ECCP干法刻蚀条件下的TFT基板绝缘层过孔腐蚀的改善

邱鑫茂，伍 蓉*，付婉霞，吴洪江，王宝强，陈 曦，李梁梁，刘 耀，林鸿涛，廖加敏

(1.福州京东方光电科技有限公司，福建 福州 350300；2.北京京东方显示技术有限公司，北京 100176)

1 引 言

平板显示行业正处于高速发展和充分竞争的时代，其中薄膜晶体管液晶显示技术具有可制备大尺寸、高分辨率、高色域、低功率、窄边框显示产品的特点。在以家用电视为代表的大尺寸趋势下，TFT液晶显示正在向高世代线发展。

为了增大可视角度，人们提出边缘电场开关薄膜晶体管(ADS)技术。通过减小Mask使用次数，节约生产成本，目前具有量产实绩的阵列基板光刻Mask为采用5Mask。过孔搭接失效一直是Array基板制作成品率受限的影响因素之一。搭接失效通常由过孔刻蚀缺陷引起，如GI和PVX的截面形貌异常导致其覆盖上的ITO接触电阻过大；刻蚀不均；物理刻蚀对Gate金属损伤，该损伤将在后续工艺流程和信赖测试中逐步体现。

目前刻蚀后形貌的研究主要集中在单一膜层的实验分析，刘丹等人进行了Mo/Al/Mo结构电极的坡度角和关键尺寸差的研究[1]；姜晓辉等人进行了栅绝缘层(GI)过孔刻蚀形貌的研究[2]；范学丽等人以Al金属层为研究对象，进行提高湿法刻蚀FICD均一性的研究[3]。

针对双膜层及刻蚀基底(Gate)的全面分析少有研究。本文通过实验得到刻蚀速率快、均一性优的刻蚀参数；进一步，为减少刻蚀物理溅射对GI与Gate接触面的损伤，通过减小PR的刻蚀比，达到PR对正下方接触面的保护作用。

2 实 验

5Mask制作工艺如图1所示，依次形成像素透明电极ITO图案，栅极图案，SD图案，接触过孔图案和公共透明电极图案。

图1 ADS-TFT工艺流程Fig.1 Process flow of ADS-TFT

图2 过孔形貌(刻蚀前后)Fig.2 Morphology of via-hole before and after etching

借助福州京东方液晶面板8.5代线生产平台，使用2 200 mm×2 500 mm Corning 玻璃，玻璃厚度为0.5 mm。如图2所示，实验所涉及膜层从下到上为Gate层MoNb/Cu(双层金属)、栅绝缘层GI SiNx、钝化层PVX(SiNx)和正性PR。经过ECCP模式(Enhanced Capacitive coupled Plasma)刻蚀形成图2过孔形貌。

该模式下电极有两个电源，其中源极电源用来解离气体产生等离子体，偏置电源主要用来调节等离子体形态以加强离子轰击。反应气体为SF6、O2、He混合气体，刻蚀的主要反应过程为[4]：

2.1 过孔腐蚀机理

通过对比福州京东方8.5代线普通产品的良率数据来看，在其他工艺相同的情况下ECCP刻蚀模式下的过孔更容易发生腐蚀，腐蚀比例达到10%，但ICP发生率为0，究其原因发现ECCP和ICP刻蚀后的孔形貌有较大的差距，如图3所示。

图3 ICP(a)和ECCP(b)刻蚀模式下的过孔截面形貌Fig.3 Cross of via-hole in ICP(a) and ECCP(b) etching mode

同时通过原子力显微镜扫描发现用ICP模式刻蚀后的孔表面粗糙度Ra为5.08 nm，小于用ECCP模式刻蚀后的孔表面粗糙度6.07 nm，说明ECCP模式下刻蚀的表面凹凸不平，缺陷更多，如图4所示。

图4 ICP(a)和ECCP(b)刻蚀模式下的过孔表面粗糙度Fig.4 Roughness of via-hole surface in ICP(a) and ECCP(b)etching mode

在ICP刻蚀模式下，根据孔的上表面CD测试数据来看，ICP的CD bias(曝光后CD与刻蚀后CD的差值)比ECCP刻蚀模式大，即横向物理刻蚀速率相对ECCP刻蚀模式来看大于纵向化学刻蚀速率。刻蚀过孔时，氮化硅横向内缩量大于PR内缩量，使得PR可以很好地保护GI的截面，GI下沿截面坡度角较好，控制在30°左右。GI截面的下沿与Cu 接触部分受到保护后，被轰击的作用减少，GI截面下沿缺陷少，不容易造成剥离液残留。如果剥离液残留，在后续的点亮加电过程中容易发生电化学腐蚀，从而导致显示异常。

而ECCP刻蚀模式下，PR胶刻蚀速率较大，内缩速率量大，刻蚀过孔的下沿退缩量较小，低于或近乎等于PR的刻蚀量，导致GI截面的下沿与Cu 接触部分没有得到PR胶的良好保护，GI下沿截面坡度角较大，部分接近90°。在刻蚀过程中受到严重的轰击，容易造成缺陷，这种缺陷会使得该处容易造成剥离液残留，不易清洗掉和ITO搭接不良。因为在TFT基板制造过程中存在碱性液体(剥离液)、反应金属Cu、钝化金属ITO，具备了发生电化学腐蚀的基本条件，加电后发生电化学反应。ITO搭接部分电阻较大，在加电时局部温度较高，反应主要为Cu > Cu(Ⅱ)> CuO 。电化学反应形成的Cu腐蚀形貌如图5所示[5]。

图5 ECCP刻蚀模式下过孔Cu腐蚀现象Fig.5 Appearance of Cu corrosion in via-hole in ECCP etching mode

综上原因可知，为了使得PR可以更好地保护GI下沿截面，需要增加横向化学刻蚀速率，降低纵向物理刻蚀速率，同时减少PR的内缩量。

2.2 ECCP刻蚀模式影响因子分析

本文通过DOE实验，研究ECCP刻蚀因子对刻蚀实验研究反应腔室气压、O2/SF6气体比例、源极功率(Source Power)和偏置功率(Bias Power)对纵向刻蚀速率和横向刻蚀速率、刻蚀均一性的影响。实验初始变量如表1。

表1 四因子变量表Tab.1 Parameters of four factor analysis method

2.2.1 压力对ECCP刻蚀速率和均一性的影响

图6为不同压力下的刻蚀速率测试结果，由图6可知，在其他刻蚀条件不变的情况下，压强由7 mt上升到1.7 Pa，刻蚀速率升高，但是均一性相比低压强有变差趋势，随着压力上升，氟活性基团的浓度增加，增强了化学刻蚀反应速率，所以刻蚀速率上升。随着压力增加，等离子体浓度升高，离子碰撞几率增加，能量损失增加，使得离子能量减少，从而减弱物理刻蚀作用。但是增强的化学刻蚀速率量大于降低的物理刻蚀量，所以整体的刻蚀速率上升。同时在1.3 Pa增加到1.7 Pa后，刻蚀速率增加量明显减少，是因为当压强增加到一定程度时，刻蚀生成物排出反应腔室的速率降低，也会导致刻蚀速率下降，从而使得压力增加到13.3 Pa后再增加压力，刻蚀速率上升较慢。所以压力增加有利于化学刻蚀。

此外，压力越高，使得反应气体排出反应腔室的速度越慢，则氟活性基团的流速越慢，使得氟活性基团在腔室内的分布更为不均匀，导致刻蚀均一性变差。

2.2.2 偏置功率和源极功率对ECCP刻蚀速率和均一性的影响

偏置射频功率独立控制离子轰击强度，功率增加，增强了物理轰击纵向刻蚀，化学横向刻蚀减弱，总体上刻蚀速率有所增加；源极射频功率独立控制等离子密度，源极射频功率增加，氟活性基数量增加，化学刻蚀作用占比增大，物理刻蚀作用占比减小，总体上刻蚀速率基本不变。在ECCP刻蚀模式，相对于物理刻蚀，化学刻蚀是影响均一性的主要因素，化学刻蚀速率增加，刻蚀均一性变差。

如图7所示，随着偏置射频由16 kW增加到30 kW，刻蚀速率由623.3 nm/s增加到695 nm/s，均一性由24.4%提升到19.8%；源极功率由30 kW增大到75 kW，刻蚀速率基本不变，但均一性由20.4%变差到23.9%。

图7 刻蚀速率、均一性随偏置功率(a)和源极功率(b)的变化。Fig.7 Etching rate and uniformity vs. bias power(a) and source power(b)

2.2.3 O2/SF6比例对ECCP刻蚀速率和均一性影响

图8为相同功率和压强下，保持O2/SF6的总体流量不变，改变O2/SF6比例的刻蚀速率和刻蚀均一性结果，随着O2/SF6比例由2∶1减少到1∶1再到1∶2，氧气比例的减少，刻蚀速率先降低后增加，但均一性一直降低。

O2/SF6比例由2∶1减少到1∶1时，刻蚀速率降低，说明氧气对氮化硅的刻蚀有显著的促进作用，氧气加入到SF6反应气体中后，会与SF活性基团结合，从而减少了SF基团与氟活性基团的反应，使得氟活性基团的比例上升，从而促进刻蚀反应。因为氧气对PR有灰化作用，当氧气含量减少时，氧气大部分量与PR进行反应，使得PR内缩量大，消耗更多的氧气量，同时SF6其他量增加，氟活性基团数量也增加，从而增强了化学刻蚀反应。

在相同的功率和压强下，保持O2/SF6气体流量总量不变，随着O2/SF6比例的增加，O2的含量越来越高，对SF6起到了稀释的作用，使氟活性基分布更为均匀，导致刻蚀均一性逐渐变好。

图8 刻蚀速率、均一性随O2/SF6比例的变化。Fig.8 Etching rate and uniformity vs. O2/SF6 ratio

2.3 ECCP刻蚀模式对过孔腐蚀改善

通过对过孔腐蚀机理和ECCP刻蚀模式影响因子的分析，为了使得PR可以更好地保护GI下沿截面，需要增加横向化学刻蚀速率，降低纵向物理刻蚀速率以及减少PR内缩量。本文通过增加刻蚀压力，增加化学刻蚀，通过减少偏置射频功率降低物理刻蚀作用，同时在原有的其他比例成分上保持不变，以保证PR与氧气反应速率不变，PR的形貌以及内缩量不受影响，主要是增加氮化硅的刻蚀量，以达到PR保护GI下沿截面的目的。

通过调整后，反应压力增大到1.7 Pa，偏置射频功率降低到30 kW，O2/SF6气体保持比例1∶1后，ECCP刻蚀后的过孔形貌基本与ICP刻蚀后的形貌相当，GI下沿截面基本平缓，坡度角维持在30°左右。PR胶下沿到GI下沿有一定的距离，达到0.5 μm，使得PR可更好地保护GI下沿截面与Cu接触的截面。通过原子力显微镜扫描改善后的孔表面，表面粗糙度维持在Ra为3.92 nm，并且因过孔腐蚀发生的线不良基本无发生。该条件下刻蚀速率达到750 nm/s，刻蚀均一性达到10%以下，基本满足量产需求。通过增加反应压力和降低偏置射频功率，ECCP刻蚀模式对过孔的腐蚀影响得到有效解决。

图9 改善前(a)后(b)的ECCP 刻蚀模式下过孔截面形貌度Fig.9 Improved via-hole cross in ECCP mode before(a) and after(b) PR Strip

图10 改善后的ECCP 刻蚀模式下过孔截面形貌Fig.10 Improved surface of via-hole roughness in ECCP mode

3 结 论

本文研究得出氮化硅刻蚀过程中物理轰击将对GI截面的下沿与Cu接触区域形成损伤，产生缺陷，PR剥离液残留，诱发过孔Cu腐蚀。为改善Cu腐蚀，针对ECCP模式，实验研究了反应腔压力、偏置/源极功率和O2/SF6比例对刻蚀的影响。利用四因子法研究得出：(1)反应腔压力的增大时(0.9～1.7 Pa)，氟活性基团增加，化学刻蚀反应增大，使刻蚀速率明显增大(500.1 ～772.6 nm/s)；压力增大，导致氟活性基团在腔室分布不均匀，使得刻蚀均一性变差(17.1%～22.2%)。(2)偏置射频功率增大带来的物理轰击刻蚀削弱了化学刻蚀作用，均一性提高，偏置功率从16 kW提高到30 kW，均一性提升(24.5% ～19.8%)；源极射频功率增加(30～75 kW)，化学刻蚀比例增大，均一性下降(20.35%～23.86%)。(3)氧气提升对氮化硅刻蚀具有显著促进作用，同时含量增加刻蚀均一性提升。为达到PR胶保护下沿截面目的，优化刻蚀条件为(压力：1.7 Pa，偏置/源极功率：30/30 kW，O2/SF6：1∶1)，刻蚀速率达到750 nm/s，刻蚀均一性达到10%，同时GI下沿截面平缓(坡度角维持在30°附近)，表面平滑(Ra: 3.92 nm)。此刻蚀条件无过孔腐蚀引起线不良发生，解决了ECCP刻蚀模式对过孔腐蚀的影响，满足量产需求。