ITO連接過孔電阻定量計(jì)算與設(shè)計(jì)方法

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(guān)設(shè)計(jì)和制造工藝已進(jìn)入成熟階段[1]。薄膜晶體管的配線材料均采用導(dǎo)電性極好的金屬材料，如鋁、銅。相對(duì)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(dǎo)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(dǎo)電性和高的光學(xué)透過率，作為透明電極被廣泛應(yīng)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(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)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(hào)在傳遞過程中電阻相對(duì)較大的區(qū)域，流經(jīng)電流過大時(shí)容易發(fā)生過孔燒毀的問題。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如何合理設(shè)計(jì)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(guān)系，為傳統(tǒng)鋁工藝下的過孔設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[10]。業(yè)內(nèi)還沒有一種可定量計(jì)算和設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)與鋁配線有所不同，刻蝕特點(diǎn)也有很大差異，銅工藝下的過孔接觸電阻規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。

本文通過對(duì)過孔電阻的阻值進(jìn)行分解，得到并驗(yàn)證了定量計(jì)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(shí)為復(fù)雜的過孔設(shè)計(jì)提供了一些參考，最后探索了過孔電阻與擊穿電流的關(guān)系，為合理設(shè)計(jì)過孔提供了依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化學(xué)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(shí)形成過孔使ITO與Gate層金屬相連(深孔)。

本文采用Kesight B1500A半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)樣品上具有開爾文四線檢測(cè)結(jié)構(gòu)的過孔接觸電阻進(jìn)行測(cè)試，采用Keithley 2410 1 100 V高壓源測(cè)量設(shè)備對(duì)普通過孔電阻和擊穿電流進(jìn)行測(cè)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(duì)過孔內(nèi)部形貌進(jìn)行表征。數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析采用JMP軟件16版進(jìn)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(shè)ITO的方塊電阻為R□，深淺孔間的ITO總長(zhǎng)度為L(zhǎng)R，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(shè)孔邊緣的坡度角為α，深淺孔之間的距離為L(zhǎng)F，則深淺孔之間的ITO總長(zhǎng)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(guān)，沒有可用的理論計(jì)算公式。我們采用開爾文四線檢測(cè)法測(cè)量設(shè)計(jì)好的過孔擬合得到接觸電阻與過孔尺寸的計(jì)算公式。圖3為具有開爾文四線檢測(cè)結(jié)構(gòu)的過孔接觸電阻圖形。

圖3 具有開爾文四線檢測(cè)結(jié)構(gòu)的過孔接觸電阻圖形。(a)深孔；(b)淺孔。

2.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)過孔的阻值分解

在實(shí)際的面板設(shè)計(jì)中，常見到的是多行多列的復(fù)雜過孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下面分別對(duì)3種常見的過孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻值分解和說明。

2.2.1 單排孔設(shè)計(jì)

如圖4所示，單排孔設(shè)計(jì)是深孔和淺孔各只有一列面對(duì)面排列的情況，深孔m個(gè)，淺孔n個(gè)，m和n可以相等也可以不相等。通常多個(gè)深孔都是相同設(shè)計(jì)，多個(gè)淺孔也是相同設(shè)計(jì)，相同設(shè)計(jì)的孔接觸電阻可以認(rèn)為無(wú)差異。

圖4 單排孔結(jié)構(gòu)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(guān)系，m個(gè)深孔之間則是并聯(lián)關(guān)系，n個(gè)淺孔之間也是并聯(lián)關(guān)系。單排孔結(jié)構(gòu)的過孔電阻等效電路圖如圖5所示。

圖5 單排孔結(jié)構(gòu)的過孔電阻等效電路圖

于是，我們很容易得到單排孔結(jié)構(gòu)的過孔電阻為：

(4)

2.2.2 雙排孔豎向設(shè)計(jì)

圖6 雙排孔豎向結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的過孔電阻等效電路圖如圖7所示。

圖7 雙排孔豎向結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的過孔電阻為：

(5)

2.2.3 雙排孔橫向設(shè)計(jì)

圖8 雙排孔橫向結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的過孔電阻等效電路圖如圖9所示。

圖9 雙排孔橫向結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的過孔電阻為:

(6)

其他復(fù)雜類型過孔電阻的計(jì)算公式可以通過分析等效電路圖同理得到。

3 結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證上述過孔電阻計(jì)算公式的準(zhǔn)確性，我們需要計(jì)算出各種類型的過孔電阻阻值，然后與實(shí)測(cè)阻值進(jìn)行相關(guān)性分析。Rd和Rs需要測(cè)量和擬合得到計(jì)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(cè)量得到。

3.1 深孔和淺孔的接觸電阻計(jì)算

表1是用開爾文四線檢測(cè)法測(cè)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(shì)。在孔面積相等的情況下，正方形孔與長(zhǎng)方形孔接觸電阻幾乎一樣，且淺孔的接觸電阻遠(yuǎn)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(guān)系數(shù)達(dá)到0.99以上，淺孔線性相關(guān)系數(shù)達(dá)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(jì)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(shí)，我們對(duì)過孔進(jìn)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(gè)小斜坡，這是由于深孔需要刻蝕PVX和GI兩層絕緣層導(dǎo)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(jié)合圖12的EDS結(jié)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(guān)，與孔的形狀無(wú)明顯關(guān)系。這也證明了上述擬合公式的合理性。Cu工藝的這些結(jié)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(jié)果。(a)淺孔中心；(b)深孔中心；(c)深孔邊緣；(d)測(cè)試點(diǎn)位。

由于Cu與ITO的電學(xué)接觸性能不好，接觸電阻較大，而MTD與ITO有較好的電學(xué)接觸性能，接觸電阻遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)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(dāng)。

選擇一片柵極和源漏極金屬均為MoNb/Cu的樣品進(jìn)行接觸電阻測(cè)試，測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果符合預(yù)期，證明了上述Cu工藝的微觀分析結(jié)論的正確性。

3.2 ITO連接的過孔電阻計(jì)算

表2為26個(gè)ITO連接過孔的尺寸信息，統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)?？讓?duì)數(shù)是指深孔和淺孔的個(gè)數(shù)，一個(gè)深孔和一個(gè)淺孔稱為1對(duì)。表中均為單排孔結(jié)構(gòu)，同一編號(hào)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(jì)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(jì)算出Rd和Rs。由于擬合的孔面積范圍有限，Rs實(shí)際計(jì)算中有可能出現(xiàn)負(fù)值。R□可通過測(cè)量直接得到，玻璃中心和邊緣位置分開測(cè)量，依據(jù)公式(2)和表2中的LR和W即可計(jì)算出Rito。最后，依據(jù)公式(4)即可模擬計(jì)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(shí)測(cè)結(jié)果

表4 玻璃邊緣位置ITO連接過孔電阻的模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果

從表3和表4中可以看出，模擬計(jì)算值和實(shí)測(cè)值匹配程度較好。對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖13。使用二元正態(tài)密度橢圓分析，模擬值與實(shí)測(cè)值均值偏小8 Ω，標(biāo)準(zhǔn)差相當(dāng)，兩者的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96，證明了上述公式以及計(jì)算方法的可靠性。

圖13 ITO連接過孔電阻模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性分析

3.3 不同結(jié)構(gòu)的過孔電阻

針對(duì)一些不同結(jié)構(gòu)的過孔設(shè)計(jì)，這里選擇若干組過孔電阻實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，給出一些設(shè)計(jì)建議。

3.3.1 孔兩端正對(duì)與非正對(duì)設(shè)計(jì)

圖14為兩組單排孔正對(duì)與非正對(duì)設(shè)計(jì)的阻值對(duì)比。從圖中可以看出，孔兩端金屬線正對(duì)與非正對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)整體過孔電阻無(wú)影響，設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(guān)，與之前公式(2)一致。

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

3.3.3 雙排孔豎向設(shè)計(jì)

圖16為3組豎向雙排孔與單排孔的阻值對(duì)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(duì)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(duì)比；(f)邊緣位置阻值對(duì)比。

3.3.4 雙排孔橫向設(shè)計(jì)

圖17為兩組橫向雙排孔與單排孔的阻值對(duì)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(duì)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(duì)比；(f)邊緣位置阻值對(duì)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(shí)測(cè)值基本一致。同時(shí)，(d)排列的過孔電阻與橫向雙排孔阻值相當(dāng)。說明增加淺孔的行數(shù)對(duì)過孔電阻沒有明顯貢獻(xiàn)。故在雙排孔橫向設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)一步探索了過孔擊穿電流與過孔阻值之間的關(guān)系。我們測(cè)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(jìn)行擬合，結(jié)果如圖18所示。

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

過孔燒毀通常被認(rèn)為是過孔電阻產(chǎn)生的焦耳熱過大導(dǎo)致過孔結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞導(dǎo)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(guān)系。從圖18(a)冪函數(shù)擬合情況來(lái)看，擬合出的冪指數(shù)為-1.327，介于1和2之間，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。按照?qǐng)D18(b)焦耳定律擬合的函數(shù)，電流倒數(shù)的平方為非負(fù)數(shù)，則過孔電阻不低于17.68 Ω，這顯然是不合理的，且相關(guān)系數(shù)不到0.96。因此冪函數(shù)關(guān)系更為顯著，推測(cè)過孔電阻與擊穿電流之間可能存在著一次方和二次方關(guān)系的綜合影響。我們可通過這個(gè)冪函數(shù)公式推算出過孔的擊穿電流大小。

4 結(jié) 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(jì)算公式，同時(shí)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(duì)ITO連接過孔電阻進(jìn)行詳細(xì)的分解，推導(dǎo)了多種結(jié)構(gòu)過孔電阻的計(jì)算方法，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的過孔，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，提出了一些過孔相關(guān)的設(shè)計(jì)建議：過孔兩端金屬正對(duì)與非正對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)電阻大小沒影響；ITO寬的過孔電阻較?。浑p排孔豎向設(shè)計(jì)時(shí)深孔或淺孔列數(shù)的增加對(duì)電阻基本沒貢獻(xiàn)；雙排孔橫向設(shè)計(jì)時(shí)淺孔行數(shù)的增加對(duì)電阻基本沒貢獻(xiàn)。最后，探索了過孔電阻阻值與擊穿電流的冪函數(shù)關(guān)系，冪指數(shù)為-1.3，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。自此，我們建立起了一整套可定量計(jì)算過孔電阻及其擊穿電流的方法，為合理設(shè)計(jì)過孔提供了依據(jù)。