Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺中BCl3气体作用研究

李淳东，李知勋，陈 兵，刘 杰，吴国特，苗占成

(重庆京东方显示技术有限公司，重庆 400714)

1 引 言

随着显示行业技术的高速发展，人们对显示行业的要求也越来越高。低温多晶硅LTPS作为显示行业的新一代技术，从开发到至今已经有几十年的历史了，该技术的液晶面板具有更快的响应速度和更高的分辨率，其中源漏极材料普遍采用电阻率较低的Ti/Al/Ti三层金属结构[1]。Ti/Al/Ti材料是近年来研究的重点，以其低电阻率、低成本、易刻蚀等优势，逐渐成为薄膜晶体管配线的主要材料。Ti/Al/Ti材料主要是利用干法刻蚀进行，LTPS工艺中Ti/Al/Ti材料常用的衬底为无机膜SiN或者SiO。随着显示技术的发展，有机发光显示(OLED)技术开始异军突起，该显示技术具有自发光性、广视角、高对比、低耗电、高反应速率等优点，柔性OLED、全面屏、高PPI等新产品进入市场[2]。随着技术的发展，源漏极Ti/Al/Ti材料下膜层衬底开始使用有机物(聚酰亚胺等)， Ti/Al/Ti设计也将变得更厚，更窄，更复杂，如何确保Ti/Al/Ti坡度角及下膜层刻蚀量，这对Ti/Al/Ti干法刻蚀是一个全新的挑战，需要对Ti/Al/Ti常规刻蚀气体Cl2和BCl3原理进行分析研究。本文将着重对BCl3气体进行分析研究，优化Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺。

2 Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺原理

对于膜层结构为Ti/Al/Ti的源漏极来讲，刻蚀步骤主要利用Cl原子的强氧化性与金属Ti、Al反应，生成挥发性物质，反应方程式[3]为：

Ti，Al + Cl → TiCl4↑+ AlCl3↑.

(1)

但是，金属Ti表面容易发生自然氧化，Ti的表面会形成一层Ti的氧化物。在ICP设备模式下，如果只用Cl2进行刻蚀，刻蚀速率会降低，影响刻蚀效果，所以必须添加BCl3气体，通过BCl3的离子轰击作用破坏钛和氧之间的化学键，从而去除Ti表面自然生成的氧化物，使Cl2和Ti发生反应，如图1所示。

TiOx+ B→ BxOy/Ti + 4Cl → TiCl4↑.

(2)

图1 BCl3的离子轰击作用 Fig.1 Ion bombardment of BCl3

另一方面，BCl3作为大分子气体，在重力作用下，会沉积在Ti/Al/Ti侧面，从而形成侧面保护，防止侧面刻蚀严重，因此使用Cl2和BCl3作为刻蚀步骤气体，Cl2和BCl3的气体流量配比必须严格控制。

BCl3不仅会通过重力作用沉积在Ti/Al/Ti侧面，也会沉积在光刻(PR)胶表面以及下膜层的表面。通过BCl3的流量调节，可以调节沉积在PR表面和下膜层表面的BCl3的量。沉积在PR胶表面的BCl3，会阻挡Cl2对PR的刻蚀，减少Cl2对PR胶的刻蚀速率，PR胶的后退量和Ti/Al/Ti的坡度角密切相关[4]。沉积在下膜层表面的BCl3，会影响Cl2对下膜层的刻蚀速率。在Cl2流量一定的条件下，随着BCl3流量的增加，BCl3沉积在PR胶以及下膜层的量随之增加，这样PR胶和下膜层的刻蚀速度都会相应减少下降，从而导致含C生成物和SiCl4生成量减少，含C化合物堆积在Ti/Al/Ti侧面的保护膜厚度随之减少，影响Ti/Al/Ti侧面形态和下膜层刻蚀量，如图2所示[5]。下文将通过实验对提出的理论原理进行证明。

图2 Ti/Al/Ti刻蚀BCl3的作用Fig.2 Role of BCl3 in Ti/Al/Ti etching

3 BCl3气体对PR胶刻蚀速率及Ti/Al/Ti侧面形态的影响

3.1 实验样品制备

实验采用京东方鄂尔多斯市源盛光电有限责任公司的5.5代线制备LTPS阵列样品，其中Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺采用ICP(Inductively Coupled Plasma)干法刻蚀机进行制备，玻璃基板采用的是1 300 mm×1 500 mm，样品1#、2#、3#、4#的Ti/Al/Ti下膜层衬底为无机膜。进行Ti/Al/Ti 干法刻蚀工艺，保持源功率、偏压功率、压力、温度、时间、Cl2流量一样的前提下，通过改变BCl3气体的流量，确认对PR胶的刻蚀速率以及Ti/Al/Ti 侧面形态的影响，具体工艺条件见表1。

3.2 实验结果与分析

3.2.1 BCl3气体对Ti/Al/Ti侧面形态的影响

为了能够直观地观察在经过Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺后Ti/Al/Ti侧面的情况，在Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺后，将样品1#、2#、3#、4#进行扫描电镜 (Scanning Electron Microscope，SEM)分析，如图3所示，目的是通过改变BCl3气体的流量，研究BCl3气体对Ti/Al/Ti侧面形态的影响，并探讨BCl3气体在Ti/Al/Ti干法刻蚀中的作用，图3为样品1#、2#、3#、4#的SEM图。

由图3的横截面图可以看出：不同的BCl3气体流量，形成的Ti/Al/Ti侧面保护膜厚度不一样：样品1#，BCl3流量0，PR胶表面无BCl3覆盖，PR胶直接在等离子体作用下，生成大量的含C化合物堆积在Ti/Al/Ti侧壁，从而形成一层较厚的侧壁保护膜，降低了Cl2和Al的刻蚀率[6]。目前干刻最新刻蚀模式PICP(Planar Inductively Coupled Plasma)对Ti/Al/Ti干法刻蚀只使用Cl2，主要是通过对PR胶的刻蚀，产生含C化合物堆积在侧面进行保护，形成侧壁保护膜。样品4#，BCl3流量为800 mL·min-1，PR胶表面被大量BCl3覆盖，阻隔Cl2对PR进行刻蚀，含C化合物生成量最少，仅靠BCl3气体和少量含C化合物在Ti/Al/Ti侧面进行侧面保护，侧面保护膜最薄，甚至在刻蚀后出现轻微的侧面刻蚀。样品1#、2#、3#、4#的BCl3流量分别为0，200，400，800 mL/min，通过对样品SEM图片观察，可以发现Ti/Al/Ti侧面的保护膜厚度从厚逐渐变薄，样品4#甚至出现轻微的侧面刻蚀，所以在ICP 设备中，使用BCl3进行侧壁保护，Cl2和BCl3的气体流量配比必须严格控制，过多地使用BCl3气体进行侧壁保护，可能会导致Ti/Al/Ti侧面出现侧面刻蚀。

图3 干法刻蚀后的样品SEM截面图Fig.3 SEM cross section of the samples after dry etching

3.2.2 BCl3气体对PR胶刻蚀速率的影响

为了能够直观地观察在经过Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺后PR胶的变化，在Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺后，将样品1#、2#、3#、4#进行SEM截面图和平面图分析。分别量取平面图PR胶宽度和截面图PR胶厚度，通过计算侧面PR胶宽度变化和上部PR胶厚度变化计算出PR胶的刻蚀速率，验证在Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺中，BCl3气体流量和PR胶刻蚀速率的关系。

在样品1#、2#、3#、4#上分别均匀地取13个样品进行截面图和平面图测试。在截面图上量取PR胶剩余厚度，由于样品是同批次进行的掩膜板工艺，可以近似认为Ti/Al/Ti干法刻蚀前PR 厚度无差异，刻蚀前的PR胶厚度减去剩余的PR胶厚度，除以刻蚀时间，计算出上部PR胶刻蚀速率，如图3所示。从图中可以看出，在Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺中，在Cl2流量一定的条件下，随着BCl3气体流量从0增加到200 mL·min-1，上部PR胶刻蚀速度降低明显。BCl3气体流量增加到400，800 mL·min-1时，从数据上看，上部PR胶刻蚀速率相对BCl3气体流量为200 mL·min-1时无明显降低。

在样品1#、2#、3#、4#的平面图上量取PR胶的宽度。由于样品是同批次进行的掩膜板工艺，可以近似认为Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺前PR胶宽度无差异。刻蚀前PR胶宽度减去刻蚀后的PR胶宽度，除以刻蚀时间，计算出侧面PR胶刻蚀速率，如图3所示。从图中可以看出，在Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺中，在Cl2流量一定的条件下，随着BCl3气体流量的增加，侧面PR胶的刻蚀速率逐渐降低，且变化趋势有明显规律。

综上所述，在Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺中，在Cl2流量一定的条件下，随着BCl3气体流量的逐渐增加，Side PR胶刻蚀速率和Top PR胶刻蚀速率趋势都是逐渐降低。可以得出结论：在Cl2流量一定的条件下，随着BCl3气体流量的逐渐增加，PR胶的刻蚀速率逐渐降低[7]。

图4 样品的PR胶刻蚀速率(SEM确认的数据)Fig.4 PR adhesives etching rate of the samples (data confirmed by SEM)

4 BCl3对Ti/Al/Ti衬底为有机膜的干法刻蚀的影响

在常规Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺中，通过对BCl3气体流量进行调节，可以确保Ti/Al/Ti侧面形貌无侧面刻蚀、好的坡度角以及低的无机膜刻蚀量。在后续显示技术中，Ti/Al/Ti材料衬底开始使用有机膜。在Ti/Al/Ti干法刻蚀中，同一条件下，对Ti/Al/Ti的刻蚀率和有机膜的选择比太小，会导致有机膜的刻蚀量偏大。在后续新技术的开发中，可以通过增加BCl3的流量，增大在有机膜表面的堆积量，降低对有机膜的刻蚀率，从而减少有机膜的刻蚀量，减少废气量，改善工艺腔体环境，提高产品质量。在衬底为有机膜条件下，虽然增加BCl3的用量会降低Cl2和PR的刻蚀反应，导致Ti/Al/Ti侧面的保护膜变薄，但是由于衬底为有机膜，Cl2和有机膜进行反应，生成物也会堆积在Ti/Al/Ti侧面，所以Ti/Al/Ti的侧面形态和有机膜的刻蚀量相互制约，Cl2和BCl3用量必须严格控制，确保好的坡度角和低的有机膜刻蚀量。BCl3在有机膜衬底刻蚀中的作用如图5所示。

图5 BCl3在有机膜刻蚀中的作用Fig.5 Role of BCl3 in organic film etching

5 结 论

通过对Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺的原理分析与讨论，得出理论依据，通过实验验证了BCl3气体在Ti/Al/Ti干法刻蚀工艺中的作用：随着BCl3气体流量的增加，Ti/Al/Ti侧面的保护膜厚度从厚逐渐变薄，对PR胶的刻蚀率逐渐降低。基于该结论，当Ti/Al/Ti衬底为有机膜时，增加BCl3气体的用量，增加在有机膜上的BCl3气体的覆盖量，可以改善下层有机膜的刻蚀量，减少废气量，改善Ti/Al/Ti坡度角，改善工艺腔体环境，提高产品质量。