第３５卷㊀第１０期
怎样增强文化自信
２０２０年１０月㊀㊀
㊀㊀㊀
㊀㊀液晶与显示
㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a y
s ㊀㊀㊀㊀㊀
V o l ．３５㊀N o ．１０㊀O c t ．２０２０
㊀㊀收稿日期:２０２０Ｇ０３Ｇ２０；修订日期:２０２０Ｇ０５Ｇ１４．
㊀㊀∗通信联系人,E Ｇm a i l :l i u d a n _c q ＠b o e ．c o m．c n ,l i u y
i ＠b o e ．c o m．c n 文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０２０)１０Ｇ１０２６Ｇ１０
栅极坡度角对T F T 器件制程的影响
刘㊀丹１,
２∗，刘㊀毅１,３∗
，黄中浩１，高坤坤１，吴㊀旭１，田茂坤１，王㊀恺１，张㊀超１，王㊀瑞１，闵泰烨１，冯家海１，方㊀亮２
(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．中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆４００７１４)
摘要：薄膜晶体管(T h i n f i l mt r a n s i s t o r ,T F T )的栅极在截面方向上是一个台阶，栅极绝缘层(G a t e I n s u l a t o r ,G I )和源漏极(S o u r c e 和D a t a 电极,S D 电极)依次覆盖于台阶之上，覆盖程度以台阶覆盖率(台阶处G I 层水平厚度与竖直厚度的比值)进行衡量.本文结合重庆京东方的HA D S 产品工艺制程，探究了栅极厚度㊁坡度角对G I 层的台阶覆盖率的影响.同时，在覆盖率的基础上研究了台阶处和非台阶处的S D 膜层刻蚀程度差异.结合量产中的不良，分析栅极坡度角㊁覆盖率㊁栅极腐蚀等相关不良的关系，并提出相应的良率提升措施.实验结果表明：坡度角是影响G I 覆盖率的关键因素,
且栅极坡度角与G I 覆盖率呈负线性关系.当栅极厚度在２８０~５００n m 范围变化时，栅极坡度角每增加１０ʎ,G I 层台阶覆盖率下降约２０％.S D 膜层覆盖在台阶上，因台阶的存在造成此处的S D 层减薄，最终导致该处的S D 膜层刻蚀程度加大.如果栅极坡度角偏大，会导致台阶处G I 层减薄或者产生微裂纹，工艺制程中的腐蚀介质会透过减薄的G I 层进而腐蚀栅极；此外，偏大的栅极坡度角会导致台阶处的S D 电极有断线的风险.通过刻蚀液种类变更㊁刻蚀液成分微调㊁刻蚀工艺的优化可以降低栅极坡度角，规避上述良率风险.此外，对于栅极腐蚀型不良，也可以通过调整G I 层的成膜参数来提升覆盖率.对于S D 电极断线风险，可尝试增加光刻胶粘附力㊁台阶处S D 线加宽等措施规避风险.
关㊀键㊀词：薄膜晶体管；栅极坡度角；台阶覆盖率；信号线断线；栅极腐蚀
中图分类号:T N ３０４;T N １４１．９㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７１８８/Y J Y X S ２０２０３５１０．１０２６
I n f l u e n c e o f g a t e p r o f i l e o nT F Tm a n u f a c t u r i n gp
r o c e s s L I U D a n １,
２∗,L I U Y i １,
３∗,HU A N GZ h o n g Ｇh a o １,G A O K u n Ｇk u n １,WU X u １,T I A N M a o Ｇk u n １
,WA N G K a i １,Z H A N GC h a o １,WA N G R u i １,M I N T a i Ｇy e １,F E N GJ i a Ｇh a i １,F A N GL i a n g
２(１．C h o n g q i n g B O EO p t o e l e c t r o n i c sT e c h n o l o g y C o ．,L t d ．,C h o n g q i n g ４
００７００,C h i n a ;２．D e p a r t m e n t o f A p p l i e dP h y s i c s ,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g ４
０００４４,C h i n a ;３．C h o n g q i n g I n s t i t u t e o f G r e e na n dI n t e l l i g e n tT e c h n o l o g y ,
C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,C h o n g q i n g ４
００７１４,C h i n a )A b s t r a c t :T h e g a t e e l e c t r o d e o f t h i n f i l mt r a n s i s t o r (T F T )i s a s t e p i nc r o s s s e c t i o n ,i t i s c o v e r e db y
哑铃弯举标准动作
g a t e i n s u l a t o r (G I ),s o u r c e a n d d a t a e l e c t r o d e (S De l e c t r o d e )i n s e q u e n c e ,a n d t h e d e g r e e o f c o v e r a g
e i s m e a s u r e db y t h e s t e p c o v e r a g
e ,w h i c h i s t h e r a t i oo
f t h e h o r i z o n t a l t h i c k n e s s t o t h e v e r t i c a l t h i c k n e s s o fG I l a y e ra tt h es t e p ．I nt h i s p a p e r ,c o m b i n i n
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i n gp r o c e s so f H A D S p r o d u c t i n C h o n g q i n g B O Ec o m p a n y ,t h e i n f l u e n c e o f g a t e t h i c k n e s s a n d p r o f i l e o n t h eG I l a y e r s t e p c o v e r a g
e i s .com. All Rights Rerved.
s t u d i e d．T h e n,t h ed i f f e r e n c eo fS De t c h i n g d e g r e eb e t w e e ns t e p a n dn o nＧs t e p i x p l o r e db a s e do n s t e p c o v e r a g e．A f t e r t h a t,t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n g a t e p r o f i l e,s t e p c o v e r a g e,C u c o r r o s i o n a n d o t h e r d e f e c t s a r e a n a l y z e db a s e do nd e f e c t i n f o r m a t i o n i nm a s s p r o d u c t i o n．A t l a s t,t h e c o r r e s p o n d i n gy i e l d u p m e a s u r e s a r e p r o p o s e d．T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h e t a t e p r o f i l e i s a k e y f a c t o r a f f e c t i n g s t e p c o v e r a g e,a n d g a t e
p r o f i l eh a san e g a t i v e l i n e a rr e l a t i o n s h i p w i t h G Ic o v e r a g e．W h e nt h e g a t e t h i c k n e s s v a r i e s f r o m２８０n mt o５００n m,t h eG I c o v e r a g e d e c r e a s e sb y２０％f o r e v e r y１０ʎi n c r e a s e i n t h e g a t e p r o f i l e．S D l a y e r c o v e r s t h e s t e p,a n dw i l l b e t h i n n e d a t t h i s p l a c e,w h i c h l e a d s t o a n i n c r e a s e i n t h e d e g r e e o f S De t c h i n g．I f t h e g a t e p r o f i l e i s l a r g e,t h eG I l a y e r a t t h e s t e p w i l l b e t h i n n e d o r g e nＧe r a t e sm i c r oＧc r a c k s,t h e c o r r o s i v em e d i u mi nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw i l l p a s s t h r o u g h t h e t h i n n e dG I l a y e r o r c r a c k t or e a c tw i t h g a t ee l e c t r o d e t o f o r mc o r r o s i o n．W h a t sm o r e,a l a r g e r g a t e p r o f i l ew i l l c a u s eS Dl i n e t o b e o p e n a t t h e s t e p．A g e n t l e g a t e p r o f i l e c a nb e o b t a i n e d t o a v o i d t h e a b o v e y i e l d r i s k b y c h a n g i n g e t c h a n t,a d j u s t i n g e t c h a n t c o m p o s i t i o n,o p t i m i z i n g e t c h p r o c e s s．I n a d d i t i o n,i t i s a u s e f u l m e t h o d t o a d j u s tG I d e p o s i t i o n p a r a m e t e r t o i m p r o v eG I c o v e r a g e t o a v o i d g a t e c o r r o s i o n;a n d t h e s oＧl u t i o n c o n t a i n i n g i m p r o v i n gp h o t oＧr e s i s ta d h e s i o n,w i d e n i n g t h eS Dl i n ea t t h es t e p c a nb et r i e dt o a v o i dS Dl i n e o p e n．
K e y w o r d s:t h i n f i l mt r a n s i s t o r;g a t e p r o f i l e;s t e p c o v e r a g e;d a t a l i n e o p e n;g a t e c o r r o s i o n
１㊀引㊀㊀言
㊀㊀薄膜晶体管液晶显示器(T h i nF i l m T r a nＧs i s t o rＧL i q u i dC r y s t a lD i s p l a y,T F TＧL C D)因其色彩逼真㊁画质清晰㊁轻薄节能等优点，取代了C R T 显示器.经过近十几年的发展,T F TＧL C D在显示技术中占据了重要地位，可对应大㊁中㊁小各型尺寸显示.随着显示技术的不断发展，近些年出现了有机发光二极管(O r g a n i cL i g h tE m i t t i n g D i o d e,O L E D)㊁量子点发光二极管(Q u a n t u m L i g h t E m i t t i n g D i o d e,Q L E D)㊁M i n iＧL E D㊁M i c r oＧL E D等新型显示技术.O L E D具有响应快㊁轻薄㊁柔性化等特点，将逐步发展成为主流显示技术.但O L E D对环境敏感，可靠性差，制程良率低，且制造成本高，目前该技术适用于中小型尺寸显示.由此可以预见，在未来的一段时期, T F TＧL C D将和O L E D共存，二者相互竞争发展[１Ｇ３].Q L E D显示属于电致发光，其器件的结构与O L E D类似，最大的区别在于O L E D的有机发光层是有机材料，而Q L E D的发光层是无机材料.无机材料的可靠性优于有机材料，理论上Q L E D有着更好的环境适应性.Q L E D技术目前还处于研发阶段，未量产.M i n iＧL E D和M i r oＧL E D属于L E D型显示,M i r c oＧL E D的像素更小，技术难度更大.M i n iＧL E D目前已经商业化,M i c r oＧL E D预计在未来２~５年实现商业化[３].新型显示技术也同T F TＧL C D进行交叉融合，进一步提升T F TＧL C D显示性能.Q L E D技术已应用于T F TＧL C D的背光源，该技术与L E D背光源相比，可提供更纯的三基色，使得显示的颜色更真实，色域更广阔.三星㊁T C L已经推出Q L E D背光源电视.M i n iＧL E D技术同样可以应用于T F
TＧL C D的背光源,M i n iＧL E D背光源可实现局部调光，使T F TＧL C D达到O L E D的显示效果[２Ｇ３].又是一年风起时
重庆京东方生产的高开口率高级超维场转化型液晶显示器(H i g ha p e r t u r e a d v a n c e ds u p e r d iＧm e n s i o n a l s w i t c h i n g,H A D S)用于笔记本电脑.
H A D S产品的T F T属于底栅结构，其制程依次是：栅极(G a t e)㊁非晶硅层(A c t i v e)㊁像素电极(P X LI T O)㊁源极和漏极(S o u r c e和D r a i n,S D电极)㊁钝化层(P a s s i v a t i o n,P V X)㊁公共电极(C o mＧm o n I T O)，共经历６次光刻[４].栅极依次采用磁控溅射成膜㊁光刻㊁湿法刻蚀制得，栅极在截面方向形成梯形状台阶，有坡度角(P r o f i l e)，坡度角受膜厚㊁光刻㊁刻蚀等参数的影响[５].栅极和有源层之间覆盖着栅极绝缘层(G a t e I n s u l a t o r,G I层),G I 层由S i N x构成，其采用化学气相沉积(C h e m i c a l V a p o rD e p o s i t i o n,C V D)方法制得.覆盖在栅极台阶处的S i N x，沿水平方向有着厚度，沿着竖直方向也有厚度，水平方向的厚度与竖直方向厚度的比值
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第１０期㊀㊀㊀㊀㊀㊀刘㊀丹，等：栅极坡度角对T F T器件制程的影响.com. All Rights Rerved.
为台阶覆盖率(S t e p C o v e r a g e ，栅极坡度角处水平方向绝缘层厚度与竖直方向绝缘层厚度之比)
以民为本[６
].如果栅极的台阶覆盖率偏低，意味着栅极台阶处水平方向的G I 层较薄，在此方向可能有短路的风险，进而导致产品良率下降.在栅极坡度角不变的情况下，可以通过调整C V D 工艺制程参数的调整来获得较大的台阶覆盖率，进而规避风
险[６Ｇ８]
.然而，随着工艺数的变化，栅极坡度角会
发生变化
[５
]，栅极坡度角对G I 层台阶覆盖率的
影响以及该影响与后续制程㊁产品良率的关系却未见报道.
本文结合重庆京东方生产的１５．６HA D S 产
品的T F T 工艺制程，通过工艺的调整获得不同坡度角的栅极，然后将不同坡度角的栅极样品制备成T
F T 器件.通过此实验，研究了栅极坡度角对G I 层台阶覆盖率的影响.在此基础上，明确了栅极坡度角对后续的S D 电极刻蚀的影响,
推测并证实了栅极坡度角与T F T 制程中栅极腐蚀的关系.最后，针对栅极坡度角偏大带来的不利影响提出改善方案.
２㊀实㊀㊀验
图１㊀T F T 器件结构及制程顺序示意图
F i g ．１㊀D i a g r a mo fT F Td e v i c e a n d p r o c e s s s e q
u e n c e ２．１㊀实验流程
实验在京东方８．５代线的１５．６H A D S 产品的工艺流程中进行，该产品的T F T 器件结构和制程顺序如图１所示.在栅极阶段，通过膜厚㊁刻蚀液种类㊁刻蚀时间的变化，获得不同坡度角的栅极.将不同栅极坡度角的样品分为A 和B 两种类型,A 类型样品包含了栅极膜厚㊁
坡度角的变化，该类样品随后进行栅极绝缘层(G a t e
I n s u l a t o r ,G I )成膜.按照工艺制程顺序,G I 膜层
又可以细分为３层，依次是快速G I 膜层(F a s t
G a t e I n s u l a t o r ,F G I )㊁高速G I 膜层(G I i n H i g
h S p e e d ,G H )㊁低速G I 膜层(G Ii nl o w s p
e e d ,G L ).G L 层与a ＧS i 接触，故谢振宇等人将G L 层称作栅界面S i N x 层
[６
].G I 分层情况如图２所示.在栅极坡度角位置,F G I 在水平和竖直方向的厚度依次为０．２４９６μm 和０．２６６３μm ，水平厚度与竖直厚度之比为台阶覆盖率,F G I 的覆盖率为９３．７％.同理，整个G I 在该处水平和竖直方向的厚度为
０ ３３８８μm 和０．３６５５μm ,
对应的覆盖率为９２ ７％.F G I 和G I 的覆盖率参数接近，采用F G I 的覆盖率反映整个G I 的覆盖率.A 类样品仅完成
元宵灯谜F G I 成膜,
然后对样品进行切片，并采用扫描电子显微镜(S c a nE l e c t r o n i cM i c r o s c o p e ,S E M )进行微观形貌测试.在截面方向上，采用S E M 观察覆盖有F G I 膜层的栅极形貌，测试栅极台阶处F G I 膜层的
水平厚度和竖直厚度，然后换算获得台阶覆盖率数据，以此研究栅极膜厚和坡度角对F G I 层台阶覆盖率的影响.B 类样品的栅极膜厚相同，只是经历不图２㊀G I 分层(a ,b )与覆盖示意图(c
)F i g ．２㊀D i a g r a mo fG I l a y e r (a ,b )a n d i t s c o v e r a g
e (c )同的刻蚀液和刻蚀时间，最终导致栅极坡度角不同.B 类样品按照１５．６H A D S 产品的工艺流程进行器件制备，在S D 电极制备阶段，测试S D 膜层经光刻后的光刻胶在台阶处和非台阶处的显影后关键尺寸(D e v e l o p m e n t I n s p e c t i o nC r i t i c a l D i m e n s i o n ,D I C D )，然后进行S D 刻蚀㊁
光刻胶剥离，再对样品在同样的位置测试电极的最终关键尺寸(F i n a l I n Ｇs p
e c t i o nC r i t i c a lD i m e n s i o n ，简称F I C D ).在T F T 行业,D I C D 与F I C D 之差称作B i a s 或C DB i a s ，其代表刻蚀程度，该值越大则刻蚀程度越大.对于同一个样品，台阶处和非台阶处的B i a s 差异代表不同位置的刻蚀程度差异，也即台阶对刻蚀程度的影响；对于不同的样品，栅极坡度角不同，台阶处的B i a s 差异代表栅极坡度角对台阶处刻蚀影响程度
８
２０１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀
第３５卷㊀
无法忍受秋瓷炫
.com. All Rights Rerved.
的差异.D I C D㊁F I C D与工艺制程的关系如图３所示，台阶处和非台阶处的位置如图４所示,C D１代表台阶位置，下方的C D２代表非台阶位置.
图３㊀D I C D和F I C D测试在工艺制程中的流程元旦休假
F i g．３㊀P r o c e s s f l o wf o rm e a s u r e m e n t o fD I C Da n dF I C D
图４㊀S D层关键尺寸测量位置
F i g．４㊀M e a s u r i n gp o s i t i o no fc r i t i c a ld i m e n s i o nf o r
S Dl a y e r
完成上述实验，明确栅极坡度角对F G I覆盖性和S D刻蚀差异影响，在此基础上提出栅极坡度角偏大导致G I台阶覆盖恶化，台阶处G I厚度变薄，最终导致腐蚀介质侵入造成栅极腐蚀的假设.将栅极腐蚀样品进行切片，采用S E M进行截面测试，对比腐蚀区域与非腐蚀区域的栅极坡度角差异，对假设进行验证.
２．２㊀实验样品
实验共分３部分，如表１所示.对于区块一，通过不同的磁控溅射时间获得栅极膜厚差异，通过变更刻蚀液种类和刻蚀时间获得不同的栅极坡度角.待该组样品完成F G I成膜后，在每个样品上均匀取９个部位，进行S E M测试，用最终的均值反应台阶覆盖率.对于区块二,D I C D和F I C D，采用T F T产线的H T C D设备进行测试.
H T C D设备采用非接触成像与像素分析的技术手段进行测量，每张玻璃基板测试５４个点位，并获得５４个数据，通过５４个数据的平均值反应测试情况.区块三中的样品属于１５ ６H A D S的产品，在实际量产过程中遇到栅极腐蚀的问题，通过重庆京东方的良率管理系统(Y i e l d M a n a g e m e n t S y s t e m,YM S)确定腐蚀发生的位置，对这些位置进行标注，并切片取样；同时对未发生栅极腐蚀的位置进行标注并取样；然后对两组样品进行S E M 测试，对比栅极坡度角，获得栅极腐蚀与栅极坡度角的关系.
表１㊀制程实验条件
T a b．１㊀E x p e r i m e n t s p l i t o f p r o c e s s 实验区块探究区域样品编号
区块一
栅极膜厚㊁坡度角对F G I
梅菜扣肉的家常做法正宗覆盖性的影响A类区块二
不同栅极坡度角对台阶处
S D刻蚀程度的影响B类区块三
栅极腐蚀与G I层台阶覆
盖率的关系Ｇ
３㊀
实验结果及分析
图５㊀F G I覆盖台阶的微观形貌.(a)较大的栅极坡度角;(b)较小的栅极坡度角.
F i g．５㊀M i c r oＧm o r p h o l o g y o fF
G I c o v e r i n g t h es t e p．
(a)L a r g e r p r o f i l e;(b)S m a l l e r p r o f i l e．３．１㊀栅极膜厚和坡度角对G I层台阶覆盖率的影响
㊀㊀栅极是M o N b/C u复合结构膜层,M o N b作为缓冲层沉积在玻璃基板上，然后C u再沉积到M o N b上面.M o N b可以增加C u与玻璃基板的粘附力.当栅极的C u厚度保持３００n m时，不同栅极坡度角对应F G I膜层台阶覆盖的微观形貌如图５所示，图(a)对应的栅极坡度角比图(b)大，对于台阶位置水平方向上的G I厚度而言，图(b)的水平厚度更大.
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第１０期㊀㊀㊀㊀㊀㊀刘㊀丹，等：栅极坡度角对T F T器件制程的影响.com. All Rights Rerved.
在栅极膜厚保持３００n m条件下，栅极坡度角与台阶覆盖率的变化趋势如图６所示.栅极坡度角增加,F G I膜层的台阶覆盖率逐渐下降，且下降的斜率存在阶段性差异，坡度角５８ʎ是下降斜率的拐点.如果坡度角不高于５８ʎ，台阶覆盖率下降速率快；坡度角高于５８ʎ，台阶覆盖率缓慢下降.在坡度角约为５５ʎ时，台阶覆盖率接近１００％，此时台阶处的F G I膜层水平厚度与竖直厚度持平.
图６㊀栅极厚度３００n m下坡度角与F G I覆盖率关系F i g．６㊀R e l a t i o n s h i p b e t w e e n g a t e p r o f i l ea n d F G I
c o v e r a g e i n f i x e
d g a t
e t h i c k n e s s o f３００n m 不同栅极膜厚和坡度角样品与F G I层覆盖率对应情况如表２所示.从表中可以看出，当栅极膜厚固定时，栅极坡度角和F G I层覆盖率是负相关关系.将栅极膜厚和坡度角视作自变量，将F G I的覆盖率视作因变量，采用三维做图，情况如图７所示.通过对三维视图进行旋转，可以看出台阶覆盖率随着坡度角的变化而变化，同栅极膜厚并无明显的变化趋势.采用M i n i t a b对上述两个自变量和一个因变量采用主效应分析，明确两个自变量对因变量的影响程度.主效应分析情况如图８所示，可以看出膜厚对F G I覆盖率的影响不超过１０％，可以忽略，坡度角的影响程度最大.
表２㊀不同栅极膜厚、坡度角下的F G I覆盖率
㊀T a b．２㊀F G I c o v e r a g e i nd i f f e r e n t g a t e t h i c k n e s s a n d p r o f i l e
玻璃编号栅极厚度/n m坡度角/(ʎ)台阶覆盖率/％A１２８０５２．３７１１０．２７
A２２８０６２．６４９１．７３
A３３００５７．８３９３．２０
A４３００６０．５９２．２８
续㊀表
玻璃编号栅极厚度/n m坡度角/(ʎ)台阶覆盖率/％
A５３００６２．６２９２．０２
A６３００６３．２６９０．７９
A７３００４０．１７１３０．５９
A８４５０６０．７８９３．００
A９４５０４２．５２１３５．４５
A１０５００６３．２５９２．６８
A１１５００４４．０４１３２．０
７
图７㊀不同栅极膜厚(a)㊁坡度角(b)下F G I覆盖率的三维视图.
F i g．７㊀T h r e e d i m e n s i o nv i e wo fF
G I c o v e r a g e i nd i fＧ
f e r e n t
g a t e t
h
i c k n e s s(a)a n d p r o f i l e(b
)
图８㊀栅极膜厚㊁坡度角关于F G I覆盖率的主效应分析.
F i g．８㊀M a i ne f f e c ta n a l y s i so f g a t et h i c k n e s sa n d
p r o f i l e o nF G I c o v e r a g e
０３０１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀.com. All Rights Rerved.
