專利名稱：源極/漏極電極、晶體管襯底及其制造方法和顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在液晶顯示器、半導(dǎo)體器件和光學(xué)組件的薄膜晶體管中使用的源極/漏極電極和晶體管襯底，還涉及制造所述襯底的方法和使用所述襯底的顯示裝置。特別是，本發(fā)明涉及新的包含作為組件的鋁合金薄膜的源極/漏極電極。
背景技術(shù)：
從小尺寸手機(jī)到具有30英寸或更大屏幕的大尺寸電視機(jī)，液晶顯示器在多種應(yīng)用中得到使用。按照像素驅(qū)動方法，它們分為被動式矩陣液晶顯示器和主動式矩陣液晶顯示器。其中，具有作為開關(guān)裝置的薄膜晶體管(下文簡稱為TFT)的主動式矩陣液晶顯示器得到廣泛的使用，因為它們實現(xiàn)了高清晰度的圖像，并且能夠高速地生成圖像。
參照圖1將對用在主動式矩陣液晶顯示器中的典型的液晶顯示面板的構(gòu)造和工作原理進(jìn)行說明。以使用氫化非晶硅作為活性半導(dǎo)體層的具有TFT陣列的襯底(下文也稱為“非晶硅薄膜晶體管襯底”)作為實例。然而，所述的活性半導(dǎo)體層不受限于此，也可以是多晶硅(多晶體硅)層。
圖1中的液晶顯示面板100包含薄膜晶體管襯底1、對襯底2和液晶層3。對襯底2面朝薄膜晶體管襯底1安置。液晶層3安置于薄膜晶體管襯底1和對襯底2之間，并起著光調(diào)制層的作用。薄膜晶體管襯底1包括絕緣玻璃基板1a和在其上安置的薄膜晶體管4、透明像素電極5以及包含掃描線和信號線的互連部分6。透明像素電極5典型地由包含氧化銦(In2O3)和約10質(zhì)量％的氧化錫(SnO2)的氧化錫銦(ITO)薄膜制成。薄膜晶體管襯底1由驅(qū)動電路13和通過帶式自動粘合(TAB)帶12連接到驅(qū)動電路13的控制電路14驅(qū)動。
對襯底2包含絕緣玻璃基板1b、共用電極7、濾色器8和遮光膜9。共用電極7安置在面朝薄膜晶體管襯底1的玻璃基板1b的整個表面上。對襯底2整體上起著對電極的作用。濾色器8安置在面朝透明像素電極5的位置。遮光膜9安置在面朝薄膜晶體管襯底1上的薄膜晶體管4和互連部分6的位置。對襯底2還具有使液晶層3中的液晶分子(沒有顯示)取向到預(yù)定方向的取向?qū)?1。
液晶顯示面板100還包含分別在薄膜晶體管襯底1和對襯底2的外側(cè)(在與液晶層3相對的面上)安置的偏光片10a和10b。
在液晶顯示面板100中，在對電極2(共用電極7)和透明像素電極5之間形成的電場控制液晶層3中液晶分子的取向方向，從而對通過液晶層3的光進(jìn)行調(diào)制。這控制了經(jīng)過對襯底2光的透過量，從而生成和顯示出圖像。
接著參照圖2，對用于液晶顯示面板的傳統(tǒng)非晶硅薄膜晶體管襯底的構(gòu)造和工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明。圖2是圖1中的主要部件″A″的放大圖。
參照圖2，掃描線(薄膜柵極互連)25安置于玻璃基板(沒有顯示)上。掃描線25的一部分起著控制(開和關(guān))薄膜晶體管的柵極電極26的作用。安置柵極絕緣體(氮化硅薄膜)27以覆蓋柵極電極26。安置信號線(源極/漏極電極互連)34使掃描線25與插入它們之間的柵極絕緣體27交叉。信號線34的一部分起著薄膜晶體管的源極電極28的作用。緊挨著柵極絕緣體27相繼安置有非晶硅溝道膜(活性半導(dǎo)體膜)33、信號線(源極/漏極互連)34和氮化硅夾層電介質(zhì)膜(保護(hù)膜)30。這種類型的液晶顯示面板通常稱為底部柵極型面板。
非晶硅溝道膜33包含摻雜磷(P)的摻雜層(n層)和本征層(i層；也稱為非摻雜層)。在柵極絕緣體27上是像素區(qū)，其中安置透明像素電極5。透明像素電極5是由例如包含In2O3和SnO的ITO膜制成的。通過插入后述金屬阻擋層，薄膜晶體管的漏極電極29與透明像素電極5相接觸并與其電連接。
當(dāng)通過掃描線25將柵極電壓加于柵極電極26上時，薄膜晶體管4接通。在這種狀態(tài)中，已加于信號線34上的驅(qū)動電壓從源極電極28通過漏極電極29加到透明像素電極5上。當(dāng)在透明像素電極5上施加預(yù)定的驅(qū)動電壓時，在透明像素電極5和參照圖1所上述的對電極2之間產(chǎn)生電壓差。這種電壓差使液晶層3中的液晶分子定向或取向，從而產(chǎn)生光調(diào)制。
在薄膜晶體管襯底1中，與源極/漏極電極電連接的源極/漏極互連34、與透明像素電極5電連接的信號線(像素電極的信號線)和與柵極電極26電連接的掃描線25均由純鋁或鋁合金如Al-Nd(以下純鋁或鋁合金通稱為“鋁合金”)薄膜制成。這是因為這些純鋁或鋁合金具有低的電阻率，并且易于加工。如圖2中所說明，包含難熔金屬如Mo、Cr、Ti或W的金屬阻擋層51、52、53和54安置于這些互連的上面和下面。
下面將對傳統(tǒng)鋁合金薄膜為什么必須通過插入金屬阻擋層與其它組件連接的原因進(jìn)行說明。如圖2所說明，鋁合金薄膜通過插入金屬阻擋層51和52連接到透明像素電極5上。這是因為，如果鋁合金薄膜直接連接到透明像素電極上，在這些組件之間的接觸電阻很高，降低了顯示圖像的質(zhì)量。用作透明像素電極互連材料的鋁對氧化十分敏感，并且在鋁合金薄膜和透明像素電極之間的界面形成氧化鋁絕緣層。氧化鋁來源于在液晶顯示面板的膜沉積過程中生成或加入的氧。作為透明像素電極材料的氧化錫銦(ITO)是導(dǎo)電的金屬氧化物，但是如果氧化鋁層形成，它將不能形成導(dǎo)電的歐姆接觸。
然而除了沉積柵極電極、源極電極和漏極電極的濺射系統(tǒng)之外，這種金屬阻擋層的沉積需要額外的用于其沉積的膜沉積室。這些額外的單元導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加和生產(chǎn)率降低。
因此，提出了不需要金屬阻擋層并可使源極/漏極電極和透明像素電極之間進(jìn)行直接接觸的電極材料。
日本未審查的專利申請公布(JP-A)No.Hei 11-337976公開了一種技術(shù)，所述技術(shù)使用包含氧化銦和約10質(zhì)量％氧化鋅的氧化鋅銦(IZO)膜作為透明像素電極材料。然而根據(jù)這種技術(shù)，最廣泛使用的ITO膜必須用IZO膜代替，導(dǎo)致材料成本增加。
JP-A No.Hei 11-283934公開了一種方法，所述的方法通過對漏極電極進(jìn)行等離子體處理或離子植入來修飾漏極電極表面。然而，這種方法需要額外的表面處理步驟，導(dǎo)致生產(chǎn)率降低。
JP-A No.Hei 11-284195公開了一種方法，所述的方法從純鋁或鋁合金的第一層和還包含雜質(zhì)如氮、氧、硅和碳的純鋁或鋁合金的第二層制造柵極電極、源極電極和漏極電極。這種方法的優(yōu)勢在于，構(gòu)成柵極電極、源極電極和漏極電極的薄膜可以在一個膜沉積室中連續(xù)沉積。然而，這種方法需要沉積包含雜質(zhì)的第二層的額外步驟。另外，生成的源極/漏極互連常常在將雜質(zhì)引入到源極/漏極互連的步驟中從室壁上以薄片狀分層。這是由含雜質(zhì)膜和不含雜質(zhì)膜之間的熱膨脹系數(shù)的差別所導(dǎo)致的。為了避免這種問題，這種方法需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)操作而中止薄膜沉積步驟，這導(dǎo)致生產(chǎn)率明顯降低。
在這些情況下，本發(fā)明的發(fā)明人在JP-A No.2004-214606中已經(jīng)公開一種方法，所述的方法不需要金屬阻擋層、簡化了生產(chǎn)過程而沒有增加步驟數(shù)，并且可使鋁合金膜和透明像素電極之間進(jìn)行直接和可靠地接觸。在JP-A No.2004-214606中公開的技術(shù)使用一種鋁合金，所述的鋁合金包含0.1-6原子％的選自Au、Ag、Zn、Cu、Ni、Sr、Ge、Sm和Bi的至少一種作為合金元素，并且允許這些合金元素中的至少一種在鋁合金膜和透明像素電極的界面成為沉析層或富集層，從而達(dá)到上述目的。
如上所述，在JP-A No.2004-214606中公開的技術(shù)允許在鋁合金膜和透明像素電極之間進(jìn)行直接連接。
然而，還沒有公開可使非晶硅薄膜和包含鋁合金的源極/漏極互連之間直接接觸的技術(shù)。
如上所述，作為源極/漏極互連的傳統(tǒng)互連包含鋁合金薄膜以及分別安置于鋁合金薄膜上面和下面的金屬阻擋層54和53。這種互連的典型實例是多層(三層)互連，所述的多層互連包含約50nm厚的鉬(Mo)層(下層金屬阻擋層)、約150nm厚的純鋁或Al-Nd合金薄膜和約50nm厚的Mo層(上層金屬阻擋層)，并以這種順序安置。安置下層金屬阻擋層主要是為了防止在鋁合金薄膜和非晶硅薄膜之間界面處的硅和鋁之間的相互擴(kuò)散。安置上層金屬阻擋層主要用于防止在鋁合金薄膜表面上的小丘(結(jié)節(jié)狀突出)。后面將對這些機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)說明。
然而，除了沉積鋁合金互連的膜沉積系統(tǒng)之外，上和下金屬阻擋層的形成還需要額外的用于其沉積的膜沉積系統(tǒng)。特別是，必須使用包括額外膜沉積室的膜沉積系統(tǒng)沉積每層金屬阻擋薄膜。這種系統(tǒng)的典型實例是包括與傳送室連接的多個膜沉積室的簇工具系統(tǒng)。這種包含額外的沉積金屬阻擋層的單元的系統(tǒng)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加和生產(chǎn)率的下降。
另外，通過濕法蝕刻將三層的多層互連變得尖細(xì)需要分別用于阻擋金屬和鋁合金的不同的蝕刻劑(蝕刻液)，并且還需要不同的適合蝕刻劑的蝕刻浴，從而導(dǎo)致成本增加。對使用一種蝕刻劑將多層互連變尖細(xì)已經(jīng)進(jìn)行了嘗試，例如由純鉬制造上層金屬阻擋層以及由鉬合金制造下層金屬阻擋層。然而，這種技術(shù)不能實現(xiàn)高精度加工。
因此，強(qiáng)烈要求提供這樣的源極/漏極電極，所述的源極/漏極電極不需要下層和上層金屬阻擋層，并且允許非晶硅薄膜和源極/漏極互連的鋁合金薄膜之間的直接連接。
為了提高產(chǎn)量和生產(chǎn)率，顯示裝置的制造已經(jīng)在越來越低的溫度下進(jìn)行。例如，非晶硅薄膜晶體管的源極/漏極電極材料，根據(jù)約350℃的允許溫度界限，必須具有約8μΩ·cm或更低的低電阻率和高的熱穩(wěn)定性。允許溫度界限是根據(jù)薄膜晶體管襯底制造過程中加到源極/漏極電極上的最高溫度確定的。在此，最高溫度通常是將作為保護(hù)膜的電介質(zhì)膜沉積在電極上的溫度。膜沉積技術(shù)的最新發(fā)展使得即使在相對低的溫度下，也可實現(xiàn)想得到的電介質(zhì)膜的沉積。特別是，在約200℃實現(xiàn)了這種保護(hù)膜在源極/漏極電極上的沉積。
因此，源極/漏極電極材料必須具有約200℃的允許溫度上限和足夠低的電阻率。
上述說明是以液晶顯示裝置作為典型實例進(jìn)行的，但是傳統(tǒng)技術(shù)中的這些問題在非晶硅薄膜晶體管襯底中是共同存在的，所述晶硅薄膜晶體管襯底不但用于液晶顯示裝置而且用于其它裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在這些情況下完成的，并且本發(fā)明的一個目的是提供一種源極/漏極電極，該源極/漏極電極不需要下層金屬阻擋層，在沒有增加步驟數(shù)的情況下簡化了生產(chǎn)過程，允許鋁合金膜和非晶硅溝道膜之間直接和可靠的連接，并且即使在大于等于約100℃和小于等于約300℃的低溫對鋁合金膜進(jìn)行處理時也可確保低電阻率。更明確地說，所述目的是提供一種源極/漏極電極，所述的源極/漏極電極適合在低溫下處理，并且即使當(dāng)在低溫例如約200℃，對鋁合金膜進(jìn)行約20分鐘的熱處理時，也能可靠地保證鋁合金膜的8μΩ·cm或更低的低電阻率。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種技術(shù)，該技術(shù)不但不需要下層金屬阻擋層，而且不需要上層金屬阻擋層，從而不但允許鋁合金膜直接而可靠地連接到非晶硅溝道膜上，而且允許鋁合金膜直接而可靠地連接到透明像素電極上。
更明確地說，本發(fā)明提供一種用于薄膜晶體管襯底的源極/漏極電極，所述的薄膜晶體管襯底包含基板、薄膜晶體管半導(dǎo)體層、源極/漏極電極和透明像素電極，所述的源極/漏極電極包括含0.1-6原子％的鎳作為合金元素的鋁合金薄膜，其中所述的源極/漏極電極被設(shè)置成鋁合金薄膜直接連接到薄膜晶體管半導(dǎo)體層上。
鋁合金還優(yōu)選包含0.1-1.0原子％的選自Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W的至少一種元素作為合金元素。
作為選擇或另外，鋁合金還可以包含0.1-2.0原子％的選自Mg、Cr、Mn、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、La、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Nd、Y、Co和Fe的至少一種元素作為合金元素。
在一個優(yōu)選實施方案中，在鋁合金薄膜和薄膜晶體管半導(dǎo)體層之間的界面包含一種含鎳化合物。
含鎳化合物優(yōu)選為選自如下化合物的至少一種化合物鋁與鎳的金屬間化合物，所述的鋁與鎳均包含于鋁合金中；包含于鋁合金中的鎳與包含于薄膜晶體管半導(dǎo)體層中的硅的硅化物或硅化合物；以及在鋁合金中的鋁和鎳與在薄膜晶體管半導(dǎo)體層中的硅的金屬間化合物。
在另一優(yōu)選實施方案中，在鋁合金薄膜和薄膜晶體管半導(dǎo)體層之間的界面包含一種富鎳層，其中所述富鎳層的平均鎳濃度比鋁合金的平均鎳濃度高2倍或2倍以上。
鋁合金薄膜優(yōu)選具有8μΩ·cm或更低的電阻率。
鋁合金薄膜優(yōu)選被設(shè)置成還直接連接到透明像素電極上。
在又一個優(yōu)選實施方案中，在鋁合金薄膜和透明像素電極之間的界面包含AlOx，其中″x″是氧的原子比，并且″x″滿足如下條件0＜x≤0.8。
在另一個優(yōu)選實施方案中，在鋁合金薄膜和透明像素電極之間的界面包含一種富鎳層，其中所述的富鎳層的平均鎳濃度比鋁合金的平均鎳濃度高2倍或2倍以上。
透明像素電極優(yōu)選包含氧化錫銦(ITO)和氧化鋅銦(IZO)。
此外，本發(fā)明還提供包含這些源極/漏極電極的任何一種的薄膜晶體管襯底。
此外，本發(fā)明還提供包含所述薄膜晶體管襯底的顯示裝置。
另外并有利地，本發(fā)明提供制造薄膜晶體管襯底的方法，包括如下步驟(a)制備具有薄膜晶體管半導(dǎo)體層的襯底；(b)在薄膜晶體管半導(dǎo)體層上沉積鋁合金薄膜；和(c)在鋁合金薄膜上沉積氮化硅膜，其中在所述步驟(c)中包括在大于等于100℃和小于等于300℃的溫度進(jìn)行加熱的步驟。所述步驟(b)優(yōu)選包括濺射法。
根據(jù)本發(fā)明的源極/漏極電極具有上述配置，從而允許鋁合金薄膜和薄膜晶體管半導(dǎo)體層之間的直接連接。在優(yōu)選實施方案中，還允許鋁合金薄膜和透明像素電極之間的直接連接。因此可以提供具有高生產(chǎn)率的便宜的高性能顯示裝置。
即使在約200℃的相對低溫進(jìn)行熱處理，根據(jù)本發(fā)明的源極/漏極電極也可確保足夠低的電阻率。在此術(shù)語″熱處理溫度″指TFT陣列襯底制造過程中的最高溫度。例如，它對應(yīng)于在顯示裝置的薄膜晶體管襯底的一般制造過程中，CVD膜沉積中的襯底加熱溫度或者用于保護(hù)膜熱固化的加熱爐的溫度。
此外，從如下參考附圖的優(yōu)選實施方案描述中，本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點將會變得更明顯。


圖1是說明采用非晶硅薄膜晶體管襯底的典型液晶顯示面板構(gòu)造的剖面放大示意圖；圖2是說明典型的傳統(tǒng)非晶硅薄膜晶體管襯底構(gòu)造的示意性剖面圖；圖3是說明根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的薄膜晶體管襯底構(gòu)造的示意性剖面圖；圖4A、4B、4C、4D、4E和4F是說明圖3的薄膜晶體管襯底的制造方法的工藝流程圖；圖5A是根據(jù)本發(fā)明第一實施方案，于室溫下在非晶硅薄膜上剛沉積Al-Ni合金薄膜之后，Al-Ni合金薄膜和非晶硅薄膜之間界面的橫截面的電子透射顯微照片；圖5B是在與圖5A同樣條件下拍攝的界面的高角環(huán)形暗場掃描電子透射顯微照片(HAADF-STEM)；圖6A是在制造完成后，根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的薄膜晶體管襯底的非晶硅薄膜和Al-Ni合金薄膜之間界面的橫截面的掃描電子透射顯微照片(橫截面TEM)；圖6B是與圖6A同樣條件下拍攝的界面的高角環(huán)形暗場掃描電子透射顯微照片；圖7A和7B是分別顯示在本發(fā)明第一實施方案中，Al-Ni合金薄膜和非晶硅薄膜之間界面附近深度方向上的元素濃度分布的圖，圖7A顯示的是剛剛于室溫下將Al-Ni合金薄膜沉積在非晶硅薄膜上之后的情形，而圖7B顯示的是在薄膜晶體管制造過程完成后的情形；圖8A是純鋁薄膜和非晶硅薄膜之間界面的橫截面電子透射顯微照片，該照片是在根據(jù)比較例1于室溫下將純鋁薄膜剛剛沉積在非晶硅薄膜上之后拍攝的。
圖8B是在與圖8A相同條件下拍攝的界面的高角環(huán)形暗場掃描電子透射顯微照片；圖9A是非晶硅薄膜和純鋁薄膜之間界面的橫截面電子透射顯微照片，該照片是在制造根據(jù)比較例1的薄膜晶體管襯底的所有膜沉積步驟完成之后拍攝的。
圖9B顯示作為與圖9A的電子透射顯微照片同樣位置的EDX分析結(jié)果的測繪圖(硅圖和鋁圖)；圖10是用于測量鋁合金薄膜和透明像素電極之間接觸電阻的開爾文模型的說明圖；圖11是說明實驗實施例4中的透明像素電極和Al-Ni合金薄膜之間接觸界面的橫截面電子透射顯微照片；和圖12是顯示應(yīng)力如何根據(jù)鋁合金薄膜沉積溫度而變化的圖。
具體實施例方式
為了提供一種使薄膜晶體管半導(dǎo)體層和源極/漏極電極的鋁合金薄膜之間直接和可靠連接的新技術(shù)，發(fā)明人進(jìn)行了大量研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過使用一種包含0.1-6原子％鎳的鋁合金作為源極/漏極電極的鋁合金，可以阻止在鋁合金薄膜和薄膜晶體管半導(dǎo)體層之間的界面的鋁和硅之間的相互擴(kuò)散，并且可以達(dá)到上述目的?；谶@些發(fā)現(xiàn)完成了本發(fā)明。本發(fā)明不但不需要下層金屬阻擋層，而且不需要上層金屬阻擋層，從而允許Al-Ni合金薄膜不但直接連接到薄膜晶體管半導(dǎo)體層，而且直接連接到透明像素電極上。
在此使用的術(shù)語″源極/漏極電極″意思是并包含源極/漏極電極本身和源極/漏極互連。更明確地說，根據(jù)本發(fā)明的源極/漏極電極均包含與源極/漏極互連成一整體的源極/漏極電極，其中所述的源極/漏極互連與源極/漏極區(qū)接觸。
在對本發(fā)明的構(gòu)造進(jìn)行細(xì)節(jié)描述之前，參考JP-A No.2004-214606公開的技術(shù)，對引導(dǎo)發(fā)明人實現(xiàn)本發(fā)明的情況進(jìn)行說明。
具體而言，為了提高用于液晶顯示裝置的互連材料的性能和生產(chǎn)率，發(fā)明人進(jìn)行了大量研究。
最初，發(fā)明人把注意力集中在透明像素電極的互連上，并開發(fā)了一種鋁合金薄膜，所述的鋁合金薄膜包含痕量的作為合金元素的例如貴金屬如Au或Ag，作為可以直接連接到透明像素電極(上述的JP-A No.2004-214606)的鋁合金。與傳統(tǒng)的等價物相反，通過使用JP-A No.2004-214606公開的鋁合金，可以阻止在界面形成氧化鋁絕緣層。這是因為在鋁合金薄膜和透明像素電極之間的界面形成一種導(dǎo)電沉析物，并且大部分接觸電流通過這種沉析物。
接著，發(fā)明人將注意力集中在源極/漏極互連上，并且為了提供一種鋁合金，所述鋁合金與傳統(tǒng)鋁合金大不相同，允許直接連接到薄膜晶體管半導(dǎo)體層而不需要插入典型地由鉬制成的金屬阻擋層，進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。為了達(dá)到這個目的，必須阻止在源極/漏極互連的鋁合金薄膜和薄膜晶體管半導(dǎo)體層之間界面的硅和鋁之間的相互擴(kuò)散，這與JP-ANo.2004-214606公開的技術(shù)是不同的。從這個觀點出發(fā)，發(fā)明人做了大量實驗，并發(fā)現(xiàn)在可以加入鋁合金的各種元素中，鎳(Ni)能有效地阻止硅和鋁之間的相互擴(kuò)散?；谶@些發(fā)現(xiàn)完成了本發(fā)明。關(guān)于這一點，下面將對相互擴(kuò)散的機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)描述。
下文中，將描述在鋁合金薄膜和薄膜晶體管半導(dǎo)體層之間的界面(下文也簡稱為“界面”)的硅和鋁之間的相互擴(kuò)散。
傳統(tǒng)上，將典型地由鉬制成的下層金屬阻擋層安置于鋁合金薄膜的下面以連接到薄膜晶體管半導(dǎo)體層上。這主要是因為作為在薄膜晶體管沉積中的熱處理的結(jié)果，在界面處的硅擴(kuò)散進(jìn)入鋁合金薄膜，并增加鋁合金薄膜的電阻。更明確地說，擴(kuò)散進(jìn)入鋁合金薄膜中的硅形成沉析的硅晶粒，并且以固相形式生長形成絕緣的硅島，從而增加源極/漏極電極的電阻。
在硅擴(kuò)散的同時，鋁也會擴(kuò)散進(jìn)入在界面處的薄膜晶體管半導(dǎo)體層。擴(kuò)散進(jìn)入薄膜晶體管半導(dǎo)體層中的鋁補(bǔ)償半導(dǎo)體中摻雜的磷載流子，這增加了界面處的接觸電阻。
擴(kuò)散進(jìn)入薄膜晶體管半導(dǎo)體層中的鋁進(jìn)一步擴(kuò)散進(jìn)入硅的耗盡層(電荷為零的區(qū)域)形成缺陷，導(dǎo)致反常流通過半導(dǎo)體層。這導(dǎo)致薄膜晶體管斷開時通過的泄漏電流(斷開電流)增加，并且不能實現(xiàn)開關(guān)功能。另外，斷開時薄膜晶體管消耗的功率更大。
因此，對本發(fā)明中加入鋁中的合金元素性質(zhì)的要求與上述JP-A No.2004-214606公開的技術(shù)中的要求是不同的。更明確地說，JP-A No.2004-214606公開的技術(shù)使用鋁合金作為直接連接到透明像素電極上的互連材料，并且從阻止鋁在鋁合金薄膜和透明像素電極之間界面的氧化出發(fā)，規(guī)定了加入鋁合金中的元素。相反，本發(fā)明使用鋁合金作為直接連接到薄膜晶體管半導(dǎo)體層上的源極/漏極互連材料，并且從阻止硅在鋁合金薄膜和半導(dǎo)體層之間的界面的擴(kuò)散出發(fā)，規(guī)定了加入鋁合金中的元素。這兩種技術(shù)對互連材料性質(zhì)的要求是不同的。
接著，將對用于本發(fā)明的Al-Ni合金進(jìn)行說明。
如上所述，在本發(fā)明中使用包含0.1-6原子％的鎳的鋁合金作為源極/漏極電極。通過滿足這點，作為在相對低的溫度的熱處理的結(jié)果，在Al-Ni合金和薄膜晶體管半導(dǎo)體層之間的界面可以形成含鎳沉析物或富鎳層。所述的沉析物和富鎳層阻止硅和鋁在界面的擴(kuò)散，從而降低斷開電流(見后述的實驗實施例)。
″含鎳沉析物″在此是指選自如下化合物的至少一種化合物均包含于鋁合金中的鋁與鎳的金屬間化合物；在鋁合金中的鎳與在薄膜晶體管半導(dǎo)體層中的硅的硅化物或硅化合物；以及在鋁合金中的鋁和鎳與在薄膜晶體管半導(dǎo)體層中的硅的金屬間化合物。
“富鎳層”意思是所述層在Al-Ni合金薄膜和薄膜晶體管半導(dǎo)體層之間的界面，并具有比Al-Ni合金的平均鎳濃度高2倍或以上(優(yōu)選2.5倍或以上)的平均鎳濃度。富鎳層的厚度優(yōu)選大于等于0.5nm和小于等于10nm，并且更優(yōu)選大于等于1.0nm和小于等于5nm。
如果鎳含量低于0.1原子％，如后述實驗實施例所顯示，不能有效地阻止在Al-Ni合金和非晶硅薄膜之間界面的硅和鋁的擴(kuò)散。相反，如果鎳含量高于6原子％，Al-Ni合金薄膜可能具有非常高的電阻。因此，像素的響應(yīng)速度降低，功耗增加，并且生成的圖像具有不適于實際應(yīng)用的降低了的質(zhì)量。在此鎳含量的范圍是考慮到這些優(yōu)點和缺點而設(shè)定的。鎳含量優(yōu)選大于等于0.5原子％和小于等于5原子％。
用于本發(fā)明的Al-Ni合金優(yōu)選還包含0.1-1.0原子％的選自由Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W組成的組(下文中也稱為″組α″)中的至少一種元素作為合金元素。包含至少一種屬于組α的元素的Al-Ni合金(下文也稱為″Al-Ni-α合金″)更有效地阻止硅和鋁之間的相互擴(kuò)散，并且有效地防止在鋁合金薄膜表面上小丘(結(jié)節(jié)狀突出)的形成。如果至少一種屬于組α的元素的含量低于0.1原子％，則不能有效地展示這些元素的活性。相反，如果它超過1.0原子％，則可以增加活性，但是Al-Ni-α合金薄膜作為膜材料具有增加的電阻率?？紤]到這些，至少一種屬于組α的元素的含量更優(yōu)選大于等于0.2原子％和小于等于0.8原子％。這些元素的每一種可以單獨使用或組合使用。當(dāng)這些元素組合使用時，這些元素的總含量應(yīng)該落入上述指定的范圍內(nèi)。
作為選擇或另外地，優(yōu)選用于本發(fā)明的Al-Ni合金還包含0.1-2.0原子％的選自由Mg、Cr、Mn、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、La、Gd、Tb、Dy、Nd、Y、Co、Ce、Pr和Fe組成的組(下文中該組也稱為″組β″)的至少一種元素。包含至少一種屬于組β的元素的Al-Ni合金(下文中也稱為″Al-Ni-β合金″)更有效地阻止硅和鋁之間的相互擴(kuò)散，并且有效地阻止在鋁合金薄膜表面上小丘(結(jié)節(jié)狀突出)的形成。如果至少一種屬于組β的元素的含量低于0.1原子％，則不能有效地展示這些元素的活性。然而，如果它超過2.0原子％，盡管活性可以增加，但Al-Ni-β合金薄膜的電阻率也會增加。考慮到這些，至少一種屬于組β的元素的含量更優(yōu)選大于等于0.3原子％和小于等于1.8原子％。這些元素的每一種可以單獨使用或者組合使用。當(dāng)它們組合使用時，元素的總含量應(yīng)該落入上述指定的范圍內(nèi)。
用于本發(fā)明的Al-Ni合金可以是Al-Ni-α-β合金，所述Al-Ni-α-β合金既包含至少一種屬于組α的元素又包含至少一種屬于組β的元素。
下面將描述小丘形成的機(jī)理。
小丘可能以如下方式形成。在薄膜晶體管襯底的制造過程中，在沉積純鋁或鋁合金薄膜之后的氮化硅膜沉積中，通常在約300℃-約400℃進(jìn)行熱處理。更明確地說，鋁合金薄膜涂布的襯底典型地經(jīng)過化學(xué)氣相沉積(CVD)，從而沉積一層氮化硅膜(保護(hù)膜)。小丘可能是在這種熱處理過程中由鋁合金薄膜和玻璃基板之間的熱膨脹的差別所導(dǎo)致的。
屬于組α和β的這些元素是從增加熱穩(wěn)定性和降低生成的Al-Ni-α合金薄膜或Al-Ni-β合金薄膜的電阻率的觀點出發(fā)而選擇的。組α和β在對熱穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)機(jī)理方面略有差別。下面將參照圖12對此進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖12是說明鋁薄膜的壓力如何根據(jù)其溫度而變化的示意圖。圖12中的符號″A″、″B″和″C″分別表示純鋁、包含一種屬于組β的元素的Al-β合金和包含一種屬于組α的元素的Al-α合金的數(shù)據(jù)。
圖12顯示包含一種屬于組β的元素的Al-β合金膜″B″的壓縮應(yīng)力隨著溫度的上升而增加。在溫度上升的早期階段晶粒生長得到抑制，但在相對低的溫度引發(fā)，并且應(yīng)力在很窄的溫度范圍內(nèi)急劇松弛。這可能是因為包含在合金內(nèi)的固溶元素作為金屬間化合物沉析出來，這加速了鋁的晶粒生長，從而降低電阻率。更明確地說，在相對低的加熱溫度電阻率充分降低。然而，當(dāng)在應(yīng)力完全松弛狀態(tài)下對薄膜進(jìn)行進(jìn)一步加熱時，在薄膜中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，并且這會擠出晶粒，從而導(dǎo)致例如小丘的形成。這種合金可能具有接近應(yīng)力松弛溫度的允許溫度界限。
與在Al-β合金膜″B″中一樣，包含一種屬于組α的元素的Al-α合金膜″C″顯示壓縮應(yīng)力隨著溫度的上升而增加，并且在與Al-β合金膜中的溫度相類似的溫度引發(fā)鋁的晶粒生長。然而，屬于組α的元素從固溶體中擴(kuò)散并且相對緩慢地作為金屬間化合物沉析出來。因此，如圖12所說明的，金屬間化合物在寬的溫度范圍內(nèi)逐漸地沉析出來，并且應(yīng)力隨同沉析逐漸地減小。因此，在應(yīng)力充分松弛前需要大量地加熱和相當(dāng)長的時間，大部分固溶元素作為金屬間化合物沉析出來并且鋁的晶粒生長繼續(xù)進(jìn)行，從而使得薄膜基體具有充分降低的電阻率。這導(dǎo)致熱穩(wěn)定性的增加。更明確地說，屬于組α的元素能夠以金屬間化合物形式更緩慢地沉析出來，從而更有效地增加熱穩(wěn)定性，并且與屬于組β的元素比較能夠以更少的量展現(xiàn)出充分的提高熱穩(wěn)定性的效果。
因此，屬于組α和屬于組β的元素在展示熱穩(wěn)定性的機(jī)理上是有區(qū)別的，從而在含量上(含量的上限)不同。
如后述實驗實施例所證明的，屬于組α的元素與屬于組β的元素相比，能夠以更小的量把接觸電阻率降低至目標(biāo)值。當(dāng)薄膜在相對低的溫度加熱時也觀察到這種活性。
另外，盡管屬于組α的元素的含量應(yīng)該設(shè)定成低于屬于組β的元素的含量，但與屬于組β的元素相比，屬于組α的元素對電極薄膜中孔隙的形成有抵抗力。更明確地說，當(dāng)使用一種經(jīng)加熱在很窄溫度范圍內(nèi)以金屬間化合物形式迅速沉析的元素，如屬于組β的元素時，在加熱后膜冷卻至室溫時，隨著晶粒生長的進(jìn)行在膜中產(chǎn)生更強(qiáng)的拉伸應(yīng)力。所述的拉伸應(yīng)力可以導(dǎo)致孔隙。相反，在金屬間化合物隨溫度升高經(jīng)過很長時間逐漸沉析的合金系統(tǒng)中，例如屬于組α的元素，當(dāng)合金加熱至同組β的溫度時，沉析和晶粒生長中止，應(yīng)力沒有充分地松弛，在冷卻至室溫時少量的拉伸應(yīng)力保留在膜內(nèi)。因此，當(dāng)重點放在阻止拉伸應(yīng)力所導(dǎo)致的孔隙時，優(yōu)選使用屬于組α的元素。
這些Al-Ni合金薄膜優(yōu)選通過氣相沉積或濺射進(jìn)行沉積，并且更優(yōu)選通過濺射進(jìn)行沉積。
源極/漏極互連的Al-Ni合金薄膜優(yōu)選直接連接到透明像素電極上，并且具有這種構(gòu)造的薄膜晶體管襯底也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
薄膜晶體管襯底優(yōu)選還包含在Al-Ni合金薄膜和透明像素電極之間的界面的AlOx(0＜x≤0.8)。界面處的導(dǎo)電氧化物AlOx起著將界面處的接觸電阻率降低至約8×10-5Ω·cm2或更低的作用。
AlOx的厚度優(yōu)選為1-10nm，更優(yōu)選為2-8nm，并還優(yōu)選為約5nm。
根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)，純鋁或Al-Nd合金是和透明導(dǎo)電膜直接接觸的，這導(dǎo)致高接觸電阻，而在此所述的接觸是非歐姆接觸。這可能是因為形成在接觸界面的氧化鋁層是包含基本上等于化學(xué)計量比的氧化鋁(Al2O3)的量的氧的膜，從而顯示更高的電阻，另外氧化鋁層具有大的厚度。
導(dǎo)電氧化物膜(AlOx)優(yōu)選以例如如下方式沉積。首先，使用一種非氧化性氣體如氬氣，在優(yōu)選約100℃-200℃的襯底溫度進(jìn)行濺射，沉積構(gòu)成透明像素電極的ITO膜，使其厚度約5-20nm，優(yōu)選約10nm。在這個過程中，即在沉積構(gòu)成透明像素電極的ITO膜的初期階段，優(yōu)選在基本上無氧的氣氛中進(jìn)行膜沉積，以避免Al-Ni合金薄膜表面的氧化。當(dāng)以這種方式在基本上無氧的氣氛中進(jìn)行膜沉積時，通過濺射沉積生成的ITO膜包含較少量的氧，從而降低ITO膜本身的電導(dǎo)率。然而，在這個過程中適當(dāng)?shù)貙⒁r底加熱可以彌補(bǔ)電導(dǎo)率的降低，因為這種加熱使ITO的結(jié)晶性增加。
然后，將氣氛氣體由非氧化性氣體改變?yōu)榘茄趸詺怏w和氧氣的含氧氣體，并且在維持襯底溫度的同時沉積膜，例如使膜厚度約20-200nm，優(yōu)選約40nm。在此對氣氛氣體中的氧氣含量沒有特別限制，但優(yōu)選如此設(shè)定氧分壓，例如相對于約1-5mTorr，優(yōu)選約3mTorr的氬氣壓力，氧分壓為10-50μTorr，優(yōu)選約20μTorr。發(fā)明人用實驗顯示了在這些條件下沉積時，可將沉積的ITO膜的電阻率最小降低至約1×10-4Ω·cm2。通過將水蒸氣代替氧氣加入氣氛氣體中可以得到同樣的優(yōu)點。因此，通過在兩個或兩個以上步驟中進(jìn)行ITO膜的濺射沉積同時改變氣氛氣體中的氧氣含量，ITO膜本身可以具有足夠高的電導(dǎo)率同時阻止ITO膜沉積初期階段的鋁合金膜的氧化。
富鎳層優(yōu)選存在于Al-Ni合金薄膜和透明像素電極之間的界面。富鎳層優(yōu)選具有比Al-Ni合金的平均鎳濃度高2倍或2倍以上，更優(yōu)選為2.5倍或2.5倍以上的平均鎳濃度。通過滿足這點，界面的接觸電阻可以進(jìn)一步降低至約8×10-5Ω·cm2或更低。富鎳層的厚度優(yōu)選大于等于0.5nm和小于等于10nm，并且更優(yōu)選大于等于1.0nm和小于等于5nm。
液晶顯示裝置樣品是通過使用Al-Ni合金薄膜而制備的，并且如后述實驗實施例所證明的，發(fā)現(xiàn)所述樣品實現(xiàn)了等于或優(yōu)于使用傳統(tǒng)鋁合金薄膜和插入有典型地由鉬制成的金屬阻擋層的液晶顯示裝置的薄膜晶體管性質(zhì)。
因此，本發(fā)明不需要金屬阻擋層，從而簡化薄膜晶體管襯底的制造過程并降低生產(chǎn)成本。另外，本發(fā)明可以使電阻率由于在約200℃的相對低溫下的加熱而充分地降低，并允許在更寬范圍內(nèi)選擇顯示裝置材料的類型和處理條件。
下面將參照附圖對根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管襯底的某些優(yōu)選實施方案進(jìn)行說明。以包含非晶硅薄膜晶體管襯底的液晶顯示裝置作為典型實例對這些優(yōu)選實施方案進(jìn)行說明。值得注意的是，下面僅僅是實例，決不會限制本發(fā)明范圍，并且其中可以在不離開本發(fā)明的教導(dǎo)和范圍的情況下進(jìn)行各種變化和修改。例如，發(fā)明人已用實驗證實，用于本發(fā)明的Al-Ni合金薄膜也可以應(yīng)用于典型地用于反射型液晶顯示裝置的反射電極，和用于從外面輸入和輸出信號或輸入和輸出信號到外面的TAB連接電極。
第一實施方案下面將參照圖3對根據(jù)本發(fā)明的非晶硅薄膜晶體管襯底的一個方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管襯底的一個優(yōu)選方案的橫截面示意圖。在圖3中，與圖2中的傳統(tǒng)薄膜晶體管襯底中的組件相對應(yīng)的組件具有相同的附圖標(biāo)記。
圖2和圖3的比較顯示，傳統(tǒng)的薄膜晶體管襯底包含在源極/漏極電極下面的典型地由鉬制成的下層金屬阻擋層53(圖2)；而根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管襯底不包含下層金屬阻擋層53(圖3)。與傳統(tǒng)實施方案相反，該實施方案可使鋁合金和溝道非晶硅薄膜之間直接連接而無需插入下層金屬阻擋層。這實現(xiàn)了等于或優(yōu)于傳統(tǒng)薄膜晶體管襯底的良好的薄膜晶體管性質(zhì)(見后述實驗實施例1和2)。
在圖3中說明的實施方案包含安置在源極/漏極互連上的上層金屬阻擋層54。然而，如在后述的本發(fā)明的第二實施方案中，上層金屬阻擋層54也可以省略。
另外，本發(fā)明在圖3所示的薄膜晶體管襯底中還可以不需要分別安置在掃描線25和柵極電極26上的金屬阻擋層51和52。
因此，本發(fā)明不需要對傳統(tǒng)互連是必需的所有金屬阻擋層。
接著，將參照圖4A-4F對根據(jù)本發(fā)明的圖3所示薄膜晶體管襯底的制造方法進(jìn)行說明。使用包含2.0原子％鎳的Al-Ni合金作為源極/漏極電極。與圖3中組件相對應(yīng)的圖4A-4F中的組件具有相同的附圖標(biāo)記。
首先，通過濺射將厚度約250nm的鋁合金薄膜(Al-2.0原子％Nd)61和厚度約50nm的鉬薄膜52相繼沉積于玻璃基板1a上。在室溫下通過濺射進(jìn)行膜沉積。將多層薄膜形成圖案從而形成柵極電極26和掃描線25(圖4A)。在該程序中，優(yōu)選將多層薄膜的外緣蝕刻成角度約30°-約60°的錐形以提高在圖4B所示的后續(xù)步驟中沉積其上的柵極絕緣體27的覆蓋率。
接著，典型地通過等離子體CVD沉積具有約300nm厚度的氮化硅膜(柵極絕緣體)27(圖4B)。在此，等離子體CVD膜沉積是在約350℃的溫度進(jìn)行的。典型地通過等離子體CVD，將約200nm厚的非摻雜的氫化非晶硅膜(a-Si-H)55和約80nm厚的磷摻雜的n+型氫化非晶硅膜(n+a-Si-H)56相繼沉積于氮化硅膜(柵極絕緣體)27上。例如，n+型氫化非晶硅膜是通過使用包含特定的PH3分壓的氣體進(jìn)行等離子體CVD而沉積的。
將這樣沉積的氫化非晶硅膜55和n+型氫化非晶硅膜56形成圖案(圖4C)。
然后，通過濺射相繼沉積具有約300nm厚度的Al-2.0原子％Ni合金膜和約50nm厚度的鉬膜54(圖4D)。采用濺射的膜沉積是在室溫進(jìn)行的。根據(jù)這種實施方案，即使沒有插入下層金屬阻擋層也可以得到基本上等于傳統(tǒng)的對應(yīng)物中的斷開電流。在傳統(tǒng)的對應(yīng)物中，下層鉬金屬阻擋層安置于非晶硅薄膜下面。在本實施方案中，鉬膜54安置于Al-2.0原子％Ni合金膜上。然而鉬膜54可以與后述第二實施方案中一樣省略。
然后將多層薄膜形成圖案，從而形成源極電極28和漏極電極29(圖4D)。n+型氫化非晶硅膜56是使用源極電極28和漏極電極29作為掩膜通過干法蝕刻而除去的(圖4D)。
將氮化硅膜(保護(hù)膜)30典型地在等離子體CVD系統(tǒng)中沉積至約300nm的厚度(圖4E)。在此，膜沉積是在約200℃的溫度進(jìn)行的。然后，將氮化硅膜30典型地通過干法蝕刻形成接觸孔57。
接著，典型地使用氧等離子體進(jìn)行灰化步驟，并且使用一種包含例如胺的脫膜劑將光刻膠層(沒有顯示)剝離。將ITO膜(還包含10質(zhì)量％氧化錫的氧化銦)沉積至約50nm的厚度。然后通過濕法蝕刻形成圖案，從而制得透明像素電極5。由此完成薄膜晶體管襯底。
在此，透明像素電極5是ITO膜，但它也可以是IZO膜?？梢允褂枚嗑Ч?多晶體硅)代替非晶硅作為活性半導(dǎo)體層。
圖1中所示的液晶顯示裝置是使用上面制備的薄膜晶體管襯底例如通過如下方法而制備的。
首先，將一種膜例如聚酰亞胺膜涂布在薄膜晶體管襯底1上，對膜進(jìn)行干燥和摩擦而形成取向?qū)印?br> 對于對襯底2，通過將例如作為基體的鉻形成圖案而在玻璃基板上形成遮光膜9。然后，在基體狀遮光膜9的間隙內(nèi)形成紅、綠和藍(lán)樹脂濾色器8；在遮光膜9和濾色器8上形成透明導(dǎo)電膜如ITO膜，作為共用電極7。從而制成對電極。然后通過將一種膜例如聚酰亞胺膜涂布在對電極的最上層，干燥和摩擦得到的膜，形成取向?qū)?1。
接著，安置薄膜晶體管襯底1和對襯底2，使薄膜晶體管襯底1的TFT和對襯底2的取向?qū)?1相互面對。除液晶填充部分之外，使用一種密封材料16如樹脂將這兩塊襯底粘合在一起。在這個程序中，薄膜晶體管襯底1和對襯底2之間的距離(間隙)通過例如在它們之間插入隔體15基本上保持恒定。
將上述元件置于真空中，并逐漸地增加壓力至一個大氣壓，同時將填充部分浸漬在液晶材料中，從而所制備的空心元件被液晶材料填充形成液晶層。然后將填充部分密封。最后，偏光片10附在所述元件的兩側(cè)以完成液晶顯示面板。
接著，將驅(qū)動電路13電連接到液晶顯示面板上，并安置在液晶顯示面板的側(cè)面或者背面(圖1)，以驅(qū)動液晶顯示裝置。安置具有將要成為液晶顯示面板的屏幕的開口的框架23、作為平光源的背光22、光波導(dǎo)20和另一框架23以支撐液晶顯示面板，從而完成液晶顯示裝置。
第二實施方案根據(jù)第二實施方案的薄膜晶體管襯底具有與根據(jù)如圖2所說明的第一實施方案的薄膜晶體管襯底同樣的構(gòu)造，只是沒有安置上層金屬阻擋層54和下層金屬阻擋層53。根據(jù)第一實施方案的薄膜晶體管襯底不包含下層金屬阻擋層53，但包含上層金屬阻擋層54。
根據(jù)第二實施方案的薄膜晶體管襯底可以通過第一實施方案的程序制備，不同之處在于在玻璃基板1a上單獨形成具有約300nm厚度的鋁合金薄膜(Al-2.0原子％Nd)，并且不形成鉬膜。在根據(jù)第二實施方案的薄膜晶體管襯底中，Al-Ni合金薄膜不但直接連接到非晶硅薄膜上，而且直接連接到透明像素電極上。如實驗實施例3和4所證明的，該實施方案不但不需要連接到透明像素電極上的互連的上層金屬阻擋層，而且實現(xiàn)了等于或優(yōu)于傳統(tǒng)薄膜晶體管襯底的良好的薄膜晶體管性能。
實驗實施例實驗實施例1實驗實施例1和后述實驗實施例2用以證實，例如，通過使用根據(jù)第一實施方案的薄膜晶體管襯底，即使在沒有下層金屬阻擋層的情況下，也可以得到優(yōu)異的薄膜晶體管性能。在實驗實施例1和2中使用Al-2.0原子％Ni合金作為源極/漏極電極，并且這種合金薄膜在下文中簡稱為″Al-Ni合金薄膜″。
在實驗實施例中，富鎳層和氧化鋁膜的鎳含量、厚度分別是通過RF輝光放電發(fā)射光譜(GD-OES)和對橫截面電子透射顯微照片的觀察而確定的。富鎳層的鎳含量和氧化鋁膜中的氧含量是采用EDX通過橫截面電子透射顯微照片的組成分析而確定的。
非晶硅薄膜和Al-Ni合金薄膜之間的界面的觀察首先，在根據(jù)本發(fā)明的源極/漏極電極的Al-Ni合金薄膜和非晶硅薄膜之間的界面附近檢測到具有優(yōu)異電導(dǎo)率的富鎳層的存在。參照薄膜晶體管襯底的連續(xù)制造過程已證實這一點。
更明確地說，在室溫下將Al-Ni合金薄膜沉積在非晶硅薄膜上之后立即觀察界面附近。圖5A和5B分別是根據(jù)本發(fā)明第一實施方案，于室溫下將Al-Ni合金薄膜剛剛沉積在非晶硅薄膜上之后，Al-Ni合金薄膜和非晶硅薄膜之間界面的橫截面電子透射顯微照片(橫截面TEM)和高角環(huán)形暗場掃描電子透射顯微照片(HAADF-STEM)。橫截面電子透射顯微照片顯示界面的組成，HAADF-STEM顯示鎳的分布。
圖5A顯示Al-Ni合金薄膜具有柱狀晶粒間界。界面經(jīng)EDX(能量分散X射線譜)分析發(fā)現(xiàn)，沒有觀察到硅和鋁之間的相互擴(kuò)散。
在圖5B中箭頭指出的明亮部分是鎳。更明確地說，即使將Al-Ni合金薄膜剛剛沉積在非晶硅薄膜上之后，在表面處的Al-Ni合金薄膜中的鎳也會減少。
然后，在完成薄膜晶體管襯底的制造過程之后對非晶硅薄膜和Al-Ni合金薄膜之間的界面附近進(jìn)行觀察。圖6A和6B分別是界面的橫截面電子透射顯微照片(橫截面TEM)和高角環(huán)形暗場掃描電子透射顯微照片(HAADF-STEM)。
如上所述，在非晶硅薄膜上沉積Al-Ni合金薄膜之后進(jìn)行多個膜沉積步驟以制備根據(jù)這個實施方案的薄膜晶體管襯底。在這些步驟中，熱滯后達(dá)到最高溫度的步驟是氮化硅膜(保護(hù)膜)的沉積步驟，其中包含預(yù)熱的熱處理在200℃進(jìn)行20分鐘。
圖6A證實即使在膜沉積步驟之后，根據(jù)這個實施方案的襯底中的鎳仍然保持其柱狀晶粒間界。另外，與在圖5A中一樣，在非晶硅薄膜和Al-Ni合金薄膜之間的界面是平滑的，并且EDX分析顯示沒有觀察到硅和鋁之間的相互擴(kuò)散。
圖6B顯示含鎳沉析物或金屬間化合物形成于界面處。
另外，在完成薄膜晶體管襯底的制造步驟之后，在非晶硅薄膜和Al-Ni合金薄膜之間的界面附近的鎳濃度分布是通過RF輝光放電發(fā)射光譜(GD-OES)而確定的。根據(jù)GD-OES，通過氬氣輝光放電進(jìn)行濺射，并且對濺射元素的固有光電子發(fā)射進(jìn)行測量以確定元素濃度。在實驗實施例1中，濺射面積為直徑3mm的面積，并且對直徑3mm的二維空間內(nèi)的平均鎳濃度進(jìn)行測量。結(jié)果示于圖7B中。
作為比較，在室溫下將Al-Ni合金薄膜沉積在非晶硅薄膜上之后，立即通過上述程序測量界面附近的鎳濃度分布。結(jié)果示于圖7A中。
圖7A和圖7B的比較表明在剛剛沉積Al-Ni合金薄膜之后，除了膜表面之外界面附近具有基本均勻的鎳濃度，但在完成所有膜沉積步驟之后，在界面附近形成富鎳層。這個結(jié)果與圖6B所示的高角環(huán)形暗場掃描電子透射顯微照片(HAADF-STEM)的分析結(jié)果是一致的。富鎳層可能包含沉析的Al3Ni金屬間化合物。特別是，富鎳層形成于離界面50nm以內(nèi)的Al-Ni合金薄膜中，并具有約4.0原子％的最高鎳含量。
薄膜晶體管性能對TFT試樣的漏極電流-柵極電壓的轉(zhuǎn)換行為進(jìn)行測量。鋁向非晶硅薄膜中的擴(kuò)散也可以通過這種性能進(jìn)行評價。在這種程序中，以如下方法對漏電流和閾值進(jìn)行測量。漏電流是薄膜晶體管斷開時流動的電流(當(dāng)將負(fù)壓加到柵極電壓上時的漏極電流，斷開電流)，并且閾值(柵極電壓)是薄膜晶體管接通時的電壓。
使用具有3μm柵極長度(L)、30μm柵極寬度(W)并且柵極寬度與柵極長度之比(W/L)為10的TFT試樣，對漏極電流和柵極電壓進(jìn)行測量。在測量中，漏極電壓設(shè)定為10V。在此，斷開電流定義為加上-5V的柵極電壓時的電流，并且閾值定義為漏極電流達(dá)到10-8A時的柵極電壓。
作為參比樣，使用傳統(tǒng)的包含Al-Nd合金薄膜和上下鉬金屬阻擋層的多層源極/漏極互連而制備薄膜晶體管，并且對所述的薄膜晶體管的性能進(jìn)行測量。傳統(tǒng)的薄膜晶體管具有3×10-12A的斷開電流，并且這個值定義為參比值。斷開電流為參比值的10倍或以下(3×10-11A或更低)的樣品評為″好″，斷開電流高于這個范圍的樣品評價為″差″(不好)。
根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管具有5×10-12A的斷開電流，這基本上等于參比樣的斷開電流(3×10-12A)，所述的參比樣使用傳統(tǒng)的包含Al-Nd合金薄膜和上下金屬阻擋層的多層源極/漏極互連。根據(jù)這個實施方案的薄膜晶體管具有0.45V的閾值，這與使用傳統(tǒng)多層互連的參比樣的閾值(0.45V)是相同的。
這些結(jié)果證實，根據(jù)這個實施方案的薄膜晶體管襯底即使在沒有下層金屬阻擋層的情況下，也實現(xiàn)了與使用傳統(tǒng)源極/漏極互連的薄膜晶體管襯底基本上相等的薄膜晶體管性質(zhì)。
比較例1作為比較例的薄膜晶體管襯底是通過第一實施方案的程序而制備的，不同之處在于使用純鋁代替Al-2.0原子％Ni合金作為源極/漏極互連。然后通過實驗實施例1的程序，在透射電子顯微鏡下對非晶硅薄膜和源極/漏極電極的純鋁薄膜之間的界面附近進(jìn)行觀察。
首先，對在室溫下將純鋁膜沉積在非晶硅薄膜上之后的界面附近立即進(jìn)行觀察。圖8A和8B分別是顯示界面橫截面的電子透射顯微照片及其放大圖(在高倍下)。EDX分析結(jié)果也顯示在圖8B中。
圖8A和8B顯示純鋁薄膜具有不規(guī)則晶粒間界。界面的EDX分析顯示鋁以約10原子％的含量存在于自界面起約10nm之內(nèi)的非晶硅薄膜中。更明確地說，根據(jù)比較例1的樣品顯示甚至在純鋁薄膜剛剛沉積在非晶硅薄膜上之后鋁也在界面擴(kuò)散。
然后在完成制造薄膜晶體管襯底的所有膜沉積步驟之后，以上述同樣的方法對非晶硅薄膜和純鋁薄膜之間的界面附近進(jìn)行觀察。圖9A是界面的橫截面電子透射顯微照片，并且圖9B顯示與圖9A電子透射顯微照片同樣位置的作為EDX分析結(jié)果的測繪圖(硅圖和鋁圖)。
圖9A表明在根據(jù)比較例1的樣品中，在完成所有膜沉積步驟之后，鋁還在擴(kuò)散，并且鋁和硅之間的相互擴(kuò)散發(fā)生在界面附近。
更明確地說，圖9B中的硅圖和鋁圖顯示鋁擴(kuò)散進(jìn)入離界面約100nm以內(nèi)的非晶硅層中，并且硅擴(kuò)散進(jìn)入離界面約250nm以內(nèi)的純鋁薄膜中。
根據(jù)比較例1的樣品的薄膜晶體管性能通過實驗實施例1的程序進(jìn)行測量。發(fā)現(xiàn)薄膜晶體管的斷開電流為1×10-8A，比使用傳統(tǒng)多層互連的參比樣的斷開電流(3×10-12A)高很多。另外，薄膜晶體管的閾值為2.5V，比使用傳統(tǒng)多層互連的參比樣的閾值(0.45V)高很多。
這些結(jié)果表明如果薄膜晶體管包含純鋁源極/漏極互連但不包含下層金屬阻擋層，薄膜晶體管基本上不能展示開關(guān)行為。因此，使用純鋁源極/漏極互連的薄膜晶體管必須具有金屬阻擋層。
實驗實施例2薄膜晶體管樣品是通過使用具有表1所示的不同鎳含量的Al-Ni合金而制備的，并且通過實驗實施例1的程序?qū)Ρ∧ぞw管性能(斷開電流和閾值)隨Al-Ni合金的組成而變化的情況進(jìn)行測量。另外，通過使用還包含如表1所示的不同含量的La或Nd作為第三成分的Al-2.0原子％Ni合金制備薄膜晶體管，對其薄膜晶體管性能也以同樣方法進(jìn)行測量。
作為對比樣，薄膜晶體管是通過分別使用純鋁、Mo、Al-1原子％硅和Al-2原子％硅代替Al-Ni合金而制備的，并且對其薄膜晶體管性能進(jìn)行測量。
以如下方法對斷開電流進(jìn)行評價。作為參比樣，薄膜晶體管是通過使用包含Al-Nd合金薄膜和上下鉬金屬阻擋層的傳統(tǒng)多層源極/漏極互連而制備的，并且對薄膜晶體管的性能進(jìn)行測量。參比樣具有3×10-12A的斷開電流，并且這個值定義為參考值。斷開電流為參考值(3×10-12A)的10倍或以下的樣品，即具有3×10-11A或更低的斷開電流的樣品評為″好″，斷開電流高于這個范圍的樣品評為″差″。
對于閾值，閾值在鉬的閾值的±0.2V范圍內(nèi)的樣品評為″好″，閾值超過這個范圍的樣品評為″差″。
綜合評價斷開電流和閾值，將斷開電流和閾值都好的樣品評為具有″好″的薄膜晶體管性能，兩種性能至少一種為″差″的樣品評為具有″差″的薄膜晶體管性能。
熱穩(wěn)定性以如下方法對實驗實施例2中使用的純鋁和鋁合金的熱穩(wěn)定性進(jìn)行評價。
通過濺射在玻璃基板上形成約200nm厚的分別包含純鋁和鋁合金的薄膜樣品。在這些樣品上形成10μm的線和空間圖案。然后，將樣品在1×10-3Torr或更低的真空和200℃或300℃進(jìn)行1個小時的熱處理，并且對薄膜樣品表面在光學(xué)顯微鏡下放大400倍進(jìn)行觀察。每平方米顯示出1×109個以上小丘的樣品評為具有″差″的熱穩(wěn)定性，顯示出低于這個范圍的小丘數(shù)的樣品評為具有″好″的熱穩(wěn)定性。
結(jié)果示于表1中。表1中的百分比是原子百分比。
表1

如表1所示，使用包含大于等于0.1原子％鎳的鋁合金作為源極/漏極電極的薄膜晶體管具有好的薄膜晶體管性能。
另外，使用還包含0.1原子％至2.0原子％La或者0.1原子％至1.0原子％Nd的Al-2.0原子％Ni合金作為源極/漏極電極的薄膜晶體管除具有好的薄膜晶體管性能之外，還提高了熱穩(wěn)定性。
相反，使用純鋁、Al-1原子％Si和Al-2原子％Si的薄膜晶體管的薄膜晶體管性能和熱穩(wěn)定性明顯差。
實驗實施例3在實驗實施例3和后述實驗實施例4中，以如下方式進(jìn)行測試，根據(jù)第二實施方案的薄膜晶體管襯底即使沒有下層金屬阻擋層和上層金屬阻擋層也可以產(chǎn)生優(yōu)異的薄膜晶體管性能。
薄膜晶體管性能最初，通過實驗實施例1的程序?qū)Ω鶕?jù)第二實施方案的薄膜晶體管的薄膜晶體管性能進(jìn)行測量。發(fā)現(xiàn)薄膜晶體管的斷開電流為4×10-12A，基本上等于使用傳統(tǒng)源極/漏極互連的參比樣的斷開電流(3×10-12A)。所述薄膜晶體管的閾值為0.45V，與使用傳統(tǒng)源極/漏極互連的參比樣的閾值(0.45V)是一樣的。
然后，將Al-2.0原子％Ni合金薄膜與透明像素電極直接接觸，并且以如下方式對直接接觸電阻(接觸電阻)進(jìn)行測量。
1)使用包含氧化銦和10質(zhì)量％氧化錫的氧化錫銦(ITO)作為透明像素電極。
2)使用3mTorr壓強(qiáng)的氬氣作為氣氛氣體，將薄膜沉積至200nm的厚度。
3)在200℃加熱20分鐘。
4)測量接觸電阻率。
制備顯示于圖10中的具有10平方微米的接觸孔尺寸的開爾文模型，并進(jìn)行四端子測量。更明確地說，使用兩個端子使ITO(或IZO)和鋁合金之間通電流，并且使用另外兩個端子對ITO(或IZO)和鋁合金之間的電壓降進(jìn)行測量。更具體而言，使電流I在I1-I2之間通過，對V1和V2之間的電壓V進(jìn)行測量(圖10)，并且接觸C的直接接觸電阻率R是根據(jù)方程式R＝(V2-V1)/I2進(jìn)行計算而確定的。按照下面對接觸電阻率進(jìn)行評價。將鉻薄膜和ITO膜之間的接觸電阻率作為參考值(2×10-4Ω·cm2或更低)，接觸電阻率等于或小于2×10-4Ω·cm2的樣品評為具有″好″的接觸電阻率，并且接觸電阻率高于2×10-4Ω·cm2的樣品評為具有″差″的接觸電阻率。
發(fā)現(xiàn)根據(jù)第二實施方案的薄膜晶體管具有8×10-5Ω·cm2或更低的接觸電阻率并顯示出良好的薄膜晶體管性能。
ITO膜(透明像素電極)和Al-Ni合金薄膜之間的界面的觀察接著，通過橫截面電子透射顯微照片對ITO膜和Al-Ni合金薄膜之間的界面進(jìn)行觀察，并且通過EDS對界面附近的組成進(jìn)行分析。結(jié)果示于圖11中。
圖11顯示在界面形成包含約5nm厚的氧化鋁(AlOx)的導(dǎo)電層。另外，在導(dǎo)電AlOx層和Al-Ni合金薄膜的主體部分之間的界面形成約1nm厚的富鎳層。富鎳層具有約8原子％的鎳含量。這可能是因為鋁擴(kuò)散進(jìn)入氧化物膜，而鎳在鋁氧化的同時擴(kuò)散進(jìn)入所述主體部分，并且在接觸孔的干法蝕刻時，鎳比鋁更易受到殘留的殘余物的影響。由于這些因素阻止來自鋁合金主體部分的鋁離子的擴(kuò)散，因而形成富鎳層。因此可以有效地防止鋁的氧化。
實驗實施例4薄膜晶體管樣品是使用具有表3所示的不同鎳含量的Al-Ni合金而制備的，并且通過實驗實施例3的程序?qū)Ρ∧ぞw管性能(斷開電流和閾值)根據(jù)Al-Ni合金組成而變化的情況進(jìn)行測量。另外，通過使用還包含顯示在表3中的不同含量的La或Nd作為第三成分的Al-2.0原子％鎳合金制備薄膜晶體管，并以相同方式對其薄膜晶體管性能進(jìn)行測量。
作為對比樣，薄膜晶體管是通過分別使用純鋁、Mo、Al-1原子％Si和Al-2.0原子％Si代替Al-Ni合金而制備的，并對其薄膜晶體管性能進(jìn)行測量。斷開電流的標(biāo)準(zhǔn)與實驗實施例2中是一樣的。結(jié)果示于表2中。
表2

如表2所示，使用包含0.1原子％或更多的鎳的鋁合金作為源極/漏極電極的薄膜晶體管具有好的薄膜晶體管性能。
另外，使用還包含0.1原子％至2.0原子％La或0.1原子％至1.0原子％Nd的Al-2.0原子％鎳合金作為源極/漏極電極的薄膜晶體管具有好的薄膜晶體管性能。
相反，使用純鋁、Al-1原子％Si和Al-2原子％Si的薄膜晶體管的薄膜晶體管性能明顯差。
權(quán)利要求
1.一種薄膜晶體管襯底，其包含基板、半導(dǎo)體層、源極/漏極電極和透明像素電極，所述的源極/漏極電極包含鋁合金薄膜，該鋁合金含0.1-6原子％的鎳作為合金元素，其中所述的源極/漏極電極被設(shè)置成所述的鋁合金薄膜直接連接到所述的半導(dǎo)體層上。
2.權(quán)利要求1的薄膜晶體管襯底，其中所述的鋁合金還包含0.1-1.0原子％的選自Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W的至少一種元素作為合金元素。
3.權(quán)利要求1的薄膜晶體管襯底，其中所述的鋁合金還包含0.1-2.0原子％的選自Mg、Cr、Mn、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、La、Gd、Tb、Dy、Nd、Y、Ce、Pr、Co和Fe的至少一種元素作為合金元素。
4.權(quán)利要求1的薄膜晶體管襯底，其還包含在所述的鋁合金薄膜和所述的半導(dǎo)體層之間的界面處的含鎳化合物。
5.權(quán)利要求4的薄膜晶體管襯底，其中所述的含鎳化合物是選自如下化合物的至少一種化合物鋁與鎳的金屬間化合物，所述的鋁和鎳均包含在鋁合金中；包含在鋁合金中的鎳與包含在半導(dǎo)體層中的硅的硅化物或硅化合物；以及鋁合金中的鋁和鎳與半導(dǎo)體層中的硅的金屬間化合物。
6.權(quán)利要求1的薄膜晶體管襯底，其還包含在所述的鋁合金薄膜和所述的半導(dǎo)體層之間的界面的富鎳層，其中所述的富鎳層的平均鎳濃度比所述的鋁合金的平均鎳濃度高2倍或2倍以上。
7.權(quán)利要求1的薄膜晶體管襯底，其中所述的鋁合金薄膜具有8μΩ·cm或更低的電阻率。
8.權(quán)利要求1的薄膜晶體管襯底，其中所述的源極/漏極電極被設(shè)置成所述的鋁合金薄膜還直接連接到所述的透明像素電極上。
9.權(quán)利要求8的薄膜晶體管襯底，其還包含在所述的鋁合金薄膜和所述的透明像素電極之間界面處的AlOx，其中″x″是氧的原子比并滿足如下條件0＜x≤0.8。
10.權(quán)利要求8的薄膜晶體管襯底，其還包含在所述的鋁合金薄膜和所述的透明像素電極之間界面處的富鎳層，其中所述的富鎳層的平均鎳濃度比所述的鋁合金的平均鎳濃度高2倍或2倍以上。
11.權(quán)利要求1的薄膜晶體管襯底，其中所述的透明像素電極包含氧化錫銦(ITO)或氧化鋅銦(IZO)。
12.一種顯示裝置，其包含權(quán)利要求1的薄膜晶體管襯底。
13.一種權(quán)利要求1的薄膜晶體管襯底的制造方法，其包括如下步驟(a)制備被覆半導(dǎo)體層的襯底；(b)在所述的半導(dǎo)體層上沉積鋁合金薄膜；和(c)在所述的鋁合金薄膜上沉積氮化硅膜，其中所述的步驟(c)包括在大于等于100℃和小于等于300℃的溫度進(jìn)行加熱的步驟。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述的步驟(b)包括濺射法。
全文摘要
在包含基板、薄膜晶體管半導(dǎo)體層、源極/漏極電極和透明像素電極的薄膜晶體管襯底中，所述源極/漏極電極包括鋁合金薄膜，所述鋁合金含0.1－6原子％的鎳作為合金元素，并且直接連接到所述的薄膜晶體管半導(dǎo)體層上。
文檔編號H01L29/786GK1917218SQ200610114890
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月17日
發(fā)明者釘宮敏洋, 后藤裕史 申請人:株式會社神戶制鋼所