半導體顯示兩種硅島干法刻蝕方式對比

朱麟

一：2W2D工藝

TFT-LCD面板中，TFT基板的制造工藝每道光罩基本工藝流程一般包括成膜，黃光，刻蝕及去光阻幾個步驟。

其中蝕刻工藝主要分為濕法蝕刻與干法蝕刻兩種，其中濕法刻蝕指的是藥液與襯底膜層直接接觸，通過化學反應的方式去除未被掩膜覆蓋保護的區(qū)域;干法蝕刻一般指將氣體等離子化，利用等離子體中活性自由基與離子的物理或化學反應，將對應刻蝕膜層去除的技術，干法刻蝕目前廣泛應用于半導體生產(chǎn)工藝中半導體層、介質層及金屬層刻蝕中

目前TFT-LCD面板制造工藝主流分為5Mask與4Mask兩種，主要差別體現(xiàn)在4Mask PEP2/3光罩工藝合并為一道工藝，通過2次濕法刻蝕+2次干法刻蝕的方式完成Source/Drain電極與有源層溝道的形成，故4Mask工藝又叫2W（WET）2D（DRY）工藝

二：干法刻蝕

在上下兩個平板電極施加一定的RF

Power，并在真空環(huán)境下通入一定量的氣體，在電場的作用下氣體解離生成活性自由基和離子，與沉積在基板上未被光刻膠覆蓋的區(qū)域發(fā)生物理或化學反應，生成揮發(fā)性的物質被真空泵抽走，最終得到預想的圖形，這就是干法刻蝕的基本原理

干法刻蝕的關鍵影響參數(shù)即RF Power，真空壓力，氣體，溫度

根據(jù)干法刻蝕原理可分為物理蝕刻，化學蝕刻及反應離子蝕刻。其中物理蝕刻主要指的是用帶電粒子轟擊基板表面，使粒子和粒子發(fā)生物理碰撞，達到蝕刻的目的，因而在整個過程中起作用的都是物理碰撞，沒有新的物質生成。因自偏壓的存在，帶點粒子物理蝕刻是各向異性的，蝕刻方向電場方向相關，在除正向之外的其他方向上基本沒有蝕刻。因為物理過程不會針對特定的鍵或物質，故在選擇比上物理蝕刻表現(xiàn)較差。

而化學蝕刻主要指的是用活性自由基或離子與基板表面待刻蝕膜層發(fā)生化學反應，生成揮發(fā)性的氣態(tài)物質，被真空泵抽走的過程;對于化學蝕刻而言，只有在副產(chǎn)物是氣體可以被及時抽走的情況下，才能維持一定的刻蝕速率，否則生成的物質覆蓋在界面上將會阻止反應繼續(xù)進行。因為化學蝕刻不受電場方向影響，故在蝕刻行為上表現(xiàn)是各項同性的，但是蝕刻的過程也會產(chǎn)生一些Polymer副產(chǎn)物，沉積在側壁上組織刻蝕的進行，故亦可據(jù)此實現(xiàn)各向異性的效果。

反應離子蝕刻的原理是綜合物理和化學蝕刻的過程，在實際干法刻蝕中，完全使用化學性刻蝕和完全使用物理性刻蝕的情況較少，一般是綜合刻蝕結果需求，靈活地調(diào)整物理刻蝕和化學刻蝕所占比重，以達到最優(yōu)的結果。

三：DRY硅島刻蝕工藝介紹

2W2D工藝中，第一次DRY需完成的工藝要求為①未被光阻覆蓋之大面積非晶硅刻蝕，形成TFT關鍵硅島②有源層溝道半曝光區(qū)域的光阻去除，使溝道內(nèi)的金屬露出，在第二次WET刻蝕時去除，形成源漏電極。故第一次DRY刻蝕工藝流程也據(jù)此一般包含兩部分：大面積非晶硅刻蝕（即主蝕刻，又叫Main Etching，ME）與溝道半曝光區(qū)域去光阻（即Half-ton Ashing，又叫Etch Back，EB）。

因刻蝕對象膜層不同，主蝕刻與燒光阻刻蝕工藝差異明顯。

刻蝕非晶硅時，一般需要使用含CL，F(xiàn)氣體，形成揮發(fā)性的SiFx和SiClx。因考慮到刻蝕均一性要求及物理刻蝕占比，使用壓力一般在50mtorr～75mtorr左右，既不顯著降低粒子平均自由程，可以維持一定量的反應粒子，使物理作用和化學作用的綜合效果達到最佳。而光阻Ash的步驟中，主要以化學刻蝕為主。所以需要盡可能多地增加活性粒子濃度，一般使用壓力為100～150mtorr，在主蝕刻O2中加入少量的NF3氣體以達到增加刻蝕速率的效果。

四：兩種DRY硅島刻蝕工藝對比

一般我們把非晶硅刻蝕放在溝道內(nèi)光阻Ash之前的模式叫做Etching First，把非晶硅刻蝕放在溝道內(nèi)光阻Ash之后的模式叫做Ashing First，兩種類型均為目前TFT制造中大規(guī)模使用的技術。

Etching First工藝中，由于光阻Ash時非晶硅已經(jīng)刻蝕完成，一般使用F系氣體+氧氣的組合進行，其中O2用于PR有機成分的去除，F(xiàn)系氣體用于提升Ashing速率;為減少對GI層的刻蝕F系氣體需要盡可能小，這也導致了相對較慢的Ashing速率，影響工業(yè)生產(chǎn)的效率。

Ashing First工藝相對于Etching First工藝優(yōu)點：①Ashing時無SiNx損失風險，可大幅提升F系氣體與O2比例，一方面可增加Ashing速率，另一方面在Ashing過程中可同時對+非晶硅薄膜進行刻蝕，降低主蝕刻需要刻蝕的厚度，綜合起來可大大提升工藝效率②Ashing 提前可預先將一部分被金屬遮擋的非晶硅薄膜露出，接下來的主蝕刻中被蝕刻掉，這樣可以大大降低非晶硅拖尾長度-對于高刷新率器件充電效率影響較大。但先進行Ashing也有其無法避免的缺點，首先，如使用Cl2，因刻蝕步驟在最后，殘留的氣體分子附著在基板表面，與空氣中水汽結合生成酸性腐蝕劑，隨著在空氣中暴露的時間增加造成金屬腐蝕或斷線等異常。如使用含F(xiàn)氣體，因Cl2與F系氣體對于非晶硅-氮化硅刻蝕選擇比的不同，主蝕刻步驟中氮化硅的損耗量會大大增加，一方面影響器件電學特性，一方面會增加柵極與源漏電極的異常放電概率。

五：總結

TFT顯示技術2W2D工藝中的DRY硅島刻蝕中，無論先主蝕刻或是先燒光阻，均有其優(yōu)勢與缺點，目前來說在應用中綜合考慮電性，良率要求等生產(chǎn)實際情況，選擇最適合當前的工藝即可。但是隨著刷新率及生產(chǎn)效率的進一步提升需求，Ashing First工藝可能成為以后主流。