CN101005082A - 一种薄膜晶体管沟道结构及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜晶体管沟道结构，包括：基板、栅线、薄膜晶体管、数据线及像素电极，其中所述薄膜晶体管的沟道边缘轮廓呈曲线变化。曲度的变化次数为M，M≥1，曲度变化范围是从90度到180度，轮廓起伏变化次数N，N≥1。本发明同时公开了一种薄膜晶体管沟道的形成方法，其中包括在完成有源层金属层的沉积后，采用掩模版进行曝光和刻蚀，形成沟道边缘轮廓呈曲线变化的沟道。本发明能减小Cgs和提高薄膜晶体管的宽长比(W/L)，从而减弱了闪烁现象和提高了画面品质。

Description

一种薄膜晶体管沟道结构及其形成方法
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管液晶显示器件(TFT LCD)及其制造方法，尤其涉及薄膜晶体管液晶显示器件的薄膜晶体管(TFT)沟道结构及其形成方法。
背景技术
LCD技术在近十几年有了飞速地发展，从屏幕的尺寸到显示的质量都取得了很大进步。经过不断的努力，LCD各方面的性能已经达到了传统CRT的水平，大有取代CRT的趋势。
随着LCD生产的不断扩大，各个生产厂商之间的竞争也日趋激烈。各厂家都在不断提高着产品的性能，特别是对LCD显示画面品质的改善已经成为了竞争的焦点之一。在影响显示画面品质的因素中，闪烁(Flicker)和Mura(一种画面品质不良现象)是两个主要的问题。我们知道，TFT LCD技术是通过控制排列成矩阵的每个亚像素点上的电压，来实现对每个亚像素点亮度的调节，进而形成完整准确的显示画面。当某一行上的栅极(Gate)加上开启电压Von，TFT器件打开时，TFT沟道两边的源极(Source)和漏极(Drain)导通，给定的信号从Data线上加入到亚像素电极上。亚像素电极和公共电极之间的电压差，决定了该亚像素区域上液晶分子的偏转状况，最终决定了该亚像素的亮度和显示效果。但是因为在TFT区域，栅极(Gate)和源极(Source)之间存在一定的交叠，这就产生了寄生电容Cgs，相关计算公式为：Cgs＝ε0εnA/d，其中，ε0表示真空介电常数，εn表示半导体材料N+α-Si的介电常数，A表示栅极(Gate)和源极(Source)之间的交叠面积，d表示栅极(Gate)和源极(Source)两层金属之间的垂直距离。从附图1上可以清楚地看到，当第n祯画面开始显示时，第x行上的Gate信号从Voff跃变到Von，此时薄膜晶体管打开，Data信号加入，开始对亚像素进行充电，亚像素上电压如粗线所示，开始上升并很快接近于Data信号电压；当充电过程完成之后，x行上的Gate电压跃变回Voff，第x+1行开始重复相同动作。在x行上的Gate电压从Von变回Voff的时候，因为栅极(Gate)和源极(Source)的交叠，会产生像素上的电压跳变ΔVp。即当栅极上电压由Von变为Voff，TFT器件关闭的时候，Cgs会引起亚像素上电压产生ΔVp的跳变，而Cgs减小，可以有效地降低ΔVp(由ΔVp变为ΔVp”，且ΔVp＞ΔVp”)，相关计算公式为：ΔVp＝[Cgs/(Clc+Cgs+Cst)]ΔVg，其中Clc是液晶层的电容，Cst是存贮电容，ΔVp是Gate电压从Von变到Voff时亚像素上产生的电压变化，ΔVg是Von与Voff的差值。
图2a、图2b和图2c给出的是现有技术中的三种TFT LCD的亚像素结构。其中图2a表示的是存储电容Cst做在栅线上的亚像素结构，它包括栅线(栅极金属层1)、有源层3、数据线(源漏极金属层4)、像素电极6、漏极7、源极8和像素电极与栅极交叠区10构成存储电容等部分；图2b是表示的挡光条和存储电容Cst做在栅线上相结合的亚像素结构，其基本结构与图2a相似，只是增加了两条栅极金属层挡光条11；图2c是表示的挡光条和存储电容做在公共电极上相结合的亚像素结构，其包含栅极金属层公共电极12，并将存储电容形成在像素电极与栅极金属层公共电极交叠区13上。图3a所示为每个亚像素截面中各层薄膜间关系，从下至上依次为栅极金属层(GateLayer)1、栅极绝缘层2、有源层3、源漏极金属层(S/D Layer)4、钝化层5和透明像素电极(ITO电极)6。这三种亚像素结构都有相同的薄膜晶体管(TFT)结构，其中图2a所示为亚像素，沟道A-A线截面示意图如图3b所示。
由上可见，原来的TFT沟道结构如图4a所示，此区域的边缘为一直线，且源、漏两极对应所形成的沟道整体无起伏(即沟道长度不变的情况下，沟道的宽度边无起伏变化)，其B-B位置的截面图如图4b所示。栅极(Gate)和源极(Source)之间的交叠面积会产生寄生电容Cgs，在TFT器件的设计中，这是无法避免的，而Cgs的大小可以影响亚像素上电压的跳变数值ΔVp，导致闪烁(flicker)的产生。另外，在实际生产过程中，工艺和设备的稳定性等原因会造成不同显示区域中沟道(Channel)实际形成时宽长比(W/L)具体数值的波动，导致不同区域的亚像素充电不同。举例来说，当希望整个显示画面为某一灰阶时，因为不同区域的亚像素充电情况不同，会导致不同区域的亚像素ΔVp，出现某些区域亮度过高(发白)，某些区域亮度不足(发黑)的Mura现象。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种减小Cgs和提高宽长比(W/L)的薄膜晶体管沟道结构，从而减弱闪烁现象和提高画面品质。
为了实现上述目的，本发明提供一种薄膜晶体管沟道结构，包括：基板、栅线、薄膜晶体管、数据线、及像素电极，其中所述薄膜晶体管的沟道轮廓呈曲线变化。
上述方案中，所述源极和漏极边缘轮廓呈曲线变化，其中曲度的变化次数为M，M≥1，曲度变化范围是从90度到180度，轮廓起伏变化次数N，N≥1。所述栅线或数据线为钼、铝、铝镍合金、钼钨合金、铬、或铜之一或任一组合构成的单层或复合层结构。所述薄膜晶体管的栅极绝缘层的材料通常是氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
当将上述技术方案中的沟道应用到具体的像素结构中去时，像素结构还可包括形成在栅线上或/和公共电极上的存储电容；以及位于像素电极两边的挡光条等部分。
为了实现上述目的，本发明同时还提供了一种薄膜晶体管沟道结构的形成方法，其中在完成有源层金属层的沉积后，采用掩模版进行曝光和刻蚀，形成沟道边缘轮廓呈曲线变化的沟道。
上述方案中，所述形成沟道边缘轮廓呈曲线变化的沟道曲线变化具体为曲度的变化次数为M，M≥1，曲度变化范围是从90度到180度；轮廓起伏变化次数N，N≥1。
同现有技术相比，本发明由于将栅极(Gate)和源极(Source)之间交叠区域的边缘结构为曲线(曲度的变化次数为M，M≥1)，且源、漏两极对应所形成的沟道整体有N次起伏(即沟道长度不变的情况下，沟道的宽度边可沿曲线起伏变化)，那么在固定沟道(Channel)宽长比(W/L)不变的情况下，栅极(Gate)和源极(Source)之间的交叠面积将有效减少，所引发的ΔVp也将变小，使得亚像素点上的电压与公共电极上的电压间的差异相对稳定，减弱了闪烁(flicker)现象。
再者，本发明由于使得在栅极(Gate)和源极(Source)之间的交叠面积不变的情况下，沟道(Channel)的宽长比(W/L)增加，可以看到，通过栅极(Gate)和源极(Source)之间交叠区域边缘的曲线结构，增加了固定沟道(Channel)的宽度，在实际工艺过程中，提高了充电电流的工艺冗余，保证了亚像素的充电率，可以有效减少因为工艺和设备的稳定性等原因造成的不同显示区域中亚像素电压的差异，从而提高了显示画面品质。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步更为详细地说明。
附图说明
图1是现有技术中亚像素信号电压变化曲线；
图2a是现有技术中存储电容Cst做在栅线上的亚像素结构；
图2b是现有技术中挡光条和存储电容Cst做在栅线上相结合的亚像素结构；
图2c是现有技术中挡光条和存储电容做在公共电极上相结合的亚像素结构；
图3a是图2a、图2b和图2c中亚像素截面中各层薄膜间关系；
图3b是图2a中A-A位置的截面图；
图4a是现有技术中单个亚像素沟道的平面结构图；
图4b是图4a中B-B位置的截面图；
图5a为本发明具体实施例的一种单个亚像素沟道的平面图；
图5b为图5a中C-C位置的截面图；
图5c为本发明具体实施例的另一种单个亚像素沟道的平面图。
图中标记：1、栅极金属层；2、栅极绝缘层；3、有源层；4、源漏极金属层；5、钝化层；6、像素电极；7、漏极；8、源极；9、源极与栅极交叠区；10、像素电极与栅极交叠区；11、栅极金属层挡光条；12、栅极金属层公共电极；13、像素电极与栅极金属层公共电极交叠区。
具体实施方式
图5a所示为本发明具体实施例的一种单个亚像素沟道的平面图。
如图5a所示，栅极金属层1上形成有源层3，漏极7和源极8分别形成在沟道两边的有源层3上，源极与栅极交叠区9的边缘结构为曲线，曲度的变化次数为M，M≥1，源、漏两极对应所形成的沟道整体有N次起伏，N≥1。且曲线的曲度变化范围是从90度到180度，在本发明图5a中N＝2，M＝36，曲线的曲度是90度。图5b为图5a中C-C位置的截面图。对比本发明的结构图5b和现有技术的结构图4b，可以看出本发明中截面位置的源极和漏极是交替出现的，这样可以有效的提高沟道部分的宽长比。而由图5a和图4a可见，当沟道(Channel)宽长比(W/L)不变的时候，源极与栅极交叠区9的面积明显减少(如图5a和图4a中D-D线所示，D-D线表示现有技术中沟道源极一侧的边缘位置)。
如公式Cgs＝ε0εnS/D和ΔVp＝[Cgs/(Clc+Cgs+Cst)]ΔVg所示，寄生电容Cgs与栅极(Gate)和源极(Source)之间的交叠面积S成正比，而ΔVp与Cgs的变化趋势也是同一方向，故栅极(Gate)和源极(Source)之间的交叠面积S的变化将直接影响ΔVp的数值大小，较之传统结构，本实施例在保持沟道(Channel)宽长比(W/L)不变的情况下，减少了栅极(Gate)和源极(Source)之间的交叠面积，具体数值将视栅极(Gate)和源极(Source)等相关尺寸而定。所引发的ΔVp也将变小，使得亚像素点上的电压与公共电极上的电压间的差异相对稳定，闪烁(flicker)现象减弱。
图5c所示为本发明具体实施例的另一个单个亚像素沟道的平面图。
如图5c所示，栅极金属层1上形成有源层3，漏极7和源极8分别形成在沟道两边的有源层3上，源极与栅极交叠区9的边缘结构为曲线，曲度的变化次数为M，M≥1，源、漏两极对应所形成的沟道整体有N次起伏，N≥1。且曲线的曲度变化范围是从90度到180度，在本发明图5a中N＝2，M＝36，曲线的曲度是90度。图5c中可见，源极沿D-D线分开(如图5a和图4a中D-D线所示，D-D线表示现有技术中沟道源极一侧的边缘位置)，左边部分的源极正好可以补充到右边的空缺区域，即图5c中源极与栅极的交叠面积9和图4a中源极与栅极的交叠面积9一致，在栅极和源极之间交叠面积不变的情况下，沟道的宽度边可沿曲线起伏变化，这样就有效地增加了沟道区域的宽长比。
如公式Ion＝μn Ci(W/L)[(Vg-Vth)Vd-(Vd2/2)(其中，μn表示载流子迁移率，Ci表示单位面积的栅极(Gate)和源极(Source)之间寄生电容Cgs(即Cgs/S)，W表示TFT开关沟道(Channel)的宽度，L表示TFT开关沟道(Channel)的长度，Vg表示栅极电压，Vth表示TFT开关的阈值电压，Vd表示漏极电压)所示，充电电流Ion与沟道(Channel)的宽长比(W/L)成正比，故宽长比(W/L)的变化将成比例的影响充电电流Ion，增大宽长比(W/L)将提高充电电流Ion的工艺冗余(Process Margin)。可见，通过栅极(Gate)和源极(Source)之间交叠区域边缘的曲线结构，增加了固定沟道(Channel)的宽度，在实际工艺过程中，提高了充电电流的工艺冗余(Process Margin)，保证了亚像素的充电率，可以有效减少因为工艺和设备的稳定性等原因造成的不同显示区域中亚像素电压的差异，从而提高了显示画面品质。
上述沟道结构可应用到各种像素结构中，如应用到图2a至图2c所述的像素结构中。此外，上述沟道结构也可根据本发明的思想进行各种形式的变通，如将图中沟道轮廓的折线变化为有一定弧度的曲线等。
总体而言，本发明中不论具体的TFT LCD结构如何，其阵列基板上沟道形状的变化都是在源、漏金属层工艺过程中实现的，具体说就是通过源、漏金属层的掩模版变化并结合光刻工艺，在栅极金属层、栅电极绝缘层和有源层之上形成本结构的源极(Source)和漏极(Drain)边缘轮廓若干次起伏变化的沟道结构，其中N为轮廓起伏次数，N≥1，曲度的变化次数为M，M≥1，曲度变化范围是从90度到180度。
下面结合一个具体实施例详述该沟道及具有该沟道结构的薄膜晶体管像素结构的制造方法。
具体工艺制造方法如下：
首先，使用磁控溅射方法，在玻璃基板上制备一层厚度在1000至7000的栅极金属层薄膜1。栅极金属层材料通常使用钼、铝、铝镍合金、钼钨合金、铬、或铜等金属。也可以使用上述几种材料薄膜的组合。用栅极掩模版通过曝光工艺和化学腐蚀工艺，在玻璃基板的一定区域上形成栅极扫描线、栅电极1、栅极金属层挡光条11和栅极金属层公共电极12的图案。
然后，利用化学汽相沉积的方法在阵列基板上连续淀积1000到6000的栅电极绝缘层薄膜2和1000到6000的有源层薄膜3。栅极绝缘层材料通常是氮化硅，也可以使用氧化硅和氮氧化硅等。用有源层的掩模版进行曝光后对形成有源层的非晶硅进行刻蚀，形成硅岛。栅金属和非晶硅之间的绝缘层起到阻挡刻蚀的作用。
接下来，采用和栅极金属类似的制备方法，在阵列基板上淀积一层类似于栅金属的厚度在1000到7000的源漏极金属层薄膜4。通过源漏金属层的掩模版在一定区域形成漏极7、源极8。漏极7和源极8分别与有源层的两端相接触。此步骤中金属层掩模版在沟道位置处变更为边缘轮廓以曲线变化，曲度的变化次数为M，M≥1，曲度变化范围是从90度到180度，并且轮廓起伏变化次数为N，N≥1。
之后，用和制备栅极绝缘层以及有源层相类似的方法，在整个阵列基板上沉积一层厚度在1000到6000的钝化层5。其材料通常是氮化硅。如图2b所示，栅极金属层1、栅极金属层挡光条11和栅极金属层公共电极12上面覆盖相同厚度的栅极绝缘层2和钝化层5；而漏极7、源极8上覆盖相同厚度的钝化层5。通过钝化层5的掩模版，利用曝光和刻蚀工艺形成源极部分的钝化层过孔。
最后，使用和栅极金属层、源漏极金属层类似的制备方法在钝化层5的图案之上，制备一层厚度在1000以内的透明像素电极6，常用的透明电极为ITO，然后利用透明像素电极的掩模版，通过与上述各层相同的光刻工艺步骤，形成每个亚像素的透明像素电极6。
以上所提出实施例为一种实现方法，也可以有其它的实现方法，通过选择不同的材料或材料组合完成或不同的光刻工艺完成，如3mask或4mask工艺。在本结构中，源极(Source)和漏极(Drain)边缘轮廓以曲线变化(曲度的变化次数为M，M≥1，曲度变化范围是从90度到180度，并且轮廓起伏变化次数为N，N≥1)，显然还可以有各种修改和变化。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当按照需要可使用不同材料和设备实现之，即可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1、一种薄膜晶体管沟道结构，包括：基板、栅线、薄膜晶体管、数据线、及像素电极，其特征在于：所述薄膜晶体管的沟道边缘轮廓呈曲线变化。
2、根据权利要求1所述的薄膜晶体管沟道结构，其特征在于：所述曲线变化的曲度变化次数为M，M≥1，轮廓起伏变化次数N，N≥1。
3、根据权利要求1所述的薄膜晶体管沟道结构，其特征在于：所述曲线变化的曲度变化范围是从90度到180度。
4、根据权利要求1至3任一所述的薄膜晶体管沟道结构，其特征在于：所述栅线或数据线为钼、铝、铝镍合金、钼钨合金、铬、或铜之一或任一组合构成的单层或复合层结构。
5、根据权利要求1至3任一所述的薄膜晶体管沟道结构，其特征在于：所述薄膜晶体管的栅极绝缘层的材料是氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
6、一种薄膜晶体管沟道的形成方法，其特征在于，包括：在完成有源层金属层的沉积后，采用掩模版进行曝光和刻蚀，形成沟道边缘轮廓呈曲线变化的沟道。
7、根据权利要求6所述的形成方法，其特征在于：所述形成沟道边缘轮廓呈曲线变化的沟道曲线变化具体为曲度变化次数为M，M≥1，曲度变化范围是从90度到180度；轮廓起伏变化次数N，N≥1。
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