CN1655341A - 多个薄膜器件的形成 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个方面是形成多个薄膜器件的方法。此方法包括提供一个柔性衬底[401]并应用自对准压印光刻(SAIL)工艺在此柔性衬底[401]上形成多个薄膜器件[410]。
Description
技术领域
本发明总的说与半导体器件相关，更具体地说，是关于形成多个薄膜器件的方法和系统。
背景技术
随着通信网络的广泛发展、象电视会议、远程教育、和远程监控一类的远程通信日渐渗透到工作和家庭生活中。这导致对低成本大面积显示器需求的增长，以提供增强的视觉体验。
另外，对用于家庭娱乐的成本低，重量轻的大面积显示器的需求量也在增长。目前的大面积等离子体或LCD型显示器非常苯重而昂贵。例如，Toshiba的42英寸等离子体显示器重达100磅以上，售价约$6000，而Sharp的37英寸LCD显示器重达60磅，价格与前者相似。
有些公司(如eInk、ePaper和SiPix图象公司等)试图将显示媒质做在塑料网板上来解决这一问题。但在塑料网板上形成有源象素矩阵问题很多。各研究组正采用喷墨工艺将有机晶体管做在一个柔性衬底上，但在产量和分辨率方面都有问题。
因而为解决上述与产量和分辨率相关的问题需要有一种形成多个薄膜器件的方法和系统。此方法和系统应该简单、成本低、并能容易用到现有工艺。本发明将满足这些要求。
发明内容
本发明的一个方面是形成多个薄膜器件的方法。这种方法包括提供一个柔性衬底，并利用自对准压印光刻(SAIL)工艺在柔性衬底上形成多个薄膜器件。
通过下面结合各附图以例示方式对本发明的原理所作的详细描述，我们可以明了本发明的其它一些方面及优点。
附图说明
图1是按本发明一个实施例的方法的高层流程图。
图2是按本发明一个实施例的图1的流程图中步骤120的更详细的流程图。
图3显示按本发明一个实施例的多个薄膜器件。
图4显示按本发明一个实施例制造的一种结构的更详细情况。
图5显示按本发明一个实施例形成多个薄膜器件的工艺过程。
图6显示按本发明一个实施例在实现图5的过程中所得结构的剖面5(a)-5(c)。
图7显示按本发明一个实施例在实现图5的过程中所得结构的剖面5(d)-5(f)。
图8显示按本发明一个实施例在实现图5的过程中所得结构的剖面5(g)-5(h)。
图9表示一台化学机械抛光(CMP)机的示意图。
图10是一个半导体晶片的侧面局部透视图。
图11显示按本发明另一个实施例形成多个薄膜器件的另一种过程。
图12显示按本发明另一个实施例实现图11的过程中所得结构沿X-X′和Y-Y′方向的剖面11(a)-11(e)。
图13显示按本发明另一个实施例实现图11的过程中所得结构沿X-X′和Y-Y′方向的剖面11(f)-11(i)。
具体实施方式
本发明涉及形成多个薄膜器件的方法和系统。下面的描述按照专利申请及其要求提供给本专业技术人员，使他们能实现和使用本发明。本专业技术人员很容易了解各实施例的各种变型及这里要讲到的一般原理和特性。因此，本发明不只限于所显示的实施例，而是可以用到与这里所描述的原理和特性相一致的非常宽的范围内。
本发明提供一种形成多个薄膜器件的方法和系统。此方法和系统的各种变型可以采用自对准压印光刻(SAIL)工艺在柔性衬底上形成多个薄膜器件。因此，可结合SAIL工艺采用一种卷到卷(roll-to-roll)制造工艺，以提供一种大面积和/或柔性显示器的低成本制造方案。
图1是一个形成多个薄膜器件的方法的高层流程图。第一步骤110包括提供柔性衬底。在一个实施例中，柔性衬底是一个适用于滚压制造工艺的衬底。最后步骤120包括利用SAIL工艺在柔性衬底上形成多个薄膜器件。在一个实施例中，这些多个薄膜器件是一个相互连接的晶体管阵列。
自对准压印光刻是一种用来以高分辨率对衬底材料上的薄膜作图的工艺，它采用在具有将要加工的结构特征的掩模和需要作图的衬底材料之间相接触的方式。作图的薄膜可以是电介质，半导体，金属或有机物，而且可以作成薄膜叠层或者单层。压印光刻特别适合于滚压工艺，因为它的产量高，可以处理较宽的衬底，并容许衬底不平。
虽然上述概念是在采用柔性衬底的情形下说明，但应指出，此工艺也可用非柔性衬底来实现，这仍然属于本发明的思路和范畴之内。
图2是图1流程图中步骤120的更详细的流程图。第一步骤121包括在柔性衬底上淀积一层或多层材料。在一个实施例中，各材料层包括过渡层，硅层，电介质层和栅极金属层。第二步骤122包括在各材料层上形成一个三维(3D)结构。在一个实施例中，此3D结构是压印聚合物，而且是用一个冲压工具产生的。在题为“一种形成半导体器件的方法和系统”的专利申请10/184,587中描述了利用冲压工具在材料层内产生3D图形的方法，我们把它引用到这里作参考。最后的步骤123包括根据多个薄膜器件所需的特性在至少一种材料上作图。
在一个实施例中，这些多个薄膜器件是一些晶体管，它们形成一个有源矩阵底板。一块大面积的电路有源矩阵底板是象素和用于电子控制信号和数据的导线的阵列。每个象素有至少一个与象素电极相连的晶体管。因此，每个象素可以独立编址，象素电极上加有所要求的电压或电流。因而这类有源矩阵底板可以用在各种大面积电子应用(如大面积显示器和大面积成象器)中。
图3是按本发明一个实施例的有源矩阵底板300。从图3可看出，该有源矩阵底板300包括一些象素，每个象素330包含一个薄膜晶体管332和一个象素电极335。薄膜晶体管与栅极线310和数据线320相连。由于对于低分辨率显示器象素尺寸可能较大，栅极线310和数据线320与外部电子驱动器的连接花费不大。因此所有驱动器装置可以放在外面。
图4表示按一个实施例的加工过程中早期阶段的一个结构400。从图可以看到，结构400包含一个晶体管410和一个象素电极420。材料层401-405也显示出来了。这些层包括柔性衬底层401，过渡层402，硅层403，介质层404和金属层405。
在一个实施例中，柔性衬底401是一个带或不带无机涂层的聚酰亚胺塑料片。过渡层(有机或无机涂层)可以是氮氧化物，氮化硅，非晶体Si:H层或BCB(苯环丁烷)。层403例如是非晶体Si:H等的半导体。介质层404例如是SiN等材料。金属层405是一种栅极金属，如TiW，TiW/Al，MoCr等。
图5表示按本发明一个实施例形成多个薄膜器件的过程。为了说明，图6-8示例说明在实施图5过程中产生的结构的剖面5(a)-5(g)。
剖面5(a)所示的结构包括压印聚合物510，栅极金属层511，介质层512，硅层513，过渡层514和柔性衬底515。第一步骤501包含金属层和介质层的刻蚀部分。这里压印聚合物510用作掩模。剖面5(b)表示压印聚合物510和各层的其余部分511和512。在一个实施例中，用干法刻蚀工艺(如反应离子刻蚀(RIE)或离子铣)将金属层511和介质层512除掉。
在一种RIE工艺中，把衬底放在一个反应器内，反应器内引入了几种气体。利用高频(RF)功率源在此气体混合物内点着等离子体，使气体分子分裂成离子和反应物质。这些离子和反应物质与被刻蚀的材料表面相互作用而形成另一种气体材料。这是RIE刻蚀的化学部分。还有一个本质上与溅散淀积过程类似的物理部分。
如果离子的能量足够高，它们可以不经化学反应而将被刻蚀材料的原子撞击出来。产生使化学和物理刻蚀相平衡的干法刻蚀是一种很复杂的过程，因为要调节许多参数。通过改变这种平衡可以影响刻蚀的各向异性特性，因为化学部分是各向同性的，而物理部分是各向异性的。因而RIE可以进行高度定向的刻蚀。
离子铣是一种物理干法刻蚀工艺，这时把样品暴露在被加速的单能惰性离子准直束下，通过离子撞击而把材料除掉。典型的离子铣系统装有一个双栅Kaufman型离子源，它提供约200V至约1.5kV的加速电压。典型的工作气体是氩(在P～2E-4托压力下)。样品安装在一个旋转的水冷台上，该台可以相对入射的氩离子倾钭。
离子铣用来加工亚微米光栅，也可用来建造包含很不一样的材料(例如金属/绝缘体/半导体组合物)的样品，因为这些材料的刻蚀速率有大致相同的数量级(例如，在500eV氩离子中，GaAs：80nm/min，Au：75nm/min，氮化硅：25nm/min，光刻胶：约20nm/min)。因而离子铣为进行定向刻蚀提供了一种很灵活的工具。
虽然我们是结合上述实施例描述离子铣和RIE刻蚀工艺的，但本专业技术人员不难明白，也可以采用其它不同的刻蚀过程，这仍然属于本发明的思路和范畴之内。
第二个步骤502是淀积一个硅掺杂层。在一个实施例中，这个硅掺杂层是一个非晶体或微晶SiN+层。第三个步骤503是淀积一个与SiN+层相接触的源-漏极极金属层。剖面5(c)表示的结构包括与源-漏极金属层517接触的SiN+层516。合适的源-漏极金属包括Al、TiW、Cr等。
第四个步骤504是施加一种平坦化材料到源-漏极金属层上。剖面5(d)表示与源-漏极金属层517相接触的平坦化材料518。合适的平坦化材料包括光刻胶，可UV固化聚合物和自旋玻璃。
第五个步骤包括除去部分平坦化材料。这里将露出部分源-漏极金属层517。剖面5(e)的结构包括平坦化材料518的剩余部分和源-漏极金属层517的外露部分。
第六步骤506包括除掉源-漏极金属层的露出部分和一部分SiN+层。这里将露出压印聚合物510的一部分。剖面5(f)表示露出的压印聚合物510。
第七步骤507包括将露出部分的压印聚合物减薄。剖面5(g)表示压印聚合物518露出部分被减薄以后的结构。可以看出，剩余平坦化材料部分518还留着，因为这个刻蚀步骤有选择地除掉压印聚合物510，但不除去平坦化材料518或衬底。
最后一个步骤包括除去栅极金属层，介质层和硅层部分(图中未示)。接着除去平坦化材料。剖面5(h)表示所得到的结构。
在步骤504之后可以选择引入一个平坦化步骤。在一个实施例中，该步骤是通过化学-机械抛光(CMP)工艺完成的。在超高密度集成电路生产中，用CMP除去衬底顶层的材料。在一种典型CMP工艺中，在可控化学、压力、速度和温度条件下把一种研磨料加在顶层上。研磨料包括浆料溶液和抛光垫。浆料溶液在即将使用前置备，方法是将一种所谓的产物母体与一种氧化剂相混合。产物母体缺少氧化剂，但包含其它的浆料成分(例如，研磨料、催化剂、水)。
现在参看图9和10，它们是一台包括旋转工作台的CMP机900的示意图和半导体晶片905的侧面局部透视图(图10)。该CMP机900将要抛光的晶片通过臂901送进并将它们安置在旋转抛光垫902上。抛光垫用有弹性的材料制成而且具有一定结构，往往带一些预先做好的沟槽以帮助抛光过程。调节臂909用来调节抛光垫。晶片通过臂901以一个预定的向下力保持在抛光垫902上的适当位置。
抛光过程中晶片905的下表面靠在抛光垫902上。当抛光垫902旋转时，臂901使晶片905以预定速度转动。CMP机900还包含一个浆料配送管907，它横跨抛光垫902的半径延伸。浆料配送管907将浆料流906从浆料源912配送到抛光垫902上。典型地是向抛光垫902灌注约8秒钟的浆料906。浆料906是一种去离子水和多种抛光剂的混合物，抛光剂用来从化学上帮助晶片光滑且可预见地平坦化。抛光垫902和晶片905的旋转作用连同浆料的抛光作用一起使晶片905以某个公称速度被平坦化或者是抛光。在当前采用硅石浆料的系统中，浆料的PH值很高，典型值为10或11左右。在浆料配送过程终止后，去离子水通过水配送管908从去离子水源910配送到垫上。然后除掉晶片衬底上的浆料。
虽然上述实施例介绍了一种CMP刻蚀过程的应用，但本专业技术人员明白，也可以用其它的平坦化过程而仍然属于本发明的思路和范围之内。
图11是按本发明另一实施例形成多个薄膜器件的另一种工艺。在此过程中引入了一个掺杂步骤。图12-13显示在实施图11的过程中所得结构沿X-X′和Y-Y′(见图4)的剖面11(a)-11(i)。
剖面11(a)表示一个结构，它包括压印聚合物1110、栅极金属层1111、电介质层1112、硅层1113、过渡层1114和柔性衬底1115。第一个步骤1101是刻蚀栅极金属层和介质层部分。这里用压印聚合物1110作掩模。剖面11(b)表示压印聚合物1110及层1111和1112的剩余部分。在一个实施例中，金属层1111和介质层1112部分是用干法刻蚀工艺除去的。
第二个步骤1102包括掺杂硅层。该步骤可利用激光掺杂技术和等离子体掺杂技术来进行。剖面11(c)表示掺杂硅层1113′。
通常在用激光掺杂时，硅表面仅暴露在受激准分子激光强辐照下约几个毫微秒时间(约50ns或更短)。在这个时间内硅表面从固态转变为液态，掺杂物扩散到液态硅中。
具体而言，激光掺杂采用受激准分子激光器(常用XeCl激光)作为能源。在投影式气体浸没激光掺杂(P-GILD)中，使用一种反射型中间掩模版。激光器的输出通过光学系统使束均匀，并通过照明器使束在一个电介质中间掩模版上扫描。然后通过投影光学系统使中间掩模板成象在晶片上。在受到照射的区域，入射光子能量在硅顶面7nm左右内被吸收并转换为热能，使表面加热并让杂质扩散到衬底内。
激光掺杂有几方面的好处。第一，掺杂物一般能渗透整个液态硅，但只极少向固态硅内扩散。因此，结的深度由硅的熔化深度控制。第二，由于杂质结合在电气上活泼的位置且衬底不因硅的固化而受损，故不需要高温退火步骤。第三，对过程的控制通常很简单。第四，过程产生薄片且接触电阻小。最后，此过程避免了对光刻胶的多个处理步骤。
在等离子体掺杂系统中，一个半导体晶片被安置在一个导电台板上，后者起阴极的作用。把含所需掺杂物材料的离子化气体引入室内，并在台板和阳极或室壁之间加以高压脉冲，形成等离子体，其等离子体鞘层处在晶片附近。施加电压使等离子体中的离子加速跨过等离子体鞘层并把离子注入晶片内。注入深度与加在晶片和阳极间的电压有关。
在上述等离子体掺杂系统中，高压脉冲产生等离子体并将正离子从等离子体向着晶片加速。在其它被称为等离子体源离子注入(PSII)的等离子体注入系统中，采用一个单独的等离子体源来提供连续等离子体。(这些注入系统还有几个别的简称，最通用的是等离子体浸没离子注入，PIII。)在这类系统中，台板和晶片浸没在这个连续等离子体中，并相隔一段时间在台板和阳极之间加上一个高压脉冲，使等离子体中的正离子向着晶片加速。
虽然上述实施例是作为与激光掺杂技术和等离子体掺杂技术连用而描述的，但本专业技术人员不难明白，也可以采用各种不同的掺杂技术而仍然属于本发明的思路和范围之内。
第三个步骤1103包括淀积与掺杂硅层相接触的源-漏极金属层。剖面11(d)所示结构包括与源-漏极金属层1117相接触的掺杂硅层1113′。
第四个步骤1104包括把一种平坦化材料加到源-漏极金属层上。剖面11(e)表示与源-漏极金属层1117相接触的平坦化材料1118。
第五个步骤1105包括去掉平坦化材料部分。这里一部分源-漏极金属层1117外露。剖面11(f)所示结构包括剩下的平坦化材料部分1118和源-漏极金属层1117的外露部分。
第六个步骤1106包括去掉源-漏极金属层的露出部分。这里一部分压印聚合物1110外露。剖面11(g)表示外露的压印聚合物1110。
第七个步骤1107包括减薄压印聚合物的外露部分。剖面11(h)显示在压印聚合物1110外露部分除去后的结构。我们看到，平坦化材料的剩余部分1118留下来了，因为这个刻蚀步骤选择性地除去压印聚合物1110，但不去掉平坦化材料1118或衬底。
最后一个步骤1108包括除去栅极金属层、介质层、硅层和平坦化材料各部分。剖面11(i)显示最后的结构。我们看到，该结构包含一个晶体管1120和与另一个晶体管(未示)的相互连接1130，其中相互连接包括处在栅极金属1111和源-漏极金属1117之间的压印聚合物1110。
虽然上述实施例是针对用来形成晶体管阵列的情况而言的，但本专业技术人员不难明白，上述方法可以用来加工各种不同的器件，这仍然属于本发明的构思和范围之内。
我们介绍了一种形成多个薄膜器件的方法和系统。该方法和系统的各种实施例可以让SAIL过程用来在柔性衬底上形成多个薄膜器件。因此，可以把滚压制造工艺与SAIL过程结合使用，以提供大面积和/或柔性显示器的低成本制造方案。
毋需进一步分析，上述说明已充分展现了本发明的要旨，即其他人可以根据这些知识很容易地把本发明用到各种各样的应用中，而不失去其特征。从现有技术的观点来看，这些特征完全构成本发明在普通和特殊方面的基本特性。因此，应当而且可以按与下面权利要求书相当的意义和范围来理解这些应用。虽然本发明是通过某些实施例来描述的，但本专业技术人员不难明白，其它的实施例也属于下面权利要求书确定的本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种形成多个薄膜器件的方法，包括：
提供一个柔性衬底[401]；
利用自对准压印光刻工艺在柔性衬底[401]上形成多个薄膜器件[410]。
2.如权利要求1所述的方法，其中多个薄膜器件包括互连晶体管[332]的阵列[300]。
3.如权利要求1所述的方法，其中自对准压印光刻工艺包括：
在柔性衬底[401]上淀积至少一种材料；
在此至少一种材料上形成三维结构[510]；及
根据多个薄膜器件的所需特性对所述至少一种材料上作图。
4.如权利要求1所述的方法，其中利用自对准压印光刻工艺包括：
淀积一种平坦化材料[518]。
5.如权利要求2所述的方法，其中互连晶体管[332]的阵列[300]包含一个有源矩阵底板。
6.一种形成多个薄膜器件的系统，包括：
将自对准压印光刻工艺应用于柔性衬底[401]以在柔性衬底[401]上形成多个薄膜器件的装置。
7.如权利要求6所述的系统，其中多个薄膜器件包含互连晶体管[332]的阵列[300]。
8.如权利要求6所述的系统，其中应用自对准压印光刻工艺的装置包括：
在柔性衬底[401]上淀积至少一种材料的装置；
在所述至少一种材料上形成三维结构[510]的装置；
根据多个薄膜器件的所需特性对所述至少一种材料作图的装置。
9.如权利要求6所述的系统，其中利用自对准压印光刻的装置包括：用于淀积一种平坦化材料[518]的装置。
10.如权利要求7所述的系统，其中互连晶体管[332]的阵列[300]包含一个有源矩阵底板。
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