蝕刻液組成對薄膜晶體管線路蝕刻性能的影響

林 鋼，陳遠明，張漢焱，謝澤雄

(1.廣東汕頭超聲電子股份有限公司，廣東 汕頭 515041；2.汕頭超聲顯示器技術(shù)有限公司，廣東 汕頭 515041)

在觸控屏和液晶顯示行業(yè)中，MoNb和AlNd薄膜常被用于引腳走線層。MoNb薄膜因具有良好的化學穩(wěn)定性、表面平整性，以及良好的歐姆接觸性而被廣泛應用[1-3]。由于電阻率較高，對大尺寸的薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器件而言，其電性能不足。而AlNd薄膜具有成本低、化學性能活潑、易于被蝕刻成圖形、電阻率低等優(yōu)勢，廣泛應用于觸控、顯示等行業(yè)[4-7]，因此在實際應用中常常采用AlNd薄膜配合MoNb薄膜來使用。MoNb和AlNd薄膜具有不同的物理性質(zhì)和化學性能，采用單一組分蝕刻液很難獲取相同的蝕刻速率。對薄膜晶體管的金屬線路制作工藝來說，在圖形處理工藝過程中若MoNb和AlNd具有不同的蝕刻速率，將導致形成倒梯形的導電層間結(jié)構(gòu)，這將嚴重影響薄膜晶體管器件的可靠性。要解決上述問題，就要找到對MoNb和AlNd薄膜具有相同或相近蝕刻速率的蝕刻液。MoNb和AlNd薄膜主要使用MoNb合金靶材和AlNd合金靶材，通過真空磁控濺射設(shè)備成膜。MoNb和AlNd薄膜的主要成分分別是Mo金屬和Al金屬。MoNb和AlNd薄膜蝕刻液主要成分為磷酸、硝酸、醋酸和水，其組分與Mo和Al的反應方程如下：

鉬的蝕刻速率主要受硝酸濃度的影響，鋁的蝕刻速率主要受磷酸濃度的影響，醋酸不參與反應，但可以起降低蝕刻液黏度作用，使藥液能更好地與膜層表面反應。因此，理論上可通過改變各種酸的質(zhì)量分數(shù)，使MoNb、AlNd得到優(yōu)化匹配的蝕刻速率。本文通過改變硝酸、磷酸、醋酸和水等混合蝕刻液各成分的質(zhì)量分數(shù)，研究各成分質(zhì)量分數(shù)變化對MoNb和AlNd金屬薄膜的蝕刻速率的影響。

1 試驗

以硝酸、磷酸、醋酸和水為混合蝕刻液的組成成分，分別改變各成分的質(zhì)量分數(shù)，配置不同的混合蝕刻液并加熱至 45 ℃，電磁攪拌以模擬噴淋效果，再將成膜厚度為 300 nm 的MoNb或AlNd薄膜玻璃片浸入配置好的蝕刻液中。觀察膜層表面褪至無色，配合萬用表測量薄膜的電阻率以確定薄膜蝕刻是否完全。薄膜厚度采用臺階儀進行測量，膜層蝕刻后Taper角形態(tài)采用SEM進行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 硝酸質(zhì)量分數(shù)對AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率的影響

金屬混合蝕刻液初始配置如表1所示。逐漸添加硝酸，在每個硝酸質(zhì)量分數(shù)下分別試驗AlNd、MoNb的蝕刻速率，匯總?cè)绫?。

表1 混合蝕刻液初始成分表

表2 不同濃度硝酸含量變化對MoNb和AlNd薄膜蝕刻速率影響統(tǒng)計

由上述試驗可知，在硝酸含量為0時，MoNb薄膜由于無硝酸對其進行氧化，反應無法進行，此時無法蝕刻。但AlNd薄膜卻能以 1.217 nm/s 的速率進行蝕刻。當硝酸在0～0.63%范圍內(nèi)，MoNb薄膜蝕刻速率隨硝酸質(zhì)量分數(shù)的增加而大幅提高。在硝酸質(zhì)量分數(shù)超過0.63%后，MoNb蝕刻速率趨向穩(wěn)定，蝕刻速率緩慢增加。而硝酸質(zhì)量分數(shù)在0～1.25%范圍內(nèi)時，AlNd蝕刻速率隨硝酸質(zhì)量分數(shù)的增加而大幅提高。在硝酸質(zhì)量分數(shù)超過1.25%后，AlNd蝕刻速率趨向穩(wěn)定，隨硝酸質(zhì)量分數(shù)的增加而緩慢提高。

2.2 磷酸質(zhì)量分數(shù)對AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率的影響

金屬混合蝕刻液初始配置如表3所示。逐漸添加磷酸，在每個質(zhì)量分數(shù)下分別試驗AlNd、MoNb薄膜的蝕刻速率。MoNb和AlNd薄膜的蝕刻速率的變化規(guī)律如圖1。

表3 混合蝕刻液初始成分表

通過圖1可知，AlNd薄膜的蝕刻速率隨著磷酸質(zhì)量分數(shù)的增加而逐步提高，MoNb薄膜的蝕刻速率隨著磷酸質(zhì)量分數(shù)的增加而逐步下降。

圖1 磷酸質(zhì)量分數(shù)對AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率的影響

2.3 醋酸質(zhì)量分數(shù)對AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率的影響

金屬混合蝕刻液初始配置如表4所示。逐漸添加醋酸，在每個醋酸質(zhì)量分數(shù)下分別試驗AlNd、MoNb的蝕刻速率，MoNb和AlNd薄膜的蝕刻速率的變化規(guī)律如圖2所示。

表4 混合蝕刻液初始成分表

圖2 醋酸質(zhì)量分數(shù)對AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率的影響

由圖2可知：隨著醋酸質(zhì)量分數(shù)的增加(由0～12.83%)，AlNd薄膜的蝕刻速率逐漸下降，這方面原因主要為隨著醋酸的添加，造成磷酸質(zhì)量分數(shù)的下降(由79.43%～69.14%)。因此，AlNd薄膜蝕刻速率會出現(xiàn)下降的趨勢。而對于MoNb薄膜,隨著醋酸質(zhì)量分數(shù)的增加，蝕刻速率呈逐漸下降趨勢，但不明顯。這方面原因主要是隨著醋酸的添加，造成藥液中硝酸質(zhì)量分數(shù)的下降造成的。

2.4 水質(zhì)量分數(shù)對AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率的影響

金屬混合蝕刻液初始配置如表5所示，逐漸添加水含量，在每個含量下分別試驗AlNd、MoNb的蝕刻速率， MoNb和AlNd的薄膜的蝕刻速率的變化規(guī)律如圖3所示

表5 混合蝕刻液初始成分表

圖3 水質(zhì)量分數(shù)對AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率的影響

由圖3可知，對于AlNd薄膜來說，隨著水的添加，蝕刻速率逐漸下降。但對于MoNb薄膜，隨著水含量的增加，蝕刻速率逐漸提高。

2.5 優(yōu)化混合蝕刻液的成分

由以上實驗可知，影響AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率的主要因素為磷酸及水的質(zhì)量分數(shù)，硝酸、醋酸質(zhì)量分數(shù)在一定范圍內(nèi)影響相對較小。為找到對AlNd和MoNd薄膜具有相同蝕刻速率的混合蝕刻液最佳配比，通過改變磷酸、水質(zhì)量分數(shù)，按體積比分別配置3種金屬蝕刻液，如表6所示。分別計算混合蝕刻液對AlNd和MoNb薄膜的蝕刻速率，統(tǒng)計如表7。混合蝕刻液對MoNb和AlNd薄膜的蝕刻速率的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 混合蝕刻液中磷酸和水含量的變化對AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率影響趨勢

表6 混合蝕刻液配制成分比例

表7 混合蝕刻液對MoNb和AlNd薄膜蝕刻速率的影響

在磷酸質(zhì)量分數(shù)為66.74%,硝酸質(zhì)量分數(shù)為1.93%，醋酸質(zhì)量分數(shù)10.30%，水質(zhì)量分數(shù)為8.30%時，AlNd、MoNb蝕刻速率剛好相等，為 4.3 nm/s。此藥液換算為初始配比為(以 100 mL 藥液為例)磷酸 70 mL、醋酸 15 mL、硝酸 3 mL、水 12 mL。

3 結(jié)語

通過改變磷酸、硝酸、醋酸、水各組分的質(zhì)量分數(shù),研究對AlNd、MoNb薄膜蝕刻速率的影響規(guī)律，結(jié)果顯示：隨著磷酸質(zhì)量分數(shù)的增加，AlNd薄膜的蝕刻速率逐步增加，MoNb薄膜的蝕刻速率逐步下降。在硝酸質(zhì)量分數(shù)為0時，MoNb薄膜無法蝕刻，AlNd薄膜蝕刻速率也極慢。在硝酸質(zhì)量分數(shù)為0～1.25%區(qū)間，隨著硝酸質(zhì)量分數(shù)增加，AlNd、MoNb薄膜的蝕刻速率也大幅提高。當硝酸質(zhì)量分數(shù)超過1.25%時，兩種金屬的蝕刻速率趨向穩(wěn)定，硝酸質(zhì)量分數(shù)的改變對其影響相對較小。水質(zhì)量分數(shù)的改變對AlNd、MoNb薄膜的蝕刻速率影響較大。隨著水質(zhì)量分數(shù)的增加，AlNd薄膜蝕刻速率快速下降，MoNb薄膜蝕刻速率快速上升。醋酸質(zhì)量分數(shù)的增加則導致AlNd薄膜蝕刻速率會逐步下降，而MoNb薄膜蝕刻速率呈逐漸下降趨勢，但影響相對較小。在蝕刻溫度為 45 ℃，磷酸質(zhì)量分數(shù)為66.74%，硝酸質(zhì)量分數(shù)為1.93%，醋酸質(zhì)量分數(shù)為10.3%，水質(zhì)量分數(shù)為8.3%時，AlNd、MoNb蝕刻速率剛好相等，為最佳混合液的配比。