一种显示用电子器件铜合金电极的制作方法

本实用新型属于电子器件技术领域，具体涉及一种显示用电子器件铜合金电极。

背景技术：

大尺寸、高分辨率、高刷新率和低功耗面板是显示技术发展的趋势，近年来，随着这种趋势的发展，使用Al电极布线会出现信号延迟(RC延迟)现象，难以满足高性能显示需求，开发高导布线电极材料可以使器件获得低阻抗延迟。与Al相比，Cu布线因更低的电阻率和更高的抗电迁移性能而在高导布线领域得到广泛关注。

铜作TFT器件电极，目前主要面临以下困难：(1)铜易扩散，造成“铜污染”，导致TFT器件的绝缘层或有源层中形成深受主杂质能级，使器件性能退化。(2)Cu薄膜难以与玻璃或硅基板键合，导致铜电极的黏附性差，易从基板脱落。(3)铜电极的机械强度低。(4)铜电极表面易氧化和硫化，导致界面劣化，电极电阻率上升。

基于以上问题，目前的解决方法主要有：(1)使用铜合金代替纯铜作为电极材料。合金化虽然提高了电极与衬底的结合强度，但是一般的铜合金会明显削弱铜电极高导特性，使其失去优势甚至不能达到使用要求。(2)在铜电极和衬底之间生长铜籽晶层，用于改善结合强度和抗电迁移性。引入籽晶层的技术，虽然可以达到以上目的，但是仍无法阻止铜原子向衬底材料的扩散和污染。需要另加扩散阻挡层，这会导致工艺变复杂，成本急剧上升，不利于量产。(3)在纯铜电极上引入接触层，如使用Cu/Mo、Cu/Mn、Cu/Ti等叠层结构。此方法虽可以有效解决铜向绝缘层扩散的问题，但要解决与基板粘附性问题，需要做成Mo/Cu/Mo、Mn/Cu/Mn、Ti/Cu/Ti等结构，不但使制备过程变得复杂，较多叠层结构间存在刻蚀差异性，使后期刻蚀步骤变得复杂，过程难以控制且特征尺寸会随叠层数量增加而增大。

技术实现要素：

针对现有技术中电极叠层结构复杂、结合强度低的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种显示用电子器件铜合金电极。

本实用新型目的通过以下技术方案实现：

一种显示用电子器件铜合金电极，由依次层叠的衬底、铜合金薄膜导电主体层和纯铝薄膜缓冲阻挡层构成，所述导电主体层厚度为20～1000nm，缓冲阻挡层的厚度为5～200nm。

进一步地，所述衬底包括玻璃衬底、单晶硅衬底或柔性衬底。

进一步地，所述铜合金薄膜中存在多种非籽晶层的晶格结构。

所述铜合金薄膜的材料成分包括铜、铬和锆，以重量百分比计，Cr占铜合金总量的比例为0.1％～0.39％，Zr占铜合金总量的比例为0.1％～0.5％。优选地，Cr占铜合金总量的比例为0.29％～0.32％，Zr占铜合金总量的比例为0.18％～0.21％。更优选地，Cr占铜合金总量的比例为0.3％，Zr占铜合金总量的比例为0.2％。

所述显示用电子器件铜合金电极可通过如下方法制备得到：

(1)在衬底上沉积20～1000nm厚度的铜合金薄膜作为导电主体层；

(2)在铜合金薄膜上沉积5～200nm厚度的纯铝(Al)薄膜作为缓冲阻挡层。

优选地，步骤(1)完成后在温度100～500℃的条件下进行退火0.5～2h，然后进行步骤(2)。更优选在温度300～350℃的条件下进行退火。

优选地，步骤(2)完成后在温度100～500℃的条件下进行退火0.5～2h。更优选在温度300～350℃的条件下进行退火。

优选的，步骤(1)中以磁控溅射方法、自溅射方法、离子溅射方法、化学气相沉积方法、蒸发方法或电化学方法在衬底上沉积铜合金薄膜作为导电主体层。

优选的，步骤(2)中以磁控溅射方法、自溅射方法、离子溅射方法、化学气相沉积方法、蒸发方法或电化学方法在铜合金薄膜上沉积纯铝薄膜作为缓冲阻挡层。

本实用新型原理为：由于纯铜薄膜不易与玻璃衬底、单晶硅衬底或柔性衬底发生较强的键合作用，导致纯铜薄膜在上述衬底上的附着强度很差，采用铜合金薄膜作为导电主体层的铜合金电极技术，可以使电极的电阻率接近纯铜的同时，又能保证较高的电极附着强度。由Cu-Cr和Cu-Zr合金二元相图可知，Cr和Zr两种元素在Cu中的室温固溶度极小，且不会生成中间化合物。采用过饱和固溶体的Cu-Cr-Zr合金靶成膜，通过高温退火处理会有过饱和的Cr和Zr排出，导致与铜相分离，在薄膜与衬底的界面处Cr和Zr与氧结合形成稳定的氧化物，导致电极与衬底的结合强度明显提高。在铜合金层上沉积纯铝层做缓冲阻挡层，可以很好地解决铜栅极与器件绝缘层的适配问题。避免了由于Cu原子扩散导致器件开关比下降，性能劣化。

对铜合金薄膜导电主体退火处理后再沉积纯铝薄膜，由于铜合金薄膜经退火处理在衬底界面处和上表面都形成了Cr和Zr的氧化物，再沉积纯铝薄膜后，经退火处理纯铝层与金属氧化物层可以发生很好的键合，使结合强度明显增加。

对铜合金薄膜不进行退火处理而直接沉积纯铝缓冲阻挡层，由于Cr和Zr几乎都排到衬底界面处形成稳定的氧化物，合金层上表面和铝层界面处形成多种氧化物而紧密键合，可以使双层结构的电极牢牢附着在衬底上。最终制备出整体结合强度良好的导电电极。

与现有技术在铜薄膜电极和衬底之间，添加一层其他金属或金属氧化物薄膜，作为过渡层来阻挡铜污染并提高结合强度相比，本实用新型采用铜合金薄膜作为导电主体层，简化了电极结构。铜合金薄膜提高了与衬底的结合强度的同时，又保证了电极的高导特性。铜合金薄膜可以自发在衬底界面处形成扩散阻挡黏附层。铜合金层为非籽晶层，不需要考虑复杂的生长条件以控制晶体生长方向，使制备工艺明显简化，成本大大降低。铝缓冲阻挡层的加入，能有效阻挡Cu扩散，增加了铜栅极的适应性，扩大了铜栅极工艺的适用范围。由于铝栅TFT工艺已经十分成熟，采用铜合金和铝双层结构的电极，既充分发挥了铜的高导特性，又保证了该电极与现有TFT工艺的良好匹配，从而节约产线改造的成本。

相对于现有技术，本实用新型具有如下优点及有益效果：

本实用新型制备的铜合金电极具有高结合强度，低电阻率，与绝缘层兼容性好，工艺简单，成本低廉的优点。

附图说明

图1为本实用新型所制备的铜合金电极的结构示意图；

图2是实施例1中沉积的Cu-Cr-Zr合金薄膜与纯铜薄膜的XRD物相分析图谱对比图；

图3和图4是实施例8中由所得铜合金电极制备的TFT器件的输出特性曲线图和转移特性曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的一种显示用电子器件铜合金电极，通过如下方法制备得到：

(1)在衬底上以磁控溅射的方法沉积20nm厚度的铜合金薄膜作为导电主体层；铜合金薄膜的材料成分由铜、铬和锆组成，以重量百分比计，Cr占合金总量的比例为0.1％，Zr占合金总量的比例为0.5％；然后在温度100℃的条件下进行退火0.5h。

(2)在退火处理后，在铜合金薄膜上以磁控溅射方法沉积5nm厚度的纯铝薄膜，并在温度100℃的条件下进行退火0.5h。

本实施例所制备的铜合金电极的结构示意图如图1所示。

本实施例步骤(1)沉积的Cu-Cr-Zr合金薄膜与纯铜薄膜的XRD分析图谱对比如图2所示，由图2可知，铜合金薄膜中存在多种非籽晶层晶相结构，且铜合金的物相结构与纯铜十分接近，从而保证了合金的高导特性。

实施例2

本实施例的一种显示用电子器件铜合金电极，通过如下方法制备得到：

(1)在衬底上以磁控溅射的方法沉积1000nm厚度的铜合金薄膜作为导电主体层；铜合金薄膜的材料成分由铜、铬和锆组成，以重量百分比计，Cr占合金总量的比例为0.1％，Zr占合金总量的比例为0.5％；

(2)再在铜合金薄膜上以磁控溅射方法沉积200nm厚度的纯铝薄膜。

本实施例所制备的铜合金电极的结构示意图如图1所示。

本实施例步骤(1)沉积的Cu-Cr-Zr合金薄膜的XRD分析图谱与实施例1相同，铜合金薄膜中存在多种非籽晶层晶相结构。

实施例3

本实施例的一种显示用电子器件铜合金电极，通过如下方法制备得到：

(1)在衬底上以磁控溅射的方法沉积20nm厚度的铜合金薄膜作为导电主体层；铜合金薄膜的材料成分由铜、铬和锆组成，以重量百分比计，Cr占合金总量的比例为0.39％，Zr占合金总量的比例为0.1％；然后在温度100℃的条件下进行退火0.5h。

(2)在退火处理后，在铜合金薄膜上以磁控溅射方法沉积5nm厚度的纯铝薄膜。

本实施例所制备的新型铜合金电极的结构示意图如图1所示。

本实施例步骤(1)沉积的Cu-Cr-Zr合金薄膜的XRD分析图谱与实施例1相同，铜合金薄膜中存在多种非籽晶层晶相结构。

实施例4

本实施例的一种显示用电子器件铜合金电极，通过如下方法制备得到：

(1)在衬底上以磁控溅射的方法沉积1000nm厚度的铜合金薄膜作为导电主体层；铜合金薄膜的材料成分由铜、铬和锆组成，以重量百分比计，Cr占合金总量的比例为0.39％，Zr占合金总量的比例为0.1％。

(2)在铜合金薄膜上以磁控溅射方法沉积200nm厚度的纯铝薄膜，并在温度500℃的条件下进行退火2h。

本实施例所制备的新型结构铜合金电极的结构示意图如图1所示。

本实施例步骤(1)沉积的Cu-Cr-Zr合金薄膜的XRD分析图谱与实施例1相同，铜合金薄膜中存在多种非籽晶层晶相结构。

依照ASTM D3359描述的胶带法评估薄膜的粘附性。粘附性测试的具体过程如下：首先，用刀片在薄膜上划出10×10个边长为1mm的方格；然后，将压敏胶带覆盖在方格上，停留1min后将其撕下；最后观察膜层的脱落状况。用测试后膜层的脱落率来评价薄膜的粘附性。

以上实施例1～4制备电极的工艺和得到的电极测试效果如表1所示。

表1实施例1～4的制备工艺和得到的电极测试效果

由表1结果可知，本实用新型制得的导电电极，具有与基板结合强度高、电极电阻率低的特点。

实施例5

本实施例的一种显示用电子器件铜合金电极，具体制备工艺和得到的电极测试效果如表2所示。

表2实施例5制备工艺和得到的电极的测试效果

由表2结果可知，本实用新型制得的导电电极，具有与基板结合强度高、电极电阻率低的特点。

实施例6

本实施例的一种显示用电子器件铜合金电极，具体制备工艺和得到的电极测试效果如表3所示。

表3实施例6制备工艺和得到的电极的测试效果

由表3结果可知，本实用新型制得的导电电极，具有与基板结合强度高、电极电阻率低的特点。

实施例7

本实施例的一种显示用电子器件铜合金电极，具体制备工艺和得到的电极测试效果如表4所示。

表4实施例7制备工艺和得到的电极的测试效果

由表4结果可知，本实用新型制得的导电电极，具有与基板结合强度高、电极电阻率低的特点。

实施例8

本实施例一种由铜合金电极制备的TFT器件，通过如下方法制备得到：

(1)在清洁的玻璃基板上使用掩膜法直流磁控溅射依次沉积60nm厚的Cu-Cr-Zr薄膜和10nm厚的Al膜，形成栅极。其中Cu-Cr-Zr薄膜溅射功率为150W，溅射气压为2mtorr；Al薄膜的溅射功率为120W，溅射气压为1mtorr。

(2)采用PECVD在栅极上沉积200nm厚的SiOx绝缘层。

(3)在绝缘层上使用掩膜法射频磁控溅射沉积13nm厚的IZO作有源层，溅射功率为60W，溅射压强为3mtorr。

(4)以上步骤完成后，在大气氛围下300℃退火30min。

(5)使用掩膜法在有源层上直流磁控溅射120nm的Al作为源漏电极，其中溅射功率为120W，溅射气压为1mtorr。

以上具有本实用新型铜合金电极结构的TFT器件完成后，使用半导体参数仪测量TFT器件性能，得到的输出特性曲线如图3所示，可见TFT器件在不同栅压下均可以达到饱和区，说明此栅极结构与绝缘层界面有较少的缺陷态，可以保证导电沟道的正常夹断，不会导致高导现象。

测量的器件转移特性曲线如图4所示，由计算可得，器件开关比为1.12×10⁸，饱和迁移率为21.67cm²·V^-1·s^-1，亚阈值摆幅为0.12V/dec，阈值电压为-1.59V。以上特征参数均达到该类型器件的先进水平，说明本实用新型所得铜合金电极结构有利于提高TFT器件的总体性能。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。