CN1398359A - 液晶显示器 - Google Patents

Abstract

描述了一种形成使用顶部栅极TFT的液晶显示器的有源板的方法。在TFT下方使用黑色有机光遮蔽层(73)以遮蔽TFT的沟道(91)不受从下面透过衬底(71)的光。该有源板可以是高开口板，它具有与行导体和列导体(79)重叠的像素电极(99)。有机光遮蔽层可以掩蔽像素电极之间的间隙(102)。

Description

液晶显示器

本发明涉及有源矩阵液晶显示器，特别是涉及在制造此种显示器中使用的被称为有源板的晶体管衬底。

液晶显示器一般包括其间夹有液晶材料的有源板和无源板。有源板包括一般具有一个与显示器的每个像素相关的晶体管的晶体管开关器件阵列。每个像素还与有源板上的一个像素电极相关，其上施加信号用于控制单个像素的亮度。

有源板的大部分区域是至少部分透明的，这种要求是因为显示器一般由背光照明。大体上，由不透明的行导体和列导体覆盖的区域是该板仅有的不透明的部分。如果像素电极没有覆盖透明区域，那么将存在不由像素电极调制的液晶材料区域，而接收来自背光的光线。这减少了显示器的对比度。一般提供一黑色掩模层以遮蔽有源板的这些区域，另外还应遮蔽晶体管，因为晶体管的工作特性受光的影响。常规上，此黑色掩模层位于有源矩阵单元的无源板上。但是，在此情况下，由于单元耦合精度差，此黑色掩模层和像素电极之间的重叠必须大。这种重叠减小了显示器像素的开口(aperture)，这减小了显示器的功率效率。这对于诸如便携产品的靠电池工作的装置是特别不希望的。

已经有过使用有源板层提供所需的掩蔽功能的建议。例如，一种建议是规定像素电极与行导体和列导体重叠，使得在行导体和列导体与像素电极之间没有间隙，否则该间隙需要被遮蔽。图1示出了以这种方式制造有源板的基本工艺步骤。

图1A示出了已图形化的栅导体层10，它规定晶体管的栅极12，此栅极被连接到相关的行导体14。在已图形化的栅导体层上面覆盖一层栅绝缘体层，在绝缘后的栅结构上再淀积一半导体层。此半导体层被图形化，以规定晶体管的半导体管体16，并同时规定绝缘层18，以减少在行导体和列导体之间跨接处的电容耦合。图形化的半导体层16、18示于图1B中。

在硅层上面淀积并图形化一源极和漏极导体层，它规定了连接至列导体22的晶体管源极20，和漏极区域24。如图1C所示，区域18提供了行14和列22导体的跨接处的绝缘。源极和漏极导体层也规定了一个电容器的顶部触点26。这是一个像素电荷存储电容器，它是由行导体14、栅绝缘体层及顶部触点26所确定的。

如图1D所示，在整个结构上淀积一钝化层，并提供通孔28、30，使得能够通过钝化层连接至漏极24并连接至电容器顶部触点26。最后，在钝化层上淀积像素电极32、34，每个像素电极通过通孔28、30接触相关开关晶体管的漏极24并接触像素充电的存储电容器的顶部触点26。

图2示出了组成图1所示像素的电子元器件。如参考图1所解释的，行导体14被连接到TFT40的栅极，列电极22耦合到源极上。在像素上提供的液晶材料有效地规定了液晶单元42，它延伸在晶体管40的漏极和公共接地面44之间。像素存储电容器46连接在晶体管40的漏极和与相邻的像素行有关的行导体14a之间。

在参考图1描述的工艺中，行电极和列电极用于提供该像素的掩蔽。尤其是，像素电极32和34与行导体和列导体的重叠消除了需要遮蔽的任何间隙。这意味着不需要在无源板上提供黑色掩模层来规定每个像素。因为无源板上的黑色掩模层不能与有源板上的像素精确地对准，无源板上的黑色掩模层需要与行导体和列导体有有效的重叠。因此，省略无源板上的掩模层提供了其中每个像素有大开口的液晶显示器。

在Kim等人的美国专利US 5,781,254中描述了在有源板上提供掩蔽功能的另一方法。参考图3，提供了一个晶体管，它的栅极12提供在连接源极20和漏极24之间的沟道16的下方。漏极连接到透明的像素电极32。行电极14和列电极22把阵列中的多个晶体管和像素电极连接在一起。在这种安排下，在行电极和列电极以及晶体管区域上提供有机掩模层48，如图4所示。

Ikeda等人在美国专利US 5,121,237中描述了一种液晶显示器，其中在有源衬底的沟道区域上提供了有机掩模层，以保护沟道区域不受光。而在无源衬底上提供单个像素周围的掩蔽。另一文献，Shin等人的美国专利US 5,703,668公开了使用有机掩模层保护薄膜晶体管结构。该掩模层被淀积在覆盖沟道的氧化层或氮化层上的。

上面描述的结构都是“底部栅极”结构，其中栅极12位于沟道16的下方。结构的另一形式是顶栅结构，其中栅极位于沟道上方。这种结构的一个优点是，由于栅电极位于晶体管顶部，栅电极的材料与厚度可以有更多的选择自由。

图5示出了已知的顶栅结构的横截面。如下面所解释的，在透明衬底51上淀积金属光屏蔽层53。为把其余结构与金属层53隔离开，淀积二氧化硅层。然后，淀积薄膜晶体管(TFT)结构。首先，提供一透明电极层57，以用作像素电极59。在该层上淀积列导体61。淀积用作TFT的源极、漏极和沟道的非晶硅(a-Si∶H)层63，随后淀积第一氮化硅层65和第二氮化硅层67。栅电极69淀积在该结构的顶部，并连接到行导体(未示出)。

TFT的沟道可能是光敏感的，所以希望防止光线照到它。顶部栅极可提供对来自上方光线必要的遮蔽。但是，许多液晶显示器是背光的，也就是说光来自下面，因此，金属层53被图形化，以存在于TFT的下方，遮蔽TFT免于来自下面的光。

遗憾的是，不可能把遮蔽TFT的金属层53用作掩模层，以防止透过像素之间的液晶显示器的光线。这是因为掩模层必须围绕着每一个像素，这将导致覆盖整个显示器的连续网格(continuous mesh)。而这种电连续网格会导致同有源板上其它导体，或在那些导体之间的不希望的电容耦合，从而导致性能下降。因此，在传统LCD顶栅TFT器件中，在无源板上提供掩模层，以隔开每个像素，这与传统的底栅结构一样。

如果消除掩模层，会有好处。上述结构，该结构被设计为从底部栅极TFT消除掩模层，在底部栅极TFT上提供掩模层，该层不仅遮蔽TFT的沟道，也用作掩模层。这些结构不适宜于顶栅TFT，其中顶部栅极本身对来自上方的光提供了一些遮蔽，相反它需要阻挡来自下方的光。

传统的顶栅TFT结构的另一缺点是金属的光遮蔽层实际上是一个浮动栅，它能存储电荷并把电荷慢慢漏掉。被存储电荷能以一变量影响TFT的沟道区域，这显著影响TFT的开启和关断电压。因为开启和关断电压的一致性对器件的性能很重要，光遮蔽层的浮动栅效应是很有害的。因此，如果能使此效应最小，会有好处。

根据本发明，为液晶显示器提供了一有源板，包括：

一透明的衬底，

一些顶部栅极薄膜晶体管，每个晶体管具有一源极、一漏极、一连接源极和漏极的沟道区域以及在该沟道上方的顶部栅极，

连接到顶部栅极薄膜晶体管的一些像素电极，以及

在薄膜晶体管下方的有机光遮蔽层，该层被图形化以遮蔽至少顶部栅极薄膜晶体管的沟道区域，以不受从下面透过透明衬底的光。

在有机层上可靠地淀积TFT结构不是一件小事，因为在传统的TFT制造中，所使用的淀积温度对位于下面的有机层是有损害。但是，现在可以使用合适的低温多晶硅工艺。这些工艺已经用来在玻璃上淀积EEPROM，其描述如Young等人的论文“使用低温多晶硅TFT工艺的玻璃上EEPROM阵列的制造和特性(The fabrication andcharacterisation of EEPROM arrays on glass using a lowtemperature poly-Si TFT process”，IEEE Trans Electron Dev，第43卷，第11期，p1930(1996)。这些工艺也已经用在有源矩阵液晶显示器中，如Young等人在论文“聚合物衬底上的薄膜晶体管和二极管寻址的AMLCD(Thin-film-transistor-and diode-addressedAMLCDs on polymer substrates)”，Journal of Society forInformation Display，5/3卷P275(1997)中所说明的。

但是，先前未能实现的是，使用这些工艺有可能用有机遮蔽替换在顶部栅极TFT结构中使用的传统遮蔽金属化。较低的淀积温度允许多晶硅TFT结构淀积在有机层的顶部，而不损坏有机层。

因为有机光遮蔽层是绝缘的，这种光遮蔽不会象在现有技术顶栅器件的情况那样起到浮动栅的作用。这显著提高了器件的性能和可靠性。

简单地把用有机光遮蔽层替换现有技术的顶栅TFT结构中的薄金属化光遮蔽层会引起困难。这是因为即使金属化层很薄时它也是不透明的，而要具有可比的不透明度，有机层必须要厚得多。因此，在有机光遮蔽层淀积以后，优选在不透明的有机光遮蔽层的顶部淀积一平面化层，以便允许TFT结构能被淀积在基本上平坦的层上。

通常，有源板具有与薄膜晶体管相连接的行导体和列导体。在一些实施例中，像素电极与行电极和列电极部分重叠。这样，行电极和列电极起着像素电极之间掩模的作用，以防止来自后面的通过像素电极之间区域的光。在一种已完成的显示器件中，在像素电极之间区域中的液晶不受像素电极上的电压控制；因此，通过这些区域的光不受调制。掩蔽像素电极之间的间隙防止了光线透过这些未调制区域，因此增加了显示器的对比度。

如上所述，在传统的器件中，这种掩蔽是通过在液晶显示器的无源板上的掩模层实观的。通过把像素电极与行电极和列电极相重叠，可以消除无源板上的掩模层。这简化了无源板的制造。而且，无源板不必与有源板精密对准，因此无源板上的掩模层必须有显著的重叠，从而允许可能的未对准。通过使用有源板上的行电极和列电极作为掩模，对准精度可得到更好的改善，并因此需要较少的重叠。所需掩模面积数量上的减少增加了器件的开口。

在这些实施例中，有机光遮蔽层被图形化以与像素电极重叠以遮蔽像素电极之间的间隙。这再次提供了对有源板上像素电极之间间隙的掩蔽，因此，再次允许从液晶显示器的无源板上省略掩模。

另一方面，本发明涉及一种有源矩阵液晶显示器，它包括

按照前面任何权利要求的一有源板；

一无源板以及

夹在有源板和无源板之间、受像素电极调制的一层液晶。

再一方面，本发明提供一种制造液晶显示器有源板的方法，包括：

在透明的绝缘层上淀积并图形化图形化的有机光遮蔽层，

在图形化的有机光遮蔽层上淀积源极、漏极和沟道层，

至少在源极、漏极和沟道层上淀积绝缘层，以起到栅绝缘体层的作用，

在绝缘层的上淀积并图形化栅极层，以形成多个薄膜晶体管，每个晶体管具有一源极，一漏极，一沟道和一栅极，以及

形成与源极和漏极之一相连接的像素电极层；

其中有机光遮蔽层被图形化，以至少遮蔽沟道免受从下面透过透明衬底的光。

像素电极层可以在形成TFT之前或之后提供。

该方法还可以包括在有机光遮蔽层上淀积平面化层的步骤。

该方法还可以包括形成与顶栅薄膜晶体管相连的行导体和列导体的步骤，而且可以形成与行电极和列电极部分重叠的像素电极。

顶部平面化层可以淀积在顶部栅极薄膜晶体管上，从而规定在顶部栅极薄膜晶体管上的多个通路，像素电极可被提供在顶部有机平面化层上并通过这些通路与薄膜晶体管连接。

有机光遮蔽层可被图形化以存在于邻近像素电极之间的间隙下方，从而遮蔽像素电极之间的间隙，不受从下面透过透明衬底的光。

在又一方面中，本发明涉及形成有源矩阵液晶显示器的一种方法，包括形成如上所述的有源板，

提供无源板以及

在有源板及无源板之间夹入一层液晶。

为了更好地了解本发明并完全借助实例，现在将参考附图描述具体的实施例，其中，

图1示出了制造底部栅极TFT液晶显示器的已知方法的步骤；

图2示出了图1的底部栅极TFT液晶显示器的一个单元；

图3是一种已知结构的侧视图；

图4是图3结构的顶视图；

图5示出一种已知的顶栅TFT结构；

图6示出根据本发明的第一实施例制造液晶显示器有源衬底的方法的步骤；

图7示出本发明第一实施例的有源衬底的图解顶视图；

图8说明使用第一实施例的有源衬底的液晶显示器；

图9示出根据本发明第二实施例的有源衬底的一个截面；以及

图10示出第二实例有源衬底的顶视图。

参考图6，有机掩模层73被淀积在透明的绝缘衬底71上，并被图形化以规定不透明掩模遮蔽层。此不透明掩模遮蔽层可以是适当的不透明有机材料，例如，由Sabnis等人在1998年亚州显示器会议论文集第1025页(proceedings of Asia Display 1998)所描述的那种光敏丙烯酸基黑色树脂。Kim等人的美国专利US 5,781,254，Ikeda等人的美国专利US 5,121,237或Shin等人的美国专利US 5,703,668中描述了其它合适的有机掩模层。图形化可以用许多已知方法中的任何一种完成。例如，可以在有机掩模遮蔽层上淀积一层光致抗蚀剂，并图形化。所用图案的形状将在下面描述。在有机掩模遮蔽层73上提供一层平面化层75。一种合适的平化材料例如是苯并环丁烯(BCB)；其它许多平化材料是已知的。

然后，淀积并图形化氧化铟锡的透明电极层77。然后提供列导体79，跟着是非晶硅∶氢(aSi∶H)层。这一层被图形化以形成薄膜晶体管(TFT)的源极、栅极和漏极。然后淀积第一氮化硅绝缘层83，并且该层和非晶硅层被图形化。在第一氮化硅绝缘层83的顶部上淀积并图形化第二氮化硅绝缘层85，在第二氮化硅绝缘层85上淀积并图形化栅电极87。

薄膜晶体管是这样完成的。两个氮化硅绝缘层83和85构成栅绝缘体，沟道91由在栅电极87下面的部分非晶硅层81构成，而且薄膜晶体管的源极95和漏极93由处于沟道区域91各侧上的非晶硅层81的区域构成。栅电极以已知的方式连接到行电极101(图7)。

然后，在薄膜晶体管结构的顶部上提供另一平面化层89，并被图形化以形成连接到电极77的通路97。然后像素电极99被淀积到平面化层89上，并通过通路97被连接到电极77。

应注意的是，为清楚起见这些图中的垂直尺度被大大地放大了。尽管通路97看起来是很深的通路，但其实是浅的。

参见图7，可以看出像素电极99与列电极79和行电极101有重叠，由于它们在像素电极99之下，图7中用虚线示出。以这种方式，行电极和列电极本身对像素电极99之间的间隙102提供了必要的掩蔽。使薄膜沟道不受背光的必要遮蔽由有机光遮蔽层73提供。

参见图8，然后有源衬底71和无源衬底103被排列，以夹住液晶层105形成完工的液晶显示器。

在上述实施例中，行电极和列电极提供了像素电极之间的掩蔽。在替换实施例中，此功能由有机光遮蔽层73提供。参见图9，其中以与图6相同的参考数字示出了类似的部件。在这一实施例中，省去了顶部平面化层89和像素电极99，而电极77直接起到像素电极的作用。

有机光遮蔽层73如图10(虚线)所示被图形化以与像素电极77的边缘重叠，使得有机光遮蔽层73遮蔽邻近像素电极之间的间隙102，从而提供掩模层功能。

本发明不限于上面描述的实施例，并且，本发明的有机光遮蔽层可以用于使用顶栅薄膜晶体管的有源矩阵液晶显示器结构的任何有源板中。

Claims (12)

1.一种液晶显示器的有源板，包括：

一透明衬底；

一些顶部栅极薄膜晶体管，每个晶体管有一源极，一漏极、一与源极和漏极连接的沟道区域以及在该沟道上的一顶部栅极；

与顶部栅极薄膜晶体管连接的像素电极；以及

在薄膜晶体管下方的有机光遮蔽层，该层被图形化以遮蔽至少顶部栅极薄膜晶体管的沟道区域不受从下面透过透明衬底的光。

2.按照权利要求1的有源板，还包括一个在有机光遮蔽层之上并在顶栅薄膜晶体管之下的平面化层。

3.按照权利要求1或2的有源板，还包括与顶部栅极薄膜晶体管连接的行和列电极，其中像素电极与行和列电极部分重叠。

4.按照权利要求3的有源板，还包括安排在顶部栅极晶体管上的一个顶部平面化层，其中该顶部平面化层规定了薄膜晶体管上的多个通路，并且在顶部平面化层上提供像素电极通过该通路与薄膜晶体管连接。

5.按照前面权利要求中任何之一的有源板，其中有机光遮蔽层被图形化以存在于邻近像素电极之间的间隙下方，以遮蔽像素电极之间的间隙不受从下面透过透明衬底的光。

6.一种有源矩阵液晶显示器，包括：

按照前面权利要求中任何之一的有源板；

一无源板；以及

夹在有源和无源板之间的受到像素电极调制的一层液晶。

7.一种制造液晶显示器的有源板的方法，包括：

在透明绝缘衬底上淀积并图形化有机光遮蔽层；

在图形化的有机光遮蔽层上淀积一源极、漏极和沟道层；

至少在源极、漏极和沟道层上淀积绝缘层，用作栅绝缘体层；

在绝缘层上淀积并图形化栅极层，以形成多个薄膜晶体管，每个晶体管具有一源极、一漏极、一沟道和一栅极；以及

形成与源极和漏极之一连接的像素电极层；

其中有机光遮蔽层被图形化，以至少遮蔽沟道不受从下面透过透明衬底的光。

8.按照权利要求7的方法，还包括在有机光遮蔽层上淀积一个平面化层的步骤。

9.按照权利要求7或8的方法，还包括形成与顶栅薄膜晶体管连接的行和列导体的步骤，其中像素电极被形成为与行和列电极部分重叠。

10.按照权利要求9的方法，还包括在顶部栅极薄膜晶体管上淀积顶部平面化层，规定顶部栅极薄膜晶体管上的多个通路，并在顶部有机平面化层上淀积像素电极，它通过这些通路与薄膜晶体管连接。

11.按照权利要求7至10中任何之一的方法，包括图形化有机光遮蔽层，使之存在于邻近像素电极之间的间隙下方，以遮蔽像素电极之间的间隙不受从下面透过透明衬底的光。

12.一种形成有源矩阵液晶显示器的方法，包括

使用按照权利要求7至11中任何之一的方法形成有源板；

提供无源板；以及

在有源和无源板之间夹一层液晶。

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