非晶銦鎵鋅氧薄膜晶體管鉬/銅源漏電極的研究

張 磊，劉國超，董承遠

(上海交通大學 電子工程系，上海 200240)

1 引 言

薄膜晶體管(TFT)作為平板顯示(FPD)的核心器件，一直以來都是研究和開發的熱點之一。近年來，顯示面板朝著大尺寸、高分辨率、高刷新率的方向發展，對TFT的性能提出了越來越高的要求[1-2]，因此需要尋找更加合適的TFT器件結構和材料來實現其性能的提升。在TFT的有源層材料方面，非晶銦鎵鋅氧(a-IGZO)以其載流子遷移率高、均勻性好、可低溫制備等特點，在產業界和學術界得到了廣泛關注[3-4]。除此之外，TFT源漏電極材料的選擇也會直接影響到器件性能的優劣。目前，實際生產中多采用鋁合金薄膜作為TFT器件的源漏電極。雖然鋁具有較低的電阻率，但是其熱穩定性較差，在高溫作用下表面容易形成小丘，從而影響器件性能[5]。更為關鍵的是，鋁合金的電阻率仍然偏高，越來越無法滿足超大尺寸和超高分辨率顯示的技術要求。因此，研究和開發具有更好特性的TFT電極勢在必行[6-7]。銅電極以其較低的電阻率受到了比較廣泛的關注和研究。以往的研究結果表明，Cu容易向有源層中擴散，導致接觸電阻和寄生電容增大，進而引起器件的閾值電壓漂移和穩定性下降；另一方面，Cu與玻璃和柵絕緣層(如SiO2)等材料之間的結合性較差，不適合直接作為布線材料[8-9]。為了解決這些問題，通常采用Ti、Mn金屬或其他合金作為接觸層(Interlayer),以改善電極與基底之間的結合強度，同時阻止銅的擴散。但是Ti、Mn等金屬容易與a-IGZO發生反應，生成氧化物界面層，從而增大了接觸電阻[10-11]。與此相反，鉬(Mo)電極與非晶氧化物半導體之間具有良好的接觸特性[12-13]，比較適合用作接觸層來提高銅布線器件的性能。然而，目前關于Mo/Cu電極的研究報道并不多，特別是制備工藝參數對Mo/Cu電極乃至TFT器件特性的影響仍不十分清楚。

本文針對不同濺射功率制備的Mo和Cu薄膜進行了測試和表征，并對其應用于a-IGZO TFT源漏電極時所表現出的性能差異進行了分析討論，最終設計并制備了性能良好的雙層Mo/Cu源漏電極a-IGZO TFT器件。

2 實 驗

本研究中的a-IGZO TFT制備于重摻雜硅片(n++Si)襯底上，采用柵極在下、源漏極在上的底柵錯排結構，如圖1所示。硅片襯底兼作柵極，通過熱氧化的方法在硅表面生長了厚度為300nm的氧化硅作為柵絕緣層。在150℃下，使用磁控濺射方法沉積有源層a-IGZO和源漏電極薄膜，具體工藝參數和膜厚見表1。其中，有源層利用交流磁控濺射方法沉積，所采用的靶材為IGZO合金靶(nIn∶nGa∶nZn=1∶1∶1)。源漏電極利用直流磁控濺射沉積，采用高純Mo靶和高純Cu靶。源漏電極薄膜分為3組：純Mo(100nm)、純Cu (100nm)、Mo/Cu(20/80nm)。純Mo和純Cu源漏電極均采用不同濺射功率(50/100/200W)沉積；制備Mo/Cu雙層薄膜時，金屬Mo和Cu在同一腔室內連續濺射，這樣可以保證成膜環境清潔穩定。有源層和源漏電極成膜時采用金屬掩膜版遮擋形成圖案，TFT器件溝道長度和寬度分別控制為275μm和1000μm。最后，將TFT器件在400℃的氮氣環境下退火處理1h。此外，我們還采用不同濺射功率(50/100/200W)在硅片(含熱生長SiO2薄膜)上制備了Mo、Cu單層膜樣品，其成膜工藝參數也與表1所示相同。TFT器件的室溫電學性能采用Keithley4200半導體參數測試儀進行測試，器件特性參數提取方法見文獻[14]。TFT器件斷面結構的觀察采用場發射掃描電子顯微鏡(Zeiss Ultra Plus FE-SEM)來完成。金屬單膜表面粗糙度通過原子力顯微鏡(Bruker Icon AFM)測得。單層膜方塊電阻采用四點探針測試儀(FT-331A)測試獲得。

圖1 本研究采用的a-IGZO TFT結構示意圖Fig.1 Schematic cross section of the a-IGZO TFTs used in this study

表1 器件制備采用的成膜工藝參數Tab.1 Processing parameters used for the films’ deposition

3 結果與討論

在實際應用中，TFT陣列的源漏電極和布線一般會與柵絕緣層大面積接觸，因此源漏電極與柵絕緣層(例如SiO2等)之間需要具有較高的結合強度。根據文獻[15]中報道的方法，我們使用高溫膠帶測試了Mo、Cu薄膜的粘附性。首先在硅基襯底(含熱生長SiO2薄膜)上沉積相同厚度(100 nm)的Mo薄膜和Cu薄膜，接著用玻璃刀在薄膜表面劃出多條縱橫交錯的細線，再用高溫膠帶粘貼壓實于薄膜表面，最后進行揭除，測試結果如圖2所示。我們注意到，Mo薄膜保持不變，而Cu薄膜則幾乎都被揭除了。由此看出，Mo薄膜與SiO2之間的粘附性顯著優于Cu薄膜，這表明引入Mo接觸層確實能夠提高Cu與柵絕緣層之間的結合強度。

采用磁控濺射方法沉積金屬電極時，其成膜工藝條件直接關系到薄膜質量的好壞，進而可能對TFT器件特性產生影響[16]。薄膜的表面粗糙度能在一定程度上反映成膜質量；一般而言，金屬薄膜的表面粗糙度越小，說明薄膜表面越平整，薄膜均勻性越好。為此我們采用不同濺射功率(50，100，200 W)在硅片(含熱生長SiO2薄膜)上制備了同樣厚度(100 nm)的Mo、Cu薄膜樣品，使用AFM觀察其表面形貌；測試范圍設定為500 nm×500 nm,采用軟件根據形貌圖計算其表面均方根粗糙度，結果如圖3所示。從圖中可以看出，隨著濺射功率從50 W提高到200 W，Mo薄膜的表面粗糙度均方根值逐漸升高(從0.274 nm升高到0.928 nm),文獻[17]也報道了類似的規律。出現這種現象的原因是隨著濺射功率的提高，Ar原子轟擊靶材的能量也隨之升高，轟擊到SiO2絕緣層表面的金屬原子具有更高的平均能量，發生更激烈的碰撞，進而形成了更加不規則的表面，因此薄膜的表面粗糙度增大。從圖3還可以看出，Cu薄膜的表面粗糙度均方根值隨著濺射功率的升高而逐漸降低(從2.940 nm降低到1.070 nm)，其表面粗糙度的數值大小與文獻[18]報道的相近(總體上大于Mo膜)，但并不符合前述金屬薄膜表面粗糙度隨著濺射功率升高而增大的規律。我們推測上述實驗結果可能與Cu原子的擴散特性有關：Cu原子擴散能力較強，薄膜沉積時會擴散進入SiO2絕緣層，從而對薄膜的表面粗糙度產生了比較復雜的影響，進而導致其表面粗糙度與濺射功率之間的關系與Mo膜的規律并不相同。

圖2 Mo、Cu薄膜粘附性測試結果。 (a)膠帶測試前的Mo薄膜；(b)膠帶揭除后的Mo薄膜；(c)膠帶測試前的Cu薄膜；(d)膠帶揭除后的Cu薄膜。
Fig.2 Peeling testing results of Mo and Cu films.(a) Mo film before the peeling test.(b) Mo film after the peeling test.(c) Cu film before the peeling test.(d) Cu film after the peeling test.

圖3 Mo、Cu薄膜表面粗糙度測試結果。(a)Mo/50 W；(b)Mo/100 W；(c)Mo/200 W；(d)Cu/50 W；(e)Cu/100 W；(f)Cu/200 W。
Fig.3 Surface roughness testing results of Mo and Cu films.(a) Mo/50 W.(b) Mo/100 W.(c) Mo/200 W.(d) Cu/50 W.(e) Cu/100 W.(f) Cu/200 W.

TFT低阻值電極的研究對于進一步提升FPD的尺寸和分辨率具有重大意義。相較于金屬Mo(電阻率約5.2×10-8Ω·m)，金屬Cu用作TFT源漏電極的一個明顯優勢在于其電阻率很低(1.7×10-8Ω·m)。我們在硅片(含熱生長SiO2薄膜)上用磁控濺射法制備了不同濺射功率下100 nm 厚的Mo、Cu薄膜，用四探針法測試了薄膜的方塊電阻，實驗結果如圖4所示。我們注意到，Mo薄膜方塊電阻明顯大于Cu薄膜。隨著濺射功率的提高，Mo薄膜方塊電阻逐漸減小(從106.7 Ω/□到14.6 Ω/□)，這與文獻[19]的報道比較符合。出現這種現象是因為當濺射功率過低時，薄膜結構較為疏松，具有較差的致密性和完整性，不能形成很好的結晶狀態，從而導致其導電性較差。一般情況下，濺射功率的升高會提高金屬薄膜的表面致密性，并改善結晶狀態，帶來電阻率的下降。另一方面，隨著濺射功率的增加，Cu薄膜方塊電阻變化不大，平均值保持在0.4 Ω/□左右。

圖4 Mo、Cu薄膜方塊電阻測試結果。Fig.4 Sheet resistance testing results of Mo and Cu films

采用表1所示工藝參數制備的單層Mo電極a-IGZO TFT器件的轉移特性曲線如圖5所示，提取的各項特性參數列于表2。我們注意到，在不同濺射功率下，單層Mo電極a-IGZO TFT特性差異較大。當Mo濺射功率逐漸升高時，a-IGZO TFT的關態電流(Ioff)逐漸升高(從9.2×10-12A到3.2×10-9A)，電流開關比(Ion/Ioff)逐漸減小(從5.0×106到1.5×104)，亞閾值擺幅(SS)也逐漸增大(從3.3 V/dec到4.0 V/dec)，即器件特性明顯變差。圖5所示的特性差異主要表現在關態區域和反向亞閾值區域，該區域的特性一般由前溝道和背溝道狀態共同決定。參考非晶硅TFT的相關物理機制[4]，我們推測在功率過大時，Mo源漏電極在有源層界面處可能發生一定程度的擴散，游離的Mo原子有可能進入有源層，增強了溝道區導電特性，從而發生了Ioff升高的現象。此外，結合單層金屬薄膜的測試結果來看，隨著濺射功率的升高，Mo薄膜表面粗糙度逐漸增大，這可能會增加a-IGZO薄膜內部或界面處的缺陷態密度，并進而使器件電學特性變差。根據圖5，隨著濺射功率的升高，器件的閾值電壓有所降低，這可能是因為濺射功率較高時源漏電極與有源層接觸區具有較高的氧空位(載流子)濃度，從而導致器件的開啟電壓有所降低。另外，我們還測試了50 W成膜Mo電極器件的輸出特性曲線(見圖5插圖)。我們注意到輸出曲線并未出現電流擁擠(Current crowding)現象，這證明源漏電極與有源層之間具有較好的接觸特性。

圖5 單層Mo源漏電極a-IGZO TFT的轉移特性曲線。插圖：單層Mo源漏電極(成膜功率為50 W)a-IGZO TFT的輸出特性曲線。
Fig.5 Transfer curves of the a-IGZO TFTs with single-layer Mo S/D electrodes.Inset：output characteristics of the device with Mo S/D electrodes deposited at 50 W.

需要指出的是，根據參考文獻[20]，隨著濺射功率的升高，Mo與a-IGZO之間的接觸電阻會一定程度地增大，在接觸區域會形成一定高度的勢壘，抑制載流子的傳輸，從而致使遷移率下降。本研究的結果與該報道并不相同，說明在我們制備的器件中，Mo原子的擴散和有源層缺陷態密度的變化受成膜功率的影響更加明顯。根據圖5所示的實驗結果，我們可以確定，低功率Mo膜比較適合作為a-IGZO TFT的源漏電極。另外，因為Mo膜具有較大的電阻率(見圖4)，在大尺寸和高分辨率FPD生產中并不適合采用單層Mo膜作為電極。

采用表1所示工藝參數制備的單層Cu電極a-IGZO TFT器件的轉移特性曲線如圖6所示，提取的各項特性參數也列于表2中。我們注意到，隨著濺射功率從50 W升高到200 W，單層Cu電極a-IGZO TFT的特性變化比較復雜，在100 W濺射功率條件下，盡管器件的閾值電壓(8 V)略大于其他功率(7 V)，但總體電學特性特性相對最佳(場效應遷移率為12.96 cm2·V-1·s-1，亞閾值擺幅為2.3 V/dec，開關電流比為1.6×107)。與Mo電極器件相比，影響Cu電極a-IGZO TFT電學特性的因素更多。隨著Cu薄膜濺射功率的增加，一方面針對a-IGZO的等離子體傷害會加劇，另一方面擴散進入有源層的Cu原子也會增多[21]。上述這些變化將導致a-IGZO中的氧空位和缺陷態等發生非常復雜的變化，因此在適當的電極成膜功率下才能獲得最佳的TFT器件特性。同樣地，我們也測試了100 W濺射條件下Cu電極器件的輸出特性曲線(見圖6插圖)。可以看出，如果采用適當的成膜功率，Cu與a-IGZO之間也可以形成較好的接觸特性。目前關于純Cu源漏電極工藝影響接觸電阻特性的報道非常有限，一般認為原子擴散會導致純Cu與a-IGZO之間的接觸電阻較大(數量級為104Ω)；因此，為了減小Cu電極的接觸電阻，一般都需要添加接觸層來抑制Cu的擴散[13]。

表2 不同源漏電極a-IGZO TFT的特性參數Tab.2 Electrical parameters of the a-IGZO TFTs with different S/D electrodes

圖6 單層Cu源漏電極a-IGZO TFT的轉移特性曲線。插圖：單層Cu源漏電極(成膜功率為100 W)a-IGZO TFT的輸出特性曲線。
Fig.6 Transfer curves of the a-IGZO TFTs with single-layer Cu S/D electrodes.Inset：output characteristics of the device with Cu S/D electrodes deposited at 100 W.

盡管單層Cu電極器件在適當的成膜功率下可以獲得較好的電學特性(見圖6)，但是因為Cu電極具有非常差的粘附特性(見圖2)和比較嚴重的原子擴散問題[8-9]，在其與有源層之間增加接觸層非常必要。基于優勢互補的考慮，如果將Mo與Cu薄膜相結合則可能獲得更好的TFT源漏電極。為此，我們設計了如圖1所示的雙層電極(樣品Ⅲ)。從圖5、圖6和表2所示的實驗數據來看，我們發現Mo薄膜在50 W而Cu薄膜在100 W時所表現出的器件特性最佳，因此選擇這兩組工藝條件用來制備雙層Mo/Cu(20/80 nm)源漏電極，其對應a-IGZO TFT的轉移特性曲線和輸出特性曲線如圖7所示。我們注意到，該雙層結構電極既保持了Cu電極器件較好的開關特性(電流開關比為1.3×107)，又擁有更低的閾值電壓(6.0 V)，其場效應遷移率可達到8.33 cm2·V-1·s-1，亞閾值擺幅為2.0 V/dec。輸出特性曲線(見圖7中左上插圖)也證明了Mo/Cu電極與有源層之間形成了較好的歐姆接觸。我們選取Mo/Cu源漏電極與a-IGZO有源層接觸界面做了SEM分析(見圖7中右下插圖)，可以看到有源層、源漏電極各層之間界限清晰，達到了很好的隔絕效果，從而有效地降低了Cu原子向a-IGZO的滲透。上述實驗結果證明：采用Mo/Cu雙層薄膜作為a-IGZO TFT的源漏電極是可行的。

圖7 Mo/Cu源漏電極a-IGZO TFT的轉移特性曲線。左上插圖：器件輸出特性曲線；右下插圖:Mo/Cu源漏電極與a-IGZO有源層接觸界面的SEM圖像。
Fig.7 Transfer curve of the a-IGZO TFTs with Mo/Cu S/D electrodes.Inset：output characteristic of the TFT devices(left) and cross-sectional SEM image of the interface between Mo/Cu and a-IGZO film(right).

4 結 論

本文設計并制備了采用Mo/Cu源漏電極的a-IGZO TFT器件，對不同濺射功率制備的單層Mo和Cu薄膜以及相應的a-IGZO TFT器件做了詳細的對比分析。實驗結果表明，將單層Mo或單層Cu源漏電極應用于a-IGZO TFT均存在一定技術問題，而將兩者結合制備出的雙層Mo/Cu源漏電極a-IGZO TFT器件具有較好的電學特性(閾值電壓為6.0 V，場效應遷移率達到8.33 cm2·V-1·s-1，亞閾值擺幅為2.0 V/dec ,開關比為 1.3×107)和工藝特性(如基板粘附性等)。

參 考 文 獻：

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