專利名稱：有源矩陣顯示器件及其制作的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括多晶硅薄膜晶體管的有源矩陣顯示器件及其制作。
多晶硅(poly-Si)相對于非晶硅(a-Si)所具有的高載流子遷移率，使其成為一種引人注目的材料而用于諸如有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)及有源矩陣聚合物LED顯示器(AMPLED)等大面積電子器件。通常來講，例如用于薄膜晶體管(TFT)的多晶硅膜采用固相結晶(SPC)來制作。這涉及在絕緣襯底上沉積非晶硅膜，通過使其長時間暴露在高溫下使非晶硅膜結晶，這個過程的溫度通常超過600℃，時間可長達24小時。
作為備選的方法，US-A-5147826公開了一種在較低溫度下使非晶硅膜結晶的方法，該方法包括例如在非晶硅膜上沉積薄的鎳膜，并將該膜退火。在溫度低于600℃下，金屬催化晶體生長，并且還提供了比其他方式更快的晶體生長。例如，使用US-A-5147826方法的典型退火可能在550℃左右保持10小時。出于至少下述兩個原因，這種方法代表著對于現(xiàn)有方法的改進第一，它允許使用低成本的非堿性玻璃襯底例如硼硅酸鹽，該襯底通常會在600℃或更高溫度下經(jīng)歷玻璃壓縮和彎曲；第二，由于退火時間縮短，加工生長速率被提高，因此可能降低相關的加工成本。US-A-5147826的內容在此被引用作為參考。
采用如US-A-5147826所描述的，使用金屬元素來增強結晶過程的方法制成的多晶硅材料，在下文中稱為金屬誘導結晶多晶硅或MIC多晶硅。
在已知的有源矩陣顯示器件中，被顯示的圖像通過在器件襯底的“像素區(qū)域”上沿各排各列分布的像素陣列來產生。每個像素中提供一個或多個TFT以控制各個像素。在相同襯底上圍繞像素區(qū)域的“驅動電路區(qū)域”中，提供包含TFT的集成驅動電路。定義待顯示圖像的信號被傳送到驅動電路，后者依次把信號傳送到形成圖像的像素。正如US-A-5147826所描述的，驅動電路區(qū)域的TFT具有高的遷移率是需要的，而在像素區(qū)域更為重要的是，TFT具有足夠小的漏電流，且跨越顯示器的TFT的漏電流變化被最小化。US-A-5756364的內容在此引入作為參考。
US-A-5756364公開了可以通過使用激光照射提高MIC多晶硅的結晶度。其中記載了以這種方式制作的TFT具有相對高的大于100cm2/Vs遷移率，使得它們適用于有源矩陣顯示器的驅動電路。然而，這種TFT具有晶體管之間互相差別很大的漏電流，使得它們不適合用于顯示器的像素區(qū)域。該專利提出，僅在驅動電路區(qū)域形成MIC多晶硅，隨后分別用不同的激光照射能量密度來照射驅動電路和像素區(qū)域，從而在像素區(qū)域形成多晶硅。驅動電路區(qū)域的TFT具有上述提到的合適的性能，然而像素區(qū)域產生的TFT具有相對較小的小于20cm2/Vs的遷移率，漏電流變化較小。為了限制MIC多晶硅的形成以驅動電路區(qū)域，在添加一種含有用于增強結晶過程的金屬元素的溶液之前，在像素區(qū)域上形成二氧化硅掩膜。
本發(fā)明的目標之一是提供一種改進的有源矩陣顯示器件以及制作該器件的工藝，該有源矩陣顯示器件在器件的驅動電路和像素區(qū)域包含具有不同電學性能的多晶硅。
本發(fā)明提供了一種用于有源矩陣顯示器件的有源板，該有源板包含襯底、像素區(qū)域以及相鄰的驅動電路區(qū)域，這兩個區(qū)域都包括MIC多晶硅，只有驅動電路區(qū)域的MIC多晶硅經(jīng)歷使用能量束的退火過程。
本發(fā)明還提供了一種制作用于矩陣顯示器件的有源板的方法，該有源板具有一個像素區(qū)域和相鄰的驅動電路區(qū)域，該方法包括下述步驟(a)在襯底上沉積非晶硅膜；(b)給像素和驅動電路區(qū)域添加金屬元素，用于加速非晶硅的結晶；(c)加熱襯底，使薄膜中的非晶硅結晶，以形成MIC多晶硅；以及，(d)用能量束照射驅動電路區(qū)域內的MIC多晶硅。
使用MIC技術制作的TFT受到它們處于“截止”狀態(tài)下的相對較高漏電流的困擾，使其不適用于諸如AMLCD的像素區(qū)域等的應用。本申請的申請人已經(jīng)確定，可以使用MIC多晶硅制作出在截止狀態(tài)下漏電流足夠低的TFT，使其可被用作矩陣顯示器件的像素區(qū)域中的開關元件。
本申請人已經(jīng)確定，某些工藝參數(shù)的結合可以制作具有驚人的優(yōu)良工作特性的器件。申請人相信，24小時或更長的退火時間與多晶硅材料中平均鎳濃度為1018～5×1019原子/cm3這些條件的結合是特別有益的。優(yōu)選地，退火時間為36小時或更長。此外，多晶材料中的平均鎳濃度優(yōu)選范圍為2.5×1018～5×1019原子/cm3。
而且，據(jù)認為，24小時或更長的退火時間與多晶硅材料中平均鎳濃度為1018～5×1019原子/cm3這些條件的結合，并使用離子注入往非晶硅中注入鎳，可以導致基本上改進的結果。36小時或更長退火時間和/或多晶材料中的鎳濃度為2.5×1018～2.5×1019原子/cm3可在這個工藝中有利地加以應用。
先前，人們認為，MIC過程形成的多晶硅TFT中無法接受的高漏電流是由例如鎳的催化劑離子的存在所致。然而，本申請的申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)漏電流的一個重要起因是MIC過程之后殘余的未結晶的非晶硅區(qū)域。如果使用更長的退火時間，結晶就以兩種方式發(fā)生，從而減小甚至除去這些非晶硅區(qū)域。在結晶的初期階段，MIC是主導的。非晶硅薄膜通過一個NiSi2硅化物相的遷移被結晶成針狀的晶粒。然而，當遇到其它晶界、其它Si針、或者非晶硅表面的頂部和底部時，NiSi2的沉淀就停止。因而，這一階段結束，在針狀的晶粒結構之間留下少量的非晶硅。如果繼續(xù)退火，針狀晶粒的厚度由于SPC而增加，從而減小了殘余的非晶硅的體積。
如前所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，更長的退火時間結合其它預先決定的參數(shù)提供了具有改進特性的多晶硅材料。使用更長的退火時間可以由AMLCD加工中、在襯底上(例如個人數(shù)字助理和移動電話)生產具有較高專用集成度的電路的較小顯示襯底的趨勢來彌補，這是由于對這些器件的高生產能力的要求不是很強烈。還可以在沒有使用不實用的大且昂貴的爐子的情況下，每隔一段時間將多批較小的顯示器進行退火處理，以提供所需要的襯底。
本申請人還發(fā)現(xiàn)，采用金屬原子濃度范圍1.3×1018～7.5×1019原子/cm3，可形成漏電性能可接受的、用于有源矩陣顯示器件像素區(qū)域的多晶半導體TFT，器件的退火過程時間明顯少于先前認為必須的時間。這樣的TFT及其制作方法在共同未決的英國專利申請?zhí)朜o.0215566.1(PHGB 020109)的申請中被描述，其內容在這里被引用作為參考。盡管在550℃附近退火20小時獲得所要求的性能，但現(xiàn)在已經(jīng)意識到上述公開的金屬濃度，允許溫度為600℃或更低時，時間被降低到10小時或8小時或更少。這導致在制作過程中生產速率及效率的巨大增加。
優(yōu)選地，多晶半導體材料中的金屬原子平均濃度范圍為1.9×1018～5×1018原子/cm3。更為優(yōu)選地，金屬原子的平均濃度為大約2.5×1018原子/cm3。
此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在MIC退火過程(通常稱為場增強MIC或FEMIC)中，在襯底上施加電場可加速該過程，減少其時間。FEMIC的一個例子在Jin Jang等人的Nature，Vol.395 p481-483“Electric-field-enhanced crystallization of amorphous silicon”中被描述，其內容在這里被引用作為參考。
將會發(fā)現(xiàn)，在MIC過程中可使用鎳以外的其它材料或者其它材料與鎳一起使用。例如，可以使用由包含Ni，Cr，Co，Pd，Pt，Cu，Ag，Au，In，Sn，Pb，As及Sb的組中選擇一個或多個元素。更為優(yōu)選地，使用從Ni，Co及Pd的組中選擇的一個或多個元素。
由于離子注入提供了劑量、均勻性及離子深度的精確控制，因此離子注入在MIC過程中被優(yōu)選用來往非晶硅中摻雜金屬。然而，可以采用其它方法來達此目的。例如，金屬原子可以在溶液中摻到非晶硅中，典型的是旋涂法。其它方法包括濺射或者溶膠-凝膠法涂敷一層鎳，及在非晶硅化學氣相沉積過程中使用鎳的前驅體。
由于本發(fā)明中既在像素區(qū)域又在驅動電路區(qū)域中形成MIC多晶硅，這樣就避免了二氧化硅的沉積及構圖以限制引入在MIC過程中所使用的金屬元素的需要，正如US-A-5756364的方法中的情況。從而制作過程被簡化，更節(jié)省成本。
此外，由于只有驅動電路區(qū)域的MIC多晶硅經(jīng)歷使用能量束的退火過程，從而顯著減少這一步所需要的時間。
典型地，能量束將由激光產生，但應當理解的是可以使用其它類型的照射，例如紅外照射。
正如US-A-5756364中所記錄的，脈沖振蕩激光可以被用于激光退火過程。在結晶過程中，使用短周期脈沖有助于將顯示襯底的發(fā)熱最小化。本發(fā)明人已經(jīng)意識到，當使用脈沖振蕩激光時，由激光所產生的能量脈沖強度變化可能大得足以導致MIC多晶硅質量的相當大的不均勻。如前所述，使得顯示器件像素區(qū)域內TFT性能的變化最小化，對于避免被顯示圖像的劣化是尤其重要的。本發(fā)明提供的另外的優(yōu)點在于，可以不在器件的由于使用脈沖激光而容易發(fā)生變化的區(qū)域內(諸如像素區(qū)域)使用激光退火處理，也可制成MIC多晶硅。這對于AMPLED的情形是有利的，其中像素中的多個TFT在控制流到各個PLED的電流量上具有類似作用。
器件的驅動電路區(qū)域可以既包含數(shù)字電路，又包含模擬電路。例如，可以提供數(shù)字處理電路和模數(shù)轉換器。優(yōu)選地，只有驅動電路區(qū)域的數(shù)字電路內的多晶硅材料才經(jīng)歷激光退火過程。這是因為在激光退火過程中，模擬電路可能更容易發(fā)生由于脈沖到脈沖變化所引起的組成TFT的性能的變化。
現(xiàn)在將通過實例并參考附圖，對本發(fā)明的實施方案進行描述，其中

圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的有源矩陣顯示器件的有源板的平面圖；圖2示出了沿圖1中A-A線的截面?zhèn)纫晥D；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的一個有源矩陣顯示器件的有源板的平面圖；圖4示出了包括本發(fā)明的有源板的有源矩陣器件的側視圖。
應該注意的是，這些圖為示意性的，沒有按比例繪制。
圖1中的有源板2包括一個用于有源矩陣顯示器的、通常由玻璃制成的襯底4。在其上表面上，定義了矩形的像素區(qū)域6，以及由構成像素區(qū)域的、由驅動像素的電路所形成的相鄰外圍驅動電路區(qū)域8。為清楚起見，連接到襯底的引線以及驅動和像素區(qū)域互連的引線，在圖中被省略。沿像素區(qū)域兩側擴展的延伸外圍驅動電路區(qū)域寬度w通常為5毫米量級。像素區(qū)域的對角線的長度d，可以從在手持器件中所用的較小顯示器的大約60毫米，一直變化到用于臺式電腦或液晶電視顯示的大約430毫米或更大。因此可以看出，驅動電路區(qū)域8為像素區(qū)域和驅動電路區(qū)域的結合區(qū)域中的一小部分。根據(jù)本發(fā)明，由于只有驅動電路區(qū)域或其一部分需要經(jīng)歷激光退火過程，所以可以基本上降低這一步驟所需要的時間。
圖1所示驅動電路區(qū)域8包括在最終顯示器件中用于分別提供模擬電路和數(shù)字電路的區(qū)域8a和8b。在優(yōu)選實施方案中，如前所述，只有數(shù)字電路區(qū)域8b內的材料經(jīng)過激光退火處理。
現(xiàn)在將描述圖1所示結構中，在襯底上形成多晶硅材料的方法。首先，使用諸如等離子體化學氣相沉積(PECVD)方法，在襯底上沉積厚度約為200納米的二氧化硅層。然后用PECVD法沉積厚度約40納米的非晶硅薄膜。
然后在注入能量通常為20keV下往非晶硅層注入面密度約為1×1013原子/cm3的鎳。高達30keV的能量已經(jīng)被成功地用于這樣厚度的層，以制作具有需要的漏電特性的TFT?？梢钥闯觯搫┝恳鸬?0納米厚的非晶硅層中的平均鎳原子濃度為大約2.5×1018原子/cm3。
半導體材料通過優(yōu)選在氮氣氛圍中，550℃下退火約8小時使其晶化。
接著，通過使用諸如發(fā)射矩形光束的KrF受激準分子激光器來照射驅動電路區(qū)域8內的MIC多晶硅薄膜。
圖2示出了圖1中沿A-A線的截面?zhèn)纫晥D。它說明使用激光束10照射數(shù)字電路區(qū)域8b，而像素區(qū)域6和模擬電路區(qū)域8a沒有被激光束照射。
優(yōu)選地，激光束10在襯底表面的長度至少等于L形驅動電路區(qū)域較長肢(limb)的長度。由于只有驅動電路區(qū)域將被使用激光退火，因此在剩余區(qū)域上掃描射束之前，可以在L形驅動電路區(qū)域的其中一個肢上通過掃描射束來進行照射，然后，將襯底或激光束旋轉90度。備選地，在照射驅動電路區(qū)域的一個肢之后，射束寬度可被減小，使得可以繼續(xù)沿相同的方向，以更強更窄的射束更快地掃過剩余區(qū)域。
應當理解的是，通過使驅動電路位于更為緊湊的區(qū)域內，激光退火過程所需要的時間可以被進一步降低。這樣可能只需要沿一個恒定寬度的方向進行一次掃描操作。例如，如圖3所示，可以僅沿像素區(qū)域6的一個側面提供驅動電路區(qū)域8。通過提供一個由驅動區(qū)域8開始，平行于列電極(column electrode)穿過像素區(qū)域6的附加電極組，且各個附加電極連接到一個各自的行電極(rowelectrode)，這樣可以從顯示器的一側驅動行電極和列電極組。
由此而得的MIC多晶硅材料被構圖，以定義驅動電路區(qū)域8和像素區(qū)域6內的TFT的半導體。然后按照已知的方式進行光刻、注入、沉積及刻蝕步驟，以形成單獨的多晶硅TFT結構。
在制作TFT之后，優(yōu)選執(zhí)行等離子體氫化過程以改善其性能。本發(fā)明人認為，這對于采用本說明書內所描述的制作多晶硅材料薄膜而不產生或產生極少的非晶材料的方法所制作的材料特別有益。通常，這個過程在大約350℃下進行約1小時。
如圖4所示側視圖的AMLCD，可以按照已知的方法，通過在完成的有源板2和無源板12之間夾入一個液晶材料層14而制成。
盡管本發(fā)明的實施方案在說明書中是結合硅材料來描述的，但依照本發(fā)明，顯然可以使用化合物半導體薄膜(例如含鍺的硅薄膜)。
在前面所描述的實例中，本發(fā)明是按AMLCD來實施的。應該理解的是，本發(fā)明還可以有利地用于其它諸如在相同襯底上包含開關矩陣和集成電路的AMPLED的有源矩陣顯示器件。
通過閱讀本發(fā)明公開內容，其它的變化和改變對于本領域的技術人員是明顯的。這些變化和改變可能會涉及該技術領域內已知的等效表述及其它技術特征，這些等效表述及其它技術特征可以代替在此已經(jīng)描述的技術特征或作為附加技術特征。
盡管權利要求構成了本申請的特定技術特征的組合，但應該理解的是，本發(fā)明公開內容的范圍還包括在本說明書內明確或含蓄或廣義上公開的任何新穎技術特征或任何新穎技術特征的組合，而無論它是否涉及前述權利要求的相同的發(fā)明，也無論它是否像本發(fā)明那樣緩解了任一或者所有相同的技術難題。
本申請人因此提請注意的是，在進行本申請或由其派生的任何更多申請的過程中，可以根據(jù)這些特點和/或這些特點的組合構成新的權利要求。
權利要求
1.一種用于有源矩陣顯示器件(16)的有源板(2)，有源板(2)包括襯底(4)、像素區(qū)域(6)和相鄰的驅動電路區(qū)域(8)，兩個區(qū)域都包括MIC多晶硅，只有驅動電路區(qū)域(8)內的MIC多晶硅經(jīng)歷使用能量束(10)的退火過程。
2.根據(jù)權利要求1的有源板(2)，其中驅動電路區(qū)域(8)包括數(shù)字電路區(qū)域(8b)和模擬電路區(qū)域(8a)，各個區(qū)域包括MIC多晶硅，只有數(shù)字電路區(qū)域的MIC多晶硅經(jīng)歷使用能量束(10)的退火過程。
3.根據(jù)權利要求1或2的有源板(2)，其中基本上所有驅動電路區(qū)域(8)的MIC多晶硅位于像素區(qū)域(6)的一個側面。
4.根據(jù)任一前述權利要求的有源板(2)，其中MIC多晶硅包括濃度范圍為1.3×1018到7.5×1018原子/cm3的鎳。
5.根據(jù)權利要求4的有源板(2)，其中MIC多晶硅包括濃度大約2.5×1018原子/cm3的鎳。
6.一種包括前述任一權利要求的有源板(2)的有源矩陣顯示器件(16)。
7.一種制作用于矩陣顯示器件(16)的有源板的方法，該有源板具有像素區(qū)域(6)及相鄰的驅動電路區(qū)域(8)，該方法包含下述步驟(a)在襯底(4)上沉積非晶硅薄膜；(b)往像素區(qū)域(6)及驅動電路區(qū)域(8)添加用于加速非晶硅晶化的金屬元素；(c)加熱襯底(4)，使薄膜內的非晶硅結晶形成MIC多晶硅；以及(d)用能量束(10)照射驅動電路區(qū)域(8)內的MIC多晶硅。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其中驅動電路區(qū)域包括數(shù)字電路區(qū)域和模擬電路區(qū)域，各個區(qū)域包括MIC多晶硅，在步驟(d)中只有在最終有源板(2)的數(shù)字電路區(qū)域(8b)中使用的MIC多晶硅才被能量束(10)照射。
9.根據(jù)權利要求7或8的方法，其中在步驟(b)中金屬元素為鎳，它按1.3×1018到7.5×1018原子/cm3的濃度范圍被添加到非晶硅薄膜中。
10.根據(jù)權利要求9的方法，其中在步驟(b)中金屬元素為鎳，它按大約2.5×1018原子/cm3的濃度被添加到非晶硅薄膜中。
11.一種參照附圖基本上如在此所描述的用于有源矩陣顯示器件的有源板。
12.一種參照附圖基本上如在此所描述的有源矩陣顯示器件。
13.一種參照附圖基本上如在此所描述的制作用于有源矩陣顯示器件的有源板的方法。
全文摘要
一種用于有源矩陣顯示器件(16)的有源板(2)，該有源板(2)包括襯底(4)，像素區(qū)域(6)和相鄰的驅動電路區(qū)域(8)。兩個區(qū)域都包括使用金屬來增強結晶過程(MIC多晶硅)的方法制作的多晶硅材料，但是只有驅動電路區(qū)域(8)中的MIC多晶硅經(jīng)歷使用能量束(10)的照射過程。TFT使用MIC多晶硅來制作，其在截止狀態(tài)下的漏電流足夠低，可滿足在矩陣顯示器件的像素區(qū)域中作為開關元件。由于只有驅動電路區(qū)域(8)需要被照射，以提供具有所需要遷移率的多晶硅，所以可以顯著降低照射所需要的時間。
文檔編號G09F9/30GK1656602SQ03811497
公開日2005年8月17日 申請日期2003年5月15日 優(yōu)先權日2002年5月22日
發(fā)明者P·J·范德扎亞格, S·Y·勇, N·D·楊 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司