8光罩BCE結(jié)構(gòu)IGZO-TFT的鈍化層通孔柱狀不良的改善

劉 浩， 常 維， 王志強(qiáng)， 劉 勃

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700)

1 引 言

目前TFT主要包括非晶硅TFT、多晶硅TFT和銦鎵鋅氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO)TFT[1]。而氧化物TFT不僅具有高電子遷移率、高開口率、光學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，并且在傳統(tǒng)非晶硅TFT產(chǎn)線基礎(chǔ)上，進(jìn)行極少數(shù)設(shè)備改造，就可生產(chǎn)高性能氧化物TFT原件，投資費(fèi)用低，受到越來越多面板生產(chǎn)廠商和TFT研究者的關(guān)注[2-3]。

IGZO TFT在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中采用傳統(tǒng)的底柵結(jié)構(gòu)，膜層結(jié)構(gòu)從下往上分別是：柵極、絕緣層(SiNx& SiO2)、IGZO、源漏極、鈍化層1(簡稱PVX1(SiO2))、公共電極、鈍化層2(簡稱PVX2(SiNx))、像素電極。相對于非晶硅TFT，鈍化層增加了SiO2為IGZO 提供氧分壓，用以確保TFT 特性[4]。鈍化層通孔刻蝕需要同時(shí)刻蝕SiNx和SiO2兩種不同膜層，通常SiNx采用六氟化硫和氧氣刻蝕氣體進(jìn)行刻蝕，SiO2采用四氟化碳和氧氣刻蝕氣體進(jìn)行刻蝕[5-7]，由于IGZO通孔結(jié)構(gòu)相對于非晶硅膜層復(fù)雜，且兩種膜層膜質(zhì)差異較大，在通孔刻蝕過程中易出現(xiàn)通孔形貌異常，導(dǎo)致通孔連接異常。

本文針對IGZO通孔柱狀不良進(jìn)行系統(tǒng)研究，確定通孔柱狀發(fā)生的根本原因，同時(shí)討論了改善柱狀不良的方法，成功解決了IGZO通孔柱狀問題，為IGZO的泛應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 通孔柱狀原因分析及機(jī)理研究

2.1 不良現(xiàn)象確認(rèn)

本文采用六氟化硫和氧氣刻蝕氣體刻蝕SiNx，四氟化碳和氧氣刻蝕氣體刻蝕下層SiO2，主要反應(yīng)方程如下：

SF6→F·+SFx·x=1，2，3，4，5

，

(1)

SiNx+4F·→SiF4↑+N2↑

，

(2)

其中：F·、SFx· 表示化學(xué)反應(yīng)性高的活性自由基，真空系統(tǒng)將反應(yīng)生成物 SiF4、N2等揮發(fā)性氣體抽離反應(yīng)腔室，從而完成對SiNx的刻蝕。

CF4→F·+CFx·x=1，2，3

，

(3)

SiO2+4F·→SiF4↑+O2↑

，

(4)

其中：F·、CFx· 表示化學(xué)反應(yīng)性高的活性自由基，真空系統(tǒng)將反應(yīng)生成物 SiF4、O2等揮發(fā)性氣體抽離反應(yīng)腔室，從而完成對SiO2的刻蝕。

圖1為鈍化層刻蝕(PVX Etch)工藝完成后不良圖片。由圖1可見， 鈍化層刻蝕完成后，通孔中間有柱狀不良，高度和SiO2膜層高度接近，這種不良可能會導(dǎo)致接觸電阻偏大，甚至影響產(chǎn)品品質(zhì)和信賴性測試，因此急需改善。

圖1 刻蝕后通孔形貌

為了明確不良發(fā)生的原因，首先需要對通孔設(shè)計(jì)和膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，重慶京東方某款氧化物TFT產(chǎn)品設(shè)計(jì)為背溝道刻蝕(BCE)結(jié)構(gòu)，鈍化層通孔刻蝕主要形成兩種通孔結(jié)構(gòu)，如圖2所示：一種通孔為2ITO-ITO(R1孔)，1ITO和2ITO均為非晶硅即a-ITO，在常溫情況下，在電場作用下，通過氬氣濺射靶材進(jìn)行沉積，沉積厚度均為70 nm。鈍化層刻蝕時(shí)只刻蝕SiNx，這種通孔主要分布在外圍，連接外圍線路；另外一種通孔為2ITO-SD(R2孔)，鈍化層刻蝕時(shí)需要同時(shí)刻蝕SiNx和SiO2，這種通孔主要分布在像素區(qū)，主要將像素電極(2ITO)和TFT開關(guān)連接。

圖2 通孔結(jié)構(gòu)示意圖

R2通孔采用三層套孔設(shè)計(jì)，鈍化層通孔。1ITO 孔和有機(jī)膜(ORG)孔。有機(jī)膜孔在有機(jī)膜層經(jīng)過曝光顯影形成，1ITO 孔在ITO層 ITO 刻蝕后形成，鈍化層通孔在鈍化層刻蝕后形成，俯視圖如圖3所示。目前發(fā)現(xiàn)發(fā)生不良主要為像素區(qū)R2孔，為了查清發(fā)生原因，我們對R1通孔進(jìn)行掃描電鏡確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)R1孔形貌規(guī)整，無柱狀不良現(xiàn)象，如圖4所示。這說明SiNx刻蝕正常，R2通孔可能和套孔結(jié)構(gòu)相關(guān)或者SiO2通孔刻蝕過程異常導(dǎo)致。

圖3 R2通孔設(shè)計(jì)

圖4 刻蝕后R1通孔形貌

2.2 柱狀不良原因分析

為了研究通孔柱狀是否與有機(jī)膜和1ITO膜層相關(guān)，我們在量產(chǎn)工序基礎(chǔ)上分別去掉有機(jī)膜和1ITO膜層驗(yàn)證，然后鈍化層刻蝕后分別進(jìn)行掃描電鏡確認(rèn)，如圖5所示。

圖5 刻蝕后通孔形貌

由圖5可知，有機(jī)膜膜層去掉后，通孔柱狀不良并無明顯改善，而1ITO膜層去掉后，通孔形貌干凈，柱狀不良完全消失，所以柱狀不良和1ITO 膜層相關(guān)。為進(jìn)一步查清發(fā)生的原因， ITO刻蝕完成后對ITO 孔進(jìn)行掃描電鏡確認(rèn)，如圖6所示。

圖6 ITO刻蝕后過孔形貌

掃描電鏡顯示ITO 刻蝕后，ITO孔有圓形小顆物，形狀以及大小和柱狀顆粒物類似，懷疑此顆粒物為ITO結(jié)晶物，ITO在沉積過程中極易結(jié)晶[8-9]，ITO在常溫下進(jìn)行沉積，隨著沉積進(jìn)行，腔室溫度逐漸升高，在膜層上方形成結(jié)晶，膜厚越厚，沉積時(shí)間越長，溫度升高越高，結(jié)晶越嚴(yán)重。ITO結(jié)晶物殘留在SiO2上方，在鈍化層刻蝕時(shí)由于ITO結(jié)晶物阻擋刻蝕，且SiO2刻蝕采用低壓力刻蝕，物理刻蝕占主導(dǎo)作用[10]，主要以縱向刻蝕為主，優(yōu)先從結(jié)晶處進(jìn)行刻蝕，由于物理刻蝕對ITO結(jié)晶物刻蝕率極慢，鈍化層刻蝕完成后ITO結(jié)晶仍然沒有被刻蝕完，導(dǎo)致SiO2未被刻蝕從而形成柱狀，柱狀高度剛剛與SiO2膜層高度接近。

3 改善措施及效果

柱狀不良主要為ITO結(jié)晶導(dǎo)致ITO 刻蝕不干凈，從而阻擋SiO2刻蝕導(dǎo)致，以下主要從ITO 工藝和鈍化層刻蝕工藝兩個(gè)方面進(jìn)行改善。

3.1 ITO 刻蝕時(shí)間延長和ITO膜厚降低

因?yàn)镮TO結(jié)晶物阻擋SiO2刻蝕形成柱狀不良，嘗試增加ITO刻蝕時(shí)間將生成的ITO結(jié)晶物反應(yīng)掉。透明電極膜ITO為氧化銦(In2O3)和氧化錫(SnO2)的合成物，刻蝕藥液主要為硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)。其中硫酸的作用使In2O3和SnO2溶解，硝酸的作用是作為緩沖溶液，調(diào)節(jié)刻蝕速率，其反應(yīng)方程式如下：

In2O3+6H+→2In3++3H2O

，

(5)

SnO2+4H+→Sn4++2H2O

，

(6)

在量產(chǎn)基礎(chǔ)上，分別將ITO刻蝕時(shí)間延長20 s和40 s, 鈍化層刻蝕完成后進(jìn)行掃描電鏡確認(rèn)，如圖7所示。

圖7 ITO刻蝕工藝優(yōu)化后通孔形貌

由圖7可知，分別將1ITO 刻蝕時(shí)間延長20 s和40 s，通孔柱狀并無改善，這說明ITO一旦形成結(jié)晶，通過延長刻蝕時(shí)間均無法將結(jié)晶的ITO刻蝕干凈，這主要因?yàn)榻Y(jié)晶的ITO變得更加致密，化學(xué)藥液不容易滲透到ITO里面，導(dǎo)致ITO刻蝕速率大大降低，從而出現(xiàn)ITO殘留。

根據(jù)ITO結(jié)晶性能， ITO膜厚越大，ITO沉積時(shí)間越長，腔室內(nèi)部溫度升高更高，越容易結(jié)晶，因此可以通過降低ITO膜厚來改善結(jié)晶，從而改善通孔柱狀，在量產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上分別降低ITO膜層厚度10 nm和20 nm，通孔柱狀形貌如圖8所示。從掃描電鏡結(jié)果來看，ITO厚度降低，通孔柱狀不良變輕微，當(dāng)ITO厚度降低20 nm時(shí)，柱狀不良已經(jīng)很輕微，但仍然無法消除，1ITO作為公共電極，產(chǎn)品對膜厚有特殊要求，并且需要通孔搭接，降低膜厚可能會影響過孔接觸電阻，因此需要嘗試通過變更其他工藝進(jìn)行通孔柱狀不良改善。

圖8 降低ITO膜厚后通孔形貌

3.2 鈍化層刻蝕工藝優(yōu)化

針對ITO結(jié)晶導(dǎo)致柱狀不良，通過改善刻蝕氣體比例(CF4/O2)嘗試將殘留的ITO結(jié)晶物刻蝕反應(yīng)掉，從而形成干凈的通孔形貌，刻蝕氣體流量由qv(CF4)/qv(O2)=1 200/400增大到qv(CF4)/qv(O2)=3 000/1 000，通孔形貌干凈，柱狀不良得到明顯改善，通孔坡度角無明顯變化，均在70°～82°間，不同位置別略有差異，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化鈍化層刻蝕工藝后通孔形貌

由圖9可知，通過增大刻蝕氣體，通孔柱狀不良消失，這說明在功率和壓力不變情況下，氣體量增多，產(chǎn)生了更多的活性基團(tuán)和結(jié)晶的ITO發(fā)生反應(yīng)，在壓力不變的情況下通入更多的反應(yīng)氣體使得氣體交換速度更快，有利于及時(shí)將反應(yīng)掉的結(jié)晶ITO抽出，進(jìn)一步加快了ITO刻蝕速率，殘留在SiO2上面的ITO結(jié)晶物被反應(yīng)抽出后便不能阻擋SiO2刻蝕，這種通過鈍化層刻蝕工藝變更，在不改變ITO膜層厚度情況下，通孔柱狀不良能夠得到徹底改善。

4 結(jié) 論

本文針對氧化物通孔柱狀不良進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)此不良為1ITO在成膜時(shí)形成小顆粒結(jié)晶物導(dǎo)致，ITO結(jié)晶后，刻蝕速率大幅下降，從而殘留在SiO2上方，在鈍化層刻蝕時(shí)殘留的ITO結(jié)晶物阻擋SiO2刻蝕，從而形成柱狀。ITO結(jié)晶物一旦形成，通過延長ITO刻蝕時(shí)間，仍然無法將結(jié)晶的ITO刻蝕反應(yīng)；ITO膜厚降低可有效改善結(jié)晶，柱狀不良得到減輕，但無法完全消除；通過增大刻蝕氣體，將殘留的ITO結(jié)晶物反應(yīng)抽出，通孔柱狀不良完全消失，柱狀不良完全得到改善。