TWI409561B - 液晶顯示器與其製造方法 - Google Patents

Description

液晶顯示器與其製造方法

本發明係關於一種液晶顯示器的結構與其製造方法，特別是一種僅需兩道光罩即可形成薄膜電晶體陣列的製造方法。

液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)由於具有外型輕薄、耗電量少以及無輻射污染等優點，因此被廣泛應用於各種資訊產品上，從小型的可攜式資訊產品，如個人數位助理(PDA)、筆記型電腦(notebook)，到各種大尺寸的顯示螢幕，都可以見到液晶顯示器的蹤影。

一般之薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD)包含有一透明基板，其上具有許多排列成陣列的薄膜電晶體、畫素電極(pixel electrode)、互相垂直交錯(orthogonal)的掃描線(scan or gate line)與訊號線(data or signal line)、一濾光板(color filter)、以及填充於透明基板與濾光板之間的液晶材料，並配合以適當的電容、接觸墊等電子元件，來驅動液晶像素，進而產生豐富亮麗的圖像。

而一般形成薄膜電晶體陣列的製程中，通常需要五道光阻的步驟。通常第一道光罩製程是用以定義一第一金屬層，以形成掃描線與薄膜電晶體之閘極等構件；第二道光罩製程是定義出薄膜電晶體之通道層；第三道光罩製程用來定義一第二金屬層，以形成資料線與薄膜電晶體之源極與汲極等構件；第四道光罩製程用來將一絕緣之保護層圖案化，以形成接觸孔(via)；第五道光罩製程則是用來將一透明導電層圖案化，以形成畫素電極。

然而，在薄膜電晶體製程中，所使用光罩數愈多，將無法降低 製造成本，且使得製程無法簡化。另外，於每一次光罩製程之微影生產過程中，微粒的污染以及曝光之好壞會直接影響整個產品之良率，因此，光罩製程較多，其產品良率也容易降低。故在薄膜電晶體的製程中，如何減少光罩的製程，乃是目前業界戮力研究的目標。

本發明於是提出一種液晶顯示器的結構與其製造方法，特別是一種僅需兩道光罩即可形成薄膜電晶體陣列的製造方法。

本發明提出了一種形成液晶顯示器的方法。於一較佳實施例，首先提供一基板，並定義有一薄膜電晶體區以及一畫素區，接著在基板上形成一透明導電層以及一第一金屬層。進行一第一微影暨蝕刻步驟，以在該薄膜電晶體區上形成一閘極以及在畫素區上形成一畫素電極。之後形成一絕緣層以及一半導體層，並去除畫素區之絕緣層以及半導體層，接著去除畫素區上之第一金屬層。形成一第二金屬層後，進行一第二微影暨蝕刻步驟，以在薄膜電晶體區上形成一源極以及一汲極，最後在該基板上形成一保護層。

根據申請專利範圍，本發明另外提出了一種液晶顯示面板的結構。此結構包含一基板、一閘極、一絕緣層、一半導體層、一源極與一汲極，皆依序設置於基板上，其中該半導體層包含氧化銦鍺鋅。

本發明所提出一種形成液晶顯示器的方法，巧妙的運用了第一光罩、第二光罩以及剝離製程，因此僅需要兩道光罩即可完成習知技術中須以五道光罩的薄膜電晶體陣列，可大大節省製造成本。

請參考圖1，圖1為本發明之液晶顯示器之剖面結構示意圖。如圖1所示，基板100上至少概分成有四種區域，分別是薄膜電晶體區126、畫素區128、電容區130以及接觸墊區132，其中薄膜電晶體區126、畫素區128以及電容區130會構成一畫素單元。在本發明之一較佳實施例中，設置於各畫素單元內之薄膜電晶體區126上之薄膜電晶體結構均包含有一閘極115(其係由一透明導電層102以及一第一金屬層104所構成)、一絕緣層106、一半導體層108與由圖案化之第二金屬層110所形成之一源極與一汲極，以及一保護層112。設置於各畫素單元內之畫素區128上之透明導電層102則與薄膜電晶體的汲極電性相連，用來當作畫素電極121，並藉由薄膜電晶體的閘極115開關來導入電壓以驅動畫素區128上方之液晶分子(未顯示)。設置於各畫素單元內之電容區130的金屬電容(MIM capacitor)，則具有一電容電極117(由透明導電層102以及第一金屬層104所構成)，用以形成儲存電容。而接觸墊區132則是廣設於基板100之周圍，其內設置有堆疊之透明導電層102、第一金屬層104與第二金屬層110形成接觸墊結構，用以對外交換訊號。

請參考圖2至圖13，圖2至圖13為本發明一種製作液晶顯示器方法的步驟示意圖。如圖2所示，在本發明之一較佳實施例中，首先提供一基板100。接著在基板100上依序全面沈積一透明導電層102以及一第一金屬層104。其中，基板100可為玻璃等之透明基板，透明導電層102可以為氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)或其他透明導電材質，第一金屬層104可以為鋁、鉬、鉻、鎢、銅或 上述金屬之合金材料。此外，基板100上除了上述可概分成四種區域外(薄膜電晶體區126、畫素區128、電容區130以及接觸墊區132)，接觸墊區132又可定義有一第一區域116、一第二區域118、一第三區域120以及一第四區域122，第三區域120包含部份之第一區域116以及部份之第二區域118，第四區域122則包含其餘之第二區域118，第四區域122係作為後續接觸墊結構之暴露區域。

接著，進行一第一微影暨蝕刻製程(photo-etching process,PEP)。首先，於基板100上全面形成一第一光阻層114。接著利用一第一光罩(未顯示)進行一第一微影製程，以於基板100上的各區域中形成不同厚度的圖案化光阻。其中第一光罩可以是灰階光罩(gray tone mask)、半色階光罩(half tone mask)等等。如圖2所示，畫素區128以及接觸墊區132之第二區域118所形成的第一光阻層114最厚；而在薄膜電晶體區126中對應為閘極115之部位，及電容區130對應為電容電極117之部位，以及接觸墊區132之第一區域116，此三個區域為第一光罩之半穿透區，僅允許部份曝光光線通過，因此會形成次厚之第一光阻層114；其餘區域則在顯影後，完全去除第一光阻層114。

接著如圖3所示，利用不同厚度的圖案化光阻層114進行一第一蝕刻步驟，以移除未被第一光阻層114覆蓋之第一金屬層104以及透明導電層102。接著如圖4所示，進行一第一灰化步驟，以非等向性縮減第一光阻層114的厚度，亦即將上述「次厚」的第一光阻層114去除，也就是將薄膜電晶體區126之閘極115部位，以及電容區130之電容電極117部位，以及接觸墊區132之第一區域116上方之第一光阻層114去除，而分別在薄膜電晶體區126 上留下圖案化之透明導電層102與第一金屬層104以形成閘極115結構，在畫素區128上留下圖案化之透明導電層102與第一金屬層104，而在電容區130上留下圖案化之透明導電層102與第一金屬層104以形成電容電極117結構。由於畫素區128以及接觸墊區132之第二區域118其上的第一光阻層114較厚，因此在進行完第一灰化步驟後，此兩區域上之第一光阻層114還具有一定厚度的殘留。

接著請參考圖5，於基板100上依序全面沈積一絕緣層106以及一半導體層108。值得注意的是，由於在基板100上有第一光阻層114，因此此一沈積步驟須以低溫或室溫之成膜製程進行。於本發明之較佳實施例中，半導體層108的材料是使用氧化銦鍺鋅(indium gallium zinc oxide,IGZO)，成膜的溫度可在室溫下進行，其包括一通入氧氣以及氬氣之步驟，且氧氣之體積百分比約為5%至10%。絕緣層108可為一單一(single)絕緣層或一複合(composite)絕緣層，其材質可包含有氧化矽(SiOx)、氮化矽(SiNy)或氮氧化矽(SiON)等。由於畫素區128以及第二區域118上還具有第一光阻層114，因此形成於此兩區的絕緣層106以及半導體層108會覆蓋在第一光阻層114上。

接著請參考圖6，接著進行一第一剝離(lift-off)步驟以去除第一光阻層114。例如以適當的清洗液去除位於畫素區128以及第二區域118所殘留之第一光阻層114，同時也一併去除覆蓋在其上之絕緣層106以及半導體層108。然後如圖7所示，進行一蝕刻步驟以去除畫素區128之第一金屬層104以形成畫素電極，以及去除第二區域118之第一金屬層104。

如圖8所示，於基板100上全面沈積一第二金屬層110。接著 進行一第二微影暨蝕刻製程，如圖9所示。首先，沈積一第二光阻層124，並利用一第二光罩(未顯示)進行一第二微影製程，以於基板100上的各區域中形成不同厚度的圖案化光阻。其中第二光罩可以是灰階光罩(gray tone mask)、半色階光罩(half tone mask)等等。如圖9所示，第四區域122所形成之第二光阻層124最厚；而在薄膜電晶體區126中對應為源極與汲極之區域，以及電容區130和第三區域120僅允許部份之黃光穿透，因此會形成次厚的第二光阻層124；而其餘地區在顯影後則無第二光阻層124。

隨後如圖10所示，進行一第二蝕刻步驟，移除未被第二光阻層124覆蓋之第二金屬層110，使得在薄膜電晶體區126上留下圖案化之第二金屬層110而形成源極與汲極的結構。接著如圖11所示，進行一第二灰化步驟，將上述「次厚」的第二光阻層124去除，而僅留下位於第四區域122之第二光阻層124。

然後進行一沈積步驟，以在基板100上全面形成一保護層112，如圖12所示，且位於第四區域122的保護層112會沈積在殘留的第二光阻層124上。保護層112可以為氧化矽、氮化矽或氮氧化矽等。

之後進行一第二剝離步驟，如圖13所示，以去除位於第四區域122之第二光阻層124以及其上之保護層112，並暴露出下方的第二金屬層110。這些在各接觸墊區132中所暴露出的第二金屬層110則在基板100之邊緣形成接觸墊結構，用來與驅動積體電路(driving IC)或軟性印刷電路版(Flexible Printed Circuit,FPC)等相電連接以對外提供訊號的輸入以及輸出。最後再進行製備配向膜等之製程。

由上述步驟，可以得到圖1中本發明之薄膜電晶體之結構。 特別的是，本發明所提供之薄膜電晶體，其作為閘極通道的半導體層108係由氧化銦鍺鋅所組成。主要的特點有二，第一是由於在本發明的製作方法中，係使用了剝離(lift-off)技術來減少光罩的使用次數，因此必須要在第一光阻層114上形成半導體層108以及絕緣層106，進而藉由剝離光阻以同時圖案化半導體層108與絕緣層106，因此半導體層108的沈積溫度不能太高以破壞其下的第一光阻層114，而氧化銦鍺鋅可在室溫下形成，因此相當符合本製程以及結構之需求。另外，在本發明之製程中，除了畫素區128以及第四區域122外，其餘地區皆有覆蓋半導體層108，因此考量到整體液晶顯示器的透光率問題，半導體層108宜選用透光度高且無光漏電情況的材料，這也是本發明以氧化銦鍺鋅作為半導體層108材料的第二個原因。

綜上而言，本發明所提出一種製作液晶顯示器的方法，巧妙的運用了第一光罩、第二光罩以及剝離製程，因此僅需要兩道光罩即可完成習知技術中須以五道光罩的薄膜電晶體陣列(TFT array)，可大幅節省製造成本以及污染微粒的影響，進而能有效提高良率與產能。另外，利用本發明的製作過程須考量到剝離製程的進行，以及整體透光度的問題，本發明也提出了使用氧化銦鍺鋅作為半導體層的材料，適用於本發明製程中所製作之薄膜電晶體，可有效提升其使用品質。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧基板

102‧‧‧透明導電層

104‧‧‧第一金屬層

106‧‧‧絕緣層

108‧‧‧半導體層

110‧‧‧第二金屬層

112‧‧‧保護層

114‧‧‧第一光阻層

115‧‧‧閘極

116‧‧‧第一區域

117‧‧‧電容電極

118‧‧‧第二區域

120‧‧‧第三區域

121‧‧‧畫素電極

122‧‧‧第四區域

124‧‧‧第二光阻層

126‧‧‧薄膜電晶體區

128‧‧‧畫素區

130‧‧‧電容區

132‧‧‧接觸墊區

圖1為本發明之液晶顯示器之剖面結構示意圖。

圖2至圖13為本發明一種製作液晶顯示器方法的步驟示意圖。

100‧‧‧基板

102‧‧‧透明導電層

104‧‧‧第一金屬層

106‧‧‧絕緣層

108‧‧‧半導體層

110‧‧‧第二金屬層

112‧‧‧保護層

115‧‧‧閘極

116‧‧‧第一區域

117‧‧‧電容電極

118‧‧‧第二區域

121‧‧‧畫素電極

126‧‧‧薄膜電晶體區

128‧‧‧畫素區

130‧‧‧電容區

132‧‧‧接觸墊區

Claims (17)

1. 一種形成液晶顯示器的方法，包含：提供一基板，該基板上定義有一薄膜電晶體區以及一畫素區；在該基板上形成一透明導電層以及一第一金屬層；進行一第一微影暨蝕刻步驟，利用一第一光罩圖案化該第一金屬層與該透明導電層，以在該薄膜電晶體區上形成一閘極，在該畫素區上形成一畫素電極；在該基板上形成一絕緣層以及一半導體層；去除該畫素區之該絕緣層以及該半導體層；去除該畫素區之該第一金屬層；在該基板上形成一第二金屬層；進行一第二微影暨蝕刻步驟，以在該薄膜電晶體區上形成一源極以及一汲極；以及在該基板上形成一保護層；其中於該薄膜電晶體區上定義有一閘極區，且該第一微影暨蝕刻步驟包含：於該基板上形成一第一光阻層；進行一第一微影步驟，利用該第一光罩使得該畫素區之該第一光阻層最厚，該閘極區之該第一光阻層次之；進行一第一蝕刻步驟，以移除未被該第一光阻層覆蓋之該第一金屬層以及該透明導電層；以及進行一第一灰化步驟，以移除該閘極區之該第一光阻層，並使該畫素區還保有該第一光阻層。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中去除該畫素區之該絕緣層 以及該半導體層之步驟包含進行一第一剝離步驟，以去除該畫素區之該第一光阻層以及其上之該絕緣層以及該半導體層。
3. 如申請專利範圍第2項的方法，其中該基板上定義有一接觸墊區，該接觸墊區包含有一第一區域以及一第二區域，且該方法還包含在該接觸墊區上形成一接觸墊。
4. 如申請專利範圍第3項的方法，其中該第一微影步驟時，利用該第一光罩使得該第二區域與該畫素區之該第一光阻層厚度大致相同，該第一區域與該閘極區之該第一光阻層厚度大致相同。
5. 如申請專利範圍第3項的方法，其中該第一剝離步驟時，去除該第二區域之該第一光阻層以及其上之該絕緣層以及該半導體層。。
6. 如申請專利範圍第3項的方法，其中該第二微影暨蝕刻步驟包含：於該接觸墊區上定義一第三區域以及一第四區域，其中該第三區域包含部份之該第一區域以及部份之該第二區域，該第四區域包含其餘之該第二區域；進行一第二微影步驟，利用一第二光罩使得該第四區域之該第二光阻層最厚，該第三區域之該第二光阻層次之；進行一第二蝕刻步驟，以移除未被該第二光阻層覆蓋之該第二金屬層；以及進行一第二灰化步驟，以移除該第三區域之該第二光阻層，並使該第四區域還保有該第二光阻層。
7. 如申請專利範圍第6項的方法，還包含一第二剝離步驟，以去除該第四區域之該第二光阻層以及其上之該保護層。
8. 如申請專利範圍第6項的方法，其中該第二微影暨蝕刻步驟包 含：於該薄膜電晶體區上定義一汲極與一源極區；於該第二微影步驟時，使用該第二光罩使得該汲極、該源極區與該第三區域之該第二光阻層厚度大致相同。
9. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該基板上定義有一電容區，且該方法還包含在該電容區上形成一電容。
10. 如申請專利範圍第9項的方法，其中於該第一微影暨蝕刻步驟時，在該電容區上形成圖案化之該透明導電層以及圖案化之該第一金屬層。
11. 如申請專利範圍第9項的方法，其中於該第二微影暨蝕刻步驟時，在該電容區上形成圖案化之該第二金屬層。
12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該半導體層包含氧化銦鍺鋅(indium gallium zinc oxide)。
13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該半導體層係在一室溫下形成。
14. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該半導體層形成之步驟包含一通入氧氣以及氬氣之步驟，氧氣的體積百分比為5%至10%。
15. 一種液晶顯示器，包含：一基板；一閘極，設置於該基板上；一絕緣層，設置於該閘極上；一半導體層，設置於該絕緣層上，其中該半導體層包含氧化銦鍺鋅；一源極與一汲極，設置於該半導體層上；以及 一畫素電極，設置於該基板上，該畫素電極包含一透明導電層，其中該透明導電層與該汲極電性連接；其中該液晶顯示器以下列步驟製得，該步驟包含：於該基板上定義出一薄膜電晶體區以及一畫素區；在該基板上形成一透明導電層以及一第一金屬層；進行一第一微影暨蝕刻步驟，利用一第一光罩圖案化該第一金屬層與該透明導電層，以在該薄膜電晶體區上形成該閘極，在該畫素區上形成該畫素電極；在該基板上形成一絕緣層以及一半導體層；去除該畫素區之該絕緣層以及該半導體層；去除該畫素區之該第一金屬層；在該基板上形成一第二金屬層；以及進行一第二微影暨蝕刻步驟，以在該薄膜電晶體區上形成該源極以及該汲極。其中於該薄膜電晶體區上定義有一閘極區，且該第一微影暨蝕刻步驟包含：於該基板上形成一第一光阻層；進行一第一微影步驟，利用該第一光罩使得該畫素區之該第一光阻層最厚，該閘極區之該第一光阻層次之；進行一第一蝕刻步驟，以移除未被該第一光阻層覆蓋之該第一金屬層以及該透明導電層；以及進行一第一灰化步驟，以移除該閘極區之該第一光阻層，並使該畫素區還保有該第一光阻層。
16. 如申請專利範圍第15項之液晶顯示器，其中該閘極包含一透明導電層以及一第一金屬層。
17. 如申請專利範圍第15項之液晶顯示器，其中去除該畫素區之該絕緣層以及該半導體層之步驟包含進行一剝離步驟，以去除該畫素區之該第一光阻層以及其上之該絕緣層以及該半導體層。