專利名稱：液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有源矩陣液晶顯示器，特別是涉及在制造此種顯示器中使用的被稱為有源板的晶體管襯底。
液晶顯示器一般包括其間夾有液晶材料的有源板和無源板。有源板包括一般具有一個與顯示器的每個像素相關(guān)的晶體管的晶體管開關(guān)器件陣列。每個像素還與有源板上的一個像素電極相關(guān)，其上施加信號用于控制單個像素的亮度。
有源板的大部分區(qū)域是至少部分透明的，這種要求是因為顯示器一般由背光照明。大體上，由不透明的行導(dǎo)體和列導(dǎo)體覆蓋的區(qū)域是該板僅有的不透明的部分。如果像素電極沒有覆蓋透明區(qū)域，那么將存在不由像素電極調(diào)制的液晶材料區(qū)域，而接收來自背光的光線。這減少了顯示器的對比度。一般提供一黑色掩模層以遮蔽有源板的這些區(qū)域，另外還應(yīng)遮蔽晶體管，因為晶體管的工作特性受光的影響。常規(guī)上，此黑色掩模層位于有源矩陣單元的無源板上。但是，在此情況下，由于單元耦合精度差，此黑色掩模層和像素電極之間的重疊必須大。這種重疊減小了顯示器像素的開口(aperture)，這減小了顯示器的功率效率。這對于諸如便攜產(chǎn)品的靠電池工作的裝置是特別不希望的。
已經(jīng)有過使用有源板層提供所需的掩蔽功能的建議。例如，一種建議是規(guī)定像素電極與行導(dǎo)體和列導(dǎo)體重疊，使得在行導(dǎo)體和列導(dǎo)體與像素電極之間沒有間隙，否則該間隙需要被遮蔽。

圖1示出了以這種方式制造有源板的基本工藝步驟。
圖1A示出了已圖形化的柵導(dǎo)體層10，它規(guī)定晶體管的柵極12，此柵極被連接到相關(guān)的行導(dǎo)體14。在已圖形化的柵導(dǎo)體層上面覆蓋一層?xùn)沤^緣體層，在絕緣后的柵結(jié)構(gòu)上再淀積一半導(dǎo)體層。此半導(dǎo)體層被圖形化，以規(guī)定晶體管的半導(dǎo)體管體16，并同時規(guī)定絕緣層18，以減少在行導(dǎo)體和列導(dǎo)體之間跨接處的電容耦合。圖形化的半導(dǎo)體層16、18示于圖1B中。
在硅層上面淀積并圖形化一源極和漏極導(dǎo)體層，它規(guī)定了連接至列導(dǎo)體22的晶體管源極20，和漏極區(qū)域24。如圖1C所示，區(qū)域18提供了行14和列22導(dǎo)體的跨接處的絕緣。源極和漏極導(dǎo)體層也規(guī)定了一個電容器的頂部觸點26。這是一個像素電荷存儲電容器，它是由行導(dǎo)體14、柵絕緣體層及頂部觸點26所確定的。
如圖1D所示，在整個結(jié)構(gòu)上淀積一鈍化層，并提供通孔28、30，使得能夠通過鈍化層連接至漏極24并連接至電容器頂部觸點26。最后，在鈍化層上淀積像素電極32、34，每個像素電極通過通孔28、30接觸相關(guān)開關(guān)晶體管的漏極24并接觸像素充電的存儲電容器的頂部觸點26。
圖2示出了組成圖1所示像素的電子元器件。如參考圖1所解釋的，行導(dǎo)體14被連接到TFT40的柵極，列電極22耦合到源極上。在像素上提供的液晶材料有效地規(guī)定了液晶單元42，它延伸在晶體管40的漏極和公共接地面44之間。像素存儲電容器46連接在晶體管40的漏極和與相鄰的像素行有關(guān)的行導(dǎo)體14a之間。
在參考圖1描述的工藝中，行電極和列電極用于提供該像素的掩蔽。尤其是，像素電極32和34與行導(dǎo)體和列導(dǎo)體的重疊消除了需要遮蔽的任何間隙。這意味著不需要在無源板上提供黑色掩模層來規(guī)定每個像素。因為無源板上的黑色掩模層不能與有源板上的像素精確地對準(zhǔn)，無源板上的黑色掩模層需要與行導(dǎo)體和列導(dǎo)體有有效的重疊。因此，省略無源板上的掩模層提供了其中每個像素有大開口的液晶顯示器。
在Kim等人的美國專利US 5,781,254中描述了在有源板上提供掩蔽功能的另一方法。參考圖3，提供了一個晶體管，它的柵極12提供在連接源極20和漏極24之間的溝道16的下方。漏極連接到透明的像素電極32。行電極14和列電極22把陣列中的多個晶體管和像素電極連接在一起。在這種安排下，在行電極和列電極以及晶體管區(qū)域上提供有機掩模層48，如圖4所示。
Ikeda等人在美國專利US 5,121,237中描述了一種液晶顯示器，其中在有源襯底的溝道區(qū)域上提供了有機掩模層，以保護溝道區(qū)域不受光。而在無源襯底上提供單個像素周圍的掩蔽。另一文獻(xiàn)，Shin等人的美國專利US 5,703,668公開了使用有機掩模層保護薄膜晶體管結(jié)構(gòu)。該掩模層被淀積在覆蓋溝道的氧化層或氮化層上的。
上面描述的結(jié)構(gòu)都是“底部柵極”結(jié)構(gòu)，其中柵極12位于溝道16的下方。結(jié)構(gòu)的另一形式是頂柵結(jié)構(gòu)，其中柵極位于溝道上方。這種結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是，由于柵電極位于晶體管頂部，柵電極的材料與厚度可以有更多的選擇自由。
圖5示出了已知的頂柵結(jié)構(gòu)的橫截面。如下面所解釋的，在透明襯底51上淀積金屬光屏蔽層53。為把其余結(jié)構(gòu)與金屬層53隔離開，淀積二氧化硅層。然后，淀積薄膜晶體管(TFT)結(jié)構(gòu)。首先，提供一透明電極層57，以用作像素電極59。在該層上淀積列導(dǎo)體61。淀積用作TFT的源極、漏極和溝道的非晶硅(a-Si∶H)層63，隨后淀積第一氮化硅層65和第二氮化硅層67。柵電極69淀積在該結(jié)構(gòu)的頂部，并連接到行導(dǎo)體(未示出)。
TFT的溝道可能是光敏感的，所以希望防止光線照到它。頂部柵極可提供對來自上方光線必要的遮蔽。但是，許多液晶顯示器是背光的，也就是說光來自下面，因此，金屬層53被圖形化，以存在于TFT的下方，遮蔽TFT免于來自下面的光。
遺憾的是，不可能把遮蔽TFT的金屬層53用作掩模層，以防止透過像素之間的液晶顯示器的光線。這是因為掩模層必須圍繞著每一個像素，這將導(dǎo)致覆蓋整個顯示器的連續(xù)網(wǎng)格(continuous mesh)。而這種電連續(xù)網(wǎng)格會導(dǎo)致同有源板上其它導(dǎo)體，或在那些導(dǎo)體之間的不希望的電容耦合，從而導(dǎo)致性能下降。因此，在傳統(tǒng)LCD頂柵TFT器件中，在無源板上提供掩模層，以隔開每個像素，這與傳統(tǒng)的底柵結(jié)構(gòu)一樣。
如果消除掩模層，會有好處。上述結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被設(shè)計為從底部柵極TFT消除掩模層，在底部柵極TFT上提供掩模層，該層不僅遮蔽TFT的溝道，也用作掩模層。這些結(jié)構(gòu)不適宜于頂柵TFT，其中頂部柵極本身對來自上方的光提供了一些遮蔽，相反它需要阻擋來自下方的光。
傳統(tǒng)的頂柵TFT結(jié)構(gòu)的另一缺點是金屬的光遮蔽層實際上是一個浮動?xùn)?，它能存儲電荷并把電荷慢慢漏掉。被存儲電荷能以一變量影響TFT的溝道區(qū)域，這顯著影響TFT的開啟和關(guān)斷電壓。因為開啟和關(guān)斷電壓的一致性對器件的性能很重要，光遮蔽層的浮動?xùn)判?yīng)是很有害的。因此，如果能使此效應(yīng)最小，會有好處。
根據(jù)本發(fā)明，為液晶顯示器提供了一有源板，包括一透明的襯底，
一些頂部柵極薄膜晶體管，每個晶體管具有一源極、一漏極、一連接源極和漏極的溝道區(qū)域以及在該溝道上方的頂部柵極，連接到頂部柵極薄膜晶體管的一些像素電極，以及在薄膜晶體管下方的有機光遮蔽層，該層被圖形化以遮蔽至少頂部柵極薄膜晶體管的溝道區(qū)域，以不受從下面透過透明襯底的光。
在有機層上可靠地淀積TFT結(jié)構(gòu)不是一件小事，因為在傳統(tǒng)的TFT制造中，所使用的淀積溫度對位于下面的有機層是有損害。但是，現(xiàn)在可以使用合適的低溫多晶硅工藝。這些工藝已經(jīng)用來在玻璃上淀積EEPROM，其描述如Young等人的論文“使用低溫多晶硅TFT工藝的玻璃上EEPROM陣列的制造和特性(The fabrication andcharacterisation of EEPROM arrays on glass using a lowtemperature poly-Si TFT process”，IEEE Trans Electron Dev，第43卷，第11期，p1930(1996)。這些工藝也已經(jīng)用在有源矩陣液晶顯示器中，如Young等人在論文“聚合物襯底上的薄膜晶體管和二極管尋址的AMLCD(Thin-film-transistor-and diode-addressedAMLCDs on polymer substrates)”，Journal of Society forInformation Display，5/3卷P275(1997)中所說明的。
但是，先前未能實現(xiàn)的是，使用這些工藝有可能用有機遮蔽替換在頂部柵極TFT結(jié)構(gòu)中使用的傳統(tǒng)遮蔽金屬化。較低的淀積溫度允許多晶硅TFT結(jié)構(gòu)淀積在有機層的頂部，而不損壞有機層。
因為有機光遮蔽層是絕緣的，這種光遮蔽不會象在現(xiàn)有技術(shù)頂柵器件的情況那樣起到浮動?xùn)诺淖饔谩＿@顯著提高了器件的性能和可靠性。
簡單地把用有機光遮蔽層替換現(xiàn)有技術(shù)的頂柵TFT結(jié)構(gòu)中的薄金屬化光遮蔽層會引起困難。這是因為即使金屬化層很薄時它也是不透明的，而要具有可比的不透明度，有機層必須要厚得多。因此，在有機光遮蔽層淀積以后，優(yōu)選在不透明的有機光遮蔽層的頂部淀積一平面化層，以便允許TFT結(jié)構(gòu)能被淀積在基本上平坦的層上。
通常，有源板具有與薄膜晶體管相連接的行導(dǎo)體和列導(dǎo)體。在一些實施例中，像素電極與行電極和列電極部分重疊。這樣，行電極和列電極起著像素電極之間掩模的作用，以防止來自后面的通過像素電極之間區(qū)域的光。在一種已完成的顯示器件中，在像素電極之間區(qū)域中的液晶不受像素電極上的電壓控制；因此，通過這些區(qū)域的光不受調(diào)制。掩蔽像素電極之間的間隙防止了光線透過這些未調(diào)制區(qū)域，因此增加了顯示器的對比度。
如上所述，在傳統(tǒng)的器件中，這種掩蔽是通過在液晶顯示器的無源板上的掩模層實觀的。通過把像素電極與行電極和列電極相重疊，可以消除無源板上的掩模層。這簡化了無源板的制造。而且，無源板不必與有源板精密對準(zhǔn)，因此無源板上的掩模層必須有顯著的重疊，從而允許可能的未對準(zhǔn)。通過使用有源板上的行電極和列電極作為掩模，對準(zhǔn)精度可得到更好的改善，并因此需要較少的重疊。所需掩模面積數(shù)量上的減少增加了器件的開口。
在這些實施例中，有機光遮蔽層被圖形化以與像素電極重疊以遮蔽像素電極之間的間隙。這再次提供了對有源板上像素電極之間間隙的掩蔽，因此，再次允許從液晶顯示器的無源板上省略掩模。
另一方面，本發(fā)明涉及一種有源矩陣液晶顯示器，它包括按照前面任何權(quán)利要求的一有源板；一無源板以及夾在有源板和無源板之間、受像素電極調(diào)制的一層液晶。
再一方面，本發(fā)明提供一種制造液晶顯示器有源板的方法，包括在透明的絕緣層上淀積并圖形化圖形化的有機光遮蔽層，在圖形化的有機光遮蔽層上淀積源極、漏極和溝道層，至少在源極、漏極和溝道層上淀積絕緣層，以起到柵絕緣體層的作用，在絕緣層的上淀積并圖形化柵極層，以形成多個薄膜晶體管，每個晶體管具有一源極，一漏極，一溝道和一柵極，以及形成與源極和漏極之一相連接的像素電極層；其中有機光遮蔽層被圖形化，以至少遮蔽溝道免受從下面透過透明襯底的光。
像素電極層可以在形成TFT之前或之后提供。
該方法還可以包括在有機光遮蔽層上淀積平面化層的步驟。
該方法還可以包括形成與頂柵薄膜晶體管相連的行導(dǎo)體和列導(dǎo)體的步驟，而且可以形成與行電極和列電極部分重疊的像素電極。
頂部平面化層可以淀積在頂部柵極薄膜晶體管上，從而規(guī)定在頂部柵極薄膜晶體管上的多個通路，像素電極可被提供在頂部有機平面化層上并通過這些通路與薄膜晶體管連接。
有機光遮蔽層可被圖形化以存在于鄰近像素電極之間的間隙下方，從而遮蔽像素電極之間的間隙，不受從下面透過透明襯底的光。
在又一方面中，本發(fā)明涉及形成有源矩陣液晶顯示器的一種方法，包括形成如上所述的有源板，提供無源板以及在有源板及無源板之間夾入一層液晶。
為了更好地了解本發(fā)明并完全借助實例，現(xiàn)在將參考附圖描述具體的實施例，其中，圖1示出了制造底部柵極TFT液晶顯示器的已知方法的步驟；圖2示出了圖1的底部柵極TFT液晶顯示器的一個單元；圖3是一種已知結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖4是圖3結(jié)構(gòu)的頂視圖；圖5示出一種已知的頂柵TFT結(jié)構(gòu)；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例制造液晶顯示器有源襯底的方法的步驟；圖7示出本發(fā)明第一實施例的有源襯底的圖解頂視圖；圖8說明使用第一實施例的有源襯底的液晶顯示器；圖9示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的有源襯底的一個截面；以及圖10示出第二實例有源襯底的頂視圖。
參考圖6，有機掩模層73被淀積在透明的絕緣襯底71上，并被圖形化以規(guī)定不透明掩模遮蔽層。此不透明掩模遮蔽層可以是適當(dāng)?shù)牟煌该饔袡C材料，例如，由Sabnis等人在1998年亞州顯示器會議論文集第1025頁(proceedings of Asia Display 1998)所描述的那種光敏丙烯酸基黑色樹脂。Kim等人的美國專利US 5,781,254，Ikeda等人的美國專利US 5,121,237或Shin等人的美國專利US 5,703,668中描述了其它合適的有機掩模層。圖形化可以用許多已知方法中的任何一種完成。例如，可以在有機掩模遮蔽層上淀積一層光致抗蝕劑，并圖形化。所用圖案的形狀將在下面描述。在有機掩模遮蔽層73上提供一層平面化層75。一種合適的平化材料例如是苯并環(huán)丁烯(BCB)；其它許多平化材料是已知的。
然后，淀積并圖形化氧化銦錫的透明電極層77。然后提供列導(dǎo)體79，跟著是非晶硅∶氫(aSi∶H)層。這一層被圖形化以形成薄膜晶體管(TFT)的源極、柵極和漏極。然后淀積第一氮化硅絕緣層83，并且該層和非晶硅層被圖形化。在第一氮化硅絕緣層83的頂部上淀積并圖形化第二氮化硅絕緣層85，在第二氮化硅絕緣層85上淀積并圖形化柵電極87。
薄膜晶體管是這樣完成的。兩個氮化硅絕緣層83和85構(gòu)成柵絕緣體，溝道91由在柵電極87下面的部分非晶硅層81構(gòu)成，而且薄膜晶體管的源極95和漏極93由處于溝道區(qū)域91各側(cè)上的非晶硅層81的區(qū)域構(gòu)成。柵電極以已知的方式連接到行電極101(圖7)。
然后，在薄膜晶體管結(jié)構(gòu)的頂部上提供另一平面化層89，并被圖形化以形成連接到電極77的通路97。然后像素電極99被淀積到平面化層89上，并通過通路97被連接到電極77。
應(yīng)注意的是，為清楚起見這些圖中的垂直尺度被大大地放大了。盡管通路97看起來是很深的通路，但其實是淺的。
參見圖7，可以看出像素電極99與列電極79和行電極101有重疊，由于它們在像素電極99之下，圖7中用虛線示出。以這種方式，行電極和列電極本身對像素電極99之間的間隙102提供了必要的掩蔽。使薄膜溝道不受背光的必要遮蔽由有機光遮蔽層73提供。
參見圖8，然后有源襯底71和無源襯底103被排列，以夾住液晶層105形成完工的液晶顯示器。
在上述實施例中，行電極和列電極提供了像素電極之間的掩蔽。在替換實施例中，此功能由有機光遮蔽層73提供。參見圖9，其中以與圖6相同的參考數(shù)字示出了類似的部件。在這一實施例中，省去了頂部平面化層89和像素電極99，而電極77直接起到像素電極的作用。
有機光遮蔽層73如圖10(虛線)所示被圖形化以與像素電極77的邊緣重疊，使得有機光遮蔽層73遮蔽鄰近像素電極之間的間隙102，從而提供掩模層功能。
本發(fā)明不限于上面描述的實施例，并且，本發(fā)明的有機光遮蔽層可以用于使用頂柵薄膜晶體管的有源矩陣液晶顯示器結(jié)構(gòu)的任何有源板中。
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示器的有源板，包括一透明襯底；一些頂部柵極薄膜晶體管，每個晶體管有一源極，一漏極、一與源極和漏極連接的溝道區(qū)域以及在該溝道上的一頂部柵極；與頂部柵極薄膜晶體管連接的像素電極；以及在薄膜晶體管下方的有機光遮蔽層，該層被圖形化以遮蔽至少頂部柵極薄膜晶體管的溝道區(qū)域不受從下面透過透明襯底的光。
2.按照權(quán)利要求1的有源板，還包括一個在有機光遮蔽層之上并在頂柵薄膜晶體管之下的平面化層。
3.按照權(quán)利要求1或2的有源板，還包括與頂部柵極薄膜晶體管連接的行和列電極，其中像素電極與行和列電極部分重疊。
4.按照權(quán)利要求3的有源板，還包括安排在頂部柵極晶體管上的一個頂部平面化層，其中該頂部平面化層規(guī)定了薄膜晶體管上的多個通路，并且在頂部平面化層上提供像素電極通過該通路與薄膜晶體管連接。
5.按照前面權(quán)利要求中任何之一的有源板，其中有機光遮蔽層被圖形化以存在于鄰近像素電極之間的間隙下方，以遮蔽像素電極之間的間隙不受從下面透過透明襯底的光。
6.一種有源矩陣液晶顯示器，包括按照前面權(quán)利要求中任何之一的有源板；一無源板；以及夾在有源和無源板之間的受到像素電極調(diào)制的一層液晶。
7.一種制造液晶顯示器的有源板的方法，包括在透明絕緣襯底上淀積并圖形化有機光遮蔽層；在圖形化的有機光遮蔽層上淀積一源極、漏極和溝道層；至少在源極、漏極和溝道層上淀積絕緣層，用作柵絕緣體層；在絕緣層上淀積并圖形化柵極層，以形成多個薄膜晶體管，每個晶體管具有一源極、一漏極、一溝道和一柵極；以及形成與源極和漏極之一連接的像素電極層；其中有機光遮蔽層被圖形化，以至少遮蔽溝道不受從下面透過透明襯底的光。
8.按照權(quán)利要求7的方法，還包括在有機光遮蔽層上淀積一個平面化層的步驟。
9.按照權(quán)利要求7或8的方法，還包括形成與頂柵薄膜晶體管連接的行和列導(dǎo)體的步驟，其中像素電極被形成為與行和列電極部分重疊。
10.按照權(quán)利要求9的方法，還包括在頂部柵極薄膜晶體管上淀積頂部平面化層，規(guī)定頂部柵極薄膜晶體管上的多個通路，并在頂部有機平面化層上淀積像素電極，它通過這些通路與薄膜晶體管連接。
11.按照權(quán)利要求7至10中任何之一的方法，包括圖形化有機光遮蔽層，使之存在于鄰近像素電極之間的間隙下方，以遮蔽像素電極之間的間隙不受從下面透過透明襯底的光。
12.一種形成有源矩陣液晶顯示器的方法，包括使用按照權(quán)利要求7至11中任何之一的方法形成有源板；提供無源板；以及在有源和無源板之間夾一層液晶。
全文摘要
描述了一種形成使用頂部柵極TFT的液晶顯示器的有源板的方法。在TFT下方使用黑色有機光遮蔽層(73)以遮蔽TFT的溝道(91)不受從下面透過襯底(71)的光。該有源板可以是高開口板，它具有與行導(dǎo)體和列導(dǎo)體(79)重疊的像素電極(99)。有機光遮蔽層可以掩蔽像素電極之間的間隙(102)。
文檔編號G02F1/1333GK1398359SQ01804278
公開日2003年2月19日 申請日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月28日
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