TWI273329B - Copper gate electrode of liquid crystal display device and method of fabricating the same - Google Patents

Description

1273329 止· 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、皮本發明是有關於-種液晶顯示元件之銅導線結構及其製 造方法，且特別是㈣於—種具有阻障層之銅導線結構及 造方法。 、 【先前技術】 …薄膜電晶體平面顯示螢幕，特別是薄膜電晶體液晶顯示（以 下間稱TFT-LCD)元件，主要是利用成矩陣狀排列的薄膜電晶體， 配合適當的電容、轉接墊等電子元件來驅動液晶像素，以產生豐富 免麗的圖形。由於TFT-LCD具有外型輕薄、耗電量少以及無輻二 >可染等特性’因此被廣泛地應用在筆記型電腦_的_、個人數 位助理（PDA)等攜帶式資訊產品上，甚至已經逐漸取代傳統桌上型 電腦之CRT監視器。 白知TFT-LCD兀件結構都以銘合金或純銘複合膜作為導線 之材料。為了克服大尺寸、高解析度TFT_LCD或LC[vrv所產生 訊號延遲（RC delay)的現象，則選擇電阻率較高的材料。常用金屬 導線的材料包括：銅（Cu，copper)，電阻率約彳7x1〇4 Qcm ;鋁 (Al，a丨uminum)，電阻率約 2 6χ1〇·6 ;鈦(丁丨，manj議），電 阻率、、句 41 6xi〇 Qcm，鉬（Mo，molybdenum)，電阻率約 5.7x10-6

Qcm ;鉻（C「，chromium)，電阻率約 12 δχΐ〇_6 ;錄 _， nickel), 6.8x10- Q〇m 〇 a ,b , 料取代鋁合金或純鋁導線是目前產業界的熱門研發方向。 凊蒼照第1圖，其繪示—種傳統的薄膜電晶體液晶顯示元件 (TFT-LCD)之部分結構示意圖。在透明的玻璃基板1〇1上先藏鍍一 層金屬銅，再利用微影製程蝕刻金屬銅以形成一圖案化銅導線層

TW1860PA 5 1273329 103。其中，圖案化銅導線層103的兩側必須形成適當的邊緣斜度 (Taper Angle)。之後再進行其他後續製程’例如在圖案化銅導線 層103上方依序形成一氮化矽層1〇5、一非晶矽層（a-Si Layer)107 和一 η 型非晶矽層（n+ a-Si Layer)109。 雖然，銅導線具有較佳的導電度’但上述之傳統製程仍具有 許多缺點’例如： 一、 銅表面極易氧化。 二、 銅不易蝕刻，在蝕刻時也很難控制銅導線層103的邊緣 斜度。 三、 銅與玻璃之間的附著性差，因此銅導線層103與玻璃基 板101之間的接合強度（Adhesion Strength)不佳。 四、 銅導線層103與氮化矽層105之間接合強度不佳。 五、 當銅導線層103與氮化矽層105直接接觸時，銅極易與 矽反應，形成Cu3Si，而改變矽的能帶結構，影響元件的電特性。 六、 當銅導線層103與氮化矽層105直接接觸時，銅極易在 氧化矽中擴散，影響絕緣特性，造成較高的漏電流。 七、 在進行後續製程時，裸露的銅導線在電漿化學氣相沈積 (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition，PECVD)與乾 式钱刻的電漿環境下，反應性極強，很容易污染製程機台，影響到 TFT元件。 目前，已經提出克服銅導線缺點之製程如下： 一、在銅導線層103與氮化矽層1〇5之間再加入〆層金屬 層，以解決銅與矽之間接合不佳、易起反應與擴散等問題。此金屬 層之材料如氮化鈕(TaN)、氮化鈦(Τ_|Ν)、氮化鋁（A|N)、氧化鋁 (AI2〇3)、二氧化鈦(丁i〇2)、组(Ta)、鉑㈧。）、鉻卜鈦⑼、鐵(w) 和鎳（Νι)等。然而，此種方式在製程中必須增加幾道的金屬鍍膜、

TW1860PA 1273329 顯影、蝕刻之步驟。 二、 以銅合金如鉻化銅（Cu^Crx)、鎂化銅（Cu^Mgx)做為銅 導線層103，並在高溫的氧化環境下，於銅導線的表面形成氧化鉻 (Cr2〇3)或氧化鎭（Mg〇），亦用來解決銅與石夕之間接合不佳、易起 反應與擴散等問題。然而，此種方式在製程中亦須增加金屬鍍膜、 顯影、#刻、加熱之步驟。 三、 在銅導線層103與玻璃基板101之間，加入一層可導電 的氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ΙΤΟ)層，以提高接合強度。 【發明内容】 有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種液晶顯示元件之 銅導線結構及其製造方法，在銅導線表面形成一阻障層，以提 高銅與矽之間接合強度、防止銅與矽起反應與銅在矽層中擴 散，以提高應用元件之電性。 根據本發明的目的，係提出一種銅導線結構，應用在一 丁 F 丁-LCD元件中，銅導線結構至少包括：一圖案化銅導線層 (Patterned Copper Layer)，形成於一玻璃基板上；一阻障層 (Barrier Layer)，形成於圖案化銅導線層上方，且阻障層之材料 係至少含有氮或鱗其中之一；或是一合金材料，化學式為 ，其中，Μ，為始（Co)或鉬（Mo)，M2 為鎢（W)、鉬（Mo)、 銖（Re)或飢（V)，R為硼（B)或磷（P)。 根據本發明的目的，再提出一種銅導線結構之製造方法， 係應用於一 TFT-LCD元件之製程中，該方法包括步驟如下： 提供一玻璃基板； 形成一金屬銅層於玻璃基板上方； 圖案化金屬銅層，以形成一圖案化銅導線層；及 TW1860PA 7 !273329 形成一阻障層於圖案化銅導線層上並覆蓋該圖案化銅導 線層，其中，形成阻障層之材料係至少含有氮或磷其中之一， 或是一合金材料其化學式為…為鈷（c〇)或鉬（M〇)， M2為鎢（w)、鉬（Mo)、銖（Re)或釩（v)，R為硼（B)或磷（p)。其 中，可應用塗佈方式形成具氮或磷其中之一（如聚矽烷）的阻障 層，或是以無電鍍（E丨ectr〇|ess)(例如以具有電鍍液之電化學槽 進行化學鏟）方式形成合金材料之阻障層。 為讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下 文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 【實施方式】 本發明主要是在銅導線表面形成一阻障層，以解決傳統結構中 銅與矽之間接合不佳、易起反應與擴散等問題。其中，阻障層之材 料係至少含有氮或磷其中之一（如聚矽烷），或是一合金材料化學 式為 ，IVh 為始（Co)或钥（Mo)，M2 為鎢（W)、錮（Mo)、銖 (Re)或飢（V)，R為爛（b)或磷（p)。 以下’係以應用之TFT-LCD元件具有附著層做詳細說明。並 且依照結構與製造方法的些微差異，在殘離本發明之精神和範圍 内，提出第-實施例和第二實_。另外，在該些實施例中係較佳 地在玻璃基板與銅導線層之㈣成1著層，附著層之材料可以 是金屬，或是含氮、⑨或兩者之高分子材料，以提高應用元件之 接合強度U ’該些實施例並不會_本發明欲保護之範圍。本 發明之技術亦不限於實施例中所敘述之模式。 τ 第一實施例 請參照第2A〜2E圖，其繪示依照本發明第—實施例之部分薄 TW1860PA 8 1273329 膜電晶體液晶顯示元件（TFT-LCD)之製造方法。首先，提供一玻璃 基板201，並以去離子水洗淨。接著，係較佳地在玻璃基板2〇彳上 方形成一附著層（Adhesion Layer)210，如第2A圖所示。形成附著 層210的方法可以是旋轉式塗佈（Spin Coating)或非旋轉式塗佈 (Spinless Coating)。其中，附著層210之材料至少含有氮或磷其 中之一，例如高透明度及熱穩定性佳之高分子材料聚矽烷 (Polysilane)、PS-MSZ(Photosensitive Methylsilazane)感光型光 阻或非感光型MSZ光阻（ClariantCop·提供）。而附著層210之厚 度範圍約100nm〜3000nm。 然後，再以濺鍍的方式形成一金屬銅層202於附著層210 上，如第2B圖所示。接著，利用光阻和微影、蝕刻等製程將金屬 銅層202圖案化。圖案化的步驟例如是：先形成一光阻層（未顯示） 於金屬銅層202上，再曝光顯影光阻層以形成一光阻圖案。根據 光阻圖案餘刻金屬銅層202，以形成一圖案化銅導線層203。最後 去除光阻圖案，如第2C圖所示。 接著，在圖案化銅導線層203上方形成一阻障層並覆蓋圖案 化銅導線層203，阻障層之材料為至少含有氮或磷其中之一， 例如是以聚矽烷（Polysilane)為主之高分子材料，形成厚度較佳 地為500nm〜3μηι ;或是一合金材料，化學式為ΑΜβ，Μι為 鈷（Co)或鉬（Mo)，M2為鎢（W)、鉬（Mo)、銖（Re)或釩(V)，R為 硼（B)或磷（P)。在第一實施例中，係以形成至少含有氮或磷其 中之一之阻障層作說明。 如第2D圖所示，在圖案化銅導線層203上方形成一阻障層 (Barrier Layer)214，形成的方法可以是旋轉式塗佈（Spin Coating) 或非旋轉式塗佈（Spinless Coating)。其中，阻障層214之材料至 少含有氮或磷其中之一，例如高透明度及熱穩定性佳之高分子 TW1860PA 9 1273329 材料聚矽烷（Polysilane)、PS-MSZ (Photosensitive Methylsilazane)感光型光阻或非感光型Msz光阻（C|ariant & 提供）。而阻障層214之厚度為i〇〇nm〜3000nm。 Ρ· 然後再進行其他後續製程，例如第2Ε圖所示，在圖案化納、 線層203上方依序形成一氮化石夕層205、一非晶石夕層（a_sj ^ Layer)207和一 η型非晶矽層（n+ a-si Layer)209，形成方式例 是電漿化學氣相沈積（PECVD)。 ° 另外，在第一實施例中，亦可選擇導電之金屬材料做為附著 層210,材料例如是選自鉬（Mo)、鎢（W)、鉬化鎢（MoW)、鉻（Cr)、 钽（Ta)、鈦（Ti)、氮化鈦（TiN)、鎢化鈦（TiW)、铑（Rh)、鍊（Re)、 釕（Ru)和鈷（Co)所組成之群組。在製程中則以濺鍍方式形成（第 2A圖）此導電之附著層210，且厚度範圍約20nm〜200nm。 第二實施例 請參照弟3A〜3G圖，其繪示依照本發明第*一實施例之部分 薄膜電晶體液晶顯示元件（TFT-LCD)之製造方法。首先，提供一玻 璃基板301，並以去離子水洗淨。接著，在玻璃基板301上方形成 一附著層（Adhesion Layer)310，如第3A圖所示。形成附著層310 的方法可以是旋轉式塗佈（Spin Coating)或#旋轉式塗佈（SpinleSS Coating)。其中，附著層310之材料至少含有氮或磷其中之一’ 例如高透明度及熱穩定性佳之高分子材料聚矽炫（p〇|ysllane)、 PS-MSZ(Ph〇t〇Sensmve Methylsilazane)感光逛光阻或非感光型 MSZ光阻（Clariant Cop.提供）。而附著層3彳0之厚度範圍約 100nm〜3000nm。 然後，再以濺鍍的方式形成一金屬銅層302於附著層310 上，如第3B圖所示。接著，利用光阻和微影、蝕刻等製程將金屬 TW1860PA 10 1273329 銅層302圖案化。圖案化的步驟例如是：先形成一光阻層（未顯示） 於金屬銅層302上，再曝光顯影光阻層以形成一光阻圖案。根據 光阻圖案蝕刻金屬銅層302，以形成一圖案化銅導線層303。最後 去除光阻圖案，如第3C圖所示。 然後，根據圖案化銅導線層303對下方的附著層310進行圖 案化（例如以乾式蝕刻的方式），而產生一圖案化附著層311，如 第3D圖所示。 接著，在圖案化銅導線層303上方形成一阻障層並覆蓋圖案 化銅導線層303，阻障層之材料為至少含有氮或磷其中之一， 例如是以聚矽烷（Polysilane)為主之高分子材料，形成厚度較佳 地為500nm〜3μιτι ;或是一合金材料，化學式為，Μι為 鈷（Co)或鉬（Mo)，M2為鎢（W)、鉬（Mo)、銖（Re)或釩（V)，R為 硼（B)或磷（P)。在第二實施例中，係以形成具合金材料 之阻障層作說明。 在形成阻障層之前，如第3E圖所示，對圖案化銅導線層303 之表面進行活化作用（Activated Reaction)，方法例如是利用金屬 I巴（Pd)進行取代反應（Displacement Reaction)以活化圖案化銅 導線層303之表面。 之後，如第3F圖所示，利用無電鑛（Electroless)方式在圖案 化銅導線層303上方形成一阻障層（Barrier Layer)314，厚度範圍 約5nm〜50nm。其中，阻障層314係為一合金材料，化學式為 ，其中，M!為鈷（Co)或鉬（Mo)，M2 為鎢（W)、鉬（Mo)、 銖（Re)或釩（V)，R為硼（B)或磷（P)。實施方式例如是將具有圖案 化銅導線層303的玻璃基板301浸入含有適當電鍍液(如鈷電鍍 液…）的電化學槽中，以化學鍍方式形成阻障層（如Co、CoWP、 NiWP…等）314。 TW1860PA 11 1273329 然後再進行其他後續製程，例如第3G圖所示，在阻障層314 上方依序形成一氮化矽層305、一非晶矽層（a-Si Layer)307和一 η 型非晶矽層（n+ a-Si Layer)309，形成方式例如是電漿化學氣相沈積 (PECVD)。 另外，在第二實施例中，亦可選擇導電之金屬材料做為附著 層310，材料例如是選自鉬（Mo)、鎢（W)、钥化鶬（MoW)、鉻（Cr)、 钽（Ta)、鈦（Ti)、氮化鈦（TiN)、鎢化鈦（TiW)、铑（Rh)、銖（Re)、 釕（Ru)和鈷（Co)所組成之群組。在製程中則以濺鍍方式形成（第 3A圖）此導電之附著層310，形成之厚度範圍約20nm〜200nm。 並且以蝕刻方式產生圖案化附著層311(第3D圖）。 根據上述第一、第二實施例，在沉積氮化矽層205、305 前，先形成一阻障層214、314，例如是以塗佈方式形成厚度為 100nm〜3000nm的高分子阻障層，其材料至少含有氮或磷其中 之一（例如聚石夕烧（Polysilane)、PS-MSZ感光型光阻或非感光型 MSZ光阻（Clariant Cop·提供））；或是以化學鍍的方式，在裸露 的銅導線上，選區錢上合金材料IVhlV^R，5nm〜50nm厚度之阻 障層。 依照上述，阻障層除了有平坦化之功用外，還可避免銅導線 在後續的製程中裸露而氧化（因此不須增加去除氧化銅的製程）。有 阻障薄膜層保護的銅導線在後續製程中（如以PE-CVD進行 SiN/a-Si/n+三層薄膜的沉積，與乾式蝕刻的電漿環境下），由 於沒有裸露的銅導線，因此對機台造成污染的可能性亦大幅降 低。 若選用至少含有氮或磷其中之一的高分子材料作為阻障 層，可使用旋轉式塗佈（spin coating)或非旋轉式塗佈（spinless TW1860PA 12 1273329 coating)技術形成，除了較傳統的黃光方式減少鍍膜、顯影、蝕刻 * 的製程外，材料及機台的製造成本都較為低廉，因此可使製造成本 降低。此外，選用例如是聚石夕烧（Poly si lane)材料作為阻障層，貝 具有良好的熱穩定性與高透光度，對於應用元件的光學性與信賴性 不致有太大影響，因此在銅導線的蝕刻過程中對於邊緣斜度的容忍 度將提高。 若選用合金材料IVhM2R作為阻障層，除了可作為良好的 姓刻終點層（etch stop layer)外，此阻障層的導電性質可使銅導 線藉由此阻障層與其它導線層連接，而不必直接接觸；而以無 電鍍（化學鍍）方式形成銅導線的阻障層，除了較傳統的 黃光方式減少鍍膜、顯影、蝕刻的製程外，材料及機台的製造 成本都較低廉，因此可使製造成本降低。 綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍 内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之 申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖繪示一種傳統的薄膜電晶體液晶顯示元件(TFT-LCD) 之部分結構示意圖。 第2A〜2E圖繪示依照本發明第一實施例之部分薄膜電晶體 液晶顯示元件（TFT-LCD)之製造方法。 第3A〜3G圖繪示依照本發明第二實施例之部分薄膜電晶 體液晶顯示元件(TFT-LCD)之製造方法。 【主要元件符號說明】

TW1860PA 1273329 101、201、301 :玻璃基板 103、203、303 :圖案化銅導線層 105、205、305 :氮化矽層 107、207、307 :非晶石夕層 109、209、309 : η型非晶矽層 202、302 :金屬銅層 210、310 :附著層 311 ··圖案化附著層 214、314 :阻障層 TW1860PA 14 忤刮。月曰修(致)正替換頁 十、申請專利範圍： 1. 一種液晶顯示元件之銅導線結構，至少包括： 一圖案化銅導線層（Patterned Copper Layer)，形成於一 玻璃基板上； 一阻障層（Barrier Layer)，形成於該圖案化銅導線層上 方，且該阻障層之材料係至少含有氮或鱗其中之一，或是一合 金材料化學式為IVhMaR，IVh為鈷（Co)或鉬（Mo)，M2為鎢（W)、 鉬（Mo)、銖（Re)或釩（V)，R為硼（B)或磷（P)。 2. 如申請專利範圍第1項所述之銅導線結構，其中該阻 © 障層之材料為 PS_MSZ (Photosensitive Methylsilazane)感光 型光阻、或非感光型MSZ(Methylsilazane)光阻。 3. 如申請專利範圍第2項所述之銅導線結構，其中該阻 障層之厚度為500nm〜3μιτι。

4.如申請專利範圍第1項所述之銅導線結構，其中該阻 障層為該合金材料IVhM2R，其厚度為5nm〜50nm。 5.如申請專利範圍第1項所述之銅導線結構，更包括一 附著層（Adhesion Layer)形成於該圖案化銅導線層和該玻璃基 板之間。 6.如申請專利範圍第5項所述之銅導線結構，其中該附 著層之材料為 PS-MSZ (Photosensitive Methylsilazane)感光 型光阻、或非感光型MSZ(Methylsilazane)光阻。 TW1860PA 15 !273329 朴7.如申請專利範圍第6項所述之銅導線結構，其中談附 著層之厚度為1 〇〇nm〜3000nm。 人 8·如申請專利範圍第彳項所述之銅導線結構， TFT irn-kt > 吁具中該 兀件中更包括一氮化矽層（SiN Layer)、— (a_Si Layer)和一 n型非曰石夕尽, 日日夕d 該阻障層上方。非aa夕層(n a-SlLayer)，係依序形成於 9. 一種液晶顯示元件之銅導線結構之製造方法，包括步 驟如下： 提供一玻璃基板； 形成一金屬銅層於該玻璃基板上方； 圖案化該金屬銅層，以形成-圖案化銅導線層；及 、曾形成-阻P早層於該圖案化銅導線層上並覆蓋該圖案化銅 導線層， 其中，形成該阻障層之材料係至少含有氮或鱗其中之一， 或是一合金材料其化學式為MiM2r，Ml為钻（c__〇)， m2為鎢（w)、钥（Mo)、銶（Re)或銳（v)，r為華）或鱗⑻。 ι〇·如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中係以減 鍍方式形成該金屬銅層。 11 …如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中以塗佈 方式形成至少含有氮或碟其中之—的該阻障層。

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Claims (1)

1273329 九12_如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該阻 P平層之材料為聚矽烷（P〇lys•丨丨ane)，且該阻障層形 500nm〜3〇〇0nm。 子叉局 13·如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中以化學 鍍（Electro|ess)方式形成合金材料之該阻障層於該: 化銅導線層上。 一 14·如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中將具 有該圖案化銅導線層之該玻璃基板浸人—具有電鍍液之化學，、鲁 槽，以化學鍍方式形成該阻障層。 予 15’如申請專利範圍第彳3項所述之製造方法，其中該阻 Ρ羊層形成之厚度為5nm〜50nm。 16’如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中在形 成該阻障層之步驟前，先歧（pd)活化該圖案化銅導線層之表 面。 17_如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中圖案化 該金屬銅層之步驟包括： 形成一光阻層於該金屬銅層上； 曝光顯影該光阻層，以形成一光阻圖案； 、 根據該光阻圖案蝕刻該金屬鋼層，以形成該圖案化銅導線 - 層；及 去除該光阻圖案。 TW1860PA 17 1273329 18_如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中在該金 屬鋼層與該玻璃基板之間更形成一附著層。 19·如申請專利範圍第18項所述之製造方法，其中該附 著層之材料為一具有聚矽烷（P〇|ysj|azane)之高分子材料，並以 旋轉塗佈（spin coating)方式形成。 20.如申請專利範圍第19項所述之製造方法，其中在形 成該圖案化銅導線層之步驟後，係根據該光阻圖案和乾式蝕刻 的方式形成一圖案化附著層。 21 ·如申請專利範圍第2〇項所述之製造方法，其中該圖 案化附著層的厚度為1〇〇nm〜3〇〇〇nm。 # 22·如申請專利範圍第18項所述之製造方法，其中該附 者層係為一導電附著層’其材料選自_ (Mo)、鶴(W)、銦化鎮 (MoW)、鉻（C〇、纽（Ta)、鈦（Tj)、氮化鈦（TjN)、鎢化鈦（糊、 姥_、銖(Re)、舒（Ru)和始(c〇)所組成之群組。 23.如申請專利範圍第22項所述之製造方法，其中 電附者層係以濟卸F古r丄、 锻方式形成，且厚度為20nm〜200nm。 _ ·申請專利範圍第22項所述之製造方法，其中在形 成j圖案化銅導線層之步驟後，係根據該光阻圖案㈣該導带 附著層以形成一圖案化附著層。 包 TW1860PA 18