-LCD设计及制作令基板表面气体反应速率为ks，则有ssCkF2假定稳定时F1=F2，得到淀积速率NCdkdkNFVGBsBsR2式中，N为生成单位厚度产物所需的反应气体分子数，dB为反应层的厚度。13TFT-LCD设计及制作考虑两个极端情况:（1）ksdB，此时，。产物淀积速率由气体在界面层的扩散决定，称为质量输运模式;（2）ksdB，此时，。产物淀积速率由基板表面反应速率决定，称为表面反应模式;NCdVGBRNCkVGsR14TFT-LCD设计及制作温度较高时表面反应速率一般较大，扩散到基板表面的气体分子得到充分消耗，此时为质量输运模式。淀积速率与主气流速率(即进气口气体流量)的平方根成正比;而温度变化由于幅度较小，对淀积速率影响不大，产物生长速率主要由气体流量控制;温度较低时，表面反应速率较小，扩散到基板表面的气体分子得不到充分反应，此时淀积由表面反应速率所控制，与进气口气体流量无关而敏感于温度变化，产物生长速率主要由温度控制。15TFT-LCD设计及制作非晶硅TFT成膜的温度远远低于单晶硅集成电路的成膜温度，一般在300~400℃之间，因此温度的变化对成膜的速率具有重要的意义。在TFT工艺技术中，主要通过CVD技术形成非金属薄膜，包括SiN等绝缘膜、非晶硅膜和n+非晶硅膜。16TFT-LCD设计及制作因为CVD使用的工艺气体有些是有毒的，有的甚至是剧毒，而且易燃易爆，因此必须要有完善的气体监测与报警系统。一般要求气柜要远离工作场所，并配备完善的安全设施。废气处理系统一定要达到国家环境保护条件要求，否则不能投入运行。17TFT-LCD设计及制作（2）化学气相沉积技术的分类TFT阵列制造中常用的化学气相沉积技术主要有常压CVD、低压CVD、等离子增强CVD等。常压CVD设备在a-SiTFT-LCD工艺中用于形成栅极绝缘膜，有时用它在栅极与玻璃基板之间形成保护底层。其特点是薄膜的堆积速度快、阶梯覆盖良好，且污染粒子的产生比等离子CVD少，层间绝缘性能好。18TFT-LCD设计及制作低压CVD设备的特点是反应均匀、阶梯覆盖(stepcoverage)良好、膜厚与膜质的均匀度控制性能好。LPCVD反应系统一般要求温度在650℃以上。是集成电路中制造多晶硅薄膜的标准方法。在TFT-LCD行业中，它主要用于制作高温多晶硅TFT-LCD膜，包括poly-Si形成用的a-Si薄膜、栅极绝缘用的硅氧化膜（SiO2）、栅极的n+poly-Si、层间绝缘膜（SiO2）薄膜等。19TFT-LCD设计及制作高温多晶硅薄膜沉积温度Td=580~630℃，普通玻璃的软化温度一般在500~600℃左右，因而必须采用耐高温的石英玻璃做衬底，主要用于液晶微型显示和液晶投影显示。非晶硅TFT工艺采用玻璃基板，因此不合适采用低压CVD。20TFT-LCD设计及制作亚常压CVD可以采用四官能度的正硅酸乙酯（ethylsilicate,TEOS）与臭氧(O3)或氧气(O2)进行反应。与氧反应温度比较高，大约在600℃左右。采用O3进行反应，在较低温度下就可以提供氧自由基，反应所需激活能比较小，在较低温度下就可以产生较高的淀积速率，但是产物易吸水，并产生应力变化，水分可能扩散到栅极而降低器件性能，应力变化会影响金属连线的可靠性。因而，在TFT-LCD工艺中-般不用此工艺。21TFT-LCD设计及制作TFT工艺膜的生长温度比较低，需引入额外的非热能能量或降低反应所需激活能，以得到足够的反应能量。等离子体增强化学气相沉积技术的原理是在真空中引进反应气体，以高频放电，使其在平行的电极板间产生等离子，利用低温等离子体作能量源，将样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电(或另加发热体)使样品升温到预定的温度，反应气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成数百埃至数千埃厚度的固态薄膜，这是非晶硅阵列制造工程的核心，直接决定TFT的特性。22TFT-LCD设计及制作PECVD方法区别于其他CVD方法的特点在于，等离子体中含有大量高能量的电子，它们可以提供化学气相沉积过程所需的激活能。电子与气相分子的碰撞可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，生成活性很高的各种化学基团，因而显著降低CVD薄膜沉积的温度范围，使得原来需要在高温下才能进行的CVD过程得以在低温下实现。23TFT-LCD设计及制作24TFT-LCD设计及制作在CVD成膜的实践中，人们发现成膜技术的间隙填充能力是非常重要的技术指标。如果薄膜平整度较小时，可能在间隙未充分淀积即闭合，留下空洞，这种情况会随深宽比变大而恶化。空洞一方面导致介质的绝缘性能劣化并产生过大的漏电流，另一方面工艺气体残留在空洞可能引起后续工艺的问题。因此，改善CVD工艺，以得到无空洞的间隙填充具有重要的意义。25TFT-LCD设计及制作1、化学气相沉积技术原理及分类2、CVD材料3、CVD设备4、CVD工艺条件的确定5、CVD成膜设备的回顾与展望26TFT-LCD设计及制作工艺气体硅烷(SiH4)、磷烷(PH3)、氨气(NH3)、笑气(N2O)、氮气(N2)、氢气(H2)27TFT-LCD设计及制作1、硅烷（气）硅烷是制作非晶硅和SiN，SiO的反应气体。火灾危险度为大。分子量32.118熔点185.0℃101.325kPa沸点111.5℃101.325kPa液体密度711kg.m－3－185℃气体密度1.42kg.m－3O℃，100kPa比容0.7518.m3(kg）-l21.1℃，101.325kPa临界温度－3.4℃蒸气压1.33kPa-163℃1040kPa-60℃4150kPa-10℃黏度0.0108mPa.S101.325kPa，0℃爆炸界限0.8%~98%28TFT-LCD设计及制作硅烷在常温常压下为具有恶臭的无色气体；在室温下能着火，在空气或卤素气体中发生爆炸性燃烧;即使用其他气体稀释，如果浓度不够低，仍能自燃。硅烷在氩气中含2%、氮气中含2.5%、氢气中含1%时，它仍能着火。硅烷浓度在小于1%时不燃，大于3%时自燃，1%~3%时可能燃烧。在氧气中燃烧产物为粉状氧化硅和水。OHSiOOSiH22242229TFT-LCD设计及制作硅烷是强还原剂，能与重金属卤化物激烈反应，与氯、溴发生爆炸性反应，与四氯化碳激烈反应。因此，对硅烷不能使用氟利昂灭火剂。硅烷不溶于乙醇、乙醚、苯、氯仿和四氧化硅，不与润滑油、脂肪反应;对几乎所有的金属无腐蚀性。有时，玻璃中的碱成分也能分解硅烷。溶解在二硫化碳中的硅烷遇到空气也可发生爆炸。30TFT-LCD设计及制作依据硅烷在化学品安全技术说明书（materialsafetydatasheets,MSDS）的资料，硅烷的致死半浓度（LC50）为9600ppm(4h)，美国政府工业卫生学家会议（Americanconferenceofgovernmenalindustrialhygienists，ACGIH）明确规定在每天工作8h或一周40h的情况下，连续工作不影响工作人体健康的硅烷气体临界浓度值（thresholdlimitvalue,TLV）为0.05ppm。实际上，在工作环境中允许浓度是采用5ppm的基准测定的。在低浓度混合气体状况下，由于泄漏在空气中有一定的稳定性，因此建议推荐使用硅烷气体检测器。在高浓度纯气体状况下，因其泄漏可能燃烧成大量的二氧化硅(Si02)粉尘，因此可以推荐采用硅烷+二氧硅(SiH4+SiOz)复合型的检测器和紫外/红外(UV/IR)监测器。31TFT-LCD设计及制作空气中允许的硅烷浓度为0.5ppm;一级报警浓度为0.30ppm；二级报警浓度为0.60ppm。听到报警，工作人员必须迅速撤离现场。在TFT制造中采用的是高纯度的硅烷，对一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水的含量都要求小于0.1ppm。对氮气和氧气+氩气的含量也要小于1ppm。32TFT-LCD设计及制作2、磷烷磷烷是制作n+非晶硅的反应气体，其外观无色，比空气重，并有类似臭鱼的味道，气体经压缩液化后运输;分子量34.0比重1.18沸点-87.7℃l个大气压冰点/熔点-133.0℃l个大气压气体密度0.0886lb.(ft)－321.1℃临界温度51.9℃蒸气压522lb·m221.1℃33TFT-LCD设计及制作磷烷虽然是一种剧毒气体，但是在TIT制作工艺中，生产是在安全条件下进行的。在TFT制造中采用的是高纯度的磷烷，其工艺载气氢气也是高纯度的。磷烷气体纯度要求在99.999%以上，工艺载气氢气的纯度要求在99.99999%以上。工艺载气氢气对氧、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的含量都要求小于0.5ppm，对氮气和水的含量也要小于1ppm，磷烷对氢气含量的要求小于0.05ppm，34TFT-LCD设计及制作同一条件下生产的同一次出厂的为一批。不同批次的产品不要混淆。交货时须同时提交产品原料纯度检验单。气瓶上要明确记载气体名称、生产公司的产品编号、纯度、填充日期等。35T