具有耗盡層的玻璃和構(gòu)造于其上的多晶硅tft的制作方法
【專利說明】具有耗盡層的玻璃和構(gòu)造于其上的多晶硅TFT
[0001] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. § 119要求2013年4月30日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列第 61/817536號(hào)的優(yōu)先權(quán)，本申請(qǐng)以其內(nèi)容為基礎(chǔ)，并通過參考將其全文納入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本公開內(nèi)容總體涉及其表面層已耗盡特定材料的玻璃基板，以及在這種玻璃基板 上構(gòu)造的器件（例如薄膜晶體管）。還公開了對(duì)這種玻璃基板進(jìn)行化學(xué)處理以獲得耗盡表 面層（depletedsurfacelayer)的方法。示例性方法包括用含有HCl的熱溶液處理玻璃 基板，在該玻璃板的表面處和/或表面下形成耗盡層。
[0003] 背景
[0004] 當(dāng)前的顯示器玻璃基板送給客戶時(shí)很少經(jīng)過處理，有時(shí)根本沒有任何處理。多數(shù) 玻璃基板被切割成一定尺寸，然后用表面活性劑水溶液清洗。這種溶液設(shè)計(jì)用來幫助除去 在玻璃切割和磨邊過程中沉積在玻璃表面的玻璃顆粒和研磨劑顆粒。這種清洗沒有進(jìn)一步 給薄膜晶體管（"TFT"）提供任何好處。
[0005] 玻璃基板的上表面層處或內(nèi)部的金屬雜質(zhì)會(huì)降低制造在基板上的薄膜晶體管 (TFT)及其他電子器件的性能。例如，存在于玻璃/半導(dǎo)體界面處的金屬雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致源極與 漏極之間的泄漏電流增加。如果金屬雜質(zhì)以接近所設(shè)計(jì)的自由載流子濃度的水平進(jìn)入半導(dǎo) 體膜，柵控可能減弱，電流泄露可能增加，并產(chǎn)生其他不確定的操作特征。這些金屬雜質(zhì)的 濃度超過所設(shè)計(jì)的自由載流子濃度時(shí)，會(huì)由于開路或短路狀況而導(dǎo)致器件完全失效。如果 金屬雜質(zhì)污染柵絕緣體，還會(huì)造成閾值電壓發(fā)生不確定的波動(dòng)和/或電介質(zhì)過早擊穿以及 晶體管崩潰。
[0006] 概述
[0007] 在各種實(shí)施方式中，本公開內(nèi)容涉及其表面層已耗盡特定材料的玻璃基板，以及 用這種具有耗盡表面層的玻璃基板制造的電子器件，如包括薄膜晶體管的可視顯示器件。 還公開了對(duì)玻璃基板進(jìn)行化學(xué)處理的方法，例如通過浸出進(jìn)行處理，從而在玻璃表面提供 耗盡層或富氧化硅載流子層，而對(duì)表面粗糙度和/或?qū)τ陔娮又圃熘匾钠渌再|(zhì)沒有不 利影響。
[0008] 因此，一個(gè)實(shí)施方式公開了對(duì)玻璃基板的表面層進(jìn)行化學(xué)處理的方法，該方法包 括至少使玻璃基板的表面接觸包含HCl的熱溶液，接觸時(shí)間足以從玻璃基板的表面和/或 表面下方浸出至少一種元素。
[0009] 當(dāng)玻璃基板包含典型的顯示器玻璃如堿土金屬硼鋁硅酸鹽玻璃時(shí)，在浸出期間從 基板除去的元素可包括堿土金屬、硼、鋁或金屬污染物，例如Na,K，Mg,Ca,Sr,Ba,Fe,Cu,B，A 1，Sn,P，As或Sb0
[0010] 本公開內(nèi)容還涉及包含堿土金屬硼鋁硅酸鹽的顯示器玻璃基板，該玻璃基板具有 在約1納米（nm)至約200nm的深度經(jīng)過化學(xué)處理的表面層。在一個(gè)實(shí)施方式中，經(jīng)過化學(xué) 處理的表面層基本上耗盡了選自堿土金屬、硼、鋁或金屬污染物的至少一種元素。
[0011] 還公開了一種制造TFT的方法，包括在顯示器玻璃基板的經(jīng)過化學(xué)處理的表面層 上直接沉積Si層，并沉積本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的附加導(dǎo)電層、半導(dǎo)體層和/或絕緣層。
[0012] 在以下的詳細(xì)描述中給出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì) 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是容易理解的，或通過實(shí)施文字描述和其權(quán)利要求書以及附圖中所 述實(shí)施方式而被認(rèn)識(shí)。應(yīng)理解，上面的一般性描述和下面的詳細(xì)描述都僅僅是示例性的，用 來提供理解權(quán)利要求書的性質(zhì)和特點(diǎn)的總體評(píng)述或框架。
[0013] 附圖簡(jiǎn)要說明
[0014] 所包含的附圖供進(jìn)一步理解本發(fā)明，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一 部分。【附圖說明】了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式，并與說明書一起用來解釋各種實(shí) 施方式的原理和操作。
[0015] 圖IA是在未經(jīng)處理的顯示器玻璃上制造的頂柵薄膜晶體管（"TFT"）的示意圖。
[0016] 圖IB是在具有浸出層（leachedlayer)的經(jīng)過處理的玻璃上制造的頂柵TFT的 示意圖。
[0017] 圖2是顯示在不同時(shí)間和溫度浸出的玻璃圓片表面的氧化硅富集情況的柱狀圖。
[0018] 圖3A和3B是比較對(duì)照樣（未浸出）的氧化硅與其他元素的表面比和在不同浸出 溫度和時(shí)間經(jīng)浸出處理的玻璃圓片的對(duì)應(yīng)表面比的柱狀圖。圖3A顯示了Si與Al的比例， 而圖3B顯示了Si與Ba的比例。
[0019] 圖4是顯示未經(jīng)處理（虛線）和經(jīng)過處理（實(shí)線）的康寧Lotus?玻璃上的TFT ID_Ve傳輸特性的圖示。
[0020] 圖5是顯示1:7HC1:H20浸出溶液對(duì)TFT泄漏電流的影響與75°C非循環(huán)浴中處理 時(shí)間的關(guān)系的盒形圖。
[0021] 圖6是顯示1: 7HC1:H2O浸出溶液對(duì)TFT亞閾值擺幅（mV/dec)電流的影響與75°C 非循環(huán)浴中處理時(shí)間的關(guān)系的盒形圖。
[0022] 圖7是顯示各種浸出時(shí)間和溫度下，相比于沒有金屬雜質(zhì)的石英基板，經(jīng)過處理 和未經(jīng)處理的康寧Lotus?玻璃的亞閾值擺幅的盒形圖。
[0023] 發(fā)明詳述
[0024] 術(shù)語"耗盡層"及其變體在本文中用來描述基板的一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域中大多數(shù)載荷 子已通過浸出除去。根據(jù)本公開內(nèi)容從耗盡層除去的這種載荷子的非限制性例子包括A1， B，堿土金屬，以及金屬污染物如Na,K，Mg,Ca,Sr,Ba,Fe,Cu,B，Al,Sn,P，As或Sb。當(dāng)耗盡層 已耗盡和/或基本上不含載荷子因而沒有載荷子運(yùn)載電流時(shí)，有時(shí)稱其為"絕緣層"。
[0025] 術(shù)語"氧化硅富集"及其變體在本文中用來表示氧化硅與玻璃組分的比例因玻璃 組分被從耗盡層除去而增大。
[0026] 術(shù)語"FET"及其變體在本文中用來表示場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0027] 術(shù)語"環(huán)形FET"及其變體在本文中用來表示環(huán)形場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它是具有三個(gè)同 心、共平面電極的FET器件，所述電極包括環(huán)形場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極、柵極和漏極。
[0028] 術(shù)語"TFT"及其變體在本文中用來表示薄膜晶體管。
[0029] 術(shù)語"升高的溫度"及其變體在本文中用來表示高于室溫的溫度，如高于21°C，例 如尚于40C。
[0030] 術(shù)語"浸出深度"及其變體在本文中用來表示基板表面下方發(fā)生雜質(zhì)浸出的深度。
[0031] 術(shù)語"頂柵"及其變體在本文中用來表示柵極金屬位于頂部而源極-漏極半導(dǎo)體 區(qū)域與基板接觸的器件。
[0032] 玻璃基板的性質(zhì)對(duì)于薄膜晶體管和光伏電池的性能和可靠性極為重要。（Ellison 和Cornejo,Int.JAppl.GlassSci1[1] (2010) 87)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從包含堿金屬的玻璃中迀 移出來的鈉毒害液晶，使有源矩陣液晶顯示器（AMLCD)面板中使用的ITO層降解，引起玻璃 上沉積的光伏電池分流。即使對(duì)于堿金屬含量低的玻璃，也發(fā)現(xiàn)重復(fù)開-關(guān)循環(huán)會(huì)引起鈉 迀移。
[0033] 已開發(fā)各種方法來減輕堿金屬的有害影響，包括從基底玻璃或玻璃表面除去堿金 屬，或者用阻擋層防止堿金屬迀移。Alpha和Dumbaugh在US4180618中描述了用于多晶娃 光伏器件的堿土金屬鋁硅酸鹽玻璃。Hecq等在US5093196中描述了具有脫堿層的反應(yīng)性 較低的鈉鈣玻璃，以及通過與酸氣體發(fā)生高溫反應(yīng)來產(chǎn)生這種脫堿層的方法。堿金屬耗盡 區(qū)延伸進(jìn)入玻璃超過l〇〇nm。Mizuhashi等在US4485146中教導(dǎo)，如果沉積在含堿金屬的 玻璃上的氧化硅阻擋層包含鍵合到硅上的氫，則它可用來防止鈉從玻璃擴(kuò)散到半導(dǎo)體層。 Couillard等在SPIE3014 166中描述道，在康寧1737玻璃上沉積的p-SiTFT的泄漏電流 隨著阻擋層厚度的增加而增加。Araujo等在US5578103中解釋了這種違反直覺的結(jié)果的表 面原因。在具有氧化硅、氧化鋁或氧化鉭阻擋層的玻璃上，堿金屬的流動(dòng)方向取決于玻璃的 組成。對(duì)于含有能改變配位的高場(chǎng)強(qiáng)離子的玻璃，在配位的能量變化的驅(qū)動(dòng)下，流動(dòng)可以是 從阻擋層到玻璃。
[0034] 從玻璃擴(kuò)散的雜質(zhì)也影響硅TFT的性能，特別是對(duì)于加工溫度常常超過600°C的 多晶硅（PSi)晶體管。在US5985700中，Moore教導(dǎo)了一種對(duì)玻璃表面進(jìn)行浸出的方法，該 方法不需要額外的阻擋層，通過簡(jiǎn)單使用RCA清潔過程（1965年由RCA公司開發(fā)，作為半導(dǎo) 體晶片在高溫加工前的清潔方法）而無需氫氟酸（HF)浸漬，將關(guān)態(tài)泄漏電流減少2個(gè)數(shù)量 級(jí)。次級(jí)離子質(zhì)譜（SMS)和誘導(dǎo)耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS)顯示，堿性RCA從康寧1737玻 璃清除了大部分錯(cuò)和一些1丐，而酸性RCA2清除了|丐、鋇和錯(cuò)。CouiIlard等在J.Non-Cryst. Solid222(1997)429中描述了對(duì)康寧1737玻璃的RCA清潔如何形成約6nm厚的富氧化硅 層。用X射線光電子譜（XPS)測(cè)量結(jié)果表明，RCA處理使氧化硅含量增加約17%，而使氧化 鋁減少 50 %，硼減少 20%，Ba減少 67%。Tian在J.Appl.Phys. 90 (8) (2001)3810 中描述 了Na22示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)1737玻璃的RCA清潔和在650°C通過濕氧化進(jìn)行 的表面改性都起類似于低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD)SiO2的作用，該SiO2作為防止鈉擴(kuò)散的 有效阻擋層。
[0035] 如上所述，減少玻璃中影響TFT器件的雜質(zhì)的努力集中于堿金屬的迀移，主要是 鈉的迀移。然而，堿金屬以外的污染可能對(duì)TFT性能具有有害影響，而且這種污染的影響不 止于導(dǎo)致更高的泄漏電流。進(jìn)入半導(dǎo)體的雜質(zhì)產(chǎn)生陷阱態(tài)，其中一些雜質(zhì)將成為供體或受 體。對(duì)于硅而言，三價(jià)態(tài)的第3、8和13族元素的進(jìn)入產(chǎn)生受體，而五價(jià)態(tài)的第5和15族元 素的進(jìn)入產(chǎn)生供體。這種半導(dǎo)體背景摻雜的增多不僅增加薄膜晶體管的截止電流，而且使 閾值電壓偏移。污染程度的空間差異和批次差異對(duì)AMLCD顯示器面板生產(chǎn)的產(chǎn)率具有直接 影響