CN101834189B - 图像显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种图像显示系统。此系统包括一薄膜晶体管装置，其包括第一栅极层，设置于基板的第一区且被第一绝缘层所覆盖。第一多晶硅有源层设置于第一绝缘层上，且第二多晶硅有源层设置于基板的第二区上，其中第二多晶硅有源层的晶粒尺寸大于第一多晶硅有源层。第二绝缘层覆盖第一及第二多晶硅有源层。第二及第三栅极层分别设置于第一及第二多晶硅有源层上方的第二绝缘层上。

Description

图像显示系统

技术领域

本发明有关于一种平面显示器技术，特别是有关于一种有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示器中OLED驱动区具有双重栅极结构的薄膜晶体管(TFT)装置以及具有上述TFT装置的图像显示系统。

背景技术

近年来，有源式阵列平面显示器的需求快速的增加，例如有源式阵列有机发光二极管(active matrix OLED，AMOLED)显示器。AMOLED显示器通常利用薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)作为像素区的开关元件以及发光元件的驱动元件。另外，AMOLED显示器的周边电路区(即，驱动电路区)也需要使用由TFT所构成的CMOS电路。

依据有源层所使用的材料分为非晶硅(a-Si)及多晶硅TFT。相较于非晶硅TFT，多晶硅TFT具有高载子迁移率及高驱动电路集成度及低漏电流的优势而常用于高速操作的产品。因此，低温多晶硅(low temperaturepolysilicon，LTPS)成为平面显示器技术的一种新的应用。LTPS可藉由简单的IC工艺形成，并将驱动电路整合于具有像素的基板上，降低了制造成本。

在LTPS薄膜晶体管制造中，周边电路区及像素区的TFT具有实质上相同的电特性。然而，AMOLED显示器中，周边电路区的TFT及像素区的开关TFT的电特性需不同于像素区的驱动TFT。举例而言，需将前者设计成具有高载子迁移率及低次临界摆荡(sub-threshold swing)等特性，藉以提供快速响应。另外，需将后者设计成具有高次临界摆荡及低起始电压(thresholdvoltage)等特性，藉以增加显示灰阶(gray level)及延长OLED寿命。然而，若依照上述LTPS工艺，要制作不同电特性的TFT是相当困难的。

因此，有必要寻求一种用于OLED显示器的薄膜晶体管装置，其可具有不同电特性的TFT。

发明内容

本发明提供一种图像显示系统，此系统包括一薄膜晶体管装置，其包括具有第一区及第二区的基板。第一栅极层设置于基板的第一区且被第一绝缘层所覆盖。第一多晶硅有源层设置于第一绝缘层上，且第二多晶硅有源层设置于第二区的基板上，其中第二多晶硅有源层的晶粒尺寸大于第一多晶硅有源层。第二绝缘层覆盖第一及第二多晶硅有源层。第二及第三栅极层分别设置于第一及第二多晶硅有源层上方的第二绝缘层上。其中，第一区的第一多晶硅有源层、第一及第二栅极层、及第一及第二绝缘层系构成第一薄膜晶体管，而第二区的第二多晶硅有源层、第三栅极层、及第一及第二绝缘层系构成第二薄膜晶体管。

本发明亦提供一种图像显示系统的制造方法，其中此系统具有一薄膜晶体管装置，而此方法包括：提供基板，其具有第一区及第二区。在第一区的基板上形成第一栅极层。在第一区的基板及第一栅极层上覆盖第一绝缘层。藉由第一结晶化工艺在第一绝缘层上形成第一多晶硅有源层。藉由第二结晶化工艺在第二区的基板上形成第二多晶硅有源层，使第二多晶硅有源层的晶粒尺寸大于第一多晶硅有源层的晶粒尺寸。在第一多晶硅有源层及第二多晶硅有源层上覆盖第二绝缘层。在第一多晶硅有源层上方的第二绝缘层上形成第二栅极层，且同时于第二多晶硅有源层上方的第二绝缘层上形成第三栅极层。

附图说明

图1绘示出一有源式阵列有机发光二极管显示器平面示意图；

图2绘示出图1中像素单元的电路示意图；

图3A至3H绘示出根据本发明实施例的具有薄膜晶体管的图像显示系统的制造方法剖面示意图；

图4A至4J绘示出根据本发明另一实施例的具有薄膜晶体管的图像显示系统的制造方法剖面示意图；以及

图5绘示出根据本发明另一实施例的图像显示系统方块示意图。

主要元件符号说明

10～显示面板；10a～像素单元；12～数据线驱动电路；14～扫描线驱动电路；16～开关薄膜晶体管；18～驱动薄膜晶体管；20～储存电容器；22～发光元件；100～第一区；200～第二区；300～基板；302～缓冲层；304、310、404～多晶硅层；304a、316a、316b、316c、401a、401b、401c～栅极层；304b、304c、312、404a、404b～多晶硅有源层；305、321、405～光阻图案层；306、319、406～重离子注入；307a、307b、407a～N型掺杂区；307c、407b～N型轻掺杂漏极区；307d、312a、407c～P型掺杂区；308、314、330、332、402～绝缘层；316～导电层；317～轻离子注入；334、336、338～电极；400～薄膜晶体管装置；500～平面显示器装置；600～输入单元；700～电子装置；D1-Dn～数据线；S1-Sn～扫描线；Vdd～电压源。

具体实施方式

以下说明本发明实施例的制作与使用。然而，可轻易了解本发明所提供的实施例仅用于说明以特定方法制作及使用本发明，并非用以局限本发明的范围。

请参照图1，其绘示出一有源式阵列有机发光二极管(AMOLED)显示器平面示意图。AMOLED显示器包括：显示面板10、数据线驱动电路12、以及扫描线驱动电路14。显示面板10具有多个像素单元，为了简化图式，此处仅绘示出单一像素单元10a。数据线驱动电路12具有多个数据线D1至Dn，而扫描线驱动电路14具有多个扫描线S1至Sn。每一像素单元10a与一条数据线以及一条扫描线连接(例如，数据线D3及扫描线S3)而排列成一矩阵。

请参照图2，其绘示出图1中像素单元10a的电路示意图。典型的像素单元中具有一驱动薄膜晶体管(driving TFT)用于驱动发光元件、一开关薄膜晶体管(switching TFT)用于切换像素单元的状态、以及一储存电容用于储存图像资料。在本实施例中。像素单元10a包括：一发光元件22，例如有机发光二极管(OLED)，以及用以驱动该发光元件22的驱动薄膜晶体管18，其一般为P型薄膜晶体管(PTFT)。像素单元10a又包含一开关薄膜晶体管16，其一般为N型薄膜晶体管(NTFT)，以及一储存电容器20。开关薄膜晶体管16的栅极连接至对应的扫描线S3，漏极连接至对应的数据线D3，源极则与储存电容器20的一端以及驱动薄膜晶体管18的栅极连接。储存电容器20的另一端系与驱动薄膜晶体管18的源极连接，且连接至电压源Vdd。驱动薄膜晶体管18的漏极系与发光元件22连接。

如之前所述，驱动薄膜晶体管18的需求与开关薄膜晶体管16及周边电路薄膜晶体管的电特性需求不同。因此，本发明的实施例提供一种图像显示系统及其制造方法。该系统具有用于AMOLED显示器的薄膜晶体管装置，可具有不同电特性需求的薄膜晶体管且可进一步改善驱动薄膜晶体管18的电特性。

以下说明根据本发明一实施例的图像显示系统及其制造方法。图3H及4J绘示出根据本发明不同实施例的图像显示系统，特别是一种具有薄膜晶体管装置400的图像显示系统。本发明的实施例系于同一透明基板上的一区域制造用于周边电路的NTFT/PTFT与用于像素单元的开关薄膜晶体管  (如，NTFT)，且在另一区域制造用于像素单元的驱动薄膜晶体管(如，PTFT)。在以下的叙述中，用于周边电路的薄膜晶体管与用于像素单元的开关晶体管系称作“非驱动用薄膜晶体管”。

请参照图3H，薄膜晶体管装置400包括具有一第一区100及一第二区200的一基板300。一缓冲层302，可任意地覆盖于基板300上，以作为基板300与后续所形成的有源层之间的粘着层或是污染阻障层，其可由一氧化硅层、一氮化硅层、或其组合所构成。

一栅极层304a，例如具有一掺杂区307a形成于内的多晶硅层，设置于第一区100的缓冲层302上，而多晶硅有源层304b及304c则设置于第二区200的缓冲层302上。在本实施例中，栅极层304a与多晶硅有源层304b及304c由同一多晶硅层所构成。换言之，栅极层304a与多晶硅有源层304b及304c系藉由图案化一多晶硅层所形成的。

一绝缘层308覆盖基板300、栅极层304a、及多晶硅有源层304b及304c以作为一栅极介电层。

一多晶硅有源层312设置于第一区100的绝缘层308上，在本实施例中，多晶硅有源层312的晶粒尺寸不同于多晶硅有源层304b及304c的晶粒尺寸。举例而言，后者的晶粒尺寸大于前者的晶粒尺寸。多晶硅有源层312包括一通道区以及一对被通道区所隔开的源极/漏极区312a。同样地，多晶硅有源层304b包括一通道区以及一对源极/漏极区307b，而多晶硅有源层304c包括一通道区以及一对源极/漏极区307d。

一绝缘层314覆盖第一区100的多晶硅有源层312与第二区200的多晶硅有源层304b及304c上方的绝缘层308，且作为一栅极介电层。栅极层316a、316b及316c分别对应设置于多晶硅有源层312、304b及304c的绝缘层314上方。在本实施例中，栅极层316a、316b及316c可由同一材料层所构成，例如金属或多晶硅层。

在本实施例中，位于第一区100的多晶硅有源层312、绝缘层308及314、及栅极层304a及316a系构成一薄膜晶体管，其包括用于AMOLED的发光元件的驱动薄膜晶体管。再者，位于第二区200的多晶硅有源层304b及304c、绝缘层308及314、及栅极层316b及316c系构成二薄膜晶体管，其包括用于AMOLED的非驱动用薄膜晶体管(即，开关薄膜晶体管以及周边电路薄膜晶体管)。需注意的是在第一区100及第二区200中薄膜晶体管的实际数量系取决于电路设计，并未局限于图3H所绘示的三个薄膜晶体管。

请参照图4J，在本实施例中，除了第一区100的多晶硅有源层312下方具有一栅极层401a之外，第二区200的多晶硅有源层404a及404b下方也分别具有栅极层401b及401c。亦即，第一区100及第二区200的薄膜晶体管都具有双重栅极结构。再者，栅极层401a、401b及401c可由同一材料层所构成，例如金属或多晶硅层所构成。不同于图3H的实施例，绝缘层308自第一区100延伸至第二区200的多晶硅有源层404a及404b下方而覆盖栅极层401b及401c。再者，一绝缘层402设置于第一区100的多晶硅有源层312与绝缘层314之间，并延伸至第二区200的绝缘层308与多晶硅有源层404a及404b之间。

接下来，图3A至3H系绘示出根据本发明实施例的具有薄膜晶体管400的图像显示系统的制造方法剖面示意图。请参照图3A，提供一基板300，其具有一第一区100及一第二区200。在本实施例中，第一区100用于制作驱动TFT。第二区200的左侧的部分用于制作非驱动用的NTFT，而右侧的部分用于制作非驱动用的PTFT。基板300可由玻璃、石英、或其他透明材料所构成。

接着，可任意地于基板300上形成一缓冲层302，作为基板300与后续形成的膜层之间的粘着层或污染阻障层。缓冲层302可为一单层或多层结构。举例而言，缓冲层302可由一氧化硅、一氮化硅、或其组合所构成。之后，在缓冲层302上形成一非晶硅(amorphous silicon)层(未绘示)并对其进行一结晶化工艺，以将非晶硅层转化成一多晶硅层304。在本实施例中，多晶硅层304可藉由高功率激光结晶化工艺(标准激光结晶化法)而形成。例如，准分子激光退火(excimer laser annealing，ELA)法。之后，在多晶硅层304上形成一光阻图案层305作为注入掩模(implant mask)，对多晶硅层304实施重离子注入(heavy ion implantation)306，而在第一区100及第二区200的多晶硅层304内分别形成，例如，N型掺杂区307a及307b。

请参照图3B，图案化多晶硅层304，以在第一区100形成包含掺杂区307a的栅极层304a，且在第二区200形成二个多晶硅有源层304b及304c，其中多晶硅有源层304b包含作为源极/漏极区的N型掺杂区307b。

请参照图3C，在第一区100及第二区200的基板300上方形成一绝缘层308并覆盖栅极层304a及多晶硅有源层304b及304c。绝缘层308可由氧化硅、氮化硅、或其他习知栅极介电材料所构成。接着，在绝缘层308上形成一非晶硅层(未绘示)并对其进行一结晶化工艺，以将非晶硅层转化成一多晶硅层310。特别的是，不同于多晶硅层304，多晶硅层310系利用绝缘层308作为一隔离层并以非激光结晶技术进行结晶化工艺。举例而言，非激光结晶技术包括：固相结晶化法(solid phase crystallization，SPC)、金属诱发结晶化法(metal induced crystallization，MIC)、金属诱发侧向结晶化法(metalinduced lateral crystallization，MILC)、电场增强金属诱发侧向结晶化法(fieldenhanced metal induced lateral crystallization，FE-MILC)、或电场增强快速热退火法(field enhanced rapid thermal annealing)等等。在此列举的各种结晶化法仅为例示，本发明并不受限于此。

请参照图3D，图案化多晶硅层310，以在第一区100的绝缘层308上形成对应于栅极层304a的一多晶硅有源层312并去除第二区200的多晶硅层310。由于第一区100的多晶硅有源层312与第二区200的多晶硅有源层304b及304c系利用不同的结晶化工艺而形成的，故多晶硅有源层312的晶粒尺寸不同于多晶硅有源层304b及304c的晶粒尺寸。举例而言，藉由ELA所形成的多晶硅有源层304b及304c的晶粒尺寸大于藉由非激光结晶技术所形成的多晶硅有源层312的晶粒尺寸。

请参照图3E，在绝缘层308上依序形成一绝缘层314及一导电层316并覆盖多晶硅有源层312。同样地，绝缘层314可由氧化硅、氮化硅、或其他习知栅极介电材料所构成。再者，导电层316可由多晶硅、钼(Mo)、钼合金、或其他习知金属栅极材料所构成。

请参照图3F，图案化导电层316，以在多晶硅有源层312、304b及304c上方的绝缘层314上分别对应形成栅极层316a、316b及316c。接着，利用栅极层316b作为注入掩模，对多晶硅有源层304b实施轻离子注入(light ionimplantation)317，以在多晶硅有源层304b内形成N型轻掺杂漏极(lightlydoped drain，LDD)区307c。同时，多晶硅有源层312及304c内也会形成N型轻掺杂区(未绘示)。此处，第二区200的多晶硅有源层304b、位于上方的绝缘层308及314、及栅极层316b系构成非驱动用的NTFT。在本实施例中，非驱动用的NTFT可为开关TFT。

请参照图3G，在非驱动用的NTFT上覆盖一光阻图案层321。接着，以光阻图案层321及栅极层316a及316c作为注入掩模，对多晶硅有源层312及304c实施重离子注入319，以在多晶硅有源层312及304c内对应形成作为源极/漏极区的P型掺杂区312a及307d。此处，第一区100的多晶硅有源层312、绝缘层308及314、及栅极层304a及316a系构成驱动PTFT。再者，第二区200的多晶硅有源层304c、绝缘层308及314及栅极层316c系构成非驱动用的PTFT。在本实施例中，非驱动用的PTFT可为周边电路TFT。

请参照图3H，在去除光阻图案层321之后，在图3G的结构上依序形成绝缘层330及332，以作为保护层、平坦层、中间层、或其组合。绝缘层330及332可为氧化硅、氮化硅、或其组合。之后，藉由习知微影及蚀刻工艺，在绝缘层330及332内形成露出源极/漏极区312a、307b及307d的接触孔并于其内填入导电材料而形成对应于源极/漏极区312a、307b及307d的电极334、336、及338，其材质包括：铝(Al)、钼(Mo)、钛(Ti)、或其组合。如此一来，便完成本发明实施例的TFT装置制作。

接下来，图4A至4J系绘示出根据本发明另一实施例的具有薄膜晶体管400的图像显示系统的制造方法剖面示意图，其中相同于图3A至3H的部件系使用相同的标号并省略其说明。请参照图4A，在缓冲层302上形成一导电层(未绘示)，例如多晶硅或金属层。之后，图案化导电层，以在第一区100形成栅极层401a且在第二区200形成栅极层401b及401c。

请参照图4B，在缓冲层302上依序形成一绝缘层308及一非晶硅层(未绘示)并覆盖栅极层401a、401b及401c。接着，对非晶硅层进行一结晶化工艺，以将非晶硅层转化成一多晶硅层310。在本实施例中，多晶硅层310可藉由非激光结晶技术进行结晶化工艺。举例而言，非激光结晶技术包括：固相结晶化法、金属诱发结晶化法、金属诱发侧向结晶化法、电场增强金属诱发侧向结晶化法、或电场增强快速热退火法等等。在此列举的各种结晶化法仅为例示，本发明并不受限于此。

请参照图4C，图案化多晶硅层310，以在第一区100的绝缘层308上形成对应于栅极层401a的一多晶硅有源层312并去除第二区200的多晶硅层310。

请参照图4D，在绝缘层308上依序形成一绝缘层402及一非晶硅层(未绘示)并覆盖第一区100的多晶硅有源层312。接着，对非晶硅层进行一结晶化工艺，以将非晶硅层转化成一多晶硅层404。特别的是，不同于多晶硅层310，多晶硅层404系利用绝缘层402作为一隔离层并藉由高功率激光结晶化工艺而形成。例如，准分子激光退火法。因此，多晶硅有源层312的晶粒尺寸小于多晶硅有源层404a及404b的晶粒尺寸。

请参照图4E，图案化多晶硅层404，以去除第一区100的多晶硅层404，且在第二区200形成对应于栅极层401b及401c的多晶硅有源层404a及404b。

请参照图4F，在图4E的结构上形成一光阻图案层405以完全覆盖第一区100及第二区200的多晶硅有源层312与404b并局部覆盖第二区200的多晶硅有源层404a。以光阻图案层405作为注入掩模，对未被覆盖的多晶硅有源层404a实施重离子注入406，而在多晶硅有源层404a内形成作为源极/漏极区的掺杂区407a，例如，N型掺杂区。

请参照图4G，在去除光阻图案层405之后，在绝缘层402上依序形成一绝缘层314及一导电层316并覆盖第二区200的多晶硅有源层404a及404b。同样地，绝缘层314可由氧化硅、氮化硅、或其他习知栅极介电材料所构成。再者，导电层316可由多晶硅、钼(Mo)、钼合金、或其他习知金属栅极材料所构成。

请参照图4H，图案化导电层316，以在多晶硅有源层312、404a及404b上方的绝缘层314上分别对应形成栅极层316a、316b及316c。接看，利用栅极层316b作为注入掩模，对多晶硅有源层404a实施轻离子注入317，以在多晶硅有源层404a内形成N型轻掺杂漏极区407b。同时，多晶硅有源层312及404b内也会形成N型轻掺杂区(未绘示)。此处，第二区200的多晶硅有源层404a、绝缘层308、402及314、及栅极层401b及316b系构成非驱动用的NTFT，例如开关TFT。

请参照图4I，在非驱动用的NTFT上覆盖一光阻图案层321。接着，以光阻图案层321及栅极层316a及316c作为注入掩模，对多晶硅有源层312及404b实施重离子注入319，以在多晶硅有源层312及404b内对应形成作为源极/漏极区的P型掺杂区312a及407c。此处，第一区100的多晶硅有源层312、绝缘层308、402及314、及栅极层401a及316a系构成驱动PTFT。再者，第二区200的多晶硅有源层404b、绝缘层308、402及314、及栅极层401c及316c系构成非驱动用的PTFT，例如，周边电路TFT。

请参照图4J，在去除光阻图案层321之后，在图4I的结构上依序形成绝缘层330及332。之后，在绝缘层330及332内形成接触孔并于其内填入导电材料而形成对应于源极/漏极区312a、407a及407c的电极334、336、及338。如此一来，便完成本发明实施例的TFT装置制作。

根据上述实施例，由于驱动TFT的有源层与周边电路TFT及开关TFT的有源层是采用不同结晶化工艺制造而成，故可制作出具有不同的晶粒尺寸的有源层，使驱动TFT的电特性可不同于周边电路TFT及开关TFT的电特性。另外，双重栅极结构对于驱动TFT、周边电路TFT及开关TFT而言具有良好控制性，因而可进一步改善驱动TFT的电特性。

图5是绘示出根据本发明另一实施例的具有图像显示系统方块示意图，其可实施于一平面显示(FPD)装置500或电子装置700，例如一笔记型电脑、一手机、一数位相机、一个人数位助理(personal digital assistant，PDA)、一桌上型电脑、一电视机、一车用显示器、或一携带型DVD播放器。之前所述的TFT装置可并入于平面显示装置500，而平面显示装置500可为OLED显示器。如图5所示，平面显示装置500包括一薄膜晶体管装置，如图3H或4J中的薄膜晶体管装置400所示。在其他实施例中，薄膜晶体管装置400可并入于电子装置700。如图5所示，电子装置700包括：一平面显示装置500及一输入单元600。再者，输入单元600耦接至平面显示器装置500，用以提供输入信号(例如，图像信号)至平面显示装置500以产生图像。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种图像显示系统，包括：

薄膜晶体管装置，包括：

基板，具有第一区及第二区；

第一栅极层，设置于该第一区的该基板上；

第一绝缘层，覆盖该第一栅极层；

第一多晶硅有源层，设置于该第一绝缘层上；

第二多晶硅有源层，设置于该第二区的该基板上；

第二绝缘层，覆盖该第一多晶硅有源层及该第二多晶硅有源层；

第二栅极层，设置于该第一多晶硅有源层上方的该第二绝缘层上；以及

第三栅极层，设置于该第二多晶硅有源层上方的该第二绝缘层上；

其中该第一区的该第一多晶硅有源层、该第一栅极层及该第二栅极层、及该第一绝缘层及该第二绝缘层构成第一薄膜晶体管，且该第一薄膜晶体管包括驱动薄膜晶体管，而该第二区的该第二多晶硅有源层、该第三栅极层、及该第一绝缘层及该第二绝缘层构成第二薄膜晶体管，且该第二薄膜晶体管包括周边电路薄膜晶体管或像素区的开关薄膜晶体管，

其中该第二多晶硅有源层的晶粒尺寸大于该第一多晶硅有源层的晶粒尺寸。

2.如权利要求1所述的图像显示系统，其中该第一栅极层与该第二多晶硅有源层由同一多晶硅层所构成。

3.如权利要求2所述的图像显示系统，其中该第一绝缘层延伸至该第二区且覆盖该第二多晶硅有源层。

4.如权利要求1所述的图像显示系统，其中该第一绝缘层延伸至该第二区且位于该第二多晶硅有源层下方。

5.如权利要求4所述的图像显示系统，还包括第四栅极层位于该第二区的该基板与该第二多晶硅有源层下方的该第一绝缘层之间，且该第四栅极层与该第一栅极层由同一金属层所构成。

6.如权利要求4所述的图像显示系统，还包括第三绝缘层位于该第一区的该第一多晶硅有源层与该第二绝缘层之间以及该第二区的该第一绝缘层与该第二多晶硅有源层之间。

7.如权利要求1所述的图像显示系统，其中该第二栅极层与该第三栅极层由同一多晶硅层所构成。

8.如权利要求1所述的图像显示系统，其中该第二栅极层与该第三栅极层由同一金属层所构成。

9.如权利要求1所述的图像显示系统，还包括：

平面显示装置，包括该薄膜晶体管装置；以及

输入单元，耦接至该平面显示装置，用以提供输入至该平面显示装置，使该平面显示装置显示图像。

10.如权利要求9所述的图像显示系统，其中该平面显示装置为有机发光二极管显示器，该第一薄膜晶体管的驱动薄膜晶体管用于该有机发光二极管显示器的发光元件，而该第二薄膜晶体管的周边电路薄膜晶体管或像素区的开关薄膜晶体管用于该有机发光二极管显示器。

11.如权利要求9所述的图像显示系统，其中该系统包括具有该平面显示装置的电子装置，且该电子装置包括笔记型电脑、手机、数位相机、个人数位助理、桌上型电脑、电视机、车用显示器、或携带型DVD播放器。