使用銅源漏電極的非晶氧化銦鋅薄膜晶體管的研究

徐瑞霞,陳子楷,趙銘杰,寧洪龍,鄒建華, 陶 洪,王 磊,徐 苗,彭俊彪

(1.廣州新視界光電科技有限公司,廣東廣州 510730; 2.華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室,廣東廣州 510641; 3.華南理工大學電子與信息學院,廣東廣州 510641)

使用銅源漏電極的非晶氧化銦鋅薄膜晶體管的研究

徐瑞霞1,陳子楷1,趙銘杰2*,寧洪龍2,鄒建華2, 陶 洪2,王 磊2,徐 苗3,彭俊彪2*

(1.廣州新視界光電科技有限公司,廣東廣州 510730; 2.華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室,廣東廣州 510641; 3.華南理工大學電子與信息學院,廣東廣州 510641)

為了實現氧化物薄膜晶體管(TFT)的低電阻布線,采用Cu作為氧化物TFT的源漏電極。通過優化成膜工藝制備了電阻率低至2.0μΩ·cm的Cu膜,分析了Cu膜的晶體結構、粘附性及其與a-IZO薄膜的界面,制備了以a-IZO為有源層和Cu膜的粘附層的TFT器件。結果表明:所制備的Cu膜呈多晶結構;引入a-IZO粘附層增強了Cu膜與襯底的粘附性;同時,Cu在a-IZO中的擴散得到了抑制。所制備的TFT的遷移率、亞閾值擺幅和閾值電壓分別為12.9 cm2/(V·s)、0.28 V/dec和-0.6 V。

薄膜晶體管;氧化銦鋅;銅布線

1 引 言

非晶氧化物半導體薄膜晶體管(TFT)具有高遷移率、低工藝溫度和均勻的電學性能[1-2],其作為平板顯示器的驅動背板已得到廣泛的研究。近年來,平板顯示技術朝著大尺寸化和高分辨率化的方向快速發展,由此導致的信號延遲(RC延遲)現象影響了顯示效果,如圖像出現陰影和扭曲等。為了降低RC延遲的影響,TFT背板需要采用低電阻的銅(Cu)布線技術[3-4]。

然而,Cu膜與大多數絕緣襯底的粘附性很差,這是由于Cu的化學活性較弱,難以與絕緣襯底發生鍵合[5]。此外,Cu原子易擴散至半導體層而導致TFT性能劣化[6-7]。目前,為了改善Cu的粘附性及阻止Cu原子向半導體層擴散,多以Cu/ Ti[8-9]、Cu/Mo[10-11]等雙層薄膜或 Cu合金薄膜[12-13]代替單層的純Cu薄膜作為TFT的電極。雙層薄膜中Ti、Mo等粘附層增強了Cu膜的粘附性,同時阻止了Cu原子向半導體層擴散。但是,雙層薄膜通常由于組成薄膜的刻蝕特性差異而導致刻蝕效果不佳[11]。使用Cu與Mn、Mg等高氧親和能的元素形成的合金薄膜是目前比較好的解決方案。這些合金元素在高溫退火的過程析出到Cu與襯底的界面形成界面層,從而改善銅的粘附性。同時,形成的界面層也有一定的阻止Cu原子向有源層擴散的作用。但是,Cu合金的電阻率往往比純Cu更高,弱化了Cu作為低電阻布線材料的優點。

本文采用單層的純Cu膜作為非晶氧化銦鋅(a-IZO)TFT的源漏(S/D)電極,a-IZO薄膜同時作為Cu膜的粘附層。通過引入a-IZO粘附層,Cu膜的粘附性得到了改善。使用俄歇電子能譜(AES)對Cu/a-IZO和Cu/a-IGZO的界面進行對比分析,發現Cu在a-IZO中的擴散得到了抑制。所制備的具有Cu S/D電極的a-IZO TFT具有良好的電學性能。

2 實 驗

2.1 Cu膜的制備與表征

采用直流磁控濺射法在無堿玻璃襯底上沉積Cu膜。腔室的本底真空度在1.33×10-4Pa以下。通過組合實驗研究了薄膜厚度、濺射功率和濺射氣壓對Cu膜電阻率的影響。首先,固定Cu膜的濺射功率、濺射氣壓分別為500 W和0.65 Pa,控制濺射時間獲得不同厚度的Cu膜;然后,固定薄膜厚度和濺射氣壓分別為200 nm和0.65 Pa,改變濺射功率沉積Cu膜;最后,固定薄膜厚度和濺射功率分別為200 nm和500 W,改變濺射氣壓沉積Cu膜。使用Ambios公司的XP-2型臺階儀確定Cu膜的厚度。使用KDY-1型“四探針”儀測試Cu膜的電阻率。對優化工藝條件制備的Cu膜使用X射線衍射儀(PANalytical,X'Pert Pro)分析Cu膜的晶體結構,輻射源為Cu Kα1射線(λ=0.154 18 nm)。

2.2 Cu膜的粘附性測試

依照ASTM D3359描述的膠帶法評估Cu膜的粘附性[14]。制備了兩組薄膜:第一組,在玻璃襯底上直接沉積Cu膜;第二組,在玻璃襯底上先沉積一層a-IZO薄膜,再沉積Cu膜。粘附性測試的具體過程如下:首先,用刀片在薄膜上劃出25個邊長為1 mm的方格;然后,將壓敏膠帶覆蓋在方格上,停留1 min后將其撕下;最后,用光學顯微鏡觀察膜層的脫落狀況。用測試后膜層的脫落比例來評價薄膜的粘附性。

2.3 TFT器件的制備

圖1 TFT的結構示意圖Fig.1 Schematic of TFT structure

采用的TFT器件結構如圖1所示。首先,在玻璃襯底上濺射一層300 nm的Al膜,并圖形化作為柵極,采用陽極氧化法在Al柵極表面形成一層200 nm的Al2O3膜作為柵絕緣層[15-16]。然后,在基板上濺射40 nm的a-IZO膜,所用的靶材為銦、鋅的量比為1∶1的陶瓷靶。再在a-IZO上沉積Cu膜。使用灰度掩膜技術和濕法刻蝕工藝圖形化Cu膜和a-IZO膜。灰度曝光后,使用Cu刻蝕液和稀鹽酸分步刻蝕Cu/a-IZO疊層薄膜,其中Cu刻蝕液為雙氧水和銨鹽的混合溶液,對Cu和a-IZO的刻蝕選擇比高達4 800。然后,使用氧氣等離子體減薄光刻膠至TFT的有源溝道區域露出,再使用Cu刻蝕液刻蝕Cu膜形成S/D電極。采用SiO2/SiNx雙層薄膜作為TFT的鈍化層。最后,器件在空氣中進行300℃的退火處理,時間為30 min。

2.4 Cu/a-IZO界面的分析

在玻璃襯底上分別沉積Cu/a-IZO和Cu/a-IGZO疊層薄膜。由于Cu膜在高溫退火時易被氧化而無法獲得良好的界面,我們在Cu膜上濺射一層IZO薄膜作為保護層,并將樣品在空氣中進行300℃的退火處理(30 min)。通過SEM觀察疊層薄膜的截面,退火處理前后的膜層沒有觀察到明顯的變化(數據沒有給出)。此外,因為Cu—O鍵的結合能比In—O、Zn—O和Ga—O的結合能低[13,17],也就是說在Cu、In、Zn、Ga和O共存的系統中,O更傾向于跟In、Zn、Ga結合,因此Cu膜從a-IZO和a-IGZO中大量獲得O而被氧化的可能性很小,退火處理后的疊層薄膜能夠保持良好的界面。最后,使用AES(PHI 680 AES)對Cu/a-IZO和Cu/a-IGZO疊層薄膜做元素濃度沿垂直于襯底方向的深度剖析。

3 結果與討論

3.1 薄膜厚度和濺射工藝對Cu膜電阻率的影響以及Cu膜的晶體結構

3.1.1 薄膜厚度的影響

圖2給出了Cu膜的電阻率隨薄膜厚度的變化關系。由圖可見,Cu膜的電阻率隨著厚度的增大而降低。在金屬薄膜電阻率的貢獻因素中,聲子散射、雜質離子散射和缺陷態散射對相同工藝條件下制備的薄膜應該貢獻相同,而表面態散射的貢獻在薄膜厚度達到100 nm以上時通常微乎其微。Cu膜電阻率隨厚度增大而降低,可能是由于晶界散射作用減弱了,這和Cu的晶粒尺寸隨著膜厚增大而增大的報道相符[18]。

圖2 Cu膜的電阻率隨厚度的變化關系Fig.2 Dependence of the resistivity of Cu films on film thickness

3.1.2 濺射功率的影響

圖3給出了Cu膜的電阻率隨濺射功率的變化關系。由圖可見,Cu膜的電阻率大體上隨濺射功率的升高而下降。這是由于在高的濺射功率下,從靶材濺射出來的Cu粒子的平均能量更高,到達襯底時的平均能量也更高。高能量的Cu粒子沉積到薄膜表面時的擴散遷移能力更強,這有利于促進Cu膜的結晶并形成致密的薄膜組織。另一方面,高能粒子對薄膜表面的“轟擊”作用也有利于增大薄膜的致密度[19-20]。

圖3 Cu膜的電阻率隨濺射功率的變化關系Fig.3 Dependence of the resistivity of Cu films on sputtering power

3.1.3 濺射氣壓的影響

圖4 Cu膜的電阻率隨濺射氣壓的變化關系Fig.4 Dependence of the resistivity of Cu films on sputtering pressure

圖4給出了Cu膜的電阻率隨濺射氣壓的變化關系。由圖可見,Cu膜的電阻率隨濺射氣壓的升高而升高。這是由于從靶材濺射出來的Cu粒子在飛向襯底的過程中受到氣體粒子的散射作用隨著濺射氣壓的升高而增強,到達襯底的Cu粒子的平均能量隨著濺射氣壓的升高而降低,低能量的粒子在襯底表面的擴散遷移能力較弱,所得的Cu膜的組織較疏松。相反,在低的濺射氣壓下, Cu粒子到達襯底時的平均能量較高,在襯底表面的擴散遷移能力較強,此外,高能粒子對薄膜表面的“轟擊”作用也有利于提高薄膜的致密度。因此,低氣壓下沉積的Cu膜具有較低的電阻率[20]。

3.1.4 Cu膜的晶體結構

通過優化成膜工藝制備的Cu膜的電阻率僅為2.0μΩ·cm。圖5是在非晶玻璃襯底上沉積的Cu膜的 XRD圖譜。圖中在 2θ=43.27°, 50.42°,74.1°處各有一個衍射峰。與粉末衍射卡和文獻資料對比可知,這3個衍射峰分別對應面心立方結構的Cu晶體的(111)、(200)和(220)晶面[18-19,21]。這說明所制備的Cu膜呈多晶結構。使用德拜-謝樂(Debye-Scherrer)公式[17]估算晶粒尺寸,計算得到(111)、(200)、(220)晶面的晶粒直徑分別為22.46,18.34,24.65 nm。

圖5 Cu膜的XRD圖譜Fig.5 XRD pattern of Cu films

3.2 Cu膜的粘附性

圖6是粘附性測試后的Cu和Cu/a-IZO薄膜的顯微鏡圖片。由圖可見,Cu膜約70%的面積脫落了,而Cu/a-IZO疊層薄膜沒有脫落。這表明Cu膜的粘附性很差,無法直接在TFT中應用,而引入a-IZO粘附層可以改善Cu膜粘附性,從而滿足TFT的制備要求。

圖6 粘附性測試后的Cu(a)和Cu/a-IZO(b)薄膜的顯微鏡圖片Fig.6 Microscope images of Cu(a)and Cu/a-IZO(b) films after adhesion test

3.3 Cu/a-IZO的界面分析

圖7給出了通過AES確定的沿垂直于Cu/a-IZO和Cu/a-IGZO界面的Cu原子濃度分布圖。由圖可見,Cu信號在a-IZO中比在a-IGZO中衰減得更快,這說明Cu在a-IZO中的擴散得到了抑制。Cu原子在a-IGZO中穿過InO2層擴散比穿過GZO層擴散需要越過的勢壘更高[22],所以在 a-IGZO中穿過GZO層是更有利于Cu原子擴散的路徑。而在a-IZO中,由于不存在GZO層,Cu原子的擴散需要越過更高的勢壘,因此擴散更加困難。這是Cu的擴散在a-IZO中得到抑制的可能原因。

圖7 沿垂直于Cu/a-IZO和Cu/a-IGZO界面的Cu原子濃度分布圖Fig.7 Distribution of Cu atomic concentration across the interfaces of Cu/a-IZO and Cu/a-IGZO

3.4 a-IZO TFT的電學性能

圖8為a-IZO TFT的輸出特性曲線和轉移特性曲線。器件的溝道寬度(W)和長度(L)分別為100μm和10μm。從圖8(a)可以看出:在線性區(VDS＜VGS),輸出電流IDS隨著S/D電極之間的電壓VDS的增大而快速上升,表明Cu與a-IZO之間的接觸良好;在飽和區(VDS＞VGS),當VGS從-5 V變化到10 V時,IDS表現出較大的變化,表明器件的柵極電壓對輸出電流具有良好的調制特性。由圖8(b)可以看出,器件具有良好的開關特性。TFT工作在飽和區時的輸出電流IDS滿足電流平方定律:

式中,W/L為TFT器件的寬長比,μ為飽和區場效應遷移率,CG為柵絕緣層的電容,Vth為TFT的閾值電壓。通過線性擬合I1/2DS-VGS曲線,結合電流平方定律計算得到TFT的飽和區遷移率μsat和閾值電壓Vth。亞閾值擺幅SS由下式定義:

由公式(1)和(2)計算得出a-IZO TFT的μsat= 12.9 cm2/(V·s),Vth=-0.6 V,SS=0.28 V/dec。以上結果表明,以Cu作為S/D電極的a-IZO TFT具有優良的電學性能。Cu原子在a-IGZO、a-ZTO等非晶氧化物半導體中存在擴散現象[6-8],并且導致TFT電學性能劣化,如遷移率降低、亞閾值擺幅增大、閾值電壓正向漂移。而我們制備的以Cu作為S/D電極的a-IZO TFT的電學性能優于文獻報道的以Cu作為S/D電極的a-IGZO TFT 和a-ZTO TFT,與以Mo作為S/D電極的a-IZO TFT相當[23]。這說明Cu S/D電極的引入沒有劣化a-IZO TFT的電學性能。結合AES能譜的結果,我們認為高性能TFT得益于Cu在a-IZO中的擴散得到了抑制。

圖8 a-IZO TFT的輸出特性曲線(a)和轉移特性曲線(b)Fig.8 Output curves(a)and transfer curves(b)of a-IZO TFTs

4 結 論

使用直流磁控濺射法制備Cu膜時,較高的濺射功率和較低的濺射氣壓有利于得到低電阻率的薄膜。使用單層的純Cu膜作為氧化物TFT的 S/D電極,使用a-IZO作為TFT的有源層同時作為Cu的粘附層。a-IZO粘附層改善了Cu的粘附性,同時,Cu在a-IZO中的擴散得到了抑制。最終獲得的TFT器件具有良好的電學性能。

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徐瑞霞(1985-)女,山東菏澤人,工程師,2011年于華南理工大學獲得碩士學位,主要從事氧化物材料及器件的研究。

E-mail:xuruixia@newvision-cn.com

彭俊彪(1962-)男,山東寧津人,教授,博士生導師,1993年于中國科學院長春物理研究所獲得博士學位,主要從事光電材料與器件物理方面的研究。

E-mail:psjbpeng@scut.edu.cn

趙銘杰(1985-)男,廣東汕頭人,博士,2015年于華南理工大學獲得博士學位,主要從事氧化物薄膜晶體管的材料和器件制備工藝的研究。

E-mail:m jzhao1@163.com

Amorphous Indium-zinc-oxide Thin-film Transistors with Copper Source/Drain Electrodes

XU Rui-xia1,CHEN Zi-kai1,ZHAO Ming-jie2*,NING Hong-long2, ZOU Jian-hua2,TAO Hong2,WANG Lei2,XU Miao3,PENG Jun-biao2*

(1.Guangzhou New Vision Optoelectronic Co.,Ltd.,Guangzhou 510730,China; 2.State Key Laboratory of Luminescent Materials and Devices,Guangzhou 510641,China; 3.School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)
*Corresponding Authors,E-mail:mjzhao1@163.com;psjbpeng@scut.edu.cn

Cu was used as the source/drain(S/D)electrodes of amorphous indium-zinc-oxide(a-IZO)thin-film transistors(TFTs)in order to realize low-resistance metallization in oxide thin film transistors.Cu film with a resistivity as low as 2.0μΩ·cm was deposited by optimizing the sputtering process.The crystal structure,adhesive property of Cu film as well as the interfaces of Cu/a-IZO were investigated.In addition,a-IZO TFTs with Cu S/D electrodes were fabricated.The Cu filmswere polycrystalline.The adhesion of Cu to glass substrate was enhanced by introducing an a-IZO film.Meanwhile,the diffusion of Cu atoms was suppressed in a-IZO.The fabricated TFT exhibited a saturated mobility of 12.9 cm2/(V·s),a subthreshold voltage of 0.28 V/dec and a threshold voltage of-0.6 V.

thin-film transistor;indium-zinc-oxide;coppermetallization

TN321+.5

:A

10.3788/fgxb20153608.0935

1000-7032(2015)08-0935-06

2015-04-02;

:2015-06-04

廣東省引進創新科研團隊計劃(201101C0105067115);中國科學院紅外物理國家重點實驗室開放課題(M201406);國家自然科學基金重點項目(61036007);國家自然科學基金面上項目(51173049);國家自然科學基金青年基金(61401156);中央高校基本科研業務費(2014ZZ0028);廣州市科技計劃(2013Y2-00114)資助項目