具有耗盡層的玻璃和構造于其上的多晶硅tft的制作方法
【專利說明】具有耗盡層的玻璃和構造于其上的多晶硅TFT
[0001] 本申請根據35U.S.C. § 119要求2013年4月30日提交的美國臨時申請序列第 61/817536號的優先權，本申請以其內容為基礎，并通過參考將其全文納入本文。 發明領域
[0002] 本公開內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 上構造的器件（例如薄膜晶體管）。還公開了對這種玻璃基板進行化學處理以獲得耗盡表 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] 當前的顯示器玻璃基板送給客戶時很少經過處理，有時根本沒有任何處理。多數 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。這種溶液設計用來幫助除去 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部的金屬雜質會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/半導體界面處的金屬雜質會導致源極與 漏極之間的泄漏電流增加。如果金屬雜質以接近所設計的自由載流子濃度的水平進入半導 體膜，柵控可能減弱，電流泄露可能增加，并產生其他不確定的操作特征。這些金屬雜質的 濃度超過所設計的自由載流子濃度時，會由于開路或短路狀況而導致器件完全失效。如果 金屬雜質污染柵絕緣體，還會造成閾值電壓發生不確定的波動和/或電介質過早擊穿以及 晶體管崩潰。
[0006] 概述
[0007] 在各種實施方式中，本公開內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。 還公開了對玻璃基板進行化學處理的方法，例如通過浸出進行處理，從而在玻璃表面提供 耗盡層或富氧化硅載流子層，而對表面粗糙度和/或對于電子制造重要的其他性質沒有不 利影響。
[0008] 因此，一個實施方式公開了對玻璃基板的表面層進行化學處理的方法，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，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的深度經過化學處理的表面層。在一個實施方式中，經過化學 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過化學處理的表面層 上直接沉積Si層，并沉積本領域技術人員公知的附加導電層、半導體層和/或絕緣層。
[0012] 在以下的詳細描述中給出了本發明的其他特征和優點，其中的部分特征和優點對 本領域的技術人員而言是容易理解的，或通過實施文字描述和其權利要求書以及附圖中所 述實施方式而被認識。應理解，上面的一般性描述和下面的詳細描述都僅僅是示例性的，用 來提供理解權利要求書的性質和特點的總體評述或框架。
[0013] 附圖簡要說明
[0014] 所包含的附圖供進一步理解本發明，附圖被結合在本說明書中并構成說明書的一 部分。【附圖說明】了本發明的一個或多個示例性實施方式，并與說明書一起用來解釋各種實 施方式的原理和操作。
[0015] 圖IA是在未經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 溫度和時間經浸出處理的玻璃圓片的對應表面比的柱狀圖。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是顯示未經處理（虛線）和經過處理（實線）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TFT泄漏電流的影響與75°C非循環浴中處理 時間的關系的盒形圖。
[0021] 圖6是顯示1: 7HC1:H2O浸出溶液對TFT亞閾值擺幅（mV/dec)電流的影響與75°C 非循環浴中處理時間的關系的盒形圖。
[0022] 圖7是顯示各種浸出時間和溫度下，相比于沒有金屬雜質的石英基板，經過處理 和未經處理的康寧Lotus?玻璃的亞閾值擺幅的盒形圖。
[0023] 發明詳述
[0024] 術語"耗盡層"及其變體在本文中用來描述基板的一個區域，該區域中大多數載荷 子已通過浸出除去。根據本公開內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。當耗盡層 已耗盡和/或基本上不含載荷子因而沒有載荷子運載電流時，有時稱其為"絕緣層"。
[0025] 術語"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] 術語"FET"及其變體在本文中用來表示場效應晶體管。
[0027] 術語"環形FET"及其變體在本文中用來表示環形場效應晶體管，它是具有三個同 心、共平面電極的FET器件，所述電極包括環形場效應晶體管的源極、柵極和漏極。
[0028] 術語"TFT"及其變體在本文中用來表示薄膜晶體管。
[0029] 術語"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] 術語"浸出深度"及其變體在本文中用來表示基板表面下方發生雜質浸出的深度。
[0031] 術語"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-漏極半導體 區域與基板接觸的器件。
[0032] 玻璃基板的性質對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)。已經發現，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。即使對于堿金屬含量低的玻璃，也發現重復開-關循環會引起鈉 迀移。
[0033] 已開發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性 較低的鈉鈣玻璃，以及通過與酸氣體發生高溫反應來產生這種脫堿層的方法。堿金屬耗盡 區延伸進入玻璃超過l〇〇nm。Mizuhashi等在US4485146中教導，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散到半導體層。 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，堿金屬的流動方向取決于玻璃的 組成。對于含有能改變配位的高場強離子的玻璃，在配位的能量變化的驅動下，流動可以是 從阻擋層到玻璃。
[0034] 從玻璃擴散的雜質也影響硅TFT的性能，特別是對于加工溫度常常超過600°C的 多晶硅（PSi)晶體管。在US5985700中，Moore教導了一種對玻璃表面進行浸出的方法，該 方法不需要額外的阻擋層，通過簡單使用RCA清潔過程（1965年由RCA公司開發，作為半導 體晶片在高溫加工前的清潔方法）而無需氫氟酸（HF)浸漬，將關態泄漏電流減少2個數量 級。次級離子質譜（SMS)和誘導耦合等離子質譜（ICP-MS)顯示，堿性RCA從康寧1737玻 璃清除了大部分錯和一些1丐，而酸性RCA2清除了|丐、鋇和錯。CouiIlard等在J.Non-Cryst. Solid222(1997)429中描述了對康寧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)測量結果表明，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示蹤擴散實驗，這些實驗表明，對1737玻璃的RCA清潔和在650°C通過濕氧化進行 的表面改性都起類似于低壓化學氣相沉積（LPCVD)SiO2的作用，該SiO2作為防止鈉擴散的 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TFT性能具有有害影響，而且這種污染的影響不 止于導致更高的泄漏電流。進入半導體的雜質產生陷阱態，其中一些雜質將成為供體或受 體。對于硅而言，三價態的第3、8和13族元素的進入產生受體，而五價態的第5和15族元 素的進入產生供體。這種半導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AMLCD顯示器面板生產的產率具有直接 影響