CN1933128A - 薄膜晶体管结构及液晶显示器用基板制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明有关于薄膜晶体管结构及液晶显示器用基板制备方法。方法步骤包括：(a)提供一基板；(b)形成一具有多个凹槽的透光层于基板表面；(c)形成一第一阻障层于凹槽表面；(d)填充一第一金属层于第一阻障层上，并使第一金属层的表面与透光层的表面位于同一平面；以及(e)依序形成一第一绝缘层与一半导体层。本发明方法更可包括：(f)形成一图案化的第二金属层，并暴露出部分半导体层，以形成一薄膜晶体管的一漏极结构与一源极结构；以及(g)形成一透明导电层于部分透光层、与漏极结构的部分第二金属层表面。

Description

薄膜晶体管结构及液晶显示器用基板制备方法

技术领域

本发明涉及一种液晶显示装置制备技术，特别涉及一种具有低阻抗导线结构的薄膜晶体管结构及液晶显示装置基板制备方法。

背景技术

由于集成电路制作成本与元件操作速度的考虑，集成电路工艺技术已迈入特大规模集成电路(ULSI，ultra large scale integration)阶段，使得后段金属联机工艺朝向多层化及微细化发展。然而，伴随金属联机微细化工艺所产生的问题，首先面临的是，金属导线间介电层产生的电容效应而造成信号传递速度下降的问题。

电路信号传递的快慢是决定于电阻(R)与电容(C)乘积，RC乘积值越小，则传递速度越快。因此，传统解决内连金属导线信号延迟的方法常用的有使用较低电阻系数的金属作为金属导线，或者使用较低介电常数的材料作为金属层间的介电材料，以提升导线的信号传输速度。

液晶显示装置相较于传统的映像管监视器，具有低耗电量、小体积及无辐射的优点。随着薄膜晶体管液晶显示器日趋大型化、高分辨率的需求，金属导线信号传输的延迟现象(RC Delay)将变为严重。为了提升薄膜晶体管驱动信号的传输速度，目前亟需采用低电阻率的金属，例如：铜、银、或金等，作为平面显示基板的金属导线或门电极，以解决驱动信号延迟的问题。

然而，铜材料应用尚存在待克服的问题，例如：易于氧化及湿气腐蚀、黏附性不佳、层间扩散等，所以常以多层结构解决上述缺点，但此多层结构的铜导线却会增加后续蚀刻工艺的困难度。

一般传统面板内金属导线设计都以Al/Ti或者Ti/Al/Ti(TiN)来生产，但现有设计有片电阻(sheet electro resist)过高的问题。且当面板内有断线或者异物阻断电路，往往需经由修复线路(repair line)完成修复，但信号所经路径将变为原有的2～3倍。以图1A说明，面板上原本由SATB5导线所提供的电路A发生断线500时，将改由修复线路(电路B)进行电流供应，而此修复线路的路径比原本路径长，将因而导致RC delay的时间增加且信号衰减变形，而造成无法修复的弱线，因此修复的机制也无法发挥效果。

此外，经传统工艺的薄膜晶体管结构中，栅极100外型(Gate profile)在干蚀刻之后，其与基板00接触的角度一般需呈60～80度夹角，如图2A所示。但在实作上，栅极100却易形成异常型式，即呈近乎90度的外型，如图2B。此时栅极绝缘层200溅镀上去时，栅极绝缘层的阶梯覆盖率(step coverage)较差，容易造成裂开(crack)现象201，进而造成源极与栅极的漏电(S-G leakage)，进而影响良率。因此如改以镶嵌式栅极导线，则可避免上述缺失。

虽然现有技术可使用铜工艺来改善传统面板设计时面临的上述困难，但是阻值不易匹配的问题仍待解决，因此如果从材料本身进行改善，将可避免如上述面板设计时的困难，同时提升面板制作的效率。

发明内容

本发明提供一种薄膜晶体管及液晶显示器用薄膜晶体管阵列基板(TFT板)的制作方法，其可直接形成具有镶嵌式栅极导线的薄膜晶体管结构，且可作为修复线路的导线结构，可有效降低面板内拉线的阻值，对于断线的修复有很大帮助，间接也提高产品的良率，避免产品开发时为了修断线需再增加其它元件，增加开发时的成本。

本发明液晶显示器用基板(TFT板)的制作方法，包括(a)提供一基板；(b)形成一图案化的透光层于基板表面，其中图案化透光层具有多个凹槽；(c)形成一第一阻障层于凹槽表面；(d)填充一第一金属层于第一阻障层上，并使第一金属层的表面与透光层的表面位于同一平面；以及(e)依序形成一第一绝缘层与一半导体层于第一金属层与部分透光层上。

依照本发明方法的上述步骤，可完成一液晶显示器用阵列基板的导线结构。而本发明液晶显示器用阵列基板的制作方法更可包括：(f)形成一图案化的第二金属层于半导体层表面与部分的图案化透光层表面，并暴露出部分半导体层，以形成一薄膜晶体管之一漏极结构与一源极结构；以及(g)形成一透明导电层于部分透光层、与漏极结构的部分第二金属层表面。经步骤(f)与(g)，可同时完成薄膜晶体管结构的制作。

本发明更包括一种具有镶嵌式栅极导线的薄膜晶体管结构，包括：一基板；一具有多个凹槽的透光层，其中凹槽填充有第一阻障层与第一金属层，且第一阻障层夹置于第一金属层与透光层之间；一绝缘层，形成于第一金属层上；一半导体层，形成于绝缘层上；一源极金属层与一漏极金属层，形成于半导体层的部分周缘，且源极金属层与漏极金属层不电性连接；以及一透明导电层，形成于部分透光层与部分漏极金属层上，且透明导电层与漏极金属层电性连接。

本发明具有镶嵌式栅极导线的薄膜晶体管结构中，第一金属层与绝缘层之间更可包括一第二阻障层。

于本发明方法或结构中，适用的半导体层材料不限，较佳为一非晶硅层或一多晶硅层。而适用的透光层材料亦无限制，可为现有任一种具透光或半透光的材料，或是一在一定厚度下可具备透光效果的材料，较佳为厚度范围在500～2000的一非晶硅层(a-Si:H)。

本发明第一阻障层的形成可以使片电阻较易于控制，使随后形成的第一金属层的片电阻控制在理想范围中。同时，可避免基材中的碱金属离子扩散至晶种层，且避免铜与晶种层的材料扩散至底层基板，因此，于晶种层沉积于基板之前，本发明的第一阻障层较佳可先沉积于基板上。

于本发明中，较佳的第一阻障层材料不限，较佳可包括一选自由氧化硅、氮化硅(SiNx)、氧化铝、氧化钽、氮化钛(TiN)、氧化铟锡、碳化硅、氮与氧掺杂的碳化硅、钼、铬、钛、镍、钨、钌、钴、磷以及其组合所组成的材料，且更佳的第一阻障层材料可为氮化钛。

本发明方法中，步骤(c)利用一物理汽相沉积、化学汽相沉积、蒸发、溅镀、或电镀，以沉积第一阻障层于基板的表面。其中电镀可为有电电镀、无电电镀或自身催化电镀(auto catalytic plating)。较佳者，本方法中步骤(c)可以无电电镀或自身催化电镀方式，沉积第一阻障层于基板的表面。而所沉积的第一阻障层的厚度不限制，较佳的厚度范围在500～1000之间。

于本发明方法的步骤(c)之后，步骤(d)之前，更包括一步骤(c1)，形成一晶种层于第一阻障层表面。本发明晶种层的材料无限制，较佳的晶种层材料可包括一选自由金、银、铜、镍、钨、钼、钴、钌、钛、锆、铪、铌、钽、钒、铬、锰、铁、钯、铂、铝、以及其组合所组成的金属。此外，上述金属合金、掺杂，例如磷、硼等的上述金属衍生物，或与铜导线层相同的材料，亦可作为本发明晶种层材料。

本发明晶种层可抑制或减少第一金属层的金属扩散至基材底层材料，并且可增加基材底层材料与第一金属层材料之间的附着性。本发明一较佳实施例中，晶种层的形成可利用一至少含金属类、pH值调整剂、界面活性剂、湿润剂、以及酸性触媒等成分的晶种溶液形成。

且，本发明形成晶种层的步骤可为任何一种于基板上形成一晶种层的制程，较佳可利用一物理汽相沉积，例如离子化金属离子的物理汽相沉积(IMP-PVD)；化学汽相沉积，例如离子增强型化学汽相沉积及热化学汽相沉积；蒸发，例如金属蒸发；溅镀，例如长抛溅镀及准直溅镀；或电镀，例如湿式制程的无电电镀、有电电镀，以沉积一晶种层于本发明平面显示基板的表面。

较佳的是，本发明方法中晶种层可以无电电镀方式或自身催化电镀方式，沉积于基板的表面。同时，较佳晶种层的厚度约为1500～4000。

本发明中一较佳实施例的第一金属层的形成，可以化学镀或自身催化电镀等方式，将一金属沉积于基板上透光层的凹槽内，为一第一金属层。本发明中较佳第一金属层包含一铜或铜合金。且本发明中第一金属层的厚度范围较佳可为1500～4000之间。

本发明方法的步骤(d)之后，更可包括一步骤(d1)，于第一金属层表面形成一第二阻障层。第二阻障层的材料不限，较佳包括一选自由氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽、氮化钛、氧化铟锡、碳化硅、氮与氧掺杂的碳化硅、钼、铬、钛、镍、钨、钌、钴、磷以及其组合所组成的材料。

于本发明方法中，步骤(d)中使第二阻障层的表面与透光层的表面位于同一平面，较佳的方式，是以湿蚀刻或化学机械抛光处理(CMP)，以透光层为蚀刻终点，藉以使第二阻障层的表面与透光层的表面位于同一平面。此外，于本发明中的第二阻障层经退火处理，使本发明中一较佳例为，于铜层的第一金属层表面形成一铜硅化物(CuSix)，因而可使作为导线的铜金属具有较低的接触电阻。同时，本发明中第二阻障层的厚度范围不限，较佳为500～1000之间。

于本发明中，较佳湿蚀刻利用一含过氧化氢(H2O2)、硫酸(H2SO4)、乙酰苯胺(acetanilide)、酚磺酸钠(sodium phenol sulfonate)、及硫代硫酸钠所组成的蚀刻液进行。

此外，本发明液晶显示器用阵列基板的制作方法中，所适用的平面显示基板无限制，较佳可为一硅基板、一玻璃基板、或一塑料基板。且更佳可为一适用于主动矩阵驱动型的平面显示基板，例如但不限于此：未掺杂的硅玻璃、磷掺杂玻璃(PSG)、硼-磷掺杂玻璃、钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼硅酸钠盐玻璃、碱金属的硼硅酸盐玻璃、硅酸铝盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、碱土金属的铝硼硅酸盐玻璃、或其组合。

本发明平面显示阵列基板的制备方法可应用于任一种平面显示基板，而较佳可应用于薄膜晶体管液晶显示器的薄膜晶体管工艺中，以同时形成一薄膜晶体管，以及一可作为修复线路的金属导线。

附图说明

图1A为现有面板上一电路断线时，修复线路的路径示意图。

图1B为本发明结构中具第二阻障层的修复线路结构剖面图。

图2A为现有的薄膜晶体管结构中正常的栅极外型。

图2B现有薄膜晶体管结构中异常的栅极外型。

图3A-3H为本发明实施例1中修复线路的导线结构制备流程图。

图4A-图4I本发明实施例2中具第二阻障层修复线路的导线结构制备流程图。

图5A-图5G为本发明实施例3中薄膜晶体管结构的制备流程图。

图6A-图6G本发明实施例4中具第二阻障层薄膜晶体管结构的制备流程图。

电路A              电路B             基板00            栅极100

栅极绝缘层200      裂开现象201       断线500           基板10

透光层20           凹槽21            第一掩膜30        第二掩膜31

第三掩膜32         透明导电层25      第一阻障层40      负型光刻胶50

第一金属层60       第二金属层61      源极结构62        漏极结构63

第一绝缘层70       半导体层80        第二阻障层90

具体实施方式

实施例1，导线的制备

首先，提供一主动矩阵驱动型的平面显示基板10，于基板10上以溅镀方式形成一透光层20，如图3A所示。于本例中，透光层为一非晶硅层(a-Si:H)。然后利用第一掩膜(光罩)30进行曝光显影，配合蚀刻，进行透光层的图案化，藉以定义出多个作为导线位置的凹槽21，如图3B所示。经过曝光显影与蚀刻，本例中最终的透光层20厚度范围在500～2000之间。

接着，以溅镀方式，于透光层20与部分基板10上全面性的形成一第一阻障层40，如图3C。本例中以氮化钛(TiN)作为第一阻障层40。然后于基板10上全面性涂覆上一层负型光刻胶50，并以上述同样的第一掩膜30进行曝光显影，如图3D所示。蚀刻掉凹槽21范围以外的第一阻障层40后，接着移除负型光刻胶50，暴露出第一阻障层40，如图3E所示。

接着，镀上一作为第一金属层的铜层60，如图3F。本例中，第一金属层60的形成，可以为化学镀或自身催化电镀等方式，将基板的欲镀面先浸在含有铜晶种溶液，形成一铜晶种层(图未示)之后，再浸入含有硫酸铜、硫酸、盐酸、光泽剂、平整剂等的溶液中，利用通入电流后，使铜离子还原在铜晶种层的表面以沉积成一铜层60。本例中，铜层的厚度范围在1500～4000之间。之后，经湿蚀刻的方式，以透光层20为蚀刻终点，使铜层60的表面与透光层20的表面位于同一平面，如图3G。

本例中湿蚀刻的进行，是利用硫酸双氧水做为蚀刻液，其组成至少包括：过氧化氢、10～15％的硫酸、乙酰苯胺、酚磺酸钠以及硫代硫酸钠等。湿蚀刻的方式可适用在各种尺寸的玻璃基板。于本例中，较佳的湿蚀刻操作温度在40℃～50℃之间。化学机械抛光处理(CMP)同样可适用于本发明，但是在大型玻璃基板的操作时，则可采用湿蚀刻方法。一般而言，湿蚀刻方法可适用各种尺寸的玻璃基板，并具有量产性。

最后，依序于铜层60与部分透光层20上，以离子增强式化学蒸气沉积法，于小于摄氏300度的温度下，形成一第一绝缘层70与一半导体层80。于本实施例中以硅氮化物(SINX)、硅氧化物(SIOX)、或硅氧氮化物(SIOXNY)作为第一绝缘层70的材料，且所形成的厚度范围在1500～4000之间。而半导体层80于本实施例中为一掺杂式非晶形硅奥姆接触层(n+/a-Si:H layer)，其厚度范围在500～4000之间。

最后完成可作为修复线路的导线结构，如图3H所示。如图3H，本例形成一镶嵌式的导线结构，其结构包括基板10；透光层20；镶嵌于透光层20间的铜层60；夹置于铜层60与透光层20之间，防止铜离子游离至透光层20上的第一阻障层40；以及全面性形成于基板上的绝缘层70以及半导体层80。

实施例2，导线的制备

本实施例的制备方式可参考图4A-图4I。其中图4A-图4G所示的步骤与实施例1图3A-图3G相同。不同的是，本实施例在镀上一作为第一金属层的铜层60，并使铜层60的表面与透光层20的表面位于同一平面之后，接着形成一第二阻障层90于铜层60的表面，如图4H。

第二阻障层90的形成，于本例中以化学汽相沉积法、离子增强式化学汽相沉积法(PECVD)，通入硅甲烷(SiH4)气体，于350℃温度下进行退火(anneal)处理，以使得铜层60表面反应成一层铜-硅化物(CuSix)，其厚度为150～600之间。第二阻障层90可使铜金属制成的导线表面具有较低的接触电阻。

最后，依序于第二阻障层90与部分透光层20上形成一第一绝缘层70与一半导体层80，即完成作为修复线路的导线结构，如图4I。本实施例所制备出的导线结构，包括：基板10；透光层20；镶嵌于透光层20间的铜层60；夹置于铜层60与透光层20之间，防止铜离子游离至透光层20上的第一阻障层40；夹置于铜层60与第一绝缘层70间的第二阻障层90；以及全面性形成于基板上的绝缘层70以及半导体层80。

本例完成的结构亦可参考图1B所示，其为图1A中C区域的结构剖面图。第一阻障层40以及第二阻障层90的形成可将铜层60完全包覆住，可达到避免铜金属氧化及湿气腐蚀、黏附性不佳、或层间扩散等现有技术缺点，使铜金属维持其原有的优异特性，增加其应用范围。

实施例3、薄膜晶体管结构的制备

实施例1完成的导线，如图3H的基板结构(即图5A)，可接着进行薄膜晶体管结构的制备。

请参考图5B-图5G。首先涂覆一负型光刻胶50于半导体层80上，并以相同于实施例1的第一掩膜30进行曝光显影，以定义出作为薄膜晶体管结构的岛区，如图5B。随后蚀刻并移除光刻胶50，只在岛区位置留下第一绝缘层70与一半导体层80，并暴露出透光层20，如图5C。

接着将一第二金属层61全面性的涂覆于半导体层80与透光层20上，再于第二金属层61上全面性的涂覆一层光刻胶50后，利用一第二掩膜31进行曝光显影。于本例中，第二金属层61可以是由氮化钛(TiN)、铝/铜合金(Al-Cu)、钛，或是氮化钛、铝/硅/铜合金(Al-Si-Cu)、钛的多层结构形成，厚度约为1000～3000，结构如图5D所示。

随后进行蚀刻，并移除光刻胶50，以将第二金属层61定义出薄膜晶体管结构上的源极结构62与漏极结构63，并露出半导体层80，如图5E所示。接着第二金属层61、半导体层80与透光层20表面，全面性的依序涂覆上一透明导电层25(如，IZO或ITO)与一层光刻胶50，使透明导电层25直接与透光层20作接触。于本实施例中，因为第二金属层61的铝/同合金或铝/硅/铜合金不易对IZO反应，所以省去保护层(passivation layer)的使用，而直接使透明导电层25与透光层20作接触。本例中透明导电层25的厚度约为500～3000。

接着利用一第三掩膜32，以图案化透明导电层25，如图5F，其中透明导电层25与漏极结构63电性连接。最后移除光刻胶并进行蚀刻后，即完成薄膜晶体管结构的制备，如图5G。

图5G中的结构，为一具有镶嵌式栅极导线的薄膜晶体管结构，其包括：基板10；透光层20；镶嵌于透光层20间，作为栅极的铜层60；夹置于铜层60与透光层20之间，防止铜离子游离至透光层20上的第一阻障层40；形成于铜层60上的绝缘层70；形成于绝缘层上的半导体层80；形成于半导体层80的部分周缘的源极62与漏极63，且源极62与漏极63不电性连接；以及形成于部分透光层与部分漏极金属层上，与漏极63电性连接的透明导电层。

实施例4、薄膜晶体管结构的制备

实施例2完成具有第二阻障层90的修复线路导线，如图4I的基板结构(即图6A)，可接着进行薄膜晶体管结构的制备。

图6B-图6G示意的制备流程图，其步骤与实施例3的图5B-图5G相同。完成的薄膜晶体管结构如图6G所示。

图6G中的结构，为一具有镶嵌式栅极导线的薄膜晶体管结构，且为更完整保护铜金属，本例作为栅极的铜层被第一阻障层40与第二阻障层90所包覆。结构包括：基板10；透光层20；镶嵌于透光层20间，作为栅极的铜层60；夹置于铜层60与透光层20之间，防止铜离子游离至透光层20上的第一阻障层40；夹置于铜层60与第一绝缘层70间的第二阻障层90；形成于第二阻障层90上的绝缘层70；形成于绝缘层70上的半导体层80；形成于半导体层80的部分周缘的源极62与漏极63，且源极62与漏极63不电性连接；以及形成于部分透光层与部分漏极金属层上，与漏极63电性连接的透明导电层。

本发明方法采用低电阻率的金属作为平面显示基板的金属导线或门电极，可进而提升薄膜晶体管驱动信号的传输速度，解决驱动信号延迟的问题。同时因为阻障层的存在，而可使铜金属使用时易于氧化及湿气腐蚀、黏附性不佳、层间扩散等缺点迎刃而解。

以上实施例仅用于说明本发明的实施过程，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种液晶显示器用基板的制作方法，其中，包括：

(a)提供一基板；

(b)形成一图案化的透光层于基板表面，其中图案化透光层具有多个凹槽；

(c)形成一第一阻障层于凹槽表面；

(d)填充一第一金属层于一阻障层上，使第一金属层的表面与透光层的表面位于同一平面；以及

(e)依序形成一第一绝缘层与一半导体层于第一金属层与部分透光层上；

(f)形成一图案化的第二金属层于半导体层表面与部分的图案化透光层表面，并暴露出部分半导体层，以形成一薄膜晶体管的一漏极结构与一源极结构；以及

(g)形成一透明导电层于部分透光层、与漏极结构的部分第二金属层表面。

2.如权利要求1所述的方法，其中，第一阻障层包括一选自由氧化硅、氮化硅(SiNx)、氧化铝、氧化钽、氮化钛(TiN)、氧化铟锡、碳化硅、氮与氧掺杂的碳化硅、钼、铬、钛、镍、钨、钌、钴、磷以及其组合所组成的材料。

3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)利用一物理汽相沉积、化学汽相沉积、蒸发、溅镀、或电镀，以沉积第一阻障层于基板的表面，其中电镀为有电电镀、无电电镀或自身催化电镀。

4.如权利要求1所述的方法，其中于步骤(c)之后，步骤(d)之前，更包括一步骤(c1)，形成一晶种层于第一阻障层表面。

5.如权利要求1所述的方法，其中第一金属层包含铜或铜合金。

6.如权利要求1所述的方法，其中于步骤(d)之后更包括一步骤(d1)，于第一金属层表面形成一第二阻障层。

7.如权利要求6所述的方法，其中，第二阻障层包括一选自由氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽、氮化钛、氧化铟锡、碳化硅、氮与氧掺杂的碳化硅、钼、铬、钛、镍、钨、钌、钴、磷以及其组合所组成的材料。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中第二阻障层的表面与透光层的表面位于同一平面。

9.如权利要求1所述的方法，其中步骤(d)以湿蚀刻方式或化学机械抛光处理，使第一金属层的表面与透光层的表面位于同一平面。

10.如权利要求1所述的方法，其中透光层为一非晶硅层。

11.如权利要求1或10所述的方法，其中透光层的厚度范围在500～2000。

12.一种具有镶嵌式栅极导线的薄膜晶体管结构，其中，包括：

一基板；

一具有多个凹槽的透光层，其中凹槽为填充有第一阻障层与第一金属层，且第一阻障层夹置于第一金属层与透光层之间；

一绝缘层，形成于第一金属层上；

一半导体层，形成于绝缘层上；

一源极金属层与一漏极金属层，形成于半导体层的部分周缘，且源极金属层与漏极金属层为不电性连接；以及

一透明导电层，形成于部分透光层与部分漏极金属层上，且透明导电层与漏极金属层电性连接。

13.如权利要求12所述的结构，其中第一金属层与绝缘层之间更包括一第二阻障层。

14.如权利要求12所述的结构，其中第一阻障层包括一选自由氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽、氮化钛、氧化铟锡、碳化硅、氮与氧掺杂的碳化硅、钼、铬、钛、镍、钨、钌、钴、磷以及其组合所组成的材料。

15.如权利要求12所述的结构，其中第一金属层与第一阻障层之间更包括一晶种层。

16.如权利要求12或15所述的结构，其中第一金属层包含铜或铜合金。

17.如权利要求13所述的结构，其中第二阻障层包括一选自由氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽、氮化钛、氧化铟锡、碳化硅、氮与氧掺杂的碳化硅、钼、铬、钛、镍、钨、钌、钴、磷以及其组合所组成的材料。

18.如权利要求13或17所述的结构，其中第二阻障层的表面与透光层的表面位于同一平面。

19.如权利要求12所述的结构，其中透光层为一非晶硅层。

20.如权利要求12或19所述的结构，其中透光层的厚度范围在500～2000。

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