CN1732560A

CN1732560A - 通过印刷成形制造薄膜晶体管器件的方法

Info

Publication number: CN1732560A
Application number: CN200380107541.4A
Authority: CN
Inventors: J·A·查普曼
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2006-02-08
Also published as: AU2003285648A1; JP2006512757A; KR20050084480A; US20060094174A1; US7148090B2; EP1579493A1; WO2004059718A1; TW200501273A; GB0230129D0

Abstract

使用例如照相凹版胶印机的印刷装置制造用于有源矩阵液晶显示器的薄膜晶体管。在层状结构(4)上形成第一个第二图形化层(25₁、25₂、30)，其中至少一层是被印刷的。该被印刷的层(25₁、25₂、30)对区域(27₁、27₂、28)进行掩模以限定源极和漏极端子。该第二图形化层(28)可以被去除以便允许刻蚀第二区域(28)以限定一沟道。

Description

通过印刷成形制造薄膜晶体管器件的方法

本发明涉及一种器件的制造方法，特别是涉及但不仅涉及薄膜晶体管(TFT)的制造方法。

薄膜晶体管广泛应用于包括有源矩阵液晶显示器在内的液晶显示器和其它平板显示器中，用以控制或探测显示器中每个象素的状态。美国专利US-A-5130829记载了一种普通的TFT结构，称为下栅极式TFT(bottom gate TFT，BGTFT)。在这种结构中，栅极端子位于诸如铝硅酸盐玻璃的绝缘衬底上，并且覆盖有例如氮化硅(SiN)的绝缘材料层以及例如本征氢化非晶硅(a-Si:H)和n+型掺杂氢化非晶硅的半导体材料层。然后，金属的源极端子和漏极端子成形在a-Si:H层和部分n+型掺杂层上，也就是说在这些端子之间延伸的区域的那个部分被去除。

这种TFT结构通过不同材料的连续沉积层来形成。使用光刻法限定晶体管的源极端子和漏极端子以及沟道长度，可以制出基本上水平沉积的晶体管。沉积绝缘体层和半导体层之后，在衬底上涂上一层或多层金属化层并用光聚合材料或正光刻胶覆盖。该光刻胶包含有感光添加剂，该感光添加剂是作为溶解抑止物并且还能吸收一种或多种特定波长的光，例如紫外波段的光。一个带有图形的光掩模放置在衬底和紫外光源之间并且该光刻胶被照射，该图形具有对紫外光透明和不透明的区域。在该衬底与光掩模图形的透明区域对齐的那些部分上，紫外光在光刻胶上表面被吸收。该感光添加剂进行光化学作用使其不再作为溶解抑止物。另外，该紫外光将已曝光的光刻胶漂白使得光线能通过并且在光刻胶更深处内引起反应。因而，该光化学反应以一种“从上至下(top-down)”的方式在整个光刻胶层进行。光掩模图形内的不透明区域使得部分光刻胶层不受紫外光影响，使得这些光化学反应不会出现。

在光刻胶层的已曝光部分，感光添加剂不再抑止溶解，使用显影液去除该光刻胶层的已曝光部分并且该衬底可通过加热而被固化(cured)。对应于光掩模图形的不透明区域，这个过程在衬底上的一个或多个位置中留下了部分先刻胶层。

光刻胶的剩余部分被用作刻蚀过程的掩模，其中，金属化层中的已曝光部分和下方的半导体层的对应部分被去除，以便限定出源极和漏极电极。但是，这需要在覆盖在衬底上的层中刻蚀出多于一个的图形，例如，源极和栅极端子的边缘可以通过去除部分金属化层和半导体层来限定，而沟道可使用另一个刻蚀过程来限定，在这个过程中去除一部分金属化层之后部分地去除下方半导体层。这可使用两个分别的光掩模和重复进行曝光、显影和刻蚀步骤来实现。但是，这种方法是不经济的，因为它需要提供和去除两个光刻胶层，并提高了制造过程的成本和复杂性。特别是，必须将第二光掩模和衬底精确对准。

在半导体器件的制造中使用的另一种可选方法使用了半色调或灰度色调的光掩模，其中使用了具有图形的单个光掩模，该图形具有透明、不透明和半色调或灰度色调区域。该半色调区域部分地削弱了通过它们的光线。如上文所描述的过程，位于光掩模透明区域之下的光刻胶的整个厚度被曝光并在显影阶段被去除，而光掩模的不透明区域挡住了到衬底其它部分的光，以整个厚度留下部分光刻胶。由于光刻胶和紫外光之间的反应以“从上至下”的方式进行，因此与半色调区域对齐的部分光刻胶层只是部分地曝光，也就是说，该光化学反应仅在光刻胶层的最上面部分出现。这样在显影之后就形成了比未曝光的光刻胶部分薄的光刻胶部分。因此，单次的曝光和显影过程就在衬底上形成了具有两个或多个不同厚度的光刻胶部分。

然后，以第一图形刻蚀金属化层和半导体层的已曝光部分，该第一图形是由全厚度和已缩减厚度的光刻胶来限定，之后，可以使用光刻胶干法刻蚀(resist dry etching)步骤来统一减小剩余光刻胶部分的厚度。该减薄(thinning)过程彻底去除了用掩模的半色调部分限定的光刻胶部分，而留下了与掩模不透明区域对齐的那些部分中光刻胶层的已被减薄的部分。然后，在该衬底的新的曝光部分中刻蚀第二图形。

本发明设法要提供一种可选择的器件制备方法。

按照本发明的第一方面，提供一种器件的制备方法，该方法包括提供一层状结构；在所述层状结构的表面上形成第一图形化层，以便对所述表面的第一区域进行掩模；在所述层状结构的所述表面层上形成第二图形化层，以便对所述表面的第二区域进行掩模并留下所述表面未掩模的第三区域；在所述第三区域刻蚀所述层状结构；和，去除所述第二图形化层并且在所述第二区域刻蚀所述层状结构，或者去除所述第一图形化层并且在所述第一区域刻蚀所述层状结构，其中，所述第一或第二图形化层中的至少一层是通过印刷形成的。

将图形化层印刷到表面上可以理解为选择性地施加图形化层到表面，例如通过将其压在表面上。

在一个优选实施例中，所述第一和第二图形化层都是通过印刷形成的。

所述第二图形化层的印刷可以包括将所述第二图形化层与至少一部分第一图形化层重叠。所述第二图形化层的印刷可以基本上紧随着第一层的印刷而发生。该词“紧随”可以理解为在几秒或几十秒之内。或者可以理解为只要是第一图形化层已经干燥了的时候。

该方法可包括印刷带有第一厚度的所述第一图形化层和印刷带有第二不同厚度的所述第二图形化层。该方法可包括使用第一墨来印刷所述第一图形化层和使用第二墨来印刷所述第二图形化层。所述第一和第二墨可以是不同的并且可以被稀释到不同的浓度。

按照本发明的第二方面，提供一种根据该方法的薄膜晶体管的制造方法。该方法可进一步包括提供一衬底；在所述衬底上提供一图形化的导电栅极区域；提供一绝缘层覆盖在所述衬底和所述图形化的导电栅极区域上；提供一第一半导体层覆盖在所述绝缘层上；提供一第二半导体层覆盖在所述第一半导体层上；和，提供一金属化层覆盖在所述第二半导体层上。

所述第一层的印刷包括限定出用于形成源极和漏极端子的区域。

按照本发明的第三方面，提供一种构造成去执行该方法的装置。

按照本发明的第四方面，提供一种用于制造薄膜晶体管的装置，包括印刷装置，所述印刷装置被构造成在层状结构上印刷第一图形化层以及在层状结构上印刷第二不同的图形化层；刻蚀装置，所述刻蚀装置被构造成刻蚀所述层状结构；和去除装置，所述去除装置构造成去除所述第一图形化层而留下至少部分第二图形化层。

一个层状结构可以包含单层或多层。

现在，参考附图以示例的方式描述本发明的具体实施方式，其中：

图1是用于使用按照本发明的方法制造一器件的装置示意图；

图2a、2b和2c图示出在照相凹版胶印中的步骤；

图3是两阶段上墨过程；

图4a到图4i是制造过程中不同阶段的器件剖面图；

图5a、5b和5c是制造过程不同阶段中的器件平面图。

参见图1，用于制造例如薄膜晶体管的器件的装置1包括印刷装置2、用于支撑层状结构4的装置3、用于相对于层状结构4移动印刷装置2的装置5、用于探测印刷装置2相对于层状结构4的位置的装置6、和用于控制印刷装置2和移动装置5的装置7，在该例子中，印刷装置2为照相凹版胶印机，装置3为刚性平台，装置5为电动机，装置6为光学显微镜和数字相机，装置7为编程的通用计算机。该装置1还包括刻蚀装置8，在该例子中为干法刻蚀机。该刻蚀装置8还可包括用于去除印刷层的去除装置。

在这个例子中，印刷装置2设置成连续地印刷两层图形化层。在该例子中，使用了胶印方法并且每一层的印刷都通常包括三个步骤：

参见图2a，第一步包括上墨。图形携带装置9在这里例子中是玻璃板形式的印刷模，它包括多个槽10，这些槽被设置成去限定图形11。墨12涂在图形携带装置9的表面13，并且填充装置14在图形携带装置9的表面13上方通过，以便用墨12填满槽10并将槽10之间的区域15上的墨12清除掉，填充装置14通常指刮墨刀并且在该例子中是一个金属刮刀。

参见图2b，第二步包括从图形携带装置9上转印图形。图形转印装置16例如是围绕一金属滚筒固定的包含聚合物的圆筒形覆盖层，图形转印装置16被施加到图形携带装置9的表面13，在这个例子中是在图形携带装置9的表面13上滚压，以便将每个槽10中的至少一些墨12带出来。该图形11被保持在图形转印装置15上。

参见图2c，第三步包括印刷图形11。带有墨12的图形转印装置15被施加到层状结构4的表面17，例如是在层状结构4的表面17上滚压。这样，墨12就从图形转印装置15转移到了层状结构4的表面17上。

优选地，使用了照相凹版胶印，这是因为它具有能被设置成一个连续生产过程而提供高生产量的优点。但是，也可以使用其它类型的印刷术，例如丝网印刷或喷墨印刷。

参见图3，印刷装置2包括用于两个不同图形11₁、11₂的两个不同的图形携带装置9₁、9₂和两个不同的图形转印装置16₁、16₂。

第一和第二图形携带装置9₁、9₂包括各自的成组的槽10₁、10₂，槽10₁、10₂分别具有第一和第二槽深d₁、d₂。在这个例子中，第一和第二槽深d₁、d₂是1μm或10μm的数量级。

通过选择槽深10₁、10₂，和/或不同的墨浓度、溶剂或成分，可以控制和改变施加到层状结构的墨的厚度。

可以实现5μm数量级的线宽w₁、w₂和线间距s₁、s₂。

墨12₁、12₂对于湿法和/或干法刻蚀是抗蚀的，或者是在被刻蚀的材料上具有大致的选择性(substantial selectivity)，以便来提供一种刻蚀掩模。优选地，每个墨12₁、12₂在干燥状态下具有1μm或10μm数量级的厚度。优选地，为了快速地干燥，每个墨12₁、12₂可溶解于挥发溶剂中，以便允许连续地印刷多层。优选地，每个墨12₁、12₂可溶解于不同的溶剂中。墨12₁、12₂优选允许将图形转移到层状结构的表面而不会产生图形变形，这种变形例如是由于湿墨或干墨的不可预期和/或不可控制的流动而引起的。例如，该墨可以是一种树脂/溶剂的混合。可选择地，常规的光刻胶或其组分可以用作墨12₁、12₂。可以使用环氧化胺物固化系统。本领域的技术人员将会理解，带有这些特性的墨可以通过常规试验和实验来找到。

现在描述用于限定薄膜晶体管的源极、漏极和沟道端子的过程：

参见图4a和5a，该层状结构4包括衬底19。在这个例子中，衬底19是透明的和电绝缘的，并且是用铝硅酸盐玻璃形成的。但是也可以使用不透明的衬底。栅极端子20位于衬底19上，在这里例子中是以公知的方式沉积和图形化铝形成的。

在栅极端子20和衬底19上提供连续的覆盖层21、22、23、24，这例如可使用化学气相沉积(CVD)设备(未示出)和/或溅射设备(未示出)来提供。第一覆盖层是栅极绝缘层21，在这个例子中是由氮化硅(S₃N₄)形成的并且具有300nm的厚度。第二覆盖层是半导体层，在这个例子中是由未掺杂的氢化非晶硅(a-Si:H)形成并且具有200nm的厚度。第三覆盖层是半导体层，在这个例子中是由掺杂磷(P)的n型氢化非晶硅(a-Si:H)形成，其掺杂浓度为5×10²⁰cm^-3，并且该层具有50nm的厚度。也可以使用其它的层厚度和掺杂浓度。第四覆盖层是金属化层24，在这个例子中是使用优选通过溅射而沉积的钼(Mo)形成。可选择地，它可由铬(Cr)形成。该金属化层24除了一层Mo或Cr之外还可包括一层铝(Al)或铝基合金。

该层状结构4放置在支撑装置3上(图1)以备印刷。该控制装置7(图1)在探测装置和移动装置6、3(图1)的帮助下将层状结构4对准到印刷装置2(图1)。

参见图4b和5b，第一图形化层25₁、25₂被印刷到层状结构4的表面26上，在这个例子中是通过在层状结构4上滚压第一转印装置16₁(图3)来印刷的，以便对表面26的第一和第二区域27₁、27₂进行掩模。在这个例子中，第一图形化层25₁、25₂包含有抗蚀刻的墨并且具有2μm的干厚度，即t₁＝2μm。

参见图4c和5c，第二图形化层28被印刷到层状结构4的表面26以及第一图形化层25₁、25₂的表面29上，以便覆盖表面26的第三区域30而留下表面26的未覆盖的第四和第五区域31₁、31₂。在这个例子中，第二图形化层30包含有抗蚀刻墨并且具有2μm的厚度，即t₂＝1μm。

在这里例子中，第一图形化层25₁、25₂的干厚度t₁是第二图形化层28的干厚度t₂的两倍，即，t₁＝2×t₂。但是，第一图形化层25₁、25₂的干厚度t₁可以相等或大于第二图形化层28的干厚度t₂。第一图形化层25₁、25₂和第二图形化层28各个层中所包含的抗蚀刻墨也可以是不同的。

带有层25₁、25₂、30的层状结构4被转移到刻蚀装置8(图1)上以备刻蚀。

参见图4d，使用第一干法刻蚀，例如使用CF₄/O₂或SF₆/O₂，刻蚀第四和第五区域31₁、31₂中的层状结构4。刻蚀第四和第五区域31₁、31₂中的金属化层24直至到达第二半导体层23，从而去除掉金属化层24的第一和第二部分24₁、24₂而留下已被刻蚀的金属化层24’。

参见图4e，使用第二干法刻蚀，例如使用CF₄/O₂或SF₆/O₂，进一步刻蚀第四和第五区域31₁、31₂中的层状结构4。刻蚀第四和第五区域31₁、31₂中的第二和第一半导体层23、22直至到达绝缘层21，从而去除掉第二半导体层23的第一和第二部分23₁、23₂以及第一半导体层22的第一和第二部分22₁、22₂，而留下已被刻蚀的第二和第一半导体层23’、22’。

参见图4f，使用第三干法刻蚀，例如使用O₂，将第二图形化层28去除以便露出表面26未覆盖的第三区域30。可选择地，可以使用溶剂替代第三干法刻蚀来去除(通过溶解)第二图形化层28，但是留下至少部分的第一图形化层25₁、25₂。这在第一和第二图形化层25₁、25₂、28包含可溶解于不同溶剂中的不同的墨时是优选的。

参见图4g，使用第四干法刻蚀，例如使用SF₆/O₂或CF₄/O₂，刻蚀第三区域30中的层状结构4。刻蚀第三区域30中的已被刻蚀的金属化层24’直至到达第二半导体层23，从而去除掉原金属化层24的第三部分24₃而留下已被刻蚀的金属化层24”。

参见图4h，使用第五干法刻蚀，例如使用CF₄/O₂或SF₆/O₂，进一步刻蚀第三区域30中的层状结构4。刻蚀第三区域30中的第二半导体层23，从而去除掉第二半导体层23的第三部分23₃而留下已被刻蚀的第二半导体层23”。在第三区域30中的第一半导体层22被部分刻蚀，从而去除掉第一半导体层22的第三部分22₃而留下已被刻蚀的包括沟道31的第一半导体层22”。

参见图4i，使用第六干法刻蚀，例如使用O₂，将第一图形化层25₁、25₂去除以便露出表面26未覆盖的第一和第二区域27₁、27₂。可选择地，可以使用溶剂替代第三干法刻蚀来去除(通过溶解)第一图形化层25₁、25₂。

该已被刻蚀的第二半导体层23”包括第一和第二区域32₁、32₂，它们分别形成为源极和漏极端子。

在这种方式中，使用简单的制造过程成形出了源极和漏极端子32₁、32₂以及沟道32。该过程类似于使用半色调掩模过程，这是因为可以获得与多厚度的光刻胶形状相当的等价物。

在所描述的实施例种，第一和第二图形化层都可以被印刷。但是可以设想，所述的印刷技术可以与公知的薄膜层形成方法例如平板印刷限定相结合。例如，第一图形化层可以被印刷，而第二图形化层可以利用沉积和图形化技术而用常规的平板印刷限定来形成。

通过阅读本说明书，其它的变化和变形对于本领域的技术人员来说是明显的。可以使用其它的印刷装置2，例如喷墨印刷机。这种变化和变形可以引入等同物和其它已经在设计、制造和使用电子器件中采用的特征，这些电子器件包括薄膜晶体管和其组成部件，还可以引入在这里已经描述的特征之外的和替代在这里已经描述的特征的其它特征。

Claims

1.一种器件的制造方法，该方法包括：

提供一层状结构；

在所述层状结构的表面上形成第一图形化层，以便对所述表面的第一区域进行掩模；

在所述层状结构的所述表面层上形成第二图形化层，以便对所述表面的第二区域进行掩模并留下所述表面未掩模的第三区域；

在所述第三区域刻蚀所述层状结构；和

去除所述第二图形化层并且在所述第二区域刻蚀所述层状结构，或者，

去除所述第一图形化层并且在所述第一区域刻蚀所述层状结构，其中，所述第一或第二图形化层中的至少一层是通过印刷形成的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二图形化层都是通过印刷形成的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二图形化层的所述印刷包括：

将所述第二图形化层与至少一部分第一图形化层重叠。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第二图形化层的所述印刷基本上紧随着第一层的印刷而发生。

5.根据权利要求2、3或4中任一项所述的方法，包括：

印刷带有第一厚度的所述第一图形化层，和

印刷带有第二不同厚度的所述第二图形化层。

6.根据权利要求2～5中任一项所述的方法，包括：

使用第一墨来印刷所述第一图形化层，和

使用第二墨来印刷所述第二图形化层。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一和第二墨是不同的。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述第一和第二墨被稀释到不同的浓度。

9.一种根据前述任何权利要求的薄膜晶体管的制造方法。

10.根据前述任何权利要求所述的方法，进一步包括：

提供一衬底；

在所述衬底上提供一图形化的导电栅极区域；

提供一绝缘层覆盖在所述衬底和所述图形化的导电栅极区域上；

提供一第一半导体层覆盖在所述绝缘层上；

提供一第二半导体层覆盖在所述第一半导体层上；

提供一金属化层覆盖在所述第二半导体层上。

11.根据权利要求2～10中任一项所述的方法，其中，所述第一层的印刷包括限定出用于形成源极和漏极端子的区域。

12.一种构造成去执行根据在前任何权利要求所述方法的装置。

13.一种用于制造薄膜晶体管的装置，包括：

印刷装置，所述印刷装置被构造成在层状结构上印刷第一图形化层以及在层状结构上印刷第二不同的图形化层；

刻蚀装置，所述刻蚀装置被构造成刻蚀所述层状结构；和

去除装置，构造成去除所述第一图形化层而留下至少部分第二图形化层，或者构造成去除所述第二图形化层而留下至少部分第一图形化层。