CN101145564A - 有源矩阵显示基板制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明采用简化流程制备出适用于液晶和有机发光二极管显示器的有源基板。主要包括采用铝硅替代工艺，制备低电阻交叉引线技术；采用铝硅替代工艺，制备低源漏电阻的高性能TFT技术；多晶硅象素电极技术；将以上多种新工艺巧妙地组合，整个制备流程只需三次掩模过程。与常规的多晶硅以及非晶硅的基板制备技术相比，减少了约一倍的流程，可有效地提高产品的成品率，降低成本，具有重要的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及显示器制造方法。进一步讲，涉及液晶(LC)和有机发光二极管(OLED)显示器有源矩阵基板的制备方法。本发明采用3个掩模过程，可制备出包括单色、全彩色、简单矩阵、集成型各种AMLCD和AMOLED有源矩阵基板。制备过程仅为常规工艺的50-60％，可有效的降低制备成本，提高产品的优良品率。
背景技术
液晶显示(LCD)技术已经成为当前显示器的主流技术，成为第二代显示器的代表。而有机发光二极管(OLED)显示技术是目前发展最快的显示技术，有望成为第三代显示器的主流技术。无论LCD还是OLED，要获得高质量的显示都需要有源矩阵基板(通常为TFT基板)的驱动。所以TFT有源矩阵基板技术，已经成为非常重要的显示器支撑平台，这已是众所周知的事实。多晶硅TFT具有高迁移率的特点，可制备高密度全集成显示器。具有很强的技术优势，但是常规的多晶硅TFT技术和相应的有源基板制备过程比较复杂，通常有7-8个甚至10个掩模过程才可完成。而非晶硅TFT基板通常使用5-6个掩模过程。因此，现在TFT显示基板加工公司，主要生产非晶硅TFT显示基板。能否在保持多晶硅TFT的诸多优势的前提下，简化多晶硅TFT显示基板的制备流程，使其比非晶硅TFT显示基板的制备流程还要简单？这是我们该项发明的出发点。以前，多晶硅的研究主要在其电学特性，如专利US Patent 5,705,829，US 2003129853，US Patent：6,737,674等提到材料的获得，TFT的制备等。我们在本发明中，同时使用多晶硅薄膜的电学和光学特性，使制备流程简化。另一方面，铝硅替代技术的研究，如专利US2005023707，US2005186773等所讲的用于硅薄膜电极转金属化或MOS器件源漏多晶硅金属替代，达到降低电阻的目的。在本发明中，我们采用铝硅替代技术，使用一次金属沉积和掩模过程而能制备出双层交叉互连金属电极，使电极的制备过程得到简化。与常规的多晶硅以及非晶硅的基板制备技术相比，减少了约一倍的流程，可有效地提高产品的成品率，降低成本，具有重要的实用价值。可用于制备PDA、数码摄像机、手机等便携式电子产品的显示屏。
发明内容
本发明主要包括采用铝硅替代工艺，制备低电阻交叉互连金属电极引线；采用铝硅替代工艺，制备低源漏电阻的高性能TFT技术；多晶硅象素电极技术。将以上技术巧妙地组合，使TFT的有源岛，交叉电极的多晶硅岛、象素电极在一次掩模过程中完成，不需要ITO的沉积与加工过程；绝缘层(TFT栅绝缘层、交叉电极隔离绝缘层、象素电极覆盖绝缘层)图形或说接触孔图形在一次掩模过程中完成；TFT的源、栅、漏电极和金属引线电极在一次金属成膜和一次掩模过程中完成；形成此3掩模过程简化流程。
本发明所述的3掩模流程制作的有源矩阵显示基板包括：单色、全彩色、简单矩阵、集成型各种AMLCD和AMOLED矩阵基板中的一种基板。
所述的基板由用于PMOS驱动电路的多晶硅TFT，交叉金属电极，多晶硅寻址TFT，多晶硅像素电极组成。对于简单矩阵，则不包括用于PMOS驱动电路的多晶硅TFT。
所述3掩模的流程的第一个流程之后，可形成PMOS驱动电路的多晶硅有源硅岛；可形成交叉电极的底层非掺杂多晶硅电极；可形成TFT寻址的多晶硅有源硅岛和非掺杂多晶硅像素电极。
所述的多晶硅薄膜是低吸收率(蓝色区域吸收率低于20％，红色和绿色区域低于10％)和高电学性能(满足TFT沟道和源漏电极要求)的金属诱导晶化(MIC)多晶硅，金属诱导横向晶化(MILC)多晶硅。多晶硅薄膜也可以通过激光退火形成。
所述的多晶硅薄膜厚度为20-300纳米，沉积在带有低温氧化物(LTO)阻挡层的玻璃衬底上。
所述3掩模流程的第二个流程之后，可形成PMOS驱动电路TFT的LTO栅绝缘岛；可形成交叉电极间的LTO绝缘岛；可形成TFT寻址的LTO栅绝缘岛和非掺杂多晶硅像素电极的LTO绝缘层。
所述的LTO绝缘层是通过LPCVD或PECVD沉积，厚度大约50-900纳米。
所述3掩模流程的第三个流程之后，可形成PMOS驱动电路TFT的源、栅、漏电极；可制备外围电路和等效双金属引线；可形成寻址TFT的源、栅、漏金属电极。
所述的金属层是连续溅射的1-3微米的铝合金层和0.1-0.3微米的钛薄膜。
铝膜和钛膜沉积在样品上，其中铝金属可与没有绝缘层的多晶硅连接。经过250-500℃的加热处理，铝以每小时5-10微米的速度水平扩展从而替代硅。
替代所形成的铝膜可作为PMOS驱动电路TFT的源、漏低阻金属电极；作为交叉电极的底部铝电极；也可作为多晶硅寻址TFT的源、漏低阻金属电极
所述的PMOS驱动电路多晶硅TFT和多晶硅寻址TFT的金属栅电极用作自对准离子注入掺杂的掩膜，掺杂物是B+或BF3+，掺杂量(4-8)×1015/cm2，能量30-150KeV。
所述的样品，掺杂物通过激光或闪灯快速活化法活化。
所述的AMLCD基板，在此步骤 结束后，完成制备过程。
所述AMOLED基板，所有像素电极以外的区域和系统管脚都被有机绝缘层覆盖。有机绝缘层通过印刷法制成。并在其保护下，刻蚀或腐蚀出象素电极的窗口。
用该基板制备的AMLCD和AMOLED可用于PDA、移动电话等便携电子设备的显示屏。
上述详细说明是有关本发明的具体说明，凡未脱离本发明精神所为的等效实施或变更，均属于本发明的内容范围。
附图说明
图1：多晶硅薄膜形成在具有绝缘阻挡层的衬底上样品的截面图
图2a：各种多晶硅岛和相应绝缘层图形的截面图
图2b：与图2a相对应的俯视示意图。
图3：样品上连续沉积铝、钛金属层后的截面图
图4：铝硅替代后的结构截面图
图5a：铝形成晶体管源栅漏电极和引线电极示意图
图5b：与图5a相应的俯视图
图6：在TFT的源漏和象素电极区注入杂质过程示意图
图7：采用激光或闪灯活化注入杂质过程示意图
图8：印刷有机保护层的基板截面示意图
图9：印刷有机保护层并去掉象素上绝缘层的基板截面示意图
图10：采用所述3掩模过程工艺，设计的驱动电路版图，放大部分为金属互连电极
图11：采用所述3掩模过程工艺，设计的液晶有源基板象素版图
图12：采用所述3掩模过程工艺，设计的有机发光二极管有源基板象素版图
图13：多晶硅TFT的转移特性曲线
图14：铝硅替代后，所形成铝薄膜的电流电压关系，反应的是其薄层电阻
图15：50纳米厚多晶硅象素电极的吸收、反射和透射光谱曲线
具体实施方式
本发明参照附图详述如下：
图1所示的是衬底101上，沉积绝缘阻挡层102，在阻挡层的上面制备高质量多晶硅薄膜材料103。其中衬底101为但不限于玻璃衬底、聚合物塑料、不锈钢板材、非晶硅、多晶硅或单晶硅板材。阻挡层102为但不限于氧化硅、氮化硅、氮氧化硅，厚度30-900纳米。高质量多晶硅采用但不限于金属诱导晶化，金属诱导横向晶化，激光诱导晶化等大晶粒多晶硅，厚度20-300纳米。
图2a所示的是多晶硅层103会在第一个掩模过程中形成电路TFT的有源岛201，用于形成隔离交叉联线和外引线的多晶硅岛203，寻址TFT有源岛和像素电极205。此外，沉积一层绝缘薄膜作为TFT栅极和交叉电极的绝缘层。进而在第二个掩模过程中，形成电路TFT的栅极绝缘岛202，独立交叉电极的绝缘岛204，寻址TFT的绝缘岛206。其中绝缘薄膜为但不限于低温氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等，采用PECVD、LPCVD或溅射方法沉积，厚度20-300纳米。
图2b所示的是与图2a相对应的俯视图。绝缘层薄膜上下覆盖多晶硅岛，硅岛(包括TFT有源岛、交叉电极多晶硅岛、和象素电极)左右的相应位置露出绝缘层，准备与金属相连接。
图3所示的是1-2微米的铝膜301和0.2-0.3微米的钛膜302会按顺序用溅射法沉积在整个衬底上。露出绝缘层的多晶硅膜会与铝膜301相连。金属溅射后，样品在250℃-500℃的氮气中退火1-2个小时，之后钛膜302用湿法刻蚀去除。在退火过程中，与铝接触的多晶硅会被铝替代。这种替代作用也会在绝缘层下的多晶硅中发生。水平方向上的多晶硅会被铝以每小时10微米的速度逐渐替代。形成图4所示的是：铝区域402，403和404。
图5a所示的是在第三个掩模过程中，铝层会形成金属源、漏和栅电极。对于电路TFT，形成的铝电极501可以作为低阻金属电极与多晶硅源、漏电极很好地连接，同时与金属电极402连接。从而形成TFT电路内联引线、金属栅电极502和金属源、漏电极501。 对于绝缘层下面的交叉电极，非掺杂的多晶硅会被铝取代而形成低阻的铝电极403。铝电极403与铝电极503相连，与LTO层上的铝电极504相隔离。这种交叉电极的形成技术满足了集成电路双金属层配线的要求。这种技术可以与TFT技术相结合，制作出多功能集成电路，包括显示驱动电路、界面和时钟电路等等。对于寻址TFT，替代的铝电极404可与多晶硅有源层很好地连接，同时与金属电极505连接。在形成金属栅电极506和金属源、漏电极505同时，寻址TFT的内互联引线的形成也同时完成。图5b所示的是图5a对应的俯视图。
图6所示的是金属电极制备后，掺杂物B+或BF3 +等P型杂质601，可以(4-8)×1015/cm2剂量、40-150KeV注入能量通过自对准离子注入的方法注入，注入能量随绝缘层厚度、已形成的电路TFT的金属栅电极502和寻址TFT的金属栅电极506的厚度不同而不同。注入后，电路TFT的源、漏区域变成了高浓度掺杂的区域602，寻址TFT的源、漏区域和像素电极也变成了高浓度掺杂的区域604。
图7所示的是掺杂后，可以使用激光或闪灯活化法激活多晶硅内的掺杂物，以此代替其他的长时间高温激活方法可以避免铝和硅之间进一步替代。如图所示，顶部的激光(355nm，532nm YAG倍频激光)或闪灯701照射基板的正面可将高浓度掺杂区602和604变成杂质激活多晶硅区703和704。若使用背部的激光(532 nm倍频激光)或闪灯702照射衬底的背面，高浓度掺杂区602和604被激活，同时沟道区603和605也被退火。对于AMLCD基板，到此即完成了全部制备过程。
图8所示的是AMOLED基板，除了最终裸露在外的外引脚，电路TFT和联线都会覆盖0.5-2微米的有机绝缘层801之下。在整个矩阵中，除了每个像素的特定大小的长方形孔以外，所有的区域都会被有机绝缘层覆盖。有机层通过印刷的方法获得，在120-250℃的温度下烘烤会变得十分坚固和稳定。
图9所示的是用有机绝缘层801做掩膜，像素电极上的LTO层被用干法刻蚀法除去。这样多晶硅像素电极就可以暴露出来作为OLED的像素电极901。像素电极制成后，红、绿、蓝OLED就能在同一个像素电极的不同区域沉积。
图10所示的是采用所述3掩模过程工艺，设计的驱动电路版图，放大部分为金属互连电极。
图11所示的是采用所述3掩模过程工艺，设计的液晶有源基板象素版图
图12所示的是采用所述3掩模过程工艺，设计的有机发光二极管有源基板象素版图
图13所示的是多晶硅TFT的转移特性曲线，用上述技术制造的MICTFT的漏电流和场效应迁移率随栅电压变化的特性曲线。器件利用了YAG 532nm倍频激光活化和沟道退火技术。P型TFT的特性达到：场效应迁移率大于80cm2/V.s，启动电压约3.5V，开关电流比大于107。这些特性完全能够满足PMOS电路和寻址矩阵的要求。
图14所示的是铝硅替代后，所形成铝薄膜的电流电压关系，其薄层电阻～20欧姆/方.块。
图15所示的是50纳米厚多晶硅象素电极的吸收、反射和透射光谱曲线。多晶硅像素电极的吸收、反射和透过率谱。在蓝光区，460nm时，吸收率小于20％；在绿光和红光区，550nm和640nm时，吸收率小于10％。
表一所示的是本发明与常规poly-Si或a-Si SOP AMOLED的流程对比。可以减少2-4次掩模。其总掩膜数仅为a-Si AMOLED(无外围驱动电路)的60％。这一超简化的3次掩模poly-Si SOP AMOLED制备流程在显示领域有着非常重要的应用价值。
表一：制备有源矩阵的不同工艺流程比较
| 制程 | 掩模1 | 掩模2 | 掩模3 | 掩模4 | 掩模5 | 掩模6 | 掩模7 | 合计 |
| CMOSSOP | 有源岛 | 栅电极 | N+掺杂 | P+掺杂 | ITO电极 | 接触孔 | 源漏电极 | 7 |
| PMOSSOP | 有源岛 | 栅电极 | ITO象素 | 接触孔 | 源漏电极 | 5 | ||
| a-Si TFT | ITO象素 | 栅电极 | 有源岛 | 接触孔 | 源漏电极 | 5 | ||
| 本发明 | 有源岛象素电极 | 接触孔 | 源栅漏电极 | 3 |
具体实施制备方法：
1)用PECVD在康宁1737F玻璃衬底101上沉积200纳米氮化硅、100纳米氧化硅作为阻挡层102。之后，在其上面形成50纳米厚的MIC多晶硅薄膜103。
2)用第一个掩模过程形成电路TFT的有源岛201，隔离交叉联线和外引线的多晶硅岛203，寻址TFT有源岛和像素电极205。
3)用PECVD方法沉积100nm的LTO层作为TFT栅极和交叉电极的绝缘层。
4)用第二个掩模过程，形成电路TFT的栅极绝缘岛202，独立交叉电极的绝缘岛204，寻址TFT的绝缘岛或统称为形成接触孔图形206。
5)1.5微米的铝膜301和0.25微米的钛膜302按顺序用溅射法沉积在整个衬底上。
6)在400℃的氮气中退火1.5个小时，Ti膜用湿法刻蚀去除。形成铝替代区域402、403、404。
7)用第三个掩模过程，形成铝金属源、漏、栅电极和引线电极。对于电路TFT，替代形成的铝电极402可以作为低阻金属电极与多晶硅有源层401很好地连接，同时与金属电极501连接。从而形成TFT电路内联引线、金属栅电极502和金属源、漏电极501。对于LTO下面的交叉电极，非掺杂的多晶硅会被铝取代而形成低阻的铝电极403。铝电极403与铝电极相连503，与LTO层上的铝电极504相隔离。对于寻址TFT，替代的铝电极404可与多晶硅有源层很好地连接，同时与金属电极505连接。在形成金属栅电极506和金属源、漏电极505同时，寻址TFT的内互联引线的形成也同时完成。
8)掺杂物B+601以4×1015/cm2剂量、40KeV注入能量通过自对准离子注入的方法注入。注入后，电路TFT的源、漏区域变成了高浓度掺杂的区域602，寻址TFT的源、漏区域和像素电极也变成了高浓度掺杂的区域604。
9)使用背部的激光(532nm倍频激光)或闪灯702照射衬底的背面，高浓度掺杂区602、604被激活，同时沟道区603、605也被退火。液晶的有源矩阵制备完成，配合相应的液晶合技术，形成有源液晶显示屏。
10)对应有机发光二极管的有源矩阵，除了最终裸露在外的外引脚，电路TFT和联线上都覆盖上2微米印刷形成的有机绝缘层801。在整个矩阵中，除了每个像素的特定大小的长方形孔以外，所有的区域都会被有机绝缘层覆盖。在180℃的温度下烘烤1小时。
11)用上述有机绝缘层801掩膜，像素电极上的低温氧化层用干法刻蚀法除去。这样多晶硅像素电极901暴露出来用作有机发光二极管的像素电极；之后用掩膜法在相应的子象素上蒸发红、绿、蓝三种有机发光二极管有机膜和公共金属阴极，封装厚，形成有源有机发光二极管显示屏。
Claims (25)
1.有源矩阵薄膜晶体管阵列，其中包括：
●由一层金属形成的两层互连电极；
●薄膜晶体管的源、漏、栅电极被金属部分或全部替代。
2.有源矩阵薄膜晶体管阵列，其中包括：
●由一层金属形成的两层互连电极；
●薄膜晶体管的源、漏、栅电极被金属部分或全部替代；
●薄膜多晶硅作为象素电极材料。
3.权利要求1和2中所述的两层金属互连电极的形成工艺如下：
●在衬底绝缘覆盖层上，形成半导体薄膜岛图形；
●在上述半导体薄膜岛上，沉积第二层绝缘层；
●在对应上述半导体薄膜岛上的绝缘层上，开接触孔；
●在上述样品表面联系沉积两层金属层，底层的金属通过接触孔与半导体薄膜岛直接相联；
●对上述样品进行适当的热处理过程；
●光刻加工出金属电极图形，形成两层互连的金属电极。
4.权利要求1和2中所述的薄膜晶体管形成工艺如下：
●在衬底绝缘覆盖层上，形成晶体管有源岛图形；
●在上述晶体管有源岛上，沉积栅绝缘层；
●在对应上述晶体管有源岛的源漏电极位置的绝缘层上，开接触孔；
●在上述样品表面联系沉积两层金属层，底层的金属通过接触孔与晶体管有源岛直接相联；
●对上述样品进行适当的热处理过程；
●光刻加工出源、栅、漏金属连接电极图形。
5.显示器的象素电极制备工艺包括：
●在衬底绝缘覆盖层上，形成半导体薄膜象素图形；
●在上述半导体薄膜象素上，沉积第二层绝缘层；
●在对应上述半导体薄膜象素上的绝缘层上，开接触孔；
●在上述样品表面联系沉积两层金属层，底层的金属通过接触孔与半导体薄膜岛直接相联；
●对上述样品进行适当的热处理过程；
●光刻加工出金属电极图形，形成金属电极与多晶硅象素的连接。
6.权利要求3至5中所述的顶层金属，在热处理过程后被去掉。
7.权利要求4至5中所述的薄膜晶体管的源漏区间和象素电极区间掺入适当的杂质。
8.以权利要求1和2中所述的金属层，形成薄膜晶体管的栅电极。
9.以权利要求3至5中所述的半导体薄膜形成薄膜晶体管的沟道。
10.权利要求1、2和5所述的象素电极与薄膜晶体管有源层为同一层半导体薄膜。
11.权利要求3至5所述的底层金属，是但不限于铝、银或金。
12.权利要求3至5所述的顶层金属，为一种对硅具有置换功能的金属，是但不限于钛、钨、钴、镍或铂。
13.权利要求3至5所述的半导体薄膜可由硅、锗、锗硅合金或它们的复合层。
14.权利要求3至5所述的半导体薄膜岛(电极岛、有源岛、象素岛)可以是非晶硅、多晶硅或单晶硅。
15.权利要求1、2和3所述的半导体薄膜岛，被权利要求11中所述金属全部替代。
16.权利要求1、2和4所述的薄膜晶体管，其源漏区间部分为掺杂半导体，其它部分被权利要求11中所述金属替代。
17.权利要求1、2和5所述的象素电极，为掺杂半导体，与选址TFT的源(漏)电极自然连接。
18.由权利要求要求1至5所述的互连电极、薄膜晶体管、象素电极所组成的液晶有源驱动基板。
19.由权利要求要求1至5所述的互连电极、薄膜晶体管、象素电极所组成的有机发光二极管有源驱动基板。
20.权利要求7所述的P型杂质，可以是硼、铝或镓。
21.权利要求7所述的杂质，通过热退火活化。
22.权利要求7所述的杂质，通过激光或闪灯活化快速。
23.权利要求3至5所述的绝缘层材料为但不限于二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或高介电常数的金属氧化物。
24.权利要求3至5所述的衬底材料是但不限于玻璃、聚合物塑料、不锈钢、非晶硅、多晶硅或单晶硅。
25.权利要求3至5所述的热处理过程，温度在250℃-500℃。
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Ref country code: HK Ref legal event code: GR Ref document number: 1118639 Country of ref document: HK |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120829 Termination date: 20171124 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |