专利名称：一种tft矩阵结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜晶体管(TFT)矩阵结构及其制造方法，特别涉及一 种由四次光刻制备的TFT矩阵结构及其制造方法。
背景技术：
液晶显示方式是目前平板显示的主流，而有源驱动TFT LCD (薄膜晶体 管液晶显示器)则是液晶显示领域中的主导显示方式。TFT LCD的制造工艺 与传统的IC电路相兼容，显示品质优异，功耗低、重量轻、无辐射，是一种 非常友好的人机交流界面，其主要应用领域有笔记本电脑、台式计算机监视 器、工作站、工业监视器、全5求卫星定位系统(GPS)、个人数据处理、游戏 机、可视电话、便携式VCD、 DVD及其它一些便携装置。为了有效地降低TFT LCD的价格和提高其成品率，有源驱动薄膜晶体管 (TFT)矩阵的制造工艺逐步得到简化，从开始的七次或六次光刻到现在普遍 采用的五次光刻。近来，基于灰色调掩模版光刻"Gray Tone Mask" 技术 的四次光刻工艺开始涉足TFT LCD的制造领域并逐步得到应用，其核心工艺 就是用源漏电极(S/D) Gray Tone Mask代替传统五次光刻工艺中的有源层 光刻(Active Mask)和源漏电极光刻(S/D Mask)。其具体工艺过程如下 首先，由第一次光刻形成柵电极，接着在栅电极上连续沉积一层栅绝缘层、 有源层、欧姆接触层和源漏金属层。接着在第二次光刻后通过S/D湿法刻蚀、 多步刻蚀(有源层刻蚀—灰化(Ashing) — Mo干法刻蚀—n+刻蚀)形成数据线、 有源区、源漏电极和TFT沟道图形。然后沉积一层钝化层，由第三次光刻在 钝化层上形成连接孔。最后沉积一层透明的像素电极层并由第四次光刻形成 像素电极。 该四次光刻工艺相对于传统五次光刻工艺尽管取得了一些进步，但仍存在几个主要的缺点 一是多步刻蚀工艺复杂，开发难度大，而且不可避免地 会产生一些缺陷，如金属Mo残留、沟道表面粗糙等。二是在Mo干法刻蚀中 产生的侧向刻蚀将影响沟道的宽长比，导致TFT电学特性的改变，如开态电 流偏低等。发明内容本发明针对现有技术的缺陷，提出了一种由四次光刻制备有源驱动TFT 矩阵结构及其制造方法，从而缩短了 TFT矩阵的生产周期，降低了其生产成本。为了实现上述目的，本发明提供一种TFT矩阵结构，其中包括 一基板；一栅线和与其一体的栅电极，形成在所迷基板上，栅线和栅电极的上方依次覆盖有第一层绝缘层、半导体层、欧姆接触层；一薄膜晶体管沟道形成在所述栅电极上的欧姆接触层上；一第二层绝缘层，形成在所述欧姆接触层上；一源漏电极过孔，形成在所述薄膜晶体管沟道两侧的第二层绝缘层上； 一数据线及与其一体的源电极，形成在所述第二层绝缘层的上方，并通过所述源漏电极过孔与所述栅电极上的欧姆接触层连接；一漏电极，形成在所述第二层绝缘层的上方，并通过所述源漏电极过孔与所述栅电极上的欧姆接触层连接；一钝化层，形成在所述数据线、源电极及漏电极的上方； 一^f象素电极，形成在所述第二绝缘层上，并与所述漏电极部分搭接； 一凹槽，形成在所述数椐线之间的栅线上，所述凹槽截断栅线上方的欧姆接触层并露出第一层绝缘层，所述凹槽露出第一绝缘层的上方覆盖一层像素电极材料层。
上述方案中，所述栅线、栅电极、源电极、数据线或漏电极为Cr、 W、 Ti、 Ta、 Mo、 Al或Cu的单层膜，或者为Cr、 W、 Ti、 Ta、 Mo、 Al或Cu之一 或任意组合所构成的复合膜。所述第一层绝缘层、第二层栅绝缘层或钝化层 为氧化物、氮化物或者氧氮化合物。为了实现上述目的，本发明同时提供一种TFT矩阵结构的制造方法，其 中包括步骤1，在基板上，依次沉积栅金属层、第一层绝缘层、半导体层和欧姆接触层，采用第一块掩模版，进行掩模、曝光和刻蚀，形成栅线、栅电极 和薄膜晶体管沟道部分；步骤2,在完成步骤1的基板上沉积第二层栅绝缘层，采用第二块掩模 版，进行掩模、曝光和刻蚀后，将栅电极上方的欧姆接触层上的部分第二层 栅绝缘层刻蚀掉，形成源漏电极过孔；同时将相邻像素间栅线上的部分第二 层绝缘层刻蚀掉，形成一凹处；步骤3，在完成步骤2的基板上沉积源漏金属层，采用第三块掩模版， 进行掩模、曝光和刻蚀后形成源电极和漏电极，其中源电极和漏电极分别通 过源漏电极过孔同欧姆接触层连接；步骤4，在完成步骤3的基板上沉积钝化层，采用第四块掩模版，进行 掩模、膝光和刻蚀后形成钝化层图形，其中本步骤中刻蚀要刻蚀掉步骤2中 凹处上方的钝化层，并继续刻蚀凹处下方的欧姆接触层和半导体层，形成栅 线上的凹槽；刻蚀完成后保留钝化层上的光刻胶，接着在钝化层上沉积像素 电极材料层，最后由化学溶液剥离掉光刻胶和光刻胶上面的像素电极材料层， 形成像素电极。上述方案中，所述步骤1中依次沉积栅金属层、第一层绝缘层、半导体 层和欧姆接触层为连续沉积。所述步骤1中采用的掩模版为灰色调掩模版， 所述灰色调掩模版膝光后，得到光刻胶未膝光区域、光刻胶部分膝光区域和 光刻胶完全曝光区域，其中光刻胶未曝光区域对应形成栅线和栅电极部位；光刻胶部分膝光区域对应形成薄膜晶体管沟道部位；光刻胶完全膝光区域对 应其它部分。所述步骤1的刻蚀是栅金属层、第一层绝缘层、半导体层和欧 姆接触层在多步刻蚀中一次形成。所述步骤1中形成薄膜晶体管沟道时要进 行过刻，将沟道区的欧姆接触层完全刻蚀掉。同现有技术相比，本发明提出的两层绝缘层结构，增大了源漏电极和栅 电极之间的距离，有效地减少源漏电极和栅电极之间短路的发生，提高了 TFT 矩阵的成品率。同时，本发明提出的TFT矩阵的制备方法中，沟道的形成仅通过灰化 (Ashing)—欧姆接触层刻蚀即可完成，大大简化了 TFT沟道的制备过程，同 时可以明显减少各种缺陷如沟道残留、沟道短路、沟道表面粗糙化、ESD等， 提高了 TFT矩阵的成品率。再者，本发明提出的由一次光刻和剥离工艺形成钝化层和像素电极的工 艺方法，简单实用，同时节省了大量的化学药液。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附困说明
图1是本发明的TFT矩阵单元结构的俯视图； 图2是图1A-A部分截面图； 图3是图1B-B部分截面图；图4是本发明在基板上进行连续沉积栅金属层、第一层绝缘层、半导 体层、欧姆接触层后的截面图；图5是本发明采用灰色调掩模版光刻工艺中光刻胶完全曝光对应区域 的栅金属层、第一层绝缘层、半导体层、欧姆接触层刻蚀后的截面图；图6是本发明采用灰色调掩模版光刻工艺中光刻胶部分膝光对应区域 的欧姆接触层刻蚀后的截面图；图7是本发明在基板、半导体层、欧姆接触层上沉积第二层栅绝缘层 后本发明的截面图；图8是本发明通过第二次光刻刻蚀掉部分欧姆接触层上的第二层栅绝 缘层后的截面图；图9是本发明第三次光刻形成源漏电极后的截面图。 图中标记21、基板；22、栅金属层；22a、栅线；22b、栅电极；23、 第一层绝缘层；24、半导体层；25、欧姆接触层；26、第二层绝缘层；27、 源漏金属层；27a、源电极；27b、漏电极；27c、源漏电极过孔；27d、数 据线；28、钝化层；29、像素电极材料层；30、凹槽；31、像素电极。
具体实施方式
图l、图2和图3所示为本发明TFT矩阵的结构。如图1、图2和图3所示，本发明的TFT矩阵结构，包括基板21;栅 线22a和与其一体的栅电极22b,形成在基板21上；栅线22a和栅电极22b 的上方依次覆盖有第一层绝缘层23、半导体层24和欧姆接触层25;薄膜晶 体管沟道形成在栅电极22b上的欧姆接触层25上；第二层栅绝缘层26,形 成在欧娟:接触层25上；源漏电极过孔27c,形成在薄膜晶体管沟道两側；数 据线27d及与其一体的源电极27a，形成在第二层绝缘层26的上方，并通过 源漏电极过孔27c与栅电极22b上的欧姆接触层25连接；漏电极27b，形成 在第二层绝缘层26的上方，并通过源漏电极过孔27c与栅电极22b上的欧姆 接触层25连接；钝化层28，形成在数据线27d、源电极27a及漏电极27b等 的上方；像素电极31，形成在第二绝缘层26上，并与漏电极27b部分搭接； 凹槽30，形成在数据线27d之间的栅线22a上，凹槽30截断栅线22a上方 的欧姆接触层25，凹槽30露出第一层绝缘层23的上方覆盖一层像素电极材 料层29。本发明栅电极22b上方覆盖了第一层绝缘层23和第二层绝缘层26,增 大了源、漏电极27a、 b和栅电极22b之间的距离，有效地减少源漏电极和栅
电极之间短路的发生，提高了 TFT矩阵的成品率。图4至图10给出了釆用四次光刻制造本发明TFT矩阵结构的制造方法。在基板21(透明玻璃或者石英)上，采用溅射或热蒸发的方法沉积上厚 度约为3600 A的栅金属层22。栅金属可以选用Cr、 W、 Ti、 Ta、 Mo、 Al、 Cu等金属或他们合金，由多层金属或合金组成的栅金属层也能满足需要。 接着在栅金属层22上通过PECVD方法连续沉积厚度约为4000 A的第一层 绝缘层23、厚度约为1800 A的半导体层24和厚度约为500 A的欧姆接触 层25，如图4所示。第一层绝缘层23可以选用氧化物、氮化物或者氣氮 化合物，对应的反应气体可以为SiH4、 NH3或者N2，亦或SiH2C12、 NH3 或者N2。半导体层24和欧姆接触层25对应的反应气体可为SiH4和H2 或SiH2C12和H2。采用第一块掩模版，即灰色调掩模版(Gray Tone mask)进行掩模、 曝光和刻蚀。其中曝光后，得到光刻胶未曝光区域、光刻胶部分膝光区域 (Gray Tone)和光刻胶完全膝光区域，其中光刻胶未曝光区域光刻胶完 全保留，为完全保留光刻胶区域，对应形成栅线和栅电极部位；光刻胶部 分曝光区域光刻胶部分保留，为部分保留光刻胶区域，对应形成TFT沟道 部位；光刻胶完全曝光区域部分光刻胶完全去除，为无光刻胶区域。采用多步干刻的方法刻蚀掉无光刻胶区域对应的栅金属层22 、第 一层 绝缘层23、半导体层24和欧姆接触层25,形成栅线22a和栅电极22b， 如图5所示。栅金属层22的刻蚀气体可选用SF6/02或C12/02，第一层绝 缘层23的刻蚀气体可选用SF6/02、 C12/02或HC1/02，半导层24和欧姆 接触层25的刻蚀气体可选用SF6/C12或SF6/HC1等气体。在多步干刻结束之后，进行光刻胶灰化工艺，主要是为了去除光刻胶 部分保留区域的光刻胶，灰化气体可选为SF6、 02或SF6/02混合气体等. 此时，光刻胶完全保留区域的光刻胶也被部分去除(厚度变薄)。灰化完成
后，光刻胶部分保留区域对应的欧姆接触层25便被暴露出来，接着通过 一步干刻工艺将暴露出的欧姆接触层刻蚀掉，形成TFT的沟道，如图6所 示。刻蚀气体可选为SF6/C12或SF6/HC1等气体。为了保证将沟道区的欧 姆接触层完全刻蚀掉， 一般采取过刻蚀的方法。在TFT的沟道形成后，通过等离子化学气相沉积法(PECVD)在基板 21、欧姆接触层25和暴露出的半导体层上沉积厚度约为2500 A的第二层 栅绝缘层26，如图7所示。第二层栅绝缘层26可以选用氧化物、氮化物 或者氧氮化合物，对应的反应气体可以为SiH4、NH3或者N2,亦或SiH2C12、 NH3或者N2。由于第二层栅绝缘层26直接覆盖在TFT的沟道区域，因此 其不仅起到了栅绝缘的作用，同时又保护了 TFT的沟道。采用第二块普通掩模版，进行掩模、曝光和刻蚀后将欧姆接触层25 上的部分第二层栅绝缘层26刻蚀掉，形成源漏电极过孔27c,如图8所示。 刻蚀方法为干法刻蚀，刻蚀气体可选用SF6/02、 C12/02或HC1/02。这样 源漏电极过孔27c中部分欧姆接触层25就会暴露出来。此步骤刻蚀中，要 同时将相邻像素间栅线22a上的部分第二层绝缘层26刻蚀掉，在栅线上 形成一凹处。在第二层栅绝缘层26刻蚀完成后，通过'践射或热蒸发的方法沉积上 厚度约为2200 A的源漏金属层27。源漏金属层可以选用Cr、 W、 Ti、 Ta、 Mo、 Al、 Cu等金属或他们合金，结构上可以为单层或多层。接着采用第三块掩模版，进行掩模、曝光和刻蚀后形成源电极27a和 漏电极27b，如图9所示，采取的刻蚀方法可以为干法刻蚀或湿法刻蚀， 其中源电极27a和漏电极27b分别通过源漏电极过孔27c同欧姆接触层25 连接。源电极27 a和漏电极27b形成后，通过PECVD方法沉积厚度约为2000 A的钝化层28。钝化层28可以选用氧化物、氮化物或者氧氮化合物，对 应的反应气体可以为SiH4、 NH3或者N2，亦或SiH2C12、 NH3或者N2。然
后采用第四块掩模版，进行掩模、曝光和刻蚀后形成钝化层图形，此时薄 膜晶体管沟道区覆盖着第二层栅绝缘层和钝化层。其中钝化层刻蚀要刻蚀掉第二次光刻后形成凹处上方的钝化层28，并继续刻蚀该凹处下方的欧姆 接触层25和半导体层24，形成凹槽30。钝化层28图形形成后，保留钝化层上的光刻胶，通过溅射或热蒸发 的方法沉积上厚度约为400 A的透明像素电极材料层29, —般为ITO,最 后由化学溶液剥离掉光刻胶和光刻胶上面的透明导电材料层，形成像素电 极31，完成TFT矩阵的制作，如图2所示。其中凹槽30上方保留透明像 素电极材料层29，如图3所示。综合上述，本发明具体工艺过程大致如下第一次灰色调掩模版光刻形 成TFT矩阵的栅金属层、第一层绝缘层、有源区(半导体层和欧姆接触层) 和薄膜晶体管沟道部分。其中栅电极、第一层绝缘层、有源区图形通过一步 刻蚀工艺形成，沟道的形成通过光刻胶灰化(Ashing)—欧姆接触层刻蚀工艺 完成；第二次光刻完成第二层栅绝缘层图形；第三次光刻形成源漏电极；第 四次光刻形成钝化层和像素电极。由上可见，本发明的制造方法中，沟道的形成仅通过光刻胶灰化(Ashing) —欧姆接触层刻蚀即可完成，大大简化了 TFT沟道的制备过程，同时可以明 显减少各种缺陷如沟道残留、沟道短路、沟道表面粗糙化、ESD等，提高了 TFT矩阵的成品率。同时，本发明提出的由一次光刻和剥离工艺形成钝化层和像素电极的工 艺方法，简单实用，同时节省了大量的化学药液。最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当 按照需要可使用不同材料和设备实现之，即可以对本发明的技术方案进行修 改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1、 一种TFT矩阵结构，其特征在于，包括 一基板；一才册线和与其一体的栅电极，形成在所述基板上，栅线和栅电极的上方依次覆盖有第一层绝缘层、半导体层、欧姆接触层；一薄膜晶体管沟道形成在所述栅电极上的欧姆接触层上；一第二层绝缘层，形成在所述欧姆接触层上；一源漏电极过孔，形成在所述薄膜晶体管沟道两侧的第二层绝缘层上； 一数据线及与其一体的源电极，形成在所述第二层绝缘层的上方，并通过所述源漏电极过孔与所述栅电极上的欧姆接触层连接；一漏电极，形成在所述第二层绝缘层的上方，并通过所述源漏电极过孔与所述栅电极上的欧姆接触层连接；一钝化层，形成在所述数据线、源电极及漏电极的上方； 一像素电极，形成在所述第二绝缘层上，并与所述漏电极部分搭接； 一凹槽，形成在所述数据线之间的栅线上，所述凹槽截断栅线上方的欧姆接触层并露出第一层绝缘层，所述凹槽露出第一绝缘层的上方覆盖一层像素电极材料层。
2、 才艮据权利要求l所述的矩阵结构，其特征在于所述栅线、栅电极、 源电极、彰:据线或漏电极为Cr、 W、 Ti、 Ta、 Mo、 Al或Cu的单层膜，或者为 Cr、 W、 Ti、 Ta、 Mo、 Al或Cu之一或任意组合所构成的复合膜。
3、 才艮据权利要求l所述的矩阵结构，其特征在于所述第一层绝缘层、 第二层栅绝缘层或钝化层为氧化物、氮化物或者氧氮化合物。
4、 一种TFT矩阵结构的制造方法，其特征在于，包括步骤l,在基板上，依次沉积栅金属层、第一层绝缘层、半导体层和欧 姆接触层，采用第一块掩模版，进行掩模、啄光和刻蚀，形成栅线、栅电 极和薄膜晶体管沟道部分； 步骤2，在完成步骤1的基板上沉积第二层栅绝缘层，采用第二块掩 模版，进行掩模、曝光和刻蚀后，将栅电极上方的欧姆接触层上的部分第 二层栅绝缘层刻蚀掉，形成源漏电极过孔；同时将相邻像素间栅线上的部 分第二层绝缘层刻蚀掉，形成一凹处；步骤3，在完成步骤2的基板上沉积源漏金属层，采用第三块掩模版， 进行掩模、曝光和刻蚀后形成源电极和漏电极，其中源电极和漏电极分别 通过源漏电极过孔同欧姆接触层连接；步骤4,在完成步骤3的基板上沉积钝化层，采用第四块掩模版，进 行掩模、曝光和刻蚀后形成钝化层图形，其中本步骤中刻蚀要刻蚀掉步骤 2中凹处上方的钝化层，并继续刻蚀凹处下方的欧姆接触层和半导体层， 形成栅线上的凹槽；刻蚀完成后保留钝化层上的光刻胶，接着在钝化层上 沉积像素电极材料层，最后由化学溶液剥离掉光刻胶和光刻胶上面的像素 电极材料层，形成像素电极。
5、 根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于所述步骤1中依 次沉积栅金属层、第一层绝缘层、半导体层和欧姆接触层为连续沉积。
6、 根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于所述步骤1中采 用的掩模版为灰色调掩模版，所述灰色调掩模版爆光后，得到光刻胶未曝 光区域、光刻胶部分曝光区域和光刻胶完全曝光区域，其中光刻胶未膝光 区域对应形成栅线和栅电极部位；光刻胶部分膝光区域对应形成薄膜晶体 管沟道部位；光刻胶完全膝光区域对应其它部分。
7、 根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于所述步骤l的刻 蚀是栅金属层、第一层绝缘层、半导体层和欧姆接触层在多步刻蚀中一次 形成。
8、 根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于所述步骤l中形 成薄膜晶体管沟道时要进行过刻，将沟道区的欧姆接触层完全刻蚀掉。
全文摘要
本发明公开了一种TFT矩阵结构，其中包括一基板；一栅线和一栅电极，栅线和栅电极的上方依次覆盖有第一层绝缘层、半导体层、欧姆接触层；一薄膜晶体管沟道；一第二层绝缘层，形成在欧姆接触层上；一源漏电极过孔，形成在第二层绝缘层上；一数据线及与其一体的源电极，源电极与栅电极上的欧姆接触层连接；一漏电极，与栅电极上的欧姆接触层连接；一钝化层，形成在数据线、源电极及漏电极的上方；一像素电极，形成在第二绝缘层上，并与漏电极部分搭接；一凹槽，形成在数据线之间的栅线上，截断栅线上方的欧姆接触层。本发明同时公开了该矩阵结构的制造方法。本发明的矩阵结构及其制造方法缩短了TFT矩阵的生产周期，降低了其生产成本。
文档编号H01L27/12GK101145561SQ20061015202
公开日2008年3月19日 申请日期2006年9月11日 优先权日2006年9月11日
发明者林承武, 王章涛, 邱海军, 闵泰烨 申请人:北京京东方光电科技有限公司;京东方科技集团股份有限公司