周 焱，王 超，陳 鵬，朱 寧，江 鵬，高玉杰

(武漢京東方光電科技有限公司，湖北 武漢 430040)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)已成為目前平板顯示的主流產(chǎn)品，相關設計和制造工藝已進入成熟階段[1]。薄膜晶體管的配線材料均采用導電性極好的金屬材料，如鋁、銅。相對于鋁，銅具有更低的電阻率、更快的刻蝕速度，目前被廣泛使用在中大尺寸TFT-LCD面板中[2-6]。TFT-LCD面板中不同金屬層之間的導通均需通過過孔連接，而連接過孔的材料使用較多的就是氧化銦錫(ITO)。ITO是一種金屬氧化物，具有良好的導電性和高的光學透過率，作為透明電極被廣泛應用在TFT-LCD中，成為不可或缺的一部分[7-8]。由于ITO的電阻率比金屬材料大2～3個數(shù)量級，同時ITO與金屬兩種不同屬性材料的接觸界面同樣存在著較大的接觸電阻，故ITO連接過孔是電信號在傳遞過程中電阻相對較大的區(qū)域，流經(jīng)電流過大時容易發(fā)生過孔燒毀的問題。因此在產(chǎn)品設計中，如何合理設計過孔電阻是提高產(chǎn)品品質(zhì)的重要課題[9]。

白金超等人研究了鋁配線情況下的過孔接觸電阻的變化規(guī)律，指出了過孔面積、尺寸等因素與接觸電阻大小的定性關系，為傳統(tǒng)鋁工藝下的過孔設計提供了依據(jù)[10]。業(yè)內(nèi)還沒有一種可定量計算和設計過孔的方法。而且，目前業(yè)內(nèi)已廣泛使用銅配線，輔助層結構與鋁配線有所不同，刻蝕特點也有很大差異，銅工藝下的過孔接觸電阻規(guī)律還需要進一步研究。

本文通過對過孔電阻的阻值進行分解，得到并驗證了定量計算過孔電阻的方法，闡明了銅工藝下的過孔接觸電阻變化規(guī)律，同時為復雜的過孔設計提供了一些參考，最后探索了過孔電阻與擊穿電流的關系，為合理設計過孔提供了依據(jù)。

2 實 驗

實驗材料為大尺寸TFT半成品玻璃基板若干。玻璃基板上的成膜順序依次為柵極金屬層(Gate)、柵極絕緣層(GI)、源漏極金屬層(Source/Drain，SD)、薄膜晶體管鈍化層(PVX)、像素電極層。物理濺射形成鉬鈮/銅/鉬鈦(MoNb/Cu/MTD)15 nm/600 nm/20 nm的Gate層和鉬鈮/銅(MoNb/Cu)15 nm/500 nm的SD層金屬，以及50 nm ITO的像素電極。等離子增強化學氣相沉積氮化硅形成420 nm的GI層和400 nm的PVX層。通過一次干法刻蝕，在PVX層上形成過孔使ITO與SD層金屬相連(淺孔)，在GI層和PVX層上同時形成過孔使ITO與Gate層金屬相連(深孔)。

本文采用Kesight B1500A半導體參數(shù)分析儀對樣品上具有開爾文四線檢測結構的過孔接觸電阻進行測試，采用Keithley 2410 1 100 V高壓源測量設備對普通過孔電阻和擊穿電流進行測試，通過掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散X射線光譜儀(EDS)和聚焦離子束顯微鏡(FIB)對過孔內(nèi)部形貌進行表征。數(shù)據(jù)的相關性分析采用JMP軟件16版進行。文中描述的孔尺寸均為刻蝕后的孔底部尺寸(Final inspection critical dimension，F(xiàn)ICD)。

2.1 過孔電阻的阻值分解

圖1為TFT-LCD常見的ITO連接過孔的截面圖。圖中①為孔間的ITO平面電阻，②為孔間的ITO斜坡電阻，定義Rito為孔間連接的ITO總電阻，包括①和②兩部分。③為ITO與金屬的接觸電阻，其中Rd為深孔接觸電阻，Rs為淺孔接觸電阻。很明顯，電流要從Gate層流到SD層，必須經(jīng)過①、②、③，因此單過孔電阻的阻值:

圖1 ITO連接過孔截面示意圖

Rvia=Rd+Rs+Rito.

(1)

圖2為ITO連接過孔的平面俯視圖。Rito等于平面電阻與斜坡電阻之和。假設ITO的方塊電阻為R□，深淺孔間的ITO總長度為LR，深淺孔間的ITO寬度為W，則

圖2 ITO連接過孔平面俯視圖

Rito=R□·LR/W.

(2)

假設孔邊緣的坡度角為α，深淺孔之間的距離為LF，則深淺孔之間的ITO總長度:

(3)

其中：TGI和TPVX分別為GI層和PVX層的厚度。Rd和Rs為接觸電阻，與過孔尺寸相關，沒有可用的理論計算公式。我們采用開爾文四線檢測法測量設計好的過孔擬合得到接觸電阻與過孔尺寸的計算公式。圖3為具有開爾文四線檢測結構的過孔接觸電阻圖形。

圖3 具有開爾文四線檢測結構的過孔接觸電阻圖形。(a)深孔；(b)淺孔。

2.2 復雜結構過孔的阻值分解

在實際的面板設計中，常見到的是多行多列的復雜過孔結構設計。下面分別對3種常見的過孔結構進行阻值分解和說明。

2.2.1 單排孔設計

如圖4所示，單排孔設計是深孔和淺孔各只有一列面對面排列的情況，深孔m個，淺孔n個，m和n可以相等也可以不相等。通常多個深孔都是相同設計，多個淺孔也是相同設計，相同設計的孔接觸電阻可以認為無差異。

圖4 單排孔結構的ITO連接過孔電阻圖形

電流依次流經(jīng)深孔、ITO和淺孔。深孔接觸電阻、ITO連接電阻和淺孔接觸電阻之間是串聯(lián)關系，m個深孔之間則是并聯(lián)關系，n個淺孔之間也是并聯(lián)關系。單排孔結構的過孔電阻等效電路圖如圖5所示。

圖5 單排孔結構的過孔電阻等效電路圖

于是，我們很容易得到單排孔結構的過孔電阻為：

(4)

2.2.2 雙排孔豎向設計

圖6 雙排孔豎向結構的ITO連接過孔電阻圖形

電流依次流經(jīng)深孔、ITO和淺孔，雙排孔豎向結構的過孔電阻等效電路圖如圖7所示。

圖7 雙排孔豎向結構的過孔電阻等效電路圖

依據(jù)電阻的串并聯(lián)公式，雙排孔豎向結構的過孔電阻為：

(5)

2.2.3 雙排孔橫向設計

圖8 雙排孔橫向結構的ITO連接過孔電阻圖形Fig.8 Pattern of the via hole resistance connected by ITO with double-row structure

同理，雙排孔橫向結構的過孔電阻等效電路圖如圖9所示。

圖9 雙排孔橫向結構的過孔電阻等效電路圖Fig.9 Equivalent circuit diagram of the via hole resistance with double-row structure

依據(jù)電阻的串并聯(lián)公式，雙排孔橫向結構的過孔電阻為:

(6)

其他復雜類型過孔電阻的計算公式可以通過分析等效電路圖同理得到。

3 結果與討論

為了驗證上述過孔電阻計算公式的準確性，我們需要計算出各種類型的過孔電阻阻值，然后與實測阻值進行相關性分析。Rd和Rs需要測量和擬合得到計算公式，ITO的方塊電阻Rd以及過孔的尺寸信息可以通過直接測量得到。

3.1 深孔和淺孔的接觸電阻計算

表1是用開爾文四線檢測法測量一系列不同孔徑的接觸電阻阻值。由表中數(shù)據(jù)可知，隨著孔面積的增加，深孔和淺孔的接觸電阻均呈明顯下降趨勢。在孔面積相等的情況下，正方形孔與長方形孔接觸電阻幾乎一樣，且淺孔的接觸電阻遠大于深孔接觸電阻。玻璃中心位置ITO與金屬的接觸電阻均明顯大于玻璃邊緣位置，存在位置別差異。

表1 不同大小深孔和淺孔的接觸電阻值

將孔面積的倒數(shù)與接觸電阻值做線性擬合，深孔線性相關系數(shù)達到0.99以上，淺孔線性相關系數(shù)達到0.98以上，如圖10所示。

圖10 深孔(a)和淺孔(b)的接觸電阻與孔面積的線性擬合曲線

由此，我們得到深孔和淺孔的接觸電阻計算公式：

玻璃中心位置，Rd(Ω)= 670.97/S2+ 3.805，

(7)

玻璃中心位置，Rs(Ω)= 1831.1/S2-4.671，

(8)

玻璃邊緣位置，Rd(Ω)= 536.77/S2+0.567 5，

(9)

玻璃邊緣位置，Rs(Ω)= 1027.4/S2-3.541 3，

(10)

其中S為孔面積，單位μm2。

與此同時，我們對過孔進行了微觀形貌表征和元素成分分析，如圖11和圖12所示。

圖11 深孔和淺孔的掃描電子顯微鏡圖(a)和聚焦離子束顯微鏡圖(b)

從顯微鏡圖片中可以看出，淺孔邊緣非常光滑，而深孔邊緣多一個小斜坡，這是由于深孔需要刻蝕PVX和GI兩層絕緣層導致的。

柵極金屬Cu上方還有MTD層，源漏極金屬Cu上方?jīng)]有其他膜層。結合圖12的EDS結果可知，淺孔中心是ITO與Cu直接接觸，深孔中心是ITO與MTD直接接觸，深孔邊緣是ITO與SiNx直接接觸。因此ITO與金屬Cu的接觸電阻大小直接與孔的接觸面積相關，與孔的形狀無明顯關系。這也證明了上述擬合公式的合理性。Cu工藝的這些結果與白金超等人研究的Al工藝過孔有著明顯的區(qū)別。

圖12 深孔和淺孔的EDS結果。(a)淺孔中心；(b)深孔中心；(c)深孔邊緣；(d)測試點位。

由于Cu與ITO的電學接觸性能不好，接觸電阻較大，而MTD與ITO有較好的電學接觸性能，接觸電阻遠小于Cu與ITO的接觸電阻。故相同的孔面積下，深孔的接觸電阻遠小于淺孔接觸電阻。

如果柵極金屬不使用MTD，也采用與源漏極金屬相同的膜層結構即MoNb/Cu，則可以推斷在相同孔面積下，深孔和淺孔的接觸電阻大小相當。

選擇一片柵極和源漏極金屬均為MoNb/Cu的樣品進行接觸電阻測試，測試結果如下：孔尺寸為11 μm×11 μm，玻璃中心位置，深孔接觸電阻10.42 Ω，淺孔接觸電阻10.39 Ω；玻璃邊緣位置，深孔接觸電阻4.18 Ω，淺孔接觸電阻4.21 Ω。測試結果符合預期，證明了上述Cu工藝的微觀分析結論的正確性。

3.2 ITO連接的過孔電阻計算

表2為26個ITO連接過孔的尺寸信息，統(tǒng)一進行編號?？讓?shù)是指深孔和淺孔的個數(shù)，一個深孔和一個淺孔稱為1對。表中均為單排孔結構，同一編號的過孔的深孔和淺孔數(shù)量相等，深孔和淺孔的孔尺寸相同。坡度角α=40°，GI和PVX的厚度分別為420 nm和400 nm，LF和W可直接量取，依據(jù)公式(3)可計算出表中的LR。

表2 ITO連接過孔的尺寸信息

依據(jù)表2中的孔尺寸可算出孔面積，通過公式(7)、(8)、(9)、(10)可計算出Rd和Rs。由于擬合的孔面積范圍有限，Rs實際計算中有可能出現(xiàn)負值。R□可通過測量直接得到，玻璃中心和邊緣位置分開測量，依據(jù)公式(2)和表2中的LR和W即可計算出Rito。最后，依據(jù)公式(4)即可模擬計算出過孔的電阻值，如表3和表4所示。

表3 玻璃中心位置ITO連接過孔電阻的模擬與實測結果

表4 玻璃邊緣位置ITO連接過孔電阻的模擬與實測結果

從表3和表4中可以看出，模擬計算值和實測值匹配程度較好。對模擬值和實測值進行相關性分析，結果如圖13。使用二元正態(tài)密度橢圓分析，模擬值與實測值均值偏小8 Ω，標準差相當，兩者的線性相關系數(shù)達到0.96，證明了上述公式以及計算方法的可靠性。

圖13 ITO連接過孔電阻模擬值與實測值的相關性分析

3.3 不同結構的過孔電阻

針對一些不同結構的過孔設計，這里選擇若干組過孔電阻實測數(shù)據(jù)進行對比分析，給出一些設計建議。

3.3.1 孔兩端正對與非正對設計

圖14為兩組單排孔正對與非正對設計的阻值對比。從圖中可以看出，孔兩端金屬線正對與非正對設計對整體過孔電阻無影響，設計時可靈活采用。

3.3.2 ITO寬度問題

圖15為兩組ITO寬度不同的單排孔阻值對比。組內(nèi)單孔尺寸和深淺孔間距均相同，只是ITO寬度即W不同。從圖中可以看出，ITO寬的過孔(a)阻值明顯比ITO窄的過孔(b)阻值小。這也說明ITO過孔電阻與ITO的寬度即W有關，與之前公式(2)一致。

圖15 不同ITO寬度的過孔阻值對比。(a)ITO寬；(b)ITO窄;(c)中心位置阻值對比；(d)邊緣位置阻值對比。

3.3.3 雙排孔豎向設計

圖16為3組豎向雙排孔與單排孔的阻值對比。每組內(nèi)包含4種過孔，組內(nèi)單孔尺寸和深淺孔間距均相同，只是深淺孔的列數(shù)不同。從圖中可以看出，豎向雙排孔(a)與單排孔(b)沒有明顯的阻值差異。

圖16 豎向雙排孔與單排孔的阻值對比。(a)雙排深淺孔；(b)單排深淺孔；(c)雙排深孔單排淺孔；(d)單排深孔雙排淺孔；(e)中心位置阻值對比；(f)邊緣位置阻值對比。

3.3.4 雙排孔橫向設計

圖17為兩組橫向雙排孔與單排孔的阻值對比。每組內(nèi)包含4種過孔，組內(nèi)單孔尺寸和深淺孔間距均相同，只是深淺孔的行數(shù)不同。橫向雙排孔(a)的阻值約等于單排孔(b)阻值的1/2。

圖17 橫向雙排孔與單排孔的阻值對比。(a)雙排深淺孔；(b)單排深淺孔；(c)雙排深孔單排淺孔；(d)單排深孔雙排淺孔；(e)中心位置阻值對比；(f)邊緣位置阻值對比。

從公式(4)和(6)可以看出，橫向雙排孔的阻值等于單排孔阻值的1/2，與實測值基本一致。同時，(d)排列的過孔電阻與橫向雙排孔阻值相當。說明增加淺孔的行數(shù)對過孔電阻沒有明顯貢獻。故在雙排孔橫向設計時建議采用兩行深孔一行淺孔。

3.4 過孔電阻與擊穿電流

我們還進一步探索了過孔擊穿電流與過孔阻值之間的關系。我們測量了42組過孔電阻和它的擊穿電流值，分別用冪函數(shù)和焦耳公式進行擬合，結果如圖18所示。

圖18 過孔電阻與擊穿電流的關系。(a)冪指數(shù)擬合；(b)焦耳公式擬合。

過孔燒毀通常被認為是過孔電阻產(chǎn)生的焦耳熱過大導致過孔結構發(fā)生破壞導致的，按照焦耳定律就是過孔電阻與擊穿電流的倒數(shù)存在二次方的關系。從圖18(a)冪函數(shù)擬合情況來看，擬合出的冪指數(shù)為-1.327，介于1和2之間，相關系數(shù)達到0.98。按照圖18(b)焦耳定律擬合的函數(shù)，電流倒數(shù)的平方為非負數(shù)，則過孔電阻不低于17.68 Ω，這顯然是不合理的，且相關系數(shù)不到0.96。因此冪函數(shù)關系更為顯著，推測過孔電阻與擊穿電流之間可能存在著一次方和二次方關系的綜合影響。我們可通過這個冪函數(shù)公式推算出過孔的擊穿電流大小。

4 結 論

本文首先研究了ITO接觸電阻并擬合得到了深孔和淺孔的接觸電阻計算公式，同時闡明了銅工藝下的過孔接觸電阻的不同規(guī)律，MTD金屬能夠明顯改善銅與ITO的接觸電阻。然后對ITO連接過孔電阻進行詳細的分解，推導了多種結構過孔電阻的計算方法，并利用實測數(shù)據(jù)驗證了計算方法的可靠性，相關系數(shù)達到0.96。針對不同結構的過孔，通過實測數(shù)據(jù)對比分析，提出了一些過孔相關的設計建議：過孔兩端金屬正對與非正對設計對電阻大小沒影響；ITO寬的過孔電阻較?。浑p排孔豎向設計時深孔或淺孔列數(shù)的增加對電阻基本沒貢獻；雙排孔橫向設計時淺孔行數(shù)的增加對電阻基本沒貢獻。最后，探索了過孔電阻阻值與擊穿電流的冪函數(shù)關系，冪指數(shù)為-1.3，相關系數(shù)達到0.98。自此，我們建立起了一整套可定量計算過孔電阻及其擊穿電流的方法，為合理設計過孔提供了依據(jù)。