CN1152426C - 制造电可寻址的蓝宝石上硅光阀用的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在蓝宝石上硅结构上制造单片集成液晶阵列显示器及控制电路用的方法，包括以下步骤：a)在蓝宝石基片(30)上形成外延硅层(40)，以产生蓝宝石上硅结构；b)离子注入所说外延硅层；c)退火所说蓝宝石上硅结构；d)氧化所说外延硅层，以由所说外延硅层的一部分形成二氧化硅层，从而留下减薄的外延硅层；e)去掉所说二氧化硅层，以暴露所说减薄的外延硅层；f)由所说减薄的外延硅层制造像素阵列(122)；以及g)由所说减薄的外延硅层制造集成电路(124，126)，该电路工作上被耦合以调制所说像素。该减薄的外延硅层适于制造被用于控制象素操作的器件的质量电路。

Description

制造电可寻址的蓝宝石上硅光阀用的方法
技术领域
本申请涉及1993年8月9日提出的、题为“Ultra-high ResolutionLiquid Crystal Display on Silicon-On-Sapphire”、现已放弃的共同待审的美国专利申请08/105,252(Navy Case No.73，925)的部分继续；是1994年9月1日提出的、题为“Method for Fabricating ElectricallyAddressable Silicon-On-Sapphire Light Valve”、现已放弃的美国专利申请08/301,170(Navy Case No.74146)的继续；是1993年6月30日提出的、题为“Method for Fabricating Complenentary Enhancementand Depletion Mode Field Effect Transistors on a Single Substrate”的美国专利5,300,443(Navy Case No.73899)的继续。
背景技术
液晶显示器已广泛应用于包括便携式(膝上)计算机、手表、摄录一体机和大屏幕电视等商业应用。液晶光阀用作空间光调制器，可用于投影系统及光学计算应用。现有技术固有的局限源于在透明玻璃或石英基片上制造显示器的要求，这种要求意味着不适合于高质量的电子材料。尽管在体硅上制造显示器需要高结晶质量，但由于不透明基片的缘故，不必将显示器限制为反射模式，而且不能应用于透射应用。利用薄膜晶体管(TFT)与液晶显示器集成驱动电路的能力提高了可靠性，并允许这种技术应用于重量轻的便携式应用。然而，显示驱动电路的集成基本上局限于使用淀积于玻璃或石英基片上的非晶硅(a-Si)或多晶硅(p-Si)的薄膜晶体管技术。硅层与基片间的晶格和热失配及用于a-Si和p-Si技术中的低温淀积技术，造成了硅层具有很小电荷载流子迁移率和晶体缺陷。与体硅相比，这些局限与电子器件的不良性能及和局限直接有关。
对于超高分辨率显示和光阀应用及单片集成显示驱动电路和芯片上有关信号处理电路来说，集成显示系统特别希望较高密度的电路。与常规超大规模集成(VLSI)加工相比，a-Si和p-Si材料的特性(电和晶相)差会导致很差的制造成品率。解决这种问题一般需要在每个像素中使用冗余电路元件，以确保充分的功能显示。这种冗余需要像素尺寸相应地增大，因此妨碍了超高分辨率液晶显示器的制造。附加电路元件也要减小孔径比即允许透光的像素区的比例，从而降低了显示器或光阀的亮度。
另外，低载流子迁移率、低速度、低成品率的a-Si和p-Si材料无法适应在其它情况下允许视频驱动器、数字逻辑和其它计算电路集成于芯片上，从而给设计者提供较好的功能、较高的可靠性和性能提高的VLSI设计和制造技术。
B.Bahadur作为World Scientific(New Jersey)第1卷(1990年)第448-451页的 液晶：应用和使用一文的主笔，回顾了用于投影显示应用的有源矩阵显示器的现有技术状态。有源矩阵显示器使用一种或多种非线性电路元件，例如TFTs或二极管，以开关每个像素中的液晶电容器。这些应用所讨论的材料中，包括蓝宝石上硅(SOS)。作者在第450页记载了已认识到的SOS局限性：“尽管SOS器件在驱动电流和速率方面具有优异的性能，但它们的漏电流对于应用于有源矩阵显示器来说太高”。过大的漏电流会导致加在液晶电容器上的电压下降，在常用的向列液晶情况下，会导致取向和灰度改变。
所以，一直需要一种电可寻址超高分辨率向列液晶显示器或光阀系统，能够单片集成有源矩阵显示器和与其相关的驱动和图像处理电路。
发明内容
本发明提供一种在蓝宝石上硅结构上制造单片集成液晶阵列显示器及控制电路用的方法，包括以下步骤：a)在蓝宝石基片上形成外延硅层，以产生蓝宝石上硅结构；b)离子注入所说外延硅层；c)退火所说蓝宝石上硅结构；d)氧化所说外延硅层，使所说外延硅层的一部分形成二氧化硅层，从而使外延硅层减薄到30-100nm的厚度；e)去掉所说二氧化硅层，以暴露所说减薄的外延硅层；f)由所说减薄的外延硅层制造具有晶体管和向列液晶电容的像素阵列；以及g)由所说减薄的外延硅层制造集成电路，该电路工作上被耦合以调制所说像素。
本发明的在蓝宝石上硅结构上制造单片集成液晶阵列显示器及控制电路用的方法还包括以下步骤：a)在蓝宝石基片上形成外延硅层，以产生蓝宝石上硅结构；b)在-20℃的温度下，以185keV的能量，以1014cm-2的剂量离子注入硅离子至上述外延硅层中；c)将所说蓝宝石上硅结构浸入温度为550℃的氮气氛中30分钟；d)在一个小时内将所说蓝宝石上硅结构所浸入的所说氮气氛的温度从550℃提高到900℃；e)在900℃的温度下，在所说氮气氛中退火所说蓝宝石上硅结构1小时；f)在温度为1000℃的氧气氛中氧化所说外延硅层，使所说外延硅层的一部分形成二氧化硅层，从而使外延硅层减薄到30-100nm的厚度；g)去掉所说二氧化硅层，以暴露所说减薄的外延硅层；h)由所说减薄的外延硅层制造具有晶体管和向列液晶电容的像素阵列；以及i)由所说减薄的外延硅层制造显示驱动电路，该电路工作上被耦合以调制所说像素。
附图说明
图1示意性地表示与改进的UTSOS晶片上的相关电路单片集成的向列液晶显示器。
图2表示作为单个图像单元(像素)的电示意图。
图3表示对于单个像素的布局图。
图4示意表示构成显示器的多个图像单元。
图5A-5H示意性表示用于向列液晶显示器及其有关电路的集成制造工艺。
图6表示对于单个像素的另一布局。
具体实施方式
参见图1，本发明提供一种制造集成显示系统10的方法，所说系统包括改进的超薄蓝宝石上硅(UTSOS)晶片11上与有关的驱动电路和图像处理电子器件单片集成的向列液晶显示器。制造显示系统10的方法的一个优点是在减薄的外延硅层(超薄蓝宝石上硅或UTSOS)上制造器件和电路。电子器件和电路可以按完全耗尽模式工作，不需要本体具有改进的性能和设计。由于本发明的减薄结晶硅层吸收较少的光，并且器件具有较低的光诱发漏电流，所以对于投影应用来说也是重要的。另外，与类似尺寸的体硅层相比，这里所公开的及所要求的发明的超薄硅层，可以确保载流子寿命降低和光诱生漏电流降低。本发明在饱和区不显示减小的电流，这是一种会发生于二氧化硅或玻璃基片的所谓的自加热现象。
图1示意性示出显示系统10，其在改进的UTSOS晶片上具有与有关电路14和16单片集成的俯视向列液晶显示器12。该示意的设置与Shimabukuro等人的、题为“Ultra-High Resolution Liquid设置与Shimabukuro等人的、题为“Ultra-High Resolution LiquidCrystal Display On Silicon-On-SaPPhire”的、美国专利商标申请系列号为08/105,252(Navy Case No,73,925)的共同待审专利申请类似，这里引用作为参考。显示器或光阀系统10中的显示区12具有图像单元(像素)阵列，这些单元提供观察或投影用的图像。在优选实施例中，介绍一种1000像素×1000像素背光显示器或投影光阀。然而，其中的教导可应用于制造具有较大像素数的超高分辨率显示器。在显示区的外围，与像素阵列电连接的是显示驱动电路14，用于给像素的显示行和列提供合适的电压，以寻址提供观察图像的各像素。这种定位和互连允许显示器或光阀的完全电寻址和单片集成，以提供改进的可靠性和性能。
显示驱动电路14使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。附加的VLSI信号处理、缓冲、数据压缩电路16等可以集成在显示区的外围。还提供将从例如合适的引线、连接器和波导18等芯片(晶片)外接点17输送到单片集成晶片上的数据(图像)信号电压的装置，以完成显示或光阀系统。如果需要，还可以实现非限定的通信。非限定通信包括任何形式的信息电磁输入和输出，包括但不限于射频(Rf)、微波和光学数据链等。
图2表示作为单个图像单元或像素20的电示意图。像素20包括单个非线性电路元件22，例如MOSFET和单个向列液晶电容器24。金属列线26和多晶硅行线28适当连接，以偏置MOSFET，从而改变电容器24内向列液晶上的电压，以得到希望的灰度。
现有技术中，多个非线性元件(TFT，MOSFET或二极管等)用于提供令人满意的生产成品率。改进的UTSOS材料提供单晶硅材料，可以用该材料制造高可靠的MOSFET，避免冗余的需要。与显著提高显示密度和亮度的现有技术相比，这种能力可以显著减小每个像素单元的实际尺寸。另外，小非线性电路元件(MOSFET)可制造于UTSOS硅层上，由于改进的单晶结构，可以提高像素的稳定性和孔径比，所以可以得到与较大TFT相同的输出电流特性。
图3表示根据本发明的单个像素200的布局详图。表示电容器结构240的总面积小于53平方微米，而MOSFET 200覆盖小于70平方微米的面积。一2微米宽的多晶硅栅线280电连接到MOSFET的栅结构226上，以便根据需要导通或截止该晶体管。一2微米宽的金属数据线260电连接到MOSFET的源222，MOSFET的漏224电连接到向列液晶电容器结构240。两微米的接触孔230用于将这些结构电耦合在一起。向列液晶电容器结构240，含有响应于加到随后形成在该结构的叠层之间电容器结构上的电压进行可变开关的向列液晶材料(图中未示出)。
一般说来，整个像素200的大小限定在12微米×12微米的区域内，孔径比为37％。例示的尺寸可以是：A和B等于12.0微米，尺寸C、D和E等于2.0微米，尺寸F和G等于3.6微米，尺寸H等于8.8微米，尺寸I等于5.8微米，尺寸J等于5.2微米，尺寸K和L等于0.6微米。这种实际的简化结构的优点在于结构的现成可测量性。然而，应当理解，也可用其它尺寸，从而根据需要增大孔径比。
图4示意性表示构成显示器(或光阀)120的多个图像单元。在该实施例中，一百万个像素设置成1000×1000阵列122，行驱动电路124和列驱动电路126电连接到阵列的各像素。
图5A-5H示意性表示向列液晶显示器或光阀及其相关电路的集成制造工艺。利用UTSOS制造超高分辨率显示器或光阀系统的一般方法允许显示器及所有相关电子装置的单片模拟制造，如图1所示。
为清楚和展示的目的，仅表示最简单的像素单元或像素，其包括单个非线性电路元件、低漏电MOSFET和单个向列液晶电容器。按照以下的详细工艺步骤，可以利用适当设计的光刻掩模构成多个这种像素，并且可以将它们与驱动和图像处理电路互连。
起始材料是蓝宝石(Al2O3)基片30，一般指定为具有r平面取向晶片形式，其上具有单晶器件质量硅薄层40，见图5A。实现它的一种方法是通过热分解硅烷、然后离子注入和固相再生长技术进行硅的外延淀积。该方法使用28Si原子离子注入(185keV下的剂量为1014cm-2数量级)到硅-蓝宝石界面的靠近界面区中(例如，也参见前文引用的美国专利4,177,084)，同时晶片的温度保持在-20℃。也使用具有2SSi相同质量的任何物质的离子注入，同时不改变其它工艺参数。适当地改变注入参数，也可以使用例如锡(Sn)、锗(Ge)、或碳(C)的离子或化合物等具有不同质量的物质。
在550℃下保温约30分钟，并用1小时从550℃热直线升高到900℃后，在氮气中，在900℃下热退火蓝宝石上硅结构1小时。然后在1000℃下使硅氧化，均匀地消耗一部分外延的硅层。然后，腐蚀该氧化物，留下厚度基本上均匀减小的减薄的外延硅层。可以重复此氧化和腐蚀工艺，以得到薄于100毫微米(一般为30-100毫微米)的硅层，即蓝宝石上的超薄单晶器件质量硅薄膜。此起始材料构成光学、机械、电学和热学方面优于现有技术的基础。具体说，制造薄于100毫微米的硅膜而不是如现有技术所教导的厚蓝宝石上硅厚膜(大于100毫微米)的显示器的突出特点，明显改善了吸收性(即，提高了亮度)、耐热性和寄生光激发载流子
然后，在薄膜硅层上的每个像素中制造单个非线线电路元件MOSFET。在优选实施例中，像素MOSFET的宽度形成为实现希望的低漏电，从而用向列液晶得到令人满意的灰度。类似地，利用适当设计的光刻掩模，制造多个MOSFET和相关电路元件，构成相关电路。使用作为MOSFET的常规自对准薄膜晶体管制造工艺的改进的一系列制造步骤。这些步骤包括：构图薄膜硅层的第一部分(利用光刻和腐蚀技术)，通过在升高的温度下将晶片暴露于氧气氛形成栅氧化物，利用化学气相淀积(CVD)淀积多晶硅(即多晶硅)，掺杂多晶硅，构图多晶硅和栅氧化物，以形成栅区(利用与上述类似的光刻和腐蚀技术)，通过离子注入选择性地掺杂MOSFET的源和漏区，在升高的温度下退火，淀积和构图氧化层，以形成侧壁氧化物，于是得到图5B所示的自对准结构。掺杂的多晶硅是导电材料，用于形成栅电极。该MOSFET结构含有栅氧化层41、源区42、漏区44、沟道区45、栅电极46和侧壁氧化物47。
在该阶段，如果需要，可以利用硅化技术形成改进的接触。这包括淀积例如钛等合适的金属，晶片的快速热退火，以便在金属与多晶硅(MOSFET的源和漏区)及栅电极接触的区域内形成低阻金属硅化物接触。不与多晶硅和栅极接触的金属不反应，然后腐蚀晶片。
工艺继续进行，利用CVD淀积钝化氧化物50，并在该氧化物中构图接触孔55，以与源区42、漏区44和栅区(通过栅极46)接触，见图5C。淀积和构图互连金属化后，所得结构如图5D所示。互连金属化自身可以是多步骤工艺的产物。例如，可以为包括源接触60a、栅接触60b和与硅MOSFET及相关器件和电路的互连等所有接触淀积和构图铝合金(99％Al：1％Si)。然后，淀积并构图例如氧化铟锡(ITO)等透明导电材料，作为透明漏接触62a，还延伸作为透明向列液晶电容器接触或以后将介绍的向列液晶电容器的电极62(互连金属化还构成从MOSFET到像素电极62的输出电极)。在显示系统10按透射模式使用时，需要此透明向列液晶电容器电极62。然而，对于反射模式显示或光阀系统来说，在构成系统的背反射器时，此向列液晶电容器电极可以是不透明金属(例如Al或99％Al：1％Si)。该实施例中，适当地改变向列液晶电容器电极间的空间，以适应液晶介质的希望路径长度。在液晶显示器的技术中调制电容器电极的空间是可行的。
在工艺的该阶段，完成了单片集成电路和每个像素的MOSFET的制造，如果需要，某些应用中可以覆盖以附加的钝化、屏蔽或平面化层。如果需要，相应的透明基片70例如兰宝石、石英、熔融硅砂或玻璃等也可以覆盖以透明的金属化对电极72，并适当构图，见图5E。该对电极是整个像素阵列的公用电极。参见图5F，如果需要，例如通过在对电极上(或已带有电路的基片上)附加滤色片或引入着色染料等，可以包括用于彩色显示的装置73。然后，如果需要，在像素电极上形成校准层80。这可能需要淀积聚酰亚胺薄层然后机械磨擦之，以得到优选的液晶介质取向。形成校准层的工艺已是液晶领域的公知技术，该制造工艺容易适应种种变化。
例如利用所属领域通行的纤维玻璃隔离棒或珠81，见图5H，适当地间隔每个像素电极62与对电极72。该隔离装置一般位于芯片外围。最终的组件需要基片30以其合适的预定部分与基片70以其合适的预定部分适当地结合而形成腔体82，并用希望的液晶材料90真空填充该腔体，并利用示意表示的平板盖96气密地密封或堵塞腔体，应理解，该结构仅是为了展示的目的，见图5G和5H。
用于填充该腔体的向列液晶材料是所属领域使用的任何液晶材料。在面板和背板上固定合适取向的偏振器95，完成单片显示系统的制造(见图5H中切开的平面视图，展示了按显示器形式排列的多个像素)。偏振器取向为适应蓝宝石基片的双折射。
如上所述的显示器可用于例如头部安装式系统等直接观看应用或作为摄录一体机的取景器。对于投影系统来说这种阵列可用作光阀。可以在开关晶体管上制造光阻挡层或其它阻光的装置，以屏蔽晶体管与大部分光，从而降低光诱发漏电流。然而，如果手边工作不需要高亮度图像，可以不要该装置。在本发明的教导下，容易制造透射和反射模式显示器或光阀，而且它们可适应手边的特殊工作，如上所述。
上述教导具体介绍了本发明为一种背光或投影显示器，光99从显示器的一侧来。该显示区是利用与HDTV和其它超高分辨率显示(1000×1000像素或更多)兼容的阵列形式的多个像素的有源矩阵显示器。每个像素使用制造于UTSOS上的单个MOSFET作为非线性元件和由该MOSFET开关的相邻向列液晶电容器。为实现彩色或附加灰度使用时分多路复用，可以描绘出未来利用UTSOS器件的高速性能驱动非常大显示器的高速液晶的前景。可根据本发明的设想制造于超薄单晶SOS上的小尺寸高可靠性的MOSFET，避免了对冗余非线性元件的需要，因而减小了像素尺寸，提高了显示亮度。注意图1，行和列驱动器14与显示区12相邻地集成于UTSOS晶片11上，以寻址显示区的源和栅部分。这些驱动器由移位寄存器构成，用于依次记录信号电压时钟到合适选择的像素。移位寄存器的设计和结构都是电路设计领域众所周知的，然而，由于消除了从器件到基片的寄生电容，所以UTSOS的优点为基片提供了非常高速的性能。芯片上(晶片上)可以单片包括附加的VLSI电路，以便在使用带有外部时分多路复用的彩色模式时控制外部元件驱动和同步/定时。由于使用UTSOS的高质量材料和高速器件，这是可能的。
尽管这里公开的教导提供了漏电流为或低于对于用向列液晶的有源矩阵操作来说所希望的标准1pA/微米的电路和器件，但是对于无源显示器与其相关信号处理或有源寻址电路的集成来说，预计也可以采用这里所公开的教导。本发明的替代实施例可在像素中使用薄膜电容器以存储电荷，并减轻源于向列液晶电容器的电荷泄漏。
图6具体表示了根据本发明的单个像素200’的布局图。所表示的电容器结构240’其总面积小于53平方微米，而MOSFET 220’覆盖小于70平方微米的面积。一2微米宽的多晶硅栅线280’电连接到MOSFET的栅结构226’上，以便根据需要导通或截止该晶体管。一2微米宽的金属数据线260’电连接到MOSFET的源222’，而MOSFET的漏224’电连接到向列液晶电容器结构240’上。两微米的接触孔230’用于将这些结构电耦合在一起。向列液晶电容器结构240’含有响应于加到随后形成在该结构的叠层之间电容器结构上的电压进行可变开关的向列液晶材料(图中未示出)。该像素结构的改进在有源矩阵阵列的每个像素中使用了附加的薄膜电容器290’。该薄膜电容器用于存储充足的电荷，以便在有源矩阵中的非线性电元件(MOSFET)泄漏电荷时也能保持向列液晶电容器的灰度(或色彩)。该存储电容器设计成具有高电容，但尺寸上没有限制，以便不会对显示器或光阀的孔径比产生不利的影响。该设计中，薄膜存储电容器的尺寸是8.8微米×2微米。该存储电容器可用任何高介电材料，例如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、如钛酸锶钡(BST)等陶瓷铁电材料。优点是可以提供有关高速向列液晶材料的未来先进性。注意，图6所示的MOSFET 220’具有3微米的宽度。这是一个较大尺寸，比图3所示MOSFET 220相应具有较高的漏电(与器件宽度成比例)。在手边的工作需要由较宽MOSFET提供高驱动电流时，利用图7所示的薄膜电容器290’提供的改进像素结构允许改进设计，但必须消除向列液晶应用的漏电。
显然，在上述教导下，可以对本发明做出各种改进和变化。因此，应当理解，在所附权利要求书的范围内，可以在除这里所具体介绍的其它情况下实施本发明。

Claims (21)

1.一种在蓝宝石上硅结构上制造单片集成液晶阵列显示器及控制电路用的方法，包括以下步骤：
a)在蓝宝石基片上形成外延硅层，以产生蓝宝石上硅结构；
b)离子注入所说外延硅层；
c)退火所说蓝宝石上硅结构；
d)氧化所说外延硅层，使所说外延硅层的一部分形成二氧化硅层，从而使外延硅层减薄到30-100nm的厚度；
e)去掉所说二氧化硅层，以暴露所说减薄的外延硅层；
f)由所说减薄的外延硅层制造具有晶体管和向列液晶电容的像素阵列；以及
g)由所说减薄的外延硅层制造集成电路，该电路工作上被耦合以调制所说像素。
2.根据权利1的方法，其中步骤(b)包括将硅离子注入到所说外延硅层中。
3.根据权利1的方法，其中所说减薄的外延硅层具有不大于100nm的均匀厚度。
4.根据权利1的方法，其中所说像素中的每个都包括非线性电路元件。
5.根据权利1的方法，其中所说像素中的每个都包括向列液晶电容器。
6.根据权利1的方法，其中每个像素都包括一晶体管和一耦合到所说晶体管上的液晶电容器。
7.根据权利6的方法，其中所说晶体管具有漏电流IL，其中IL≤1pA/w，且w表示1微米的晶体管宽度。
8.根据权利1的方法，其中所说集成电路分别调制每个像素。
9.根据权利1的方法，还包括在所说蓝宝石上硅结构上制造偏振器。
10.根据权利9的方法，还包括在所说蓝宝石上硅结构上形成光学滤波器层。
11.根据权利1的方法，还包括通过所说像素阵列透射光。
12.一种在蓝宝石上硅结构上制造单片集成液晶阵列显示器及控制电路用的方法，包括以下步骤：
a)在蓝宝石基片上形成外延硅层，以产生蓝宝石上硅结构；
b)在-20℃的温度下，以185keV的能量，以1014cm-2的剂量离子注入硅离子至上述外延硅层中；
c)将所说蓝宝石上硅结构浸入温度为550℃的氮气氛中30分钟；
d)在一个小时内将所说蓝宝石上硅结构所浸入的所说氮气氛的温度从550℃提高到900℃；
e)在900℃的温度下，在所说氮气氛中退火所说蓝宝石上硅结构1小时；及
f)在温度为1000℃的氧气氛中氧化所说外延硅层，使所说外延硅层的一部分形成二氧化硅层，从而使外延硅层减薄到30-100nm的厚度；
g)去掉所说二氧化硅层，以暴露所说减薄的外延硅层；
h)由所说减薄的外延硅层制造具有晶体管和向列液晶电容的像素阵列；以及
i)由所说减薄的外延硅层制造显示驱动电路，该电路工作上被耦合以调制所说像素。
13.根据权利要求12的方法，其中所说减薄的外延硅层具有不大于100nm的均匀厚度。
14.根据权利12的方法，其中所说像素中的每个都包括非线性电路元件。
15.根据权利12的方法，其中所说像素中的每个都包括向列液晶电容器。
16.根据权利12的方法，其中每个像素都包括一晶体管和一耦合到所说晶体管上的液晶电容器。
17.根据权利16的方法，其中所说晶体管具有漏电流IL，其中IL≤1pA/w，且w表示1微米的晶体管宽度。
18.根据权利12的方法，其中所说集成电路分别调制每个像素。
19.根据权利12的方法，还包括在所说蓝宝石上硅结构上制造偏振器。
20.根据权利19的方法，还包括在所说蓝宝石上硅结构上形成光学滤波器层。
21.根据权利12的方法，还包括通过所说像素阵列透射光。
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