TFT中底柵Cu膜凸起現象研究

高搏劍 ，徐佳慧 ，夏 杰 ，吳登剛 ，朱 元

（1東華大學信息科學與技術學院 上海 200051）

（2南京中電熊貓平板顯示科技有限公司 江蘇 南京 210033）

1 引言

UHD超高清顯示器（Ultra-High Definition，3840×2160）在市場上正逐漸普及，且8K（8192×4096）顯示器也已在市場中少量試水。相應的在TFT（Thin Film Transistor）面板設計時迫切地需要一種低電阻率材料以降低信號傳輸時的阻抗延時，Cu（銅）的電阻率約為Al（鋁）的三分之二，可滿足設計需求。Cu膜作為源漏極研究已經成為一個熱點[2,3,4]。在大世代面板（8.5及以上）生產線中，Al膜在成膜過程中受內部應力影響，容易產生Al膜凸起（hilllock）現象，易對上層膜層造成穿刺并形成靜電擊傷，所以在Al表面會增加Mo（鉬）或Ti（鈦）層以降低hilllock發生率。而Cu作為底柵時，與玻璃的接觸強度較低，所以需要Mo或Ti作為中間層以增加Cu膜與玻璃的粘附力。

金屬膜層一般采用物理氣相沉積（Physical Vapor Depo，在真空環境中，利用直流或交流電源將通入的惰性氣體解離形成等離子體，利用等離子體所產生的離子對靶材進行轟擊，使等離子體內具有靶材的粒子，沉積于基板表面形成薄膜）。在大世代面板生產線中，PVD設備由美國的AKT和日本的ULVAC兩家公司壟斷。以8.5代線（玻璃尺寸2500×2200mm）為例，AKT PiVot 55K PVD設備使用圓形靶材，靶材利用率高。玻璃在設備內垂直成膜，平行玻璃長邊的方向傳送，Cu膜的整體均一性好，但邊緣的膜厚較薄。

2 Cu膜底柵凸起現象說明

以Cu-Ti為底柵，Si3N4作為絕緣層，分析Cu膜的凸起狀況。首先在玻璃表面鍍50nm的Ti，600nm的Cu，隨后在300℃下使用PECVD(等離子體增強化學氣相沉積，Plasma Enhanced chemical vapor deposition)鍍400nm Si3N4。針對基板不同位置，使用OM（光學顯微鏡，Optical Microscope）分析成膜狀況。在Cu-Ti成膜后未有發現有小黑點現象，而經過Si3N4成膜后則在玻璃的邊緣位置發現存在小黑點狀況，而玻璃中部未有發現小黑點現象，如圖1。

圖1 20×倍率

進一步針對小黑點使用FIB（聚焦離子束，Focused Ion Beam）分析。發現小黑點處為Cu膜凸起。推測在絕緣膜成膜過程中，受高溫影響，原本玻璃邊緣處Cu膜層厚度均一性較差，受內部應力影響而凸起。與Al膜hilllock影響類似，Cu hillock可能穿透上層膜層，并誘發ESD（Electro-StaticDischarge）現象，造成相應像素失效。如圖2所示。

圖2 FIB分析

3 實驗驗證分析

收集實際生產過程中的大量數據分析發現，Cu膜與絕緣膜的時間間隔越短，黑點發生率越低，推斷為空氣中氧氣對Cu薄膜有氧化作用，而CuO加劇了玻璃邊緣金屬膜內部應力，因而可以通過H2還原CuO的方式來緩解膜層的內部應力。

在H2流量20000sccm的情況下，以Cu膜凸起造成缺陷數PG1為目標，選擇處理時間（10/20s），功率（2/4 KW）為實驗因子，設計兩因子兩水平一個中心點實驗，圖3。

圖3 因子主效應圖和交互作用圖

通過主效應圖分析：處理時間越長，功率越高，Cu膜凸起造成的缺陷數PG1越低；由交互作用圖可知處理時間和功率無明顯交互作用。處理時間和功率分別選擇20s和4KW時，缺陷數PG1發生率最小。使用該參數進行驗證，缺陷數PG1發生率大幅降低，從而說明H2預處理還原性好，可以去除Cu表面氧化物，釋放Cu應力，降低Cu hillock的發生率。

4 結論

針對絕緣膜高溫下，底柵Cu膜，在玻璃邊緣小黑點的現象，通過OM和FIB分析，確認為Cu膜凸起。通過實驗的方法提出一種H2預處理方式，利用H2還原性，去除Cu表面氧化物，釋放Cu膜內部應力，降低Cu hilllock的發生率，在實際生產過程中具有應用價值。

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[2]寧洪龍，等，銅-鉬源漏電極對非晶氧化銦鎵鋅薄膜晶體管性能的改善，物理學報，2015，64(12).

[3] Yim J,Jung S,Yeon H,et al.Effects of Metal Electrode on the Electrical Performance of Amorphous In-Ga-Zn-O Thin Film Transistor[J].Japanese Journal of Applied Physics,2012,51(1).

[4] Choi K,Kim H.Correlation between Ti source/drain contact and performance of InGaZnO-based thin film transistors[J].Applied Physics Letters,2013,102(5).