大尺寸TFT－LCD ECCP刻蚀工艺低耗整合

张定涛，李文彬，姚立红，郑云友，李 伟，袁 明

（1.北京林业大学，北京100083；2.北京京东方显示技术有限公司，北京100176）

1 引 言

薄膜晶体管液晶显示器由于具有重量轻、工作电压低、全彩色、显示范围大和高分辨率的优点，仍是当今平板显示的主流产品［1］。但是现有的4次掩膜法薄膜晶体管制造工艺复杂，钼金属刻蚀中氯气、六氟化硫气体和电力消耗大。通常阵列工艺需4～6次重复膜层沉积、光刻胶涂布、曝光、光刻、刻蚀和光刻胶剥离［2］。在现有干湿组合刻蚀工艺，大量消耗氯气会对设备氧化铝膜层和TFT 栅金属刻蚀层产生腐蚀［3］，形成金属残留和色斑；功率射频过大会加剧薄膜晶体管各膜层温升和膜层相界形变，并有可能使膜质变性。因此以减少工艺步骤、降低卤化气体量和降低射频电力功率为目标的低耗化研究，成为薄膜晶体管优化研究新课题［4－6］。

在以往薄膜晶体管阵列4 次掩膜法“2 干2湿”工艺中，金属层多为钼铝钼结构，以铝为主要载流层，采用湿法刻蚀［7］。近年来，由于钼具有熔点高、电阻率低、耐腐蚀和生成物真空下易挥发的特点，钼逐渐取代钼铝钼结构成为集成电路中栅电极和互连的金属材料［8］。如果能连续进行有源区非晶硅的刻蚀、光刻胶的灰化、湿刻后剩余钼刻蚀和沟道掺杂非晶硅的干法刻蚀，就实现了“1干1湿”刻蚀工艺整合，从而减少工艺重复，也避免因金属层工艺滞留时间过长而产生金属腐蚀、小丘问题［9］。

本文研究在4次掩膜工艺中的1次湿法刻蚀后，膜层为半透过光刻胶、源极和漏极（钼膜）、沟道掺杂非晶硅、非晶硅、氮化硅、栅极、玻璃基板的结构中，尽可能降低射频功率，减少氯气使用量，在一个干法反应腔一次整合完成所有干法刻蚀。

2 实验方法

使用日本东京电子公司ECCP（Enhance Cathode Coupling Plasma）型设备进行干法刻蚀。湿刻为大日本电子公司酸法刻蚀机。基板类型是康宁公司Eagle－XG，尺寸为2 500 mm×2 200 mm，厚度0.53mm，81.28cm（32in）4次掩膜工艺。物理溅射形成栅极和金属钼，等离子加强型化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）形成栅极绝缘层、非晶硅和沟道掺杂非晶硅层。

表1 各单层正交试验因素和水平表Tab.1 Orthogonal matrix test factors ＆levels of all single layer

ECCP模式干法刻蚀中，源极射频和偏置射频分别产生13.56 MHz和3.2 MHz高频电力。通过源极高频电力独立控制等离子密度，通过偏置高频电力独立控制离子轰击。与传统反应性离子刻蚀模式相比，虽然等离子体密度相同，但是刻蚀率高，均一性好，坡度角也更易于控制。ECCP反应室顶部中心区域和其他区域隔开，单独控制气体流量，有效控制各区域刻蚀速度，从而在一定程度上消除大尺寸刻蚀的“边缘效应”［10］。下部电极温度为40 ℃，反应腔壁和其顶部温度为50 ℃，等离子浓度终点检知器（End Point Detector，EPD）检测和控制工艺最佳刻蚀时间。上下部平行平板电极间距300mm。

先通过正交实验求出每个单层膜刻蚀最佳条件，以射频功率、反应气压、反应气体流量为3个因素，选取tL9（34）正交表，基板有膜侧选取38个点进行膜厚测量，如表1所示。用探针台阶仪测出了光刻胶和每个膜层的刻蚀率以及均一性等参数，分析这些因素的相互关系，得到各步的最优工艺参数。接着在电参数测试仪进行电学性能测试，通过扫描电子显微镜切片观察沟道处的剖面形貌和厚度，同时也判断刻蚀选择比。最终通过整合试验，测试晶体管的电学特性来确认晶体管工作性能。试验中，使用光学检查仪辅助检查工艺缺陷的发生情况。

3 试验结果与分析

3.1 有源层刻蚀试验

目前有源层在4次掩膜工艺采用氯气、六氟化硫气体［11］。主要反应产物SiCl4具有低温挥发时颗粒化的性质，残留在反应室内容易聚合形成颗粒散落在基板表面，从而产生有源层残留。六氟化硫辅助提高刻蚀率，其反应产物SiF4也具有挥发性，从而很好抑制有源层残留形成。目前4次掩膜法的干法刻蚀中射频功率源极、偏压功率分别为14kW、10kW，压力为50mT（1T＝133 Pa），六氟化硫、氯气流量为600sccm、12 000sccm（1sccm＝1 mL／min）。实验结果表明影响刻蚀率的因素从大到小依次为压力、气体比例和射频功率；而对均一性影响最大的是气体比例。压力从50mT 上升到70 mT，刻蚀率明显增大，均一性则无明显变化。而射频功率从16kW、18 kW 降到7.5kW、8.5kW，刻蚀率下降不明显。随着射频功率降低，均一性则明显改善。随着氯气量的增加和六氟化硫量的减少，均一性明显改善，刻蚀率也显著提高，从而节省了刻蚀时间。因为沟道掺杂层刻蚀要严格控制均一性和形貌，本试验最后选择均一性小于10%的第3 组组合条件，实验结果如图1。

图1 功率、压力和气体比例对有源层刻蚀率和均一性的影响Fig.1 Power，pressure，and gas ratio effect on the a－Si layer etch rate and uniformity

3.2 Ash（光刻胶灰化）试验

单独使用氧气对光刻胶有很好的灰化效果，但是会导致下层金属钼的表面发生氧化，从而降低钼的刻蚀率［12］。在灰化刻蚀气体中加入少量六氟化硫，能有效地去除生成的钼的氧化物。

目前在4次掩膜工艺灰化速率达到1 000nm／min，源极、偏置射频功率为15kW、15kW，压力为50 mT，六氟化硫、氧气流量为400sccm、12 000sccm，均一性为20%，坡度角在40°～55°。如果刻蚀均匀性差，源极和漏极金属可能裸露，极易被灰化工艺损伤，而受损的部位连接着长金属线，引起电荷积累产生“天线效应”［13］，容易发生金属线间静电击穿。沟道表面的均一性和宽度取决于初始半透过型光刻胶形貌和灰化后的形貌，因此首要确保灰化后的均一性，二是降低射频功率。氧气流量过大会使光刻胶后退加快露出金属，所以也要尽可能减少氧气使用量。

由图2表明，压力从50mT 上升到90mT，随着灰化速率的显著下降，均一性也逐渐恶化。仅使用氧气刻蚀，灰化率低而且均一性不好。兼顾灰化率和均一性，最后选用的条件为：压力50mT，射频源极、偏置功率分别为12kW、12kW，氧气、六氟化硫、氦气（9 000、300、200sccm）的组合条件。其中，加入氦气的目的是为了等离子均一化。

3.3 第一步钼刻蚀试验

氧气、六氟化硫、氯气是常用的蚀钼干法刻蚀气体。以往在小尺寸的刻蚀研究表明：气压是刻蚀率和均一性最显著的影响参数［14］；金属钼的刻蚀速率由于受均一性和对非晶硅选择比的制约而难以提高。实际上钼的刻蚀中还存在着均一性差、剖面倒角过大等问题。为保证高速刻蚀过程中不损伤沟道和栅极绝缘层，实验中将钼的刻蚀分为2步：第一步使用大量氯气快速刻蚀，第二步采用取消六氟化硫和减少氯气实现慢速平缓刻蚀。试验结果表明：对于刻蚀率，气体比例是最大的影响因素。氧气、六氟化硫、氯气和气体流量为6 000、200、6 000sccm 时可以满足生产实际。压力和射频总功率主要影响均一性。压力100mT、源极和偏置射频功率都为13kW 的组合条件是最优条件，实验结果如图3所示。

图2 功率、压力和气体比例对光刻胶刻蚀率和均一性的影响Fig.2 Influence of power，pressure，and gas ratio on the ash rate and uniformity in ash

图3 功率、压力和气体比例对第一步钼刻蚀率和均一性的影响Fig.3 Influence of power，pressure，and gas ratio on the etch rate and uniformity in 1st step Mo

3.4 第二步钼刻蚀试验

钼的第二步刻蚀，使用小流量氯气，为改善金属钼刻蚀的均一性，采用加大过刻时间的方法，确保金属刻蚀充分，并保持沟道掺杂层表面的形貌、不过度损伤下底膜。试验发现：压力从120 mT上升到140mT，刻蚀率明显降低，均一性变差，因此压力选择120 mT。源极和偏置功率为9kW和3kW 时刻蚀率和均一性最好。氯气比例降低、氧气上升后，刻蚀率下降。为了减少氯气的使用并能维持较好的均一性和刻蚀率，试验最后采用氯气和氧气为3 400sccm 和6 700sccm 的气体比例，采用的源极和偏置射频功率分别为9kW和3kW。在此组合条件，测试得到均一性为11.7%。

实验表明（如图4所示），钼刻蚀率随时间递减，刻蚀率的计算得到的是平均值，在10 ～15s的刻蚀时间段，刻蚀率下降十分明显。这是由于刻蚀沿着坡面向下进行，钼的横向尺寸剩余逐渐减小，出现“微负载效应”，负载效应其实就是等离子体浓度和刻蚀率的相关关系，即离子浓度和刻蚀率成正比，和所需刻蚀的薄膜表面面积大小成反比。当所需刻蚀的薄膜表面面积增大，致使离子的浓度在局部表面被摊薄导致刻蚀率下降。这是刻蚀化学性蚀刻导致的刻蚀非线性［15］。微负载效应也会造成横向过刻过大，因此要有效抑制。试验结果得到过刻时间延长15s时微负载效应最小。

3.5 沟道低耗化试验

沟道掺杂非晶层是决定薄膜晶体管载流性能的关键膜层。除了沟道的形貌和厚度外，沟道刻蚀后剩余尺寸和表面粗糙度也会直接影响到薄膜晶体管的漏电流大小，从而影响整个薄膜晶体管液晶显示器电学特性［16－17］。目前“2干2湿”法沟道刻蚀的条件一般设置源极和偏置射频功率分别为7.5kW和5kW，六氟化硫、氯气流量分别为600sccm、9 000sccm。试验结果表明（如图5 所示），压力上升可以提高刻蚀率，但是均一性不稳定。源极和偏置射频功率分别降低到4kW 和5kW时，不仅刻蚀率没有明显减小，而且均一性显著改善。氯气减半使用到4 500sccm，均一性和刻蚀率也能保持不变。

图4 功率、压力和气体比例对第二步钼刻蚀率和均一性的影响Fig.4 Influence of power，pressure，and gas ratio on the etch rate and uniformity in 2nd step Mo

图5 功率、压力和气体比例对欧姆接触层刻蚀率和均一性的影响Fig.5 Influence of power，pressure，and gas ratio on the etch rate and uniformity in n－plus

3.6 全膜整合试验

在以上单层膜试验的基础之上，我们得到4个步骤各自的刻蚀最优条件。由于四步刻蚀是整合在后刻蚀性能和单层隔离刻蚀不同，因此要在全层膜验证4个条件的相互之间的影响，试验观察前一个步骤对后续步骤的影响从而继续进行工艺微调。有源层刻蚀为了维持较小的有源层“边缘凸沿”，将刻蚀时间增加8s。试验结果有源层线和数据线之间的Fence（边缘凸沿）宽度差为2.19μm。单层钼1 次湿刻后剩余（220＋20）nm。第一步选用氯气、氧气、六氟化硫（6 000、6 000、200）sccm，刻蚀10s，第二步采用氯气、氧气流量为3 400sccm 和6 700sccm，第二步刻蚀钼的过刻率为100%（即增加15s）。沟道刻蚀之后的后处理步骤对于沟道粗糙度的影响很大，为了提高均一性、改善沟道的粗糙度，从而改善电气特性，沟道刻蚀之后增加500sccm 氦气进行等离子体均一化。但是在高功率条件下，氦气会与非晶硅膜层发生刻蚀反应，薄膜晶体管特性改变，所以氦气通常用于低功率的刻蚀工艺［18］，因此后处理步的射频功率降为2kW（源极）、3kW（偏置）。扫描电子显微镜对比结果和刻蚀后图形尺寸的测量结果如图6和图7，结果显示沟道表面粗糙度得到了改善。下底膜的损伤厚度控制较好，测得沟道厚度损失量为816nm，栅极绝缘层剩余厚度为384.9nm，电子迁移率为0.93cm2／（V·s），Ion为7.15μA，Ioff为3.53pA，Vth为0.28 V。比起“2干2湿”，薄膜晶体管开关沟道变短，开口率变大，轮廓更易于保持。

图6 完整膜层的扫描电子显微镜结果Fig.6 SEM results of full layer experiment

图7 完整膜层试验的刻蚀后尺寸测量图Fig.7 CD（Critical dimensions）of full layer experiment

4 结 论

（1）“1干1湿”刻蚀整合后的结果表明：“1干1湿”法在半透过光刻胶简化步骤，使射频功率减少了6kW，氧气使用量减少3 000sccm；在有缘层刻蚀共减少射频功率18kW。六氟化硫、氯气流量也分别从6000sccm、12 000sccm 减少为3 500sccm和3 500sccm。在沟道刻蚀工艺共减少3.5kW 射频功率，氯气使用量减少50%。从整体上实现了射频功率降低和氯气减少，从而实现了低耗化。

（2）金属钼的干法刻蚀采用2步完成，第一步氯气量6 000sccm，第二步氯气量降低为3 400 sccm，组合刻蚀完成总厚度为220nm 的单层钼膜后，扫描电子显微镜测试结果显示坡度角为53°，得到了较好的形貌。但是钼的刻蚀速度并不均匀，存在明显的“尺寸效应”。因此如果对于其他不同厚度的钼刻蚀，需要重新验证计算刻蚀率。刻蚀率不是一个常量，和剩余膜层厚度存在非线性关系。

（3）沟道刻蚀的后处理步骤增加500sccm 氦气，同时使用较低的射频电力（源极功率、偏压功率为2kW、3kW）后，发现沟道非晶硅的厚度变小、粗糙度得到改善，从而保证了刻蚀口的图形尺寸和薄膜晶体管电学特性。

（4）大尺寸薄膜晶体管液晶显示器的4 全膜层的“1干1湿”，比起“2干2湿”方法，蚀刻工艺总时间减少了16s；薄膜晶体管沟道变短，开口率变大，电子迁移率增大。

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