專利名稱：薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及構(gòu)成顯示裝置的薄膜電路，特別涉及液晶顯示器這樣的具備透明電極和Al合金電極的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
作為信息設(shè)備、AV設(shè)備、家電產(chǎn)品等的顯示裝置，例如采用了薄膜晶體管(Thin Film Transistor，以下簡稱為TFT)的顯示器目前被廣泛利用。對于這種顯示器，提出了以TFT為代表的利用有源矩陣(active matrix)方式的液晶顯示(LCD)或自發(fā)光型有機(jī)EL(OELD)，或利用無源矩陣(passive matrix)方式的有機(jī)EL等各種元件結(jié)構(gòu)，這些元件由薄膜形成的薄膜電路構(gòu)成，進(jìn)行顯示的控制。
上述各種顯示裝置的元件結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)具備以ITO電極為代表的透明電極和配線用導(dǎo)電性電極。該薄膜電路的結(jié)構(gòu)對顯示裝置的品質(zhì)、電力消耗、產(chǎn)品成本等要素有直接的影響，目前要求改善其結(jié)構(gòu)的呼聲與日俱增。
對于該薄膜電路的結(jié)構(gòu)，以液晶顯示(LCD)為例，具體來講希望改善以下所述的技術(shù)。
趨于成為顯示裝置的主流的液晶顯示(LCD)中，作為其薄膜電路目前廣泛采用高清晰化、低成本化程度非常高的TFT的元件結(jié)構(gòu)。另外，作為其薄膜電路的配線材料，采用鋁(Al)合金。該TFT等薄膜電路中，在形成構(gòu)成配線或電極的電極層時，大多數(shù)情況下使用鋁合金薄膜，這是基于以下的原因，即由于以往使用的鉭、鉻、鈦和它們的合金等高熔點(diǎn)材料的電阻率過高等原因，所以作為替代材料，電阻率低、配線加工容易的鋁受到關(guān)注。
但是，已知利用該鋁合金薄膜形成電極層(Al合金電極層)時，LCD中的與ITO電極層等透明電極的接觸部分會出現(xiàn)下述現(xiàn)象。即，如果Al合金電極層和ITO電極層直接接合，則由于這兩層的電化學(xué)特性不同，所以在該接合界面中會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致接合界面的破壞和電阻值的增加。因此，液晶顯示元件使用Al合金電極層的情況下，由Mo和Cr等形成所謂的覆蓋層(或接觸阻擋層，以下“覆蓋層”作為包括接觸阻擋層的概念被使用)(例如，參考非專利文獻(xiàn)1)。
非專利文獻(xiàn)1內(nèi)田龍男編著，《下一代液晶顯示技術(shù)》，第一版，株式會社工業(yè)調(diào)查會，1994年11月1日，p.36-38因此，具備Al合金電極層的TFT中設(shè)置以Cr、Mo等為主材料的覆蓋層。使用鋁合金薄膜作為TFT構(gòu)成材料時，由于覆蓋層是必須要形成的，因此層疊結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。此外，最近市場上出現(xiàn)將Cr排除出構(gòu)成該覆蓋層的材料的傾向，還有形成覆蓋層的技術(shù)開始產(chǎn)生很大制約的問題。
最近的TFT制造技術(shù)中提出了若干可省去上述覆蓋層的制造技術(shù)。例如，專利文獻(xiàn)1揭示了假定與ITO電極層直接接合的Al配線膜及用于接合的濺射靶。據(jù)該專利文獻(xiàn)1所述，采用與Al形成金屬間化合物的元素或標(biāo)準(zhǔn)電極電位高于Al的元素及C、O、N、H以規(guī)定量包含于Al的Al配線膜可省去覆蓋層。
專利文獻(xiàn)1國際公開WO 97/13885此外，專利文獻(xiàn)2中揭示了使用了鋁合金膜和透明電極可直接接合、可省去阻擋金屬的鋁合金膜的顯示裝置及其制造方法。該專利文獻(xiàn)2中記載了在鋁合金膜和像素電極直接接觸的界面，如果構(gòu)成鋁合金膜的合金成分的一部分或全部作為析出物或富集層存在，則能夠省去阻擋金屬(覆蓋層)。
專利文獻(xiàn)2日本專利特開2004-214606這些現(xiàn)有技術(shù)基本上著眼于鋁合金中的合金元素或析出物(例如，金屬間化合物)，大多數(shù)例示了具有直接接合的可能性的鋁合金。
發(fā)明的揭示但是，對于鋁合金的各種組成及鋁合金中的析出物(金屬間化合物)的存在是以往就已經(jīng)知道的，上述專利文獻(xiàn)1及專利文獻(xiàn)2只不過是對各種合金元素和金屬間化合物的存在有利于直接接合的情況作出推定和確認(rèn)。即，這些現(xiàn)有技術(shù)并沒有特別明示鋁合金中的合金元素或析出物等因?yàn)楹畏N原因抑制直接接合時的界面反應(yīng)。
因此，在可省去覆蓋層的液晶顯示元件的開發(fā)中，由于沒有表示能夠抑制直接接合的界面反應(yīng)的具體指標(biāo)，所以目前必須對各種組成的鋁合金進(jìn)行檢驗(yàn)。此外，即使是能夠抑制界面反應(yīng)的鋁合金組成，目前也很難找到能夠滿足液晶顯示元件的所有特性，即，滿足對應(yīng)于所謂的歐姆接合的電流-電壓特性、結(jié)電阻性、配線電阻性、耐熱性等特性的適合實(shí)用的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)。
目前的現(xiàn)狀是，與該液晶顯示元件一樣，可直接接合的接合結(jié)構(gòu)在其它的有機(jī)EL(OELD)或利用無源矩陣方式的有機(jī)EL等的薄膜電路中被同樣地要求。
本發(fā)明是以上述情況為背景完成的發(fā)明，提供薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，通過采用該接合結(jié)構(gòu)，在具備透明電極層和Al合金電極層的薄膜電路中，即使省去了覆蓋層，界面反應(yīng)也不會發(fā)生，可實(shí)現(xiàn)歐姆接合，具有良好的接合特性。進(jìn)一步提供在采用液晶顯示元件作為薄膜電路時，即使與以ITO電極層為代表的透明電極層直接接合，也能夠切實(shí)地抑制界面反應(yīng)的發(fā)生，能夠滿足歐姆接合特性、低結(jié)電阻、配線膜電阻、耐熱性等所有液晶顯示元件特性的適合于實(shí)用的極好的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)。
為了解決上述問題，本發(fā)明者對各種鋁合金與透明電極直接接合，其界面反應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)行認(rèn)真研究后發(fā)現(xiàn)，如果在直接接合的接合界面存在具有規(guī)定的氧化還原電位的析出物，則能夠抑制直接接合的界面反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)歐姆接合，從而想到了本發(fā)明。
本發(fā)明的具備透明電極層和與該透明電極層直接接合的Al合金電極層的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)的特征是，Al合金電極層中分散了具有-1.2V～-0.6V的范圍內(nèi)的氧化還原電位的析出物。
本發(fā)明者進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，如果在Al合金電極層中存在具有接近于透明電極層的氧化還原電位值的電位、即具有相同程度的氧化還原電位的析出物，則透明電極層和Al合金電極層的電化學(xué)反應(yīng)被抑制，不會引發(fā)接合界面的破壞現(xiàn)象和電阻增加，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接合特性。該“氧化還原電位”是指某一反應(yīng)物的氧化還原反應(yīng)中，其氧化速度和還原速度變得相同，達(dá)到平衡時的電位，即平衡電位。
析出物的氧化還原電位如果是低于-1.2V的電位值，則有接合界面中的破壞現(xiàn)象易發(fā)生的傾向，如果是高于-0.6V的電位值，則有Al合金電極層本身的電阻值上升的傾向。具有-1.2V～-0.6V的范圍內(nèi)的氧化還原電位的析出物中，作為能夠切實(shí)抑制界面反應(yīng)的物質(zhì)，具有代表性地可例舉含Al的金屬間化合物。例如，Ni、Co、Fe、Nd、Y、Pd等元素和Al的金屬間化合物，具體來講，較好為Al3Ni、Al9Co2、Al3Fe、Al7NdNi2、Al4Co1Ni1、Al4Pd、Al3Y1。
本發(fā)明的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)中，Al合金電極層的混合電位較好為-1.4V～-0.6V。該混合電位是指整個Al合金電極層的電位，含析出物的狀態(tài)的Al合金電極層的電位，與上述氧化還原電位的測定法相同。該混合電位如果是低于-1.4V的電位值，則在用于形成薄膜電路的所謂圖案形成步驟中的顯影處理時，如果使用堿性顯影液，則會發(fā)生電池化學(xué)反應(yīng)，易導(dǎo)致透明電極層的變色等不良情況。此外，如果為高于-0.6V的電位值，則Al合金電極層中的析出物量增加，在Al合金電極層中產(chǎn)生高電位部分和低電位部分，如果進(jìn)行所謂的圖案形成步驟中的腐蝕處理，則有Al本身溶解、難以形成電路的傾向。
本發(fā)明的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)中，透明電極層由含銦系氧化物的膜形成，該透明電極和Al合金電極層的結(jié)電阻值較好為1～200Ω/□10μm。如果為超過200Ω/□10μm的結(jié)電阻值，則會失去作為液晶顯示元件的實(shí)用性。作為該含銦系氧化物的膜，有常用的氧化銦系透明電極(ITO膜(Indium Tin Oxide)、IZO膜(Indium Zinc Oxide))。此外，該結(jié)電阻值是構(gòu)成所謂的開爾文元件進(jìn)行測定的值，本發(fā)明中規(guī)定的結(jié)電阻值是在10μm見方的接觸面中測得的值。
此外，本發(fā)明的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)中，Al合金電極層的在300℃進(jìn)行1小時的熱處理后的電阻率較好為3.5～35μΩcm，此外，在300℃進(jìn)行1小時的熱處理后的Al合金電極層表面形成凹痕的發(fā)生率較好是在3.0％以下。電阻率值如果超過35μΩcm，則無法形成適用于實(shí)用的薄膜電路，更好是在10μΩcm以下，再好是在5.0μΩcm以下。此外，凹痕是指在熱處理后的Al合金電極層表面形成的凹狀缺陷，與小丘(hillock)這樣的突起相反，它是因體積收縮而產(chǎn)生的。凹痕發(fā)生率是用電子掃描顯微鏡(SEM1萬倍)對熱處理后的Al合金電極層表面進(jìn)行觀察、測定在表面觀察到的凹狀部的面積、由該觀察到的整個視野面積中凹狀部的面積所占的比例算出的值。該凹痕發(fā)生率如果超過3.0％，則在直接接合透明電極層時有無法實(shí)現(xiàn)良好的接合狀態(tài)的傾向。
上述本發(fā)明的液晶顯示元件的接合結(jié)構(gòu)中，較好的是Al合金電極層含有0.5～25at％的鎳，較好的是含有0.1～7.0at％的鈷及/或鐵。此外，還可以含有0.1～3.0at％的釹。這些元素可使上述作為含Al金屬間化合物的析出物在Al合金電極層中存在，使界面反應(yīng)被抑制，從而可切實(shí)實(shí)現(xiàn)與透明電極層的直接接合。
含鎳的Al合金電極層中，如果鎳含量未滿0.5at％，則析出物量減少，界面反應(yīng)的抑制效果不充分。如果超過25at％，則配線電阻值變得過大，無法形成適用于實(shí)用的接合結(jié)構(gòu)。另外，鈷或鐵與鎳同樣，如果其含量未滿0.1at％，則析出物量減少過度，界面反應(yīng)的抑制效果不充分，而超過7.0at％，則配線電阻值變得過大，不適合實(shí)用。此外，還含有釹的情況下，如果其含量未滿0.1at％，則有產(chǎn)生凹痕的傾向，如果超過3.0at％，則在與透明電極層直接接合時，其接合耐久性有下降的傾向。
本發(fā)明的液晶顯示元件的接合結(jié)構(gòu)中，Al合金電極層中最好含有0.1～3.0at％的碳。該碳具有防止產(chǎn)生小丘和凹痕的使耐熱特性上升的作用。此外，根據(jù)本發(fā)明者等的研究推定，如果含有碳，則有使Al合金電極中的析出物的界面反應(yīng)的抑制效果提高的作用。該碳的含量如果未滿0.1at％，則有易產(chǎn)生凹痕的傾向，如果超過3.0at％，則有Al合金電極層的電阻率增加的傾向。
本發(fā)明的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)中，特別理想的是薄膜電路為液晶顯示元件的同時，透明電極層為ITO電極層，析出物為具有透明電極層的氧化還原電位值±0.2V的范圍內(nèi)的氧化還原電位的Al系金屬間化合物。即使省去了以往的液晶顯示元件中所用的覆蓋層，也可構(gòu)成不會發(fā)生界面反應(yīng)、能夠?qū)崿F(xiàn)歐姆接合的液晶顯示元件。
將本發(fā)明用于液晶顯示元件時，作為析出物的Al系金屬間化合物特好為Al3Ni。該Al系金屬間化合物的平均粒徑較好為10～150nm，在作為透明電極層的IT0電極層和作為Al合金電極層的析出物的Al系金屬間化合物的界面形成的接合擴(kuò)散層的厚度較好為3～20nm。如果形成該接合結(jié)構(gòu)，則作為液晶顯示元件，可實(shí)現(xiàn)低結(jié)電阻特性和高接合耐久性。
將本發(fā)明用于液晶顯示元件的接合結(jié)構(gòu)時，Al合金電極層特好是0.5～7.0at％的鎳、0.1～3.0at％的碳和余分為鋁的組成。如果Al合金電極層為該組成，則即使形成與透明電極直接接合的接合結(jié)構(gòu)，也可切實(shí)地抑制界面反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)歐姆接合，具備良好的結(jié)電阻性和接合耐久性，形成不產(chǎn)生小丘和凹痕的配線的實(shí)用上能夠完全滿足液晶顯示元件所要求的所有特性的結(jié)構(gòu)。
附圖的簡單說明

圖1為利用TEM觀察實(shí)施例的Al合金電極層和Si層的接合部截面的照片。
圖2為利用TEM觀察實(shí)施例的Al合金電極層和IT0電極層的接合部截面的照片。
圖3為圖2的接合部截面的放大照片。
圖4為ITO電極層和Al合金電極層交替層疊而形成的試驗(yàn)樣品的立體簡圖。
圖5為實(shí)施例的電流—電壓特性的測定效果圖。
圖6為比較例的電流—電壓特性的測定效果圖。
圖7為接合耐久特性的阿雷尼厄斯圖。
圖8為表示施加于電極層的應(yīng)力和熱處理溫度的關(guān)系的圖。
圖9為表示結(jié)電阻和ITO電位差的關(guān)系的圖。
圖10為熱處理后的Al合金電極層表面的SEM觀察照片。
圖11為表示與IZO電極層的壽命耐久試驗(yàn)的結(jié)果的結(jié)電阻值圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式以下，對本發(fā)明的最佳實(shí)施方式進(jìn)行說明。
實(shí)施方式1該實(shí)施方式1中，對將含鎳(Ni)和碳(C)的鋁合金薄膜作為Al合金電極層使用時的情況進(jìn)行說明。此外，作為比較，以含釹(Nd)的鋁合金薄膜作為Al合金電極層的情況為例。這里的實(shí)施例1及比較例1的Al合金電極層的各組成如表1所示。
表1

(at％)此外，形成各電極層時的薄膜形成在功率密度3.0瓦/cm2、氬氣流量100ccm、氬氣壓力0.5Pa的條件下利用磁控管·濺射裝置實(shí)施。
首先，對本發(fā)明的液晶顯示元件的接合結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖1～3中，對ITO電極層和實(shí)施例1的Al合金電極層的接合結(jié)構(gòu)的接合部進(jìn)行觀察的結(jié)果進(jìn)行說明。圖1所示為用透射型電子顯微鏡(TEM)對實(shí)施例1的Al合金電極層和Si層的接合部進(jìn)行觀察所得的照片，圖2、3所示為用透射型電子顯微鏡(TEM)對實(shí)施例1的Al合金電極層和ITO電極層的接合部進(jìn)行觀察所得的照片。
圖1是準(zhǔn)備在n形Si基板(照片中的下半部分的黑色部分)表面層疊有p形a-Si層(照片中位于中央部分的約80nm厚的白色部分)、在該p形a-Si層的表面形成有實(shí)施例1的Al合金電極層(照片中的上半部分的約200nm厚的部分)的試樣，在250℃的溫度下進(jìn)行1小時的熱處理，再利用FIB進(jìn)行加工達(dá)到可觀察試樣截面的程度，然后利用TEM(倍率10萬倍)進(jìn)行觀察而得的照片。此外，通過電子射線衍射圖像對截面的數(shù)個地方進(jìn)行結(jié)晶結(jié)構(gòu)的特定，鑒定該部分的組織。通過圖1的截面觀察，判定如果將實(shí)施例1的Al合金電極層與Si層接合并進(jìn)行熱處理，則在Al合金電極層和Si層的界面有Al3Ni(照片中的符號4的部分)這樣的金屬間化合物析出。
圖2是準(zhǔn)備在ITO(In2O3-10wt％SnO2)電極層(照片中的中央下側(cè)的約150nm厚的發(fā)黑的部分)形成了實(shí)施例1的Al合金電極層(照片中的中央上側(cè)的約200nm厚的發(fā)白的部分)的試樣，在300℃的溫度下進(jìn)行1小時的熱處理，再利用FIB進(jìn)行加工達(dá)到可觀察試樣截面的程度，然后利用TEM(倍率10萬倍)進(jìn)行觀察而得的照片。圖3是將圖2的接合部界面放大(倍率100萬倍)后的照片。由圖3的放大照片確認(rèn)ITO電極層側(cè)(照片中下側(cè)的黑色部分)和Al合金電極層側(cè)(照片中上側(cè)的白色部分)之間有瘤狀的析出物。該析出物判定為圖1確認(rèn)的Al3Ni金屬間化合物。
由圖1～圖3的觀察結(jié)果可判定，如果將實(shí)施例1的Al合金電極層和ITO電極層直接接合，則通過其后的熱處理在界面會析出粒徑約為10～150nm的Al3Ni金屬間化合物(圖1中的符號4)。此外，通過圖3的放大觀察，看到在實(shí)施例1的Al合金電極層和ITO電極層的接合界面析出的Al3Ni金屬間化合物附近有形成為擴(kuò)散接合的狀態(tài)的部分，即約3～20nm厚的層狀擴(kuò)散部分。
以下，對實(shí)施例1和比較例1的Al合金電極層和ITO電極層接合時的電流—電壓特性的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行說明。該接合耐久試驗(yàn)是制作圖4所示的試驗(yàn)樣品而進(jìn)行的試驗(yàn)。試驗(yàn)樣品是被稱為所謂的開爾文元件的結(jié)構(gòu)體，如圖4所示，在ITO(In2O3-10wt％SnO2)電極層(0.2μm厚)上正交形成Al合金電極層(0.2μm厚)，可從箭頭部分的端子部(10，40)進(jìn)行通電。其電流—電壓特性通過在端子間施加電壓時測定在端子間流過的電流來判定。此外，接合部的面積為100μm2(10μm×10μm)。
圖5及圖6所示為實(shí)施例1和比較例1的Al合金電極層和ITO電極的電流—電壓特性的測定結(jié)果。圖5為實(shí)施例1的測定結(jié)果，圖6為比較例1的測定結(jié)果。此外，各測定結(jié)果的圖中，實(shí)線表示未進(jìn)行熱處理(as-depo)的情況，虛線表示在250℃進(jìn)行了1小時的熱處理的情況。
從圖5判定確認(rèn)，實(shí)施例1的Al合金電極層不管有沒有進(jìn)行熱處理，其電流-電壓特性都呈線性關(guān)系。藉此判定實(shí)施例1的Al合金電極層和ITO實(shí)現(xiàn)了歐姆接合。另一方面，從圖6判定，比較例1的Al合金電極層中，進(jìn)行了熱處理時產(chǎn)生非線性的電流-電壓關(guān)系。這表示比較例1的Al合金電極層和ITO的接合形成為具有整流作用的結(jié)構(gòu)，預(yù)想它與所謂的普爾-弗蘭格爾原理中所述的金屬-絕緣體-金屬的結(jié)構(gòu)(MIM結(jié)構(gòu))相同。即，推測比較例1的Al合金電極層和ITO通過熱處理接合的界面上形成了氧化鋁的氧化膜。此外，這里所示的電流-電壓特性如圖4所示，由于是在二端子間(圖4中的符號10、40)測定電流和電壓，所以它是以含正交形成的接合部分以外的配線部分(Al合金電極層和ITO)的配線電阻的狀態(tài)獲得的結(jié)果。
以下，對與ITO電極的接合耐久試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行說明。該接合耐久試驗(yàn)是制作上述圖4所示的試驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)樣品與上述同樣，在ITO(In2O3-10wt％SnO2)電極層(0.2μm厚)上正交形成Al合金電極層(0.2μm厚)，可從箭頭部分的端子部進(jìn)行通電。通過測定該端子間電阻，再測定直至該端子間電阻發(fā)生變化的通電時間，藉此評估通電耐久特性。作為電極層，采用實(shí)施例1、比較例1及作為以往例的在純Al電極層和透明電極間形成了覆蓋層的構(gòu)成材料之一的Cr膜(0.05μm厚)的結(jié)構(gòu)這3種電極層。測定在大氣氛圍氣中進(jìn)行，電流值采用10μA、3mA 2種，將接合部的電阻值達(dá)到初期值的100倍時的時間點(diǎn)作為壽命特性，通電時的溫度為85℃、100℃、150℃、200℃、250℃。
圖7表示測定各溫度下的接合部的電阻上升(達(dá)到初期值的100倍的時間點(diǎn))發(fā)生的時間，將該壽命時間對應(yīng)于通電時保持溫度的倒數(shù)采用阿雷尼厄斯作圖法作出的圖。圖7中，縱軸表示壽命時間，橫軸表示1000/絕對溫度。從由該阿雷尼厄斯作圖法作圖外插所得的一次直線的傾斜度算出引發(fā)接合部的電阻上升的活化能，實(shí)施例1中該值為1.35eV，比較例1中該值為0.42eV。由該結(jié)果可確認(rèn)，實(shí)施例1的Al合金電極層具有比較例1的約3.3倍的活化能。此外，對實(shí)施例1而言，推測在85℃具有約7萬小時的耐久性，與作為以往例的存在Cr膜的電極層的情況的結(jié)果相近。
以下，對實(shí)施例1的Al合金電極層的小丘特性的研究結(jié)果進(jìn)行說明。該小丘是指通過濺射在晶片基板上形成鋁合金膜，進(jìn)行配線加工后通過CVD法形成絕緣膜時，對經(jīng)過配線加工的鋁合金膜以300～400℃加熱，在鋁合金膜的表面產(chǎn)生的瘤狀突起。因此，認(rèn)為小丘是因?yàn)闊崽幚碓阡X合金膜施加應(yīng)力而引發(fā)的。所以，分別在Si晶片基板上形成純Al合金電極層和實(shí)施例1的Al合金電極層，對加熱時在電極層上產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)生怎樣的變化進(jìn)行了研究。具體來講，制作通過濺射在φ100mm的Si晶片基板上層疊了厚0.2μm的電極層的試樣。然后，利用激光應(yīng)力測定裝置FLX-2320(KLA TENCOR公司制，氮?dú)饬?5L/分鐘)，固體激光670nm)，通過激光對在電極層產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行測定。其測定結(jié)果如圖8所示。
圖8表示從室溫升溫至500℃、然后從500℃降溫至100℃時的各溫度下的電極層的應(yīng)力狀態(tài)的測定結(jié)果(升溫·降溫速度5℃/分鐘)。負(fù)的應(yīng)力值表示向電極層施加壓縮應(yīng)力的狀態(tài)，正的應(yīng)力值表示向電極層施加拉伸應(yīng)力的狀態(tài)。粗線所表示的是實(shí)施例1的情況，細(xì)線所表示的是純Al的情況。由純Al的應(yīng)力狀態(tài)可知，從升溫時的180℃附近至約400℃為止連續(xù)有-100MPa的應(yīng)力值，這表示在對純Al電極層施加壓縮應(yīng)力時出現(xiàn)產(chǎn)生小丘、緩解了該壓縮應(yīng)力的現(xiàn)象。另一方面，實(shí)施例1的情況是，出現(xiàn)升溫時的200℃附近負(fù)應(yīng)力被很大程度地緩解了的狀態(tài)，這是由于在實(shí)施例1的Al合金電極層上析出了Al3Ni金屬間化合物的緣故。即，對實(shí)施例而言，確認(rèn)了由于有Al3Ni金屬間化合物析出，緩解了施加于Al合金電極層的壓縮應(yīng)力，不會產(chǎn)生小丘。
接著，對作為實(shí)施例1、比較例1、覆蓋層的構(gòu)成材料的Cr、Mo、ITO膜、Al3Ni的氧化還原電位的測定結(jié)果進(jìn)行說明。進(jìn)行該氧化還原電位的測定是利用濺射裝置在玻璃基板上形成各種組成的規(guī)定厚度(0.2μm)的薄膜，從該玻璃基板切出一部分作為電位測定試樣。然后，遮蓋該電位測定試樣表面使相當(dāng)于1cm2的面積露出，形成測定用電極。采用3.5％氯化鈉水溶液(液溫27℃)，以銀/氧化銀為參比電極進(jìn)行氧化還原電位的測定。此外，ITO膜使用In2O3-10wt％SnO2的組成的膜。其結(jié)果示于表2。
表2

如表2所示，確認(rèn)實(shí)施例1的氧化還原電位值與ITO膜的該值非常接近。此外，判定金屬間化合物Al3Ni與Cr同樣，其氧化還原電位與ITO膜的該值非常接近。
然后，對與ITO電極層的結(jié)電阻評價進(jìn)行說明。圖9是由各電極層分別與ITO電極層接合而測得的電阻值的結(jié)果與各電極層的氧化還原電位與ITO的氧化還原電位的差值作出的圖。測定方法是制作圖7所示的試驗(yàn)樣品，對未進(jìn)行熱處理(as-depo)、進(jìn)行熱處理(200℃、250℃、300℃的各溫度下進(jìn)行1小時的退火處理后)的試樣測定其電阻值。
結(jié)電阻值的測定利用圖4所示的試驗(yàn)樣品進(jìn)行，在ITO(In2O3-10wt％SnO2)電極層40(0.2μm厚)上交叉形成電極層10(0.2μm厚)，從箭頭部分的端子部通電，測定電阻，算出膜的重疊部分(10μm×10μm)的結(jié)電阻。作為電極層，采用表1所示的實(shí)施例1、比較例1及純Al膜與Cr膜層疊的結(jié)構(gòu)這3種電極層。該層疊結(jié)構(gòu)的電極層是在0.03μm的Cr膜上形成了0.2μm的純Al膜而形成的電極層。此外，由表2所示的氧化還原電位值算出ITO和各電極層的電位差，將此作為橫軸，以測得的各結(jié)電阻值作為縱軸作圖(圖9)。
從圖9可確認(rèn)，存在具有與ITO的氧化還原電位幾乎同等水平的電位的Cr膜的電極的結(jié)電阻非常低。對于實(shí)施例1和比較例1的Al合金電極層，確認(rèn)與ITO的電位差不太大的實(shí)施例1的結(jié)電阻較低，而比較例1的Al合金電極層如果進(jìn)行熱處理，則其結(jié)電阻明顯增大。此外，上述結(jié)電阻的測定以在ITO電極層上形成了Al合金電極層的情況為例，但確認(rèn)即使是在Al合金電極層上形成了ITO電極層的相反的結(jié)構(gòu)，也可獲得同樣的結(jié)電阻特性。
從以上的結(jié)果可知，由于實(shí)施例1的Al合金電極層的氧化還原電位本身與ITO的該值接近，所以與ITO電極層直接接合時的結(jié)電阻也較低，通過進(jìn)一步進(jìn)行熱處理，在接合界面析出Al3Ni金屬間化合物，由此顯現(xiàn)出良好的接合特性。其理由推測為Al3Ni的氧化還原電位與ITO的該值非常接近，所以很難發(fā)生與ITO的電化學(xué)反應(yīng)，這樣就不會引起接合部的破壞等。
因此，判定形成與ITO膜的透明電極直接接合的Al合金電極層時，在ITO電極層和Al合金電極層的界面析出了具有ITO電極的氧化還原電位值±200mV的范圍內(nèi)的氧化還原電位的Al系金屬間化合物(Al3Ni)的接合結(jié)構(gòu)，能夠顯現(xiàn)出良好的接合特性。此外，推測該Al系金屬間化合物(Al3Ni)的平均粒徑較好為10～150μm，由析出于界面的Al系金屬間化合物形成的接合擴(kuò)散層的厚度較好為3～20nm。
實(shí)施方式2在以下的實(shí)施方式2中，采用鎳、鈷、鐵、釹、碳，形成各種組成的Al合金電極層，對液晶顯示元件的特性的研究結(jié)果進(jìn)行說明。表3所示為實(shí)施方式2中探討的Al合金電極層的組成。該表3所示的各合金膜在與實(shí)施方式1所示的同樣的成膜條件下形成。
表3

表3所示為實(shí)施例2～13、比較例2～4的各組成的合金膜、這些合金膜中的析出物、析出物的氧化還原電位，以及合金膜的混合電位的測定結(jié)果。電位測定方法與表2所述方法相同。
以下，將表3中的實(shí)施例2～9、比較例2～4的各組成的合金膜的電阻率、耐熱性、凹痕特性的研究結(jié)果示于表4。
表4

電阻率是在玻璃基板上形成各合金膜的單膜(厚約0.3μm)，用4端子電阻測定裝置測得的于300℃進(jìn)行1小時的熱處理后的膜的電阻率。此外，在玻璃基板上形成各合金膜的單膜(厚約0.3μm)，在100℃、200℃、300℃、400℃各溫度下進(jìn)行1小時的熱處理后，利用電子掃描顯微鏡(SEM)觀察膜表面，將確認(rèn)存在0(sub)μm以上的突起物的溫度作為評價小丘耐熱性的溫度示于表4。另外，與電阻率的測定同樣，用SEM(1萬倍)觀察于300℃進(jìn)行了1小時的熱處理后的膜表面，特定在表面觀察到的凹狀部分(直徑0.3μm～0.5μm)，測定存在于觀察視野中的凹狀部分的總面積，算出凹狀部分的總面積在該整個視野面積中所占的比例，將此作為凹痕發(fā)生率。表4中所示的是由各膜表面的5處不同的地方算出的凹痕發(fā)生率的平均值。
從表4可知，實(shí)施例2～6的合金薄膜，在未滿400℃的溫度下無小丘產(chǎn)生，也無凹痕產(chǎn)生。但是，實(shí)施例7～9的合金膜，確認(rèn)其有產(chǎn)生凹痕的傾向。這是因?yàn)閷?shí)施例2～4、6的組成中含有碳及實(shí)施例5的組成中含釹的緣故，這樣可判定碳和釹能夠防止小丘和凹痕的產(chǎn)生。
另外，表3中的實(shí)施例2～9、比較例2～4的各組成的合金膜的與ITO電極層直接接合時的電壓-電流特性、接合特性(接觸電阻、接合耐久性)的研究結(jié)果示于表5。此外，作為實(shí)施方式2中的研究接合特性的試驗(yàn)樣品，為了實(shí)現(xiàn)良好的接合狀態(tài)，使用在直接接合透明電極層和各合金膜層后進(jìn)行了規(guī)定的熱處理(惰性氣體(氮?dú)狻鍤?氣氛中，300℃，60分鐘)的樣品。
表5

表5所示的電流-電壓特性與實(shí)施方式1的圖5、6所述的方法同樣進(jìn)行測定，制作各電流-電壓特性圖，利用該圖判定是否出現(xiàn)整流作用。
此外，關(guān)于接合特性的研究，形成各合金膜，將在該膜上形成了ITO膜的情況作為接合特性1，將在ITO電極層上形成了各合金膜的情況作為接合特性2。另外，接合特性的結(jié)電阻值是，形成與實(shí)施方式1的電流—電壓特性的測定同樣的開爾文元件，在250℃進(jìn)行1小時的熱處理后流過3mA的電流，電壓產(chǎn)生急劇變化時的結(jié)電阻值。此外，關(guān)于進(jìn)行接合特性1的測定的開爾文元件的制作是，首先利用濺射在基板上形成合金膜，再進(jìn)行腐蝕將該合金膜形成為直線電路，然后在其表面形成非晶態(tài)的ITO膜，利用不溶解處于基底的合金膜的直線電路的弱酸，即草酸系腐蝕液僅對ITO膜進(jìn)行腐蝕，與處于基底的合金膜的直線電路垂直相交形成ITO膜的直線電路，制得開爾文元件。
關(guān)于接合耐久性，分別制作實(shí)施方式1的圖7所示的阿雷尼厄斯圖，由外加電流3mA、10μA條件下的阿雷尼厄斯線的傾斜度，估計(jì)其活化能，以85℃時的接合耐久時間判定接合耐久性(該接合耐久性的測定以JIS-C-5003電子部件的故障率試驗(yàn)法、JIS-C-0021加熱試驗(yàn)法作為參考進(jìn)行)。
從表5的結(jié)果可判定，實(shí)施例2與Cr膜相比，雖然其結(jié)電阻值略高，但具備與作為覆蓋層使用的Cr相同程度的接合特性。此外，判定實(shí)施例3及4、實(shí)施例6～9的結(jié)電阻值及接合耐久性兩者都可滿足實(shí)用上的特性要求。實(shí)施例5的接合特性2的接合耐久性不佳，認(rèn)為這是形成直接接合的結(jié)構(gòu)的步驟有所不同所造成的影響。
實(shí)施方式3實(shí)施方式3中，對實(shí)施例4(Al-0.3at％-5.0at％)的Al合金電極層的結(jié)電阻特性和熱處理的關(guān)系的研究結(jié)果進(jìn)行說明。
結(jié)電阻的測定與上述實(shí)施方式2的表5中所述的接合特性1(在ITO膜上接合Al合金電極層)同樣進(jìn)行。實(shí)施方式3中的測定結(jié)電阻值的試驗(yàn)樣品采用透明電極層(ITO膜)和Al合金電極層直接接合后在惰性氣體(氮)氣氛中于250℃、300℃、350℃這3種溫度下進(jìn)行了熱處理(60分鐘)的樣品。其結(jié)果示于表6。
表6

圖10所示為制作通過濺射(功率密度3.0瓦/cm2，氬氣流量100ccm，氬氣壓力0.5Pa)在玻璃基板上形成了0.2μm厚的Al合金電極層的試驗(yàn)樣品，在氮氛圍氣中對該試驗(yàn)樣品進(jìn)行1小時的熱處理(200℃～400℃)，用電子掃描顯微鏡(SEM10000倍)對熱處理后的試驗(yàn)樣品表面進(jìn)行觀察所得的結(jié)果。
由表6可知，確認(rèn)如果接合后的熱處理溫度變高，則結(jié)電阻值變小。此外，如圖10所示，可明確確認(rèn)通過300℃～400℃(D、E、F)的熱處理，在形成的Al合金電極層中有Al金屬間化合物(Al3Ni)析出物(各觀察照片中見白的斑點(diǎn)部分)存在，同時確認(rèn)溫度越高該析出物越大。另外，雖然在圖10的B(200℃)、C(250℃)中雖然未明確有析出物出現(xiàn)，但考慮實(shí)施方式1所示的圖1的結(jié)果，認(rèn)為在Al合金電極層中有Al金屬間化合物(Al3Ni)析出。
從表6及圖10的結(jié)果可看出，為實(shí)現(xiàn)結(jié)電阻值達(dá)到200Ω/□10μm以下的接合狀態(tài)，進(jìn)行280℃以上的熱處理是有效的。這是因?yàn)橥ㄟ^進(jìn)行某一程度的熱處理，在Al合金電極層中分散存在適度的Al金屬間化合物的同時，該析出的Al金屬間化合物會發(fā)生某種程度的凝集，形成合適的粒徑，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接合狀態(tài)的緣故。此外，考慮Al合金電極層的耐熱性和各種元件的制造條件等，從實(shí)用上來講該熱處理的上限溫度以400～500℃為宜。
實(shí)施方式4最后，在該實(shí)施方式4中，對上述實(shí)施例2、實(shí)施例4、實(shí)施例5、比較例2的組成的Al合金電極層與作為透明電極的IZO電極層接合時的接合特性的研究結(jié)果進(jìn)行說明。
該實(shí)施方式4中，對上述實(shí)施方式2中的接合特性1進(jìn)行了研究。即，形成各合金膜，在各合金膜上通過IZO靶(In2O3-10.7wt％ZnO)形成IZO膜。該試驗(yàn)樣品的制造條件、接合特性1的測定方法與上述實(shí)施方式2相同。但是，該實(shí)施方式4的研究接合特性1的試驗(yàn)樣品的構(gòu)成開爾文元件時的接合面積為2500μm2(50μm×50μm)。結(jié)電阻值的測定結(jié)果示于表7，壽命耐久試驗(yàn)結(jié)果示于圖11。表7、圖11所示的結(jié)電阻值是對制作試驗(yàn)樣品后在惰性氣體(氮?dú)?氛圍氣中于250℃進(jìn)行了熱處理(60分鐘)后的樣品進(jìn)行測定的結(jié)果。
表7

從表7所示的結(jié)果可看出，實(shí)施例2、實(shí)施例4、實(shí)施例5及比較例2在與IZO電極層的接合中，都顯現(xiàn)出良好的結(jié)電阻值。但從圖11的壽命耐久試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)施例2、實(shí)施例4、實(shí)施例5的耐久時間即使超過200小時，其結(jié)電阻值也未見有較大變化。另一方面，比較例2從超過20小時左右開始，可見結(jié)電阻值急劇增加，確認(rèn)接合部分遭到破壞。、產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如上所述，本發(fā)明的具備透明電極層和Al合金電極層的薄膜電路中，即使省去了覆蓋層，也不會發(fā)生界面反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)歐姆接合，能夠構(gòu)成具有良好的接合特性的薄膜電路。此外，作為薄膜電路采用液晶顯示元件時，即使與以ITO電極層為代表的透明電極層直接接合，也可切實(shí)地抑制界面反應(yīng)的發(fā)生，能夠形成可滿足歐姆接合特性、低結(jié)電阻、配線膜電阻、耐熱性等所有的液晶顯示液晶特性的適合于實(shí)用的極好的薄膜電路。
權(quán)利要求
1.薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，它是具備透明電極層和與該透明電極層直接接合的Al合金電極層的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，Al合金電極層中分散了具有-1.2V～-0.6V的范圍內(nèi)的氧化還原電位的析出物。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征還在于，前述析出物為含Al的金屬間化合物。
3.如權(quán)利要求1或2所述的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征還在于，Al合金電極層的混合電位為-1.4V～-0.6V。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征還在于，透明電極層由含銦系氧化物的膜形成，該透明電極和Al合金電極層的結(jié)電阻值為1～200Ω/□10μm。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征還在于，Al合金電極層在300℃進(jìn)行1小時的熱處理后的電阻率值為3.5～35μΩcm。
6.如權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征還在于，Al合金電極層的在300℃進(jìn)行1小時的熱處理后的Al合金電極層表面形成的凹痕發(fā)生率在3.0％以下。
7.如權(quán)利要求1～6中任一項(xiàng)所述的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征還在于，Al合金電極層中含有0.5～25at％的鎳。
8.如權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征還在于，Al合金電極層中含有0.1～7.0at％的鈷及/或鐵。
9.如權(quán)利要求7或8所述的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征還在于，Al合金電極層還含有0.1～3.0at％的釹。
10.如權(quán)利要求7～9中任一項(xiàng)所述的薄膜電路的接合結(jié)構(gòu)，其特征還在于，Al合金電極層含有0.1～3.0at％的碳。
全文摘要
本發(fā)明的課題是提供具備透明電極層和Al合金電極層的薄膜電路中即使不具備所謂的覆蓋層，也能夠?qū)崿F(xiàn)透明電極層和Al合金電極層的直接接合的接合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的具備透明電極層和與該透明電極層直接接合的Al合金電極層的液晶顯示元件的接合結(jié)構(gòu)的特征是，Al合金電極層中分散了具有－1.2V～－0.6V的范圍內(nèi)的氧化還原電位的析出物。
文檔編號H01L21/768GK1774666SQ20058000029
公開日2006年5月17日 申請日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月25日
發(fā)明者久保田高史, 松浦宜範(fàn), 池田真, 加藤和照 申請人:三井金屬鉱業(yè)株式會社