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