IGZO-TFT钝化层三元复合结构过孔刻蚀

田茂坤，董晓楠, 黄中浩，王 骏，王思江，赵永亮，闵泰烨，袁剑峰，孙耒来，谌 伟，王 恺，吴 旭

(重庆京东方光电科技有限公司，重庆400700)

1 引 言

当今显示领域主流技术有液晶显示(Liquid Crystal Displays,LCDs)和有机发光二极管(Organic Light Emitting Diodcs，OLEDs)。其中薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)是这些显示产品的基础元件。目前TFT主要包括非晶硅TFT、多晶硅TFT和铟镓锌氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO)TFT。其中IGZO TFT以其迁移率高、工艺温度低，透光率高、关态电流小等优异性能而备受市场关注，因此成为下一代显示行业的优选基础元件[1]。

IGZO TFT在实际工业生产过程中采用传统的底栅结构，涉及的膜层结构从下往上分别是：栅极、绝缘层(SiNx&SiO2)、IGZO、源漏极、钝化层1(SiO2)、公共电极、钝化层2(SiNx)、像素电极。相对于非晶硅TFT，钝化层增加了SiO2为IGZO提供氧分压，用以确保TFT特性，因此钝化层过孔刻蚀膜层结构分别为钝化层2(SiNx)、钝化层1(SiO2)和绝缘层(SiNx&SiO2)，涉及两种不同膜质膜层结构，在过孔刻蚀过程中易出现过孔形貌异常，导致过孔连接异常无法导通，出现20%过孔相关不良。本文对此种SiNx/SiO2/SiNx三元复合结构的过孔刻蚀进行了研究。

本文以SiNx、SiO2单组分为基础，研究气体组分、功率、压力对刻蚀速率和均一性的影响。随后对SiNx/SiO2、SiO2/SiNx、SiNx/SiO2/SiNx复合组分的过孔刻蚀进行了研究。

2 实 验

采用重庆京东方液晶面板G8.5代线生产平台，使用2 200 mm×2 500 mm的Corning 玻璃作为实验基板，玻璃厚度为0.5 mm。实验所涉及的膜层结构从下往上分别为栅极(Gate)、氮化硅(SiNx)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)和正性光刻胶(PR)。

实验在玻璃表面采用磁控溅射沉积金属作为器件的栅电极(MoNb/Cu)，然后采取PECVD方法在固定的工艺条件下，每张玻璃在栅极上生成二氧化硅、氮化硅薄膜，以电感耦合等离子体刻蚀系统(ICP)作为刻蚀设备，研究刻蚀设备功率、气体组分、腔室气体压力对氮化硅、氧化硅单组份以及混合组分的刻蚀速率、均一性以及过孔形貌的影响。SiNx/SiO2/SiNx三元复合结构如图1所示。

图1 SiNx/SiO2/SiNx三元复合结构示意图Fig.1 SiNx/SiO2 / SiNx ternary composite structure diagram

3 结果与讨论

3.1 ICP模式对单层氮化硅、氧化硅的刻蚀

ICP模式通过电感耦合产生交变的电磁场，引起气体辉光放电，产生活性自由基、亚稳态粒子、原子等等离子体，通过吸附在膜层表面，与膜层表面的原子发生化学反应；同时高能离子对膜层表面进行物理轰击，生成可挥发性物质，并由排气口排出，在化学和物理的共同作用下达到刻蚀目的[2-4]。本文以氮化硅、氧化硅为研究对象，探讨了气体组分、气体比例、功率、压强等参数对其刻蚀速率和均一性的影响。

图2 气体组分对氮化硅刻蚀速率和均一性的影响Fig.2 Influence of gas composition on the silicon nitride etching rate and uniformity

图3 CF4∶O2比例对氮化硅刻蚀速率和均一性的影响Fig.3 Influence of CF4∶O2 ratio on the silicon nitride etching rate and uniformity

图2为3组不同样品中气体组分对氮化硅刻蚀速率和均一性的影响，实验数据来自每组样品35个测试点位的均值及均一性。由图2可以得出，在其他刻蚀条件不变的情况下，刻蚀气体组分中新增O2，可以显著提高刻蚀速率，同时改善刻蚀刻蚀均一性。3组实验结果趋势基本一致，均一性波动范围为±2%。其刻蚀的主要反应过程为：

(1)

(2)

(3)

在刻蚀气体组分中不含O2时，CF4与氮化硅反应生成碳化物，不易排出反应腔室，会附在反应物表面阻碍刻蚀的进行，从而降低刻蚀速率，恶化均一性。在刻蚀气体组分中加入O2，刻蚀过程中生成的碳化物与O2发生反应，生成CO2、CO等气体，经泵抽出反应腔室，促进了刻蚀反应的进行，提升了刻蚀速率并改善了均一性。

图4 CF4∶O2比例对氧化硅刻蚀速率和均一性的影响Fig.4 Influence of CF4∶O2 ratio on the silicon oxide etching rate and uniformity

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(4)

图5和图6分别为3组不同样品中，功率对氮化硅、氧化硅刻蚀速率和均一性的影响，实验数据来自每组样品35个测试点位的均值及均一性。由图5和图6可以得出，在其他刻蚀条件不变的情况下，源功率的调整对氮化硅刻蚀速率和均一性无明显影响，氧化硅随着源功率降低，刻蚀速率有所降低，均一性相对变好。随着偏压功率的降低，氮化硅刻蚀速率呈现降低趋势，但均一性逐渐变好，氧化硅刻蚀速率下降明显，均一性逐渐变差，样品之间变化趋势一致，均一性波动范围约±2%。由此可知，CF4对氮化硅和氧化硅刻蚀过程中，刻蚀速率主要由偏压功率决定，即主要以物理刻蚀为主。这是由于功率的降低导致等离子体的浓度会降低，同时等离子体的能量变小，通过碰撞形成的自由基减少。因此化学和物理刻蚀都会降低，导致刻蚀速率降低[5]。

图5 功率对氮化硅刻蚀速率和均一性的影响Fig.5 Influence of power on the silicon nitride etching rate and uniformity

图6 功率对氧化硅刻蚀速率和均一性的影响Fig.6 Influence of power on the silicon oxide etching rate and uniformity

图7为3组不同样品中，压力对氧化硅刻蚀速率和均一性的影响，实验数据来自每组样品35个测试点位的均值及均一性。由图7可以得出，在其他刻蚀条件不变的情况下，随着压力降低，刻蚀速率升高，样品之间变化趋势基本一致，均一性波动范围约为±2%。可以理解为压力降低时，离子平均自由程变大，降低了刻蚀离子及活性基之间的碰撞，提高了刻蚀的方向性，改善了刻蚀均一性。

图7 压力对氧化硅刻蚀速率和均一性的影响Fig.7 Influence of pressure on the silicon oxide etching rate and uniformity

3.2 ICP模式对SiNx、SiO2复合结构刻蚀形貌研究

在ICP刻蚀模式下，利用SiNx、SiO2单组分研究结果对其复合结构刻蚀形貌进行研究，主要对SiNx/SiO2、SiO2/SiNx二组分复合结构进行分析，然后应用于SiNx/SiO2/SiNx三元复合结构。

图8为 SiNx/SiO2复合结构刻蚀后的形貌(图片由每组13个样品中任意选1张)。由图8 可以得出，在SiNx/SiO2复合结构使用单组分相同刻蚀条件(功率 25 kW/20 kW，CF4∶O2=15∶8，压力 4 Pa)，过孔表面形貌规整，未发现残留物。

图8 SiNx/SiO2复合结构刻蚀后的形貌Fig.8 SiNx/SiO2 composite structure morphology after etching

(5)

图9 SiO2/SiNx复合结构刻蚀后的形貌Fig.9 SiO2/SiNx composite structure morphology after etching

图10为刻蚀调整后的SiO2/SiNx复合结构刻蚀形貌(图片由每组13个样品中任意选1张)，由图10 可以得出，在SiO2/SiNx复合结构采用不同的单组分刻蚀条件：Top SiNx采用SF6+O2气体组分，SiO2采用CF4+O2气体组分，由SEM图可知，孔内柱状残留物得到改善，因SF6与SiNx反应过程中生成物易被泵抽出排出腔室，即在SiO2刻蚀过程中不存在刻蚀的生成物，柱状残留物得到改善。

图11为SiNx/SiO2/SiNx三元复合结构刻蚀后的形貌(图片由每组13个样品中任意选1张)。通过对SiNx/SiO2、SiO2/SiNx二元组分刻蚀形貌进行分析，得到最优二元组分刻蚀条件：Top SiNx采用SF6+O2、Bottom SiNx&Middle SiO2采用CF4+O2气体组分，然后应用于SiNx/SiO2/SiNx三元复合过孔结构，得到形貌规整的过孔(图11)，过孔相关不良得到100%改善。

图11 SiNx/SiO2/SiNx三元复合结构刻蚀后的形貌Fig.11 SiNx/SiO2/SiNx composite structure morphology after etching

4 结 论

本文针对IGZO TFT三元复合结构钝化层过孔刻蚀进行研究，利用电感耦合等离子体刻蚀设备(ICP模式)分析功率、气体组分，压力对SiNx、SiO2单组分刻蚀速率和均一性的影响；然后利用单组分最优结果对SiNx/SiO2、SiO2/SiNx二元复合结构形貌的影响进行分析；最后把二元复合结构最优结果应用在SiNx/SiO2/SiNx三元复合结构中。实验结果表明：氧气的存在可以促进氮化硅的刻蚀作用，刻蚀速率提升65%，均一性提升30%。刻蚀速率随着CF4∶O2比例增加先增大后趋于稳定，并且当CF4∶O2比例为15∶8时刻蚀速率和均一性达到最优。偏压功率在提升刻蚀速率中起主导作用，功率的增加会提升氮化硅和氧化硅刻蚀速率，同时均一性控制在15%以内。当压力在4 Pa以内时，氧化硅刻蚀速率随着压力的降低而增加；在单组分相同最优刻蚀条件下，二元复合结构SiNx/SiO2过孔形貌规整、孔内无残留物。SiO2/SiNx孔内出现柱状残留物，当刻蚀条件改为Top SiNx采用SF6+O2、SiO2采用CF4+O2气体组分时，孔内柱状残留物得到改善。利用二元复合结构验证结果：Top SiNx采用SF6+O2、Bottom SiNx&Middle SiO2采用CF4+O2气体组分应用于三元复合结构钝化层过孔刻蚀，结果过孔形貌规整，孔内无残留物，过孔相关不良得到100%改善。