CN100561321C - 低温多晶硅薄膜晶体管全集成有源选址基板及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在大面积玻璃衬底上制备大面积全集成型多晶硅TFT有源基板和多个小面积有源基板的技术。通过双边垂直设置驱动电路的方法，采用电路外延交叉点为有源岛形成的对准基点设计方法，与电路长边等长的连续诱导口和ITO掩盖层，来实现MILC多晶硅TFT的电路与MIC多晶硅TFT的矩阵的有机集成，从而避开由于在晶化过程中玻璃衬底收缩所造成的后道加工掩膜板对准错位的问题。采用该项技术，可制备出高质量的多晶硅TFT电路的全集成系统。该项技术为用于大面积衬底流片的工业化生产技术。

Description

低温多晶硅薄膜晶体管全集成有源选址基板及制备方法

技术领域

本发明涉及显示技术，特别是一种低温多晶硅薄膜晶体管全集成有源选址基板及制备方法。本发明是采用金属诱导横向晶化(MIC)和金属诱导横向晶化(MILC)混合技术在大面积衬底上制备大面积显示器全集成寻址基板或制备多个小面积显示器全集寻址基板。

背景技术

高性能的平板显示器件，包括液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED/PLED)都需要薄膜晶体管(TFT)有源选址和有源驱动技术。(如：Development of High QualityLCDTV，M.Shigeta，H.Fukuoka，SID 04 Digest，Page 754；A 4.3-in.VGA(188ppi)AMOLED Display with a New Driving Method，Y.Tanada，M.Osame，R.Fukumoto，K.Saito，J.Sakata，S.Yamazaki，S.Murakami，K.Inose，N.Miyoshi K.Sato，SID04 Digest，Page 1398)有源选址和有源驱动技术的进一步的发展，可将驱动电路(扫描电路、数字电路、直流电平变换、时钟信号发生器等)与有源选址驱动矩阵集成在同一个基板上，实现系统集成(SOP)从而使显示器具有显示密度高，外接管脚少，成本低的特点。(如Y.Nakajima，Y.Kida等人所报道的Latest Development of″System-on-Glass″Display with Low TemperaturePoly-Si TFTSID 2004 Digest，p864-867。)制备全集成显示器的最佳器件的选择为低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS)。现在较为成熟的LTPS技术包括准分子激光退火(ELA)晶化的方法(如：美国专利6071796，Voutsastolis，“Method of Controlling Oxygen Incorporation DuringCrystallization of Silicon Film by Excimer Laser Annealing in Air Ambient)和金属诱导晶化(MIC)、金属诱导横向晶化技术(MILC)。ELA的方法有如下缺点：准分子激光器的设备价钱昂贵，所使用的多为有毒气体(如：中国专利，申请号：200410086941.8，笠原健司；河崎律子；大谷久；田中幸一郎，激光装置和激光退火方法，)并有光束与光束的搭接引起的器件性能分布不均匀的问题(如：C-W Kim，K-C Moon，H-J Kim，Development of SLS-BasedSystem on Glass Display，SID Digest 2004，p868-871)。因此，在制备大面积选址基板时，该技术有局限性。MIC和MILC多晶硅TFT制备设备较ELA的设备便宜，常规的加热炉就可以完成材料的晶化过程，而且，制备大面积的多晶硅衬底，不存在如ELA的搭接问题，因此，在制备大面积多晶硅有源基板上，具有较大的潜力。但是MIC和MILC多晶硅TFT技术要在制备大面积有源基板上达到实用化程度，则必须要解决或避开MIC与MILC形成的500-600℃的温度过程，玻璃衬底产生收缩，而在后道器件制备过程中造成的掩膜板对准错位的问题。就MIC和MILC多晶硅TFT而言，MILC多晶硅TFT的迁移率和开启电压特性优于MIC多晶硅TFT，可制备出较高性能的多晶硅电路，但MILC的形成需要诱导口来确定晶化的位置，存在衬底收缩造成的掩膜板对准错位的问题。MIC多晶硅的形成，是一个不需要掩膜板定位的整个面积的晶化的过程，因此，不存在玻璃衬底收缩造成的掩膜板对准错位的问题。充分的运用MILC多晶硅TFT的优良器件性能和MIC多晶硅TFT对大面积有源基板的优势，形成在大面积玻璃基板上制备大面积全集成有源基板或多个小面积的全集成基板，是具有重要产业应用价值技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温多晶硅薄膜晶体管全集成有源选址基板及制备方法，可以克服现有技术的缺点。它是运用了MIC和MILC多晶硅TFT器件技术，建立一种适合在大面积玻璃衬底上制备大面积显示器用的全集成型有源基板以及多个小面积显示器用的全集成型有源基板的设计与制备技术。与ELA制备技术相比，具有设备投入较低的和大面积衬底基板上器件较高的优势，与单纯MILC多晶硅TFT技术制备的有源选址基板相比，避开了晶化过程造成的玻璃衬底收缩造成的器件后道加工掩膜板对准错位的问题，与单纯MIC多晶硅TFT技术制备的有源选址基板相比，驱动电路具有更好的性能。

本发明低温多晶硅薄膜晶体管全集成型有源基板包括：以多晶硅为有源层制备的驱动电路和有源选址驱动矩阵，其特征在于：

驱动电路中的扫描电路和数据电路垂直设置在有源选址驱动矩阵的周边，扫描电路在有源选址驱动矩阵的左边或右边，数据电路在有源选址驱动矩阵的上边或下边，中间为有源选址驱动矩阵；驱动电路用金属诱导横向晶化(MILC)多晶硅薄膜晶体管(TFT)构成，形成金属诱导横向晶化(MILC)多晶硅材料的诱导口与所述的电路分布的长边平行；扫描电路长边方向为上下走向，则诱导口的方向为上下方向，并且为整体联通的诱导口；数据电路的长边走向为左右方向，则诱导口的方向为左右方向，并且为整体联通的诱导口；有源选址驱动矩阵采用金属诱导晶化(MIC)多晶硅薄膜晶体管(TFT)构成。

所述的扫描电路和数据电路中的薄膜晶体管(TFT)有源岛分布在条形的金属诱导横向晶化(MILC)的多晶硅区域中，形成位置的基本标记的点，驱动矩阵中的薄膜晶体管(TFT)有源岛分布在金属诱导晶化(MIC)多晶硅区间。

所述的全集成型有源基板是5-10英寸大面积有源基板或5英寸以下的显示尺寸的小有源基板，所述的小有源基板上的扫描电路与数据电路的外延交汇处设置光刻对版标记。

所述的基本光刻对版标记为包围在MILC多晶硅中的非晶硅图标，或预置的非晶硅图标。

所述的扫描电路和数据电路中的TFT为MILC多晶硅TFT，其结构特征为：衬底上沉积的氮化硅、氧化硅或它们的复合层构成的过渡层，在过渡层上面制备MILC多晶硅的有源岛和沟道，然后依序制备低温氧化硅(LTO)栅绝缘层、多晶硅或高温金属栅、LTO电极绝缘层、金属电极。

所述的有源矩阵中的TFT为MIC多晶硅TFT，其结构特征为：衬底上沉积的氮化硅、氧化硅或它们的复合层构成的过渡层，在该过渡层上面制备MIC多晶硅的有源岛和沟道，然后依序制备低温氧化硅(LTO)栅绝缘层、多晶硅或高温金属栅、透明电极(ITO)、LTO绝缘层、金属内联引线。

制备所述的全集成型有源基板的方法是经过下述步骤：

1)在透明玻璃或石英衬底上，采用等离子化学汽相沉积的方法制备出LTO过渡层，用来阻止衬底中的金属杂质向有源层扩散；

2)在上述过渡层的衬底上，采用化学汽相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)或溅射法，沉积非晶硅薄膜层；

3)在非晶硅薄膜上沉积LTO薄膜，并光刻出诱导孔图形，在扫描电路与数据电路区间，形成诱导口和LTO覆盖层；在有源矩阵区间，去掉LTO层，采用溶液方法或电子束蒸发法沉积诱导金属镍；在氮气下，450-600℃退火，同步完成MILC和MIC的晶化过程。

4)光刻出电路和矩阵中TFT有源岛图形，在MILC多晶硅区间形成MILC-TFT有源岛，在MIC多晶硅区间形成MIC-TFT有源岛。在425℃下沉积的LTO作为栅绝缘层，并在其上面沉积多晶硅或高温金属钛钨、镍或钼，光刻加工成为栅电极；

5)自对准离子注入TFT源漏电极掺杂剂，活化形成TFT的源漏电极。N型TFT以相应的能量注入磷、砷，P型TFT以相应的能量注入硼；经过550℃30分钟的掺杂杂活化过程，形成多晶硅TFT的源漏电极。

6)溅射ITO光刻加工形成象素电极。在425℃下，采用LPCVD方法，沉积LTO电极间绝缘层；并光刻出接触孔，溅射硅铝合金层，光刻电极图形，并完成合金化过程。

所述的全集成型有源基板制备方法中的扫描电路和数据电路的诱导口分别为平行各自分布长边的长方孔，矩阵上的诱导孔为包括整个矩阵面积的长方孔；基准对位标于扫描电路与数字电路的外延交叉点上。

所述的全集成型有源基板制备方法中的MILC和MIC材料的厚度是30nm-300nm。

所述的全集成型有源基板制备方法，在沉积在非晶硅上面的100nm-300nm的LTO上，光刻腐蚀出诱导口和掩盖层。

本发明所述的全集成有源基板可用于有源矩阵液晶显示器和有源矩阵有机发光二极管显示器。

本发明使用MILC和MIC混合技术，通过系统设计成功地避开了玻璃衬底在晶化过程中的尺寸收缩对器件加工中的掩膜板对准错位的问题。该技术与ELA技术相比，设备成本低，更适合大面积有源基板的制备。本发明适应于大面积玻璃衬底上制备有源基板的工业线要求。可制备电视、工作站终端、医学用检视器用的大面积显示器的有源基板。

本发明也可用于制备中小尺寸的有源矩阵显示，用于图象手机、PDA等。本发明“低温多晶硅薄膜晶体管全集成有源选址基板及制备方法”适用于有源矩阵液晶显示器(AMLCD)和有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED)。

以下是有关本发明的具体说明，凡未脱离本发明精神的所有等效实施或变更，均属于本发明的内容范围。

附图说明

图1：大面积玻璃衬底上沉积LTO过渡层和非晶硅层的截面示意图。

图2：制备大面积有源矩阵为形成MILC和MIC初始诱导口设定位置和晶化后已经收缩的衬底上可用的MILC与MIC的相对位置示意图。

图3：在大面积衬底上制备多个有源基板的MILC和MIC分布示意图。

图4：分布在MILC和MIC区间上的驱动电路和有源矩阵的有源硅岛示意图。

图5：有源基板上形成MILC和MIC的最初催化金属的放置过程示意图。

图6：多晶硅MILC-TFT和多晶硅MIC-TFT栅电极的形成过程示意图。

图7：多晶硅MILC-TFT和多晶硅MIC-TFT自动准注入源漏电极的形成过程示意图。

图8：多晶硅MILC-TFT和多晶硅MIC-TFT以及象素电极形成示意图。

具体实施方式

实施例

本发明参照附图详述如下：

如图所示，本发明是在透明玻璃衬底上，采用MILC-TFT和MIC-TFT的混合技术，避开玻璃衬底收缩造成的影响，来完成大面积全集成型多晶硅TFT有源基板制备的技术。

如图1所示，MILC和MIC都源于玻璃衬底上沉积的非晶硅有源层。其中，为阻挡玻璃衬底中的杂质向有源层中扩散，在玻璃衬底上通常沉积氮化硅和LTO混合层。

对于形成的全集成型有源基板，驱动电路为双边垂直设置电路。例如，扫描电路在左边(或右边)，数据电路在上边(或下边)。中间大面积为有源选址驱动矩阵。驱动电路采用MILC多晶硅TFT构成，形成MILC多晶硅材料的诱导口与电路分布的长边平行。例如，扫描电路在左边，扫描电路长边方向为上下走向，则诱导口的方向为上下方向，并且为整体联通的诱导口。数据电路在上边，数据电路的长边走向为左右方向，则诱导口的方向为左右方向，并且为整体联通的诱导口。选址和驱动矩阵采用MIC多晶硅TFT构成。

在图1所示的大面积透明玻璃衬底上101上，沉积的是LTO过渡层102。非晶硅膜103沉积在LTO过渡层102上。

图2所示的是为在一个大面积衬底上制备一个大面积有源基板时，非晶硅103上的LTO覆盖层。图中所示的201在扫描电路区间，202为数据电路区间。在驱动电路形成的位置上，被制备成平行子电路长边方向的长条图形205，与其互补的部分为诱导口204。以扫描电路与数据电路交叉点上所见的对准标206为参考，在晶化过程中，对应的LTO 205覆盖的部分，会变成MILC多晶硅材料。大面积的矩阵部分，将形成MIC多晶硅。在晶化的过程中，玻璃衬底会产生尺寸的收缩，以一个21英寸的显示器所需有源选址基板为例，其扫描电路的长边长度为32cm，数据线的长边长度为42cm，电路的宽度约为2mm，如果经过晶化退火后的玻璃收缩为5ppm，32cm将收缩ΔL1为160微米，42cm将收缩ΔL2将收缩210微米，2mm宽度收缩量为ΔW为0.01微米。采用与长边平行的诱导口，形成320mm×0.1mm×20和420mm×0.1mm×20平行的MILC多晶硅条，并以扫描电路与数字电路的交点为对准参考点，在MILC多晶硅条上定义有源岛图形，则可避开诱导口随温度变化而对有源岛图形形成的影响。在大面积的矩阵区间，采用MIC多晶硅TFT，MIC形成的是整片的多晶硅材料，没有诱导孔的版图来影响有源岛的形成。

图3所示的是在一个大面积衬底上，制备出多个小面积的有源基板302，每个小的有源基板结构与上面所述的大面积有源基板相同。每个小的有源基板的扫描电路和数据电路的外延交叉点为一个对准标301。采用分步曝光的方法，对小的有源基板进行逐一的对准和曝光，即可消除玻璃衬底收缩所造成的掩膜板对准错位的问题。

电路中的TFT有源岛分布在条形的MILC的多晶硅区域中，矩阵中的TFT有源岛分布在大面积的MIC多晶硅区间。

图4所示的为MILC和MIC多晶硅TFT的有源岛形成的布局图。驱动电路中扫描电路的有源岛401a和数据电路的有源岛401b分布在MILC多晶硅区间，有源矩阵的有源岛402分布在MIC多晶硅区间。

如图5所示，诱导金属镍501沉积在诱导口204内的非晶硅103和LTO掩盖层205表面上，在之后的晶化过程中，诱导口部分，形成MIC多晶硅材料，LTO掩盖层下的非晶硅转变为MILC多晶硅材料。诱导金属501沉积在有源选址驱动矩阵的非晶硅103上，形成大面积的MIC多晶硅薄膜材料。

之后，去掉LTO掩盖层205和残余的金属镍，形成MILC和MIC TFT的多晶硅有源岛601和602。图6中所示的金属或多晶硅栅604形成在栅绝缘层603上。之后，如图7所示，通过栅自动准掺杂离子703的离子注入，形成多晶硅MILC-TFT的源漏电极701和MIC-TFT的源漏电极702。随后，沉积ITO透明电极层，光刻形成象素电极802。最后，沉积电极绝缘层801，开接触孔，形成金属电极803。即形成了如图8所示的多晶硅TFT。

具体制备方法描述如下：

1)在透明玻璃衬底(美国Corning公司生产的1737玻璃)101上，采用等离子化学汽相沉积(PECVD)的方法，350℃下沉积300nm低温氮化硅和100nm低温氧化硅的混合层作为玻璃衬底杂质阻挡层和衬底材料与硅膜材料的过渡层102。

2)在上述沉积了过渡层的衬底上，采用PECVD或低压化学气相淀积(LPCVD)法，分别在350-400℃或550℃下，沉积30nm-600nm的非晶硅层103。

3之后，在非晶硅上沉积100nm-300nm的LTO层，并在电路(扫描电路、数据电路)区间，形成诱导口204和LTO覆盖层205。在大面积有源矩阵区间，去掉LTO层。之后，采用溶液方法或电子束蒸发法沉积诱导金属镍501。经过590℃氮气气氛下4小时退火，LTO覆盖的区间形成MILC多晶硅材料，没有LTO覆盖的地方，将形成MIC多晶硅材料。

4)光刻TFT有源岛图形，在MILC多晶硅区间形成MILC-TFT有源岛401a、401b，在MIC多晶硅区间形成MIC-TFT有源岛402。425℃下，沉积50-150nm的LTO作为栅绝缘层603。并在其上面沉积300nm的多晶硅或高温金属如：钛钨、镍、钼等，光刻加工成为栅电极604。

5)接下来，自动准注入TFT源漏电极掺杂剂，对于N型TFT以相应的能量注入磷、砷，P型TFT以相应的能量注入硼。之后经过550℃30分钟的掺杂活化过程，形成多晶硅TFT的源漏电极701、702。

6)溅射ITO光刻加工形成象素电极802。425℃下，采用LPCVD方法，沉积500nm的LTO电极绝缘层801。光刻并加工接触孔图形，溅射500nm的硅铝合金层，并加工成金属电极803。

Claims (10)

1、一种低温多晶硅薄膜晶体管全集成型有源基板，它包括以多晶硅为有源层制备的驱动电路和有源选址驱动矩阵，其特征在于：

驱动电路中的扫描电路和数据电路垂直设置在有源选址驱动矩阵的周边，扫描电路在有源选址驱动矩阵的左边或右边，数据电路在有源选址驱动矩阵的上边或下边，中间为有源选址驱动矩阵；驱动电路用金属诱导横向晶化多晶硅薄膜晶体管构成，形成金属诱导横向晶化多晶硅材料的诱导口与所述的电路分布的长边平行；扫描电路长边方向为上下走向，则诱导口的方向为上下方向，并且为整体联通的诱导口；数字电路的长边走向为左右方向，则诱导口的方向为左右方向，并且为整体联通的诱导口；有源选址驱动矩阵采用金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管构成；

所述的扫描电路和数据电路中的薄膜晶体管有源岛分布在条形的金属诱导横向晶化的多晶硅区域中，形成位置的基本标记的点，有源选址驱动矩阵中的薄膜晶体管有源岛分布在金属诱导晶化多晶硅区间。

2、根据权利要求1所述全集成型有源基板，其特征在于所述的基本标记为在金属诱导横向晶化多晶硅中形成驱动电路的薄膜晶体管有源岛。

3、根据权利要求1所述的全集成型有源基板，其特征在于它是5-10英寸大面积有源基板或5英寸以下的显示尺寸的小有源基板，所述的小有源基板上的扫描电路与数字电路的外延交汇处设置一个对版标记。

4、根据权利要求1所述的全集成型有源基板，其特征在于所述的扫描电路和数据电路中的薄膜晶体管为金属诱导横向晶化多晶硅薄膜晶体管，其结构为：衬底上沉积氮化硅、氧化硅或它们的复合层构成过渡层，在该过渡层上面制备金属诱导横向晶化多晶硅的有源岛和沟道，然后依序制备低温氧化硅栅绝缘层、多晶硅或高温金属栅、低温氧化硅电极绝缘层、金属电极。

5、根据权利要求1所述的全集成型有源基板，其特征在于所述的有源选址驱动矩阵中的薄膜晶体管为金属诱导晶化多晶硅薄膜晶体管，其结构为：衬底上的沉积氮化硅、氧化硅或它们的复合层构成的过渡层，在该过渡层上面制备金属诱导晶化多晶硅的有源岛和沟道，然后依序制备低温氧化硅栅绝缘层、多晶硅或高温金属栅、透明电极、低温氧化硅绝缘层和金属内联引线。

6、一种制备权利要求1所述的全集成型有源基板的方法，其特征在于经过下述步骤：

1)在透明玻璃或石英衬底上，采用等离子化学汽相沉积的方法制备出氮化硅、低温氧化硅或它们的复合层构成的过渡层，其中氮化硅厚度为300nm，低温氧化硅厚度为100nm，用来阻止衬底中的金属杂质向有源层扩散；

2)在上述过渡层的衬底上，采用化学汽相沉积、低压化学气相淀积或溅射法，沉积非晶硅薄膜层；

3)在非晶硅薄膜上沉积低温氧化硅薄膜(LTO)；在扫描电路与数据电路区间，光刻出诱导孔图形，形成诱导口和低温氧化硅掩盖层；在有源矩阵区间，去掉低温氧化硅薄膜；采用溶液方法或电子束蒸发法沉积诱导金属镍；在氮气下，450-600℃退火，完成金属诱导横向晶化和金属诱导晶化的晶化过程；

4)光刻出电路和矩阵中薄膜晶体管有源岛图形，在金属诱导横向晶化多晶硅区间形成金属诱导横向晶化薄膜晶体管有源岛，在金属诱导晶化多晶硅区间形成金属诱导晶化薄膜晶体管有源岛，425℃下，沉积的低温氧化硅薄膜作为栅绝缘层，并在其上面沉积多晶硅或高温金属钛钨、镍或钼，光刻加工成为栅电极；

5)离子注入，活化形成薄膜晶体管的源漏电极，自动准注入薄膜晶体管源漏电极掺杂剂，N型薄膜晶体管以相应的能量注入磷或砷，P型薄膜晶体管以相应的能量注入硼；经过550℃30分钟的掺杂活化过程，形成多晶硅薄膜晶体管的源漏电极；

6)溅射ITO光刻加工形成象素电极；425℃下，采用低压化学气相沉积方法，沉积低温氧化硅绝缘层；并光刻出源漏电极的接触孔，溅射硅铝合金层，并加工成金属电极。

7、根据权利要求6所述的全集成型有源基板的制备的方法，其特征在于所述的电路中的诱导口为平行电路分布长边的长方孔，矩阵上的诱导孔为包括整个矩阵面积的长方孔；基准对位标于扫描电路与数字电路的外延交叉点上。

8、根据权利要求6所述的全集成型有源基板的制备的方法，其特征在于所述的金属诱导横向晶化和金属诱导晶化材料的厚度是30nm-300nm。

9、根据权利要求6所述的全集成型有源基板的制备的方法，其特征在于是在所述的沉积非晶硅上面的100nm-300nm的低温氧化硅上，光刻腐蚀出诱导口和掩盖层。

10、权利要求1所述的全集成有源基板用于有源矩阵液晶显示器和有源矩阵有机发光二极管显示器。

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