薄膜電晶體陣列基板的製造方法及其結構的製作方法
2023-05-07 17:45:11
專利名稱：薄膜電晶體陣列基板的製造方法及其結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜電晶體陣列基板的製造方法及其結構，且特別涉及一種自動對準的平面間轉換(In-Plane Switching，IPS)模式液晶顯示器中的薄膜電晶體陣列基板的製造方法及其結構。
請參照
圖1A與圖1B，圖1A是公知技術的平面間轉換模式液晶顯示器中的薄膜電晶體陣列基板結構的俯視圖，而圖1B是圖1A中沿著II-II剖面線的剖面圖。平面間轉換的特性在於液晶分子僅有平面的旋轉，而沒有垂直方向的扭轉。薄膜電晶體陣列基板主要在透明基板100上配置多個呈陣列排列的薄膜電晶體102，而每一薄膜電晶體102會對應一個像素區域(pixel area)104，此像素區域104是由多個金electrode)108所構成，且下層的金屬公共電極106與上層的金屬像素電極108之間配置有一絕緣層107。其中，薄膜電晶體102的源極/漏極110會與信號線114、金屬像素電極108電性連接。在整個透明基板100上還配置有一保護層116以覆蓋住所有的薄膜電晶體102與像素區域104。通過金屬像素電極108與金屬公共電極106之間的橫向電場使液晶動作，液晶會平行於基板100而在同一平面上旋轉以達到顯示的作用，如此便可以降低視角的依存性，進而改善顯示器視角的問題。
接著請參照圖2A，公知技術的平面間轉換模式(IPS)液晶顯示器由於在金屬像素電極108與金屬公共電極106之間具有橫向電場，故具有較佳的視角，但在金屬像素電極108或金屬公共電極106上方的液晶分子將不受到橫向電場的作用而無法達到顯示的功能，故會有低開口率(aperture)的問題出現。
接著請參照圖2B，為了改善平面間轉換模式(IPS)液晶顯示器開口率的問題，一種邊緣電場轉換模式(FFS)液晶顯示器結構即被提出，是利用上、下兩層的透明像素電極108b與透明公共電極106b間距小於電極寬度與顯示器間距(cell gap)，以使得橫向電場均勻分布於各個電極106b、108b之間以及電極106b、108b上方，進而得到較平面間轉換模式(IPS)高的開口率。但邊緣電場轉換模式液晶顯示器結構的缺點是電極的間距因在不同的光罩下定義，工藝上較難控制。另外，下層的透明公共電極106b製作完成之後，需再增加一道光罩及一次沉積過程以定義出上層的透明像素電極108b，因此多了一道光罩工藝。且由於上、下兩層的透明電極108b、106b的對準十分關鍵，若對準上出現誤差，則會有電場分布不均而影響顯示品質的問題。此外，若使用在步進機(stepper)的曝光工藝中，因為大面積的液晶顯示器是由一些小面積液晶顯示單元組合而成的，上述由傳統製造方法製造出的液晶顯示單元在組裝時也容易有畫質上的問題(shot mura issue)。
為實現本發明的上述目的，提出一種薄膜電晶體陣列基板的製造方法及其結構，通過傳統薄膜電晶體的製造方法製作多個陣列排列的薄膜電晶體於透明基板上。在薄膜電晶體製作的過程中，利用第一金屬層形成掃描線(scan line)、柵極(gate)及公共電極線(common line)，而後續柵極絕緣層與保護層會依序覆蓋於像素區域上。通過選定蝕刻劑、柵極絕緣層與保護層的材質，控制柵極絕緣層的蝕刻速率大於保護層的蝕刻速率，以在柵極絕緣層與保護層形成多個開口，使得柵極絕緣層中的開口具有底切輪廓。之後再形成一透明導電層於透明基底上方，由於柵極絕緣層中的開口具有底切(undercut)輪廓，故所形成的透明導電層會在開口邊緣自動分離，分布在各開口底部以及保護層上方而不造成橋接，使其所形成的上、下層電極自行對準且電極間距幾乎為零。此時，上層透明導電層連接源極金屬形成透明像素電極，而下層透明導電層則連接公共金屬線形成透明公共電極。
為實現本發明的上述目的，提出一種薄膜電晶體陣列基板的製造方法及其結構，通過傳統薄膜電晶體的製造方法製作多個陣列排列的薄膜電晶體於透明基板上。在薄膜電晶體製作的過程中，柵極絕緣層例如為第一絕緣層與第二絕緣層所組成的兩層結構，且第一絕緣層與第二絕緣層均會覆蓋於像素區域上。通過選定蝕刻劑、柵極絕緣層與保護層的材質，控制第一絕緣層的蝕刻速率大於第二絕緣層的蝕刻速率，在第一絕緣層與第二絕緣層形成多個開口，使得第一絕緣層中的開口具有底切輪廓。之後再形成一透明導電層於透明基底上方，由於第一絕緣層中的開口具有底切輪廓，故所形成的透明導電層會在開口邊緣自動分離，分布在各開口底部以及第二絕緣層上方而不造成橋接，使其所形成的上、下層電極自行對準且電極間距幾乎為零。此時，上層透明導電層連接源極金屬形成透明像素電極，而下層透明導電層則連接公共金屬線形成透明公共電極。
圖中標記分別是100、200、300透明基板102薄膜電晶體104、200b、300b像素區域106、220b金屬公共電極106b、220b、320b透明公共電極107絕緣層108金屬像素電極108b、220a、320a透明像素電極110、212、312源極/漏極114信號線116、216、316保護層200a、300a薄膜電晶體區域202a、302a柵極202b、302b公共電極線204柵極絕緣層304a第一柵極絕緣層
304b第二柵極絕緣層206、306信道層208、308蝕刻終止層210、310接觸層214a、214b、314開口218、318底切輪廓220高分子膜接著請參照圖4，再形成柵極202a之後，在透明基板200上依序形成一柵極絕緣層204、一信道層206以及一氮化矽層。其中，柵極絕緣層204例如為以化學氣相沉積方式(CVD)所形成的矽氧化物(SiOx)或氮矽化物(SiNx)層，而信道層206的材質例如為本徵型態的非晶矽層(intrinsic a-Si)。接著將信道層206上方的氮化矽層部分移除，僅保留柵極202a上方部分的氮化矽層，以形成一蝕刻終止層208，此蝕刻終止層208是針對後續在形成源極、漏極時所進行的蝕刻步驟而言的。
接著請參照圖5，在蝕刻終止層208形成之後，在透明基板200上依序形成一接觸層210以及一源極/漏極導體層，接著定義出源極/漏極212的位置，並將源極/漏極212位置以外區域的接觸層210、源極/漏極導體層以及信道層206移除，以形成源極/漏極212。其中，接觸層210、源極/漏極導體層以及信道層206例如以蝕刻的方式將其剝除，而以柵極202a上方的蝕刻終止層208保護其下的信道層206，確保信道層206不會被蝕刻而造成損害的現象。
接著請參照圖6，在源極/漏極212形成之後，形成一保護層216於透明基板200的薄膜電晶體區域200a與像素區域200b上，保護層216的材質可視柵極絕緣層204的材質以及所選用的蝕刻劑而定，其目的在使柵極絕緣層204的蝕刻速率有效地大於保護層216的蝕刻速率，其蝕刻選擇比大於1即可，其較佳範圍為1至10之間，以產生一底切結果，其所得到的結果在後述中有較清楚得描述。在選定適當蝕刻劑的情況下，若柵極絕緣層204的材質是矽氧化物(SiOx)，保護層216例如可以選用氮矽化物(SiNx)或高分子膜等蝕刻速率遠小於矽氧化物(SiOx)的材質。若柵極絕緣層204的材質是氮矽化物(SiNx)，保護層216例如可以選用高分子膜等蝕刻速率遠小於氮矽化物(SiNx)的材質。上述僅在選用特定蝕刻劑的情況下，例舉柵極絕緣層204材質與保護層216材質之間的對應關係，但並非限定其材質。
同樣請參照圖6，在選用適當的保護層216之後，在薄膜電晶體區域200a上方源極/漏極212處以微影工藝定義開口214a，以及在像素區域200b上方以微影工藝定義出多個開口214b的位置，開口214b例如為彼此平行排列的條狀開口。接著進行一蝕刻步驟，移除部分的保護層216與柵極絕緣層204，以形成開口214a、214b。其中，開口214a的蝕刻停止在源極/漏極212上，而開口214b在柵極絕緣層204的邊緣，由於柵極絕緣層204被蝕刻的速率較快，故會具有一底切輪廓(undercut profile)218。最後再在像素區域200b上方形成一透明導體層，由於開口214b在柵極絕緣層204的邊緣具有底切輪廓218，故所形成的導體層會在開口214b邊緣自動分開，以在開口214b的底部以及保護層216的上表面上分別形成透明公共電極220b與透明像素電極220a。其中，透明公共電極220b與透明像素電極220a的材質例如為銦錫氧化物(ITO)或銦鋅氧化物，且每一像素區域200a上的透明像素電極220a通過開口214a與薄膜電晶體的源極/漏極212電性連接。而透明公共電極220b則通過開口214b與金屬公共電極202b電性連接，以降低其電阻值。此外，為了像素區域200b上方表面的平坦化，還可形成透明導體層之後，再塗布上一層透明高分子膜220，而後同時定義，如圖7中所示。
請參照圖7，是本發明第一實施例平面間轉換模式液晶顯示器中像素區域的局部放大圖。由圖7可以清楚看出，由於開口214b在柵極絕緣層204的邊緣具有底切輪廓218，底切輪廓218會使得透明像素電極220a與透明公共電極220b在開口214的邊緣處自動分開，而不會橋接在一起。所形成的透明像素電極220a與透明公共電極220b的間距幾乎為零，且是自行對準型態，故不會有公知的像素電極與公共電極誤對準方面的問題。此外，由於透明像素電極220a與透明公共電極220b的間距為零，故透明像素電極220a與透明公共電極220b間的橫向電場強度與分布會使得顯示器的開口率更加提高，且工作電壓較低。此外，透明像素電極220a與透明公共電極220b例如是以一次沉積形成的，工藝較為簡化。
第二實施例請參照圖8至圖11，是本發明第二實施例平面間轉換模式液晶顯示器中薄膜電晶體陣列基板的製造流程示意圖。首先請參照圖8，提供一透明基板300，透明基板300的材質例如是玻璃基板。在透明基板300上定義出多個成陣列排列且相互對應的薄膜電晶體區域300a與像素區域300b。接著在薄膜電晶體區域300a與像素區域300b上方形成一導體層，再以微影蝕刻工藝形成一柵極302a與公共電極線302b，此柵極302a與公共電極線302b的材質例如為鉭、鉬、鋁、鉻等金屬。
接著請參照圖9，在形成柵極302a之後，在透明基板300上依序形成一多層結構的柵極絕緣層包括一第一柵極絕緣層304a與一第二柵極絕緣層304b、一信道層306以及一氮化矽層。其中，第一柵極氧化層304a例如為以化學氣相沉積方式(CVD)所形成的矽氧化物(SiOx)或氮矽化物(SiNx)層。第二柵極氧化層304b的材質可視柵極絕緣層304a的材質以及所選用的蝕刻劑而定，其目的在於使第一柵極絕緣層304a的蝕刻速率大於第二柵極絕緣層304b的蝕刻速率。在選定適當蝕刻劑的情況下，若第一柵極絕緣層304a的材質是矽氧化物(SiOx)，第二柵極氧化層304b例如可以選用氮矽化物(SiNx)等被蝕刻速率小於矽氧化物(SiOx)的材質，其蝕刻選擇比大於1即可，其較佳範圍為1至10之間。而信道層306的材質例如為本徵型態的非晶矽層(intrinsica-Si)。接著將信道層306上方的氮化矽層部分移除，僅保留柵極302a上方部分的氮化矽層，以形成一蝕刻終止層308，此蝕刻終止層308是針對後續在形成源極、漏極時所進行的蝕刻步驟而言的。
接著請參照圖10，在蝕刻終止層308形成之後，在透明基板300上依序形成一接觸層310以及一源極/漏極導體層，接著定義出源極/漏極312的位置，並將源極/漏極312位置以外區域的接觸層310、源極/漏極導體層以及信道層306移除，以形成源極/漏極312。其中，接觸層310、源極/漏極導體層以及信道層306例如以蝕刻的方式將其剝除，而以柵極302a上方的蝕刻終止層308保護其下的信道層306，確保信道層306不會被蝕刻而造成損害的現象。
接著請參照圖11，在源極/漏極312形成之後，在像素區域300b上方以微影工藝定義出多個開口314位置，開口314例如為彼此平行排列的條狀開口。接著進行一蝕刻步驟移除部分的第一柵極絕緣層304a與第二柵極絕緣層304b，以形成多個開口314，開口314例如為彼此平行的條狀結構開口。其中，開口314在第一柵極絕緣層304a的邊緣由於被蝕刻速率較快，會具有一底切輪廓318。
同樣請參照圖11，在像素區域300b上方形成一導體層，由於開口3 14在第一柵極絕緣層304a的邊緣具有底切輪廓318，故所形成的導體層會在開口314的邊緣自動分開，以在開口314的底部以及保護層316的上表面上分別形成透明公共電極320b與透明像素電極320a。其中，透明公共電極320b與透明像素電極320a的材質例如為銦錫氧化物(ITO)或是銦鋅氧化物，且每一像素區域300a上的透明像素電極320a與薄膜電晶體的源極/漏極312電性連接，而透明公共電極320b則通過開口314與金屬公共電極線302b電性連接，以降低其電阻值。最後再形成一保護層316於透明基板300的薄膜電晶體區域300a與像素區域300b上，保護層316例如為氮矽化物(SiNx)、矽氧化物(SiOx)或是高分子膜等材質。
接著請參照圖12是本發明第一實施例平面間轉換模式液晶顯示器中像素區域的局部放大圖。由圖12可以清楚看出，由於開口314在第一柵極絕緣層304a的邊緣具有底切輪廓318，底切輪廓318會使得透明像素電極320a與透明公共電極320b在開口314的邊緣處自動分開，而不會橋接在一起。所形成的透明像素電極320a與透明公共電極320b的間距幾乎為零且是自行對準型態，故不會有公知的像素電極與公共電極誤對準方面的問題。此外，由於透明像素電極320a與透明公共電極320b的間距為零，故透明像素電極320a與透明公共電極320b間的橫向電場分布也會使得顯示器的開口率更為提高且工作電壓較低。此外，透明像素電極320a與透明公共電極320b例如可以一次沉積形成，工藝較為簡化。
上述中，柵極絕緣層304a，304b的蝕刻，也可配合其它器件的實際工藝而進行，其柵極絕緣層的蝕刻步驟的次序並不限定於上述的實施例。另外，柵極絕緣層也可多於兩層。本發明的根本考慮在於將電極例如分成不同高度的兩層。另外，通過蝕刻率的選擇使開口底部的寬度大於上部。如此進而達到電極形成時有零間距的特徵。
最後請參照圖13，是本發明第一實施例與第二實施例中平面間轉換模式液晶顯示器中每一像素的上視圖。由圖13可以清楚得知，每一個像素是由一薄膜電晶體區域與一像素區域所構成。其中，薄膜電晶體區域上配置有一薄膜電晶體，而像素區域上配置有多個像素電極320a與公共電極320b。其中，薄膜電晶體中的柵極302a所延伸出的是掃描線318，源極/漏極312所延伸出的是信號線314，而像素區域上的像素電極320a與公共電極320b之間的間距幾乎為零。
綜上所述，本發明的薄膜電晶體陣列基板製造方法及其結構至少具有下列優點1.本發明的薄膜電晶體陣列基板結構中，所形成的透明像素電極與透明公共電極的間距為零，相對於公知的平面中轉換型態(IPS)與傳統的邊緣電場轉換型態(FFS)的顯示器，本發明的結構都具有較高的開口率，故可以有效提高顯示品質。
2.本發明的薄膜電晶體陣列基板製造方法中，所形成的透明像素電極與透明公共電極不但間距為零，且是自行對準型態，故在工藝上不會有光罩誤對準的問題。且具有較佳的畫質均勻度。
3.本發明的薄膜電晶體陣列基板製造方法中，通過像素區域上兩層被蝕刻速率迥異的絕緣層，以一道光罩工藝與一次沉積工藝即可完成透明公共電極與透明像素電極的製作，具有簡化工藝的功效。
4.本發明的薄膜電晶體陣列基板製造方法可與目前薄膜電晶體工藝兼容，僅需對部分的光罩進行修改即可完成本發明所需要的結構與功效。
雖然本發明已以一較佳實施例公開如上，但其並非用以限定本發明，任何熟悉該項技術的人員，在不脫離本發明的精神和範圍內所作的各種更動與潤飾，均屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種薄膜電晶體陣列基板製造方法，至少包括提供一透明基板，該透明基板上具有複數個像素，其中每一該些像素具有一薄膜電晶體與一像素區域，且該像素區域上具有一第一絕緣層與一第二絕緣層；蝕刻該像素區域上的該第一絕緣層與該第二絕緣層，以在該第一絕緣層中形成複數個第一開口，而在該第二絕緣層中形成複數個第二開口，其中，該些第一開口具有一底切輪廓，以使該些第一開口的寬度大於該些第二開口的寬度；形成一導電層於該像素區域上，以在該些第一開口底部形成一公共電極，而在該第二絕緣層的上表面形成一像素電極，其中該像素電極與該公共電極自動對準分離於該些第一開口的底部以及該第二絕緣層的上表面。
2.根據權利要求1所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於形成該導電層之後還包括形成一高分子膜，以使得該些像素區域的上表面平坦化。
3.根據權利要求1所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於該柵極絕緣層是氧化矽層，而該保護層是氮化矽層、高分子膜及其組合。
4.根據權利要求1所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於該柵極絕緣層是氮化矽層，而該保護層是高分子膜。
5.根據權利要求1所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於該些電極的材質包括銦錫氧化物、銦鋅氧化物。
6.根據權利要求1所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於該公共電極與該像素電極的間距為零。
7.根據權利要求1所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於該第一絕緣層的蝕刻速率大於該第二絕緣層的蝕刻速率。
8.根據權利要求1所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於該第一絕緣層與該第二絕緣層的蝕刻選擇比的範圍介於1-10之間。
9.根據權利要求1所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於該些薄膜電晶體的製作至少包括在該透明基板上形成一柵極與一公共電極線；形成一柵極絕緣層覆蓋在該柵極與該公共電極線上；在該柵極上方形成一信道層；形成一接觸層；形成一源極/漏極；形成一保護層。
10.根據權利要求1所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於其中該些薄膜電晶體的製作至少包括在該透明基板上形成一柵極與一公共電極線；形成一多層結構之柵極絕緣層覆蓋在該柵極與該公共電極線上；在該柵極上方形成一信道層；形成一接觸層；形成一源極/漏極。
11.根據權利要求9或10所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於該共同電極線與該公共電極電性連接。
12.根據權利要求9或10所述的薄膜電晶體陣列基板製造方法，其特徵在於該源極/漏極與該像素電極電性連接。
13.一種自動對準的平面間轉換模式薄膜電晶體陣列基板結構，至少包括一透明基板；複數個像素，該些像素以陣列方式排列於該透明基板上，其中每一該些像素包括一薄膜電晶體與一像素區域，且每一該些像素區域包括一第一絕緣層，該第一絕緣層中具有複數個第一開口；一第二絕緣層，配置於第一絕緣層上，且該第二絕緣層中具有複數個對應於該些第一開口的第二開口；複數個第一電極，該些第一電極配置於該些第一開口底部；複數個第二電極，該些第二電極配置於該第二絕緣層的上表面第二開口底部。
14.根據權利要求13所述的薄膜電晶體陣列基板結構，其特徵在於該些第一開口具有一底切輪廓。
15.根據權利要求14所述的薄膜電晶體陣列基板結構，其特徵在於該底切輪廓使得該些第一開口的寬度大於該些第二開口的寬度。
16.根據權利要求13所述的薄膜電晶體陣列基板結構，其特徵在於該第一絕緣層包括氮化矽層、氧化矽層其中之一。
17.根據權利要求13所述的薄膜電晶體陣列基板結構，其特徵在於該第二絕緣層包括氮化矽層、高分子膜，及其組合。
18.根據權利要求13所述的薄膜電晶體陣列基板結構，其特徵在於該些透明電極的材質包括銦錫氧化物、銦鋅氧化物其中之一。
19.根據權利要求13所述的薄膜電晶體陣列基板結構，其特徵在於該第一電極與該第二電極的間距為零。
20.一種薄膜電晶體陣列基板結構，至少包括一透明基板，該透明基板上具有複數個像素，其中每一該些像素具有一像素區域與一薄膜電晶體；一絕緣層，至少覆蓋該像素區域，其中該絕緣層具有至少一開口暴露該基板，該開口的一底部寬度大於該開口的一頂部寬度；一第一電極層，配置於被該開口暴露的一部分該基板，用以作為公共電極；一第二電極層，配置於與該開口相鄰的該絕緣層的一上表面，用以作為像素電極。
21.一種薄膜電晶體陣列基板結構，至少包括一透明基板；複數個掃描線與複數個信號線配置於該透明基板上，以構成複數個像素區域，其中每一該些像素區域中包括一薄膜電晶體配置於該些掃描線與該些信號線交錯的位置上；複數個公共電極，該些公共電極配置於該像素區域上；複數個像素電極，該些像素電極配置於該像素區域上，且該些公共電極與該些像素電極彼此交錯配置，且該些公共電極與該些像素電極之間的間距為零。
全文摘要
一種薄膜電晶體陣列基板的製造方法及其結構，在薄膜電晶體製作的過程中，柵極絕緣層與保護層依序覆蓋在像素區域上。通過控制柵極絕緣層的蝕刻速率大於保護層的蝕刻速率，在柵極絕緣層與保護層形成多個開口，而柵極絕緣層中所形成的開口具有底切輪廓。之後再形成一透明導電層於透明基底上方，由於柵極絕緣層中的開口具有底切輪廓，故所形成的透明導電層會自動分布在開口底部以及保護層上方而不橋接，其所形成的上、下層電極是自行對準且幾無間距。此種自動對準的平面間轉換模式液晶顯示器件具備高開口率、好的畫質均勻度、較低的工作電壓及較簡化的工藝。
文檔編號H01L21/336GK1420554SQ0113618
公開日2003年5月28日 申請日期2001年11月21日 優先權日2001年11月21日
發明者鄭嘉雄 申請人:瀚宇彩晶股份有限公司