非晶铟镓锌氧薄膜晶体管钼/铜源漏电极的研究

张 磊，刘国超，董承远

(上海交通大学 电子工程系，上海 200240)

1 引 言

薄膜晶体管(TFT)作为平板显示(FPD)的核心器件，一直以来都是研究和开发的热点之一。近年来，显示面板朝着大尺寸、高分辨率、高刷新率的方向发展，对TFT的性能提出了越来越高的要求[1-2]，因此需要寻找更加合适的TFT器件结构和材料来实现其性能的提升。在TFT的有源层材料方面，非晶铟镓锌氧(a-IGZO)以其载流子迁移率高、均匀性好、可低温制备等特点，在产业界和学术界得到了广泛关注[3-4]。除此之外，TFT源漏电极材料的选择也会直接影响到器件性能的优劣。目前，实际生产中多采用铝合金薄膜作为TFT器件的源漏电极。虽然铝具有较低的电阻率，但是其热稳定性较差，在高温作用下表面容易形成小丘，从而影响器件性能[5]。更为关键的是，铝合金的电阻率仍然偏高，越来越无法满足超大尺寸和超高分辨率显示的技术要求。因此，研究和开发具有更好特性的TFT电极势在必行[6-7]。铜电极以其较低的电阻率受到了比较广泛的关注和研究。以往的研究结果表明，Cu容易向有源层中扩散，导致接触电阻和寄生电容增大，进而引起器件的阈值电压漂移和稳定性下降；另一方面，Cu与玻璃和栅绝缘层(如SiO2)等材料之间的结合性较差，不适合直接作为布线材料[8-9]。为了解决这些问题，通常采用Ti、Mn金属或其他合金作为接触层(Interlayer),以改善电极与基底之间的结合强度，同时阻止铜的扩散。但是Ti、Mn等金属容易与a-IGZO发生反应，生成氧化物界面层，从而增大了接触电阻[10-11]。与此相反，钼(Mo)电极与非晶氧化物半导体之间具有良好的接触特性[12-13]，比较适合用作接触层来提高铜布线器件的性能。然而，目前关于Mo/Cu电极的研究报道并不多，特别是制备工艺参数对Mo/Cu电极乃至TFT器件特性的影响仍不十分清楚。

本文针对不同溅射功率制备的Mo和Cu薄膜进行了测试和表征，并对其应用于a-IGZO TFT源漏电极时所表现出的性能差异进行了分析讨论，最终设计并制备了性能良好的双层Mo/Cu源漏电极a-IGZO TFT器件。

2 实 验

本研究中的a-IGZO TFT制备于重掺杂硅片(n++Si)衬底上，采用栅极在下、源漏极在上的底栅错排结构，如图1所示。硅片衬底兼作栅极，通过热氧化的方法在硅表面生长了厚度为300nm的氧化硅作为栅绝缘层。在150℃下，使用磁控溅射方法沉积有源层a-IGZO和源漏电极薄膜，具体工艺参数和膜厚见表1。其中，有源层利用交流磁控溅射方法沉积，所采用的靶材为IGZO合金靶(nIn∶nGa∶nZn=1∶1∶1)。源漏电极利用直流磁控溅射沉积，采用高纯Mo靶和高纯Cu靶。源漏电极薄膜分为3组：纯Mo(100nm)、纯Cu (100nm)、Mo/Cu(20/80nm)。纯Mo和纯Cu源漏电极均采用不同溅射功率(50/100/200W)沉积；制备Mo/Cu双层薄膜时，金属Mo和Cu在同一腔室内连续溅射，这样可以保证成膜环境清洁稳定。有源层和源漏电极成膜时采用金属掩膜版遮挡形成图案，TFT器件沟道长度和宽度分别控制为275μm和1000μm。最后，将TFT器件在400℃的氮气环境下退火处理1h。此外，我们还采用不同溅射功率(50/100/200W)在硅片(含热生长SiO2薄膜)上制备了Mo、Cu单层膜样品，其成膜工艺参数也与表1所示相同。TFT器件的室温电学性能采用Keithley4200半导体参数测试仪进行测试，器件特性参数提取方法见文献[14]。TFT器件断面结构的观察采用场发射扫描电子显微镜(Zeiss Ultra Plus FE-SEM)来完成。金属单膜表面粗糙度通过原子力显微镜(Bruker Icon AFM)测得。单层膜方块电阻采用四点探针测试仪(FT-331A)测试获得。

图1 本研究采用的a-IGZO TFT结构示意图Fig.1 Schematic cross section of the a-IGZO TFTs used in this study

表1 器件制备采用的成膜工艺参数Tab.1 Processing parameters used for the films’ deposition

3 结果与讨论

在实际应用中，TFT阵列的源漏电极和布线一般会与栅绝缘层大面积接触，因此源漏电极与栅绝缘层(例如SiO2等)之间需要具有较高的结合强度。根据文献[15]中报道的方法，我们使用高温胶带测试了Mo、Cu薄膜的粘附性。首先在硅基衬底(含热生长SiO2薄膜)上沉积相同厚度(100 nm)的Mo薄膜和Cu薄膜，接着用玻璃刀在薄膜表面划出多条纵横交错的细线，再用高温胶带粘贴压实于薄膜表面，最后进行揭除，测试结果如图2所示。我们注意到，Mo薄膜保持不变，而Cu薄膜则几乎都被揭除了。由此看出，Mo薄膜与SiO2之间的粘附性显著优于Cu薄膜，这表明引入Mo接触层确实能够提高Cu与栅绝缘层之间的结合强度。

采用磁控溅射方法沉积金属电极时，其成膜工艺条件直接关系到薄膜质量的好坏，进而可能对TFT器件特性产生影响[16]。薄膜的表面粗糙度能在一定程度上反映成膜质量；一般而言，金属薄膜的表面粗糙度越小，说明薄膜表面越平整，薄膜均匀性越好。为此我们采用不同溅射功率(50，100，200 W)在硅片(含热生长SiO2薄膜)上制备了同样厚度(100 nm)的Mo、Cu薄膜样品，使用AFM观察其表面形貌；测试范围设定为500 nm×500 nm,采用软件根据形貌图计算其表面均方根粗糙度，结果如图3所示。从图中可以看出，随着溅射功率从50 W提高到200 W，Mo薄膜的表面粗糙度均方根值逐渐升高(从0.274 nm升高到0.928 nm),文献[17]也报道了类似的规律。出现这种现象的原因是随着溅射功率的提高，Ar原子轰击靶材的能量也随之升高，轰击到SiO2绝缘层表面的金属原子具有更高的平均能量，发生更激烈的碰撞，进而形成了更加不规则的表面，因此薄膜的表面粗糙度增大。从图3还可以看出，Cu薄膜的表面粗糙度均方根值随着溅射功率的升高而逐渐降低(从2.940 nm降低到1.070 nm)，其表面粗糙度的数值大小与文献[18]报道的相近(总体上大于Mo膜)，但并不符合前述金属薄膜表面粗糙度随着溅射功率升高而增大的规律。我们推测上述实验结果可能与Cu原子的扩散特性有关：Cu原子扩散能力较强，薄膜沉积时会扩散进入SiO2绝缘层，从而对薄膜的表面粗糙度产生了比较复杂的影响，进而导致其表面粗糙度与溅射功率之间的关系与Mo膜的规律并不相同。

图2 Mo、Cu薄膜粘附性测试结果。 (a)胶带测试前的Mo薄膜；(b)胶带揭除后的Mo薄膜；(c)胶带测试前的Cu薄膜；(d)胶带揭除后的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.

图3 Mo、Cu薄膜表面粗糙度测试结果。(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低阻值电极的研究对于进一步提升FPD的尺寸和分辨率具有重大意义。相较于金属Mo(电阻率约5.2×10-8Ω·m)，金属Cu用作TFT源漏电极的一个明显优势在于其电阻率很低(1.7×10-8Ω·m)。我们在硅片(含热生长SiO2薄膜)上用磁控溅射法制备了不同溅射功率下100 nm 厚的Mo、Cu薄膜，用四探针法测试了薄膜的方块电阻，实验结果如图4所示。我们注意到，Mo薄膜方块电阻明显大于Cu薄膜。随着溅射功率的提高，Mo薄膜方块电阻逐渐减小(从106.7 Ω/□到14.6 Ω/□)，这与文献[19]的报道比较符合。出现这种现象是因为当溅射功率过低时，薄膜结构较为疏松，具有较差的致密性和完整性，不能形成很好的结晶状态，从而导致其导电性较差。一般情况下，溅射功率的升高会提高金属薄膜的表面致密性，并改善结晶状态，带来电阻率的下降。另一方面，随着溅射功率的增加，Cu薄膜方块电阻变化不大，平均值保持在0.4 Ω/□左右。

图4 Mo、Cu薄膜方块电阻测试结果。Fig.4 Sheet resistance testing results of Mo and Cu films

采用表1所示工艺参数制备的单层Mo电极a-IGZO TFT器件的转移特性曲线如图5所示，提取的各项特性参数列于表2。我们注意到，在不同溅射功率下，单层Mo电极a-IGZO TFT特性差异较大。当Mo溅射功率逐渐升高时，a-IGZO TFT的关态电流(Ioff)逐渐升高(从9.2×10-12A到3.2×10-9A)，电流开关比(Ion/Ioff)逐渐减小(从5.0×106到1.5×104)，亚阈值摆幅(SS)也逐渐增大(从3.3 V/dec到4.0 V/dec)，即器件特性明显变差。图5所示的特性差异主要表现在关态区域和反向亚阈值区域，该区域的特性一般由前沟道和背沟道状态共同决定。参考非晶硅TFT的相关物理机制[4]，我们推测在功率过大时，Mo源漏电极在有源层界面处可能发生一定程度的扩散，游离的Mo原子有可能进入有源层，增强了沟道区导电特性，从而发生了Ioff升高的现象。此外，结合单层金属薄膜的测试结果来看，随着溅射功率的升高，Mo薄膜表面粗糙度逐渐增大，这可能会增加a-IGZO薄膜内部或界面处的缺陷态密度，并进而使器件电学特性变差。根据图5，随着溅射功率的升高，器件的阈值电压有所降低，这可能是因为溅射功率较高时源漏电极与有源层接触区具有较高的氧空位(载流子)浓度，从而导致器件的开启电压有所降低。另外，我们还测试了50 W成膜Mo电极器件的输出特性曲线(见图5插图)。我们注意到输出曲线并未出现电流拥挤(Current crowding)现象，这证明源漏电极与有源层之间具有较好的接触特性。

图5 单层Mo源漏电极a-IGZO TFT的转移特性曲线。插图：单层Mo源漏电极(成膜功率为50 W)a-IGZO TFT的输出特性曲线。
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，根据参考文献[20]，随着溅射功率的升高，Mo与a-IGZO之间的接触电阻会一定程度地增大，在接触区域会形成一定高度的势垒，抑制载流子的传输，从而致使迁移率下降。本研究的结果与该报道并不相同，说明在我们制备的器件中，Mo原子的扩散和有源层缺陷态密度的变化受成膜功率的影响更加明显。根据图5所示的实验结果，我们可以确定，低功率Mo膜比较适合作为a-IGZO TFT的源漏电极。另外，因为Mo膜具有较大的电阻率(见图4)，在大尺寸和高分辨率FPD生产中并不适合采用单层Mo膜作为电极。

采用表1所示工艺参数制备的单层Cu电极a-IGZO TFT器件的转移特性曲线如图6所示，提取的各项特性参数也列于表2中。我们注意到，随着溅射功率从50 W升高到200 W，单层Cu电极a-IGZO TFT的特性变化比较复杂，在100 W溅射功率条件下，尽管器件的阈值电压(8 V)略大于其他功率(7 V)，但总体电学特性特性相对最佳(场效应迁移率为12.96 cm2·V-1·s-1，亚阈值摆幅为2.3 V/dec，开关电流比为1.6×107)。与Mo电极器件相比，影响Cu电极a-IGZO TFT电学特性的因素更多。随着Cu薄膜溅射功率的增加，一方面针对a-IGZO的等离子体伤害会加剧，另一方面扩散进入有源层的Cu原子也会增多[21]。上述这些变化将导致a-IGZO中的氧空位和缺陷态等发生非常复杂的变化，因此在适当的电极成膜功率下才能获得最佳的TFT器件特性。同样地，我们也测试了100 W溅射条件下Cu电极器件的输出特性曲线(见图6插图)。可以看出，如果采用适当的成膜功率，Cu与a-IGZO之间也可以形成较好的接触特性。目前关于纯Cu源漏电极工艺影响接触电阻特性的报道非常有限，一般认为原子扩散会导致纯Cu与a-IGZO之间的接触电阻较大(数量级为104Ω)；因此，为了减小Cu电极的接触电阻，一般都需要添加接触层来抑制Cu的扩散[13]。

表2 不同源漏电极a-IGZO TFT的特性参数Tab.2 Electrical parameters of the a-IGZO TFTs with different S/D electrodes

图6 单层Cu源漏电极a-IGZO TFT的转移特性曲线。插图：单层Cu源漏电极(成膜功率为100 W)a-IGZO TFT的输出特性曲线。
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.

尽管单层Cu电极器件在适当的成膜功率下可以获得较好的电学特性(见图6)，但是因为Cu电极具有非常差的粘附特性(见图2)和比较严重的原子扩散问题[8-9]，在其与有源层之间增加接触层非常必要。基于优势互补的考虑，如果将Mo与Cu薄膜相结合则可能获得更好的TFT源漏电极。为此，我们设计了如图1所示的双层电极(样品Ⅲ)。从图5、图6和表2所示的实验数据来看，我们发现Mo薄膜在50 W而Cu薄膜在100 W时所表现出的器件特性最佳，因此选择这两组工艺条件用来制备双层Mo/Cu(20/80 nm)源漏电极，其对应a-IGZO TFT的转移特性曲线和输出特性曲线如图7所示。我们注意到，该双层结构电极既保持了Cu电极器件较好的开关特性(电流开关比为1.3×107)，又拥有更低的阈值电压(6.0 V)，其场效应迁移率可达到8.33 cm2·V-1·s-1，亚阈值摆幅为2.0 V/dec。输出特性曲线(见图7中左上插图)也证明了Mo/Cu电极与有源层之间形成了较好的欧姆接触。我们选取Mo/Cu源漏电极与a-IGZO有源层接触界面做了SEM分析(见图7中右下插图)，可以看到有源层、源漏电极各层之间界限清晰，达到了很好的隔绝效果，从而有效地降低了Cu原子向a-IGZO的渗透。上述实验结果证明：采用Mo/Cu双层薄膜作为a-IGZO TFT的源漏电极是可行的。

图7 Mo/Cu源漏电极a-IGZO TFT的转移特性曲线。左上插图：器件输出特性曲线；右下插图:Mo/Cu源漏电极与a-IGZO有源层接触界面的SEM图像。
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 结 论

本文设计并制备了采用Mo/Cu源漏电极的a-IGZO TFT器件，对不同溅射功率制备的单层Mo和Cu薄膜以及相应的a-IGZO TFT器件做了详细的对比分析。实验结果表明，将单层Mo或单层Cu源漏电极应用于a-IGZO TFT均存在一定技术问题，而将两者结合制备出的双层Mo/Cu源漏电极a-IGZO TFT器件具有较好的电学特性(阈值电压为6.0 V，场效应迁移率达到8.33 cm2·V-1·s-1，亚阈值摆幅为2.0 V/dec ,开关比为 1.3×107)和工艺特性(如基板粘附性等)。

参 考 文 献：

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