ECCP干法刻蝕條件下的TFT基板絕緣層過孔腐蝕的改善

邱鑫茂，伍 蓉*，付婉霞，吳洪江，王寶強，陳 曦，李梁梁，劉 耀，林鴻濤，廖加敏

(1.福州京東方光電科技有限公司，福建 福州 350300；2.北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 引 言

平板顯示行業(yè)正處于高速發(fā)展和充分競爭的時代，其中薄膜晶體管液晶顯示技術(shù)具有可制備大尺寸、高分辨率、高色域、低功率、窄邊框顯示產(chǎn)品的特點。在以家用電視為代表的大尺寸趨勢下，TFT液晶顯示正在向高世代線發(fā)展。

為了增大可視角度，人們提出邊緣電場開關(guān)薄膜晶體管(ADS)技術(shù)。通過減小Mask使用次數(shù)，節(jié)約生產(chǎn)成本，目前具有量產(chǎn)實績的陣列基板光刻Mask為采用5Mask。過孔搭接失效一直是Array基板制作成品率受限的影響因素之一。搭接失效通常由過孔刻蝕缺陷引起，如GI和PVX的截面形貌異常導(dǎo)致其覆蓋上的ITO接觸電阻過大；刻蝕不均；物理刻蝕對Gate金屬損傷，該損傷將在后續(xù)工藝流程和信賴測試中逐步體現(xiàn)。

目前刻蝕后形貌的研究主要集中在單一膜層的實驗分析，劉丹等人進行了Mo/Al/Mo結(jié)構(gòu)電極的坡度角和關(guān)鍵尺寸差的研究[1]；姜曉輝等人進行了柵絕緣層(GI)過孔刻蝕形貌的研究[2]；范學(xué)麗等人以Al金屬層為研究對象，進行提高濕法刻蝕FICD均一性的研究[3]。

針對雙膜層及刻蝕基底(Gate)的全面分析少有研究。本文通過實驗得到刻蝕速率快、均一性優(yōu)的刻蝕參數(shù)；進一步，為減少刻蝕物理濺射對GI與Gate接觸面的損傷，通過減小PR的刻蝕比，達到PR對正下方接觸面的保護作用。

2 實 驗

5Mask制作工藝如圖1所示，依次形成像素透明電極ITO圖案，柵極圖案，SD圖案，接觸過孔圖案和公共透明電極圖案。

圖1 ADS-TFT工藝流程Fig.1 Process flow of ADS-TFT

圖2 過孔形貌(刻蝕前后)Fig.2 Morphology of via-hole before and after etching

借助福州京東方液晶面板8.5代線生產(chǎn)平臺，使用2 200 mm×2 500 mm Corning 玻璃，玻璃厚度為0.5 mm。如圖2所示，實驗所涉及膜層從下到上為Gate層MoNb/Cu(雙層金屬)、柵絕緣層GI SiNx、鈍化層PVX(SiNx)和正性PR。經(jīng)過ECCP模式(Enhanced Capacitive coupled Plasma)刻蝕形成圖2過孔形貌。

該模式下電極有兩個電源，其中源極電源用來解離氣體產(chǎn)生等離子體，偏置電源主要用來調(diào)節(jié)等離子體形態(tài)以加強離子轟擊。反應(yīng)氣體為SF6、O2、He混合氣體，刻蝕的主要反應(yīng)過程為[4]：

2.1 過孔腐蝕機理

通過對比福州京東方8.5代線普通產(chǎn)品的良率數(shù)據(jù)來看，在其他工藝相同的情況下ECCP刻蝕模式下的過孔更容易發(fā)生腐蝕，腐蝕比例達到10%，但ICP發(fā)生率為0，究其原因發(fā)現(xiàn)ECCP和ICP刻蝕后的孔形貌有較大的差距，如圖3所示。

圖3 ICP(a)和ECCP(b)刻蝕模式下的過孔截面形貌Fig.3 Cross of via-hole in ICP(a) and ECCP(b) etching mode

同時通過原子力顯微鏡掃描發(fā)現(xiàn)用ICP模式刻蝕后的孔表面粗糙度Ra為5.08 nm，小于用ECCP模式刻蝕后的孔表面粗糙度6.07 nm，說明ECCP模式下刻蝕的表面凹凸不平，缺陷更多，如圖4所示。

圖4 ICP(a)和ECCP(b)刻蝕模式下的過孔表面粗糙度Fig.4 Roughness of via-hole surface in ICP(a) and ECCP(b)etching mode

在ICP刻蝕模式下，根據(jù)孔的上表面CD測試數(shù)據(jù)來看，ICP的CD bias(曝光后CD與刻蝕后CD的差值)比ECCP刻蝕模式大，即橫向物理刻蝕速率相對ECCP刻蝕模式來看大于縱向化學(xué)刻蝕速率?？涛g過孔時，氮化硅橫向內(nèi)縮量大于PR內(nèi)縮量，使得PR可以很好地保護GI的截面，GI下沿截面坡度角較好，控制在30°左右。GI截面的下沿與Cu 接觸部分受到保護后，被轟擊的作用減少，GI截面下沿缺陷少，不容易造成剝離液殘留。如果剝離液殘留，在后續(xù)的點亮加電過程中容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，從而導(dǎo)致顯示異常。

而ECCP刻蝕模式下，PR膠刻蝕速率較大，內(nèi)縮速率量大，刻蝕過孔的下沿退縮量較小，低于或近乎等于PR的刻蝕量，導(dǎo)致GI截面的下沿與Cu 接觸部分沒有得到PR膠的良好保護，GI下沿截面坡度角較大，部分接近90°。在刻蝕過程中受到嚴重的轟擊，容易造成缺陷，這種缺陷會使得該處容易造成剝離液殘留，不易清洗掉和ITO搭接不良。因為在TFT基板制造過程中存在堿性液體(剝離液)、反應(yīng)金屬Cu、鈍化金屬ITO，具備了發(fā)生電化學(xué)腐蝕的基本條件，加電后發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。ITO搭接部分電阻較大，在加電時局部溫度較高，反應(yīng)主要為Cu > Cu(Ⅱ)> CuO 。電化學(xué)反應(yīng)形成的Cu腐蝕形貌如圖5所示[5]。

圖5 ECCP刻蝕模式下過孔Cu腐蝕現(xiàn)象Fig.5 Appearance of Cu corrosion in via-hole in ECCP etching mode

綜上原因可知，為了使得PR可以更好地保護GI下沿截面，需要增加橫向化學(xué)刻蝕速率，降低縱向物理刻蝕速率，同時減少PR的內(nèi)縮量。

2.2 ECCP刻蝕模式影響因子分析

本文通過DOE實驗，研究ECCP刻蝕因子對刻蝕實驗研究反應(yīng)腔室氣壓、O2/SF6氣體比例、源極功率(Source Power)和偏置功率(Bias Power)對縱向刻蝕速率和橫向刻蝕速率、刻蝕均一性的影響。實驗初始變量如表1。

表1 四因子變量表Tab.1 Parameters of four factor analysis method

2.2.1 壓力對ECCP刻蝕速率和均一性的影響

圖6為不同壓力下的刻蝕速率測試結(jié)果，由圖6可知，在其他刻蝕條件不變的情況下，壓強由7 mt上升到1.7 Pa，刻蝕速率升高，但是均一性相比低壓強有變差趨勢，隨著壓力上升，氟活性基團的濃度增加，增強了化學(xué)刻蝕反應(yīng)速率，所以刻蝕速率上升。隨著壓力增加，等離子體濃度升高，離子碰撞幾率增加，能量損失增加，使得離子能量減少，從而減弱物理刻蝕作用。但是增強的化學(xué)刻蝕速率量大于降低的物理刻蝕量，所以整體的刻蝕速率上升。同時在1.3 Pa增加到1.7 Pa后，刻蝕速率增加量明顯減少，是因為當壓強增加到一定程度時，刻蝕生成物排出反應(yīng)腔室的速率降低，也會導(dǎo)致刻蝕速率下降，從而使得壓力增加到13.3 Pa后再增加壓力，刻蝕速率上升較慢。所以壓力增加有利于化學(xué)刻蝕。

此外，壓力越高，使得反應(yīng)氣體排出反應(yīng)腔室的速度越慢，則氟活性基團的流速越慢，使得氟活性基團在腔室內(nèi)的分布更為不均勻，導(dǎo)致刻蝕均一性變差。

2.2.2 偏置功率和源極功率對ECCP刻蝕速率和均一性的影響

偏置射頻功率獨立控制離子轟擊強度，功率增加，增強了物理轟擊縱向刻蝕，化學(xué)橫向刻蝕減弱，總體上刻蝕速率有所增加；源極射頻功率獨立控制等離子密度，源極射頻功率增加，氟活性基數(shù)量增加，化學(xué)刻蝕作用占比增大，物理刻蝕作用占比減小，總體上刻蝕速率基本不變。在ECCP刻蝕模式，相對于物理刻蝕，化學(xué)刻蝕是影響均一性的主要因素，化學(xué)刻蝕速率增加，刻蝕均一性變差。

如圖7所示，隨著偏置射頻由16 kW增加到30 kW，刻蝕速率由623.3 nm/s增加到695 nm/s，均一性由24.4%提升到19.8%；源極功率由30 kW增大到75 kW，刻蝕速率基本不變，但均一性由20.4%變差到23.9%。

圖7 刻蝕速率、均一性隨偏置功率(a)和源極功率(b)的變化。Fig.7 Etching rate and uniformity vs. bias power(a) and source power(b)

2.2.3 O2/SF6比例對ECCP刻蝕速率和均一性影響

圖8為相同功率和壓強下，保持O2/SF6的總體流量不變，改變O2/SF6比例的刻蝕速率和刻蝕均一性結(jié)果，隨著O2/SF6比例由2∶1減少到1∶1再到1∶2，氧氣比例的減少，刻蝕速率先降低后增加，但均一性一直降低。

O2/SF6比例由2∶1減少到1∶1時，刻蝕速率降低，說明氧氣對氮化硅的刻蝕有顯著的促進作用，氧氣加入到SF6反應(yīng)氣體中后，會與SF活性基團結(jié)合，從而減少了SF基團與氟活性基團的反應(yīng)，使得氟活性基團的比例上升，從而促進刻蝕反應(yīng)。因為氧氣對PR有灰化作用，當氧氣含量減少時，氧氣大部分量與PR進行反應(yīng)，使得PR內(nèi)縮量大，消耗更多的氧氣量，同時SF6其他量增加，氟活性基團數(shù)量也增加，從而增強了化學(xué)刻蝕反應(yīng)。

在相同的功率和壓強下，保持O2/SF6氣體流量總量不變，隨著O2/SF6比例的增加，O2的含量越來越高，對SF6起到了稀釋的作用，使氟活性基分布更為均勻，導(dǎo)致刻蝕均一性逐漸變好。

圖8 刻蝕速率、均一性隨O2/SF6比例的變化。Fig.8 Etching rate and uniformity vs. O2/SF6 ratio

2.3 ECCP刻蝕模式對過孔腐蝕改善

通過對過孔腐蝕機理和ECCP刻蝕模式影響因子的分析，為了使得PR可以更好地保護GI下沿截面，需要增加橫向化學(xué)刻蝕速率，降低縱向物理刻蝕速率以及減少PR內(nèi)縮量。本文通過增加刻蝕壓力，增加化學(xué)刻蝕，通過減少偏置射頻功率降低物理刻蝕作用，同時在原有的其他比例成分上保持不變，以保證PR與氧氣反應(yīng)速率不變，PR的形貌以及內(nèi)縮量不受影響，主要是增加氮化硅的刻蝕量，以達到PR保護GI下沿截面的目的。

通過調(diào)整后，反應(yīng)壓力增大到1.7 Pa，偏置射頻功率降低到30 kW，O2/SF6氣體保持比例1∶1后，ECCP刻蝕后的過孔形貌基本與ICP刻蝕后的形貌相當，GI下沿截面基本平緩，坡度角維持在30°左右。PR膠下沿到GI下沿有一定的距離，達到0.5 μm，使得PR可更好地保護GI下沿截面與Cu接觸的截面。通過原子力顯微鏡掃描改善后的孔表面，表面粗糙度維持在Ra為3.92 nm，并且因過孔腐蝕發(fā)生的線不良基本無發(fā)生。該條件下刻蝕速率達到750 nm/s，刻蝕均一性達到10%以下，基本滿足量產(chǎn)需求。通過增加反應(yīng)壓力和降低偏置射頻功率，ECCP刻蝕模式對過孔的腐蝕影響得到有效解決。

圖9 改善前(a)后(b)的ECCP 刻蝕模式下過孔截面形貌度Fig.9 Improved via-hole cross in ECCP mode before(a) and after(b) PR Strip

圖10 改善后的ECCP 刻蝕模式下過孔截面形貌Fig.10 Improved surface of via-hole roughness in ECCP mode

3 結(jié) 論

本文研究得出氮化硅刻蝕過程中物理轟擊將對GI截面的下沿與Cu接觸區(qū)域形成損傷，產(chǎn)生缺陷，PR剝離液殘留，誘發(fā)過孔Cu腐蝕。為改善Cu腐蝕，針對ECCP模式，實驗研究了反應(yīng)腔壓力、偏置/源極功率和O2/SF6比例對刻蝕的影響。利用四因子法研究得出：(1)反應(yīng)腔壓力的增大時(0.9～1.7 Pa)，氟活性基團增加，化學(xué)刻蝕反應(yīng)增大，使刻蝕速率明顯增大(500.1 ～772.6 nm/s)；壓力增大，導(dǎo)致氟活性基團在腔室分布不均勻，使得刻蝕均一性變差(17.1%～22.2%)。(2)偏置射頻功率增大帶來的物理轟擊刻蝕削弱了化學(xué)刻蝕作用，均一性提高，偏置功率從16 kW提高到30 kW，均一性提升(24.5% ～19.8%)；源極射頻功率增加(30～75 kW)，化學(xué)刻蝕比例增大，均一性下降(20.35%～23.86%)。(3)氧氣提升對氮化硅刻蝕具有顯著促進作用，同時含量增加刻蝕均一性提升。為達到PR膠保護下沿截面目的，優(yōu)化刻蝕條件為(壓力：1.7 Pa，偏置/源極功率：30/30 kW，O2/SF6：1∶1)，刻蝕速率達到750 nm/s，刻蝕均一性達到10%，同時GI下沿截面平緩(坡度角維持在30°附近)，表面平滑(Ra: 3.92 nm)。此刻蝕條件無過孔腐蝕引起線不良發(fā)生，解決了ECCP刻蝕模式對過孔腐蝕的影響，滿足量產(chǎn)需求。