刘 浩， 常 维， 王志强， 刘 勃

(重庆京东方光电科技有限公司，重庆 400700)

1 引 言

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[1]。而氧化物TFT不仅具有高电子迁移率、高开口率、光学稳定性好等优点，并且在传统非晶硅TFT产线基础上，进行极少数设备改造，就可生产高性能氧化物TFT原件，投资费用低，受到越来越多面板生产厂商和TFT研究者的关注[2-3]。

IGZO TFT在实际工业生产过程中采用传统的底栅结构，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(简称PVX1(SiO2))、公共电极、钝化层2(简称PVX2(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[4]。钝化层通孔刻蚀需要同时刻蚀SiNx和SiO2两种不同膜层，通常SiNx采用六氟化硫和氧气刻蚀气体进行刻蚀，SiO2采用四氟化碳和氧气刻蚀气体进行刻蚀[5-7]，由于IGZO通孔结构相对于非晶硅膜层复杂，且两种膜层膜质差异较大，在通孔刻蚀过程中易出现通孔形貌异常，导致通孔连接异常。

本文针对IGZO通孔柱状不良进行系统研究，确定通孔柱状发生的根本原因，同时讨论了改善柱状不良的方法，成功解决了IGZO通孔柱状问题，为IGZO的泛应用提供技术参考。

2 通孔柱状原因分析及机理研究

2.1 不良现象确认

本文采用六氟化硫和氧气刻蚀气体刻蚀SiNx，四氟化碳和氧气刻蚀气体刻蚀下层SiO2，主要反应方程如下：

SF6→F·+SFx·x=1，2，3，4，5

，

(1)

SiNx+4F·→SiF4↑+N2↑

，

(2)

其中：F·、SFx· 表示化学反应性高的活性自由基，真空系统将反应生成物 SiF4、N2等挥发性气体抽离反应腔室，从而完成对SiNx的刻蚀。

CF4→F·+CFx·x=1，2，3

，

(3)

SiO2+4F·→SiF4↑+O2↑

，

(4)

其中：F·、CFx· 表示化学反应性高的活性自由基，真空系统将反应生成物 SiF4、O2等挥发性气体抽离反应腔室，从而完成对SiO2的刻蚀。

图1为钝化层刻蚀(PVX Etch)工艺完成后不良图片。由图1可见， 钝化层刻蚀完成后，通孔中间有柱状不良，高度和SiO2膜层高度接近，这种不良可能会导致接触电阻偏大，甚至影响产品品质和信赖性测试，因此急需改善。

图1 刻蚀后通孔形貌

为了明确不良发生的原因，首先需要对通孔设计和膜层结构进行研究，重庆京东方某款氧化物TFT产品设计为背沟道刻蚀(BCE)结构，钝化层通孔刻蚀主要形成两种通孔结构，如图2所示：一种通孔为2ITO-ITO(R1孔)，1ITO和2ITO均为非晶硅即a-ITO，在常温情况下，在电场作用下，通过氩气溅射靶材进行沉积，沉积厚度均为70 nm。钝化层刻蚀时只刻蚀SiNx，这种通孔主要分布在外围，连接外围线路；另外一种通孔为2ITO-SD(R2孔)，钝化层刻蚀时需要同时刻蚀SiNx和SiO2，这种通孔主要分布在像素区，主要将像素电极(2ITO)和TFT开关连接。

图2 通孔结构示意图

R2通孔采用三层套孔设计，钝化层通孔。1ITO 孔和有机膜(ORG)孔。有机膜孔在有机膜层经过曝光显影形成，1ITO 孔在ITO层 ITO 刻蚀后形成，钝化层通孔在钝化层刻蚀后形成，俯视图如图3所示。目前发现发生不良主要为像素区R2孔，为了查清发生原因，我们对R1通孔进行扫描电镜确认，发现R1孔形貌规整，无柱状不良现象，如图4所示。这说明SiNx刻蚀正常，R2通孔可能和套孔结构相关或者SiO2通孔刻蚀过程异常导致。

图3 R2通孔设计

图4 刻蚀后R1通孔形貌

2.2 柱状不良原因分析

为了研究通孔柱状是否与有机膜和1ITO膜层相关，我们在量产工序基础上分别去掉有机膜和1ITO膜层验证，然后钝化层刻蚀后分别进行扫描电镜确认，如图5所示。

图5 刻蚀后通孔形貌

由图5可知，有机膜膜层去掉后，通孔柱状不良并无明显改善，而1ITO膜层去掉后，通孔形貌干净，柱状不良完全消失，所以柱状不良和1ITO 膜层相关。为进一步查清发生的原因， ITO刻蚀完成后对ITO 孔进行扫描电镜确认，如图6所示。

图6 ITO刻蚀后过孔形貌

扫描电镜显示ITO 刻蚀后，ITO孔有圆形小颗物，形状以及大小和柱状颗粒物类似，怀疑此颗粒物为ITO结晶物，ITO在沉积过程中极易结晶[8-9]，ITO在常温下进行沉积，随着沉积进行，腔室温度逐渐升高，在膜层上方形成结晶，膜厚越厚，沉积时间越长，温度升高越高，结晶越严重。ITO结晶物残留在SiO2上方，在钝化层刻蚀时由于ITO结晶物阻挡刻蚀，且SiO2刻蚀采用低压力刻蚀，物理刻蚀占主导作用[10]，主要以纵向刻蚀为主，优先从结晶处进行刻蚀，由于物理刻蚀对ITO结晶物刻蚀率极慢，钝化层刻蚀完成后ITO结晶仍然没有被刻蚀完，导致SiO2未被刻蚀从而形成柱状，柱状高度刚刚与SiO2膜层高度接近。

3 改善措施及效果

柱状不良主要为ITO结晶导致ITO 刻蚀不干净，从而阻挡SiO2刻蚀导致，以下主要从ITO 工艺和钝化层刻蚀工艺两个方面进行改善。

3.1 ITO 刻蚀时间延长和ITO膜厚降低

因为ITO结晶物阻挡SiO2刻蚀形成柱状不良，尝试增加ITO刻蚀时间将生成的ITO结晶物反应掉。透明电极膜ITO为氧化铟(In2O3)和氧化锡(SnO2)的合成物，刻蚀药液主要为硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)。其中硫酸的作用使In2O3和SnO2溶解，硝酸的作用是作为缓冲溶液，调节刻蚀速率，其反应方程式如下：

In2O3+6H+→2In3++3H2O

，

(5)

SnO2+4H+→Sn4++2H2O

，

(6)

在量产基础上，分别将ITO刻蚀时间延长20 s和40 s, 钝化层刻蚀完成后进行扫描电镜确认，如图7所示。

图7 ITO刻蚀工艺优化后通孔形貌

由图7可知，分别将1ITO 刻蚀时间延长20 s和40 s，通孔柱状并无改善，这说明ITO一旦形成结晶，通过延长刻蚀时间均无法将结晶的ITO刻蚀干净，这主要因为结晶的ITO变得更加致密，化学药液不容易渗透到ITO里面，导致ITO刻蚀速率大大降低，从而出现ITO残留。

根据ITO结晶性能， ITO膜厚越大，ITO沉积时间越长，腔室内部温度升高更高，越容易结晶，因此可以通过降低ITO膜厚来改善结晶，从而改善通孔柱状，在量产工艺基础上分别降低ITO膜层厚度10 nm和20 nm，通孔柱状形貌如图8所示。从扫描电镜结果来看，ITO厚度降低，通孔柱状不良变轻微，当ITO厚度降低20 nm时，柱状不良已经很轻微，但仍然无法消除，1ITO作为公共电极，产品对膜厚有特殊要求，并且需要通孔搭接，降低膜厚可能会影响过孔接触电阻，因此需要尝试通过变更其他工艺进行通孔柱状不良改善。

图8 降低ITO膜厚后通孔形貌

3.2 钝化层刻蚀工艺优化

针对ITO结晶导致柱状不良，通过改善刻蚀气体比例(CF4/O2)尝试将残留的ITO结晶物刻蚀反应掉，从而形成干净的通孔形貌，刻蚀气体流量由qv(CF4)/qv(O2)=1 200/400增大到qv(CF4)/qv(O2)=3 000/1 000，通孔形貌干净，柱状不良得到明显改善，通孔坡度角无明显变化，均在70°～82°间，不同位置别略有差异，如图9所示。

图9 优化钝化层刻蚀工艺后通孔形貌

由图9可知，通过增大刻蚀气体，通孔柱状不良消失，这说明在功率和压力不变情况下，气体量增多，产生了更多的活性基团和结晶的ITO发生反应，在压力不变的情况下通入更多的反应气体使得气体交换速度更快，有利于及时将反应掉的结晶ITO抽出，进一步加快了ITO刻蚀速率，残留在SiO2上面的ITO结晶物被反应抽出后便不能阻挡SiO2刻蚀，这种通过钝化层刻蚀工艺变更，在不改变ITO膜层厚度情况下，通孔柱状不良能够得到彻底改善。

4 结 论

本文针对氧化物通孔柱状不良进行系统研究，发现此不良为1ITO在成膜时形成小颗粒结晶物导致，ITO结晶后，刻蚀速率大幅下降，从而残留在SiO2上方，在钝化层刻蚀时残留的ITO结晶物阻挡SiO2刻蚀，从而形成柱状。ITO结晶物一旦形成，通过延长ITO刻蚀时间，仍然无法将结晶的ITO刻蚀反应；ITO膜厚降低可有效改善结晶，柱状不良得到减轻，但无法完全消除；通过增大刻蚀气体，将残留的ITO结晶物反应抽出，通孔柱状不良完全消失，柱状不良完全得到改善。