光刻胶剥离制程中的寄生栅极效应

刘丹，黄中浩，刘毅，吴旭，闵泰烨，管飞，方亮，齐成军，谌伟，赵永强，宁智勇，方皓岚

（1.重庆京东方光电科技有限公司，重庆400700；2.重庆大学 物理学院，重庆400044；3.中国科学院大学 重庆学院，重庆400714）

1 引 言

薄膜晶体管液晶显示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD）取代CRT显示器后，经过十多年的发展，TFT-LCD已经应用于各个方面，可对应大、中、小各尺寸的显示。随着显示技术的进一步发展，近些年已有有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）、Mini-LED等新型显示技术相继投产。OLED属于主动发光，响应快，器件更轻薄，兼容柔性显示，将逐步发展成为主流显示技术；但目前该技术被可靠性差、良率低、生产成本高等问题困扰，在上述问题解决之前，OLED主要适用于中小尺寸显示。Mini-LED由100～500 μm的LED芯片组成，LED芯片发出红、绿、蓝3种单色光，单色光叠加形成彩色显示。Mini-LED可以直接制作成显示屏，还可以制作成背光源。Mini-LED背光源应用于TFT-LCD，将背光源划分为几百到几万个区域，各区域亮暗独立控制，这样便可使TFT-LCD达到OLED的显示效果。TFT-LCD技术成熟，成本低廉，且该技术不断与量子点背光、蓝相液晶、纯色硬屏等技术融合，进一步提升综合性能，该技术在大尺寸显示领域优势明显。由此可见，在今后一段时间内，LCD、OLED和Mini-LED将共存于市场，且OLED和LCD将相互竞争发展［1-3］。

TFT-LCD主要由背光源和显示屏（Panel）构成，显示屏是阵列（Array）基板、彩膜（Colour Filter，CF）基板和液晶组成的“三明治”结构，阵列基板和彩膜基板位于外侧，两个基板将液晶夹在中间。阵列基板上分布着薄膜晶体管（TFT）和电路，TFT属于核心器件［4］。TFT器件由栅极（Gate）、栅极绝缘层（Gate Insulator，GI）、有源层（Active，a-Si）、源漏极（Source和Drain，简称SD电极）、钝化层（Passivation，PVX）、像素电极（PXL ITO）和公共电极（Com ITO）组成。栅极、栅极绝缘层、有源层和源漏电极组成薄膜晶体管，钝化层覆盖在晶体管上起到保护作用，公共电极提供公共电位（参考电位），像素电极与漏极连接［5-6］。对TFT器件的源漏电极施加电压，Vds保持15 V，栅极施加电压15 V，此时TFT器件处于开启状态，器件中的电流为开态电流，即Ion；当TFT器件开启时，像素电极获得电信号，该电信号相对公共电位形成电势差，电势差驱动液晶偏转。Vds继续保持15 V，栅极施加电压-8 V，此时TFT器件处于关闭状态，但器件中仍有电流，即是 关 态 电 流Ioff［4］。合 格 的TFT器 件，Ion应 足 够大，Ioff足够小。Ioff受TFT器件的宽长比（W/L）、栅极绝缘层的光学禁带、栅极绝缘层态密度、a-Si厚度的影响，增加栅极绝缘层光学禁带、降低栅极绝缘层态密度、减少a-Si厚度均可降低Ioff［7］。TFT器件处于关闭状态时，背沟道位置的载流子输运形成漏电流，背沟道型漏电流和背沟道状态相关。对背沟道进行He、N等离子体处理，背沟道粗糙化，背沟道位置的载流子的散射程度增加，故Ioff下降［8］。此外，H等离子体处理背沟道，既使得背沟道粗糙化，又可以钝化背沟道位置的缺陷，故H等 离 子 体 处 理 也 可 以 降 低Ioff［9］。SF6和HCl形成等离子体进行背沟道刻蚀，Cl侵入Si形成受主掺杂，抑制电子生成，亦可降低Ioff［10］。LCD中的TFT器件是在光照条件下工作，抑制光照下的漏电流（PhotoIoff）同样重要。调整a-Si成膜参数、降低a-Si厚度并增加刻蚀阻挡层、a-Si和源漏电极之间引入n型晶化Si、向a-Si掺杂F或Cl、ITO作为源漏电极缓冲层等措施均能有效降低光照下的漏电流［11-17］。

本文结合重庆京东方光电科技有限公司的8.5代产线的光刻胶剥离（Photo-resist strip，PR strip）制程，研究了公共电极光刻胶剥离工艺导致TFT器件Ioff异常升高的问题，结合调查情况提出寄生栅极效应导致Ioff偏高的观点。基于此观点，结合发明问题解决理论（TRIZ）流分析输出解决方案，筛选出可行的方案并进行验证，最终解决该问题。

2 实 验

实验在重庆京东方光电科技有限公司8.5代线ADS Pro产品的阵列产线进行。ADS Pro产品的工艺流程如图1所示，依次进行6次图形化制程：栅极、a-Si、像素电极、源极和漏极、钝化层、公共电极。每一次图形化均是成膜→光刻→刻蚀→光刻胶剥离的过程。实验集中在钝化层成膜和公共电极的光刻胶剥离阶段。

图1 ADS Pro产品工艺制程示意图Fig.1 Schematic diagram of ADS Pro product process

2.1 公共电极光刻胶剥离设备异常确认与分析

按照TFT器件Ioff高低程度监控数据对公共电极光刻胶剥离设备进行分类，Ioff大的TFT对应的设备为异常类别，其余则为正常设备，收集两种类型设备流片产品的TFTIoff数据。然后收集异常设备和正常设备的剥离液，测试剥离液中金属离子种类和浓度，确认异常设备和正常设备中剥离液中金属离子的差异。准备TFT样品（编号A1～A3），公共电极光刻胶剥离前制程保持一致，仅在公共电极光刻胶剥离制程于不同金属离子浓度下进行光刻胶剥离，然后测试TFT性能，确认金属离子浓度与Ioff的关系。前制程保持一致，将需要进行公共电极光刻胶剥离的样品（编号A4～A6）在异常设备上进行不同次数流片，然后测试TFT性能，确认流片次数与Ioff的关系。将完成阵列制程的TFT样品（编号B1、B2）在异常设备上进行不同次数的流片，此种情况的剥离类似对TFT进行清洗，然后测试TFT性能，确认清洗次数与Ioff的关系。在上述测试结果基础上提出剥离液中的Al离子导致寄生栅极效应，该效应导致TFTIoff偏高的观点。

2.2 TRIZ解决方案

对于寄生栅极效应导致的漏电流，从TRIZ流分析角度切入，该漏电流属于有害流。结合流分析抑制有害流的方法输出解决方案，并对方案的可行性进行评估。然后结合产线实际，筛选出可以执行的改善方案：钝化层成膜前处理强化将背沟道粗糙化、钝化层膜厚增加。

2.3 改善方案的验证

在钝化层成膜阶段，采用CVD进行SiNx成膜，成膜前采用N2等离子体处理。钝化层成膜前采用3种成膜方式：正常成膜、成膜前处理等离子体功率增强、钝化层膜厚增加。钝化层成膜完成后，进行公共电极成膜、光刻、刻蚀，最后在异常设备上进行公共电极光刻胶剥离，确认改善方案对Ioff偏高的抑制程度。各项实验和样品代码如表1所示。

表1 实验条件汇总Tab.1 Summary of experimental conditions

3 实验结果与分析

3.1 Ioff偏高情况与剥离液中的金属离子

在公共电极光刻胶剥离光刻胶剥离制程中，正常设备和异常设备对应的Ioff情况如图2所示。可以看出异常设备流片后Ioff均偏高，电视（TV）产品的偏高程度大于笔记本电脑（Notebook，NB）产品。对正常设备和异常设备的剥离液采用电感耦合等离子体（ICP）光谱测试成分，其结果如表2所示，从表中可看出异常设备中剥离液中Al离子浓度高。正常设备对应公共电极光刻胶剥离，而异常设备既要对应公共电极光刻胶剥离又要对应源漏电极光刻胶剥离。源漏电极材料是Al、Mo/Al/Mo膜层结构。Al属于两性金属，既溶于酸又溶于碱。剥离液呈碱性，在进行源漏电极光刻胶剥离过程中，源漏电极中的部分Al会溶于剥离液，故剥离液中含有Al离子。如果源漏电极光刻胶剥离流片增加，溶解的Al也逐渐增加，那么剥离液中的Al离子浓度也逐渐增加。

图2 正常设备与异常设备对应的Ioff情况Fig.2 Ioff corresponding to normal equipment and abnormal equipment

表2 正常设备与异常设备剥离液成分对比Tab.2 Comparison of stripper composition between normal equipment and abnormal equipment

3.2 Al离子浓度与剥离次数与Ioff的关系

对于专用的源漏电极光刻胶剥离设备，流片数量增加，剥离液中的Al离子浓度逐渐增加。在不同Al离子浓度下，于专用的源漏光刻胶剥离设备上进行公共电极光刻胶剥离流片。Al离子浓度与Ioff的关系如图3所示，Al离子浓度增加，Ioff呈上升趋势。当剥离液中的Al离子浓度由1×10-8上升到2.189×10-6时，Ioff由3.56 pA上升到7.56 pA。对需要进行公共电极光刻胶剥离的样品，在专用源漏电极光刻胶剥离设备上进行不同次数的流片。此外，将完成阵列制程的样品在专用的源漏电极光刻胶剥离设备上进行不同次数流片，TFT的Ioff与流片次数的关系如图4所示。与正常样品对比，异常设备流片对应的TFT器件Ioff偏高。而且异常设备流片次数增加，TFT器件的Ioff呈增加趋势。

图3 剥离液中Al离子浓度与Ioff的关系Fig.3 Relationship between Al ion concentration and Ioff in stripper

图4 流片次数与Ioff的关系Fig.4 Relationship between stripping time and Ioff

不同剥离次数对应的TFT转移曲线如图5所示。图5（a）反映公共电极光刻胶剥离在异常设备流片不同次数的转移曲线；图5（b）反应阵列制程完成之后，在异常设备流片不同次数所对应的转移曲线；图5（c）代表正常样品与异常设备流片1次（公共电极光刻胶剥离在异常设备进行，阵列制程完成后再于异常设备流片）在光照条件下的转移曲线。从图5可以看出，一旦在异常设备流片，转移曲线的尾部均上翘，即Ioff升高。

图5 不同剥离次数下的转移曲线。（a）公共电极光刻胶剥离在异常设备流片不同次数；（b）完成阵列制程的样品在异常设备流片不同次数；（c）光照下的正常样品与异常样品。Fig.5 Transfer curves with different stripping time.（a）Different times for Com ITO strip in abnormal equipment；（b）Different times for TFT after Array process in abnormal equipment；（c）Normal samples and abnormal samples under illumination.

3.3 Al离子导致寄生栅极效应

结合上述情况，推测TFT器件Ioff偏高是因Al离子的寄生栅极效应导致。寄生栅极效应的形成过程如图6所示。

正常的TFT器件是由栅极、栅极绝缘层、a-Si、源漏极构成的底栅型器件。当该器件处于关闭状态，a-Si的背沟道存在漏电流Ioff，如图6（a）所示。

寄生栅极形成及作用过程如图6（b）所示：Al离子溶于光刻胶剥离液，剥离液附着在基板上从剥离区间传输到水洗区间，在水洗过程中剥离液与水接触。剥离液中含有乙醇胺，该物质遇水会生成OH-［18］。生成的OH-与Al3+反应会生成Al（OH）3，Al（OH）3会分解成稳定的Al2O3颗粒。Al2O3颗粒附着在TFT器件沟道上方的钝化层层。当TFT器件的源漏极施加电压时，Al2O3颗粒在电场极化下带电，充当寄生栅极的角色［19］；钝化层则充当了栅极绝缘层的角色。此时，Al2O3颗粒、钝化层、a-Si和源漏极构成一个顶栅型器件。顶栅TFT器件开启，a-Si背沟道聚集电荷并移动，这样导致TFT器件的Ioff偏高。无论是公共电极光刻胶剥离在异常设备流片，还是TFT完成阵列制程后在异常设备流片，均会诱发寄生栅极效应，导致TFTIoff增加。因为电视产品对应的TFT器件，其宽长比（W/L）大于笔记本电脑产品，在同样的寄生栅极效应下，电视产品TFT的Ioff增加程度更大。

图6 寄生栅极效应形成过程与作用机理。（a）无寄生栅极；（b）有Al2O3寄生栅极。Fig.6 Formation process and mechanism of parasitic gate effect.（a）Without Al2O3 parasitic gate；（b）With Al2O3 parasitic gate.

3.4 基于TRIZ流分析的解决方案

TRIZ是由拉丁语Teoriya Resheniyva Izobretatel skikh Zadatch的首字母缩写而成，意思是发明问题解决理论。TRIZ的俄文缩写为ТРИЗ，译作发明家式的解决任务理论。TRIZ是由阿奇苏勒及其团队在研究几百万件专利的基础上总结提取的一套方法，包含了问题分析、问题解决、方案验证等阶段，问题解决阶段的工具包括发明原理、功能导向搜索、物场模型、科学效应、克隆问题、流分析。对于寄生栅极效应导致TFT器件的漏电流偏高，在此选择流分析工具进行解决。因为漏电流Ioff对于TFT器件而言是有害的，希望Ioff越小越好，故将Ioff视作有害流。在寄生栅极效应中，顶栅TFT是处于开启状态，抑制寄生栅极效应电流即是抑制顶栅TFT的开态电流（Ion）。Ion的公式如式（1）所示［7］：

其 中，W/L为TFT器 件 沟 道 宽 长 比，μ为 迁 移率，C为栅极绝缘层单位电容，Vth为阈值电压，Vg、Vds分别为栅压和源漏极电压。寄生栅极效应主要通过影响C和μ，进而影响Ion。若要抑制寄生栅极电流Ion，则降低钝化层单位电容C和背沟道位置的迁移率μ即可。

单位面积电容的计算公式如式（2）所示：

其中，ε为绝缘层的介电常数，k为静电常量，d为绝缘层的厚度。

可见，降低绝缘层的ε，增加膜厚d，均可降低单位电容C，进而降低器件的寄生栅极电流Ion。

将流分析降低有害流的措施和式（1）、（2）进行结合，获得降低寄生电流的方案，并对方案进行评估，方案和评价信息如表3所示。基于方案简单易行、不引入其他缺陷的原则，选择出抑制寄生栅极电流的措施：沟道粗糙化，增加载流子散射程度（延长等离子体处理时间、增加等离子体功率来实现）；钝化层膜厚增加，降低寄生电容。

表3 降低寄生电流的TRIZ方案Tab.3 Solutions for reducing parasitic currents

3.5 改善方案的验证

3.5.1背沟道粗糙化

钝化层成膜前会对样品进行等离子体处理，可以去除样品表面异物、钝化背沟道。对等离子体处理时间延长、功率增加，使得等离子体将背沟道粗糙化，增加寄生电荷的散射，进而降低寄生电流。

将等离子体处理方案验证的样品分为3个类别，分别对应正常条件、处理时间延长、处理功率增加，分别记作C1、C2、C3。完成该处理之后，C1、C2和C3按照同样的工艺条件完成阵列制程。对C1、C2和C3在光照条件下测试TFT性能，获得漏电流数据；将C1、C2和C3在异常剥离设备上流片，流片结束后再测试光照条件下的漏电流。对比流片前后的漏电流差异，计算漏电流Ioff增加的百分比，以C1作为对比基准，确认背沟道粗糙化对抑制寄生电流的效果。

背沟道粗糙化的实验结果如图7所示，C1为基准，Ioff增加比例为49.36%。C2对应等离子体处理时间延长，C3对应等离子体处理功率增加。等离子体处理时间延长，Ioff的增加反而恶化，均值增加，离散程度也增加。等离子体处理功率增加，Ioff增加受到缓解，但是Ioff增加的离散程度恶化。

图7 背沟道粗糙化对寄生栅极效应的抑制Fig.7 Suppression of parasitic gate effects by back channel roughening

3.5.2 PVX膜厚增加

增加PVX成膜时间，即可增加PVX膜厚。将样品分为两个类别，PVX膜厚分别为正常和加厚，分别记作D1和D2。样品D1和D2在完成阵列制程后，在光照条件下测试TFT性能，获得Ioff数据；接着，将样品D1和D2在异常剥离设备上流片，流片结束后再测试光照条件下的漏电流。对比流片前后的漏电流差异，计算漏电流Ioff增加的百分比。

钝化层膜厚增加的实验结果如图8所示，厚度增加，Ioff增加趋势受到抑制，且Ioff增加的离散化程度也得到了改善。

图8 PVX膜厚增加对寄生栅极效应的抑制效果Fig.8 Suppression effect of increasing PVX film thickness on parasitic gate effects

4 结 论

本文对光刻胶剥离制程导致TFT器件Ioff异常增加问题进行解析，发现剥离液中的Al离子浓度与Ioff呈正相关关系。其次，当剥离液中的Al离子浓度稳定时，样品在剥离设备流片次数增加，Ioff亦是增加。经确认，剥离液中的Al离子生成氧化铝颗粒附着在TFT器件背沟道上方的钝化层，该颗粒充当寄生栅极，寄生栅极效应导致TFT器件的Ioff偏高。

为规避Al离子造成的寄生栅极效应，TFT器件的源漏电极光刻胶剥离和公共电极光刻胶剥离各自需要专用的设备进行流片，两个制程不要混合流片。若产能吃紧，需要对源漏电极光刻胶剥离和公共电极光刻胶剥离制程进行混合流片，为抑制寄生栅极造成Ioff增加的问题，需增加TFT器件背沟道的粗糙程度、增加钝化层厚度。对TFT器件的背沟道进行强化等离子体处理，使得背沟道粗糙化，Ioff增加程度缓解（49%→29%）；增加钝化层的厚度，寄生栅极效应导致的Ioff增加程度缓解（15%→12%）。该项研究为阵列产线设备生产运营提供了参考，亦为TFT器件降低Ioff、确保产品良率提高了参考。