CN1834740A - 液晶显示设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

有源矩阵基板或者TFT基板具有带有沟槽布线结构的下层布线，该沟槽布线结构是通过在绝缘基板处形成沟槽并在该沟槽中淀积阻挡金属膜和铜层来形成的，其用阻挡金属膜覆盖铜层的周围。该沟槽布线结构用于液晶显示(LCD)设备的TFT基板。能够制造具有大尺寸、高密度、大孔径比的LCD设备，并且该LCD设备中，能够抑制源于下层布线的高度差的向错缺陷和上层布线中发生断开故障。

Description

液晶显示设备及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种液晶显示(LCD)设备及其制造方法。特别地，本发明涉及LCD设备的显示器件的基板的结构及其制造方法。
背景技术
近年来，有源矩阵型LCD设备广泛地用作具有高分辨率的显示器。这样的LCD设备具有夹在作为第一基板的有源矩阵基板和作为第二基板的相对基板之间的液晶。有源矩阵基板的典型例子具有位于多个像素中的每一个像素处的诸如薄膜晶体管(TFT)的开关元件，并且相对基板具有滤色器和黑色矩阵。在该LCD设备中，液晶分子的取向分别随着位于有源矩阵基板或者TFT基板与相对基板上的各电极之间的电场、或者位于TFT基板上的多个电极之间的电场而变化，那么在每个像素处控制了光透射率的量。
将参考图1和图2A到2C来描述TFT基板的现有结构。栅布线102和经由栅绝缘膜103垂直于栅布线102的漏布线106形成在由例如玻璃基板制成的绝缘基板101上。TFT位于栅布线102和漏布线106之间的交叉部分附近。如图2A所示，TFT具有形成在绝缘基板101上的栅电极102A和形成在栅电极102A上的栅绝缘膜103。在栅绝缘膜103上形成有无定形硅膜(称作α-Si膜104)和n+型无定形硅膜(称作n+α-Si膜105)的层叠膜。在n+α-Si膜105上形成有漏电极106A和源电极107，从而构成TFT，其中漏电极106A和源电极107都由与漏布线106相同的材料制成。形成由SiN膜等形成的钝化膜108，从而覆盖TFT。在漏布线106和像素电极110之间，在与栅布线102相同的层中形成栅遮光膜102B，如图1所示。栅遮光膜102B遮挡了入射到像素电极110的周围的光。源电极107经由图1的TFT基板上的接触孔109连接到像素电极110。
LCD设备变得越大，诸如栅布线和漏布线等布线变得越长，并且整个布线的电阻增加。结果，发生信号延迟，并且显示质量变得易于恶化。此外，为了满足对LCD设备的更高密度和孔径比改善的要求，需要形成更窄的布线。但是，当布线变窄时，与前面描述的情况相似地增加了电阻，并且由于信号延迟引起显示质量恶化。由于迄今为止被用作栅布线的材料的铝(Al)具有非常高的电阻，所以由于栅布线处的信号延迟而不可能获得具有高图像质量的LCD设备。因此，日本专利未决公开专利局公报No.2002-202519等中提出了如下方法，其使用比Al的电阻更低的铜(Cu)作为布线的材料，以便减小布线的电阻。
但是，当Cu被用作布线的材料时，由于Cu和含Si的膜中的氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)等之间的相互作用，膜质量易于恶化。此外，由于抗化学和腐蚀性差，所以Cu在TFT基板的制造步骤期间易于被刻蚀。此外，由于诸如Cu与基板的粘附性差等缺点，存在Cu不能被用作单一层的问题。
此外，在如图2A到2C所示的用于现有LCD设备的显示的基板上，在玻璃基板等制成的绝缘基板101上形成有栅电极102A、栅遮光膜102B和栅布线102。为此，在下层侧的布线的台阶高度的影响出现在上层侧和液晶层中。当使布线的膜厚度较大以便减小布线的电阻时，在下层侧的布线的高度差的影响将变得很明显。结果，由于液晶取向的无序和上层布线的断开故障而易于发生向错(disclination)缺陷。
发明内容
本发明提供一种LCD设备及其制造方法，其解决了如上所述的与TFT基板有关的问题、当Cu材料用于布线时引起的问题、以及由于下层侧的布线的高度差引起的向错缺陷。
在本发明的LCD设备中，用于显示的基板具有在下层侧的第一布线和在上层侧的第二布线，二者在彼此垂直的方向上延伸。在第一和第二布线之间的交叉点附近的开关元件和在被第一和第二布线包围的每个像素区域中的像素电极位于本发明的TFT基板上。第一布线包括：Cu层，其嵌入在预先在绝缘基板上形成的沟槽中；以及阻挡金属膜，其覆盖本发明的LCD设备的基板上的Cu层的周围。
本发明的LCD基板还具有遮光膜，其在与第一布线相同的层中并位于包括第二布线与像素电极之间的一部分面积的区域中。该遮光膜嵌入在预先形成在绝缘基板上的沟槽中，并且象第一布线那样包括Cu层和覆盖Cu层的周围的阻挡金属膜。
根据本发明，在TFT基板中，在下层侧由Cu层制成的第一布线(或者第一布线和遮光膜)形成在绝缘基板的表面处的沟槽中。TFT基板被制成阻挡金属膜覆盖Cu层周围的结构。Cu层和由玻璃基板等制成的绝缘基板中的Si之间的相互作用能够被抑制，并且能够改善第一布线的抗化学和腐蚀性。此外，第一布线与绝缘基板的粘附性也能够被改善。另外，由于第一布线嵌入在沟槽中，所以通过降低由于第一布线的存在而引起的侧面高度差，能够抑制上层侧的第二布线的向错缺陷和断开故障。
此外，在本发明的LCD设备中，通过将Cu金属制成的沟槽布线用于TFT基板的下层布线，能够降低下层布线的电阻，并且抑制下层布线的信号延迟。在本发明中，通过使用具有这样的下层布线结构的TFT基板，能够制造具有大尺寸、高密度、大孔径比和改善的显示质量的LCD设备。
附图说明
当结合附图时，从下面的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将更为明显，其中：
图1是平面图，示意性地示出了根据现有LCD设备的TFT基板的栅布线和漏布线之间的交叉点附近的结构；
图2A是剖面图，示出了沿图1的线I-I的TFT结构；
图2B是剖面图，示出了沿图1的线II-II的漏布线及其附近的结构；
图2C是栅布线和漏布线之间的交叉部分的剖面图；
图3是平面图，示意性地示出了根据本发明的LCD设备的TFT基板的栅布线和漏布线之间的交叉点附近的结构；
图4A是剖面图，示出了沿图3的线I-I的TFT结构；
图4B是剖面图，示出了沿图3的线II-II的漏布线及其附近的结构；
图4C是沿图3的线III-III的栅布线和漏布线之间的交叉部分的剖面图；
图5A到5F示出了制造根据本发明的第一个例子的LCD设备的方法的各步骤；
图6是剖面图，示出了本发明的LCD设备的一个例子；以及
图7A到7F示出了制造根据本发明的第二个例子的LCD设备的方法的各步骤。
具体实施方式
将参考附图来描述本发明的LCD设备的实施例。图3和图4A到4C示出了作为本发明的LCD设备的用于显示的第一基板的例子的TFT基板的结构。在由玻璃基板或者塑料基板制成的绝缘基板1的表面上的沟槽中形成有栅布线2。顺便提及，聚碳酸酯(polycarbonate)、聚醚砜(polyether sulfone)、聚芳酯(polyarylate)等可以用作塑料基板。漏布线6以垂直于栅布线2的方式形成在绝缘基板1上。作为开关元件的TFT排列在栅布线2和漏布线6之间的交叉部分附近。TFT具有栅电极2A和栅绝缘膜3，其中栅电极2A形成在绝缘基板1的表面处的沟槽12中，栅绝缘膜3形成在包括栅电极2A的绝缘基板1上，如图4A所示。栅绝缘膜3由SiN膜等制成，并且通过化学气相淀积(CVD)方法等形成为大约300nm到500nm的厚度。栅电极2A形成为栅布线2的分支布线。栅电极2A具有下层阻挡金属膜13和Cu层14，其中下层阻挡金属膜13形成在沟槽12的内壁上，Cu层14形成为填充由下层阻挡金属膜13包围的内部。上层阻挡金属膜15进一步覆盖Cu层14的顶表面。这些阻挡金属膜是通过溅射方法淀积诸如Cr、Mo和Ti的高熔点金属膜来形成的。阻挡金属膜形成为大约50nm到100nm的厚度。根据Cu层14的所需厚度来确定沟槽12的深度。沟槽12的深度通常大约为300nm到500nm。当绝缘基板1是玻璃基板时，沟槽12可以通过刻蚀方法来形成，当绝缘基板1是塑料基板时，沟槽12可以通过激光加工方法等来形成。通过无电镀(electroless plating)或者溅射方法来形成Cu层14。注意，栅电极2A的结构与图4C所示的栅布线2的结构相同。
作为α-Si膜4和n+α-Si膜5的层叠膜的半导体膜以岛的形状形成在栅绝缘膜3上。漏电极6A和源电极7形成在n+α-Si膜5上，以构成TFT。注意，多晶硅膜也能够用作该半导体膜。由作为漏布线6、漏电极6A和源电极7的材料的Mo等制成的金属膜通过溅射方法形成为大约200nm的厚度。然后形成钝化膜8以覆盖TFT。通过例如等离子体CVD方法将SiN膜形成为大约150nm到200nm的厚度来形成钝化膜8。由象铟锡氧化物(ITO)那样的透明导电膜制成的像素电极10形成在钝化膜8上，如图4B所示。ITO膜通过溅射方法形成为大约50nm的厚度。
栅遮光膜2B形成在与栅布线2相同的层中并且位于漏布线6和像素电极10之间，如图3所示。栅遮光膜2B遮挡照射通过像素电极10周围的光。源电极7经由图3中的TFT基板上的接触孔9连接到像素电极10上。
栅遮光膜2B形成在沟槽12中，沟槽12形成在绝缘基板1的表面上，如图4B所示。栅遮光膜2B由如下结构形成，其中Cu层14被栅电极2A中的下层阻挡金属膜13和上层阻挡金属膜15包围。
如至此所述，在本发明的LCD设备中，由于象栅布线2那样的下层布线掩埋在形成在绝缘基板1的表面处的沟槽12中，所以在TFT基板上，栅绝缘膜3的表面变得平滑。结果，能够避免源于下层布线的高度差的上层布线的断开故障和向错缺陷。此外，下层布线具有沟槽布线结构并且由被阻挡金属包围的Cu层制成。由于当沟槽的深度增加时能够使下层布线的厚度较厚，所以降低下层布线的电阻变得容易并且能够抑制下层布线中的信号延迟。此外，在本发明的TFT基板中，通过使用阻挡金属膜来包围下层布线，能够改善由Cu制成的下层布线的抗化学和腐蚀性以及粘附性。
接着，将参考图5A到5F来描述用于本发明的LCD设备的制造方法的第一个例子。注意，下面将描述把本发明应用于具有反交错(inverted staggered)结构的TFT基板的情形。
首先，使用已知的光刻和刻蚀技术，形成用于将栅电极和栅布线嵌入到由玻璃基板或者塑料基板制成的绝缘基板1中的沟槽12，如图5A到5B。具体地说，将抗蚀剂11涂布到绝缘基板(在玻璃基板的情况下)上并进行构图。然后，通过缓冲氢氟酸来刻蚀玻璃基板，以形成具有大约300nm到500nm深度的沟槽12。
接下来，通过剥离技术在沟槽12中形成下层阻挡金属膜13，如图5C所示。具体地说，在去除抗蚀剂11之前，在用缓冲氢氟酸刻蚀玻璃基板之后，下层阻挡金属膜13经过溅射。由于溅射的金属还分布到抗蚀剂11之下的绝缘基板1的侧刻蚀部分，所以在该溅射时能够在沟槽12的侧壁上形成金属膜13。此后，抗蚀剂11被去除并且抗蚀剂上的下层阻挡金属膜13也被去除。该下层阻挡金属膜13形成为具有大约50nm到100nm的厚度，并且能够使用诸如Cr、Mo和Ti的高熔点金属。
接着，如图5D所示，在下层阻挡金属膜13上形成Cu层14。具体地说，使用无电镀法仅在下层阻挡金属膜13上形成Cu层14。使该Cu层14的厚度为膜厚度(大约200nm到300nm)，使其不从绝缘基板1的表面凸出。注意，只要Cu是主要成分，Cu层14中也可以包含其他材料。
然后，如图5E所示，在栅图形上形成上层阻挡金属膜15。这样，完成了嵌入在绝缘基板1中的栅电极2A和栅布线(未示出)的形成。尽管该上层阻挡金属膜15可以使用无电镀方法来形成，但是也可在溅射之后使用光刻技术来形成。该上层阻挡金属膜15形成为具有大约50nm到100nm的厚度，并且能够使用诸如Cr、Mo和Ti的高熔点金属。此外，在形成上述栅电极2A等的时候，在形成漏布线的区域和形成像素电极的区域之间的部分同时形成栅遮光膜。栅遮光膜还具有与栅电极2A等相同的沟槽布线结构。栅遮光膜遮挡了从像素电极的周围泄漏的光。
然后，例如使用等离子体CVD方法，通过在整个面上形成SiN膜来形成大约300nm到500nm厚度的栅绝缘膜5。分别使用等离子体CVD方法，形成具有大约200nm厚度的α-Si膜4，之后在其上形成具有大约5nm厚度的n+α-Si膜5作为包含磷的欧姆层。然后，接下来使用形成为所需图形作为掩模的抗蚀剂(未示出)干法刻蚀n+α-Si膜5和α-Si膜4，从而形成岛形的半导体层。注意，该半导体层也能够使用多晶硅来形成。
接下来，通过溅射方法淀积大约200nm的Mo等的金属层。然后使用形成为所需图形(未示出)作为掩模的抗蚀剂来刻蚀Mo金属层，并且形成用于源电极7、漏电极6A和漏布线6(未示出)的图形。
接着，然后使用源电极7和漏电极6A作为掩模干法刻蚀n+α-Si膜5。通过该干法刻蚀工艺来刻蚀岛形的半导体层的源电极7和漏电极6A之间的n+α-Si膜5，并形成沟道间隙和TFT。
接下来，例如，通过等离子体CVD方法形成大约150nm到200nm的由SiN制成的膜，以形成钝化膜8。使用形成为所需图形的抗蚀剂(未示出)作为掩模部分地刻蚀源电极7上的钝化膜8，以形成接触孔9(未示出)。
然后，例如，通过溅射方法在整个面上形成象ITO膜那样的大约50nm的透明导电膜。然后，通过使用形成为所需图形的抗蚀剂作为掩模刻蚀上述透明导电膜并形成像素电极10(未示出)来完成TFT基板。图5F示出了完成的TFT基板上的TFT部分的剖面图。
接下来，与该TFT基板相对地放置作为第二基板的相对基板(未示出)。然后，通过将液晶层***在这些基板之间来完成LCD设备。注意，在***液晶层之前，在两个基板的表面上形成液晶配向膜。
图6示出了完成的LCD设备的剖面图。图6中的参考标号40和50分别示出了TFT基板和相对基板。此外，参考标号30示出了***在TFT基板40和相对基板50之间的液晶层。沟槽12形成在TFT基板40的绝缘基板1的表面上。栅电极2A形成在沟槽12中。栅电极2A的表面不从绝缘基板1的表面凸出，并且其是平滑的。
漏布线6与漏电极6A一体地形成。栅遮光膜2B形成在漏布线6和像素电极10之间，并且在与栅电极2A相同的层中。象在栅电极2A中那样，栅遮光膜2B形成在沟槽12中，其中沟槽12形成在绝缘基板1的表面上。源电极7经由接触孔9连接到像素电极10。
通过在与TFT基板40相对的表面上形成由玻璃基板等制成的绝缘基板20和由象ITO膜等那样的透明导电膜制成的相对电极21等来构造相对基板50。
分别在TFT基板40和相对基板50的表面上形成由聚酰亚胺树脂等制成的液晶配向膜16和22。
接着，参考图7A到7F，来描述用于本发明的LCD设备的制造方法的第二个例子。
首先，使用已知的光刻和刻蚀技术，形成用于将栅电极和栅布线嵌入到由玻璃基板或者塑料基板制成的绝缘基板1上的沟槽12，如图7A到7B。具体地说，将抗蚀剂11涂布到绝缘基板1(在玻璃基板的情况下)上并进行构图。然后，通过缓冲氢氟酸来刻蚀玻璃基板，以形成具有大约300nm到500nm深度的沟槽12。
接下来，通过剥离技术在沟槽12中顺序地形成包括下层阻挡金属膜13和Cu层14的两个层，如图7C到7D所示。具体地说，在用缓冲氢氟酸刻蚀玻璃基板之后，下层阻挡金属膜13经过溅射。然后，由接着的溅射形成Cu层14。之后，去除抗蚀剂11，并且抗蚀剂上的下层阻挡金属膜13和Cu层14被与沟槽12分离地去除。在该溅射时，溅射的金属分布到抗蚀剂11之下的绝缘基板1的侧刻蚀部分，从而形成膜。还能够在沟槽12的侧壁上形成下层阻挡金属膜13。该下层阻挡金属13具有大约50nm到100nm的厚度，并且能够使用诸如Cr、Mo和Ti的高熔点金属。使Cu层14的厚度为膜厚度(大约200nm到300nm)，从而其不从绝缘基板1的表面凸出。注意，只要Cu是主要成分，其它材料也能够包含在Cu层14中。
然后，如图7E所示，在栅图形上形成上层阻挡金属膜15，并完成嵌入在绝缘基板1中的栅电极2A和栅布线(未示出)。尽管该上层阻挡金属膜15可以使用无电镀方法来形成，但是也可在溅射之后使用光刻技术来形成。该上层阻挡金属膜15形成为具有大约50nm到100nm的厚度，并且能够使用诸如Cr、Mo和Ti的高熔点金属。此外，在形成上述栅电极2A等的时候，在形成漏布线的区域和形成像素电极的区域之间的部分同时形成栅遮光膜2B(未示出)。栅遮光膜2B遮挡了从像素电极的周围泄漏的光。栅遮光膜2B具有与栅电极2A等相同的沟槽布线结构。
接下来，如在上面所述的第一个例子中描述的那样，在经由栅绝缘膜3形成岛形的半导体层之后，形成源电极7、漏电极6A和漏布线等。然后，通过等离子体CVD方法在整个面上形成大约150nm到200nm的例如SiN膜，来形成钝化膜8。然后，使用形成为需要图形的抗蚀剂(未示出)作为掩模，通过部分地刻蚀源电极7上的钝化膜8来形成接触孔9(未示出)。
通过溅射方法在整个面上形成由例如ITO膜等制成的大约50nm的透明导电膜。然后，通过使用形成为所需图形的抗蚀剂作为掩模刻蚀上述透明导电膜并形成像素电极10(未示出)来完成TFT基板。图7F示出了完成的TFT基板上的TFT部分的剖面图。
然后，与该TFT基板相对地放置相对基板(未示出)。通过将液晶层***在两块基板之间来完成具有与图6所示的LCD设备相似结构的LCD设备。
应该注意，尽管在上面所述的各例子中的每一个例子中，描述了具有在TFT基板上的反交错结构(底栅结构)的沟道刻蚀型薄膜晶体管的LCD设备的制造方法，但是本发明并不限于上述实施例。例如，本发明仅需在下层侧的布线中具有上述结构，并且能够用于沟道保护型TFT基板或者具有交错结构(顶栅结构)的TFT的基板，以及应用于在TFT基板侧具有滤色器的TFT基板。
尽管图6中的本发明的LCD设备的例子示出了垂直配向型LCD设备，但是不用说，本发明能够被用于由横向电场驱动的LCD设备。
此外，本发明的LCD基板的布线结构不仅能够用于LCD设备，而且还能够以相似的方式用于使用电致发光(EL)的显示设备的基板。尽管结合特定的优选实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明所包含的主旨不限于那些具体实施例。相反，本发明的主旨在于包括所有的替代物、修改和等价物，只要其能够被包括在权利要求的精神和范围之内。

Claims (9)

1.一种液晶显示设备，其包括第一基板、与第一基板相对放置的第二基板以及***在二者之间的液晶层，该第一基板包括：
在下层侧的多条第一布线和在上层侧的多条第二布线，它们在所述第一基板上沿着彼此垂直的方向延伸；
开关元件，其排列在第一布线和第二布线之间的交叉点附近；以及
像素电极，其形成在由第一布线和第二布线包围的每个像素区域中，
其中第一布线由含铜金属层和阻挡金属膜形成，含铜金属层嵌入在形成在第一基板处的沟槽中，阻挡金属膜覆盖金属层的周围的至少一部分。
2.根据权利要求1的液晶显示设备，第一基板还包括：
在包括第二布线和像素电极之间的一部分面积的区域中的遮光膜，
其中遮光膜形成在与第一布线相同的层中，并且具有与第一布线相同的沟槽布线结构。
3.根据权利要求1的液晶显示设备，
其中阻挡金属膜由布置在沟槽的底部和侧壁上的第一阻挡金属膜和布置在沟槽的顶部上的第二阻挡金属膜形成。
4.根据权利要求1的液晶显示设备，
其中开关元件是薄膜晶体管。
5.根据权利要求1的液晶显示设备，
其中绝缘基板是从玻璃基板和塑料基板中选择的一种基板。
6.根据权利要求3的液晶显示设备，
其中第一阻挡金属膜和第二阻挡金属膜包含从铬(Cr)、钼(Mo)和钛(Ti)中选择的材料中的至少一种材料。
7.一种制造液晶显示设备的方法，包括：
在第一基板上的下层侧形成第一布线；
在上层侧形成在垂直于所述第一布线的方向上延伸的第二布线；
在第一布线和第二布线之间的交叉点附近形成开关元件；
在由第一布线和第二布线包围的每个像素区域中形成像素电极；
与第一基板相对地放置第二基板；
在第一基板和第二基板之间***液晶层；
在第一基板处形成第一布线的区域中形成沟槽；
在沟槽的底部和侧壁上形成第一阻挡金属膜；
在由第一阻挡金属膜包围的区域中形成包含铜层的金属层；以及
在沟槽的顶部形成第二阻挡金属膜。
8.根据权利要求7的制造液晶显示设备的方法，
其中顺序地形成第一阻挡金属膜和金属层。
9.根据权利要求7的制造液晶显示设备的方法，还包括：
在形成第二布线的面积和形成像素电极的面积之间的区域中形成沟槽，
在沟槽中形成遮光膜。
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