4-Mask工藝Cu腐蝕分析及改善研究

白金超，李小龍，韓 皓，張向蒙，左天宇，吳祖謀，丁向前，宋勇志，陳維濤

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 引 言

當(dāng)前液晶顯示面板朝著大尺寸化、高分辨率以及高刷新率方向發(fā)展，鋁導(dǎo)線因較高的電阻率存在時間延遲過大、充電率過低等問題，越來越不能滿足產(chǎn)品需求。銅導(dǎo)線相對鋁具有較低的電阻率，受到越來越多的重視，成為未來的發(fā)展趨勢[1-4]。

同時，4-Mask工藝相對傳統(tǒng)5-Mask工藝，具有工藝流程簡單，設(shè)備投資少等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為主要的陣列基板制作工藝。銅導(dǎo)線作為數(shù)據(jù)線時，4-Mask工藝的銅數(shù)據(jù)線刻蝕流程為第一次銅濕刻、有源半導(dǎo)體層干刻、光刻膠的灰化、第二次銅濕刻以及源/漏電極之間的歐姆接觸層干刻，其中有源半導(dǎo)體層干刻和光刻膠的灰化通常在一個干刻反應(yīng)腔內(nèi)連續(xù)完成。銅是比較活潑的金屬，在上述刻蝕過程中容易發(fā)生腐蝕從而造成不良[5-7]。

本文針對4-Mask工藝銅數(shù)據(jù)線腐蝕造成的鋸齒狀不良現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)研究，確定腐蝕發(fā)生的工藝步驟和發(fā)生機(jī)理，同時討論了改善腐蝕的方法，成功解決了銅數(shù)據(jù)線腐蝕問題，為銅導(dǎo)線的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 銅腐蝕原因分析及機(jī)理研究

2.1 不良現(xiàn)象確認(rèn)

本論文采用雙氧水+氫氟酸系銅刻蝕液，有源半導(dǎo)體層和歐姆接觸層干刻氣體為六氟化硫和氯氣，光刻膠的灰化氣體為六氟化硫和氧氣，光刻膠剝離液采用堿性有機(jī)剝離液。銅刻蝕和光刻膠剝離后都會采用純水置換清洗。

圖1 銅數(shù)據(jù)線的不良圖Fig.1 Defect image of Cu data line

圖1為4-Mask工藝完成第二次光刻工藝的銅數(shù)據(jù)線的不良圖。由圖1可見，銅數(shù)據(jù)線邊緣不平滑，呈鋸齒狀。這種不良會影響數(shù)據(jù)線的寬度均一性，造成數(shù)據(jù)線斷開不良高發(fā)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品良率和品質(zhì)。

圖2 每道刻蝕步驟后銅數(shù)據(jù)線圖片。(a)完成第一次銅濕刻的圖片；(b)完成第一次銅濕刻、有源半導(dǎo)體層干刻、光刻膠的灰化后的圖片。Fig.2 Image of Cu data line after each etching step.(a)Completing 1st Cu etching. (b) Completing 1st Cu etching, a-Si etching and PR ashing.

為了明確不良發(fā)生的原因，首先需要確認(rèn)不良發(fā)生的工藝步驟。因此對完成每道刻蝕步驟的數(shù)據(jù)線樣品通過顯微鏡進(jìn)行觀察，同時為了保證觀測的準(zhǔn)確性，將樣品上的光刻膠通過剝離液去除。圖2為觀測結(jié)果。其中圖2(a)為完成第一次銅濕刻的圖片，銅數(shù)據(jù)線邊緣光滑，不存在鋸齒狀不良。圖2(b)為完成第一次銅濕刻、有源半導(dǎo)體層干刻、光刻膠的灰化后的圖片，可見銅數(shù)據(jù)線邊緣存在大量的黑色異物。在完成第二次銅濕刻后，黑色異物消失，銅數(shù)據(jù)線出現(xiàn)邊緣不平滑、鋸齒狀的不良現(xiàn)象。因此銅數(shù)據(jù)線在進(jìn)行有源半導(dǎo)體層干刻和光刻膠的灰化工藝步驟時發(fā)生腐蝕產(chǎn)生黑色異物是造成不良發(fā)生的原因。

2.2 機(jī)理研究

首先確認(rèn)腐蝕生成物的成分。對在有源半導(dǎo)體層干刻和光刻膠的灰化工藝步驟產(chǎn)生的腐蝕生產(chǎn)物進(jìn)行掃描電子顯微鏡測試，測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，PR膠剝離和PR膠未剝離的銅數(shù)據(jù)線兩側(cè)都存在疏松的凸出異物。對銅數(shù)據(jù)線位置1和2的凸出異物進(jìn)行X射線電子能譜成分分析，結(jié)果如圖4所示。未進(jìn)行光刻膠剝離的樣品測試出Cu、O、Cl元素，而進(jìn)行光刻膠剝離的樣品測試出Cu、O元素，但是沒有Cl元素，說明腐蝕生成物中含有Cu和Cl，其中Cl在剝離工藝中能夠去除。

圖3 光刻膠剝離后(a)和光刻膠未剝離(b)的銅數(shù)據(jù)線掃描電子顯微鏡圖Fig.3 SEM images of Cu line without PR(a)and with PR (b)

圖4 銅數(shù)據(jù)線黑色異物EDS測試結(jié)果。 (a)光刻膠未剝離；(b)光刻膠剝離。Fig.4 EDS result of Cu line. (a) with PR；(b) without PR.

圖5 有源半導(dǎo)體層干刻和光刻膠灰化后銅數(shù)據(jù)線圖片。(a)完成第一次銅濕刻、有源層半導(dǎo)體層干刻的圖片；(b)完成第一次銅濕刻、光刻膠的灰化后的圖片。Fig.5 Image of Cu data line after a-Si etching and PR ashing.(a) Completing 1st Cu etching and a-Si etching；(b) Completing 1st Cu etching and PR ashing.

接下來對腐蝕生成物產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。完成第一次銅濕刻后，用顯微鏡分別觀測只進(jìn)行有源半導(dǎo)體層干刻和只進(jìn)行光刻膠灰化得樣品，光刻膠剝離后結(jié)果如圖5所示，兩種情況下銅數(shù)據(jù)線邊緣光滑，均未見黑色異物。因此可以推斷腐蝕生成物是在有源半導(dǎo)體層干刻和光刻膠灰化的綜合作用下產(chǎn)生的。

有源半導(dǎo)體層干刻采用六氟化硫和氯氣形成等離子，在等離子中會產(chǎn)生大量的化學(xué)反應(yīng)性高的活性基Cl·。Cl·和 Cu發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生初步腐蝕，反應(yīng)如下：

Cl· + Cu → CuCl+CuCl2

(1)

有源半導(dǎo)體層干刻完成后會進(jìn)行抽真空處理，以去除反應(yīng)腔內(nèi)殘留的氯氣，接著進(jìn)行光刻膠的灰化工藝，灰化采用六氟化硫和氧氣。有源半導(dǎo)體層干刻時產(chǎn)生的氯化亞銅具有強(qiáng)還原性，與氧氣會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)一步加劇腐蝕，反應(yīng)如下：

CuCl + O2→ CuO + CuCl2，

(2)

故腐蝕生成物主要成分為氧化銅和氯化銅。氯化銅溶于水和剝離液，經(jīng)過光刻膠剝離后溶于水和剝離液中，所以光刻膠剝離的樣品X射線電子能譜未檢測到Cl元素，未進(jìn)行光刻膠剝離的樣品能檢測到Cl元素；氧化銅既不溶于水也不溶于剝離液，且氧化銅為黑色固體，所以光刻膠剝離后還能觀測到黑色的腐蝕生成物。因?yàn)檠趸~和氯化銅都溶于雙氧水+氫氟酸系銅刻蝕液，所以腐蝕生成物氧化銅和氯化銅經(jīng)過第二次銅濕刻后被去除，從而造成銅數(shù)據(jù)線邊緣不平滑，呈鋸齒狀。

此外，只進(jìn)行有源半導(dǎo)體層干刻的樣品，由于只是銅和氯活性基發(fā)生初步腐蝕生成氯化亞銅和氯化銅，腐蝕不嚴(yán)重，而且在光刻膠剝離時氯化亞銅和氯化銅溶于剝離液和水，從而觀測不到腐蝕現(xiàn)象和腐蝕生成物。只進(jìn)行光刻膠灰化的樣品，銅和氧發(fā)生反應(yīng)，在銅數(shù)據(jù)線兩側(cè)生成氧化銅，由于氧化銅致密性較好，阻止了銅和氧的進(jìn)一步反應(yīng)，故腐蝕不嚴(yán)重，所以觀測不到腐蝕現(xiàn)象和腐蝕生成物。

3 改善措施及效果

考慮到氧化銅的致密性較好，可以阻止銅和氧、氯的進(jìn)一步反應(yīng)。因此在銅數(shù)據(jù)線制作時，可以先進(jìn)行光刻膠灰化工藝，利用灰化氣體中的氧和銅發(fā)生反應(yīng)，在銅數(shù)據(jù)線兩側(cè)邊緣生成一層薄的氧化銅，如圖6所示。然后再進(jìn)行有源半導(dǎo)體層干刻，由于氧化銅保護(hù)膜的存在，阻止了氯對銅數(shù)據(jù)線的腐蝕，從而防止了銅數(shù)據(jù)線發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。而氧化銅可以在進(jìn)行第二次銅濕刻被去除。

采用先進(jìn)行灰化工藝然后進(jìn)行有源半導(dǎo)體層干刻的工藝，改善效果見圖7。圖7(a)為完成第一次銅濕刻、先光刻膠的灰化再進(jìn)行有源半導(dǎo)體層干刻后銅數(shù)據(jù)線，并進(jìn)行光刻膠剝離，銅數(shù)據(jù)線邊緣無黑色異物。圖7(b)為完成刻蝕工藝最終形成的銅數(shù)據(jù)線圖片，銅數(shù)據(jù)線邊緣平滑，無鋸齒狀不良。因此這種調(diào)整工藝順序的改善措施可以解決4-Mask工藝銅數(shù)據(jù)線腐蝕的問題。

圖7 改善后銅數(shù)據(jù)線圖片。(a)完成第一次銅濕刻、先光刻膠的灰化再進(jìn)行有源半導(dǎo)體層干刻的銅數(shù)據(jù)線；(b)完成刻蝕的銅數(shù)據(jù)線。Fig.7 Image of improved Cu data line.(a) Completing 1st Cu etch and PR ashing first and then a-Si etching； (b) Final Cu data line.

4 結(jié) 論

本文針對4-Mask工藝中銅數(shù)據(jù)線腐蝕造成的鋸齒狀不良現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)此不良是銅數(shù)據(jù)線在有源半導(dǎo)體層干刻和光刻膠的灰化工藝的綜合作用下發(fā)生腐蝕造成的，銅腐蝕主要產(chǎn)物為氧化銅、氯化銅。通過先進(jìn)行灰化工藝然后進(jìn)行有源層干刻的改善措施，在銅數(shù)據(jù)線兩側(cè)形成氧化銅保護(hù)膜，可以有效解決銅腐蝕的問題，徹底消除銅數(shù)據(jù)線鋸齒狀不良。