大尺寸TFT－LCD ECCP刻蝕工藝低耗整合

張定濤，李文彬，姚立紅，鄭云友，李 偉，袁 明

（1.北京林業(yè)大學(xué)，北京100083；2.北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京100176）

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器由于具有重量輕、工作電壓低、全彩色、顯示范圍大和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，仍是當(dāng)今平板顯示的主流產(chǎn)品［1］。但是現(xiàn)有的4次掩膜法薄膜晶體管制造工藝復(fù)雜，鉬金屬刻蝕中氯氣、六氟化硫氣體和電力消耗大。通常陣列工藝需4～6次重復(fù)膜層沉積、光刻膠涂布、曝光、光刻、刻蝕和光刻膠剝離［2］。在現(xiàn)有干濕組合刻蝕工藝，大量消耗氯氣會(huì)對(duì)設(shè)備氧化鋁膜層和TFT 柵金屬刻蝕層產(chǎn)生腐蝕［3］，形成金屬殘留和色斑；功率射頻過(guò)大會(huì)加劇薄膜晶體管各膜層溫升和膜層相界形變，并有可能使膜質(zhì)變性。因此以減少工藝步驟、降低鹵化氣體量和降低射頻電力功率為目標(biāo)的低耗化研究，成為薄膜晶體管優(yōu)化研究新課題［4－6］。

在以往薄膜晶體管陣列4 次掩膜法“2 干2濕”工藝中，金屬層多為鉬鋁鉬結(jié)構(gòu)，以鋁為主要載流層，采用濕法刻蝕［7］。近年來(lái)，由于鉬具有熔點(diǎn)高、電阻率低、耐腐蝕和生成物真空下易揮發(fā)的特點(diǎn)，鉬逐漸取代鉬鋁鉬結(jié)構(gòu)成為集成電路中柵電極和互連的金屬材料［8］。如果能連續(xù)進(jìn)行有源區(qū)非晶硅的刻蝕、光刻膠的灰化、濕刻后剩余鉬刻蝕和溝道摻雜非晶硅的干法刻蝕，就實(shí)現(xiàn)了“1干1濕”刻蝕工藝整合，從而減少工藝重復(fù)，也避免因金屬層工藝滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生金屬腐蝕、小丘問(wèn)題［9］。

本文研究在4次掩膜工藝中的1次濕法刻蝕后，膜層為半透過(guò)光刻膠、源極和漏極（鉬膜）、溝道摻雜非晶硅、非晶硅、氮化硅、柵極、玻璃基板的結(jié)構(gòu)中，盡可能降低射頻功率，減少氯氣使用量，在一個(gè)干法反應(yīng)腔一次整合完成所有干法刻蝕。

2 實(shí)驗(yàn)方法

使用日本東京電子公司ECCP（Enhance Cathode Coupling Plasma）型設(shè)備進(jìn)行干法刻蝕。濕刻為大日本電子公司酸法刻蝕機(jī)?；孱愋褪强祵幑綞agle－XG，尺寸為2 500 mm×2 200 mm，厚度0.53mm，81.28cm（32in）4次掩膜工藝。物理濺射形成柵極和金屬鉬，等離子加強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）形成柵極絕緣層、非晶硅和溝道摻雜非晶硅層。

表1 各單層正交試驗(yàn)因素和水平表Tab.1 Orthogonal matrix test factors ＆levels of all single layer

ECCP模式干法刻蝕中，源極射頻和偏置射頻分別產(chǎn)生13.56 MHz和3.2 MHz高頻電力。通過(guò)源極高頻電力獨(dú)立控制等離子密度，通過(guò)偏置高頻電力獨(dú)立控制離子轟擊。與傳統(tǒng)反應(yīng)性離子刻蝕模式相比，雖然等離子體密度相同，但是刻蝕率高，均一性好，坡度角也更易于控制。ECCP反應(yīng)室頂部中心區(qū)域和其他區(qū)域隔開(kāi)，單獨(dú)控制氣體流量，有效控制各區(qū)域刻蝕速度，從而在一定程度上消除大尺寸刻蝕的“邊緣效應(yīng)”［10］。下部電極溫度為40 ℃，反應(yīng)腔壁和其頂部溫度為50 ℃，等離子濃度終點(diǎn)檢知器（End Point Detector，EPD）檢測(cè)和控制工藝最佳刻蝕時(shí)間。上下部平行平板電極間距300mm。

先通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)求出每個(gè)單層膜刻蝕最佳條件，以射頻功率、反應(yīng)氣壓、反應(yīng)氣體流量為3個(gè)因素，選取tL9（34）正交表，基板有膜側(cè)選取38個(gè)點(diǎn)進(jìn)行膜厚測(cè)量，如表1所示。用探針臺(tái)階儀測(cè)出了光刻膠和每個(gè)膜層的刻蝕率以及均一性等參數(shù)，分析這些因素的相互關(guān)系，得到各步的最優(yōu)工藝參數(shù)。接著在電參數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，通過(guò)掃描電子顯微鏡切片觀察溝道處的剖面形貌和厚度，同時(shí)也判斷刻蝕選擇比。最終通過(guò)整合試驗(yàn)，測(cè)試晶體管的電學(xué)特性來(lái)確認(rèn)晶體管工作性能。試驗(yàn)中，使用光學(xué)檢查儀輔助檢查工藝缺陷的發(fā)生情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 有源層刻蝕試驗(yàn)

目前有源層在4次掩膜工藝采用氯氣、六氟化硫氣體［11］。主要反應(yīng)產(chǎn)物SiCl4具有低溫?fù)]發(fā)時(shí)顆?；男再|(zhì)，殘留在反應(yīng)室內(nèi)容易聚合形成顆粒散落在基板表面，從而產(chǎn)生有源層殘留。六氟化硫輔助提高刻蝕率，其反應(yīng)產(chǎn)物SiF4也具有揮發(fā)性，從而很好抑制有源層殘留形成。目前4次掩膜法的干法刻蝕中射頻功率源極、偏壓功率分別為14kW、10kW，壓力為50mT（1T＝133 Pa），六氟化硫、氯氣流量為600sccm、12 000sccm（1sccm＝1 mL／min）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明影響刻蝕率的因素從大到小依次為壓力、氣體比例和射頻功率；而對(duì)均一性影響最大的是氣體比例。壓力從50mT 上升到70 mT，刻蝕率明顯增大，均一性則無(wú)明顯變化。而射頻功率從16kW、18 kW 降到7.5kW、8.5kW，刻蝕率下降不明顯。隨著射頻功率降低，均一性則明顯改善。隨著氯氣量的增加和六氟化硫量的減少，均一性明顯改善，刻蝕率也顯著提高，從而節(jié)省了刻蝕時(shí)間。因?yàn)闇系罁诫s層刻蝕要嚴(yán)格控制均一性和形貌，本試驗(yàn)最后選擇均一性小于10%的第3 組組合條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。

圖1 功率、壓力和氣體比例對(duì)有源層刻蝕率和均一性的影響Fig.1 Power，pressure，and gas ratio effect on the a－Si layer etch rate and uniformity

3.2 Ash（光刻膠灰化）試驗(yàn)

單獨(dú)使用氧氣對(duì)光刻膠有很好的灰化效果，但是會(huì)導(dǎo)致下層金屬鉬的表面發(fā)生氧化，從而降低鉬的刻蝕率［12］。在灰化刻蝕氣體中加入少量六氟化硫，能有效地去除生成的鉬的氧化物。

目前在4次掩膜工藝灰化速率達(dá)到1 000nm／min，源極、偏置射頻功率為15kW、15kW，壓力為50 mT，六氟化硫、氧氣流量為400sccm、12 000sccm，均一性為20%，坡度角在40°～55°。如果刻蝕均勻性差，源極和漏極金屬可能裸露，極易被灰化工藝損傷，而受損的部位連接著長(zhǎng)金屬線，引起電荷積累產(chǎn)生“天線效應(yīng)”［13］，容易發(fā)生金屬線間靜電擊穿。溝道表面的均一性和寬度取決于初始半透過(guò)型光刻膠形貌和灰化后的形貌，因此首要確?；一蟮木恍裕墙档蜕漕l功率。氧氣流量過(guò)大會(huì)使光刻膠后退加快露出金屬，所以也要盡可能減少氧氣使用量。

由圖2表明，壓力從50mT 上升到90mT，隨著灰化速率的顯著下降，均一性也逐漸惡化。僅使用氧氣刻蝕，灰化率低而且均一性不好。兼顧灰化率和均一性，最后選用的條件為：壓力50mT，射頻源極、偏置功率分別為12kW、12kW，氧氣、六氟化硫、氦氣（9 000、300、200sccm）的組合條件。其中，加入氦氣的目的是為了等離子均一化。

3.3 第一步鉬刻蝕試驗(yàn)

氧氣、六氟化硫、氯氣是常用的蝕鉬干法刻蝕氣體。以往在小尺寸的刻蝕研究表明：氣壓是刻蝕率和均一性最顯著的影響參數(shù)［14］；金屬鉬的刻蝕速率由于受均一性和對(duì)非晶硅選擇比的制約而難以提高。實(shí)際上鉬的刻蝕中還存在著均一性差、剖面倒角過(guò)大等問(wèn)題。為保證高速刻蝕過(guò)程中不損傷溝道和柵極絕緣層，實(shí)驗(yàn)中將鉬的刻蝕分為2步：第一步使用大量氯氣快速刻蝕，第二步采用取消六氟化硫和減少氯氣實(shí)現(xiàn)慢速平緩刻蝕。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于刻蝕率，氣體比例是最大的影響因素。氧氣、六氟化硫、氯氣和氣體流量為6 000、200、6 000sccm 時(shí)可以滿足生產(chǎn)實(shí)際。壓力和射頻總功率主要影響均一性。壓力100mT、源極和偏置射頻功率都為13kW 的組合條件是最優(yōu)條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖2 功率、壓力和氣體比例對(duì)光刻膠刻蝕率和均一性的影響Fig.2 Influence of power，pressure，and gas ratio on the ash rate and uniformity in ash

圖3 功率、壓力和氣體比例對(duì)第一步鉬刻蝕率和均一性的影響Fig.3 Influence of power，pressure，and gas ratio on the etch rate and uniformity in 1st step Mo

3.4 第二步鉬刻蝕試驗(yàn)

鉬的第二步刻蝕，使用小流量氯氣，為改善金屬鉬刻蝕的均一性，采用加大過(guò)刻時(shí)間的方法，確保金屬刻蝕充分，并保持溝道摻雜層表面的形貌、不過(guò)度損傷下底膜。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：壓力從120 mT上升到140mT，刻蝕率明顯降低，均一性變差，因此壓力選擇120 mT。源極和偏置功率為9kW和3kW 時(shí)刻蝕率和均一性最好。氯氣比例降低、氧氣上升后，刻蝕率下降。為了減少氯氣的使用并能維持較好的均一性和刻蝕率，試驗(yàn)最后采用氯氣和氧氣為3 400sccm 和6 700sccm 的氣體比例，采用的源極和偏置射頻功率分別為9kW和3kW。在此組合條件，測(cè)試得到均一性為11.7%。

實(shí)驗(yàn)表明（如圖4所示），鉬刻蝕率隨時(shí)間遞減，刻蝕率的計(jì)算得到的是平均值，在10 ～15s的刻蝕時(shí)間段，刻蝕率下降十分明顯。這是由于刻蝕沿著坡面向下進(jìn)行，鉬的橫向尺寸剩余逐漸減小，出現(xiàn)“微負(fù)載效應(yīng)”，負(fù)載效應(yīng)其實(shí)就是等離子體濃度和刻蝕率的相關(guān)關(guān)系，即離子濃度和刻蝕率成正比，和所需刻蝕的薄膜表面面積大小成反比。當(dāng)所需刻蝕的薄膜表面面積增大，致使離子的濃度在局部表面被攤薄導(dǎo)致刻蝕率下降。這是刻蝕化學(xué)性蝕刻導(dǎo)致的刻蝕非線性［15］。微負(fù)載效應(yīng)也會(huì)造成橫向過(guò)刻過(guò)大，因此要有效抑制。試驗(yàn)結(jié)果得到過(guò)刻時(shí)間延長(zhǎng)15s時(shí)微負(fù)載效應(yīng)最小。

3.5 溝道低耗化試驗(yàn)

溝道摻雜非晶層是決定薄膜晶體管載流性能的關(guān)鍵膜層。除了溝道的形貌和厚度外，溝道刻蝕后剩余尺寸和表面粗糙度也會(huì)直接影響到薄膜晶體管的漏電流大小，從而影響整個(gè)薄膜晶體管液晶顯示器電學(xué)特性［16－17］。目前“2干2濕”法溝道刻蝕的條件一般設(shè)置源極和偏置射頻功率分別為7.5kW和5kW，六氟化硫、氯氣流量分別為600sccm、9 000sccm。試驗(yàn)結(jié)果表明（如圖5 所示），壓力上升可以提高刻蝕率，但是均一性不穩(wěn)定。源極和偏置射頻功率分別降低到4kW 和5kW時(shí)，不僅刻蝕率沒(méi)有明顯減小，而且均一性顯著改善。氯氣減半使用到4 500sccm，均一性和刻蝕率也能保持不變。

圖4 功率、壓力和氣體比例對(duì)第二步鉬刻蝕率和均一性的影響Fig.4 Influence of power，pressure，and gas ratio on the etch rate and uniformity in 2nd step Mo

圖5 功率、壓力和氣體比例對(duì)歐姆接觸層刻蝕率和均一性的影響Fig.5 Influence of power，pressure，and gas ratio on the etch rate and uniformity in n－plus

3.6 全膜整合試驗(yàn)

在以上單層膜試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，我們得到4個(gè)步驟各自的刻蝕最優(yōu)條件。由于四步刻蝕是整合在后刻蝕性能和單層隔離刻蝕不同，因此要在全層膜驗(yàn)證4個(gè)條件的相互之間的影響，試驗(yàn)觀察前一個(gè)步驟對(duì)后續(xù)步驟的影響從而繼續(xù)進(jìn)行工藝微調(diào)。有源層刻蝕為了維持較小的有源層“邊緣凸沿”，將刻蝕時(shí)間增加8s。試驗(yàn)結(jié)果有源層線和數(shù)據(jù)線之間的Fence（邊緣凸沿）寬度差為2.19μm。單層鉬1 次濕刻后剩余（220＋20）nm。第一步選用氯氣、氧氣、六氟化硫（6 000、6 000、200）sccm，刻蝕10s，第二步采用氯氣、氧氣流量為3 400sccm 和6 700sccm，第二步刻蝕鉬的過(guò)刻率為100%（即增加15s）。溝道刻蝕之后的后處理步驟對(duì)于溝道粗糙度的影響很大，為了提高均一性、改善溝道的粗糙度，從而改善電氣特性，溝道刻蝕之后增加500sccm 氦氣進(jìn)行等離子體均一化。但是在高功率條件下，氦氣會(huì)與非晶硅膜層發(fā)生刻蝕反應(yīng)，薄膜晶體管特性改變，所以氦氣通常用于低功率的刻蝕工藝［18］，因此后處理步的射頻功率降為2kW（源極）、3kW（偏置）。掃描電子顯微鏡對(duì)比結(jié)果和刻蝕后圖形尺寸的測(cè)量結(jié)果如圖6和圖7，結(jié)果顯示溝道表面粗糙度得到了改善。下底膜的損傷厚度控制較好，測(cè)得溝道厚度損失量為816nm，柵極絕緣層剩余厚度為384.9nm，電子遷移率為0.93cm2／（V·s），Ion為7.15μA，Ioff為3.53pA，Vth為0.28 V。比起“2干2濕”，薄膜晶體管開(kāi)關(guān)溝道變短，開(kāi)口率變大，輪廓更易于保持。

圖6 完整膜層的掃描電子顯微鏡結(jié)果Fig.6 SEM results of full layer experiment

圖7 完整膜層試驗(yàn)的刻蝕后尺寸測(cè)量圖Fig.7 CD（Critical dimensions）of full layer experiment

4 結(jié) 論

（1）“1干1濕”刻蝕整合后的結(jié)果表明：“1干1濕”法在半透過(guò)光刻膠簡(jiǎn)化步驟，使射頻功率減少了6kW，氧氣使用量減少3 000sccm；在有緣層刻蝕共減少射頻功率18kW。六氟化硫、氯氣流量也分別從6000sccm、12 000sccm 減少為3 500sccm和3 500sccm。在溝道刻蝕工藝共減少3.5kW 射頻功率，氯氣使用量減少50%。從整體上實(shí)現(xiàn)了射頻功率降低和氯氣減少，從而實(shí)現(xiàn)了低耗化。

（2）金屬鉬的干法刻蝕采用2步完成，第一步氯氣量6 000sccm，第二步氯氣量降低為3 400 sccm，組合刻蝕完成總厚度為220nm 的單層鉬膜后，掃描電子顯微鏡測(cè)試結(jié)果顯示坡度角為53°，得到了較好的形貌。但是鉬的刻蝕速度并不均勻，存在明顯的“尺寸效應(yīng)”。因此如果對(duì)于其他不同厚度的鉬刻蝕，需要重新驗(yàn)證計(jì)算刻蝕率?？涛g率不是一個(gè)常量，和剩余膜層厚度存在非線性關(guān)系。

（3）溝道刻蝕的后處理步驟增加500sccm 氦氣，同時(shí)使用較低的射頻電力（源極功率、偏壓功率為2kW、3kW）后，發(fā)現(xiàn)溝道非晶硅的厚度變小、粗糙度得到改善，從而保證了刻蝕口的圖形尺寸和薄膜晶體管電學(xué)特性。

（4）大尺寸薄膜晶體管液晶顯示器的4 全膜層的“1干1濕”，比起“2干2濕”方法，蝕刻工藝總時(shí)間減少了16s；薄膜晶體管溝道變短，開(kāi)口率變大，電子遷移率增大。

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