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[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，通過調節等離子體(Plasma)狀態，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，發現采用常規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，FFS)。在工作狀態下，像素電極(Pixel)接收數據線上的電信號，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、數據線(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。進一步對比發現，ECCP模式由于增加了低頻偏置射頻電源，能夠調節等離子體狀態，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)現象，后續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，發現過孔出現嚴重表面溝壑現象，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現，在對PTS刻蝕時RIE和ECCP刻蝕模式各有優點及不足，RIE模式的優點：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，不利于后續膜層覆蓋。ECCP模式的優點：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，過孔表面出現嚴重溝壑現象，不利于后續膜層覆蓋。

出于優勢互補的考慮，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，采用傳統刻蝕方式會出現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。