CN100419550C - 平板显示器中使用的薄膜晶体管所用的新颖导电材料 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于TFT显示器中导电元件的结构。该结构是基于铝的并且经过热处理。热处理后，由于存在钛层而不会形成小丘。此外，由于在铝与钛层之间存在TiN扩散层而不形成TiAl3。这种新颖结构具有低电阻率，因此适用于采用薄膜晶体管来驱动像素的大型显示器。

Description

平板显示器中使用的薄膜晶体管所用的新颖导电材料
优先权申明
本申请参考了2003年3月12日提交给韩国知识产权局并由此适时分配到序列号2003-15356以及2003年9月15日提交并分配到序列号2003-63583的申请“薄膜晶体管和包括薄膜晶体管的平板显示器”，将此申请结合于本文中，并要求根据美国法典第35章第119款从该申请获得的所有权益。
技术领域
本发明涉及平板显示器中的薄膜晶体管。更具体地说，本发明涉及在薄膜晶体管结构中建立的电极和导线的新颖结构，该结构具有小的电阻损耗，防止图像质量因大型平板显示器中的电阻损耗而降级。
背景技术
薄膜晶体管(以下称为TFT)是这样一种器件，其源极和漏极可以通过半导体层中形成的沟道来电连接，该沟道根据加到栅极上的电压来物理连接源极和漏极。TFT主要用于诸如场致发光显示器和液晶显示器之类的有源矩阵平板显示器的TFT板中。TFT用于独立驱动构成显示的子像素。
平板显示器中形成的薄膜晶体管的源极和栅极通过导线连接到在平板显示器边上设置的驱动电路。一般来讲，源极、漏极以及与源极和漏极电连接的导线通常一起形成，并且具有为简化制造工艺而采用相同材料的相同结构。
源极、漏极和与之电连接的导线可以由基于铬(Cr)的金属或者基于钼(Mo)的金属、如Mo和MoW制成。但是，由于这些金属具有较高电阻，在TFT板具有较大尺寸或者其子像素具有较小尺寸的情况下，驱动电路与子像素之间的电压降可能增大。这导致子像素的响应速度降低或者导致图像的不均匀分布。这些速度和图像不均匀性问题由于新设计的显示器大的事实而进一步加剧，并且在大型显示器中与像素电连接的导线很长。这些在大型显示器中设置的长导线将导线中的电阻损耗放大。因此，近年来，随着大型TFT显示器的出现，在显示器中使用具有低电阻损耗的材料与各TFT电连接就更加重要。
除了新设计的显示器大的事实以外，一般在形成导线和电极之后这些导线受过热处理，这种情况进一步加剧了速度和图像不均匀性问题。例如栅极金属溅射之后的激活过程在TFT制造中是必需的，退火温度一般需要高于400℃。在这种情况下，高温退火可能导致连接线和电极以高电阻形成，在结合到大型显示板中时，更是如此。
为了解决上述问题，在用于TFT的导线和电极结构中使用了铝(Al)。铝作为用于栅极和将栅极与驱动电路连接的导线的材料可具有低电阻。铝还可降低源极、漏极以及与源极和漏极电连接的导线中的电阻。下文中，源极、漏极、栅极以及与源极、漏极和栅极电连接的导线将称为“TFT导电元件”。
Tanaka等人的美国专利申请的公开公布No.2002/0085157(下文中称为Tanaka ‘157)公开了由Al制成的TFT导电元件。每个TFT导电元件具有氮化钛(TiN)层/Al层、TiN层/Ti层/Al层、或者TiN层/Al层/Ti层的堆叠结构，如Tanaka‘157的图7所示。这种结构的优点包括减小TFT导电元件与连接到TFT导电元件的端子之间的电连接电阻(或接触电阻)，以及抑制由TFT导电元件形成之后的热处理过程产生的Al小丘(或小山或垛)的产生。但是，Tanaka‘157未能公开减小TFT导电元件的电阻的解决方案。Tanaka‘157无法防止热处理时高电阻TiAl3的形成。导电层中的TiAl3导致导线电阻增大，特别是对大型显示器而言。
因此需要一种甚至在热处理之后仍具有低电阻的、用于大型显示器的导线结构以及TFT中的电极结构，所述导线和电极甚至在热处理之后也不会出现TiAl3并且没有小丘。
发明内容
因此，本发明的一个目的是为用于平板显示器的TFT中的导电元件提供一种新颖的结构，该结构甚至在热处理之后仍具有低电阻。
本发明的另一目的是为用于显示器的TFT中的导电元件的导电层提供一种新颖的结构，该结构是用铝制成的而且甚至在热处理之后也没有任何小丘和任何TiAl3。
本发明还有一个目的是为用于TFT显示器中的导线和电极提供一种新颖的结构，该结构改善了显示均匀性而且提高了速度，特别是在显示器非常大时更是如此。
这些和其它目的可以通过具有源极、漏极、栅极和半导体层的TFT来得到，其中，源极、漏极和栅极中至少一种由基于铝的金属层、钛层以及插在基于铝的层和钛层之间的防扩散层构成。
根据本发明的另一方面，提供一种大型平板显示器，它具有很多由TFT驱动的子像素，每个TFT具有源极、漏极、栅极和半导体层，其中，源极、漏极和栅极中至少一种由基于铝的金属层、钛层以及插在基于铝的层和钛层之间的防扩散层构成。防扩散层防止在热处理或退火过程中基于铝的层中的铝与钛层中的钛起化学反应而形成不想要的TiAl3，而TiAl3的存在会增大连接件的电阻或电阻率。
防扩散层和钛层可以按顺序在基于铝的金属层的相反面上形成，或者防扩散层和钛层可以在基于铝的金属层的任一面上形成。防扩散层可以是氮化钛层。氮化钛层可以含有5-85wt％的氮。氮化钛层可具有大约100-的厚度，大约100-
Figure C20041003994200062
是较好的，200-更好，最好是大约
Figure C20041003994200064
基于铝的金属层可由含大约0.5-5wt％的一种元素的铝合金制成，该元素是从由硅、铜、钕、铂和镍构成的组中选择的。基于铝的金属层可由含大约2wt％的硅的铝-硅合金制成。
附图说明
通过参照以下结合附图来考虑的详细说明，本发明的更全面理解及其许多附带的优点将会随着它变得更好理解而显而易见，图中类似的参考符号指示相同或类似的组成部分，其中：
图1是TFT导电元件的剖视图；
图2是具有TFT阵列的平板显示器的电路图；
图3是对应于图2的部分“S”的一个子像素的物理结构的示意平面图；
图4是具有TFT的场致发光显示器的一个子像素的剖视图；
图5是具有TFT的液晶显示器的一个子像素的剖视图；
图6是根据本发明的原理的TFT导电元件的剖视图；
图7是说明根据本发明的新颖TFT导电元件中氮化钛层的试验电阻率对厚度的曲线；以及
图8是说明根据本发明原理的TFT导电元件中的试验电阻率对热处理温度的曲线。
具体实施方式
现在来看附图，图1说明具有Ti层122、Al层121和Ti层123的堆叠结构的TFT导电元件120。Ti层防止在热处理过程中形成的Al小丘的产生。但是，在热处理过程中在Al层和Ti层之间的界面上可能产生TiAl3。TiAl3增大了TFT导电元件的电阻。
图2说明由许多子像素构成的平板显示器的电路112，每个子像素具有两个TFT。电路112包括第一TFT 10、第二TFT 50、存储电容器40以及发光单元60。第一TFT 10中的第一源极12通过第一导线20连接到水平驱动电路H，第一TFT 10中的第一栅极11通过第二导线30连接到垂直驱动电路V。第一TFT 10中的第一漏极13连接存储电容器40的第一电容器电极41和第二TFT 50的第二栅极51。存储电容器40的第二电容器电极42和第二TFT 50的第二源极52连接到第三导线70。第二TFT的第二漏极53连接到发光单元60的第一电极61。发光单元60的第二电极62安排在第一电极61对面并且与第一电极61相隔预定的间隙。在第二电极62和第一电极61之间是活动层。根据平板显示器的类型，活动层可以是有机材料层、无机材料层或者液晶层，它安排在第一电极61和第二电极62之间。
图3示意说明图2的平板显示器的一个子像素的物理结构。为简单起见，图3中仅说明了导电构成部分。因此，省略了诸如衬底、缓冲层、各种类型的绝缘层、平面化层、发光层、液晶层、第二电极、偏振层、定向层以及滤色层等非导电构成部分。而图4和图5中说明了这些非导电构成部分。图3中只有位于斜线表示的区域中的构成部分彼此电连接。其它未用斜线表示的区域是绝缘的。
当电压加到第一栅极11时，在半导体层80中形成导电沟道，它连接第一源极12和第一漏极13。此时，当通过第一导线20把电荷提供给第一源极12时，电荷移动到第一漏极13中。确定驱动单元的亮度的电荷流过第三导线70。当第一漏极的电荷提供给第二栅极51时，第二源极52的电荷移动到第二漏极53中，从而驱动发光单元60的第一电极61。存储电容器40用于维持第一电极61的驱动操作或者增大驱动速度。仅供参考，第一TFT 10和第二TFT 50具有类似的剖面结构。
图4所示的场致发光显示器114包括TFT板、发光层87以及第二电极62。TFT板包括衬底81、TFT 50、第一导线20、第二导线30和第一电极61。在背面发光型场致发光显示器的情况下，衬底81可由透明材料、例如玻璃制成，而第二电极62可由具有良好反射率的金属、例如铝制成。另一方面，在前面发光型场致发光显示器的情况下，第二电极62可由透明导电材料、例如氧化铟锡(ITO)制成，第一电极61可由具有良好反射率的金属制成。
在衬底81的整个表面上形成缓冲层82。在缓冲层82上按照预定图案形成半导体层80。半导体层80可由硅制成。在半导体层80以及在缓冲层82上未形成半导体层80的剩余暴露表面上形成第一绝缘层83。在第一绝缘层83上按照预定图案形成第二栅极51。在第二栅极51和第一绝缘层83上未形成第二栅极51的剩余暴露表面上形成第二绝缘层84。在形成第二绝缘层84之后，第一绝缘层83和第二绝缘层84分别受到蚀刻、如干蚀刻，从而暴露半导体层80的一些部分。半导体层80的这些暴露部分连接到按照预定图案形成的第二源极52和第二漏极53。在分别形成第二源极52和第二漏极53之后，在上面形成第三绝缘层85。蚀刻一部分第三绝缘层85，以便将第二漏极53和第一电极61电连接。在第三绝缘层85上形成第一电极61之后，形成平面化层86。蚀刻平面化层86中对应于第一电极61的部分。然后，在第一电极61上形成发光层87，在发光层87上形成第二电极62。此外，在整个第二电极62上形成封装层89。
第二TFT 50包括第二源极52、第二漏极53、第二栅极51以及半导体层80。一般情况下，第二源极52和第二漏极53在同一水平面上形成，彼此相隔预定的间隙。第二源极52和第二漏极53物理连接半导体层80。第二栅极51与第二源极52、第二漏极53和半导体层80电绝缘。第二栅极51位于半导体层80上方，并且在第二源极52和第二漏极53之间。同时，一般情况下，根据上述电极和半导体层80的安排，TFT分成交错型、倒转交错型、共面型以及倒转共面型。本发明中说明了共面型，但是本发明不限于此。
图4的TFT 50对应于图3中所示的第二TFT 50。在此情况下，第二源极52连接到第三导线70，第二栅极51连接到第一TFT 10的第一漏极13，第二漏极53连接到发光单元60的第一电极61，第一TFT 10的第一源极12连接到第一导线20，第一栅极11连接到第二导线30。根据本发明，第一导线20对应于用于传送数据的数据线，第二导线30对应于扫描线。
下面参照图4来详细说明场致发光显示器114的结构。如图4所示，场致发光显示器114包括第一电极61、形成于第一电极61上的发光层87以及形成于发光层87上的第二电极62。场致发光显示器114可以分成有机和无机场致发光显示器。对有机场致发光显示器而言，发光层87主要具有电子传输层、发光材料层以及空穴传输层。对无机场致发光显示器而言，绝缘层设置在第一电极61和发光层87之间以及第二电极62和发光层87之间。
有机场致发光显示器的发光层87由有机材料制成，例如，酞菁(比如铜酞菁CuPc)、N，N’-二(萘-1-基)-N，N’-二苯基联苯胺(NPB)或三-8-羟基喹啉铝(Alq3)。当电荷提供给第一电极61和第二电极62时，空穴和电子彼此重新结合，从而产生激子。当激子从激发态变为基态时，发光材料层87发出光。
关于无机场致发光显示器，位于第一电极61和第二电极62内侧的绝缘层之间的无机材料层发光。无机材料层所用的无机材料可以是金属硫化物，诸如ZnS、SrS和CsS。近年来，还使用基于碱土金属的硫化钙，诸如CaCa2S4和SrCa2S4和金属氧化物。诸如Mn、Ce、Tb、Eu、Tm、Er、Pr、Pb之类的过渡金属和碱性稀土金属可用作发光核心原子，与上述无机材料一起形成发光层87。当电压加至第一电极61和第二电极62时，将电子加速，加速后的电子与发光核心原子相撞。此时，发光核心原子的电子被激发到较高能级，然后回落到基态。因此，无机材料层发光。
图5说明液晶显示器105。液晶显示器与场致发光显示器具有类似的TFT板结构，但是具有不同的毗连构成部分。下面，仅说明液晶显示器中的TFT板的毗连构成部分。
液晶显示器105包括TFT板、第一定向层97、第二衬底102、第二电极62、第二定向层99、液晶层98以及偏振层103。TFT板包括第一衬底91、TFT 50、第一导线20、第二导线30和第一电极61。第一衬底91对应于场致发光显示器的衬底。
第一衬底91和第二衬底102分开制造。滤色层101形成于第二衬底102的下表面上。第二电极62形成于滤色层101的下表面上。第一定向层97和第二定向层99分别形成于第一电极61的上表面和第二电板62的下表面上。第一定向层97和第二定向层99导致夹于其间的液晶层98的液晶的适当定向。偏振层103分别形成于第一衬底91和第二衬底102的每个外表面上。隔离物104用来维持第一和第二衬底之间的间隙。图5中的参考标号92、93、94、95和96分别表示缓冲层、第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层和平面化层。
液晶显示器根据液晶的排列允许光透过或被阻挡。液晶的排列由第一和第二电极之间的电位差来确定。透过液晶层的光呈现出滤色层101的颜色，从而显示图像。
根据本发明，背景技术的说明中定义的“TFT导电元件”包括第一源极12和第二源极52、第一漏极13和第二漏极53、第一栅极11和第二栅极51、第一导线20、第二导线30和第三导线70。下文中将参照图6来详细说明TFT导电元件的结构。
根据本发明，第一栅极11和第二栅极53与第二导线30采用相同材料同时形成。第一源极12和第二源极52、第一漏极13和第二漏极53、第一导线30以及第三导线70采用相同材料同时形成。由于这些TFT导电元件的形成顺序和材料可以根据制造工艺而变化，因此它们不限于上述内容。
根据本发明的至少一个TFT导电元件130包括基于铝(Al)的金属层131以及钛(Ti)层132和133。防扩散层134和135插在基于Al的金属层与各个Ti层之间。虽然图6中表示了防扩散层和Ti层在基于Al的金属层的两面上形成，但是防扩散层和Ti层也可仅在基于Al的金属层的一面上形成，这也在本发明的范围之内。
在TFT导电元件之中，特别的是，图4的第二源极52和第二漏极53形成垂直方向上较长的形状。为此，第二源极52和第二漏极53的层结构可能扭曲。也就是说，虽然第二源极52和第二漏极53在基于Al的金属层131与半导体层80之间具有防扩散层和Ti层，但是由于这种扭曲的层结构，基于Al的金属层131和半导体层80可能部分彼此接触。在此情况下，如果基于Al的金属层131是纯铝制成的，则铝可能扩散到由硅制成的半导体层80中，从而导致半导体层80不能正常工作。关于这一方面，最好是采用即使基于Al的金属层131与半导体层80接触、也不易扩散到半导体层80中的材料来形成基于Al的金属层131。因此，基于Al的金属层131最好是由从以下各项构成的组中选择的Al合金制成：铝硅(AlSi)合金、铝铜(AlCu)合金、铝钕(AllNi)合金、铝铂(AlPt)合金、铝镍(AlNi)合金。Al合金中含有的Si、Cu、Nd、Pt、Ni用于防止基于Al的金属层的Al向由硅制成的半导体层80扩散。基于Al的金属层131最好是含有大约0.5-5wt％的Si、Cu、Nd、Pt或Ni。根据从实验得到的结果，含有大约2wt％的Si的AlSi合金是更可取的。
Ti层132和133用于防止在热处理过程中产生Al小丘。防扩散层134和135用于防止通过基于Al的金属层131的Al与Ti层132和133的Ti在热处理过程中发生化学反应而形成TiAl3。通过防止形成TiAl3，减小了TFT导电元件130的电阻。最好是，防扩散层134和135由TiN制成。这是因为TiN有效地防止在基于Al的金属层131与Ti层132和133之间的界面上产生TiAl3。TiN层134和135最好是含有5-85wt％的氮。
仅供参考，基于Al的金属层131以及Ti层132和133在氩(Ar)气氛中通过DC-磁控管溅射来淀积。TiN层134和135在氩与氮(N2)的混合气氛中通过反应溅射来淀积。通过利用高频增强的等离子体进行的干蚀刻，把这种淀积的结构蚀刻成用于TFT导电元件130的预定图案。
如果TiN层134和135的厚度太薄，则可能出现Al扩散。因此，Al可容易与Ti层中的Ti进行化学反应而产生TiAl3。另一方面，TiN层134和135太厚，则由于TiN的高电阻率而使TFT导电元件的电阻增大。通过在基于Al的金属层131与Ti层132和133之间插入TiN层134和135形成的TFT导电元件130必须具有低于图1的TFT导电元件120的电阻。满足这些要求的TiN层的厚度由以下实验来确定，表1中给出实验结果。
表1给出在根据本发明的一个实施例、具有Ti层132/TiN层134/基于Al的金属层131/TiN层135/Ti层133的结构的TFT导电元件中、电阻率随TiN层厚度而产生的变化。为此，通过溅射来淀积TFT导电元件130的各层，并将其在380℃下在真空中进行热处理，以增强TFT导电元件130的界面特性。
表1
Figure C20041003994200131
*电阻率：TFT导电元件130的电阻率
图7的曲线是从表1的结果得出的。在图7中，线L表示由Mo制成的厚度为
Figure C20041003994200132
的TFT导电元件的理想电阻率，即由于Mo的电阻率而产生的理论上最小的电阻率。采用Mo，理论电阻率是5.35μΩcm。在图7中，线M表示根据本发明由实验得到的TFT导电元件130的实际电阻率。即，线M的电阻率是通过实验得到的。
从图7的曲线M中，可以看出，产生具有比满足上述要求的基于Mo的导电元件更好的电阻率的导电元件的TiN层134和135的厚度是在100-
Figure C20041003994200141
的范围内。当TiN层134和135的厚度为200-
Figure C20041003994200142
时，TFT导电元件的电阻率相对较低。特别是当TiN层的厚度为大约
Figure C20041003994200143
时，TFT导电元件的电阻率最佳。虽然具有厚度为100-
Figure C20041003994200144
以及400-
Figure C20041003994200145
的TiN层134和135的TFT导电元件的电阻率低于仅由Mo制成的TFT导电元件，但是它们的电阻率高于具有厚度为200-
Figure C20041003994200146
的TiN层134和135的TFT导电元件。厚度为100-
Figure C20041003994200147
的TiN层134和135与厚度为400-
Figure C20041003994200148
的TiN层134和135相比，制造成本会低一些。
图8说明根据本发明的TFT导电元件的电阻减小效果。在图8中，水平轴表示热处理过程的温度(热处理温度)，垂直轴表示TFT导电元件的电阻率。A的曲线表示具有Ti层(厚度：
Figure C20041003994200149
)/TiN层(厚度：
Figure C200410039942001410
)/基于Al的金属层(厚度：
Figure C200410039942001411
)/TiN层(厚度：
Figure C200410039942001412
)/Ti层(厚度：
Figure C200410039942001413
)这五层结构的TFT导电元件的电阻率。B曲线表示具有Ti层(厚度：
Figure C200410039942001414
)/基于Al的金属层(厚度：
Figure C200410039942001415
)/Ti层(厚度：
Figure C200410039942001416
)这三层结构的TFT导电元件的电阻率。如图8所示，例如，在380℃的热处理温度下，具有五层结构的TFT导电元件的电阻率是5μΩcm，而具有三层结构的TFT导电元件的电阻率为21.5μΩcm，是具有五层结构的TFT导电元件的电阻率的四倍多。
在上述情况下，说明根据本发明的TFT导电元件具有Ti层132/TiN层134/基于Al的金属层131/TiN层135/Ti层133的结构。但是，应当理解，根据本发明的TFT导电元件可以具有Ti层132/TiN层134/基于Al的金属层131的结构，因为电阻减小的效果是通过插在基于Al的金属层和Ti层之间的TiN层来实现的。
从上述说明中可以看出，本发明提供了一种TFT和包含这种TFT的平板显示器，在所述TFT中防止了TiAl3的产生，因而至少一种TFT导电元件具有足够低的电阻率。因此，平板显示器可以具有快的子像素响应速度以及良好的图像质量。本发明还提供一种TFT，其中甚至在热处理过程之后也能防止产生铝小丘，并且提供了包含这种TFT的平板显示器。本发明还提供一种TFT，其中TFT导电元件的Al不会向半导体层扩散，并且提供了包含这种TFT的平板显示器。
虽然已经参照示范实施例具体表示和说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解，只要不背离由以下权利要求书定义的本发明的精神和范围，可以对其进行形式和细节上的各种更改。

Claims (7)

1. 一种平板显示器，它包括多个由薄膜晶体管驱动的子像素，每个所述薄膜晶体管包括源极、漏极、栅极和多晶硅半导体层，而所述子像素中每一个都包括第一电极、第二电极和位于第一电极与第二电极之间的发光层，其中所述源极和漏极之一包括：
第一钛层，与所述半导体层接触；
基于铝的金属层，设在第一钛层上，该基于铝的金属层由含一种元素的铝合金制成，该元素是从由硅、钕、铂和镍构成的组中选择的；
第二钛层，设在基于铝的金属层上，并与第一电极接触；
第一氮化钛层，位于第一钛层与基于铝的金属层之间，该第一氮化钛层用于防止来自第一钛层的钛与来自基于铝的金属层的铝相互反应；以及
第二氮化钛层，位于第二钛层与基于铝的金属层之间，该第二氮化钛层用于防止来自第二钛层的钛与来自基于铝的金属层的铝相互反应；
其中两个氮化钛层都含有5-85wt％的氮。
2. 如权利要求1所述的平板显示器，其特征在于，所述第一氮化钛层具有100-60
Figure C2004100399420002C1
的厚度。
3. 如权利要求1所述的平板显示器，其特征在于，所述第一氮化钛层具有100-400
Figure C2004100399420002C2
的厚度。
4. 如权利要求1所述的平板显示器，其特征在于，所述第二氮化钛层具有200-600
Figure C2004100399420002C3
的厚度。
5. 如权利要求1所述的平板显示器，其特征在于，所述第二氮化钛层具有300
Figure C2004100399420002C4
的厚度。
6. 一种平板显示器，它包括多个由薄膜晶体管驱动的子像素，每个所述薄膜晶体管包括源极、漏极、栅极和多晶硅半导体层，而所述子像素中每一个都包括第一电极、第二电极和位于第一电极与第二电极之间的发光层，其中所述源极和漏极之一包括：
第一钛层，与所述半导体层接触；
基于铝的金属层，设在第一钛层上；
第二钛层，设在基于铝的金属层上，并与第一电极接触；
第一氮化钛层，位于第一钛层与基于铝的金属层之间，该第一氮化钛层用于防止来自第一钛层的钛与来自基于铝的金属层的铝相互反应；以及
第二氮化钛层，位于第二钛层与基于铝的金属层之间，该第二氮化钛层用于防止来自第二钛层的钛与来自基于铝的金属层的铝相互反应；
其中，所述基于铝的金属层由含有0.5-5wt％的一种元素的铝合金制成，该元素是从由硅、钕、铂和镍构成的组中选择的。
7. 如权利要求6所述的平板显示器，其特征在于，所述基于铝的金属层由含2wt％的硅的铝-硅合金制成。
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