薄膜晶體管平坦化層干法刻蝕工藝的研究

孫明劍，董承遠，林錫勳

(1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240； 2.昆山龍騰光電有限公司，江蘇 昆山 215301)

1 引 言

因為薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)具有制造技術成熟、良品率高、輕便以及價格相對低廉等優(yōu)點，所以目前大部分的智能移動設備都使用其作為顯示媒介。TFT-LCD作為移動設備各元件中的耗電大戶，如何降低其功耗以延長移動設備續(xù)航時間一直是制造商們的研究熱點[1]。其中一種常見的解決方法是在TFT架構中制作具有過孔(Via Hole)圖案的平坦化層[2]，通過降低介質層的寄生電容來降低功耗。由于電容值正比于介電常數(shù)且反比于薄膜厚度，因此要求介質材料具有較低的介電常數(shù)[3]，同時盡可能增加其厚度。

國內外普遍使用的平坦化材料為感光型，其制程通常為：首先將材料涂覆在基板上，之后通過曝光和顯影工藝制作出過孔圖案，最后再進行高溫烘烤固化[4]。雖然上述制程簡單、快速，但由于平坦化層厚度很大，而曝光顯影工藝制作出的過孔斷面傾斜角(Taper)較小，二者相加導致了過孔上方孔徑成倍變大，降低了面板穿透率，減弱功耗改善效果。

與此不同，新型平坦化材料—PTS(Planarizing Thermally Stable Material，霍尼韋爾公司生產)，是一種非感光的有機硅氧烷化合物，其在涂覆制程后直接進行高溫烘烤固化，之后在其表面涂覆光阻，通過光刻和干刻工藝制作過孔。在干刻工藝中，通過調節(jié)等離子體(Plasma)狀態(tài)，增加對材料的縱向刻蝕速率，可以將過孔傾斜角控制的更為理想，因此相較感光型材料，能夠制作出孔徑更小的過孔。

本文詳細研究了PTS材料的干法刻蝕工藝，發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)刻蝕方法無法制作出理想的過孔圖形；為此，我們提出并驗證了一種改進的干法刻蝕工藝，最終獲得了良好的過孔刻蝕效果。

2 實 驗

2.1 樣品結構

圖1為本研究所采用的非晶硅(a-Si)TFT器件的截面示意圖，其像素電極結構適用于邊緣場開關技術[5](Fringe Field Switching，F(xiàn)FS)。在工作狀態(tài)下，像素電極(Pixel)接收數(shù)據(jù)線上的電信號，與共電極(Common)之間形成電場，控制上方液晶分子發(fā)生轉向。由于形成電場及構成儲存電容的結構為像素電極和共電極，因此加入平坦化層，將像素電極和共電極與TFT、數(shù)據(jù)線(Data Line)以及開關線(Gate Line)之間隔開，能夠減小像素的寄生電容值[6]。

圖1 本研究采用的非晶硅TFT器件結構示意圖Fig.1 Schematic cross section of the a-Si TFTs used in this study

2.2 樣品制備和測試

實驗選用旭硝子公司生產的5代線玻璃基板，厚度0.4 mm，尺寸1 100 mm×1 300 mm。

(1)使用AKT-15K PECVD設備，在玻璃表面沉積氮化硅(SiNx)薄膜，膜厚300 nm；

(2)使用DNS SK-1100G設備，以狹縫刮涂(Slit Coating)方式在玻璃基板上涂覆PTS溶液，涂覆速度40 mm/s，涂覆膜厚2 μm；之后進行預烘烤，條件為110 ℃/2min；

(3)使用ESPEC HSC-VI Oven設備進行固化，條件為250 ℃/60min；

(4)使用DNS SK-1100G & Canon MPA7800設備于PTS層上方制作出光阻圖形；

(5)使用TEL Dry Etcher設備進行PTS層干法刻蝕。

實驗分別研究了反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching，RIE)[7-8]和增強電容耦合等離子刻蝕(Enhanced Capacitive Couple Plasma，ECCP)[9-10]模式對材料的刻蝕效果。RIE模式刻蝕實驗條件如表1所示，ECCP模式刻蝕實驗條件如表2所示。

表1 RIE模式實驗條件Tab.1 Processing conditions for RIE mode

表2 ECCP模式實驗條件Tab.2 Processing conditions for ECCP mode

(6)刻蝕速率測試。實驗以單片玻璃基板為單位，刻蝕時間30 s，刻蝕后每片玻璃基板均勻選取9個位置切片，通過掃描電子顯微鏡(SEM)測量被刻蝕掉的PTS層厚度，計算出各個條件對PTS層的縱向平均刻蝕速率，單位nm/min。

(7)過孔形貌及孔徑檢測。通過斷面SEM研究傾斜角和表面平滑度，采用線寬量測機測量孔徑大小。

3 結果與討論

3.1 刻蝕速率測試結果

圖2 不同實驗條件下的PTS刻蝕速率Fig.2 Etching rates of PTS at different experimental conditions

圖2為刻蝕速率的測試結果，其中RIE模式刻蝕速率最低94.9 nm/min，最高263.5 nm/min；ECCP模式刻蝕速率最低459.7 nm/min，最高567.7 nm/min。

可以看出，在其他刻蝕工藝參數(shù)相同的情況下，功率越大，對PTS材料的刻蝕速率越大。進一步對比發(fā)現(xiàn)，ECCP模式由于增加了低頻偏置射頻電源，能夠調節(jié)等離子體狀態(tài)，加強離子轟擊，其對PTS材料的縱向刻蝕速率顯著高于RIE模式。

3.2 過孔形貌觀察

接下來我們選取了RIE和ECCP模式最大刻蝕速率條件，即條件E和H，分別確認了對應過孔的表面形貌。

圖3(a)為RIE模式條件E的過孔SEM斷面像，可以看出其過孔表面平滑，但是PTS層下方的SiNx被過刻蝕，有嚴重的底切(Undercut)現(xiàn)象，后續(xù)會導致像素電極無法與漏電極形成導通。實測該條件下PTS和SiNx層刻蝕速率差異過大(相差約4.5倍)，如圖4所示，這造成了上述現(xiàn)象。

圖3 過孔SEM斷面像。 (a) 條件E; (b) 條件H。Fig.3 Cross sectional SEM photograph of via hole. (a)Condition E; (b) Condition H.

圖4 不同刻蝕模式下PTS和SiNx刻蝕速率Fig.4 Etching rates of PTS and SiNx for different etch modes

圖3(b)為ECCP模式條件H的過孔SEM斷面像，發(fā)現(xiàn)過孔出現(xiàn)嚴重表面溝壑現(xiàn)象，這是由于該ECCP模式O2/SF6比例較高，導致等離子體對光阻的刻蝕速率提升，加上PTS層較厚，所需刻蝕時間較長，光阻于過孔形成前被提前消耗光，過孔在失去光阻保護的情況下直接曝露在等離子體中，受到強離子轟擊而出現(xiàn)溝壑。另外，實測該條件對PTS和SiNx縱向刻蝕速率差異較小，如圖4所示，加上干法刻蝕的橫向刻蝕速率小于縱向刻蝕速率，因此SiNx層沒有出現(xiàn)底切。

圖5 條件I過孔SEM斷面像Fig.5 Cross sectional SEM photograph at condition “I”

我們確認了條件I過孔SEM斷面，條件I 的O2流量為條件H的一半；可以看出，在降低O2流量后，得益于光阻消耗速度減慢，過孔表面溝壑現(xiàn)象得到一定改善，如圖5所示，但其平滑程度依然無法保證后續(xù)像素電極能夠良好覆蓋。

3.3 刻蝕方式改進

分析上述實驗結果我們發(fā)現(xiàn)，在對PTS刻蝕時RIE和ECCP刻蝕模式各有優(yōu)點及不足，RIE模式的優(yōu)點：刻蝕出的過孔表面平滑；其缺點：對PTS和SiNx刻蝕速率相差過大，有底切問題，不利于后續(xù)膜層覆蓋。ECCP模式的優(yōu)點：對PTS和SiNx刻蝕速率接近，無底切問題；其缺點：離子轟擊過強，提前消耗掉光阻，過孔表面出現(xiàn)嚴重溝壑現(xiàn)象，不利于后續(xù)膜層覆蓋。

出于優(yōu)勢互補的考慮，我們提出并嘗試了一種RIE和ECCP相組合的刻蝕模式，同樣使用TEL Dry Etcher設備。具體實施方法如下：

(1)采用RIE刻蝕模式，進行過孔的預開孔。選用條件E刻蝕PTS層，刻蝕深度1.5 μm；

(2)開啟偏置電源，切換為ECCP刻蝕模式，選用條件I刻蝕剩余PTS層及SiNx層。

圖6 RIE和ECCP組合模式過孔SEM斷面像Fig.6 Cross sectional SEM photograph of RIE&ECCP combined mode

我們確認了此條件的過孔SEM斷面，如圖6所示?？梢钥吹?，由于首先采用了RIE刻蝕模式，過孔表面較平滑，之后因為在臨近PTS層和SiNx界面時切換成了ECCP模式，其對PTS和SiNx刻蝕速率接近，且剩余膜層薄，刻蝕時間短，因此沒有出現(xiàn)底切問題，同時也未造成過孔表面溝壑。

圖7 ADI和AEI過孔直徑的測試結果Fig.7 Diameters of the via holes measured by ADI and AEI

我們確認了此刻蝕方法所獲得的圓形過孔孔徑。分別測量了刻蝕前的光阻圖形孔徑(ADI CD)和刻蝕后的PTS層圖形孔徑(AEI CD)，使用設備為Hitachi線寬測量機，于玻璃基板上均勻選取54個點位進行測量。測量結果如圖7所示，ADI CD平均值為4.09 μm，AEI CD平均值為6.12 μm，線寬變化量(CD Loss)為2.03 μm。

圖8 過孔SEM斷面像。 (a) 采用感光型平坦化材料; (b) 采用PTS材料。Fig.8 Cross sectional SEM photograph of via hole. (a)Planarization layer using photosensitive material; (b)Planarization layer using PTS.

最后針對新舊兩種平坦化材料的開孔效果進行了比對研究。首先，受材料本身性質及制程工藝特性影響，感光型平坦化材料的過孔傾斜角較小，約為23°，如圖8(a)所示。而得益于干刻工藝對材料的縱向蝕刻速率更大，PTS材料的過孔傾斜角相對陡峭，約為50°，如圖8(b)所示。又因為斜面電極與水平電極上方的液晶分子轉向不能保持一致，所以斜坡部分不能用作液晶顯示。這樣，在相同膜厚和底部孔徑下，應用感光型平坦化材料的面板，其穿透率要小于應用PTS材料的面板。以本公司35.6 cm(14 in)4K分辨率(3 840×2 160像素)面板為例，經模擬計算，如應用感光型平坦化材料，過孔尺寸做到目前最優(yōu)值，穿透率為3.11%；如應用PTS材料，過孔底部孔徑6 μm，穿透率可提升至3.63%。

4 結 論

研究了一種新型平坦化層材料的干法刻蝕工藝。實驗證明，采用傳統(tǒng)刻蝕方式會出現(xiàn)過孔表面溝壑和底切問題。為此，提出了一種新的刻蝕方式，即采用先RIE后ECCP的組合刻蝕模式，有效提升了工藝效果，刻蝕出的孔徑均值6.12 μm，能夠有效提高面板穿透率，為后續(xù)采用該材料的高分辨率、低功耗TFT-LCD產品的設計和生產打下了堅實基礎。