专利名称：薄膜晶体管阵列基板的制造方法及其结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜晶体管阵列基板的制造方法及其结构，且特别涉及一种自动对准的平面间转换(In-Plane Switching，IPS)模式液晶显示器中的薄膜晶体管阵列基板的制造方法及其结构。
请参照
图1A与图1B，图1A是公知技术的平面间转换模式液晶显示器中的薄膜晶体管阵列基板结构的俯视图，而图1B是图1A中沿着II-II剖面线的剖面图。平面间转换的特性在于液晶分子仅有平面的旋转，而没有垂直方向的扭转。薄膜晶体管阵列基板主要在透明基板100上配置多个呈阵列排列的薄膜晶体管102，而每一薄膜晶体管102会对应一个像素区域(pixel area)104，此像素区域104是由多个金electrode)108所构成，且下层的金属公共电极106与上层的金属像素电极108之间配置有一绝缘层107。其中，薄膜晶体管102的源极/漏极110会与信号线114、金属像素电极108电性连接。在整个透明基板100上还配置有一保护层116以覆盖住所有的薄膜晶体管102与像素区域104。通过金属像素电极108与金属公共电极106之间的横向电场使液晶动作，液晶会平行于基板100而在同一平面上旋转以达到显示的作用，如此便可以降低视角的依存性，进而改善显示器视角的问题。
接着请参照图2A，公知技术的平面间转换模式(IPS)液晶显示器由于在金属像素电极108与金属公共电极106之间具有横向电场，故具有较佳的视角，但在金属像素电极108或金属公共电极106上方的液晶分子将不受到横向电场的作用而无法达到显示的功能，故会有低开口率(aperture)的问题出现。
接着请参照图2B，为了改善平面间转换模式(IPS)液晶显示器开口率的问题，一种边缘电场转换模式(FFS)液晶显示器结构即被提出，是利用上、下两层的透明像素电极108b与透明公共电极106b间距小于电极宽度与显示器间距(cell gap)，以使得横向电场均匀分布于各个电极106b、108b之间以及电极106b、108b上方，进而得到较平面间转换模式(IPS)高的开口率。但边缘电场转换模式液晶显示器结构的缺点是电极的间距因在不同的光罩下定义，工艺上较难控制。另外，下层的透明公共电极106b制作完成之后，需再增加一道光罩及一次沉积过程以定义出上层的透明像素电极108b，因此多了一道光罩工艺。且由于上、下两层的透明电极108b、106b的对准十分关键，若对准上出现误差，则会有电场分布不均而影响显示品质的问题。此外，若使用在步进机(stepper)的曝光工艺中，因为大面积的液晶显示器是由一些小面积液晶显示单元组合而成的，上述由传统制造方法制造出的液晶显示单元在组装时也容易有画质上的问题(shot mura issue)。
为实现本发明的上述目的，提出一种薄膜晶体管阵列基板的制造方法及其结构，通过传统薄膜晶体管的制造方法制作多个阵列排列的薄膜晶体管于透明基板上。在薄膜晶体管制作的过程中，利用第一金属层形成扫描线(scan line)、栅极(gate)及公共电极线(common line)，而后续栅极绝缘层与保护层会依序覆盖于像素区域上。通过选定蚀刻剂、栅极绝缘层与保护层的材质，控制栅极绝缘层的蚀刻速率大于保护层的蚀刻速率，以在栅极绝缘层与保护层形成多个开口，使得栅极绝缘层中的开口具有底切轮廓。之后再形成一透明导电层于透明基底上方，由于栅极绝缘层中的开口具有底切(undercut)轮廓，故所形成的透明导电层会在开口边缘自动分离，分布在各开口底部以及保护层上方而不造成桥接，使其所形成的上、下层电极自行对准且电极间距几乎为零。此时，上层透明导电层连接源极金属形成透明像素电极，而下层透明导电层则连接公共金属线形成透明公共电极。
为实现本发明的上述目的，提出一种薄膜晶体管阵列基板的制造方法及其结构，通过传统薄膜晶体管的制造方法制作多个阵列排列的薄膜晶体管于透明基板上。在薄膜晶体管制作的过程中，栅极绝缘层例如为第一绝缘层与第二绝缘层所组成的两层结构，且第一绝缘层与第二绝缘层均会覆盖于像素区域上。通过选定蚀刻剂、栅极绝缘层与保护层的材质，控制第一绝缘层的蚀刻速率大于第二绝缘层的蚀刻速率，在第一绝缘层与第二绝缘层形成多个开口，使得第一绝缘层中的开口具有底切轮廓。之后再形成一透明导电层于透明基底上方，由于第一绝缘层中的开口具有底切轮廓，故所形成的透明导电层会在开口边缘自动分离，分布在各开口底部以及第二绝缘层上方而不造成桥接，使其所形成的上、下层电极自行对准且电极间距几乎为零。此时，上层透明导电层连接源极金属形成透明像素电极，而下层透明导电层则连接公共金属线形成透明公共电极。
图中标记分别是100、200、300透明基板102薄膜晶体管104、200b、300b像素区域106、220b金属公共电极106b、220b、320b透明公共电极107绝缘层108金属像素电极108b、220a、320a透明像素电极110、212、312源极/漏极114信号线116、216、316保护层200a、300a薄膜晶体管区域202a、302a栅极202b、302b公共电极线204栅极绝缘层304a第一栅极绝缘层
304b第二栅极绝缘层206、306信道层208、308蚀刻终止层210、310接触层214a、214b、314开口218、318底切轮廓220高分子膜接着请参照图4，再形成栅极202a之后，在透明基板200上依序形成一栅极绝缘层204、一信道层206以及一氮化硅层。其中，栅极绝缘层204例如为以化学气相沉积方式(CVD)所形成的硅氧化物(SiOx)或氮硅化物(SiNx)层，而信道层206的材质例如为本征型态的非晶硅层(intrinsic a-Si)。接着将信道层206上方的氮化硅层部分移除，仅保留栅极202a上方部分的氮化硅层，以形成一蚀刻终止层208，此蚀刻终止层208是针对后续在形成源极、漏极时所进行的蚀刻步骤而言的。
接着请参照图5，在蚀刻终止层208形成之后，在透明基板200上依序形成一接触层210以及一源极/漏极导体层，接着定义出源极/漏极212的位置，并将源极/漏极212位置以外区域的接触层210、源极/漏极导体层以及信道层206移除，以形成源极/漏极212。其中，接触层210、源极/漏极导体层以及信道层206例如以蚀刻的方式将其剥除，而以栅极202a上方的蚀刻终止层208保护其下的信道层206，确保信道层206不会被蚀刻而造成损害的现象。
接着请参照图6，在源极/漏极212形成之后，形成一保护层216于透明基板200的薄膜晶体管区域200a与像素区域200b上，保护层216的材质可视栅极绝缘层204的材质以及所选用的蚀刻剂而定，其目的在使栅极绝缘层204的蚀刻速率有效地大于保护层216的蚀刻速率，其蚀刻选择比大于1即可，其较佳范围为1至10之间，以产生一底切结果，其所得到的结果在后述中有较清楚得描述。在选定适当蚀刻剂的情况下，若栅极绝缘层204的材质是硅氧化物(SiOx)，保护层216例如可以选用氮硅化物(SiNx)或高分子膜等蚀刻速率远小于硅氧化物(SiOx)的材质。若栅极绝缘层204的材质是氮硅化物(SiNx)，保护层216例如可以选用高分子膜等蚀刻速率远小于氮硅化物(SiNx)的材质。上述仅在选用特定蚀刻剂的情况下，例举栅极绝缘层204材质与保护层216材质之间的对应关系，但并非限定其材质。
同样请参照图6，在选用适当的保护层216之后，在薄膜晶体管区域200a上方源极/漏极212处以微影工艺定义开口214a，以及在像素区域200b上方以微影工艺定义出多个开口214b的位置，开口214b例如为彼此平行排列的条状开口。接着进行一蚀刻步骤，移除部分的保护层216与栅极绝缘层204，以形成开口214a、214b。其中，开口214a的蚀刻停止在源极/漏极212上，而开口214b在栅极绝缘层204的边缘，由于栅极绝缘层204被蚀刻的速率较快，故会具有一底切轮廓(undercut profile)218。最后再在像素区域200b上方形成一透明导体层，由于开口214b在栅极绝缘层204的边缘具有底切轮廓218，故所形成的导体层会在开口214b边缘自动分开，以在开口214b的底部以及保护层216的上表面上分别形成透明公共电极220b与透明像素电极220a。其中，透明公共电极220b与透明像素电极220a的材质例如为铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物，且每一像素区域200a上的透明像素电极220a通过开口214a与薄膜晶体管的源极/漏极212电性连接。而透明公共电极220b则通过开口214b与金属公共电极202b电性连接，以降低其电阻值。此外，为了像素区域200b上方表面的平坦化，还可形成透明导体层之后，再涂布上一层透明高分子膜220，而后同时定义，如图7中所示。
请参照图7，是本发明第一实施例平面间转换模式液晶显示器中像素区域的局部放大图。由图7可以清楚看出，由于开口214b在栅极绝缘层204的边缘具有底切轮廓218，底切轮廓218会使得透明像素电极220a与透明公共电极220b在开口214的边缘处自动分开，而不会桥接在一起。所形成的透明像素电极220a与透明公共电极220b的间距几乎为零，且是自行对准型态，故不会有公知的像素电极与公共电极误对准方面的问题。此外，由于透明像素电极220a与透明公共电极220b的间距为零，故透明像素电极220a与透明公共电极220b间的横向电场强度与分布会使得显示器的开口率更加提高，且工作电压较低。此外，透明像素电极220a与透明公共电极220b例如是以一次沉积形成的，工艺较为简化。
第二实施例请参照图8至图11，是本发明第二实施例平面间转换模式液晶显示器中薄膜晶体管阵列基板的制造流程示意图。首先请参照图8，提供一透明基板300，透明基板300的材质例如是玻璃基板。在透明基板300上定义出多个成阵列排列且相互对应的薄膜晶体管区域300a与像素区域300b。接着在薄膜晶体管区域300a与像素区域300b上方形成一导体层，再以微影蚀刻工艺形成一栅极302a与公共电极线302b，此栅极302a与公共电极线302b的材质例如为钽、钼、铝、铬等金属。
接着请参照图9，在形成栅极302a之后，在透明基板300上依序形成一多层结构的栅极绝缘层包括一第一栅极绝缘层304a与一第二栅极绝缘层304b、一信道层306以及一氮化硅层。其中，第一栅极氧化层304a例如为以化学气相沉积方式(CVD)所形成的硅氧化物(SiOx)或氮硅化物(SiNx)层。第二栅极氧化层304b的材质可视栅极绝缘层304a的材质以及所选用的蚀刻剂而定，其目的在于使第一栅极绝缘层304a的蚀刻速率大于第二栅极绝缘层304b的蚀刻速率。在选定适当蚀刻剂的情况下，若第一栅极绝缘层304a的材质是硅氧化物(SiOx)，第二栅极氧化层304b例如可以选用氮硅化物(SiNx)等被蚀刻速率小于硅氧化物(SiOx)的材质，其蚀刻选择比大于1即可，其较佳范围为1至10之间。而信道层306的材质例如为本征型态的非晶硅层(intrinsica-Si)。接着将信道层306上方的氮化硅层部分移除，仅保留栅极302a上方部分的氮化硅层，以形成一蚀刻终止层308，此蚀刻终止层308是针对后续在形成源极、漏极时所进行的蚀刻步骤而言的。
接着请参照图10，在蚀刻终止层308形成之后，在透明基板300上依序形成一接触层310以及一源极/漏极导体层，接着定义出源极/漏极312的位置，并将源极/漏极312位置以外区域的接触层310、源极/漏极导体层以及信道层306移除，以形成源极/漏极312。其中，接触层310、源极/漏极导体层以及信道层306例如以蚀刻的方式将其剥除，而以栅极302a上方的蚀刻终止层308保护其下的信道层306，确保信道层306不会被蚀刻而造成损害的现象。
接着请参照图11，在源极/漏极312形成之后，在像素区域300b上方以微影工艺定义出多个开口314位置，开口314例如为彼此平行排列的条状开口。接着进行一蚀刻步骤移除部分的第一栅极绝缘层304a与第二栅极绝缘层304b，以形成多个开口314，开口314例如为彼此平行的条状结构开口。其中，开口314在第一栅极绝缘层304a的边缘由于被蚀刻速率较快，会具有一底切轮廓318。
同样请参照图11，在像素区域300b上方形成一导体层，由于开口3 14在第一栅极绝缘层304a的边缘具有底切轮廓318，故所形成的导体层会在开口314的边缘自动分开，以在开口314的底部以及保护层316的上表面上分别形成透明公共电极320b与透明像素电极320a。其中，透明公共电极320b与透明像素电极320a的材质例如为铟锡氧化物(ITO)或是铟锌氧化物，且每一像素区域300a上的透明像素电极320a与薄膜晶体管的源极/漏极312电性连接，而透明公共电极320b则通过开口314与金属公共电极线302b电性连接，以降低其电阻值。最后再形成一保护层316于透明基板300的薄膜晶体管区域300a与像素区域300b上，保护层316例如为氮硅化物(SiNx)、硅氧化物(SiOx)或是高分子膜等材质。
接着请参照图12是本发明第一实施例平面间转换模式液晶显示器中像素区域的局部放大图。由图12可以清楚看出，由于开口314在第一栅极绝缘层304a的边缘具有底切轮廓318，底切轮廓318会使得透明像素电极320a与透明公共电极320b在开口314的边缘处自动分开，而不会桥接在一起。所形成的透明像素电极320a与透明公共电极320b的间距几乎为零且是自行对准型态，故不会有公知的像素电极与公共电极误对准方面的问题。此外，由于透明像素电极320a与透明公共电极320b的间距为零，故透明像素电极320a与透明公共电极320b间的横向电场分布也会使得显示器的开口率更为提高且工作电压较低。此外，透明像素电极320a与透明公共电极320b例如可以一次沉积形成，工艺较为简化。
上述中，栅极绝缘层304a，304b的蚀刻，也可配合其它器件的实际工艺而进行，其栅极绝缘层的蚀刻步骤的次序并不限定于上述的实施例。另外，栅极绝缘层也可多于两层。本发明的根本考虑在于将电极例如分成不同高度的两层。另外，通过蚀刻率的选择使开口底部的宽度大于上部。如此进而达到电极形成时有零间距的特征。
最后请参照图13，是本发明第一实施例与第二实施例中平面间转换模式液晶显示器中每一像素的上视图。由图13可以清楚得知，每一个像素是由一薄膜晶体管区域与一像素区域所构成。其中，薄膜晶体管区域上配置有一薄膜晶体管，而像素区域上配置有多个像素电极320a与公共电极320b。其中，薄膜晶体管中的栅极302a所延伸出的是扫描线318，源极/漏极312所延伸出的是信号线314，而像素区域上的像素电极320a与公共电极320b之间的间距几乎为零。
综上所述，本发明的薄膜晶体管阵列基板制造方法及其结构至少具有下列优点1.本发明的薄膜晶体管阵列基板结构中，所形成的透明像素电极与透明公共电极的间距为零，相对于公知的平面中转换型态(IPS)与传统的边缘电场转换型态(FFS)的显示器，本发明的结构都具有较高的开口率，故可以有效提高显示品质。
2.本发明的薄膜晶体管阵列基板制造方法中，所形成的透明像素电极与透明公共电极不但间距为零，且是自行对准型态，故在工艺上不会有光罩误对准的问题。且具有较佳的画质均匀度。
3.本发明的薄膜晶体管阵列基板制造方法中，通过像素区域上两层被蚀刻速率迥异的绝缘层，以一道光罩工艺与一次沉积工艺即可完成透明公共电极与透明像素电极的制作，具有简化工艺的功效。
4.本发明的薄膜晶体管阵列基板制造方法可与目前薄膜晶体管工艺兼容，仅需对部分的光罩进行修改即可完成本发明所需要的结构与功效。
虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉该项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与润饰，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种薄膜晶体管阵列基板制造方法，至少包括提供一透明基板，该透明基板上具有复数个像素，其中每一该些像素具有一薄膜晶体管与一像素区域，且该像素区域上具有一第一绝缘层与一第二绝缘层；蚀刻该像素区域上的该第一绝缘层与该第二绝缘层，以在该第一绝缘层中形成复数个第一开口，而在该第二绝缘层中形成复数个第二开口，其中，该些第一开口具有一底切轮廓，以使该些第一开口的宽度大于该些第二开口的宽度；形成一导电层于该像素区域上，以在该些第一开口底部形成一公共电极，而在该第二绝缘层的上表面形成一像素电极，其中该像素电极与该公共电极自动对准分离于该些第一开口的底部以及该第二绝缘层的上表面。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于形成该导电层之后还包括形成一高分子膜，以使得该些像素区域的上表面平坦化。
3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于该栅极绝缘层是氧化硅层，而该保护层是氮化硅层、高分子膜及其组合。
4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于该栅极绝缘层是氮化硅层，而该保护层是高分子膜。
5.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于该些电极的材质包括铟锡氧化物、铟锌氧化物。
6.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于该公共电极与该像素电极的间距为零。
7.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于该第一绝缘层的蚀刻速率大于该第二绝缘层的蚀刻速率。
8.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于该第一绝缘层与该第二绝缘层的蚀刻选择比的范围介于1-10之间。
9.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于该些薄膜晶体管的制作至少包括在该透明基板上形成一栅极与一公共电极线；形成一栅极绝缘层覆盖在该栅极与该公共电极线上；在该栅极上方形成一信道层；形成一接触层；形成一源极/漏极；形成一保护层。
10.根据权利要求1所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于其中该些薄膜晶体管的制作至少包括在该透明基板上形成一栅极与一公共电极线；形成一多层结构之栅极绝缘层覆盖在该栅极与该公共电极线上；在该栅极上方形成一信道层；形成一接触层；形成一源极/漏极。
11.根据权利要求9或10所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于该共同电极线与该公共电极电性连接。
12.根据权利要求9或10所述的薄膜晶体管阵列基板制造方法，其特征在于该源极/漏极与该像素电极电性连接。
13.一种自动对准的平面间转换模式薄膜晶体管阵列基板结构，至少包括一透明基板；复数个像素，该些像素以阵列方式排列于该透明基板上，其中每一该些像素包括一薄膜晶体管与一像素区域，且每一该些像素区域包括一第一绝缘层，该第一绝缘层中具有复数个第一开口；一第二绝缘层，配置于第一绝缘层上，且该第二绝缘层中具有复数个对应于该些第一开口的第二开口；复数个第一电极，该些第一电极配置于该些第一开口底部；复数个第二电极，该些第二电极配置于该第二绝缘层的上表面第二开口底部。
14.根据权利要求13所述的薄膜晶体管阵列基板结构，其特征在于该些第一开口具有一底切轮廓。
15.根据权利要求14所述的薄膜晶体管阵列基板结构，其特征在于该底切轮廓使得该些第一开口的宽度大于该些第二开口的宽度。
16.根据权利要求13所述的薄膜晶体管阵列基板结构，其特征在于该第一绝缘层包括氮化硅层、氧化硅层其中之一。
17.根据权利要求13所述的薄膜晶体管阵列基板结构，其特征在于该第二绝缘层包括氮化硅层、高分子膜，及其组合。
18.根据权利要求13所述的薄膜晶体管阵列基板结构，其特征在于该些透明电极的材质包括铟锡氧化物、铟锌氧化物其中之一。
19.根据权利要求13所述的薄膜晶体管阵列基板结构，其特征在于该第一电极与该第二电极的间距为零。
20.一种薄膜晶体管阵列基板结构，至少包括一透明基板，该透明基板上具有复数个像素，其中每一该些像素具有一像素区域与一薄膜晶体管；一绝缘层，至少覆盖该像素区域，其中该绝缘层具有至少一开口暴露该基板，该开口的一底部宽度大于该开口的一顶部宽度；一第一电极层，配置于被该开口暴露的一部分该基板，用以作为公共电极；一第二电极层，配置于与该开口相邻的该绝缘层的一上表面，用以作为像素电极。
21.一种薄膜晶体管阵列基板结构，至少包括一透明基板；复数个扫描线与复数个信号线配置于该透明基板上，以构成复数个像素区域，其中每一该些像素区域中包括一薄膜晶体管配置于该些扫描线与该些信号线交错的位置上；复数个公共电极，该些公共电极配置于该像素区域上；复数个像素电极，该些像素电极配置于该像素区域上，且该些公共电极与该些像素电极彼此交错配置，且该些公共电极与该些像素电极之间的间距为零。
全文摘要
一种薄膜晶体管阵列基板的制造方法及其结构，在薄膜晶体管制作的过程中，栅极绝缘层与保护层依序覆盖在像素区域上。通过控制栅极绝缘层的蚀刻速率大于保护层的蚀刻速率，在栅极绝缘层与保护层形成多个开口，而栅极绝缘层中所形成的开口具有底切轮廓。之后再形成一透明导电层于透明基底上方，由于栅极绝缘层中的开口具有底切轮廓，故所形成的透明导电层会自动分布在开口底部以及保护层上方而不桥接，其所形成的上、下层电极是自行对准且几无间距。此种自动对准的平面间转换模式液晶显示器件具备高开口率、好的画质均匀度、较低的工作电压及较简化的工艺。
文档编号H01L21/336GK1420554SQ0113618
公开日2003年5月28日 申请日期2001年11月21日 优先权日2001年11月21日
发明者郑嘉雄 申请人:瀚宇彩晶股份有限公司