钼缓冲层对钼/铜叠层结构电极特性的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京理工大学光电学院薄膜与显示实验室 作者:李旭远

  采用直流磁控溅射方法制备了钼/铜叠层结构电极,其电阻率达到2.28 μΩ·cm,显著低于铝钕合金的电阻率;金属钼作为缓冲层,提高了铜电极在玻璃上的附着力;钼作为阻挡层有效地阻挡了铜向非晶硅中的扩散,避免了铜对于薄膜晶体管有源层的影响。采用这种结构的电极作为大尺寸高分辨平板显示器的扫描线和数据线有望缓解信号延迟的问题。

  有源型平板显示器,如TFT-LCD或者AMOLED等,都需要采用薄膜晶体管(TFT) 的阵列基板。TFT基板具有正交的行电极线和列电极线,分别作为扫描线和数据线,而这样的扫描线和数据线可以等效为分布式电阻和电容网络。随着平板显示器尺寸的增大和分辨率的提高以及扫描频率的提高,扫描线和数据线形成的分布式RC 网络造成的数据线上和扫描线上的信号延迟越来越严重。为了减小信号的延迟,需要采用电阻率更低的金属材料作为TFT 的栅极和源/漏极,已经有几种金属材料被提出。

  由于铜的电阻率很低,铜晶体材料电阻率为1.7 μΩ·cm,而TFT 中通常采用的铝钕合金是铝中掺杂2%的金属钕,电阻率与铝的电阻率接近,铝的体材料电阻率为2.83 μΩ·cm,铝钕合金的体材料的电阻率为2.83 μΩ·cm 左右,铝钕薄膜的电阻率在3.2 μΩ·cm 左右,所以,铜的电阻率显著低于TFT 中通常采用的铝钕合金的电阻率,从而可用于大尺寸、高分辨率的有源平板显示器AMLCD或者AMOLED。然而,铜作为TFT的电极时面临着一些问题,主要的问题是铜在玻璃上的附着性较差,从而容易脱落;同时铜极易扩散,对于大面积应用的氢化非晶硅(a-Si: H) TFT,Cu很容易扩散进入有源层非晶硅从而在Si 的能带中形成深能级,并且与Si 反应生成Cu3Si,从而影响TFT 的性能。

  如果采用Cu 作为TFT 的栅极和源/漏极,必须设法解决上述问题。有的采用难熔金属如Cr、Mn等或者金属氧化物或氮化物作为缓冲/阻挡层来增加Cu 在玻璃上的附着力并且阻挡Cu 的扩散;还有采用自封装的方法,在Cu 中掺入Mn、Mg 或者Cr 等金属,通过退火的方法,使Mn、Mg 或者Cr 从Cu 中析出而在界面处形成MnO、MgO 或者CrO 而形成缓冲/阻挡层;也有采用金属氮化物或氧化物作为缓冲层/阻挡层来提高Cu 的附着力,阻挡Cu 的扩散。

  本文采用难熔金属Mo 作为缓冲层来增加Cu在玻璃表面的附着性并阻挡Cu 与非晶硅之间的扩散,得到了可以适用于大尺寸高分辨率平板显示器的TFT 阵列基板的叠层电极。

  1、实验

  采用直流磁控溅射制备Cu 膜或Mo 膜,Cu 和Mo 靶材的纯度均为99. 99%,直径均为762 mm,靶材与基片距离均为10 cm,本底真空为5 × 10-4 Pa,基片采用美国Coring 公司生产的玻璃EGAL2000。基片先用洗涤剂刷洗后再依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15 min,然后用干燥的氮气吹干。首先研究单层Cu 膜和Mo 膜的电阻率以及不同退火温度对Cu 膜电阻率的影响;其次在玻璃衬底上制备Mo /Cu 叠层结构的薄膜,研究叠层薄膜的电阻率和附着性;最后采用等离子增强化学气相沉积( PECVD) 技术在玻璃衬底上沉积非晶硅,然后在非晶硅上沉积Mo/Cu 叠层电极,研究Cu 的扩散及叠层电极的电阻率。

  薄膜Cu 和Mo 的厚度采用美国KLA Tencor 公司生产的Alpha Step IQ 台阶仪和日本HITACHI 生产的S - 4800 扫描电子显微镜(SEM) 来测量,方块电阻采用韩国WOOSIN 公司的OmniProbe 四探针测试仪来测量,根据薄膜的方块电阻与电阻率的关系ρ = Rs·d 来计算薄膜的电阻率,其中Rs为薄膜的方块电阻,d 为薄膜的厚度。

  薄膜的附着力采用3M 公司生产的附着力专用测试胶带参照百格实验来测试。百格实验依照国标GB9286 - 1998 的标准来划分等级,共分为六个等级,从0 级到5 级,附着力效果从最好到最差,0 级的附着力最好,切割边缘完全平滑,无一格脱落,1级的附着力较好,在切割口交叉处有少许薄膜脱落,但交叉处脱落面积不大于5%,等级数越大,脱落情况越严重,薄膜附着力越差。本文中百格实验按照国标采用齿数为10 间距为1 mm 的百格刀制备样品,镀有薄膜的玻璃板放置在坚硬平稳的物体表面上,用百格刀均匀地在薄膜表面划出平行线,然后再垂直所划出的平行线划出另一组平行线,从而形成100 个边长为1 mm 的格子;然后用软毛刷沿网格图形每一条对角线轻轻地向后扫几次,再向前扫几次;之后再贴上附着力胶带进行撕扯测试,拍照并记录测试结果。

  为了研究Mo作为阻挡层对Cu与非晶硅之间相互扩散的阻挡效果,使用俄歇电子能谱( AES) 测试Cu 的扩散情况。AES 实验使用日本ULVAC-PHI公司生产的PHI -700 AES 系统。

  3、结论

  金属Mo 作为缓冲/阻挡层,结构为Mo ( 17nm) /Cu( 280 nm) 的叠层电极的电阻率达到2. 28μΩ·cm,方块电阻达到0. 76 Ω/□,电阻率低于通常TFT 中采用的AlNd 合金的电阻率;采用Mo 后,电极在玻璃上的附着性很好,能够满足制作TFT 的要求;采用AES 测试非晶硅上的叠层电极在不同深度的元素含量,验证了Mo 作为阻挡层能够有效地阻挡Cu 和非晶硅之间的相互扩散,从而避免了Cu作为TFT 的源/漏电极时对TFT 的有源层非晶硅的影响。叠层结构电极Mo( 17 nm) /Cu( 280 nm) 有望作为大尺寸、高分辨率平板显示器的TFT 基板中TFT 的栅电极和源/漏电极,在TFT 基板中作为扫描线和数据线使用,从而有望缓解由于尺寸变大,分辨率变高所带来的扫描线和数据线上信号延迟问题。

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