CN1773356A - 液晶显示装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液晶显示装置及其制造方法，该液晶显示装置的TFT阵列基板使用较现况为少的光刻程序数或光罩数，以降低制造成本。本发明提供一种利用三道光罩即可形成显示装置用TFT阵列基板的新技术，此是借助一种新颖技术和周知的四道遮罩程序的组合而达成者。该新颖技术是于使用感光性丙烯酸树脂膜形成接点的光刻程序中，借着具有相位移转效果的光罩，仅凭一次光刻程序同时形成具有在一般的接触孔部分所需的锥形图案及具有比较接近垂直的锥形状的微细图案，后续程序不必使用光刻程序就可分离像素电极图案。

Description

液晶显示装置及其制造方法
【技术领域】
本发明是有关于一种具有TFT阵列基板的液晶显示装置等平面型显示装置及其制造方法。
【背景技术】
近年来，CRT平面型显示装置的替代产品开发极为盛行，至目前为止尤以从小尺寸移动型显示器发展至大尺寸电视显示器用途的液晶显示装置广为普及。
液晶显示装置是在二片基板间夹持液晶而成的电光学装置，显示性能优异的主动型液晶显示装置广为使用阵列基板，阵列基板是在玻璃基板等透明绝缘基板的一表面上将多条信号线和扫描线形成格子状，并于信号线和扫描线的各交叉点设置有使用非晶硅等的半导体薄膜的薄膜电晶体(以下简称为TFT)以作为切换元件。为了制作TFT阵列基板，如半导体集成电路般使用光罩的多次的光刻程序是不可欠缺，减少包含光刻程序的程序数对于提高液晶显示装置的生产力和降低成本有大助益，自不待言。
目前，于主动阵列型非晶硅TFT阵列基板的制作，一般是经由五道或四道光刻程序的程序。以下介绍日本公开专利公报所揭示的「特开2002-206571号公报」的及在「SID2000，Digest，1016页~1009页A NOVEL FOUR MASK COUNTPROCESS ARCHITECTURE FOR TFT-LCDS」所发表的使用半色调(half tone)光程序技术的四片光罩程序的习用技术。如下文说明，是借助半色调曝光技术利用一片光罩进行包含通道的半导体层的岛化程序和源极·漏极配线程序的合理化技术。
[专利文献一]特开2002-206571号公报
[非专利文献]SID2000，Digest of Technical Papers
在说明专利文献一时，参照图1至图5对应程序的进展状况，显示排列有信号线和扫描线交叉的扫描线及信号线交叉部、作为切换元件的TFT部、像素部以及配置于扫描线周边电路的电极端子部的剖面部分。
首先，如图1(A)所示，使用溅镀装置等制膜装置，将铬、钼、钽、铝、铜或其合金或叠层被覆于玻璃基板1的一表面上，作为第一金属膜2。接着，在第一金属膜2的一表面上涂布光阻，使用第一道光罩选择性形成图1(B)所示的光阻图案3。然后，将光阻图案3作为遮罩进行第一金属膜2的蚀刻，除去光阻，而形成图1(C)所示的兼作为扫描线的栅极膜2A。栅极膜2A的膜厚一般设于0.1~0.3μm的范围。
接着使用电浆CVD装置或溅镀装置等制膜装置，如图2(D)所示般，作为栅极绝缘层的第一氮化硅膜4、作为电晶体的通道的几乎不含杂质的第一非晶硅膜(a-Si)5、以及作为电晶体的源极·漏极的掺杂N型杂质的第二非晶硅膜(N+a-Si)6的三薄膜，分别以例如0.3-0.2-0.05μm的膜厚披覆。再者，使用溅镀装置等被覆例如铬、钼、钽、铝、铜或其合金或叠层，作为第二金属膜7。第二金属膜7的膜厚一般亦约为0.3μm。然后，利用以缝隙图案、点图案等调整透射的曝光能量的第二道光罩或利用以半透射膜调整透射的曝光能量的第二道光罩，形成未曝光部分、完全曝光部分以及半色调曝光部分，制作如图2(E)所示的膜厚因区域而异的光阻图案8。在图2(E)中，以图示标号8A表示利用半色调曝光方式图案化的通道部分，通道部分8A的膜厚比其他对应源极·漏极配线的区域为薄是其特征。其次，如图2(F)所示，以光阻图案8为遮罩，蚀刻第二金属膜7及第二硅膜6和第一硅膜5而形成源极·漏极配线，露出栅极绝缘层4A。接着，如图3(G)所示利用氧气电浆等灰化方式，除去通道部分8A的光阻，露出信号线层7。然后，如图3(H)所示将膜厚减少的光阻图案8B作为遮罩，再次蚀刻信号线层7、第二硅膜6以及第一硅膜5后，除去源极·漏极配线间的第二硅膜6，使得第一硅膜5剩下约0.05~0.1μm。亦即，选择性形成成为TFT的通道的几乎不含杂质的第一硅膜，同时进行源极·漏极配线(SD配线)7A、7B的分离。然后，如图3(I)所示般，除去光阻图案8B。
接着，如图4(J)所示般，利用溅镀法或CVD法被覆具有例如约0.3μm膜厚的第二氮化硅膜等保护膜或钝化绝缘层9，更涂布感光性丙烯酸树脂膜10以作为用以使阵列基板1的表面变成平坦的平坦化膜。一般，平坦化膜是涂布3μm以上的膜厚。然后，如图4(K)所示，使用第四道光罩制作用以到达第一金属膜2A、第二金属膜7B的接触孔10A、10B。接着，如图4(L)所示般，蚀刻接触孔部分10A、10B内的绝缘膜亦即第二氮化硅膜9和第一氮化硅膜4，令第一金属膜2A和第二金属膜7B局部露出。
接着，如图5(M)所示般，利用溅镀法或涂布法等在玻璃基板1的整面被覆形成透明导电膜11。透明导电膜11一般例如是氧化铟(ITO)等金属氧化膜。然后，使用第5片光罩以图5(N)所示的光阻图案12为遮罩选择性蚀刻透明导电膜11，进行像素电极11A的图案化，然后，如图5(O)所示，除去不要的光阻图案12，玻璃基板1就成为主动阵列型非晶硅TFT阵列基板。
将依此方式得到的TFT阵列基板和彩色滤光片贴合而制作液晶面板，接着组装背光和驱动用电路板作为液晶模组以构成各种液晶显示装置。上述主动阵列型非晶硅TFT阵列基板的制作方法需要四道光罩，但是例如在日本特开2002-250935号公报揭露一种程序缩减技术，其是使用一道光罩以防水处理技术构成图4所示的接点形成程序、及图5所示的像素电极形成程序，总计利用三道光罩形成TFT阵列基板。此外，在日本特开2002-98996号公报中所揭露的另一种程序缩减技术，同样是使用一道光罩以化学性机械研磨构成上述2种图案化程序，总计利用三道光罩形成TFT阵列基板。
[专利文献二]特开2002-250935号公报
[专利文献三]特开2002-98996号公报
如上述，为了制作主动阵列型非晶硅TFT阵列基板，目前需要五或四道光罩，成为程序前置时间(lead time)拉长或良品率降低的主要原因。又，在专利文献二所示的先前技术将所需的光罩数减少至三片，但是另外需要进行防水性处理的程序和除去防水性的程序，成为生产力降低的要因。又，因作为像素电极11A的底层的平坦化膜暴露于半色调程序，使阵列基板1的表面的平坦性受损，造成对比降低等显示器显示性能恶化的可能性高。而，在专利文献三所示的先前技术，需要新追加化学性机械研磨处理程序，此外，在边长超过1m的大面积的玻璃基板的研磨程序难以保持玻璃基板的平坦度，和专利文献二同样的，半色调程序对于显示性能有造成不良影响的可能。
【发明内容】
本发明提供的一种液晶显示装置及其制造方法，不仅提供用一道光罩可制作图4和图5所示的接触孔形成程序和像素电极的形成程序技术，而且因不需要如在上述先前技术所示的追加程序，程序前置周期更短、生产力更高。又，因在像素电极形成区域不使用半色调程序，阵列基板的平坦性不会受损，也不会使对比等显示性能恶化。
本发明的一种液晶显示装置，在第一透明绝缘基板及和该第一透明绝缘基板相向的第二透明绝缘基板或彩色滤光片之间充填液晶而成，于该第一透明绝缘基板的一表面上设有排列成二维阵列的单位像素，各单位像素至少具有：绝缘栅极型电晶体、兼作为该绝缘栅极型电晶体的栅极的扫描线、兼作为该绝缘栅极型电晶体的源极配线的信号线、及和该绝缘栅极型电晶体的漏极配线连接的像素电极；于该液晶显示装置中，至少在第一透明绝缘基板的一表面上形成扫描线、绝缘栅极型电晶体以及信号线；在第一透明绝缘基板上形成钝化绝缘层，该钝化绝缘层至少在漏极配线上方具有开口部，而且在像素电极形成区域外的区域形成多条未到达底部的细宽度的沟槽，该钝化绝缘层的上层部为感光性有机绝缘层；且于该感光性有机绝缘层上被覆成为像素电极的导电膜。
依据本发明的液晶显示装置，因像素电极形成区域外的区域所设置的未到达感光性有机绝缘层底部的细宽度沟槽，俾使感光性有机绝缘膜上所被覆的导电膜在物理上、电性上绝缘分离，就自动形成各自独立的透明导电膜。亦即，得到与使用感光性树脂图案的微细加工技术将像素电极图案化的情况同样的效果。无论选用何种种类的导电膜，只要导电膜在物理上、电性上的绝缘分离可轻易进行者即可，导电膜选用透明导电膜时可得到透射型的液晶显示装置，若选用高反射率的金属薄膜时可得到反射型的液晶显示装置。
本发明的液晶显示装置的制造方法，该液晶显示装置是在第一透明绝缘基板及和该第一透明绝缘基板相向的第二透明绝缘基板或彩色滤光片之间充填液晶而成，于该第一透明绝缘基板的一主面上设有排列成二维阵列的单位像素，各单位像素至少具有：至少一绝缘栅极型电晶体、兼作为该绝缘栅极型电晶体的栅极的扫描线、兼作为该绝缘栅极型电晶体的源极配线的信号线、及和该绝缘栅极型电晶体的漏极配线连接的像素电极；于该液晶显示装置的制作时，接触孔形成程序至少包含下列步骤：涂布感光性有机绝缘膜以形成平坦化膜；使用相位移转光罩设定接触孔形成区域为白色、设定像素电极形成区域为黑色、设定像素电极的周围为中间色调区域，令光源照射光相位转移而通过的，该感光性有机绝缘膜曝光而后显像；形成感光性有机绝缘膜，该感光性有机绝缘膜具有：开口部，可用以连接在像素电极和下层金属；像素电极形成部；及像素电极形成区域外的区域，由未到达底部的细宽度的多条沟槽所构成，该多条沟槽用以将相邻的像素电极彼此分离；以及形成像素电极。
依据本发明的液晶显示装置，利用在半色调区域的相位转移效果，该区域的感光性有机绝缘膜的剖面部的锥形角度接近90度，又可将曝光机的解析度界限以上的微细的线&空间图案化，利用像素周边的有限区域可形成更多条沟槽。又，在曝光机的解析度界限以上的微细线宽及&空间，照射该区域的曝光能量衰减，图案化的空间(沟槽)部分的底面未到达感光性有机绝缘膜的底部。而接触孔形形成区域因按照和一般的二进位遮罩的透明部分一样的原理图案化，可形成接触孔所需的比较稳定的锥形角。像素电极形成区域和一般的二进位遮罩的遮光部分一样未图案化。在像这样形成既定的开口部和细沟槽后，若被覆成为像素电极的导电膜，在利用移相效果图案化的像素电极的周边区域，因利用用感光性有机绝缘膜所形成的图案的形状(沟槽)将导电膜切断，形成孤立的像素电极形成区域，作为像素电极。此外，因利用相位转移效果可实现解析度以下的图案化，可在有限的区域形成多条沟槽，易于提高该切断的准确率。因而，因使用相位移转遮罩在一道光刻程序可进行接触孔的形成和像素电极的图案化，和以往的制法相异，在像素电极形成程序不需要光刻程序。
依据本发明的液晶显示装置的制造方法，可用习用溅镀法形成像素电极用的透明导电膜。
依据本发明的液晶显示装置的制造方法，利用不需要真空装置的涂布法可形成像素电极用的透明导电膜。
依据本发明的液晶显示装置的制造方法，可用习用溅镀法形成反射像素电极用的高反射率金属薄膜。
本发明的效果：
如上述，在包含感光性丙烯酸树脂膜的接触孔形成程序，借着使用相位转移遮罩，在一次的光刻程序同时形成具有一般接触孔形成所需的锥形形状的开口图案和具有比较接近垂直的锥形形状的沟槽形的图案，在像素电极形成程序，不需要光刻程序，就可将下一程序被覆的导电层分离而图案化。可提供一种新的液晶显示装置用阵列基板，利用像这样在是平坦化膜的感光性丙烯酸树脂膜所形成的细且深的沟槽的段差，分离像素电极。
本发明因在制作液晶显示用阵列基板时可减少一个程序份量的光刻程序，借着周知的四道遮罩程序的组合，实现三道遮罩程序，对于制造费用的降低也贡献大。又，在反射型的液晶显示装置也可一样的实施本技术。
依据本发明，可和习知例一样用溅镀法形成像素电极用导电膜。或用涂布法也可形成像素电极用导电膜，不需要如溅镀装置的昂贵的真空装置或生产设备，制造费用更能降低。
本发明的优异性在于不仅提供用一道光罩可制作图4和图5所示的接触孔形成程序和像素电极的形成程序技术，而且因不需要如在上述先前技术所示的追加程序，程序前置周期更短、生产力更高。又，因在像素电极形成区域不使用半色调程序，阵列基板的平坦性不会受损，也不会使对比等显示性能恶化。
【附图说明】
图1是本发明及习知例的液晶显示用阵列基板的剖面图(栅极形成程序)。
图2是本发明及习知例的液晶显示用阵列基板的剖面图(SD线形成程序)。
图3是本发明及习知例的液晶显示用阵列基板的剖面图(半导体层形成程序)。
图4是习知例的液晶显示用阵列基板的剖面图(接点形成程序)。
图5是习知例的液晶显示用阵列基板的剖面图(像素电极形成程序)。
图6是本发明的液晶显示用阵列基板的剖面图(接点形成程序和像素电极形成程序)。
图7是在本发明使用的移相遮罩。
【具体实施方式】
图1(A)~图4(J)为止的程序和在习知例所说明的程序相同。其后的依本发明实施例的程序的剖面图则显示于图6。又，图7是用以说明相位差遮罩的相位差遮罩的概略剖面图。程序的剖面图是如前述，用以示意显示排列扫描线和信号线交叉的扫描线一信号线交叉部、作为切换元件的TFT部以及在像素部和扫描线的周边电路配置的电极端子部的剖面部分。
[实施例一]
首先，如图1(A)所示，在玻璃基板1的一表面上使用溅镀装置等制膜装置，将铬、钼、钽、铝、铜或其合金或叠层形成为第一金属膜2。接着，在第一金属膜2的一表面上涂布光光阻，使用第一道光罩形成图1(B)所示的光阻图案3。然后，将光阻图案3作为遮罩进行第一金属膜2的蚀刻后，除去光阻图案3，形成图1(C)所示的栅极膜2A。
接着使用电浆CVD装置或溅镀装置等如图2(C)所示被覆作为栅极绝缘层的第一氮化硅膜4、作为电晶体的通道的第一硅膜5以及掺杂N型杂质的第二硅膜6。此外，利用溅镀装置等被覆铬、钼、钽、铝、铜或其合金或叠层，作为第二金属膜7。然后，利用以缝隙图案、点图案等调整透射的曝光能量的第二道光罩或利用以半透射膜调整透射的曝光能量的第二道光罩，形成未曝光部分、完全曝光部分以及半色调曝光部分，制作图2(E)所示的光阻图案8。如图2(F)所示，以光阻图案8为遮罩蚀刻第二金属膜7及第二硅膜6和第一硅膜5后，如图3(G)所示利用氧气电浆灰化方式除去通道部分8A的光阻，令信号线层7露出。然后，如图3(H)所示将膜厚减少的光阻图案8B作为遮罩再蚀刻信号线层7、第二硅膜6以及第一硅膜5后，第一硅膜剩下约0.05~0.1μm。然后，如图3(I)所示除去剩下的光阻，完成源极·漏极配线7A、7B的形成。
接着，如图6(P)(和图4(J)一样)所示，利用溅镀法或CVD法形成例如第二氮化硅膜等保护膜或者钝化绝缘层9，还在平坦化膜上例如涂布厚度3~6μm的感光性丙烯酸树脂膜10。
然后，在第三道光罩上，使用如图7所示的相位转移遮罩12进行感光性丙烯酸树脂膜10的图案化。在相位转移遮罩，例如有硅化钼膜、硅化锆膜在功能上作为相位移转器的，或借着挖入光罩石英玻璃母材而改变相位的挖入型，或无铬的相位转移遮罩等。使用这些相位转移遮罩12如图6(Q)和图7所示，在属于接触孔形成区域10A、10B的部分和一般的二进位遮罩一样利用透射部分13的光形成具有接触孔所需的锥形(taper)图案。此时，10A、10B的开口部分到达保护膜9的表面。又，因像素电极之间和电极端子之间分离的部分或在电性上不需要导电膜的部分10C的区域具有相位移转部分14，将形成比接触孔形成区域更为接近垂直的图案化沟槽15。而且也可形成超过曝光机的解析度的微细的图案。这些沟槽15因线宽细至和曝光机的解析度同等以上，照射感光性丙烯酸树脂膜10的能量比接触孔形成区域的更少，沟槽15的底边不会到达感光性丙烯酸树脂膜10的底边。例如，可设计使沟槽15的缝隙宽变成1~3μm、深度变成约1~4μm的相位移转部分14的图案。相位移转(移相效果)部分14借着变换相邻的图案的相位，调整成强调图案的边缘部分。此外，上述说明以正型的感光性丙烯酸树脂膜为例，但是相位移转曝光当然也可应用于化学放大型的负型的感光性丙烯酸树脂膜。然后，如图6(Q)所示，以使用这种相位转移遮罩12所得到的感光性丙烯酸树脂膜的图案为遮罩蚀刻，选择性除去第二氮化硅膜9和第一氮化硅膜4。
然后，如图6(R)所示，令例如厚度约0.04~0.2μm的透明导电膜11被覆于利用溅镀法或涂布法图案化的感光性丙烯酸树脂膜10上。在涂布法的情况，涂布含有导电材料的溶液后，加热而令透明导电膜在物理上、化学上安定即可。透明导电膜一般如上述所示膜厚(约0.1μm)，利用在前程序所形成的在电性上不需要导电膜的区域10C的深(1μm以上)且细的沟槽15易于在物理上、电性上分开，在像素电极形成区域自动形成透明导电性的像素电极11A，但是像素电极11A在接点部分10B和TFT的漏极7B作物理上、电性上的连接。
[实施例二]
如自实施例一得知，在本发明，像素电极不必图案化，利用在感光性丙烯酸树脂膜10所形成的深的沟槽15将像素电极用的导电性薄膜在物理上、电性上分开即可。因此，在像素电极用的导电性薄膜使用铝及铝合金或银及银合金等高反射率金属时可得到反射型液晶显示装置的像素电极(反射电极)。一般用溅镀被覆形成这些金属，其膜厚和透射型的透明电极相等，一般约0.1μm。这也包含避免反射率因伴随膜厚增大的结晶成长现象而降低的意义。
但，虽未图示，反射型液晶显示装置的像素电极为了避免镜面反射，其基体不是平坦，需要深度约0.5~1μm的凹凸面。在大部分的情况，在这种具有凹凸面的基体的形成也使用感光性丙烯酸树脂膜，此法也有成本考量问题课题。若用第一层的感光性丙烯酸树脂膜形成凹凸，再以所谓的最后的钝化绝缘层被覆形成第二层的感光性丙烯酸树脂膜，形成用以连接像素电极和漏极之间的开口部后，形成像素电极，得到反射型液晶显示装置。在此情况，若将本发明应用于第二层的感光性丙烯酸树脂膜，可达到减少程序的目的。
为了只使用一层感光性丙烯酸树脂膜实现在本发明提议的深沟槽和令其表面具有凹凸，推测需要开发例如只局部性供给凹凸形成区域热能、光能的技术，但是和使用二层感光性丙烯酸树脂膜形成凹凸面的情况的长程序处理相比，依然费用优势大，而且一定和本发明的深沟槽一起有助于反射型液晶显示装置的低成本化。
自如以上的说明得知，在本发明因在像素电极形成程序不使用光罩，用三道光罩可制造透射型的液晶显示装置用TFT阵列基板。
最后在本发明感光性有机绝缘层(丙烯酸树脂膜)10是必需的构成部位，但是在使用在通道上具有保护绝缘层的蚀刻停止型的绝缘栅极型电晶体的液晶显示装置未必需要钝化绝缘膜或保护膜9，这是补充说明。
元件符号说明
1  玻璃基板
2  第一金属膜
2A 栅极膜
3  光阻图案
4  第一氮化硅膜
5  第一硅膜
6  第二硅膜
7  第二金属膜
7A、7B源极·漏极配线
8  光阻图案
8A  通道部分
9   第二氮化硅膜
10  感光性丙烯酸树脂膜
10A、10B接点部分(开口部)
10C 电性上不需要导电膜的部分(沟槽形成区域)
11  透明导电膜
11A 像素电极
12  相位转移遮罩
13  透射部分
14  相位转移部分
15  在感光性有机绝缘层所形成的(微小的)沟槽

Claims (5)

1.一种液晶显示装置，其特征在于：在第一透明绝缘基板及和该第一透明绝缘基板相向的第二透明绝缘基板或彩色滤光片之间充填液晶而成，于该第一透明绝缘基板的一表面上设有排列成二维阵列的单位像素，各单位像素至少具有：绝缘栅极型电晶体、兼作为该绝缘栅极型电晶体的栅极的扫描线、兼作为该绝缘栅极型电晶体的源极配线的信号线、及和该绝缘栅极型电晶体的漏极配线连接的像素电极；
于该液晶显示装置中，
至少在第一透明绝缘基板的一表面上形成扫描线、绝缘栅极型电晶体以及信号线；
在第一透明绝缘基板上形成钝化绝缘层，该钝化绝缘层至少在漏极配线上方具有开口部，而且在像素电极形成区域外的区域形成多条未到达底部的细宽度的沟槽，该钝化绝缘层的上层部为感光性有机绝缘层；
且于该感光性有机绝缘层上被覆成为像素电极的导电膜。
2.一种液晶显示装置的制造方法，其特征在于：该液晶显示装置是在第一透明绝缘基板及和该第一透明绝缘基板相向的第二透明绝缘基板或彩色滤光片之间充填液晶而成，于该第一透明绝缘基板的一表面上设有排列成二维阵列的单位像素，各单位像素至少具有：绝缘栅极型电晶体、兼作为该绝缘栅极型电晶体的栅极的扫描线、兼作为该绝缘栅极型电晶体的源极配线的信号线、及和该绝缘栅极型电晶体的漏极配线连接的像素电极；
于该液晶显示装置的制作时，在接触孔形成程序至少包含下列步骤：
涂布感光性有机绝缘膜，形成表面平坦的电性绝缘膜；
利用设定接触孔形成区域为白色、设定像素电极形成区域为黑色、设定画素电极周围为中间色调区域的相位转移光罩，光源的照射光通过该相位转移光罩，该感光性有机绝缘膜曝光而后显像；
形成感光性有机绝缘膜，该感光性有机绝缘膜具有：开口部，可用以连接在像素电极和下层金属；像素电极形成部；及像素电极形成区域外的区域，由未到达底部的细宽度的多条沟槽所构成，该多条沟槽用以将相邻的像素电极彼此分离；以及
形成像素电极。
3.如权利要求2所述的液晶显示装置的制造方法，其特征在于：借助溅镀方式形成ITO或IZO或这些的混和物，以作为像素电极用导电膜。
4.如权利要求2所述的液晶显示装置的制造方法，其特征在于：使用令ITO、IZO、IN2O3、ZnO等的透明导电性粉体至少一种以上分散而成的涂布膜，以作为像素电极用导电膜，借助加热处理令其安定化。
5.如权利要求2所述的液晶显示装置的制造方法，其特征在于：借助溅镀方式形成铝及铝合金、或银及银合金等高反射率金属，以作为像素电极用导电膜。
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