CN103730190A

CN103730190A - 复合铜导电薄膜及其制备方法以及金属布线电路

Info

Publication number: CN103730190A
Application number: CN201410020227.2A
Authority: CN
Inventors: 徐苗; 赵铭杰; 陈子凯; 彭俊彪; 邹建华; 陶洪; 王磊
Original assignee: GUANGZHOU NEW VISION OPTOELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: GUANGZHOU NEW VISION OPTOELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: CN103730190B

Abstract

一种复合铜导电薄膜及其制备方法以及通过该复合导电薄膜制备而成的金属布线电路，复合铜导电薄膜自下而上依次设有增粘层、作为中间导电层的铜基薄膜及用于保护铜基薄膜的保护层，铜基薄膜为铜或者铜合金薄膜，增粘层和所述保护层均为非晶金属氧化物薄膜。其制备方法包括在衬底上依次沉积增粘层、导电层和保护层，形成复合铜导电薄膜，复合铜导电薄膜经过图形化制成复合导电薄膜导线。本发明的复合铜导电薄膜粘附性好、耐氧化性优良。

Description

复合铜导电薄膜及其制备方法以及金属布线电路

技术领域

本发明涉及一种复合铜导电薄膜及其制备方法以及通过该复合导电薄膜制备而成的金属布线电路。

背景技术

铜以及铜合金等铜基导电材料具有非常低的电阻率，在工业中被认为是最理想的金属布线材料。但是铜基导电材料材料在多种衬底上黏附性较差，容易发生扩散和氧化的现象，因此，铜基导电材料在实际中难以被应用。

现有技术中，通常采用金属Ti、Mo或者氮化物TiN、MoN或者使用铜合金作为铜基导电材料的保护膜。但是这些保护膜为多晶薄膜，内部存在大量的晶界。由于晶界的存在，使得铜离子和外界腐蚀性离子能够以晶界作为扩散的通道，因此现有技术中的多晶薄膜在实际使用中并不能完好地保护铜基导电薄膜。

因此，针对现有技术不足，提供一种能够有效提高铜或铜合金薄膜的黏附性和抗氧化性以及防止Cu离子扩散的复合铜导电薄膜及其制备方法以及通过该复合导电薄膜制备而成的金属布线电路以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的之一是提供了一种复合铜导电薄膜，该复合铜导电薄膜既能与基板有效粘附，又具有良好的抗氧化性及环境稳定性。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

一种复合铜导电薄膜，自下而上依次设有增粘层、作为中间导电层的铜基薄膜以及用于保护铜基薄膜的保护层，所述铜基薄膜为铜或者铜合金薄膜，所述增粘层和所述保护层均为非晶金属氧化物薄膜。

上述非晶金属氧化物薄膜的材料为(In₂O₃)_x(MO)_y(ZnO)_z，其中0≤x≤1，0≤y≤0.8，0≤z≤1，且x+y+z=1，M为锡、磷、钒、砷、钛、铅、钾、镁的任意一种或两种以上的任意组合。

上述非晶金属氧化物薄膜的载流子浓度为10¹⁶—10²⁰ cm^-3，迁移率为5—100 cm²/Vs。

上述铜基薄膜为由单质Cu、CuMn合金、CuAl合金、CuCa合金或者CuSn合金中的任意一种材料制备而成的单层薄膜；或者

所述铜基薄膜为由单质Cu、CuMn合金、CuAl合金、CuCa合金或者CuSn合金中的任意一种材料制备而成的多层薄膜；或者

所述铜基薄膜为由CuMn、CuAl、CuCa或CuSn合金中的任意两种以上材料制备而成的多层薄膜；或者

所述铜基薄膜为由CuMn、CuAl、CuCa或CuSn合金中的任意一种或者两种以上材料制备而成的薄膜与由单质Cu制备而成的单层薄膜叠层构成的多层薄膜。

上述铜基薄膜的厚度为100nm—2000nm。

上述增粘层的厚度为5nm—100nm，优选为7nm—100nm。

上述保护层的厚度为5nm—50nm。

本发明的另一目的是提供了上述复合铜导电薄膜的制备方法，所制备的复合铜导电薄膜既能与基板有效粘附，又具有良好的抗氧化性及环境稳定性。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现：

提供一种上述复合铜导电薄膜的制备方法，包括下列步骤，

（1）在衬底上沉积非晶金属氧化物薄膜作为增粘层；

（2）在增粘层上沉积铜或铜合金薄膜作为导电层；

（3）在导电层上沉积非晶金属氧化物薄膜作为保护层，形成复合铜导电薄膜，所述复合铜导电薄膜经过图形化制成复合导电薄膜导线。

上述步骤（3）中的图形化采用湿法刻蚀或者干法刻蚀通过一步刻蚀方式或者通过多步刻蚀进行；

所述步骤（1）中采用物理气相沉积法、原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法制备增粘层；

所述步骤（2）中采用物理气相沉积法、原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法制备导电层；

所述步骤（3）中采用物理气相沉积法、原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法制备保护层。

本发明的复合铜导电薄膜，自下而上依次设有增粘层、作为中间导电层的铜基薄膜和保护层，所述铜基薄膜为铜或者铜合金薄膜，所述增粘层和所述保护层均为非晶金属氧化物薄膜。该复合铜导电薄膜采用非晶金属氧化物薄膜作为铜基薄膜与基板的增粘层，能够大大增强铜基薄膜与基板的粘附性。同时采用非晶金属氧化物作为铜基薄膜的保护层，大大提高铜基薄膜在热或氧化环境中的稳定性，降低其对后续工艺氧化环境的敏感性。故本发明的复合铜导电薄膜与基板粘附性好，且稳定性好，适合作为导电布线材料使用。

本发明提供的复合铜导电薄膜的制备方法能够制备出与基板粘附性好，且耐热、耐氧化稳定性好的复合铜导电薄膜。

本发明同时提供一种金属布线电路，采用上述复合铜导电薄膜并通过上述复合铜导电薄膜的制备方法制备而成。该金属布线电路具有粘附性好，耐氧化性强，稳定性好的特点。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一种复合铜导电薄膜的结构示意图。

图2是实施例4中样品1和样品2的粘附性测试前后的显微镜图片；图2(a)

是样品1测试前的显微镜图片，图2（b）是样品1测试前的显微镜图片，图2(C)是样品2测试前的显微镜图片，图2(d)是样品2测试后的显微镜图片。

图3是实施例4中样品2和样品3退火前后的扫描电镜平面图片；图3(a)

是样品2刚生长的测试图片，图3（b）是样品2在氧气中退火后的测试图片，图3(C)是样品3刚生长的测试图片，图3(d)是样品3在氧气中退火后的测试图片。

图4是实施例4中在样品2和样品3上生长SiO2的扫描电镜剖面图片；图4(a)是样品2刚生长SiO2的测试图片，图4（b）是样品2 生长SiO2后在氧气中400 ^oC退火后的测试图片，图4(C)是样品3刚生长SiO2的测试图片，图4(d)是样品3 生长SiO2后在氧气中400 ^oC退火后的测试图片。

图5是利用本发明制备的一种金属氧化物薄膜晶体管的结构示意图。

图6为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中沉积缓冲层的示意图；

图7为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中的沉积栅极金属层的示意图；

图8为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中的沉积栅极绝缘层的示意图；

图9为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中的连续沉积下层金属氧化物薄膜/铜基薄膜/上层金属氧化物薄膜的示意图；

图10为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中中沉积光刻胶和使用灰度掩膜版对光刻胶进行曝光的原理示意图；

图11为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中曝光后光刻胶图形的示意图；

图12为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中对上层金属氧化物薄膜/铜基薄膜/下层金属氧化物薄膜进行第一次刻蚀后所得图形的示意图；

图13为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中对光刻胶进行减薄处理后的光刻胶图形的示意图；

图14为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中对上层金属氧化物薄膜/铜基薄膜/下层金属氧化物薄膜进行第二次刻蚀后所得图形的示意图；

图15为图5中金属氧化物薄膜晶体管的制备方法中去除光刻胶后得到的金属氧化物薄膜晶体管的示意图。

在图1中包括：

基板100、

增粘层200、

铜基薄膜300、

保护层400。

在图5至图15中，包括：

1为玻璃衬底、

2为缓冲层、

3栅极金属层、

4栅极绝缘层、

5为下层金属氧化物薄膜、

6为铜基薄膜、

7为上层金属氧化物薄膜、

8为光刻胶、

9为灰度掩模版、

10为钝化层。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种复合铜导电薄膜，如图1所示，自下而上依次设有增粘层200、作为中间导电层的铜基薄膜300以及用于保护铜基薄膜300的保护层400。在实际制备过程中，该复合铜导电薄膜通常设置于基板100上。

其中，铜基薄膜3003为铜或者铜合金薄膜，增粘层200和保护层400均为非晶金属氧化物薄膜。

作为增粘层200和保护层400的非晶金属氧化物薄膜的材料为(In₂O₃)_x(MO)_y(ZnO)_z，其中0≤x≤1，0≤y≤0.8，0≤z≤1，且x+y+z=1，M为锡、磷、钒、砷、钛、铅、钾、镁的任意一种或两种以上的任意组合。非晶金属氧化物薄膜的载流子浓度为10¹⁶—10²⁰ cm^-3，迁移率为5—100 cm²/Vs。

铜基薄膜300为由单质Cu、CuMn合金、CuAl合金、CuCa合金或者CuSn合金中的任意一种材料制备而成的单层薄膜；或者铜基薄膜300为由单质Cu、CuMn合金、CuAl合金、CuCa合金或者CuSn合金中的任意一种材料制备而成的多层薄膜；或者铜基薄膜300为由CuMn、CuAl、CuCa或CuSn合金中的任意两种以上材料制备而成的多层薄膜；或者铜基薄膜300为由CuMn、CuAl、CuCa或CuSn合金中的任意一种或者两种以上材料制备而成的薄膜与由单质Cu制备而成的单层薄膜叠层构成的多层薄膜。

铜基薄膜300的厚度优选为100nm—2000nm，增粘层200的厚度优选为5nm—100nm，保护层400的厚度优选为5nm—50nm。

该复合铜导电薄膜由于在铜基导电膜的下层设置有非晶金属氧化物薄膜作为增粘层200，故能够与基板100良好粘附。由于增粘层200具有特性，使得该复合铜导电薄膜在作为导线时与下层金属能够保持良好的电气连接。

由于在铜基导电膜的上层设置有非晶金属氧化物薄膜作为保护层400，故其抗氧化能力好，在热或氧化环境中的稳定性好，对后续工艺的氧化环境不敏感。由于保护层400具有特性，使得该复合铜导电薄膜在作为导线时，其它金属导线与其搭接时能够保持良好的电气连接。

实施例2。

一种复合铜导电薄膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）在衬底上采用物理气相沉积法、原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法沉积非晶金属氧化物薄膜作为增粘层；

（2）在增粘层上采用物理气相沉积法、原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法沉积铜或铜合金薄膜作为导电层；

（3）在导电层上采用物理气相沉积法、原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法沉积非晶金属氧化物薄膜作为保护层，形成复合铜导电薄膜，复合铜导电薄膜经过图形化即可制成复合导电薄膜导线。图形化可以采用湿法刻蚀或者干法刻蚀通过一步刻蚀方式或者通过多步刻蚀进行。

该复合铜导电薄膜的制备方法，所制备的复合铜导电薄膜与基板的粘附性好，在氧化环境中的稳定性高，对后续工艺氧化环境不敏感。

实施例3。

提供一种金属布线电路，采用如实施例1的复合铜导电薄膜并通过实施例2的复合铜导电薄膜的制备方法制备而成。该金属布线电路具有粘附性好，耐氧化性强，稳定性好的特点。

实施例4。

为了验证本发明的效果，具体制备如下样品，并对其进行测试分析。

制备如图1所示的复合铜导电薄膜，采用型号为corning：eagle2000，厚度0.5 mm的硬质玻璃基板作为基板。

采用PVD法沉积厚度为20 nm的氧化铟锌（IZO）薄膜作为铜薄膜的增粘层。

再采用PVD法在制备好的IZO薄膜上沉积厚度为200 nm的铜膜。铜膜的溅镀条件为功率：500 w，Ar：30 sccm，气压：0.5 Pa。将所制备的样品标记为样品 2。

同时在上述玻璃基板上制备无增粘层的铜膜作为参考样品，标记为样品1。

再采用PVD法在样品 2上沉积厚度为10 nm的氧化铟锌（IZO，(In₂O₃): (ZnO)=1:1）薄膜作为保护层，将所制备的样品标记为样品 3。

对以上制备的样品 1和样品 2进行胶带法粘附性测试，结果如图2（a）至（d）所示。根据胶带法粘附性测试结果，没有增粘层的样品 1在经过粘附性测试后薄膜脱落大约75%；相比之下，有增粘层的样品 2在经过粘附性测试后薄膜脱落0%。可见，非晶金属氧化物薄膜作为增粘层能够增强铜膜与基板的粘附性。

对以上制备的样品 2和样品 3在氧气气氛下进行加热处理，然后通过扫描电镜观察加热处理前后的样品表面情况，结果如图 3（a）至（d）所示。根据测算结果，没有保护层的样品 2经历400 ^oC、 30分钟热处理后表面出现纤维状颗粒，粗糙度增大，方阻测试表明其导电性变差。相比之下，增加了保护层的样品 3经历400 ^oC 、30分钟热处理后表面没有变化。这表面非晶氧化物保护层能够很好地保护铜膜不被氧化。

采用PECVD法在以上制备的样品 2和样品 3上生长厚度为300 nm的SiO₂薄膜。通过扫描电镜观察样品剖面，结果如图4 （a）至（d）所示。测试结果表明，没有保护层的样品 2 生长完SiO₂薄膜后，在IZO和SiO₂薄膜的界面存在一些空洞，并且可见扩散层。经历400 ^oC 、30分钟热处理后，样品表面出现一些大的突起。相比之下，有保护层的样品 3生长完SiO₂薄膜后，IZO和SiO₂薄膜的界面清晰、平整。经历400 ^oC 、30分钟热处理后复合薄膜结构未观察到任何变化。这表明非晶氧化物保护层能够很好地保护铜膜不被氧化，与SiO₂薄膜的生长工艺兼容。

实施例5。

采用PVD法沉积厚度为40 nm的氧化铟镓锌（IGZO,In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO=1:1:1）薄膜作为铜膜的增粘层。

再采用PVD法在制备好的IGZO薄膜上沉积厚度为200 nm的铜钼合金薄膜。铜合金薄膜的溅镀条件为功率：500 w，Ar：30 sccm，气压：0.5 Pa。

再采用PVD法在铜合金薄膜上沉积厚度为10 nm的氧化铟镓锌（IGZO）薄膜作为保护层。

对本实施例所述复合薄膜做胶带法粘附性测试和氧化气氛退火测试，得到与实施例4类似的结果。可见该复合铜合金薄膜对基板具有好的粘附性和具有好的抗氧化性。

更换不同的基板、更换不同的金属氧化物薄膜及铜基薄膜的材料，进行大量实验发现，本发明的复合薄膜与基板的粘合性好，且具有良好的抗氧化性能，稳定性好。具体的材料选择可以根据需要灵活选择，在此不再一一赘述。

实施例6。

利用本发明的复合铜导电薄膜及其制备方法制备如图5所示的金属氧化物薄膜晶体管，该金属氧化物薄膜晶体管的制备工艺如下：

（1）在衬底1上沉积缓冲层2。优选在衬底1上沉积厚度为50 nm—200 nm 的SiO₂ 或 Si₃N₄ 作为缓冲层2。

（2）在缓冲层2上沉积导电薄膜并图形化形成栅极金属层3。栅极金属层3是由一层或一层以上的导电薄膜构成，每层导电薄膜的材料为Al、Al合金、Cu、Mo、Ti、Ag、Au、Ta、Cr或者ITO薄膜中的任意一种，栅极金属层3厚度为100 nm—2000 nm。

（3）沉积栅极绝缘层4并图形化。

优选的，栅极绝缘层4由一层或一层以上的绝缘层构成，每层绝缘层的材料为SiO₂、Si₃N₄、Al₂O3、Ta₂O3或Y₂O₃中的任意一种，栅极绝缘层4厚度为50 nm—300 nm。

（4）在栅极绝缘层4上依次采用物理气相沉积法、原子层沉积法或金属有机化学气相沉积法分别沉积下层金属氧化物薄膜5、铜基薄膜6和上层金属氧化物薄膜7制得复合铜基薄膜。

（5）定义有源层、源漏电极及金属电路布线，具体是，

（5.1）在所述复合铜基薄膜的表面涂布光刻胶8。

首先制备一块灰度掩膜版9，灰度掩膜版对应光刻胶8的有源沟道区域为灰度区域，对应光刻胶8的源漏电极及金属电路布线区域为不透明区域，对应光刻胶8的其它区域为透明区域。

再使用所述灰度掩膜版9对光刻胶8进行曝光、显影后得到光刻胶8图形，光刻胶8图形的有源沟道区域的厚度薄于光刻胶8图形的源漏电极及金属电路布线区域的厚度，光刻胶8图形的其它区域在显影过程中被去除。

（5.2）进行第一次刻蚀，形成复合铜基薄膜的布线，在第一次刻蚀过程中，保留复合铜基薄膜对应源漏电极区域及有源沟道区域的结构不被刻蚀。

其中，第一次刻蚀为湿法刻蚀或者干法刻蚀，第一次刻蚀通过一步刻蚀或者多步刻蚀完成。

（5.3）对光刻胶8进行减薄处理，减薄后有源沟道区域的光刻胶8被完全去除，而源漏电极及金属电路布线区域的光刻胶8被保留。

（5.4）进行第二次刻蚀，去除有源沟道区域上的上层金属氧化物薄膜7和铜基薄膜6，形成源漏电极和沟道，下层金属氧化物薄膜5不作刻蚀，保留作为有源层。

第二次刻蚀为湿法刻蚀或者干法刻蚀，第二次刻蚀通过一步刻蚀或者多步刻蚀完成。

（5.5）去除剩余的光刻胶8，完成有源层、源漏电极及金属电路布线的定义。

（6）沉积钝化层10，制得如图1所示的金属氧化物薄膜晶体管。钝化层10材料为SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、聚酰亚胺、光刻胶8、苯丙环丁烯或者聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种，钝化层10厚度优选为200nm—5000nm。

该金属氧化物薄膜晶体管的制备方法利用了上层金属氧化物薄膜7/铜基薄膜6和下层金属氧化物薄膜5的刻蚀特性，结合使用灰度掩膜版，通过对光刻步骤的设计，通过一次光刻工艺完成了有源层、源漏电极及金属电路布线的定义，大大减化了薄膜晶体管的制备工艺。

同时，使用铜基薄膜6作为源漏电极及电路布线材料，具有布线电阻低的特点。

所制备的金属氧化物薄膜晶体管使用复合铜基薄膜作为源漏电极及其电路布线材料，以下层金属氧化物薄膜5作为有源层兼铜基薄膜6的粘附层，在铜基薄膜6表面覆盖一层上层金属氧化物作为保护层。使用下层金属氧化物作为铜基薄膜6的粘附层，能够改善铜基薄膜6在基板上的粘附性。铜基膜薄膜表面覆盖的上层金属氧化物保护层可以提高其在热或氧化环境中的稳定性，降低其对后续工艺氧化环境的敏感性。

所制备的金属氧化物薄膜晶体管为背沟道刻蚀型结构，能够实现小尺寸化，在高分辨率显示用驱动背板中应用前景广阔并且与传统的非晶硅TFT工艺兼容，具有设备投入低，生产成本低的特点。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种复合铜导电薄膜，其特征在于：自下而上依次设有增粘层、作为中间导电层的铜基薄膜以及用于保护铜基薄膜的保护层，所述铜基薄膜为铜或者铜合金薄膜，所述增粘层和所述保护层均为非晶金属氧化物薄膜。

2.根据权利要求1所述的复合铜导电薄膜，其特征在于：

所述非晶金属氧化物薄膜的材料为(In₂O₃)_x(MO)_y(ZnO)_z，其中0≤x≤1，0≤y≤0.8，0≤z≤1，且x+y+z=1，M为锡、磷、钒、砷、钛、铅、钾、镁的任意一种或两种以上的任意组合。

3.根据权利要求2所述的复合铜导电薄膜，其特征在于：所述非晶金属氧化物薄膜的载流子浓度为10¹⁶—10²⁰ cm^-3，迁移率为5—100 cm²/Vs。

4.根据权利要求1或2或3所述的复合铜导电薄膜，其特征在于：

所述铜基薄膜为由单质Cu、CuMn合金、CuAl合金、CuCa合金或者CuSn合金中的任意一种材料制备而成的单层薄膜；或者

5.根据权利要求4所述的复合铜导电薄膜，其特征在于：所述铜基薄膜的厚度为100nm—2000nm。

6.根据权利要求4所述的复合铜导电薄膜，其特征在于：所述增粘层的厚度为5nm—100nm。

7.根据权利要求4所述的复合铜导电薄膜，其特征在于：所述保护层的厚度为5nm—50nm。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的复合铜导电薄膜的制备方法，其特征在于：包括下列步骤，

（1）在衬底上沉积非晶金属氧化物薄膜作为增粘层；

（2）在增粘层上沉积铜或铜合金薄膜作为导电层；

9. 根据权利要求8所述的复合铜导电薄膜的制备方法，其特征在于：

所述步骤（3）中的图形化采用湿法刻蚀或者干法刻蚀通过一步刻蚀方式或者通过多步刻蚀进行；

10.一种金属布线电路，其特征在于：具有如权利要求1至7任意一项所述的复合铜导电薄膜并通过权利要求8至9任意一项所述的复合铜导电薄膜的制备方法制备而成。