基于以頂層ITO為像素電極設(shè)計(jì)的產(chǎn)品工藝優(yōu)化

呂艷明，操彬彬，栗芳芳，安 暉，葉成枝，李法杰，楊增乾，彭俊林，馮耀耀，劉增利，陸相晚，李恒濱

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥230001)

1 引 言

高開口率高級(jí)超維場(chǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)(HADS)薄膜晶體管(TFT)中使用的有機(jī)膜絕緣層膜厚可達(dá)數(shù)微米，并且介電常數(shù)低、平坦度高[1-2]，極大地增加了信號(hào)線(Data)與公共電極(Common)、像素電極(Pixel)之間的間距，有利于減少寄生電容、降低功耗、增大開口率。

負(fù)性有機(jī)膜因感光性好、顯影速率高、產(chǎn)能高、工藝步驟少等優(yōu)點(diǎn)，在TFT-LCD行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。但負(fù)性有機(jī)膜由于需要大面積曝光交聯(lián)，因此更容易受光路中的顆粒物影響，造成光刻后圖案厚度偏薄甚至缺失。對(duì)于頂層氧化銦錫(ITO)為像素電極(Pixel Top)、首層ITO為整面覆蓋的公共電極的TFT而言，若信號(hào)線上方的有機(jī)膜厚度偏薄將會(huì)拉近信號(hào)線與公共電極之間的距離，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致兩者之間的短路(Data-Common Short，DCS)，造成暗線不良。在此背景下，本文通過工藝流程變更從源頭上規(guī)避了上述形式DCS不良的發(fā)生，有效提升了良率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

2 有機(jī)膜產(chǎn)品DCS不良介紹

2.1 DCS不良現(xiàn)象

圖1(a)為TFT陣列工藝終檢工序電學(xué)測(cè)試檢出的DCS不良顯微鏡圖，圖中可見不良位置存在膜層異常。圖1(b)為不良位置聚焦離子束俯視圖，圖中可見不良位置存在明顯的膜層缺失產(chǎn)生的凹坑。進(jìn)一步用離子束按圖1(b)標(biāo)示位置對(duì)凹坑處切割，從圖1(c)切割后截面圖可以清晰地看出有機(jī)膜和第一鈍化絕緣層(PVX1)缺失，但未見膜層熔融痕跡，可排除靜電擊穿。顯然絕緣層的缺失造成了信號(hào)線與公共電極ITO之間的直接導(dǎo)通，導(dǎo)致該處信號(hào)線信號(hào)被公共電極信號(hào)拉動(dòng)，從而被電學(xué)檢測(cè)檢出DCS。

圖1 DCS不良。(a)顯微鏡圖；(b)聚焦離子束俯視圖；(c)聚焦離子束截面圖。

2.2 DCS不良機(jī)理分析

從圖1(c)中可以看出DCS位置的公共電極ITO上方各膜層以及下方的信號(hào)線膜層均正常，因此不良產(chǎn)生工序應(yīng)為有機(jī)膜至PVX1之間。通常有機(jī)膜厚度相對(duì)較厚(2～3 μm)，有機(jī)膜涂覆時(shí)烘烤的熱交聯(lián)效應(yīng)及曝光時(shí)的射線衍射易導(dǎo)致開孔區(qū)底部形成殘膜，故常利用干法刻蝕進(jìn)行表面處理(PVX1刻蝕)：一方面利用干法刻蝕的物理轟擊、化學(xué)氧化作用清除殘膜；另一方面對(duì)于首層ITO為像素電極設(shè)計(jì)的HADS產(chǎn)品，可利用有機(jī)膜做掩膜同步形成像素ITO與TFT信號(hào)線源/漏極導(dǎo)通的開孔。一般情況下，PVX1刻蝕對(duì)有機(jī)膜厚度的損耗僅為0.2～0.3 μm，顯然不足以將有機(jī)膜刻穿。因此，圖1中有機(jī)膜的缺失應(yīng)主要與其自身制程的異常相關(guān)，其中最常見的情況為制程中顆粒導(dǎo)致的負(fù)性光阻異常。如圖2所示，曝光過程中異物附著在有機(jī)膜表面，產(chǎn)生類似光罩(Mask)的遮光效應(yīng)，遮光嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致顯影時(shí)有機(jī)膜的缺失。進(jìn)一步地，PVX1刻蝕掩膜的缺失將導(dǎo)致PVX1膜層的缺失，最終導(dǎo)致頂層ITO為像素電極設(shè)計(jì)的HADS產(chǎn)品的公共電極ITO與信號(hào)線在異常區(qū)域短接形成DCS不良。

圖2 DCS不良發(fā)生機(jī)理

3 DCS不良改善方案與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

鑒于行業(yè)內(nèi)TFT制程中微小顆粒異物無法做到100%管控規(guī)避，通過提高設(shè)備內(nèi)的潔凈度管控來改善有機(jī)膜異常導(dǎo)致的DCS不良效果有限。對(duì)于頂層ITO為像素電極的產(chǎn)品而言，顯示區(qū)內(nèi)公共電極ITO無須與源/漏極直接導(dǎo)通，故可考慮將PVX1刻蝕工序省略?；谏鲜鯠CS不良發(fā)生機(jī)理，即使有機(jī)膜發(fā)生缺失，PVX1的存在仍可有效對(duì)公共電極ITO與信號(hào)線起到絕緣作用。

由此可以建立如圖3(b)所示新的TFT制作工藝流程，與圖3(a)所示現(xiàn)有工藝流程對(duì)比：(1)PVX1刻蝕省略，即新工藝流程中公共電極ITO沉積前PVX1完全保留；(2)顯示區(qū)和周邊過孔全部在第二鈍化絕緣層(PVX2)刻蝕時(shí)形成，即PVX2、PVX1、柵極絕緣層(GI)3層氮化硅同步刻蝕。最終如圖4所示，有效避免了有機(jī)膜異常導(dǎo)致的公共電極ITO與信號(hào)線短接現(xiàn)象。

3.1 “一步刻蝕”工藝初探

為驗(yàn)證新工藝流程對(duì)DCS改善效果，在某高分辨率以頂層ITO為像素電極設(shè)計(jì)的HADS有機(jī)膜產(chǎn)品上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。按照?qǐng)D3(b)所示新工藝流程進(jìn)行全膜層TFT基板制作，制作完成后對(duì)TFT基板進(jìn)行電學(xué)檢測(cè)，確認(rèn)DCS發(fā)生率。測(cè)試時(shí)輸出界面基板缺陷圖出現(xiàn)大量黃斑、黃線，報(bào)出大面積不良，但顯微鏡確認(rèn)未發(fā)現(xiàn)明顯異常。通過掃描電子顯微鏡進(jìn)一步確認(rèn)周邊跨接過孔截面，結(jié)果如圖5所示，連通柵極的跨接過孔在PVX1層存在非常嚴(yán)重的底切(Undercut)現(xiàn)象，導(dǎo)致ITO在PVX1處斷裂。信號(hào)斷路后造成大面積不良發(fā)生，無法甄別DCS是否得到有效改善。

圖3 工藝流程變更。(a)原工藝流程；(b)新工藝流程。

圖4 DCS改善原理

鑒于PVX1處存在底切現(xiàn)象，推測(cè)PVX1膜質(zhì)相對(duì)偏軟。進(jìn)一步地對(duì)單層膜進(jìn)行刻蝕率測(cè)試發(fā)現(xiàn)PVX1刻蝕率最大(見圖6標(biāo)示)，即PVX1膜質(zhì)最軟，與此前分析相符。圖6表示了PVX1層底切的發(fā)生機(jī)理：干法刻蝕同時(shí)存在物理性各向異性刻蝕和化學(xué)性各向同性刻蝕。物理性刻蝕主要通過離子轟擊，垂直于基板方向進(jìn)行刻蝕，對(duì)PR膠形貌依賴性大；而化學(xué)性刻蝕則對(duì)被刻蝕膜層的膜質(zhì)依賴性大，刻蝕效率高，膜層間刻蝕率不匹配情況下容易在膜質(zhì)較軟膜層處產(chǎn)生底切現(xiàn)象。

圖5 TFT柵極過孔截面

圖6 PVX1 底切形成機(jī)理

3.2 刻蝕率匹配調(diào)整

PVX1位置膜層出現(xiàn)底切的根本原因在于PVX1刻蝕率大于PVX2刻蝕率，要解決底切問題首先需要進(jìn)行膜質(zhì)變更以實(shí)現(xiàn)膜層刻蝕率匹配，即要保證膜層刻蝕率滿足PVX2>PVX1>GI。在3種氮化硅膜層中，PVX1作為有機(jī)膜第一鈍化層，功能性要求低且厚度最薄，膜質(zhì)變更品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)最小，因此選擇調(diào)整PVX1膜質(zhì)較為合適。為此按表1所列成膜條件進(jìn)行PVX1膜質(zhì)變更的4因子2水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)各條件對(duì)應(yīng)的PVX1單膜刻蝕率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 PVX1 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積成膜工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

續(xù) 表

(“-”表示同改善前條件)

從圖7刻蝕率測(cè)試結(jié)果的主效應(yīng)圖可以看出，在選定的實(shí)驗(yàn)條件下，增大成膜射頻功率、降低成膜壓力、減小電極間距以及增大SiH4∶NH3氣體流量比均可降低膜層刻蝕率；標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)正態(tài)圖顯示射頻功率、壓力、電極間距對(duì)刻蝕率影響顯著，氣體流量比影響不顯著。

圖7 PECVD成膜參數(shù)對(duì)刻蝕率影響分析。(a)主效應(yīng)圖；(b)標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)正態(tài)圖。

各成膜條件對(duì)膜質(zhì)影響機(jī)理如下：增大成膜射頻功率可以提高反應(yīng)氣體激活效率及沉積速率，增加等離子體密度，可增加薄膜中Si—N鍵，減少Si—H鍵、N—H鍵，使薄膜無序程度降低，提高薄膜表面均勻性和有序性[3]，提高薄膜的致密性[4]和膜層硬度。降低反應(yīng)腔體壓力，可使反應(yīng)物自由電子的平均自由程變長(zhǎng)，在高頻電場(chǎng)中碰撞加速獲得更多能量[5]，提高激活反應(yīng)氣體的能力，可減少成膜成分中Si—H、N—H鍵及雜質(zhì)成分，雖然反應(yīng)氣體分解得到的活性等離子體向基底運(yùn)動(dòng)動(dòng)能變大，但單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)基板表面的粒子數(shù)目變少，沉積速率會(huì)下降，這也利于氮化硅薄膜的整齊均勻生長(zhǎng)，增大氮化硅密度[6-10]。電極間距過大會(huì)影響薄膜沉積速率，造成顆粒性粉塵問題；而電極間距過小會(huì)使離子反應(yīng)速度過快，薄膜沉積質(zhì)量下降。在適當(dāng)區(qū)間內(nèi)減小電極間距雖然沉積速率會(huì)有所下降，但會(huì)使等離子體密度提高，Si—N鍵結(jié)合增強(qiáng)，可以得到相對(duì)較好的成膜質(zhì)量和良好的薄膜平坦度。當(dāng)NH3流量較大時(shí)，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積成膜物質(zhì)中Si—H鍵、N—H鍵含量高，氮化硅膜質(zhì)會(huì)較疏松[11]，而通過減少NH3流量即增加SiH4∶NH3流量比可減少Si—H成鍵，成膜成分傾向于Si3N4原子計(jì)量比，從而提高膜層硬度。

從表1中各成膜條件對(duì)應(yīng)的PVX1刻蝕率結(jié)果可以看出，成膜條件2、7刻蝕率較大，不滿足刻蝕率要求，成膜條件1、3、4、5、6滿足刻蝕率匹配要求。但圖8掃描電子顯微鏡觀察到的使用條件1、3、4、5、6成膜的樣品，柵極過孔刻蝕截面有明顯差異。其中條件3的刻蝕后PVX1層坡度角超過80°，ITO鍍膜斷線風(fēng)險(xiǎn)較大；條件1、5、6 PVX1層坡度角差異不大，均在66°左右；條件4坡度角為60.3°，相對(duì)最好。

以上雖然通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積成膜優(yōu)化已經(jīng)得到了較好的成膜條件，PVX1層底切有明顯改善，但從圖8中可以看到最優(yōu)條件4的PVX1刻蝕臺(tái)階仍比較明顯，在PVX1、PVX2交界面可觀察到輕微的尖角。這種情況可以通過干法刻蝕調(diào)整進(jìn)一步優(yōu)化。

圖8 柵極過孔掃描電子顯微鏡圖。(a)條件1；(b)條件3；(c)條件4；(d)條件5；(e)條件6。

3.3 PVX1刻蝕坡度角改善

為進(jìn)一步改善膜層界面的刻蝕臺(tái)階，減緩刻蝕坡度角，在成膜條件4基礎(chǔ)上按表2所示工藝條件使用增強(qiáng)型等離子體耦合干法刻蝕機(jī)進(jìn)行干法刻蝕工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，其中條件A為理論惡化條件(壓力降低，物理刻蝕加強(qiáng))作為參照，各實(shí)驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)的柵極過孔掃描電子顯微鏡圖如圖9所示。

表2 干法刻蝕工藝優(yōu)化

(“-”表示同改善前條件)

圖9 不同刻蝕條件柵極過孔掃描電子顯微鏡圖。(a)條件A；(b)條件B；(c)條件C；(d)條件D。

增強(qiáng)型等離子體耦合干法刻蝕設(shè)備的主要特征是其下部電極接有13.56 MHz源極射頻和3.2 MHz的偏置射頻。其中源極射頻頻率相對(duì)高，主要用來解離反應(yīng)氣體，生成自由基和離子。帶電粒子在源極射頻產(chǎn)生的電場(chǎng)中運(yùn)行距離短，對(duì)基板轟擊作用小，主要依靠自由基與基板表面的薄膜發(fā)生反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)性刻蝕。而偏置射頻頻率相對(duì)較低，波長(zhǎng)長(zhǎng)，帶電粒子在偏置射頻產(chǎn)生的電場(chǎng)中運(yùn)行距離長(zhǎng)，對(duì)基板表面的離子轟擊效果較大，物理性刻蝕效果明顯[12]。

干法刻蝕反應(yīng)腔室的壓力變化會(huì)直接影響等離子體密度和化學(xué)反應(yīng)方向。壓力升高反應(yīng)腔室內(nèi)化學(xué)活性的自由基和離子濃度增加，化學(xué)刻蝕作用增強(qiáng)，刻蝕坡度角會(huì)有降低趨勢(shì)[13]。而壓力降低時(shí)，離子之間、離子與原子之間碰撞減少且自由基濃度降低，橫向刻蝕速率降低，離子轟擊基板表面的物理刻蝕作用增強(qiáng)。

從圖9中過孔掃描電子顯微鏡圖像和PVX1層坡度角可以看出，條件A刻蝕壓力降低，由于物理刻蝕增強(qiáng)，刻蝕坡度角惡化變大。而刻蝕壓力變大、偏置射頻功率降低的化學(xué)刻蝕增強(qiáng)條件B～D的刻蝕臺(tái)階均較表1中條件4對(duì)應(yīng)的量產(chǎn)刻蝕條件的坡度角有所改善，其中壓力和偏置射頻功率變更組合條件D與僅變更壓力或僅變更偏置射頻功率的條件B、C相比，不僅PVX1層坡度角最小，而且PVX1層刻蝕臺(tái)階最短，幾乎觀察不到膜層界面尖角。條件A～C的柵極過孔掃描電子顯微鏡圖像均能看到3種不同氮化硅絕緣膜層坡度角不同形成的3個(gè)斜坡，而條件D的PVX1、PVX2層的坡度角差異較小，過孔截面僅能看到兩個(gè)膜層斜坡且膜層間臺(tái)階過渡自然平緩。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用成膜條件4進(jìn)行PVX1層成膜并采用刻蝕條件D進(jìn)行干法刻蝕可以解決“一步刻蝕”工藝流程的柵極過孔PVX1膜層底切問題，獲得良好的刻蝕坡度角。

4 量產(chǎn)投入驗(yàn)證

對(duì)采用成膜條件4搭配刻蝕條件D的“一步刻蝕”工藝條件進(jìn)行生產(chǎn)投入驗(yàn)證，“一步刻蝕”條件與量產(chǎn)條件各投入120張玻璃基板加工至TFT完成，進(jìn)行陣列電學(xué)檢試并通過陣列維修工序全抓圖判定，統(tǒng)計(jì)DCS不良發(fā)生率，結(jié)果如圖10所示。

圖10 DCS改善前后良率對(duì)比。(a)DCS改善效果；(b)有機(jī)膜缺失型DCS改善效果。

從圖10可以看出，采用優(yōu)化后的“一步刻蝕”工藝，總DCS不良率較同批次量產(chǎn)條件下降了0.9%，而有機(jī)膜缺失型的DCS不良發(fā)生率降為0。說明優(yōu)化后的新工藝流程可徹底改善頂像素電極設(shè)計(jì)HADS產(chǎn)品有機(jī)膜缺失型DCS不良。

5 結(jié) 論

本文從HADS有機(jī)膜產(chǎn)品DCS不良產(chǎn)生的機(jī)理入手，提出了PVX1刻蝕工序省略，在PVX2刻蝕時(shí)進(jìn)行外圍柵極跨接過孔處多層氮化硅“一步刻蝕”的工藝方案。通過優(yōu)化PVX1成膜工藝進(jìn)行刻蝕率匹配消除跨接過孔PVX1層底切不良，并在優(yōu)化后的PVX1膜層基礎(chǔ)上調(diào)整干法刻蝕工藝進(jìn)一步改善過孔刻蝕坡度角和刻蝕臺(tái)階，使得過孔處膜層間臺(tái)階過渡自然平緩，實(shí)現(xiàn)“一步刻蝕”工藝的導(dǎo)入，HADS有機(jī)膜產(chǎn)品特有的有機(jī)膜缺失類型DCS不良得到徹底解決。新的工藝流程不僅提升了產(chǎn)品良率和產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，還縮減了工藝步驟，大幅提升了產(chǎn)能，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)驗(yàn)中通過工藝流程變更進(jìn)行不良改善的思路，以及等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、干法刻蝕工藝優(yōu)化方法，也為新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)提供了指導(dǎo)和借鑒。