光刻膠剝離制程中的寄生柵極效應(yīng)

劉丹，黃中浩，劉毅，吳旭，閔泰燁，管飛，方亮，齊成軍，諶偉，趙永強，寧智勇，方皓嵐

（1.重慶京東方光電科技有限公司，重慶400700；2.重慶大學(xué) 物理學(xué)院，重慶400044；3.中國科學(xué)院大學(xué) 重慶學(xué)院，重慶400714）

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD）取代CRT顯示器后，經(jīng)過十多年的發(fā)展，TFT-LCD已經(jīng)應(yīng)用于各個方面，可對應(yīng)大、中、小各尺寸的顯示。隨著顯示技術(shù)的進一步發(fā)展，近些年已有有機發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）、Mini-LED等新型顯示技術(shù)相繼投產(chǎn)。OLED屬于主動發(fā)光，響應(yīng)快，器件更輕薄，兼容柔性顯示，將逐步發(fā)展成為主流顯示技術(shù)；但目前該技術(shù)被可靠性差、良率低、生產(chǎn)成本高等問題困擾，在上述問題解決之前，OLED主要適用于中小尺寸顯示。Mini-LED由100～500 μm的LED芯片組成，LED芯片發(fā)出紅、綠、藍(lán)3種單色光，單色光疊加形成彩色顯示。Mini-LED可以直接制作成顯示屏，還可以制作成背光源。Mini-LED背光源應(yīng)用于TFT-LCD，將背光源劃分為幾百到幾萬個區(qū)域，各區(qū)域亮暗獨立控制，這樣便可使TFT-LCD達(dá)到OLED的顯示效果。TFT-LCD技術(shù)成熟，成本低廉，且該技術(shù)不斷與量子點背光、藍(lán)相液晶、純色硬屏等技術(shù)融合，進一步提升綜合性能，該技術(shù)在大尺寸顯示領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。由此可見，在今后一段時間內(nèi)，LCD、OLED和Mini-LED將共存于市場，且OLED和LCD將相互競爭發(fā)展［1-3］。

TFT-LCD主要由背光源和顯示屏（Panel）構(gòu)成，顯示屏是陣列（Array）基板、彩膜（Colour Filter，CF）基板和液晶組成的“三明治”結(jié)構(gòu)，陣列基板和彩膜基板位于外側(cè)，兩個基板將液晶夾在中間。陣列基板上分布著薄膜晶體管（TFT）和電路，TFT屬于核心器件［4］。TFT器件由柵極（Gate）、柵極絕緣層（Gate Insulator，GI）、有源層（Active，a-Si）、源漏極（Source和Drain，簡稱SD電極）、鈍化層（Passivation，PVX）、像素電極（PXL ITO）和公共電極（Com ITO）組成。柵極、柵極絕緣層、有源層和源漏電極組成薄膜晶體管，鈍化層覆蓋在晶體管上起到保護作用，公共電極提供公共電位（參考電位），像素電極與漏極連接［5-6］。對TFT器件的源漏電極施加電壓，Vds保持15 V，柵極施加電壓15 V，此時TFT器件處于開啟狀態(tài)，器件中的電流為開態(tài)電流，即Ion；當(dāng)TFT器件開啟時，像素電極獲得電信號，該電信號相對公共電位形成電勢差，電勢差驅(qū)動液晶偏轉(zhuǎn)。Vds繼續(xù)保持15 V，柵極施加電壓-8 V，此時TFT器件處于關(guān)閉狀態(tài)，但器件中仍有電流，即是 關(guān) 態(tài) 電 流Ioff［4］。合 格 的TFT器 件，Ion應(yīng) 足 夠大，Ioff足夠小。Ioff受TFT器件的寬長比（W/L）、柵極絕緣層的光學(xué)禁帶、柵極絕緣層態(tài)密度、a-Si厚度的影響，增加?xùn)艠O絕緣層光學(xué)禁帶、降低柵極絕緣層態(tài)密度、減少a-Si厚度均可降低Ioff［7］。TFT器件處于關(guān)閉狀態(tài)時，背溝道位置的載流子輸運形成漏電流，背溝道型漏電流和背溝道狀態(tài)相關(guān)。對背溝道進行He、N等離子體處理，背溝道粗糙化，背溝道位置的載流子的散射程度增加，故Ioff下降［8］。此外，H等離子體處理背溝道，既使得背溝道粗糙化，又可以鈍化背溝道位置的缺陷，故H等 離 子 體 處 理 也 可 以 降 低Ioff［9］。SF6和HCl形成等離子體進行背溝道刻蝕，Cl侵入Si形成受主摻雜，抑制電子生成，亦可降低Ioff［10］。LCD中的TFT器件是在光照條件下工作，抑制光照下的漏電流（PhotoIoff）同樣重要。調(diào)整a-Si成膜參數(shù)、降低a-Si厚度并增加刻蝕阻擋層、a-Si和源漏電極之間引入n型晶化Si、向a-Si摻雜F或Cl、ITO作為源漏電極緩沖層等措施均能有效降低光照下的漏電流［11-17］。

本文結(jié)合重慶京東方光電科技有限公司的8.5代產(chǎn)線的光刻膠剝離（Photo-resist strip，PR strip）制程，研究了公共電極光刻膠剝離工藝導(dǎo)致TFT器件Ioff異常升高的問題，結(jié)合調(diào)查情況提出寄生柵極效應(yīng)導(dǎo)致Ioff偏高的觀點。基于此觀點，結(jié)合發(fā)明問題解決理論（TRIZ）流分析輸出解決方案，篩選出可行的方案并進行驗證，最終解決該問題。

2 實 驗

實驗在重慶京東方光電科技有限公司8.5代線ADS Pro產(chǎn)品的陣列產(chǎn)線進行。ADS Pro產(chǎn)品的工藝流程如圖1所示，依次進行6次圖形化制程：柵極、a-Si、像素電極、源極和漏極、鈍化層、公共電極。每一次圖形化均是成膜→光刻→刻蝕→光刻膠剝離的過程。實驗集中在鈍化層成膜和公共電極的光刻膠剝離階段。

圖1 ADS Pro產(chǎn)品工藝制程示意圖Fig.1 Schematic diagram of ADS Pro product process

2.1 公共電極光刻膠剝離設(shè)備異常確認(rèn)與分析

按照TFT器件Ioff高低程度監(jiān)控數(shù)據(jù)對公共電極光刻膠剝離設(shè)備進行分類，Ioff大的TFT對應(yīng)的設(shè)備為異常類別，其余則為正常設(shè)備，收集兩種類型設(shè)備流片產(chǎn)品的TFTIoff數(shù)據(jù)。然后收集異常設(shè)備和正常設(shè)備的剝離液，測試剝離液中金屬離子種類和濃度，確認(rèn)異常設(shè)備和正常設(shè)備中剝離液中金屬離子的差異。準(zhǔn)備TFT樣品（編號A1～A3），公共電極光刻膠剝離前制程保持一致，僅在公共電極光刻膠剝離制程于不同金屬離子濃度下進行光刻膠剝離，然后測試TFT性能，確認(rèn)金屬離子濃度與Ioff的關(guān)系。前制程保持一致，將需要進行公共電極光刻膠剝離的樣品（編號A4～A6）在異常設(shè)備上進行不同次數(shù)流片，然后測試TFT性能，確認(rèn)流片次數(shù)與Ioff的關(guān)系。將完成陣列制程的TFT樣品（編號B1、B2）在異常設(shè)備上進行不同次數(shù)的流片，此種情況的剝離類似對TFT進行清洗，然后測試TFT性能，確認(rèn)清洗次數(shù)與Ioff的關(guān)系。在上述測試結(jié)果基礎(chǔ)上提出剝離液中的Al離子導(dǎo)致寄生柵極效應(yīng)，該效應(yīng)導(dǎo)致TFTIoff偏高的觀點。

2.2 TRIZ解決方案

對于寄生柵極效應(yīng)導(dǎo)致的漏電流，從TRIZ流分析角度切入，該漏電流屬于有害流。結(jié)合流分析抑制有害流的方法輸出解決方案，并對方案的可行性進行評估。然后結(jié)合產(chǎn)線實際，篩選出可以執(zhí)行的改善方案：鈍化層成膜前處理強化將背溝道粗糙化、鈍化層膜厚增加。

2.3 改善方案的驗證

在鈍化層成膜階段，采用CVD進行SiNx成膜，成膜前采用N2等離子體處理。鈍化層成膜前采用3種成膜方式：正常成膜、成膜前處理等離子體功率增強、鈍化層膜厚增加。鈍化層成膜完成后，進行公共電極成膜、光刻、刻蝕，最后在異常設(shè)備上進行公共電極光刻膠剝離，確認(rèn)改善方案對Ioff偏高的抑制程度。各項實驗和樣品代碼如表1所示。

表1 實驗條件匯總Tab.1 Summary of experimental conditions

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 Ioff偏高情況與剝離液中的金屬離子

在公共電極光刻膠剝離光刻膠剝離制程中，正常設(shè)備和異常設(shè)備對應(yīng)的Ioff情況如圖2所示?？梢钥闯霎惓ＴO(shè)備流片后Ioff均偏高，電視（TV）產(chǎn)品的偏高程度大于筆記本電腦（Notebook，NB）產(chǎn)品。對正常設(shè)備和異常設(shè)備的剝離液采用電感耦合等離子體（ICP）光譜測試成分，其結(jié)果如表2所示，從表中可看出異常設(shè)備中剝離液中Al離子濃度高。正常設(shè)備對應(yīng)公共電極光刻膠剝離，而異常設(shè)備既要對應(yīng)公共電極光刻膠剝離又要對應(yīng)源漏電極光刻膠剝離。源漏電極材料是Al、Mo/Al/Mo膜層結(jié)構(gòu)。Al屬于兩性金屬，既溶于酸又溶于堿。剝離液呈堿性，在進行源漏電極光刻膠剝離過程中，源漏電極中的部分Al會溶于剝離液，故剝離液中含有Al離子。如果源漏電極光刻膠剝離流片增加，溶解的Al也逐漸增加，那么剝離液中的Al離子濃度也逐漸增加。

圖2 正常設(shè)備與異常設(shè)備對應(yīng)的Ioff情況Fig.2 Ioff corresponding to normal equipment and abnormal equipment

表2 正常設(shè)備與異常設(shè)備剝離液成分對比Tab.2 Comparison of stripper composition between normal equipment and abnormal equipment

3.2 Al離子濃度與剝離次數(shù)與Ioff的關(guān)系

對于專用的源漏電極光刻膠剝離設(shè)備，流片數(shù)量增加，剝離液中的Al離子濃度逐漸增加。在不同Al離子濃度下，于專用的源漏光刻膠剝離設(shè)備上進行公共電極光刻膠剝離流片。Al離子濃度與Ioff的關(guān)系如圖3所示，Al離子濃度增加，Ioff呈上升趨勢。當(dāng)剝離液中的Al離子濃度由1×10-8上升到2.189×10-6時，Ioff由3.56 pA上升到7.56 pA。對需要進行公共電極光刻膠剝離的樣品，在專用源漏電極光刻膠剝離設(shè)備上進行不同次數(shù)的流片。此外，將完成陣列制程的樣品在專用的源漏電極光刻膠剝離設(shè)備上進行不同次數(shù)流片，TFT的Ioff與流片次數(shù)的關(guān)系如圖4所示。與正常樣品對比，異常設(shè)備流片對應(yīng)的TFT器件Ioff偏高。而且異常設(shè)備流片次數(shù)增加，TFT器件的Ioff呈增加趨勢。

圖3 剝離液中Al離子濃度與Ioff的關(guān)系Fig.3 Relationship between Al ion concentration and Ioff in stripper

圖4 流片次數(shù)與Ioff的關(guān)系Fig.4 Relationship between stripping time and Ioff

不同剝離次數(shù)對應(yīng)的TFT轉(zhuǎn)移曲線如圖5所示。圖5（a）反映公共電極光刻膠剝離在異常設(shè)備流片不同次數(shù)的轉(zhuǎn)移曲線；圖5（b）反應(yīng)陣列制程完成之后，在異常設(shè)備流片不同次數(shù)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移曲線；圖5（c）代表正常樣品與異常設(shè)備流片1次（公共電極光刻膠剝離在異常設(shè)備進行，陣列制程完成后再于異常設(shè)備流片）在光照條件下的轉(zhuǎn)移曲線。從圖5可以看出，一旦在異常設(shè)備流片，轉(zhuǎn)移曲線的尾部均上翹，即Ioff升高。

圖5 不同剝離次數(shù)下的轉(zhuǎn)移曲線。（a）公共電極光刻膠剝離在異常設(shè)備流片不同次數(shù)；（b）完成陣列制程的樣品在異常設(shè)備流片不同次數(shù)；（c）光照下的正常樣品與異常樣品。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離子導(dǎo)致寄生柵極效應(yīng)

結(jié)合上述情況，推測TFT器件Ioff偏高是因Al離子的寄生柵極效應(yīng)導(dǎo)致。寄生柵極效應(yīng)的形成過程如圖6所示。

正常的TFT器件是由柵極、柵極絕緣層、a-Si、源漏極構(gòu)成的底柵型器件。當(dāng)該器件處于關(guān)閉狀態(tài)，a-Si的背溝道存在漏電流Ioff，如圖6（a）所示。

寄生柵極形成及作用過程如圖6（b）所示：Al離子溶于光刻膠剝離液，剝離液附著在基板上從剝離區(qū)間傳輸?shù)剿磪^(qū)間，在水洗過程中剝離液與水接觸。剝離液中含有乙醇胺，該物質(zhì)遇水會生成OH-［18］。生成的OH-與Al3+反應(yīng)會生成Al（OH）3，Al（OH）3會分解成穩(wěn)定的Al2O3顆粒。Al2O3顆粒附著在TFT器件溝道上方的鈍化層層。當(dāng)TFT器件的源漏極施加電壓時，Al2O3顆粒在電場極化下帶電，充當(dāng)寄生柵極的角色［19］；鈍化層則充當(dāng)了柵極絕緣層的角色。此時，Al2O3顆粒、鈍化層、a-Si和源漏極構(gòu)成一個頂柵型器件。頂柵TFT器件開啟，a-Si背溝道聚集電荷并移動，這樣導(dǎo)致TFT器件的Ioff偏高。無論是公共電極光刻膠剝離在異常設(shè)備流片，還是TFT完成陣列制程后在異常設(shè)備流片，均會誘發(fā)寄生柵極效應(yīng)，導(dǎo)致TFTIoff增加。因為電視產(chǎn)品對應(yīng)的TFT器件，其寬長比（W/L）大于筆記本電腦產(chǎn)品，在同樣的寄生柵極效應(yīng)下，電視產(chǎn)品TFT的Ioff增加程度更大。

圖6 寄生柵極效應(yīng)形成過程與作用機理。（a）無寄生柵極；（b）有Al2O3寄生柵極。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流分析的解決方案

TRIZ是由拉丁語Teoriya Resheniyva Izobretatel skikh Zadatch的首字母縮寫而成，意思是發(fā)明問題解決理論。TRIZ的俄文縮寫為ТРИЗ，譯作發(fā)明家式的解決任務(wù)理論。TRIZ是由阿奇蘇勒及其團隊在研究幾百萬件專利的基礎(chǔ)上總結(jié)提取的一套方法，包含了問題分析、問題解決、方案驗證等階段，問題解決階段的工具包括發(fā)明原理、功能導(dǎo)向搜索、物場模型、科學(xué)效應(yīng)、克隆問題、流分析。對于寄生柵極效應(yīng)導(dǎo)致TFT器件的漏電流偏高，在此選擇流分析工具進行解決。因為漏電流Ioff對于TFT器件而言是有害的，希望Ioff越小越好，故將Ioff視作有害流。在寄生柵極效應(yīng)中，頂柵TFT是處于開啟狀態(tài)，抑制寄生柵極效應(yīng)電流即是抑制頂柵TFT的開態(tài)電流（Ion）。Ion的公式如式（1）所示［7］：

其 中，W/L為TFT器 件 溝 道 寬 長 比，μ為 遷 移率，C為柵極絕緣層單位電容，Vth為閾值電壓，Vg、Vds分別為柵壓和源漏極電壓。寄生柵極效應(yīng)主要通過影響C和μ，進而影響Ion。若要抑制寄生柵極電流Ion，則降低鈍化層單位電容C和背溝道位置的遷移率μ即可。

單位面積電容的計算公式如式（2）所示：

其中，ε為絕緣層的介電常數(shù)，k為靜電常量，d為絕緣層的厚度。

可見，降低絕緣層的ε，增加膜厚d，均可降低單位電容C，進而降低器件的寄生柵極電流Ion。

將流分析降低有害流的措施和式（1）、（2）進行結(jié)合，獲得降低寄生電流的方案，并對方案進行評估，方案和評價信息如表3所示?；诜桨负唵我仔?、不引入其他缺陷的原則，選擇出抑制寄生柵極電流的措施：溝道粗糙化，增加載流子散射程度（延長等離子體處理時間、增加等離子體功率來實現(xiàn)）；鈍化層膜厚增加，降低寄生電容。

表3 降低寄生電流的TRIZ方案Tab.3 Solutions for reducing parasitic currents

3.5 改善方案的驗證

3.5.1背溝道粗糙化

鈍化層成膜前會對樣品進行等離子體處理，可以去除樣品表面異物、鈍化背溝道。對等離子體處理時間延長、功率增加，使得等離子體將背溝道粗糙化，增加寄生電荷的散射，進而降低寄生電流。

將等離子體處理方案驗證的樣品分為3個類別，分別對應(yīng)正常條件、處理時間延長、處理功率增加，分別記作C1、C2、C3。完成該處理之后，C1、C2和C3按照同樣的工藝條件完成陣列制程。對C1、C2和C3在光照條件下測試TFT性能，獲得漏電流數(shù)據(jù)；將C1、C2和C3在異常剝離設(shè)備上流片，流片結(jié)束后再測試光照條件下的漏電流。對比流片前后的漏電流差異，計算漏電流Ioff增加的百分比，以C1作為對比基準(zhǔn)，確認(rèn)背溝道粗糙化對抑制寄生電流的效果。

背溝道粗糙化的實驗結(jié)果如圖7所示，C1為基準(zhǔn)，Ioff增加比例為49.36%。C2對應(yīng)等離子體處理時間延長，C3對應(yīng)等離子體處理功率增加。等離子體處理時間延長，Ioff的增加反而惡化，均值增加，離散程度也增加。等離子體處理功率增加，Ioff增加受到緩解，但是Ioff增加的離散程度惡化。

圖7 背溝道粗糙化對寄生柵極效應(yīng)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成膜時間，即可增加PVX膜厚。將樣品分為兩個類別，PVX膜厚分別為正常和加厚，分別記作D1和D2。樣品D1和D2在完成陣列制程后，在光照條件下測試TFT性能，獲得Ioff數(shù)據(jù)；接著，將樣品D1和D2在異常剝離設(shè)備上流片，流片結(jié)束后再測試光照條件下的漏電流。對比流片前后的漏電流差異，計算漏電流Ioff增加的百分比。

鈍化層膜厚增加的實驗結(jié)果如圖8所示，厚度增加，Ioff增加趨勢受到抑制，且Ioff增加的離散化程度也得到了改善。

圖8 PVX膜厚增加對寄生柵極效應(yīng)的抑制效果Fig.8 Suppression effect of increasing PVX film thickness on parasitic gate effects

4 結(jié) 論

本文對光刻膠剝離制程導(dǎo)致TFT器件Ioff異常增加問題進行解析，發(fā)現(xiàn)剝離液中的Al離子濃度與Ioff呈正相關(guān)關(guān)系。其次，當(dāng)剝離液中的Al離子濃度穩(wěn)定時，樣品在剝離設(shè)備流片次數(shù)增加，Ioff亦是增加。經(jīng)確認(rèn)，剝離液中的Al離子生成氧化鋁顆粒附著在TFT器件背溝道上方的鈍化層，該顆粒充當(dāng)寄生柵極，寄生柵極效應(yīng)導(dǎo)致TFT器件的Ioff偏高。

為規(guī)避Al離子造成的寄生柵極效應(yīng)，TFT器件的源漏電極光刻膠剝離和公共電極光刻膠剝離各自需要專用的設(shè)備進行流片，兩個制程不要混合流片。若產(chǎn)能吃緊，需要對源漏電極光刻膠剝離和公共電極光刻膠剝離制程進行混合流片，為抑制寄生柵極造成Ioff增加的問題，需增加TFT器件背溝道的粗糙程度、增加鈍化層厚度。對TFT器件的背溝道進行強化等離子體處理，使得背溝道粗糙化，Ioff增加程度緩解（49%→29%）；增加鈍化層的厚度，寄生柵極效應(yīng)導(dǎo)致的Ioff增加程度緩解（15%→12%）。該項研究為陣列產(chǎn)線設(shè)備生產(chǎn)運營提供了參考，亦為TFT器件降低Ioff、確保產(chǎn)品良率提高了參考。