CN1457511A - 薄膜晶体管和制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造薄膜晶体管的方法包括以下步骤：淀积和图案化多个层(3，13，15，23)来确定薄膜晶体管，其中多个层之一(23)用高清晰度工艺图案化而多个层中的其它层(3，13，15)用低清晰度工艺图案化。具体地，确定薄膜晶体管的源和漏的金属化层(23)可以用高清晰度工艺图案化而其它的层可以用低清晰度工艺图案化。高清晰度工艺可以是光刻，低清晰度工艺可以是印刷。
Description
本发明涉及薄膜晶体管并特别涉及一种制造包括许多薄膜晶体管的器件的方法。
薄膜晶体管(TFT)在许多应用中广泛使用。薄膜晶体管技术的一项尤其重要的应用是在有源矩阵液晶显示器领域。但是，这不是唯一的应用；另一实例是在X射线探测器领域，该探测器可以包含一光电二极管的阵列，其中每个光电二极管连接到相应的薄膜开关晶体管上。
有源矩阵液晶显示器的有源板上的一种典型的TFT示于图6中。栅51从行电极53横向延伸，在栅延伸区域上面提供半导体区域55，在半导体区域上面提供源57和漏59的金属化，源和漏之一连接到列电极61，另一个连接到像素电极65，该电极通常由透明的铟锡氧化物(ITO)制成。源、栅和漏及半导体区域形成了薄膜晶体管63。
制造薄膜晶体管阵列，例如制造有源矩阵液晶显示器(AMLCD)的技术工艺现状，包括将材料淀积成薄片形状，然后使用光刻技术和刻蚀来图案化该材料。尽管已经提出了一些四步掩模工艺，但是在TFT的设计中经常用到5步掩模。工艺中需要淀积多个材料层，在每一层上形成光刻胶并刻蚀或显影除去每材料层的大约95％，这限制了可能的费用节省。此外，使用高性能的图案化工具需要高的投资费用、有限的生产量以及使用大量昂贵光刻胶和显影材料。
作为替代，已经提出直接将抗蚀剂印刷成所期望的图案，以取代传统光刻工艺中的光刻胶的涂覆、曝光、显影和烘烤。与传统光刻工艺相比，这可以通过增加产量，降低投资费用和减少材料费用来节省费用。提出的一种更激进的选择是直接印刷所需要的材料，或该种材料的先驱物，因此也可以省去覆盖物的淀积，抗蚀剂的剥离和刻蚀工艺。
令人遗憾的是，与传统光刻工艺相比，印刷工艺具有低的分辨率和对准清晰度。对于平版印刷技术，典型的印刷分辨率为10μm的量级，对准清晰度为10μm的量级。这些与用于AMLCD的传统光刻工艺实现的4μm的分辨率和1.5μm的对准清晰度相比是不利的。如果将设计在传统AMLCD有源板上的传统薄膜晶体管(TFT)按比例放大到印刷设计的尺度，那么制成的TFT将具有太高的寄生电容而无法提供适当的性能。
第二个问题是印刷工艺如凹版印刷，或其它形式的印刷趋向于从部件的后沿留下材料的毛刺或尾状线。这些会导致TFT内的短路和AMLCD中的其它故障。用传统的AMLCD TFT和像素设计，TFT是位于每个像素的角落，栅是由一行线上的突出部来形成。如果用一种印刷技术如凹版印刷，那种毛刺会导致不良的性能，如从栅到像素的可变电容性耦合导致如闪烁的显示效果。
对于印刷TFT中的这些问题的部分解决方案由M.Ie Contellec等人在发表于1987年的J.Non-Cryst.Solids，第97&98卷第297-300页的题为“LCD-TV应用中的a-Si TFT的非常简单的制造工艺(VerySimple a-Si TFT Fabrication Process for LCD-TV Application)”中提出。他们提出了一种TFT设计和相关工艺，其中设计对两层掩模之间的错位是容许的。但是提出的工艺中存在许多缺点。列电极是用具有高电阻率的铟锡氧化物(ITO)制成，这限制了显示器的尺寸。所提出的两-掩模顶栅结构导致在行电极上具有高的寄生电容负荷，这也限制了显示器的尺寸。在透射型的AMLCD中半导体层暴露在光照中，除非采用附加的光屏蔽层，否则将导致无法接受的漏电流。
取代两-掩模顶栅结构，采用已经成为产业标准的底栅结构是优选的。Ie Contellec等人设计的基本布局可以转化为具有较高掩模数的底栅工艺。但是，假定印刷技术的粗糙的分辨率，所得到的TFT可能具有太高的寄生电容而难于在AMLCD中提供好的性能。
用印刷图案化来制造器件的许多其它建议也已经发表。
例如：Eiji Kaneko在1993年的Displays的14卷第2期中描述了“特大面积TFT-LCD的一种新制造技术(A new fabricationtechnology for very-large-area TFT-LCDs)”，制造有源矩阵显示器的一种全印刷工艺。同样地，Y.Mikami等人也在1994年3月的IEEETransactions On Electron Devices的第41卷第3期中描述了“不用光掩模对准器制造大面积晶体管电路的一种新的图案化工艺概念(ANew Patterning Process Concept for Large-Area Transistor CircuitFabrication Without Using an Optical Mask Aligner)”，一种全印刷的TFT LCD。
但是，这些出版物没有公开对超寄生电容的问题，或从印刷区域延伸的材料“尾状线”引起的可能的短路问题的解决方法。
因此，仍然需要制造薄膜晶体管和制造包括薄膜晶体管的器件如AMLCD的改进方法。
根据本发明的第一方面，提供一种制造具有薄膜晶体管阵列的板的方法，包括以下步骤：用低清晰度工艺形成和图案化一层来确定延伸跨越衬底的行导线，用低清晰度工艺形成和图案化半导体区域来形成薄膜晶体管的沟道区域，半导体区域与行导线区域垂直对准，行导线区域形成薄膜晶体管的栅；在确定行导线的层与半导体区域之间形成栅绝缘层；以及用高清晰度工艺淀积和图案化薄膜晶体管的源和漏。
以这种方法形成板，使得只有一层，即确定源和漏的层，需要用高清晰度(分辨率)工艺精确确定。这一层确定了沟道长度。其它层可以用低清晰度工艺例如印刷图案化。这样，这种方法可以更廉价地制造板。
在本发明的实施例中，取决于要求的分辨率，许多不同的工艺可以用于低清晰度工艺和高清晰度工艺。象熟练技术人员所了解的，光刻是一种尤其有用的高清晰度工艺。投射式光刻可以用于高清晰度。作为替代，光刻可以用一种接近式对准器完成，这足以以足够的清晰度将沟道长度确定在约7μm。
低清晰度工艺可以是低分辨率的光刻工艺，如用一种接近式对准器，或可替换地用一种印刷工艺如凹版印刷。
在用印刷图案化一层的地方，印刷工艺可以直接印刷该层，这避免了材料的浪费。
跨越其中形成薄膜晶体管的衬底区域的行导线可以具有基本一致的宽度。半导体区域可以基本上为矩形，矩形沿其长轴基本平行于行的方向延伸。以这种相对简单的形状，可以印刷无拖尾毛刺负效应的半导体区域。
这种方法可以用来制造有源矩阵液晶显示器(AMLCD)的有源板。这种方法因此可以附加包括用低分辨率工艺形成和图案化像素电极。
源电极可以在漏电极的一侧形成，以及一指状电极可以沿漏电极周围延伸至漏电极的另外一侧。这有效地提供了一对排列在漏电极两侧的源电极，改善了对准的容许量。附加的益处是这种排列可以提供所期望的有效纵横比。
印刷可以用任何适当的印刷工艺如凹版印刷来实现，虽然替代的印刷技术也可以使用。
行导线可以沿行方向印刷，半导体区域可以沿相同的行方向印刷。
像素电极可以沿基本垂直于行方向的方向印刷。该结构在像素电极和行导线之间可以具有间隙，该间隙比来源于印刷工艺的拖尾尾状线或毛刺的长度长，其长度可以为10μm的量级。
用这些方法，任何从印刷区域遗留下的尾状线或毛刺的影响可以降到最小。
这种方法可以用来制造底栅TFT，其中作为TFT栅的行电极在作为TFT沟道的半导体的下面形成。然后高清晰度工艺可以用来在半导体层上形成源和漏的金属化。
半导体区域可以是包括低掺杂半导体的底层和高掺杂半导体的上层的一个叠层，并且这种方法可以包括用源和漏的金属化作为掩模来深刻蚀(etch back)上层的步骤。
本发明不限于以上列出的具体层和图案化步骤。因此，本发明的第二方面提供了一种制造具有薄膜晶体阵列的板的方法，包括淀积和图案化多个层来确定薄膜晶体管，其中多个层之一是用一高清晰度工艺来图案化，而其它的多个层是用低精确工艺图案化。
通常，用高分辨率图案化多个层比用低分辨率图案化的费用高。因此，通过只对薄膜晶体管的一层用高分辨率图案化，制作器件的费用可以降到最小。高清晰度的层可以用光刻来图案化，而低清晰度的层可以用印刷。
用低清晰度工艺图案化的多个层之一可以是行电极层，该层确定了基本上以恒定的宽度延伸跨越薄膜晶体管阵列的多个行电极，其中薄膜晶体管与行电极垂直对准形成，并且其中确定薄膜晶体管源和漏的层用高清晰度工艺图案化。
本发明尤其适用于制造液晶显示器的有源板，包括以下步骤：用低清晰度工艺形成和图案化一层以确定延伸跨越衬底的行导线，在行导线区域的上面形成一栅绝缘层；用低清晰度工艺在栅绝缘层上面形成和图案化半导体区域来形成薄膜晶体管的沟道区域，以便半导体区域下面的行导线区域用作栅；用高清晰度工艺淀积和图案化一金属化层来确定薄膜晶体管的源和漏，并用低清晰度工艺淀积和图案化像素电极。
本发明也涉及一种制造有源矩阵LCD显示器的方法，包括利用上述方法制造有源板；提供一无源板；和将液晶夹在有源和无源板之间。
在另一方面，本发明涉及用上述方法制造的液晶显示器的有源板。有源板可以包括一种用于有源矩阵液晶器件的有源板，包括：衬底；延伸跨越衬底的行导线；在部分行电极上延伸形成薄膜晶体管的沟道区域的半导体区域；确定薄膜晶体管的源和漏的金属化层和连接到源和漏之一的列导线；以及连接到薄膜晶体管的源和漏中的另一个的像素电极。
本发明也涉及一种有源矩阵液晶显示器，包括这样一种有源板，一种无源板和夹在有源板和无源板之间的液晶。
只通过实例，参照附图将描述本发明的具体实施例，其中：
图1(a)(i)到1(e)(i)分别示出根据本发明制造一种AMLCD有源板的步骤的俯视图，图1(a)(ii)到1(e)(ii)分别示出沿A-A，B-B，C-C，D-D和E-E线观察的图1(a)(i)到1(e)(i)的横截面侧视图；
图2示出根据本发明的一种有源板设计的俯视图；
图3示出根据本发制成的一种AMLCD；
图4(a)到4(c)说明根据本发明的一种可替代制造方法；和
图5说明一种现有技术的AMLCD结构。
应认识到上述图只是示意图，并没有按比例画出。在图中始终用相同的参考数字来表示相同或相似的部分。
参照图1和图2，将说明根据本发明制造一种薄膜器件的示范性方法。在实例中，器件是有源矩阵液晶显示器的有源板。
首先，如图1(a)(i)和(ii)所示提供一衬底1。衬底由透明材料，如玻璃制成，具有基本平坦的上表面2。
在衬底1的表面2上印刷第一层金属化层3。金属化层3确定了延伸跨越衬底的多个行电极5，和平行于行电极同样延伸跨越衬底的多个存储电容器排(line)7。为清楚起见，图1(a)到(e)中只示出一个行电极5和一个存储电容器排7，但是应该认识到，如显示完整器件的图3所示，实际上提供了许多行电极5和存储电容器排7。
第一层金属化层3是以沿平行于行电极5的行方向9跨越衬底印刷的一种单一的平版印刷操作印刷的。行电极5和电容器排7在用于显示器的阵列区域内的宽度都基本一致。存在于行电极5和电容器排7末端的任何拖尾11出现在显示器区域之外，因此几乎无影响。
然后在整个衬底上(图1b(i)和(ii))形成一层氮化硅的栅绝缘层13，随后，在衬底上形成半导体岛15。这些岛是通过淀积一层本征非晶硅17(ia-Si∶H)和随后淀积一层掺杂的非晶硅19(n+a-Si∶H)而形成。每一层用相同形状的掩模印刷。半导体岛排列于行电极之上，并且形状为矩形，矩形的长边平行于行电极5。印刷沿行方向9完成。位于半导体岛下面的行电极5的区域16用作栅电极。
下一步是提供另一金属化层23(图1(c)(i)和(ii))。在整个衬底上淀积该层，然后用传统的光刻图案化。该金属化层形成列电极25，该电极沿垂直于行电极5的方向延伸跨越衬底，漏电极27，和从列电极25延伸的指状电极29绕过相应的漏电极，从背面跨越相应的半导体岛15。在半导体岛15区域的漏电极27，指状电极29和列电极25垂直于行方向9延伸跨越该岛。列电极25和指状电极29形成相互连接的源电极，位于漏电极27的两侧。
用印刷工艺来形成半导体岛15的结果是，其拖尾边缘8的位置可能不能精确控制或确定。在缺少指状电极29时，TFT的栅-漏电容将因此不能良好地确定。这将导致跨越AMLCD有源板的TFT的特性不一致。指状电极29连接到列电极25，半导体岛向拖尾边缘8延伸超出它的部分解决这个问题。虽然岛的前边缘6的位置可以较好地确定，但是如果半导体岛沿相反的方向印刷，应认识到指状电极完全能满足相同的功能。
在一些情况下，在漏电极的两侧供给源电极可以提供另外的益处。例如，它可以有效地使沟道宽度加倍，因此降低器件的导通电阻。
金属化层23也用于形成存储电容器32的上电极31，栅介质13用作上电极31和存储电容器排7之间的电容器电介质。
然后金属化层23用作刻蚀掩模来完成背面沟道的刻蚀步骤，该步骤刻蚀除金属化层下以外的掺杂非晶硅层19。这使本征非晶硅层17形成薄膜晶体管的沟道24。半导体岛下的行电极5的区域16形成薄膜晶体管的栅。
这样，薄膜晶体管的沟道长度是由光刻的高清晰度图案化方法而不是印刷的低清晰度方法来确定。多层的排列，尤其是半导体岛的简单形状和行电极，意味着确定半导体岛和行电极中的误差要求没有用传统的阵列结构的严格。
然后在整个衬底上形成钝化层33(图1d(i)和(ii))。然后印刷一个接触孔的掩模34，用来刻蚀电容器的上电极31和漏27之上的通孔35。钝化层为氮化硅。其它材料可以用，如聚合物的材料。然后，如众所知，去掉接触孔的掩模。
然后在钝化层上印刷铟锡氧化物(ITO)像素电极37来完成有源板(图1e(i)和(ii))。印刷方向38垂直于行方向。像素电极和近邻电极之间的空隙足够大以使来源于像素电极的拖尾毛刺40不与近邻的行电极5重叠。图2示出了完成的有源板的部分俯视图，示出了个别像素的阵列。
一种液晶显示器可以通过提供一种无源板43和夹在有源板和无源板之间的液晶45，由按照上述方法制成的有源板41，用一种本领域技术人员已知的技术制成，并示于图3中。
实施例中多层的排列提供了一种只用一步高分辨率图案化的TFT。剩余的步骤用低分辨率图案化步骤来完成。唯一需要精确的参数是沟道长度，这由图案化源和漏金属化层的步骤来确定。
根据本发明方法，尤其适用于制造较大像素尺寸的AMLCD，如屏幕对角线尺寸大于20″的液晶TV。对于这样大的显示器，像素尺寸比较大一例如对于一个25″的屏幕，VGA显示器具有265×795μm的像素尺寸。对于大像素，所需的沟道纵横比也大，沟道纵横比用沟道的宽度除以长度来表示。因此，沟道宽度可以用相对粗糙清晰度的印刷工艺来确定，长度用精细清晰度工艺确定。沟道的长度，源和漏之间的距离，由确定包括源和漏的金属化层的步骤来确定。对于如这些大像素器件，所需的沟道长度为5-10μm的量级。
但是本发明不是限于那种大屏幕。事实上，本发明可以适用于任何具有适合印刷尺寸的薄膜晶体管的器件。例如，本发明可以用于小屏幕，或其它具有薄膜晶体管阵列的器件，如那类具有光电二极管和相应的开关晶体管阵列的X射线探测器。
在实施例中半导体区域形成为简单的矩形，与以基本一致的宽度延伸跨越衬底的部分行电极垂直对准。作为对照，在传统排列中，行电极的分支(spur)横向延伸形成栅，在分支上形成半导体区域。在实施例中用的方法减小了半导体区域图案化工艺所需的分辨率。从半导体区域延伸的任何拖尾线或毛刺只是位于行导线的顶部，不在TFT的区域，因而减少了可变像素电容，短路，或其它不期望效应的危险。
在根据本发明方法的第二实施例中，除用微接触印刷取代光刻作为高分辨率图案化步骤以外，该方法用了与上述相同的步骤。微接触印刷尤其由Younan Xia和Geoge M Whitesides发表在1998年的Angewandte Chemie International Edition的37卷550-575页的一篇题为“软石版印刷术(Soft Lithography)”的评论文章中被描述，在此处引入作为参照。
为了用微接触印刷图案化金属化层，一种具有所需图案的合成橡胶的印模(stamp)用包含自组装分子(self assembling molecules)的“墨(ink)”分子“印”在整个衬底之上的源/漏金属化层23上。自组装分子形成的结构象前面一样在刻蚀除去源漏金属化层23和更上部的半导体层19时作为刻蚀掩模。与微接触印刷兼容的合适的刻蚀剂是技术人员所知道的；在上面提到的评论文章中提及了许多。合成橡胶的印模可以是平面的，一种滚筒，或交替地一种滚筒可以用来将“墨”从印模转移到衬底上。
在制造一种板的方法的第三实施例中，除用低清晰度工艺图案化多层的方法不同以外，该方法与上述的完全相同。参照图4(a)到(c)将阐述该方法。
取代直接印刷第一层金属层、半导体岛和像素电极，这些层通过在整个衬底1(图4(a))上淀积材料71来图案化。然后，用凹版印刷方法将抗蚀剂73印刷到需要材料71的位置(图4(b))。用一种刻蚀剂刻蚀掉无抗蚀剂处的材料71，随后剥去抗蚀剂，例如通过将器件浸入抗蚀剂的一种溶剂中(图4(c))。
在这种实施例的一种修改中，可以用不同的印刷工艺来淀积抗蚀剂。
虽然已经对本发明通过参照具体的实施例进行了阐述，本领域技术人员将认识到一些变化是可能的。本发明不仅用于AMLCDs领域，而且可用于其它领域，尤其是需要薄膜器件阵列的地方，如其它大面积电子装置(LAEs)中。本发明方法可以适用的一应用实例是制造大图象传感器，例如工业X射线探测器。
对描述的实施例的细节可以进行进一步修改。例如，衬底可能不透明，及板可能反光。这样，像素电极没有必要透明。
在一种进一步的修改中，一些或全部层可以由层材料覆盖衬底形成，将抗蚀剂图案印刷在该层材料上，并刻蚀掉不需要的材料来图案化该层。印刷抗蚀剂的使用避免了用光刻技术处理光刻胶的必要。用这种方法，一种低费用的印刷技术可以用来图案化，而没有必要直接印刷所用的层。
本发明不限于制造如上面所描述的底-栅结构，而同样可适用于制造顶-栅结构。如本领域技术人员所了解的，层的顺序确定了制造步骤的顺序。例如，对于底-栅结构，形成栅的行电极可以淀积和图案化，接着是栅绝缘层，再接着是半导体区域，然后是源和漏的金属化。相反地，为了形成顶-栅结构，形成栅的行电极可以是在半导体层，源和漏的金属化及栅绝缘层淀积之后形成的。
所描述的实施例，用光刻作为高分辨率工艺，用印刷作为低分辨率工艺。但是，本发明也适用于其它工艺的组合。例如，用于大多数层的低分辨率工艺可以是低分辨率光刻工艺如用接触式对准器，而高分辨率工艺，可以用一种投射式对准器。作为选择，接触式对准器可以用于高分辨率工艺，而印刷用于低分辨率工艺。
此外，没有必要将工艺的数量限制为2。例如，可以方便地用一种低清晰度工艺图案化一层，用不同的低清晰度工艺图案化另外一层。本发明也可以用于多种半导体技术。所描述的非晶硅可以用许多半导体类型中的任一种来取代。实例包括多晶硅，有机物半导体，II-VI半导体如CdTe，III-V半导体如GaAs，和其它半导体。
Claims (15)
1.一种制造具有薄膜晶体管阵列的板的方法，包括任何顺序的如下步骤：
用低清晰度工艺形成和图案化确定延伸跨越衬底的行导线的层；
用低清晰度工艺形成和图案化半导体区域来形成薄膜晶体管的沟道区域，该半导体区域与行导线区域垂直对准，行导线形成薄膜晶体管的栅；
在确定行导线的层与半导体区域之间形成栅绝缘层；以及
用高清晰度工艺确定薄膜晶体管的源和漏。
2.根据权利要求1的方法，其中该行导线在其中形成薄膜晶体管阵列的衬底的区域内宽度基本上一致。
3.根据权利要求1或2的方法，包括图案化半导体区域使其全部在行电极的上部或下部，并且基本上为矩形形状，矩形的长边平行于行电极延伸。
4.根据任一前述权利要求的方法，其中高清晰度工艺是光刻法。
5.根据任一前述权利要求的方法，其中低清晰度方法是印刷法。
6.根据权利要求5的方法，其中行导线通过沿行方向印刷确定，并且半导体区域通过沿相同的行方向印刷确定。
7.根据任一前述权利要求的方法，其中半导体区域是包括低掺杂半导体的底层和高掺杂半导体的上层的一个叠层，并且该方法包括用以高清晰度工艺图案化的源和漏的金属化作为掩模深刻蚀该上层的步骤。
8.一种制造具有薄膜晶体管阵列的板的方法，包括淀积和图案化多个层来确定薄膜晶体管，其中多个层之一是用高清晰度工艺来图案化而多个层中的其它层是用低清晰度工艺图案化。
9.根据权利要求8的方法，其中用低清晰度工艺图案化的多层之一是行电极层，它确定以基本恒定的宽度延伸跨越薄膜晶体管阵列的多个行电极，其中该薄膜晶体管与行电极垂直对准形成，并且其中确定薄膜晶体管的源和漏的层用高清晰度工艺图案化。
10.根据任一前述权利要求的方法，进一步包括用低清晰度工艺形成和图案化确定像素电极的一层来形成液晶显示器的有源板的步骤。
11.一种制造有源矩阵LCD显示器的方法，包括：
用根据权利要求10的方法制造有源板；
提供一无源板；和
将液晶夹在有源板和无源板之间。
12.一种包括薄膜晶体管阵列的板，包括：
一个衬底；
以基本一致的宽度延伸跨越衬底的行导线；
行导线之上的栅绝缘体；
基本为矩形形状的半导体区域，沿行导线对准并位于部分行导线之上，该半导体区域形成薄膜晶体管的沟道，并且位于半导体区域下面的行导线形成薄膜晶体管的栅；
确定薄膜晶体管的源和漏的金属化层。
13.根据权利要求12的一种板，其中行导线和半导体区域由印刷方法确定。
14.根据权利要求12的一种板，进一步包括连接到薄膜晶体管的源和漏之一的像素电极。
15.一种有源矩阵液晶显示器，包括根据权利要求14的一板，一无源板，和夹在有源板和无源板之间的液晶。
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