Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝中BCl3氣體作用研究

李淳東，李知勛，陳 兵，劉 杰，吳國特，苗占成

(重慶京東方顯示技術有限公司，重慶 400714)

1 引 言

隨著顯示行業(yè)技術的高速發(fā)展，人們對顯示行業(yè)的要求也越來越高。低溫多晶硅LTPS作為顯示行業(yè)的新一代技術，從開發(fā)到至今已經有幾十年的歷史了，該技術的液晶面板具有更快的響應速度和更高的分辨率，其中源漏極材料普遍采用電阻率較低的Ti/Al/Ti三層金屬結構[1]。Ti/Al/Ti材料是近年來研究的重點，以其低電阻率、低成本、易刻蝕等優(yōu)勢，逐漸成為薄膜晶體管配線的主要材料。Ti/Al/Ti材料主要是利用干法刻蝕進行，LTPS工藝中Ti/Al/Ti材料常用的襯底為無機膜SiN或者SiO。隨著顯示技術的發(fā)展，有機發(fā)光顯示(OLED)技術開始異軍突起，該顯示技術具有自發(fā)光性、廣視角、高對比、低耗電、高反應速率等優(yōu)點，柔性OLED、全面屏、高PPI等新產品進入市場[2]。隨著技術的發(fā)展，源漏極Ti/Al/Ti材料下膜層襯底開始使用有機物(聚酰亞胺等)， Ti/Al/Ti設計也將變得更厚，更窄，更復雜，如何確保Ti/Al/Ti坡度角及下膜層刻蝕量，這對Ti/Al/Ti干法刻蝕是一個全新的挑戰(zhàn)，需要對Ti/Al/Ti常規(guī)刻蝕氣體Cl2和BCl3原理進行分析研究。本文將著重對BCl3氣體進行分析研究，優(yōu)化Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝。

2 Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝原理

對于膜層結構為Ti/Al/Ti的源漏極來講，刻蝕步驟主要利用Cl原子的強氧化性與金屬Ti、Al反應，生成揮發(fā)性物質，反應方程式[3]為：

Ti，Al + Cl → TiCl4↑+ AlCl3↑.

(1)

但是，金屬Ti表面容易發(fā)生自然氧化，Ti的表面會形成一層Ti的氧化物。在ICP設備模式下，如果只用Cl2進行刻蝕，刻蝕速率會降低，影響刻蝕效果，所以必須添加BCl3氣體，通過BCl3的離子轟擊作用破壞鈦和氧之間的化學鍵，從而去除Ti表面自然生成的氧化物，使Cl2和Ti發(fā)生反應，如圖1所示。

TiOx+ B→ BxOy/Ti + 4Cl → TiCl4↑.

(2)

圖1 BCl3的離子轟擊作用 Fig.1 Ion bombardment of BCl3

另一方面，BCl3作為大分子氣體，在重力作用下，會沉積在Ti/Al/Ti側面，從而形成側面保護，防止側面刻蝕嚴重，因此使用Cl2和BCl3作為刻蝕步驟氣體，Cl2和BCl3的氣體流量配比必須嚴格控制。

BCl3不僅會通過重力作用沉積在Ti/Al/Ti側面，也會沉積在光刻(PR)膠表面以及下膜層的表面。通過BCl3的流量調節(jié)，可以調節(jié)沉積在PR表面和下膜層表面的BCl3的量。沉積在PR膠表面的BCl3，會阻擋Cl2對PR的刻蝕，減少Cl2對PR膠的刻蝕速率，PR膠的后退量和Ti/Al/Ti的坡度角密切相關[4]。沉積在下膜層表面的BCl3，會影響Cl2對下膜層的刻蝕速率。在Cl2流量一定的條件下，隨著BCl3流量的增加，BCl3沉積在PR膠以及下膜層的量隨之增加，這樣PR膠和下膜層的刻蝕速度都會相應減少下降，從而導致含C生成物和SiCl4生成量減少，含C化合物堆積在Ti/Al/Ti側面的保護膜厚度隨之減少，影響Ti/Al/Ti側面形態(tài)和下膜層刻蝕量，如圖2所示[5]。下文將通過實驗對提出的理論原理進行證明。

圖2 Ti/Al/Ti刻蝕BCl3的作用Fig.2 Role of BCl3 in Ti/Al/Ti etching

3 BCl3氣體對PR膠刻蝕速率及Ti/Al/Ti側面形態(tài)的影響

3.1 實驗樣品制備

實驗采用京東方鄂爾多斯市源盛光電有限責任公司的5.5代線制備LTPS陣列樣品，其中Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝采用ICP(Inductively Coupled Plasma)干法刻蝕機進行制備，玻璃基板采用的是1 300 mm×1 500 mm，樣品1#、2#、3#、4#的Ti/Al/Ti下膜層襯底為無機膜。進行Ti/Al/Ti 干法刻蝕工藝，保持源功率、偏壓功率、壓力、溫度、時間、Cl2流量一樣的前提下，通過改變BCl3氣體的流量，確認對PR膠的刻蝕速率以及Ti/Al/Ti 側面形態(tài)的影響，具體工藝條件見表1。

3.2 實驗結果與分析

3.2.1 BCl3氣體對Ti/Al/Ti側面形態(tài)的影響

為了能夠直觀地觀察在經過Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝后Ti/Al/Ti側面的情況，在Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝后，將樣品1#、2#、3#、4#進行掃描電鏡 (Scanning Electron Microscope，SEM)分析，如圖3所示，目的是通過改變BCl3氣體的流量，研究BCl3氣體對Ti/Al/Ti側面形態(tài)的影響，并探討B(tài)Cl3氣體在Ti/Al/Ti干法刻蝕中的作用，圖3為樣品1#、2#、3#、4#的SEM圖。

由圖3的橫截面圖可以看出：不同的BCl3氣體流量，形成的Ti/Al/Ti側面保護膜厚度不一樣：樣品1#，BCl3流量0，PR膠表面無BCl3覆蓋，PR膠直接在等離子體作用下，生成大量的含C化合物堆積在Ti/Al/Ti側壁，從而形成一層較厚的側壁保護膜，降低了Cl2和Al的刻蝕率[6]。目前干刻最新刻蝕模式PICP(Planar Inductively Coupled Plasma)對Ti/Al/Ti干法刻蝕只使用Cl2，主要是通過對PR膠的刻蝕，產生含C化合物堆積在側面進行保護，形成側壁保護膜。樣品4#，BCl3流量為800 mL·min-1，PR膠表面被大量BCl3覆蓋，阻隔Cl2對PR進行刻蝕，含C化合物生成量最少，僅靠BCl3氣體和少量含C化合物在Ti/Al/Ti側面進行側面保護，側面保護膜最薄，甚至在刻蝕后出現(xiàn)輕微的側面刻蝕。樣品1#、2#、3#、4#的BCl3流量分別為0，200，400，800 mL/min，通過對樣品SEM圖片觀察，可以發(fā)現(xiàn)Ti/Al/Ti側面的保護膜厚度從厚逐漸變薄，樣品4#甚至出現(xiàn)輕微的側面刻蝕，所以在ICP 設備中，使用BCl3進行側壁保護，Cl2和BCl3的氣體流量配比必須嚴格控制，過多地使用BCl3氣體進行側壁保護，可能會導致Ti/Al/Ti側面出現(xiàn)側面刻蝕。

圖3 干法刻蝕后的樣品SEM截面圖Fig.3 SEM cross section of the samples after dry etching

3.2.2 BCl3氣體對PR膠刻蝕速率的影響

為了能夠直觀地觀察在經過Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝后PR膠的變化，在Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝后，將樣品1#、2#、3#、4#進行SEM截面圖和平面圖分析。分別量取平面圖PR膠寬度和截面圖PR膠厚度，通過計算側面PR膠寬度變化和上部PR膠厚度變化計算出PR膠的刻蝕速率，驗證在Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝中，BCl3氣體流量和PR膠刻蝕速率的關系。

在樣品1#、2#、3#、4#上分別均勻地取13個樣品進行截面圖和平面圖測試。在截面圖上量取PR膠剩余厚度，由于樣品是同批次進行的掩膜板工藝，可以近似認為Ti/Al/Ti干法刻蝕前PR 厚度無差異，刻蝕前的PR膠厚度減去剩余的PR膠厚度，除以刻蝕時間，計算出上部PR膠刻蝕速率，如圖3所示。從圖中可以看出，在Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝中，在Cl2流量一定的條件下，隨著BCl3氣體流量從0增加到200 mL·min-1，上部PR膠刻蝕速度降低明顯。BCl3氣體流量增加到400，800 mL·min-1時，從數(shù)據(jù)上看，上部PR膠刻蝕速率相對BCl3氣體流量為200 mL·min-1時無明顯降低。

在樣品1#、2#、3#、4#的平面圖上量取PR膠的寬度。由于樣品是同批次進行的掩膜板工藝，可以近似認為Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝前PR膠寬度無差異?？涛g前PR膠寬度減去刻蝕后的PR膠寬度，除以刻蝕時間，計算出側面PR膠刻蝕速率，如圖3所示。從圖中可以看出，在Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝中，在Cl2流量一定的條件下，隨著BCl3氣體流量的增加，側面PR膠的刻蝕速率逐漸降低，且變化趨勢有明顯規(guī)律。

綜上所述，在Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝中，在Cl2流量一定的條件下，隨著BCl3氣體流量的逐漸增加，Side PR膠刻蝕速率和Top PR膠刻蝕速率趨勢都是逐漸降低?？梢缘贸鼋Y論：在Cl2流量一定的條件下，隨著BCl3氣體流量的逐漸增加，PR膠的刻蝕速率逐漸降低[7]。

圖4 樣品的PR膠刻蝕速率(SEM確認的數(shù)據(jù))Fig.4 PR adhesives etching rate of the samples (data confirmed by SEM)

4 BCl3對Ti/Al/Ti襯底為有機膜的干法刻蝕的影響

在常規(guī)Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝中，通過對BCl3氣體流量進行調節(jié)，可以確保Ti/Al/Ti側面形貌無側面刻蝕、好的坡度角以及低的無機膜刻蝕量。在后續(xù)顯示技術中，Ti/Al/Ti材料襯底開始使用有機膜。在Ti/Al/Ti干法刻蝕中，同一條件下，對Ti/Al/Ti的刻蝕率和有機膜的選擇比太小，會導致有機膜的刻蝕量偏大。在后續(xù)新技術的開發(fā)中，可以通過增加BCl3的流量，增大在有機膜表面的堆積量，降低對有機膜的刻蝕率，從而減少有機膜的刻蝕量，減少廢氣量，改善工藝腔體環(huán)境，提高產品質量。在襯底為有機膜條件下，雖然增加BCl3的用量會降低Cl2和PR的刻蝕反應，導致Ti/Al/Ti側面的保護膜變薄，但是由于襯底為有機膜，Cl2和有機膜進行反應，生成物也會堆積在Ti/Al/Ti側面，所以Ti/Al/Ti的側面形態(tài)和有機膜的刻蝕量相互制約，Cl2和BCl3用量必須嚴格控制，確保好的坡度角和低的有機膜刻蝕量。BCl3在有機膜襯底刻蝕中的作用如圖5所示。

圖5 BCl3在有機膜刻蝕中的作用Fig.5 Role of BCl3 in organic film etching

5 結 論

通過對Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝的原理分析與討論，得出理論依據(jù)，通過實驗驗證了BCl3氣體在Ti/Al/Ti干法刻蝕工藝中的作用：隨著BCl3氣體流量的增加，Ti/Al/Ti側面的保護膜厚度從厚逐漸變薄，對PR膠的刻蝕率逐漸降低?；谠摻Y論，當Ti/Al/Ti襯底為有機膜時，增加BCl3氣體的用量，增加在有機膜上的BCl3氣體的覆蓋量，可以改善下層有機膜的刻蝕量，減少廢氣量，改善Ti/Al/Ti坡度角，改善工藝腔體環(huán)境，提高產品質量。