-
1. Sputter Film 형성
2. Gate Al 공정
3. S/D Al, Mo 공정
4. Cu 배선
5. 투명전도막
1
-
구분 재료의 요구 특성 사용 Metal
Gate 전극 및 배선
•Glass와의 밀착력 우수 (Adhesion)
•Etching 가공성 우수
•배선 저항이 작을 것
•TCO (IZO or ITO)와의 접촉 저항이 작을 것
•고온 Process에서 변형 적을 것
Cr
MoW
Cr/AlNd
Al/Mo
Ti/Al/TiN
MoTi/Cu
Ti/Cu
• Gate 배선 물질로서 요구되는 특성과 사용 예는 다음과 같다.
1) Gate 배선 재료 요구 특성
2
-
Substra te
Al Film
Gra in Boundary
Substra te
Al 원자 이동Hillock 형성
Annealing
2) Pure Al and Hillock
• Driving Force : 열팽창 계수差에 의한 compressive stress
• Kinetics : Al diffusion으로 stress relaxation
Hillock 형성으로 compressive stress 해소
재료 Coefficient of Thermal Expansion (10-6K-1) 재료 CTE
Al 23.9 Glass 4.5
Mo 4.8 IZO 6.95
Cu 16.5 ITO 8.1
Ti 8.6 SiO2 0.5
a-Si 0.5 Si3N4 0.8
열처리후 Aluminum Hillock 발생 Mechanism
3
-
Glass와 Al의 열팽창 계수 차이로 CVD 3층막 증착시 Al Hillock 발생
→ Capping 물질의 영율이 클수록 Al Hillock 억제력이 커진다.
참고 : 물질의 영율 (*1E+10Nm-2)
Mo Cr Cu Ag Al Ta Ti AlNx MoNx TiNx AlOx
33 15.7 12.3 7.9 7.1 18.2 11 ≤33 ≤45 ≤60 ≤35
Substrate Substrate
Capping 물질의 영율 小
Al Grain
Hillock 大 Hillock 小
Capping 물질의 영율 大
* Nitride(or Oxide)는 N(or O) 함량에 따라 영율이 증가하는 추세
*
3) Al/Mo 구조의 Hillock 제어
4
-
Gate 배선
S/D MoAlMo
Pixel IZO
Al/Mo (2500/500Å) AlNd/Mo (2500/500Å) Al only (2500Å)
G/D Short 불량이 다량 발생
TFT 공정 완료 후 Al/Mo와 AlNd/Mo 배선 표면 비교시 유의차 없음.
AlNd 대신 Pure Al 사용 가능
Al/Mo Gate 구조 : TFT 공정 완료 후 기판 표면 비교
5
-
AlNd 합금의 내열 특성
7
Hillock formation
-
1. Sputter Film 형성
2. Gate Al 공정
3. S/D Al, Mo 공정
4. Cu 배선
5. 투명전도막
-
구분 재료의 요구 특성 사용 Metal
SD 전극 및 배선
• n+a-Si과 저항성 접촉 (Ohmic Contact)
• TCO (IZO or ITO)와의 접촉 저항이 작을 것
• Etching 가공성 우수
• 화학적 안정성 우수
• 배선 저항이 작을 것
• Step부 Open 이 적을 것
Cr
Mo
Cr/AlNd
Mo/Al/Mo
Ti/Al
MoTi/Cu
Ti/Cu
• SD 배선 물질로서 요구되는 특성과 사용 예는 다음과 같다.
1) S/D 배선 재료 요구 특성
9
-
Metal 일함수 (eV) Metal 일함수 (eV) 반도체 Electron Affinity (eV)
Al 4.28 Ag 4.26 Si 4.01
Cu 4.7 Au 5.1 Ge 4.13
Mo 4.6 Ni 5.15 GaAs 4.07
Ti 4.33 Pd 5.12
Cr 4.5 W 4.55
모든 고체의 표면에는 전자를 고체 내로 가두는 Energy Barrier가 존재하며,
이 Energy Barrier의 높이를 Work Function (φ, 일함수) 라고 함.
(Mg 3eV 부터 Pt 6eV 까지 다양한 값)
Metal의 일함수를 φm, 반도체의 일함수를 φs 라고 할 때,
φm > φs : Schottky Contact, φm < φs : Ohmic Contact
대개는 Schottky Contact을 나타내며 사이에 n+ a-Si 층을 사용하여 Contact 저항을 작게 함.
Metal Metal Semiconductor Semiconductor Φm > Φs Schottky contact Φm > Φs Schottky contact
2) Metal-Semiconductor Contact
10
-
구분 비저항
(μΩcm)
녹는점
(℃)
열챙창계수
(ppm/℃)
Si과의 반응 온도 (℃)
Stable on Si up to(℃)
Al 3.1 660 23.9 ~250도
( junction spike) 250도
Cu 2.3 1083 17 100도 이하 100도 이하
Mo 11.5 2610 5 400 ~ 700도 400도
Ti 86.5 1668 8.5 400 ~ 1000도 400도
Cr 21 1907 4.9 400 ~ 450도 400도
• Aluminum, Copper의 SD 적용 한계와 Barrier Metal 필요성
11
-
S/D Mo 증착 압력에 따른 단차부 Crack 불량 (FIB)
Mo 3500Å at 0.2Pa Mo 3500Å at 0.4Pa
Low Resistance – 16.0kΩ
100K
High Resistance – 34.4kΩ
80K
AlNd/Mo
SD Mo
Active G-SiN
AlNd/Mo
SD Mo
Active G-SiN
13
-
1. Sputter Film 형성
2. Gate Al 공정
3. S/D Al, Mo 공정
4. Cu 배선
5. 투명전도막
14
-
1) Cu의 장점
1. 박막 비저항, 두께 감소
Al 3.1uΩcm, Cu 2.3uΩcm 배선 두께 또는 선폭 감소 가능 :
Gate Al 3000Å, SD Al 4000Å Gate Cu 2000Å, SD Cu 2700Å
2. 배선 적층 수 ( total 5 4 )
Gate Al/Mo SD Mo/Al/Mo Gate Ti/Cu SD Ti/Cu
Pixel IZO
G-SiN
P-SiN
a-Si/n+
Al/Mo Ti/Cu
Ti/Cu MAM Pixel IZO
G-SiN
a-Si/n+
P-SiN
Glass Glass
15
-
16
Difficulties in Cu Film Process
-
1. Sputter Film 형성
2. Gate Al 공정
3. S/D Al, Mo 공정
4. Cu 배선
5. 투명전도막 (TCO)
20
-
TCO (ITO InSnO3)
Display Applications • Pixel electrode in Displays
• Touch screen
21
*TCO (Transparent Conductive Oxide)
-Resistivity 90%
InO3 + Sn dopant One excess electron from Oxygen atom becomes free electron metal like Conductivity
-
a-ITO의 특성
• Etch할 때까지만 amorphous 유지 (비저항 ↑, 투과율 ↓)하며, 약산으로 Etch 가능.
열처리 후에는 c-ITO로 변환 (비저항 ↓, 투과율 ↑)
• 실제 라인 공정에서는 결정화를 위한 열처리 공정이 따로 없으며,
PI Cure시 열처리 공정으로 대체함. (210도 15분)
Ar + H2O (또는 H2) Gas 사용하여 상온에서 Sputtering시 a-ITO 형성
H+ 또는 OH-가 In-O-In-O-In… 결합을 방해하여 결정 성장 저하
가열
22
-
구분 재료의 요구 특성 사용 Metal
Pixel 전극
• 가시 광선 영역에서 투과율 양호
• 가공성(Etching) 우수하여 잔사 free
• 저비저항
• Gate-TCO, SD-TCO Contact 저항 양호
(≤ 1E+04Ω)
• Depo Rate 우수
IZO
ITO
a-ITO
AZO, GZO 등
• Pixel 재료로서 요구되는 특성과 사용 예는 다음과 같다.
1) Pixel 재료 요구 특성
23
-
Sputtered TCO
금속 비저항(μΩ㎝) 결정 구조 투과율
ITO (In-Sn-O)
180~200 Cubic Bixbyite 90% 이상 (550nm 이하) 95% 이상 (550nm 이상)
400~ 500 (As Depo)
Amorphous
IZO (In-Zn-O)
300~340 Amorphous
90% 이상 (550nm 이하) 85% 이상 (550nm 이상)
2) 투명 전도막 물질
금속 비저항(μΩ㎝) 녹는점(℃) 공정 적용시 고려할 사항
Cr 21.0 (12.9) 1875 CrOx/Cr, CrOxNy/Cr 구조
Mo 11.5 (5.4) 2610 MoOx/Mo 구조
Ni 50 (7.8) 1453 강자성체로서 DC Sputter 불가 -> Ni alloy 사용 (NiW or NiCu)
3) Black Matrix 물질
ITO 표면 (60,000X)
24
-
In2O3, ITO의 기판온도에 따른 비저항 변화
ITO의 막특성
산소분압에 따른 ITO Film의 Hall 측정 결과 (ρ = 1/nqμ)
비저
항 (Ω
·cm
)
기판온도 (℃)
26
-
O2 유량의 증가에 따른 ITO Film의 표면 SEM 변화 (×60,000)
(O2 유량 증가에 따라 Etch Rate도 감소함)
O2 : 0.4 sccm O2 : 1.2 sccm O2 : 2.0 sccm
O2 유량에 따른 ITO 표면 변화 (SEM)
1237Å
ITO의 Vertical SEM 측정
Glass
ITO
28
-
ITO와 IZO의 열처리(200℃,2hr) 전후에 따른 RS 비교
ITO는 열처리 후 결정화가 일어나면서 RS 감소함. 이에 반해 IZO는 열처리 후 RS가 거의 변화하지 않음.
29
-
Amorphous ITO의 열처리 전후 결정화 분석
amorphous ITO의 결정성 분석 (As Deposited)
230도, 1시간, 공기 분위기 열처리 후
32
-
Chemical Vapor Deposition (CVD)
1) Thermal CVD 2) Plasma-Enhanced CVD (PECVD) 3) ECR-CVD 4) Photo-CVD 5) Metal-Organic CVD (MOCVD)
33
[1.4.2] Thin Film Semiconductor and Insulators
-
CVD Process
PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
증착조건: Plasma + 저압 + 저온(300~350C)
→ LCD CVD 공정에의 Main으로 사용
장점: 증착속도 빠름, 저온 Process 가능
34
-
a-Si PECVD Process
• Plasma 에너지를 이용하여 기체상태에서 반응 유리기판 표면에 박막 형성. 상대적으로 낮은 ~350C에서
CVD 박막 형성 가능
•장점
Plasma Energy, Gas mix, Gas Flow, Pressure 의 공정 Parameter들을 조절하여
박막의 물리적, 화학적 특성을 Control 할수 있다
•단점 : High Cost of equipment, Uniformity Control
35
-
CVD Process (A Simple Model)
Main Gas Flow Region
Reactant gas, Carrier gas, By-product
Gas Phase Reaction
Transport to Surface
Surface Diffusion
Redesorption of Film Precursor
Transfer of by-products to main flow
Desorption of Volatile Surface
Reaction Products
Adsorption of Film Precursor Nucleation & Island Growth Step Growth
- Diffusion of gaseous reactants to the surface
- Adsorption of the reacting species on to surface sites
- Surface chemical reaction between the reactants
- Desorption of the reaction by-products
- Diffusion of the by-products away from the surface
36
-
• RF power
• Substrates Temperature
• Chamber Pressure
• Gas Flow Rate
• Distance btw. Glass/Electrode
Process Parameters
a-Si : SiH4 + H2
n+ a-Si : SiH4 + H2 + PH3
SiNx : SiH4 + NH3 + H2
SiOx : SiH4 + N2O
(SiH4, NH3, N2, H2)
Process Gas In
Gas Out
Substrate
Plasma
H2 e-
SiH* SiH2* H+
NH3* SiNx
RF-Power
13.56MHz
Process Gas mix
Heater
PECVD in TFT Process
37
-
[1.7] 미세패턴 공정
(Photolithography)
38
-
세정 (Cleaning)
박막 증착 (Deposition)
사진 (Photolithography)
식각 (Etching)
검사 (Test)
TFT Fab 공정 Flow
39
-
TFT Fab 공정
-
41
세정 (Cleaning)
유리기판의 오염제거
• Organic, Ionic contamination
• Particle
• 공정중에 발생하는 금속 막잔류
• 알카리성 Ion Na+
세정 기술
• 물리적 세정
Brush scrubbing/Water jet/ Ultrasonic -- particle 제거
• 화학적 세정
유기용제 – 유기물 오염
dilute HF
• Dry 세정
UV/ Ozone/ Plasma cleaning
-
CLEAN
전처리 본세정 Rinse 건조
세정 세정
본세정에서의
세정력 강화
UV
Excimer UV
O3
기판위 DI 제거
Air Knife
실질적인 오염원 제거
chemical physical
알칼리(TMAH)
중성
산 (HF)
BRUSH
Water Jet
Ultra
Sonic
(US/MS)
잔류 Particle 제거
잔류 약액 제거
DI water
목적
종류
Step별 세정
초기세정
Sub 세정
Photo 전 세정
Depo 전 세정
유기 세정
…
DI 세정
HF 세정
TMAH 세정
유기 세정
Brush 세정
…
-
Photolithography
PR coating – Align – Exposure – Develop – Cleaning 의 공정들을 통해 Photo mask 에 설계된 패턴을 유리기판 위에 일련의 사진공정으로 Transfer시킨다
(노광)
PR Coating
Align & Exposure
Develop
Hard-Bake
Inspection
Soft-Bake
Spin Coating
Pre-Bake
ADI 검사
thin film
glass
Photo resist
glass
exposure
glass
light
mask
glass
glass
developer
film etching
Alignment mark
Etch
O.K. 43
-
M
Spin
Roll coater Spin coater Slit coater
감광제 도포 공정 감광제 도포 공정
44
-
Photo 공정이란?
Photo Resist란 빛을 받으면 화학적 변화를 수반하여 용해도가 달라지는
감광성 고 분자
물질을 말함.
이러한 물질을 이용하게 되면 원하는 Pattern 형상을 Mask을 이용하여 만
든 뒤 노광기에서
빛에 노출시키면
빛을 받은 부분은 화학반응이 일어나 조사되지 않은 부분에 비하여 현상
액에 대해서 더욱
가용성이 되거나 불용성이 되어 원하는 Pattern을 선택적으로 형성할 수
있음.
Photo 공정의 개요 Photo 공정의 개요
Photo resist
Positive PR (노광영역이 현상액과 반응-용해)
Negative PR (노광영역이 현상액과 무반응)
UV 광원
g-line (436nm) i- line (364nm)
Photo mask
Developer(현상액)
노광기 종류
- Proximity aligner
- Stepper (lens projection type)
- Scanner (mirror projection projection)
Etching
- wet etching - dry etching