CN100517038C - 硅基液晶显示器单元及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种硅基液晶显示器单元，通过把位于像素开关电路层上的光屏蔽层接地，形成了由微反射微反射镜层-绝缘层-光屏蔽层所构成的金属-绝缘层-金属(MIM)第二电容器，所述第二电容器和像素开关电路层的第一电容器相并联共同作为像素开关电路层的电容，本发明还提供了一种硅基液晶显示器单元的形成方法。本发明充分利用了整个像素的面积，增大了电容，降低了硅基液晶显示器单元的刷新频率。同时，本发明也增大了开关电路的设计面积，可以根据不同需求设计高性能开关电路，增大了开关电路的设计灵活性。本发明还简化了制作电容的工序，从而降低了总的芯片制造成本。

Description

硅基液晶显示器单元及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种硅基液晶显示器单元及其形成方法。

背景技术

近几年来，在液晶(LCD)业界出现了许多新技术，其中较热门的技术是硅基液晶显示器(LCOS，Liquid Crystal on Silicon)技术。LCOS(LiquidCrystal on Silicon)属于新型的反射式micro LCD投影技术，其结构是在硅基片上长电晶体，利用半导体工艺制作驱动面板(又称为CMOS-LCD)，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作微反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再抽入液晶，进行封装测试。

与传统的LCD及数字光学工艺(DLP，Digital Light Processing)技术相比，LCOS具有下列技术优势：a.光利用效率高：LCOS与LCD技术类似，主要的差别就是LCOS属反射式成像，所以光利用效率可达40％以上，与DLP相当，而穿透式LCD仅有3％左右；b.体积小：LCOS可将驱动IC等外围线路完全整合至CMOS基板上，减少外围IC的数目及封装成本，并使体积缩小；c.分辨率高：由于LCOS的晶体管及驱动线路都制作于硅基片内，位于反射面之下，不占表面面积，所以仅有像素间隙占用开口面积，不像穿透式LCD的薄膜晶体管(TFT，Thin Film Transistor)及导线皆占用开口面积，故LCOS不论分辨率或开口率都会比穿透式LCD高；d.制造技术较成熟：LCOS的制作可分为前道的半导体CMOS制造及后道的液晶面板贴合封装制造。前道的半导体CMOS制造已有成熟的设计、仿真、制作及测试技术，所以目前良率已可达90％以上，成本极为低廉；至于后道的液晶面板贴合封装制造，虽然目前的良率只有30％，但由于液晶面板制造已发展得相当成熟，理论上其良率提升速率应远高于数字微镜芯片(DMD，digital micromirror device)，所以LCOS应比DLP更有机会成为技术的主流。因此LCOS技术在数码相机、数码摄像机、投影机外、监视器、大尺寸电视、移动电话等应用市场，都深具发展潜力。

LCOS技术中每个像素开关电路由一个MOSFET和一个电容组成，在常规工艺中，电容占整个像素面积的一半，但是随着电路面积的减小，电容面积缩小，这在实际使用中会增加刷新频率，为了增大电容，专利号为6437839的美国专利公开了一种具有多个电容的LCOS像素，结构参照图1，具体步骤如下：在衬底40上形成扩散区作为第一电容的顶电极，接着在扩散区上形成氧化层，这层氧化层作为第一电容的介电层22b，然后在介电层22b上形成第一多晶硅层26，第一多晶硅层26作为两个电容的共用电极，然后在第一多晶硅层26上形成第二氧化层，这层氧化层作为第二电容的介电层24b，然后，在第二氧化层上形成第二多晶硅层，形成第二电容的顶电极24a，然后在上述结构上形成绝缘层42，最后在上述结构上形成互连结构和微反射镜层，由图1中可以看出，改进后的结构中电容增大了，但是同时增加了工艺步骤，导致工艺成本的增加。

当前，基片表面每一个微反射镜为一个显示像素，每个显示像素带有一个开关电路，在一个像素的面积内，必须设计一个像素开关(MOSFET)和一个电容。为了降低显示的刷新频率，势必要求电容尽量大，但是受到像素面积的限制，如果电容在整个像素内所占比例过高，必然影响开关电路性能，比如由于减小了MOS晶体管的设计面积，影响MOS晶体管的绝缘性能，容易造成漏电。

发明内容

本发明解决的问题是随着对显示器的高解析度的不断要求，每个像素面积也逐步缩小，受面积限制，难以同时获得高性能像素开关电路和较大的电容保持电位。

为解决上述问题，本发明提供一种硅基液晶显示器单元，包括带有像素开关电路层的硅基片，所述像素开关电路层包括一个金属-氧化物-半导体场效应管和与金属-氧化物-半导体场效应管的源端串联的第一电容器；位于像素开关电路层上的光屏蔽层；位于光屏蔽层上的绝缘层；位于绝缘层上的微反射镜层，所述微反射镜层、绝缘层和光屏蔽层构成第二电容器，所述微反射镜层与金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接，所述光屏蔽层接地。

所述光屏蔽层中还形成有与光屏蔽层隔绝的连接镜面垫层，所述连接镜面垫层和金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接。

所述绝缘层还形成有开口，所述开口内填充有导电材料，所述开口内填充的导电材料把微反射镜层和连接镜面垫层相电连接。

所述光屏蔽层通过像素开关电路层的通孔和接地垫层相电连接，所述接地垫层接地。

所述绝缘层厚度范围为100至

所述绝缘层为所述绝缘层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化锆或者它们的组合。

所述微反射镜层为铝。

所述光屏蔽层为金属钛、氮化钛、铝铜合金、氮化钛或它们的组合构成。

本发明还提供一种硅基液晶显示器单元的形成方法，包括形成在硅基片上的像素开关电路层，所述像素开关电路层包括一个金属-氧化物-半导体场效应管和与金属-氧化物-半导体场效应管的源端串联的第一电容器；在像素开关电路层上形成光屏蔽层；在光屏蔽层上形成绝缘层；在绝缘层上形成微反射镜层，所述微反射镜层、绝缘层和光屏蔽层构成第二电容器，所述微反射镜层与金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接，所述光屏蔽层接地。

在所述光屏蔽层中形成与光屏蔽层隔绝的连接镜面垫层，所述连接镜面垫层和金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接。

在所述绝缘层中形成开口，在所述开口内填充导电材料，所述开口内填充的导电材料把微反射镜层和连接镜面垫层相电连接。

所述光屏蔽层通过像素开关电路层的通孔和接地垫层相电连接，所述接地垫层接地。

所述绝缘层厚度范围为100至

所述绝缘层为所述绝缘层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化锆或者它们的组合。

所述微反射镜层为铝。

所述光屏蔽层为金属钛、氮化钛、AlCu合金、氮化钛或者它们的组合构成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过把位于像素开关电路层上的光屏蔽层接地，形成了由微反射镜层-绝缘层-光屏蔽层所构成的金属-绝缘层-金属第二电容器，所述第二电容器和像素开关电路层的第一电容器相并联，增大了像素开关电路层的电容，降低了硅基液晶显示器单元的刷新频率。

附图说明

图1是现有技术中硅基液晶显示器单元的电容结构示意图。

图2A至2K是本发明形成硅基液晶显示器单元的结构示意图。

具体实施方式

以下通过依据附图详细地描述具体实施例，上述的目的和本发明的优点将更加清楚：

首先给出一种硅基液晶显示器单元的形成方法，包括在硅基片上形成像素开关电路层，所述像素开关电路层包括一个金属-氧化物-半导体场效应管和与金属-氧化物-半导体场效应管的源端串联的第一电容器；在像素开关电路层上形成光屏蔽层；在光屏蔽层上形成绝缘层；在绝缘层上形成微反射镜层，所述微反射镜层、绝缘层和光屏蔽层构成电容器，所述微反射镜层与金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接，所述光屏蔽层接地。

图2A至2K给出本发明硅基液晶显示器单元制造方法的结构示意图，下面结合附图对本发明的具体实施方式做一详细的说明。

参考图2A所示，首先在硅基片21上形成像素开关电路层22，所述内部驱动电路为一个MOS晶体管和第一电容器相串联组成的动态随机存储器，形成像素开关电路层22是本技术领域人员公知技术，作为本发明的一个优化实施方式，像素开关电路层22包括层间绝缘层201和镶嵌在层间绝缘层201内的地垫层202、信号垫层203和连接垫层204以及连接上、下导电层的通孔，所述接地垫层202接地信号，信号垫层203是为驱动电路的MOS晶体管施加电压，信号垫层203通过通孔和下层驱动电路的MOS晶体管的漏端相电连接，则MOS晶体管的源端和第一电容器的一端通过连接垫层204和通孔相电连接(即为上电极)，第一电容器的另一端通过通孔和地垫层202相电连接(即为下电极)。

然后在层间绝缘层202上形成第一导电层205，所述第一导电层205为一层或者多层导电材料构成，比较优化的第一导电层205为依次采用金属钛、氮化钛、AlCu合金、氮化钛和金属钛组成的多层结构，比较优化的厚度范围为1000至

参照图2B，采用现有的光刻和刻蚀技术在第一导电层205中形成岛状的连接镜面垫层206和光屏蔽层205a，形成所述光屏蔽层205a的目的是防止漏光进入硅基片中的电路器件，则影响电路性能以及寿命，因此需要专门用一层金属来遮光。所述连接镜面垫层206和光屏蔽层205a之间的间隙206a使得连接镜面垫层206和光屏蔽层205a相互绝缘隔离，所述连接镜面垫层206通过连接垫层204和通孔与像素开关电路层的MOS晶体管的源端相电连接，所述光屏蔽层205a通过像素开关电路层22的通孔和接地垫层202相电连接，所述接地垫层202接地。

参照图2C，在光屏蔽层205a、连接镜面垫层206上以及间隙206a内采用高密度等离子体化学气相沉积技术形成氧化硅层207，由于填充了间隙206a，在所述氧化硅层207表面对着间隙206a处产生凹槽，所述形成的氧化硅层207的厚度范围为200至1000nm。

参照图2D，在氧化硅层207表面形成有机抗反射层(BARC)208，所述有机抗反射层208流动性较好，完全填平了氧化层207表面的凹槽，形成有机抗反射层208的目的是为了填充氧化硅层207表面的凹槽，以保护凹槽部分氧化硅，使得蚀刻后表面平整。

参照图2E，去除有机抗反射层208，去除之后，残留的有机抗反射层208a填平了氧化硅层207表面的凹槽，去除部分有机抗反射层208的方法为本领域技术人员公知技术，本发明给出比较优化的实施方式，采用O₂等离子体蚀刻有机抗反射层208，使部分有机抗反射层208与O₂等离子体反应生成CO₂，H₂O等气体物质脱离硅基片表面。

参照图2F，去除氧化硅层207，在光屏蔽层205a、连接镜面垫层206表面及间隙206a中存在残留的氧化硅层207a，去除的氧化硅层207采用现有本领域技术人员公知技术，本发明给出比较优化的实施方式，采用干法蚀刻氧化硅层207。去除氧化硅层207之后，由于干法刻蚀的本身固有缺陷，在间隙206a处会形成小凸起。这些小凸起会造成最终的微反射镜不平整，微反射镜上面覆盖着液晶，如果微反射镜表面不平整，会影响液晶排列方向以及加在液晶中的电场，从而影响显示性能。

参照图2G，平坦化残留的氧化硅层207a的表面，平坦化工艺中去除了光屏蔽层205a上的残留的氧化硅207a部分直至暴露出光屏蔽层205a，之后，形成了由光屏蔽层205a、连接镜面垫层206和填充在间隙206a内的氧化硅层207b所组成的光滑表面，平坦化氧化硅层207a的表面为采用本领域技术人员公知技术，本发明给出了一个优化的实施方式，采用化学机械抛光(CMP)设备同时磨平氧化硅层207a和光屏蔽层205a表面，最终形成光滑平整的表面。

参照图2H，在光屏蔽层205a、连接镜面垫层206和填充在间隙206a内的氧化硅层207b的表面上形成绝缘层209，所述绝缘层209可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及他们的组合，也可以是由比如氧化铪、氧化铝、氧化锆等高-k介质组成的绝缘层209，本发明给出一个比较优化的实施方式，采用氧化硅、氮化硅、氧化硅组成的三层结构ONO层作为绝缘层209，所述绝缘层209的厚度范围为100至

形成绝缘层209的方法为本领域技术人员公知技术。

参照图2I，在绝缘层209上形成开口210，所述开口210暴露出部分连接镜面垫层206，形成开口210的方法为本领域技术人员公知技术。

参照图2J，在绝缘层209a以及开口210内形成金属层211，所述开口内填充的金属材料把金属层211和连接镜面垫层206相电连接，所述金属层211采用反射率比较大的金属材料，可以为铝、银以及它们形成的合金，本发明给出一个比较优化的实施方式，金属层211采用金属铝，所述金属层211的厚度范围为1000至

由于开口的存在，形成金属层211后，在金属层211表面的对着开口210处形成凹槽，凹槽的深度范围为100至

参照图2K，平坦化金属层211，形成微反射镜层211a，平坦化金属层211的技术为本领域技术人员公知技术，本发明给出一个比较优化的实施方式，采用化学机械抛光(CMP)设备平坦化金属层211的表面，最终形成光滑平整的微反射镜层211a，所述微反射镜层211a的厚度范围为800至

所述微反射镜层211a通过填充在开口210内的金属和连接镜面垫层206相电连接，从而与像素开关电路层22的MOS晶体管的源端相连。

基于以上工艺实施以后，得到硅基液晶显示器单元的结构如图2K所示。包括形成在硅基片21上的像素开关电路层22，所述像素开关电路层22包括一个MOS晶体管和与MOS晶体管源端相电连接的第一电容器；位于像素开关电路层22上的光屏蔽层205a；位于光屏蔽层205a上的绝缘层209a；位于绝缘层209a上的微反射镜层211a，所述微反射镜层211a、绝缘层209a和光屏蔽层205a构成电容器，所述微反射镜层211a与金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接，所述光屏蔽层205a接地。

所述光屏蔽层205a中间形成有与之绝缘的岛状的连接镜面垫层206，所述光屏蔽层205a和像素开关电路层22内的接地垫层相电连接，所述接地垫层202接地；所述连接镜面垫层206通过形成在像素开关电路层22的连接垫层204和MOS晶体管的源端相电连接；所述绝缘层209a中形成有开口210，所述开口210内填充的与微反射镜层211a相同金属材料把微反射镜层211a与连接垫层206相电连接，所述绝缘层209a的厚度范围为100至

如图2K所示，微反射镜层211a、绝缘层209a和光屏蔽层205a组成了一个金属-绝缘层-金属(MIM)第二电容器，所述第二电容器的上电极(镜面211a)和MOS晶体管的源端相连，第二电容器的下电极(光屏蔽层205a)和地垫层202相电连接，因此第二电容器和像素开关电路层22的第一电容器相并联和像素开关电路层的MOS晶体管的源端相串联，当像素开关电路层22的MOS晶体管的栅极加上电压，使MOS晶体管开启，像素开关电路层22的第一电容器通过MOS晶体管的源端充电，同时第二电容器此时也被充电，由于绝缘层209a较薄，形成的第二电容器的电容较大，降低了刷新频率。绝缘层209a较薄，形成的开口210的厚度较小，降低了微反射镜层211a和连接镜面垫层206之间的接触电阻，最后，由于绝缘层209a较薄，减少了光通过漫反射进入硅器件的几率，增强了光屏蔽作用。

同时，本发明也可以通过减小像素开关电路层的第一电容器的面积来增大开关电路的设计面积，可以根据不同需求设计高性能开关电路，增大了开关电路的设计灵活性。比如设计一个NMOS和一个PMOS并联开关，可以提高显示灰度；或者设计一个NMOS但是增加器件的宽度，可以提高显示反应速度，第一电容器的面积虽然有部分减少，但是和上述形成的MIM电容器相并联依然增大了电容，可以降低刷新频率。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种硅基液晶显示器单元，包括带有像素开关电路层的硅基片，所述像素开关电路层包括一个金属-氧化物-半导体场效应管和与金属-氧化物-半导体场效应管的源端串联的第一电容器；位于像素开关电路层上的光屏蔽层；位于光屏蔽层上的绝缘层；位于绝缘层上的微反射镜层，所述微反射镜层、绝缘层和光屏蔽层构成第二电容器，所述微反射镜层与金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接，其特征在于：所述光屏蔽层接地。

2.根据权利要求1所述的硅基液晶显示器单元，其特征在于：所述光屏蔽层中还形成有与光屏蔽层隔绝的连接镜面垫层，所述连接镜面垫层和金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接。

3.根据权利要求1或2所述的硅基液晶显示器单元，其特征在于：所述绝缘层还形成有开口，所述开口内填充有导电材料，所述开口内填充的导电材料把微反射镜层和连接镜面垫层相电连接。

4.根据权利要求1所述的硅基液晶显示器单元，其特征在于：所述光屏蔽层通过像素开关电路层的通孔和接地垫层相电连接，所述接地垫层接地。

5.根据权利要求1所述的硅基液晶显示器单元，其特征在于：所述绝缘层厚度范围为100至1000

6.根据权利要求1所述的硅基液晶显示器单元，其特征在于：所述绝缘层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化锆或者它们的组合。

7.根据权利要求1所述的硅基液晶显示器单元，其特征在于：所述微反射镜层为铝。

8.根据权利要求1所述的硅基液晶显示器单元，其特征在于：所述光屏蔽层为金属钛、氮化钛、铝铜合金、氮化钛或它们的组合构成。

9.一种硅基液晶显示器单元的形成方法，包括形成在硅基片上的像素开关电路层，所述像素开关电路层包括一个金属-氧化物-半导体场效应管和与金属-氧化物-半导体场效应管的源端串联的第一电容器；在像素开关电路层上形成光屏蔽层；在光屏蔽层上形成绝缘层；在绝缘层上形成微反射镜层，所述微反射镜层、绝缘层和光屏蔽层构成第二电容器，所述微反射镜层与金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接，其特征在于：所述光屏蔽层接地。

10.根据权利要求9所述的硅基液晶显示器单元的形成方法，其特征在于：在所述光屏蔽层中形成与光屏蔽层隔绝的连接镜面垫层，所述连接镜面垫层和金属-氧化物-半导体场效应管的源端相电连接。

11.根据权利要求9或10所述的硅基液晶显示器单元的形成方法，其特征在于：在所述绝缘层中形成开口，在所述开口内填充导电材料，所述开口内填充的导电材料把微反射镜层和连接镜面垫层相电连接。

12.根据权利要求9所述的硅基液晶显示器单元的形成方法，其特征在于：所述光屏蔽层通过像素开关电路层的通孔和接地垫层相电连接，所述接地垫层接地。

13.根据权利要求9所述的硅基液晶显示器单元的形成方法，其特征在于：所述绝缘层厚度范围为100至1000

14.根据权利要求9所述的硅基液晶显示器单元的形成方法，其特征在于：所述绝缘层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化锆或者它们的组合。

15.根据权利要求9所述的硅基液晶显示器单元的形成方法，其特征在于：所述微反射镜层为铝。

16.根据权利要求9所述的硅基液晶显示器单元的形成方法，其特征在于：所述光屏蔽层为金属钛、氮化钛、铝铜合金、氮化钛或者它们的组合构成。

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