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CN1530725A - 平板显示器中使用的薄膜晶体管的新颖导电元件 - Google Patents

平板显示器中使用的薄膜晶体管的新颖导电元件 Download PDF

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CN1530725A CNA2004100287328A CN200410028732A CN1530725A CN 1530725 A CN1530725 A CN 1530725A CN A2004100287328 A CNA2004100287328 A CN A2004100287328A CN 200410028732 A CN200410028732 A CN 200410028732A CN 1530725 A CN1530725 A CN 1530725A
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Abstract

一种用于薄膜晶体管的电极的新颖的设计。该新颖的设计使得即使在进行热处理工艺之后，在源极和漏极之间仍形成正常的导电沟道，以及一种包括该薄膜晶体管的平板显示器。该薄膜晶体管包括了源极、漏极、栅极和半导体层，其中源极、漏极和栅极中的至少一个包含了铝合金层，在该铝合金层的两个表面上都形成钛层。因为纯铝会扩散到半导体层中而造成缺陷区域并阻碍了在该薄膜晶体管中形成导电沟道，因此该电极优选不含有任何纯铝。

Description

平板显示器中使用的薄膜晶体管的新颖导电元件
要求优先权
本发明参考、引入并要求较早在2003年3月12日向韩国知识产权局提交并且适时分配的序列号No.2003-15357的“薄膜晶体管和包括该薄膜晶体管的平板显示器”的申请基于35 U.S.C.§119生效的所有利益。
技术领域
本发明涉及了平板显示器薄膜晶体管。更具体地说，本发明涉及薄膜晶体管的电极的新颖结构，该结构不会造成显示器中的薄膜晶体管的半导体材料退化。
背景技术
薄膜晶体管(下文称作是TFT)是一种根据施加给栅极的电压其源极和漏极通过半导体层中形成的沟道可被电连接的器件，该半导体层物理连接源极和漏极。TFT主要用于诸如电致发光显示器和液晶显示器的有源矩阵平板显示器中。TFT起到了独立驱动平板显示器中的子像素的作用。
平板显示器的TFT面板上形成的源极和栅极通过导线被连接到布置在平板显示器的侧面上的驱动电路。通常，为了简化制作工艺，源极、漏极和电连接该源极和漏极的导线是具有相同结构、使用相同材料、在相同时间形成的。以下，把源极、漏极和将它们电连接的导线简单地称作是“S/D电极和引线”。
S/D电极和引线可以由铬(Cr)基金属或者是诸如Mo和MoW的钼(Mo)基金属来制得。然而，由于其电阻相对较高，在大的平板显示器中使用这样的金属来形成S/D电极和引线是不太实际的。最近人们注意力放在了用铝(Al)来作为S/D电极和引线的材料。然而使用纯Al存在一个问题，即在热处理过程中Al会扩散到半导体层中，这个问题在形成源极和漏极之后通常会发生。当Al扩散到半导体层中时，TFT不能够正常工作。
在形成金属电极和电连接该金属电极的导线之后进行的热处理过程可能会恶化这些问题。例如在TFT制作中，在源和漏金属溅射之后进行的接触退火工艺是必需的，并且退火需要的温度可以高于300℃。当在源极和漏极中使用纯铝并且在电极形成之后进行高温退火时，铝会扩散到TFT的半导体层中并且对TFT的电学特性产生负面影响。
Tanaka等人的美国专利申请公开号为No.2002/0085157中(下面称作是Tanaka‘157)公开了由Al制作的电极。每个电极都具有氮化钛结构(TiN)/Al、TiN/Ti/Al或者是TiN/Al/Ti。这种结构的优点包括：它降低了在电极与连接到该电极的端子之间的电连接电阻，并且抑制了在形成电极之后进行的热处理工艺中常常形成的Al小丘的产生。然而Tanaka’157没有去讨论并去解决在热处理过程中存在的纯铝电极中的铝扩散到晶体管的半导体层中的问题。
此外，在连接源极和漏极的导线具有三层结构Ti/纯Al/Ti的情况下，通过热处理工艺在纯Al层和Ti层之间的界面处可能会产生TiAl3。该TiAl3可能会增加导线的电阻。由于这个原因，在大尺寸平板显示器或者其像素是小尺寸的情况下，当形成TiAl3时，可能会增加驱动电路和像素之间的电压降。这样，TiAl3的形成引起像素的响应速度降低并且导致了图像在大显示器中的不均匀分布。
发明内容
因此本发明的目的在于为在平板显示器中使用的TFT提供一种S/D电极和引线的改进设计。
本发明的目的还在于为TFT中的电极提供一种设计，该设计防止了在热处理期间铝扩散到半导体层中。
本发明的目的还在于为TFT中的电极提供一种新颖的设计，这种设计具有低的电阻率，因此即使在显示器尺寸非常大时也能产生均匀发光。
本发明的另一个目的在于为TFT中的电极提供一种设计，该设计不会产生在热处理时电极材料与TFT的半导体材料起反应的结构。
这些和其他的目的可以通过其中使用铝但不使用纯铝的电极结构来实现。可替换的是，在电极中使用铝合金。该铝合金层可含有大约0.1到5wt％的从硅、铜、钕、铂和镍中选择的至少一种元素。应使用铝合金而不是纯铝的原因在于，在热处理以后，来自纯铝层中的铝将扩散到半导体层中并且破坏TFT的电学特性。通过在电极结构中使用铝合金而不是纯铝，防止了在热处理期间铝扩散到半导体层中。
下面给出了该电极结构的其他特征。为了防止在热处理时形成小丘，铝合金层与钛邻接。为了防止在热处理期间形成高电阻的TiAl3，在铝合金层和钛层之间插入了扩散阻挡层。优选的是，该扩散阻挡层为TiN或者氮化钛。最佳的TiN的厚度为300埃。该TiN层可以具有5到85wt％的氮。
附图说明
通过结合附图来参考下面的详细说明，将能更明了地完全理解本发明和其中许多附带的优点，在附图中相同参考数字表明同一或者是相似的部件，其中：
图1是TFT面板的电路图；
图2是TFT面板的部分平面图；
图3是具有TFT的电致发光显示器的局部视图；
图4是具有TFT的液晶显示器的局部视图；
图5是TFT中的源极和漏极的局部视图；
图6是图5中的TFT在热处理之后的顶视图；
图7是根据本发明的一个实施方案的薄膜晶体管(TFT)中的源极或漏极的局部视图；
图8是根据本发明使用图7中所示的电极，在热处理之后的TFT的局部视图；
图9是图8中的TFT在热处理之后的顶视图；以及
图10是根据本发明的另一个实施方案，在热处理之后的TFT的局部视图。
具体实施方式
参考附图，图1说明了具有薄膜晶体管(TFT)10和50的平板显示器的电路112。电路112包含了第一TFT10、第二TFT50、存储电容器40和发光单元60。第一TFT10中的第一源极12通过第一导线20与水平驱动电路H相连，并且第一TFT10中的第一栅极11通过第二导线30与垂直驱动电路V相连。第一TFT10中的第一漏极13与存储电容器40中的第一电容器电极41相连，并且与第二TFT50的第二栅极51相连。存储电容器40的第二电容器电极42和第二TFT50的第二源极52都与第三导线70相连。第二TFT50的第二漏极53与发光单元60的第一像素电极61相连。发光单元60的第二像素电极62被布置成与第一像素电极61相对，并且与第一像素电极61隔开预定间隙。在第二像素电极62和第一像素电极61之间是有源层。该有源层可以是有机材料层、无机材料层或者是液晶层。根据各种类型的平板显示器中的一种，将该有源层布置在发光单元60的第一像素电极61和第二像素电极62之间。
参考图2，图2说明了配置有第一TFT10和第二TFT50的平板显示器的驱动单元(构成一个像素的红色元件、蓝色元件和绿色元件之一)。图2是说明图1中所示的电路112的物理结构的平面图。为了简化起见，在图2中仅仅示出了导电的组成单元。因此省略了非导电的组成单元，诸如衬底、缓冲层、各种类型的绝缘层、平坦化层、发光层、液晶层、第二像素电极、偏振层、取向层和滤色器层。在图3和4中实际说明了这些非导电的组成单元。在图2中示出的仅位于用斜线表示的区域中的组成单元互相电连接。在图2中没有用斜线表示的其它区域被电绝缘。
当给第一栅极11施加电压时，在半导体层80中形成导电沟道，该沟道将第一源极12和第一漏极13连接起来。此时，当通过第一导线20给第一源极12提供电荷时，该电荷就移动到第一漏极13中。另一种电荷通过第三导线70被提供给第二源极52。根据提供给第二源极52的电荷决定了驱动单元的亮度。当第一漏极13的电荷被提供给第二栅极51时，第二源极52的电荷就移动到第二漏极53中，从而驱动发光单元60中的第一像素电极61。存储电容器40用于维持第一像素电极61的驱动操作或者是提高驱动速度。出于参考，第一TFT10和第二TFT50具有相似的剖面结构，但是在相邻的组成单元中是不同的。
在图3中示出的电致发光显示器114包括有TFT面板、发光层87和第二像素电极62。该TFT面板包括衬底81、TFT50、第一导线20、第二导线30和第一像素电极61。在背面发射型的电致发光显示器的情况中，衬底81可以由透明材料制成，诸如玻璃，并且第二像素电极62可以由具有良好反射率的金属材料制得。另一方面，在正面发射型的电致发光显示器中，第二像素电极62可以由透明的导电材料制得，诸如铟锡氧化物(ITO)，并且第一像素电极61可以由具有良好反射率的金属材料制得。
在衬底81的整个表面上形成缓冲层82。在缓冲层82上形成预定图案的半导体层80。在半导体层80上和在没有形成半导体层80的缓冲层82剩下的暴露表面上形成第一绝缘层83。在第一绝缘层83上形成预定图案的第二栅极51。第二绝缘层84形成在第二栅极51上和没有形成第二栅极51的第一绝缘层83的剩下暴露表面上。在形成第二绝缘层84之后，将第一和第二绝缘层83和84分别进行刻蚀，诸如干法刻蚀，以便暴露部分半导体层80。该半导体层80的暴露部分与以预定图案形成的第二源极52和第二漏极53相连。在分别形成第二源极和漏极52和53之后，在其上形成第三绝缘层85。对第三绝缘层85的一部分刻蚀，以便电连接第二漏极53和第一像素电极61。在第三绝缘层85上形成第一像素电极61之后，形成平坦化层86。刻蚀该平坦化层86对应于第一像素电极61的部分。然后在第一像素电极61上形成发光层87，并且在该发光层87上形成第二像素电极62。另外，在第二像素电极62上形成密封层89。
TFT50由第二源极52、第二漏极53、第二栅极51和半导体层80构成。第二源极52和第二漏极53被布置在同一水平面上，并且以预定间隙使它们互相隔离。第二源极52和第二漏极53都与半导体层80物理连接。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之上，并且在第二源极52和第二漏极53之间。同时，根据上面的电极和半导体层80的排列，通常将TFT划分为交错型、反交错型、共面型和反共面型。在本发明的这个实施方案中说明了共面型，但是本发明并不局限于此。
在图3中的TFT50对应于图2中示出的第二TFT50。在这种情况下，第二源极52与第三导线70相连，第二栅极51与第一TFT10的第一漏极13相连，第二漏极53与发光单元60的第一像素电极61相连，第一TFT10的第一源极12与第一导线20相连，并且第一栅极11与第二导线30相连。根据本发明的这个实施方案，第一导线20对应于传送数据的数据线，第二导线30对应于扫描线。
现在参考图3详细说明电致发光显示器114的结构。如图3所示，电致发光显示器114包括第一像素电极61、形成在第一像素电极61上的发光层87和形成在发光层87上的第二像素电极62。电致发光显示器114可以被划分成有机和无机电致发光显示器。关于有机电致发光显示器，发光层87由电子传输层、发光材料层和空穴传输层构成。关于无机电致发光显示器，在第一像素电极61与发光层87之间以及第二像素电极62与发光层87之间插入绝缘层。
有机电致发光显示器的发光材料层87由有机材料构成，例如是诸如铜酞花青(CuPc)、N，N’-二(萘基-1)-N，N’-二苯基联苯胺(NPB)、三-8-羟基喹啉铝(Alq3)等的酞花青。当电荷提供给第一像素电极61和第二像素电极62时，空穴和电子互相复合而产生激子。当该激子从激发态跃迁到基态时，发光材料层87发射出光。
关于无机电致发光显示器，在位于在第一像素电极61与第二像素电极62的内侧上的绝缘层之间的无机材料层发射出光。用于无机材料层的无机材料可以是金属硫化物，诸如ZnS、SrS和CsS。最近，还使用了基于碱土的钙硫化物，诸如CaCa2S4和SrCa2S4，以及金属氧化物。还可以使用过渡金属，诸如Mn、Ce、Tb、Eu、Tm、Er、Pr和Pb以及碱性稀土金属作为发光核原子，该发光核原子与上面的无机材料一起形成发光层87。当在第一像素电极61和第二像素电极62之间施加电压时，电子加速并且与发光核原子进行碰撞。此时，发光核原子的电子被激发到更高的能级，然后回落到基态。这样，无机材料层发射出光。
参考图4，图4说明了液晶显示器105。液晶显示器和电致发光显示器在TFT面板的结构上是相似的，但是在相邻的组成单元上存在差异。下面，将仅仅说明液晶显示器中的TFT面板的相邻的组成单元。
液晶显示器105包含了TFT面板、第一取向层97、第二衬底102、第二像素电极62、第二取向层99、液晶层98和偏振层103。该TFT面板包括了第一衬底91、TFT50、第一导线、第二导线和第一像素电极61。该第一衬底91对应于电致发光显示器的衬底。
单独制作第一衬底91和第二衬底102。在第二衬底102的下表面上形成滤色器层101。在滤色器层101的下表面上形成第二像素电极62。分别在第一像素电极61的上表面上和第二像素电极62的下表面上形成第一取向层97和第二取向层99。该第一取向层97和第二取向层99用作允许插入在其间的液晶层98的液晶正确取向。分别在第一衬底91和第二衬底102的每个外表面上形成偏振层103。间隔物104用于保持第一衬底91和第二衬底102之间的间隙。图4中的参考数字92，93，94，95和96分别表示了缓冲层、第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层和平坦化层。
根据液晶的排列，液晶显示器允许光穿过或者被阻挡。该液晶的排列是由第一和第二像素电极之间的电势差来决定的。穿过液晶层的光呈现出滤色器层101的颜色，从而显示了图像。
参考图5和6，图5说明了使用具有纯铝的电极在热处理之后的TFT的横断面图，图6是热处理之后的该TFT的顶视图。图5说明了在450℃热处理之后，半导体层80布置在S/D电极和引线52与53的下面并且与它们相连，它们中的每个都具有三层结构，即钛层(Ti)(厚度500埃)232/纯铝层(厚度4000埃)231/Ti层(厚度500埃)233。如图5和6所示，在加热时纯铝层231中的Al向半导体层80扩散并扩散到其中，从而在半导体层80中形成扩散缺陷部分52a和53a。即使在纯铝层231和半导体层80之间插入了Ti层233，纯铝层231中的Al还是会扩散到半导体层80中，其原因在于，Ti层233是非常薄的薄膜和/或根据半导体层80的上表面结构在Ti层233中存在无Ti区。这样，在加热时，在TFT的电极的纯铝层231和半导体层80之间的薄钛层233并不能阻挡纯铝层231中的铝扩散进入半导体层80中并且损伤部分半导体层80。应当理解的是，当加热时，在钛层和纯铝层之间的TiN扩散层的存在将不能阻挡铝扩散到半导体层80中。
最终的扩散缺陷部分52a和53a可以产生同将纯铝直接沉积在半导体层80上时的相同结果。缺陷部分52a和53a会阻碍TFT的源极和漏极之间的正常导电沟道的形成。另外缺陷部分52a和53a会造成源极和漏极之间的短路，导致TFT不能正常工作。尽管图5和6说明了第二TFT50的源极52和漏极53，但是也同样适用于第一TFT10。
在下文中，将参考图2和图7到10来详细地说明S/D电极和引线的结构。根据本发明的该实施方案，第一和第二栅极11和53与第二导线30是使用相同的材料同时形成的。第一和第二源极12和52，第一和第二漏极13和53，第一导线30，以及第三导线70是使用相同的材料同时形成的。因为根据制作工艺可以改变用于这些导电的组成单元的形成顺序和材料，所以它们并不局限于在本发明的实施方案中的说明。
根据本发明的该实施方案，S/D电极和引线130中的至少一个是由铝(Al)合金层131和形成在该铝(Al)合金层131的相应上下表面的钛层(Ti)132和133制得的。任选的是，在图10示出的另一实施方案中，扩散阻挡层138和139是由氮化钛(TiN)构成的，该扩散阻挡层138和139例如可以被插入在铝合金层131和相应的钛层132和/或133之间。当在电极结构中使用跟纯铝相对的铝合金时，就能够在热处理期间防止铝扩散。
优选的是，铝合金层131是由含有0.1到5wt％，优选的是含有2wt％的从硅(Si)、铜(Cu)、钕(Nd)、铂(Pt)和镍(Ni)中选择的至少一种元素来构成的。据经验确定，当根据图10中所示的本发明的实施方案的S/D电极和引线具有5层结构时，即Ti层(厚度250埃)132/TiN层(厚度250埃)138/铝合金层(厚度4000埃)131/TiN层(厚度250埃)139/Ti层(厚度250埃)133，即使在450℃进行热处理之后，铝合金层131中的铝也不会扩散向半导体层80。因此如图9所示，半导体层80没有缺陷部分，使得在TFT工作期间形成导电沟道180。这样由于在电极结构中使用了铝合金层而不是在电极结构中使用纯铝而得到了好的结果。当如图8所示，S/D电极和引线具有三层结构时，即Ti层(厚度500埃)132/铝合金层(厚度4000埃)131/Ti层(厚度500埃)133，可以获得相同的结果。换句话说，跟图10的结构一样，图8的结构产生如图9中的没有缺陷区域52a和53a的半导体层80。
可以理解的是，除了在电极堆叠中用铝合金层代替纯铝层之外，在同图6的经验数据相同的实验条件下也可以获得图9的经验数据。换句话说，在除了用铝合金层131代替纯铝层231之外，其他所有的参数保持不变，这样就可以获得图6和9的结果。
应当理解的是，使用钛层132和133而不是仅用铝合金层131，因为钛层132和133可以起到在热处理期间防止铝小丘形成的作用。
在另一实施方案中，使用了图10的5层电极堆叠，在该电极堆叠中为了避免在热处理过程中形成不需要的TiAl3，在每个钛层132(133)和铝合金层131之间插入了TiN扩散阻挡层138(139)。TiAl3大大地提高了电极和导线的电阻率。因而，TiN扩散阻挡层138和139防止了TiAl3的形成，这样就保持了电极和通向TFT的导线的电阻率低。这一点在大的平板显示器中特别重要，在该大的平板显示器中电极和引线的低电阻率可以防止非均匀像素显示分布。尽管结合具有源极52和漏极53的第二TFT50讨论了图8，9和10，但是图8，9和10的新颖的结构同样适用于第一TFT10。
TiN扩散阻挡层138和139最佳厚度是250埃。如果扩散阻挡层的厚度太薄，可以产生铝扩散，导致在热处理期间形成TiAl3。另一方面，如果TiN扩散阻挡层太厚，则由于不必要的厚的TiN层而使得制作成本变得不必要地昂贵。优选的是，TiN层138和139含有5到85wt％的氮。
在制作图10的电极堆叠130的方法中，在氩气(Ar)气氛下，通过DC-磁控管溅射来沉积铝合金层131和钛层132和133。在氩气(Ar)和氮气(N2)的混合气体气氛下，通过反应溅射来沉积TiN层138和139。通过使用高频增强等离子体的干法刻蚀来刻蚀这些沉积的结构，形成预定图案的S/D电极和引线。
应当理解的是，图5到10讨论了第二TFT50和第二源极52以及第二漏极53，图5到10和在上面讨论图5到10中所讨论的概念同样适用于具有第一源极12和第一漏极13的第一TFT10。
本发明提供了一种附着于TFT中的半导体层的电极的新颖结构，在热处理时该结构不会在半导体层中形成缺陷区域。另外，保持了低的电阻率。其他的实施方案包括提供钛层以防止在热处理过程中形成铝小丘。另外的实施方案包括在铝合金层和钛层之间提供TiN扩散层以防止在热处理时形成高电阻的TiAl3。通过在TFT晶体管中使用本发明的新颖的电极结构，保持了晶体管的完整性并且降低了导线和电极的电阻率，从而形成在像素之间具有均匀发光的大的平板显示器。
虽然参考实例性实施方案，特别示出和说明了本发明，但是本领域的普通技术人员将能理解在不偏离下面权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种形式和细节上的修改。

Claims (20)

1.一种薄膜晶体管，包括源极、漏极、栅极和半导体层，其中该源极、漏极和栅极之一包括布置在一对钛层之间的铝合金层。
2.权利要求1的薄膜晶体管，其中铝合金层包括大约0.1到5wt％的至少一种从硅、铜、钕、铂和镍组成的组中所选择的元素。
3.权利要求1的薄膜晶体管，其中扩散阻挡层被插入在铝合金层与该对钛层的每个钛层之间。
4.权利要求3的薄膜晶体管，其中扩散阻挡层是由氮化钛构成的。
5.权利要求4的薄膜晶体管，其中氮化钛层的厚度在100和500埃之间。
6.权利要求4的薄膜晶体管，其中氮化钛层含有5到85wt％的氮。
7.权利要求1的薄膜晶体管，每个电极都不存在纯铝。
8.一种平板显示器，包括：
衬底；
在该衬底的表面上形成的第一多个薄膜晶体管，该第一多个薄膜晶体管包括第一源极、第一漏极、第一栅极和半导体层；
多个第一导线，电连接到第一源极；以及
多个第二导线，电连接到第一栅极；
第二多个薄膜晶体管，其中第一多个薄膜晶体管的第一漏极电连接到第二多个薄膜晶体管的栅极，其中第一源极、第一漏极、第一栅极、多个第一导线和多个第二导线之一包括铝合金层以及在该铝合金层的一个表面上形成的钛层。
9.权利要求8的平板显示器，其中铝合金层包括大约0.1到5wt％的至少一种从硅、铜、钕、铂和镍组成的组中所选择的元素。
10.权利要求8的平板显示器，其中扩散阻挡层被插入在铝合金层和钛层之间。
11.权利要求10的平板显示器，其中扩散阻挡层是由氮化钛构成的。
12.权利要求11的平板显示器，其中氮化钛层的厚度在100到500埃之间。
13.权利要求11的平板显示器，其中氮化钛层含有5到85wt％的氮。
14.一种TFT，包括：
源极、栅极和漏极；以及
在该源极和漏极之间的半导体层，其中所述源极和所述漏极中的一个含有铝合金层并且不含有纯铝层。
15.权利要求14的TFT，其中铝合金层包括大约0.1到5wt％的至少一种从硅、铜、钕、铂和镍组成的组中所选择的元素。
16.权利要求14的TFT，所述铝合金层与钛层邻接。
17.权利要求14的TFT，在所述TFT经受至少300摄氏度的热处理之后，所述半导体层不存在铝。
18.权利要求14的TFT，所述半导体层主要是由硅构成的，在所述TFT经受至少摄氏300度的热之后，给栅极施加电压时所述半导体层在所述源极和所述漏极之间形成导电沟道。
19.权利要求14的TFT，所述源极和所述漏极都是由铝合金形成的并且都不存在纯铝。
20.权利要求19的TFT，所述源极和所述漏极都包括在铝合金层和每个钛层之间的TiN扩散阻挡层。
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