查甫德， 徐純潔， 李根范， 張 木， 崔立加， 馮耀耀，朱梅花， 楊增乾， 劉增利， 陳正偉， 鄭載潤(rùn)

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥230011)

1 引 言

在TFT-LCD顯示領(lǐng)域，4-Mask半色調(diào)工藝?yán)霉鈻诺牟糠滞腹庑?，將光刻膠不完全曝光，將形成源/漏數(shù)據(jù)線(xiàn)的金屬層源漏電極層(SD)掩膜和形成TFT開(kāi)關(guān)的有源層掩膜合并為一道SDT 掩膜，在一次金屬層刻蝕(1st Wet Etch)和有源層刻蝕(Act Etch)后通過(guò)光刻膠灰化工藝刻蝕溝道內(nèi)的光刻膠，再通過(guò)二次金屬刻蝕(2nd Wet Etch)和n+刻蝕形成TFT開(kāi)關(guān)。4-Mask半色調(diào)工藝在保證品質(zhì)的同時(shí)減少了工藝流程，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且降低了生產(chǎn)成本[1-2]，在TFT制程中得到了廣泛應(yīng)用。光刻膠灰化工藝主要通過(guò)干法刻蝕設(shè)備進(jìn)行，作為4-Mask的核心工藝之一，與半色調(diào)一起決定TFT溝道的均一性，進(jìn)而影響TFT特性和產(chǎn)品的品質(zhì)[3-5].隨著TFT-LCD顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的分辨率不斷提高，對(duì)TFT溝道均一性的要求也越來(lái)越高[6].本文主要研究采用感應(yīng)耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma,ICP)[7-8]干法刻蝕設(shè)備提升光刻膠灰化工藝以改善TFT特性。

干法刻蝕是利用輝光放電的方式產(chǎn)生等離子體，對(duì)材料進(jìn)行刻蝕，分為物理刻蝕和化學(xué)刻蝕。物理刻蝕是通過(guò)電場(chǎng)加速離子對(duì)基板表面膜層的撞擊,將膜層表面的原子濺射出來(lái)，以離子能量的損失為代價(jià)達(dá)到刻蝕目的，反應(yīng)集中在電場(chǎng)方向上進(jìn)行，具有各向異性；化學(xué)刻蝕是反應(yīng)等離子體在放電過(guò)程中產(chǎn)生許多離子和化學(xué)活性中性物質(zhì)即自由基，與Si、SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)由于自由基不帶電荷只進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)，所以具有各向同性[7]。干法刻蝕設(shè)備根據(jù)刻蝕模式不同可分為：等離子體刻蝕(Plasma Etch，PE)、反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etch，RIE)、增強(qiáng)型等離子體耦合刻蝕(Enhanced Capacitive Coupled Plasma，ECCP)和ICP。不同模式的等離子體刻蝕設(shè)備表現(xiàn)出不同的物理作用和化學(xué)作用[9-10]。ICP設(shè)備采用線(xiàn)圈作為上部電極，連接射頻電源，利用其誘導(dǎo)電場(chǎng)使電子朝水平方向振動(dòng)，能夠產(chǎn)生高密度的等離子體，使干法刻蝕的物理刻蝕作用表現(xiàn)得更為突出。下部電極連接偏壓射頻，可以獨(dú)立控制等離子體的強(qiáng)度，吸引離子沖撞基板。ICP設(shè)備與其他模式的刻蝕設(shè)備相比具有刻蝕率高、大面積均一性好、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[11-12]。京東方8.5代線(xiàn)為改善TFT特性，提升產(chǎn)品品質(zhì)，采用性能較優(yōu)的ICP設(shè)備進(jìn)行光刻膠灰化工藝，TFT溝道均一性有顯著改善，但與此同時(shí)產(chǎn)生了SD線(xiàn)邊緣a-Si膜層殘留異常，發(fā)生率約為2%，影響產(chǎn)品良率。本文對(duì)產(chǎn)生這一異?，F(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的解決方法。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 現(xiàn)象和成份分析

采用ICP設(shè)備進(jìn)行光刻膠灰化工藝改善溝道均一性時(shí)發(fā)現(xiàn)，源漏電極層線(xiàn)邊緣、TFT溝道和像素的其他區(qū)域均出現(xiàn)線(xiàn)狀的膜層不良。為確認(rèn)膜層異常發(fā)生工序，分別在2nd濕刻后、n+刻蝕后和光刻膠剝離后進(jìn)行PI測(cè)試和SEM測(cè)試，如圖1所示，2nd濕刻后PI和SEM圖片未見(jiàn)異常，n+刻蝕后和光刻膠剝離后PI和SEM圖片均可見(jiàn)線(xiàn)狀膜層不良，疑似膜層殘留。

圖1 二次金屬刻蝕、n+刻蝕和PR剝離后PI和SEM圖片。

圖2為光刻膠剝離后聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)分析，圓點(diǎn)處為源漏電極層線(xiàn)邊緣膜層殘留測(cè)試位置。表1為FIB測(cè)試結(jié)果。從圖2和表1可以看出，殘留膜層主要成份為Si，推測(cè)為a-Si殘留，個(gè)別樣品有少量Al，推測(cè)源漏電極層線(xiàn)邊緣金屬特性發(fā)生變化，導(dǎo)致其在二次金屬刻蝕時(shí)不能充分反應(yīng)去除掉。

圖2 SD線(xiàn)邊緣FIB分析

表1 SD線(xiàn)邊緣FIB分析

為確定膜層異常發(fā)生工序，在一次金屬刻蝕后、有源層和光刻膠灰化刻蝕后、二次金屬刻蝕后、n+刻蝕和光刻膠剝離后分別切片進(jìn)行SEM分析，如圖3所示。可以看出在光刻膠剝離后b位置出現(xiàn)膜層殘留，對(duì)應(yīng)有源層和光刻膠灰化刻蝕后的源漏電極層臺(tái)階位置，a、c位置正常，推測(cè)有源層和光刻膠灰化工藝導(dǎo)致的源漏電極層線(xiàn)邊緣膜層殘留可能性較大。有源層刻蝕時(shí)，源漏電極層臺(tái)階上方有光刻膠遮擋，等離子體對(duì)源漏電極層臺(tái)階影響較小。光刻膠灰化工藝時(shí)，光刻膠被刻蝕，源漏電極層臺(tái)階裸露，等離子體對(duì)源漏電極層臺(tái)階影響較大。推測(cè)源漏電極層線(xiàn)邊緣金屬在PR膠灰化時(shí)特性發(fā)生了變化，導(dǎo)致其在二次金屬刻蝕時(shí)不能被充分反應(yīng)去除掉，殘留的線(xiàn)狀膜層導(dǎo)致n+刻蝕時(shí)源漏電極層線(xiàn)邊緣的a-Si刻蝕被阻擋，產(chǎn)生a-Si膜層殘留，殘留的線(xiàn)狀膜層掉落在TFT溝道內(nèi)和其他像素區(qū)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)區(qū)域的膜層刻蝕被阻擋，產(chǎn)生線(xiàn)狀膜層殘留。

圖3 相關(guān)工序SEM分析

2.2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用的是G8.5 ICP設(shè)備，由東京電子(TEL)制造，玻璃基板尺寸為2 200 mm×2 500 mm，基板厚度為0.5 mm。為改善ICP設(shè)備進(jìn)行光刻膠灰化工藝產(chǎn)生的膜層殘留，設(shè)計(jì)了6組實(shí)驗(yàn)，分別從壓力、射頻功率和氣體比例3個(gè)方面對(duì)光刻膠灰化工藝進(jìn)行測(cè)試，和目前正在使用主要條件進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試條件如表2所示。測(cè)試方法：完成一次金屬刻蝕和有源層刻蝕的基板，分別按測(cè)試條件完成光刻膠灰化工藝，然后依次進(jìn)行二次金屬刻蝕、n+刻蝕和光刻膠剝離，完成后測(cè)試PI觀察源漏電極層線(xiàn)邊緣、溝道和像素區(qū)有無(wú)膜層殘留發(fā)生。圖4為源漏電極層線(xiàn)邊緣膜層殘留等級(jí)劃分，圖4(a)無(wú)殘留，圖4(b)～(f)膜層殘留等級(jí)依次加重：Lv1～Lv5 ，膜層殘留位置已使用白色線(xiàn)條標(biāo)出。

表2 測(cè)試條件

圖4 膜層殘留等級(jí)

從表2 PI的測(cè)試結(jié)果可以看出：主要條件與1、3、4條件中源漏電極層線(xiàn)邊緣膜層殘留嚴(yán)重，條件2、5、6中源漏電極層線(xiàn)邊緣膜層殘留輕微。圖5為實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：(Ⅰ)對(duì)比主要條件與1、2條件，隨著壓力升高，膜層殘留等級(jí)減輕較為明顯；(Ⅱ)對(duì)比主要條件與3、4條件，隨著O2比例降低，膜層殘留等級(jí)輕微減輕；(Ⅲ)對(duì)比4、5、6條件，隨著低壓射頻功率降低，膜層殘留等級(jí)減輕較為明顯。從以上測(cè)試結(jié)果可以得出：壓力、偏壓射頻功率對(duì)膜層殘留影響較大，為主要影響因素；O2比例對(duì)膜層殘留影響相對(duì)較小，為次要影響因素。壓力升高、偏壓射頻功率降低和O2比例降低對(duì)膜層殘留均有改善效果。

圖5 PI測(cè)試結(jié)果

為解決ICP設(shè)備進(jìn)行光刻膠灰化工藝產(chǎn)生的膜層殘留問(wèn)題，采用壓力升高、偏壓射頻功率降低和O2比例降低組合條件進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)如表3所示7、8、9三組優(yōu)化條件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果均無(wú)膜層殘留發(fā)生，結(jié)合表2的測(cè)試結(jié)果可以得出改善膜層殘留的條件：壓力≥2.66 Pa，源極功率∶偏壓功率≥3∶1，qv(SF6)∶qv(O2)≥1∶60。

表3 測(cè)試條件

3 結(jié)果與討論

采用ICP設(shè)備進(jìn)行光刻膠灰化工藝，主要條件有源漏電極層線(xiàn)邊緣膜層殘留發(fā)生，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出與壓力、偏壓射頻功率和O2比例有關(guān)。一方面主要條件壓力低，等離子體濃度低，碰撞幾率減小，運(yùn)動(dòng)自由程增加，通過(guò)電場(chǎng)加速獲得的能量高，物理刻蝕較強(qiáng)，同時(shí)偏壓射頻功率高，加速電壓增大，反應(yīng)產(chǎn)生的離子和自由基能量增加，物理刻蝕能力進(jìn)一步增強(qiáng)，對(duì)源漏電極層線(xiàn)邊緣金屬產(chǎn)生較大的損傷；另一方面主要條件O2比例高，反應(yīng)產(chǎn)生的氧離子濃度相對(duì)較高，氧化能力強(qiáng)，易與源漏電極層線(xiàn)邊緣的金屬反應(yīng)產(chǎn)生氧化。受到等離子體損傷和氧離子氧化的共同影響，源漏電極層線(xiàn)邊緣金屬特性發(fā)生了變化，在二次金屬刻蝕時(shí)不能被完全反應(yīng)去掉，產(chǎn)生線(xiàn)狀的膜層殘留。n+刻蝕時(shí)，殘留的膜層阻擋源漏電極層線(xiàn)邊緣的a-Si被刻蝕，產(chǎn)生a-Si膜層殘留，殘留的線(xiàn)狀膜層掉落在TFT溝道和像素區(qū)，導(dǎo)致溝道內(nèi)的a-Si和像素區(qū)SiNx刻蝕被阻擋，產(chǎn)生線(xiàn)狀膜層殘留。圖6為推測(cè)的膜層殘留產(chǎn)生機(jī)理。提升光刻膠灰化工藝壓力、降低偏壓射頻功率比例和O2比例，光刻膠灰化工藝的物理刻蝕能力和氧化能力相應(yīng)減弱，對(duì)SD線(xiàn)邊緣金屬的損傷減小，氧化減弱，膜層殘留有明顯改善；采用ICP設(shè)備進(jìn)行光刻膠灰化工藝時(shí)，滿(mǎn)足條件：壓力≥2.66 Pa，源極功率:偏壓功率≥3∶1，qv(SF6)∶qv(O2)≥1∶60，無(wú)膜層殘留發(fā)生。

圖6 SD線(xiàn)邊緣膜層殘留形成機(jī)理

4 結(jié) 論

為改善ICP設(shè)備進(jìn)行4-Mask光刻膠灰化工藝產(chǎn)生的a-Si膜層殘留不良，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出灰化工藝的壓力、偏壓射頻功率和O2比例對(duì)a-Si膜層殘留均有影響，提升壓力、降低偏壓射頻功率，可以降低灰化工藝的物理刻蝕能力，減少等離子體對(duì)源漏電極層線(xiàn)邊緣金屬的損傷，同時(shí)減少O2的比例可以降低氧離子濃度，減少等離子體對(duì)源漏電極層金屬的氧化，a-Si膜層殘留不良逐步減輕，改善效果明顯。在此基礎(chǔ)上對(duì)光刻膠灰化工藝進(jìn)一步優(yōu)化得出，滿(mǎn)足條件：壓力≥2.66 Pa，源極功率:偏壓射頻功率≥3∶1，qv(SF6)∶qv(O2)≥1∶60，無(wú)膜層殘留發(fā)生，可以采用ICP設(shè)備進(jìn)行光刻膠灰化工藝改善TFT特性，提升產(chǎn)品的品質(zhì)。