有源矩陣液晶顯示器的製作方法
2023-05-01 22:48:21
專利名稱：有源矩陣液晶顯示器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種由薄膜電晶體(TFTs)驅動的有源矩陣液晶顯示器。
近來，對由TFTs驅動的有源矩陣液晶顯示器提出了提高性能價格比的要求。為了滿足這種需求，必須降低利用多晶矽(a-Si)的TFT-LCD製造過程的成本。特別是必須在TFT-LCD製造過程中減少製造環節，並提高產量和生產率。出於這種考慮，例如在日本公開特許公報No.Sho 62-32651中提出了一種由TFTs驅動的有源矩陣液晶顯示器，其結構上表現為絕緣層的平面圖案與半導體層的相同。這種TFT元件結構的有利之處在於通過使光刻步驟次數由5次(通常所需的次數)減少為4次而簡化了製造過程，並且避免了絕緣層的損傷，從而提高了可靠性和產量。
上述TFT元件結構雖然在簡化製造過程方面效果明顯，但是就構成作為柵極和漏極的薄膜的金屬材料而言，這種結構還有不盡如人意的地方。因此，其不利之處在於產量不高而產率也不穩定，從而很難降低製造過程的成本。
本發明的一個目標是提供一種能夠提高產量和產率的TFT元件結構，特別是提供一種用於TFT元件的電極材料和由這種材料構成的薄膜的結構。
為了達到上述目標，按照本發明的較佳實施方式，所提供的有源矩陣液晶顯示器包括包含在一個表面上的第一襯底、多個柵極互連、多個穿過柵極互連的漏極互連以及位於柵極互連與漏極互連之間交點附近的電晶體，其中電晶體的每個源極都與位於源極附近的像素電極連接，並且電晶體的漏極與若干漏極互連中的一個相連而電晶體的柵極與若干柵極互連中的一個相連；與第一襯底相對並在面對像素電極的表面具有面層電極的第二襯底；保持在第一與第二襯底之間的液晶；改進特徵在於多個柵極互連或多個漏極互連由含有Mo、Nb、Ta和W中至少一種金屬的Cr合金構成。
在上面的液晶顯示裝置中，比較好的做法是，所形成的多個柵極互連和多個漏極互連的薄膜厚度相同；並且它們各自圖案的端面部分最好呈45°或更小的楔面形狀。
比較好的做法是，多個柵極互連或多個漏極互連由至少兩層Cr含量不同的合金層層迭而成。在這種情形下，比較好的做法是，Cr含量較低的合金層位於層疊薄膜的上部。
以下將描述本發明的功效。
在有源矩陣液晶顯示器中，要求柵極互連和漏極互連的電阻(電阻率)較小以減少信號脈衝的波形改變，並且要求漏極互連與a-Si和組成透明電極的ITO(銦錫氧化物)具有極好的電學接觸。柵極互連和漏極互連還必須非常適合於製造過程。這將在下面詳述。每種互連材料必須能很容易地加工成所需的互連圖案，並且還要具備下列性質。在製造過程中，元件襯底要暴露在諸如腐蝕液、光刻膠顯影液、光刻膠剝離液之類的各種溶液和腐蝕氣體中。所以要求互連材料受這些溶液和氣體的影響小一些。另外還要求具備一定的耐熱能力以使性能在經過其它加工步驟的熱加工後不致於下降。
特別是為了滿足上述性質，發現可以採用低電阻率的Al或Al合金作互連材料。但是，這種互連材料的耐熱能力不足(導致小丘的產生)並且還要與a-Si半導體層發生反應。解決這個問題並已付諸使用的技術是將Al膜層迭在諸如Cr、Mo和Ta之類的不同金屬的薄膜上。但是這種疊層結構增加製造過程的複雜性。
對於諸如Cr、Mo和TaW之類高熔點金屬是否滿足上述單層膜形式要求的問題也已進行了考慮。考察結果表明，Mo和W的化學穩定性不太好而Ta的電阻率相對較高，因此Cr是上面高熔點金屬中最合適的。但是，由濺射方法形成的Cr膜應力(張力)較大，不利之處在於在膜澱積步驟和後續的光刻步驟中，會引起諸如Cr膜脫離底層膜、底層膜的脫落以及底層膜的開裂。而且，Cr膜也需要進一步降低電阻率。
本發明人出於上述考慮對互連材料作了研究，結果發現採用包含Mo、Nb、Ta和W中至少一種金屬的Cr合金作互連材料效果較好。
柵極互連和漏極互連還要求與降低製造成本(例如，簡化製造過程)的措施不矛盾。特別是為了降低製造成本，必須縮短從襯底放入系統內到完成薄膜澱積或刻蝕後取出系統的間隔(也就是高生產率)並保證加工步驟之間的時間間隔不變(製造流程應該平穩銜接)。而且，在薄膜形成和刻蝕步驟中所用的材料價格必須便宜而且種類必須減少。如上所述，為了滿足降低製造成本的要求，使柵極互連和漏極互連由單層膜構成，兩種互連採用同一種材料並且膜厚相同，這樣做的效果比較好。但是，對於在現有技術中所用的電極材料，無法同時滿足薄膜應力低、電阻小而與製造過程適應性好的要求。因此，現有技術的電極材料很難做到使柵極互連和漏極連材料的膜厚相同。相反，按照本發明的用於液晶顯示器的電極材料能與減少製造成本而採取的上述措施相適應。
附帶說明的是，在液晶顯示器中，降低元件中生成的缺陷是很重要的問題。在互連圖案端面形成45°或更小的楔面形狀時，由於可以改善形成於其上的像素電極的覆蓋度，所以減少了點缺陷的數目。通過改變腐蝕方式(例如選擇合適的腐蝕液)可以形成楔面。當柵極互連和漏極互連的每一個都由包含Mo、Nb、Ta和W中至少一種金屬的Cr合金構成並且比較好的做法是該Cr合金層由含Cr量高的合金層與含Cr量低的合金層層迭而成的時候，可以在其上面很容易形成小角度楔面。這裡利用了含Cr量高的合金層和含Cr量低的合金層的不同的腐蝕速率。例如，對於具有下列疊層結構的多層薄膜很容易實現楔形端面結構多層膜由包含少量的Mo、Nb、Ta和W中至少一種金屬的含Cr量高的合金底層與由包含較多數量的Mo、Nb、Ta和W中至少一種金屬的含Cr量低的合金頂層組成。
圖1為按照本發明的液晶顯示器的一個實施例的TFT部分的剖面圖；圖2為表示用於本發明的液晶顯示器的TFT襯底的製造過程的流程圖；圖3為按照本發明的液晶顯示器的另一個實施例的TFT部分的剖面圖；圖4為表示Cr-Mo合金組份與該組份Cr-Mo合金膜電阻率之間的關係曲線圖；圖5為表示Cr-Mo合金組份與該組份Cr-Mo合金膜應力之間的關係曲線圖；圖6為表示各種金屬電阻率與濺射壓力之間的關係曲線圖；以及圖7為表示各種金屬薄膜應力與濺射壓力之間的關係曲線圖。
通過以下的實施例將更充分地理解本發明。實施例1圖1為形成於TFT襯底表面上的TFT元件剖面圖，而圖2為TFT襯底製造過程的流程圖。
利用磁控濺射，在襯底溫度為160℃情況下於玻璃襯底1上澱積一層120nm厚的Cr-Mo薄膜。在濺射中，採用Cr-15％Mo作靶。基座電阻率為1.6μΩcm。通過光刻將Cr-Mo薄膜2加工為柵極2。光刻在40℃下作為腐蝕液的加有合適比例HNO3的硝酸鈰(IV)氨水溶液中進行。通過調節HNO3的加入量可以控制形成於柵極2上的楔角大小。元件截面通過SEM觀察。因此，柵極2端面的楔角大約為10°。這樣的楔角可以改善疊加於其上面的薄膜的覆蓋度。
隨後，經過這樣製備的襯底放入射頻(RF)等離子體化學氣相沉積(CVD)系統，並在280℃的襯底溫度下形成一層構成柵絕緣薄膜3的厚度為300nm的SiN層。在澱積過程中，採用SiH4、NH3和N2混合氣體作源氣體。在同一RF等離子體CVD系統的另一個腔體中，採用單矽烷SiH4作源氣體在250℃的襯底溫度下形成一層厚度為220nm的a-SiH薄膜4(半導體層)。在同一RF等離子體CVD系統還有另外一個腔體中，採用SiH4、PH3和H2的混合氣體作源氣體在230℃的襯底溫度下於a-SiH薄膜4上面形成一層50nm厚的重摻雜P的n+型a-Si層5。
n+型a-Si層5和半導體a-SiH薄膜4通過幹法刻蝕形成如TFT形狀的圖案。同樣，隨後通過幹法刻蝕在柵極絕緣層上產生圖案以形成像素電極和柵極端子引出部分的通孔。利用磁控濺射，採用同一靶體並在形成柵極的同一腔體內於160℃的襯底溫度下澱積一層厚度為120nm的Cr-Mo薄膜。正如在形成柵極的過程中那樣，通過光刻將Cr-Mo薄膜加工為源極-漏極6。接著，利用幹法刻蝕去除n+型a-Si層5以形成TFT溝道。在實際的幹法刻蝕過程中，考慮到加工精度，不僅刻蝕掉50nm的n+型a-Si層5，而且還多刻蝕掉100nm左右半導體a-SiH薄膜4(未畫出)。
隨後利用磁控濺射在200℃的襯底溫度下澱積一層透明的導電ITO薄膜，並利用光刻產生圖案以形成像素電極7。應該注意的是，在該步驟中雖然沒有畫出，但柵極2和平板周圍的源極-漏極6的端面(朝向面板外部的互連引出部分)同時覆蓋上透明導電ITO薄膜。這樣做的理由是要確保面板與外部驅動電路之間連接的可靠性。通過RF等離子體CVD在250℃的襯底溫度下形成一層構成保護絕緣薄膜8的300nm厚的SiN薄膜。在澱積過程中，採用SiH4、NH3和N2混合氣體作源氣體。面板周圍的保護絕緣薄膜(SiN)由幹法刻蝕去除，以露出電極端子並在像素電極部分形成通孔。
在這種TFT襯底的製備過程中，決不會出現經常發生的諸如襯底開裂和薄膜脫落之類的問題。
最後，在這樣製備的TFT襯底與在整個表面形成面層電極的外層襯底之間封入液晶，從而製造出LCD面板。接著光照檢測LCD面板。結果確認很少產生失效像素。
通過在一個CVD系統連續澱積(也就是在一個工藝步驟)形成n+型a-Si/a-SiH/SiN多層膜。這樣，按照本發明的TFT襯底製造過程與現有技術一樣，包括5個薄膜澱積的工藝步驟和6個光刻的工藝步驟。但是，與現有技術的工藝不同，本發明的工藝的特徵在於，柵極和源極-漏極由Cr-Mo材料製成，而且這兩種電極薄膜的澱積和加工可以在同一工藝步驟中完成。採用這種製備過程，就可以提高生產率並顯著降低設備成本和維修成本，因而減少了LCD產品的製造成本。實施例2圖3為形成於TFT襯底表面的TFT元件的剖面圖。
與實施例1中一樣，通過磁控濺射在160℃的襯底溫度下於玻璃襯底1上澱積一層120nm厚的Cr-Mo薄膜。在澱積中，採用Cr-15％Mo合金作靶。Cr-Mo薄膜以實施例1的方式通過光刻被加工成源極-漏極6。
這樣加工過的襯底1放入RF等離子體CVD系統。經過與源極-漏極電氣接觸的PH3等離子體加工後，由等離子體CVD在250℃的襯底溫度下於襯底1上澱積一層18nm厚的半導體a-SiH薄膜4。在澱積過程中，採用單矽烷SiH4作源氣體。之所以形成這樣薄的a-SiH薄膜4的原因是要抑制流入半導體的光電流從而提高最後面板內電晶體的截止電流。在等離子體CVD系統的同一腔體內，在與形成有源層相同的溫度(即250℃)下形成一層構成柵極絕緣薄膜3的300nm厚的SiN層。在澱積過程中，採用SiH4、NH3和N2混合氣體作源氣體。與形成源極-漏極的方式一樣，通過磁控濺射在160℃下澱積一層構成柵極2的120nm厚的Cr-Mo薄膜。隨後Cr-Mo薄膜被加工為柵極2。在加工過程中，與源極-漏極的加工略有不同，Cr-Mo薄膜例如通過延長腐蝕時間被過度腐蝕。通過幹法刻蝕(光刻膠不剝離的情況下)在有源層和柵極絕緣薄膜上形成圖案。測量相對於經過過度腐蝕的有源層和柵極絕緣層圖案寬度而言的柵極(Cr-Mo薄膜)的保留量。結果，每一側的柵極保留量為1.5μm左右。這段距離足以防止柵極與源極-漏極之間的短路。
隨後利用磁控濺射在200℃的襯底溫度下澱積一層透明的導電ITO薄膜，並利用光刻產生圖案以形成像素電極7。應該注意的是，在該步驟中雖然沒有畫出，但柵極2和面板周圍的源極-漏極6的端面同時覆蓋上透明導電ITO薄膜。通過RF等離子體CVD在250℃的襯底溫度下形成一層構成保護絕緣薄膜8的300nm厚的SiN薄膜。在澱積過程中，採用SiH4、NH3和N2混合氣體作源氣體。此後，面板周圍的保護絕緣薄膜(SiN)由幹法刻蝕去除，以露出電極端子並在像素電極部分形成通孔。
在上面的加工步驟中，決不會出現經常發生的諸如襯底開裂和薄膜脫落之類的問題。在這樣製備的TFT襯底與外層的襯底之間封入液晶，從而製造出LCD面板。接著光照檢測LCD面板。結果確認很少產生失效像素。實施例3在上述實施例中，採用Cr-15％Mo合金作靶。這種靶與純Cr製成的靶相比，有效地降低了電阻率和薄膜應力，因而達到了本發明的目標。在本實施例中，考察了用作靶子的Cr-Mo合金中Mo含量的影響。
為簡單考察濺射的Cr-Mo合金組份的效果，採用的方法是在純金屬靶上放置所增加的金屬片並通過改變兩者面積之比來控制合金成分。具體而言，在濺射前，於Cr靶(4″Ф)放置5～30片Mo片(尺寸5×5×1mm)，或在Mo靶(4″Ф)上放置5～30片Cr片(尺寸5×5×1mm)。採用感應耦合等離子體發射光譜精確分析澱積薄膜Cr-Mo合金成分。結果表明金屬片面積幾乎正比於Cr-Mo合金成分。在這種情況下，要考慮使用Cr靶、使澱積薄膜的電阻率和應力最小以及保證等離子體處於穩態這些因素來確定濺射條件。在本實施例中，濺射壓力(Ar壓力)設定1.4mTorr，功率設定為500W。考慮到大量生產將襯底溫度選為130℃。薄膜厚度設定為120nm左右，真空度設定為等於或小於2×10-6Torr。
圖4表示Cr-Mo合金中薄膜電阻率與Mo含量之間的關係。隨著加入Cr中的Mo含量增加到35重量％，電阻率持續降低。在等於或大於35重量％時，電阻率增加，在80重量％左右時最大。在等於或大於80重量％範圍內電阻率又再次降低。圖5表示Cr-Mo合金中薄膜應力與Mo含量之間的關係。在直到15重量％左右的範圍內薄膜應力持續下降，隨後直到35重量％左右又持續增加。在35重量％左右，薄膜應力最大，而在等於或大於35重量％範圍內其持續下降。在Mo含量為65％左右時，薄膜應力的方向由張力變為壓縮應力，而且其絕對值也有所增加。
由這些附圖顯而易見的是，通過向Cr中加入5重量％的Mo就可以產生效果。另一方面，當向Mo中加入5重量％的Cr時，薄膜應力沒有得到改善而薄膜電阻率卻有所增加。為了獲得向Mo中加入Cr的附加效果，Cr的加入量要超過10重量％。因此，Cr-Mo合金中的Mo含量比較好的是在5-90重量％的範圍內。
應該注意的是在Mo含量為65重量％左右時薄膜應力接近於零。所以在本實施例的Cr-Mo合金中，Mo最合適的含量是接近於該值(65重量％)，也就是55-70重量％的範圍內。薄膜應力越小，薄膜就越厚。因此可以降低基座電阻率，有利於TFT元件的設計。特別是在為簡化器件結構而使柵極互連和漏極互連的組成材料一樣時能更有效地降低薄膜應力。實施例4在本實施例中，將考察Cr金屬元素的加入效果。
除了Mo之外，Nb、Ta和W都可選作加入元素。這樣做的理由是這些元素的電阻較低(體電阻20μΩcm或以下)，與a-Si和ITO的電學接觸極佳以及適合批量生產。這些金屬中的每一種都是BCC(體心立方)晶系。這些元素的互溶性很好。換句話說，預計可以防止因第二相沉積而產生的結構上的不均勻。
圖6和圖7分別表示Cr、Mo、Nb和Mo-Ta合金中濺射壓力與薄膜電阻率、濺射壓力與薄膜應力之間的關係。這裡採用Mo-Ta合金的理由是由作為四角晶系的純Ta製成的薄膜的電阻率非常高(200μΩam左右)而BCC晶系的Mo-Ta合金層的電阻率較低。在本實施例中，Mo-Ta合金中Mo含量設定為55重量％。由圖6可見，除了Mo-Ta合金以外，電阻率都隨濺射壓力線性增加。由圖7顯而易見的是，對於各種材料，薄膜應力趨於隨濺射壓力線性增加。但是，有些材料的薄膜應力具有最大值並在隨後有所降低。在所考察的範圍內，Cr的薄膜應力為張力，而其它金屬元素則從壓縮應力轉變為張力。Cr、Mo、Nb和Mo-Ta合金的原子量分別為52.01、95.95、92.91、121.6(算術平均值)，如圖7所示，曲線按照原子量的順序向右移動，也就是按照Cr、Mo、Nb和Mo-Ta合金的次序。發生這種情況的原因如下。當濺射壓力較小時濺射併到達襯底的粒子的能量較大，而當撞擊到生長薄膜表面的微粒能量較大時，薄膜的壓縮壓力也較大。在入射粒子原子量較大時，薄膜的壓縮壓力也較大。在入射粒子原子量較大時，同樣可以考慮為入射能量增加從而容易使薄膜應力變為壓縮應力。由圖7可見，正如在實施例3中的那樣，在濺射壓力為1.4mTorr下向Cr加入Mo的合金的薄膜應力接近於零。具體而言，通過向Cr中加入原子量相對較大的Mo之類的金屬元素，可以將Cr薄膜應力控制在零左右。實施例5通過磁控濺射在130℃的襯底溫度下於玻璃襯底上澱積一層100nm厚的Cr-35％Mo薄膜。隨後，在同樣條件下在Cr-35％Mo薄膜上澱積一層20nm厚的Cr-15％Mo薄膜。通過光刻將這樣獲得的雙Mo-Ta層薄膜加工為柵電極。光刻在40℃的作為腐蝕液的硝酸鈰(IV)氨水溶液中進行。在第一實施例中，採用加入合適數量的HNO3的硝酸鈰(IV)氨水溶液作腐蝕液；但是，在本實施例中表明，即使採用不加HNO3的硝酸鈰(IV)氨水溶液也可以在Cr-Mo柵極端面形成45°求以下的楔角。
雖然上面描述了本發明的較佳實施例，但這種描述只是用作解釋目的，可以理解的是在不偏離下述權利要求的精神或範圍的情況下可以作出各種改變和變化。
權利要求
1.一種有源矩陣液晶顯示器，包括包含在一個表面上的第一襯底、多個柵極互連、多個穿過所述柵極互連的漏極互連以及位於所述柵極互連與所述漏極互連之間交點附近的電晶體，其中所述電晶體的每個源極都與位於所述源極附近的像素電極連接，並且所述電晶體的所述漏極與若干所述漏極互連的一個相連而所述電晶體的所述柵極與若干所述柵極互連中的一個相連；與所述第一襯底相對並在面對所述像素電極的表面具有面層電極的第二襯底；保持在所述第一與第二襯底之間的液晶；其特徵在於多個所述柵極互連或多個所述漏極互連由含有Mo、Nb、Ta和W中至少一種金屬的Cr合金構成。
2.如權利要求1所述的有源矩陣液晶顯示器，其特徵在於，所形成的多個所述柵極互連和多個所述漏極互連的薄膜厚度相同。
3.如權利要求1所述的有源矩陣液晶顯示器，其特徵在於，多個所述柵極互連和多個所述漏極互連各自圖案的端面部分呈45°或更小的楔面形狀。
4.如權利要求1所述的有源矩陣液晶顯示器，其特徵在於，多個所述柵極互連或多個所述漏極互連至少由兩層Cr含量不同的合金層層迭而成的多層薄膜構成。
5.如權利要求4所述的有源矩陣液晶顯示器，其特徵在於，所述多層薄膜的結構為Cr含量低的合金層位於所述多層薄膜的上部。
全文摘要
本發明提供了一種有源矩陣液晶顯示器，它含有包含在一個表面上的第一襯底、多個柵極互連、多個穿過所述柵極互連的漏極互連以及位於所述柵極互連與所述漏極互連之間交點附近的電晶體，與所述第一襯底相對並在面對像素電極的表面具有面層電極的第二襯底以及保持在所述第一與第二襯底之間的液晶，改進之處在於，多個所述柵極互連或多個所述漏極互連由含有Mo、Nb、Ta和W中至少一種金屬的Cr合金構成。
文檔編號G02F1/136GK1157934SQ9511984
公開日1997年8月27日 申請日期1995年11月17日 優先權日1994年11月18日
發明者魁沢賢一, 佐藤努, 鈴木隆, 阿武恆一, 山本英明, 金子壽輝 申請人:株式會社日立製作所