DE68923341T2 - Dünnfilmtransistor und Kreuzungsstruktur für Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung und Methode ihrer Herstellung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Dünnfilm-Transistor und eine Crossover-Struktur für eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angeführten Merkmalen und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Transistors und einer solchen Struktur mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
• Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen enthalten eine Anordnung von Flüssigkristallelementen (Pixel), die in einer Matrix in Reihen und Spalten angeordnet sind. Bei aktiven Matrix-Anzeigevorrichtungen ist jedem Pixel ein Festkörper-Schalterelement, wie etwa ein Dünnfilm-Transistor (TFT) zugeordnet. Wie es im Stande der Technik bekannt ist, besteht ein Flüssigkristallelement aus einem Flüssigkristallmaterial, das sich zwischen zwei Elektroden befindet. Die Lichtdurchlässigkeit des Flüssigkristallmaterials ändert sich durch Anlegen einer Vorspannung an die Elektroden, wobei sich die Orientierung der Moleküle innerhalb des Flässigkristallmaterials verändert. Die Flüssigkristallelemente sind in Reihen und Spalten angeordnet, und die einzelnen Elemente werden durch gleichzeitiges Anlegen von Spannung an eine Treiberleitung und eine Datenleitung adressiert, die einzeln mit den Elektroden der Elemente gekoppelt sind. Die Vorspannung zu einer der Elektroden des Flüssigkristallelementes wird über ein Festkörper-Schalterelement (TFT) zugeführt, so daß die Flüssigkristallelemente eine Ladung für einen Zeitraum speichern, der erforderlich ist, um eine sichtbare Anzeige zu ergeben. Dementsprechend umfaßt die Herstellung einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung die Herstellung der TFTs und deren Verbindung mit den Steuerelektroden der Flüssigkristallelemente.
• In der veröffentlichten französischen Anmeldung FR-A-2602361 ist ein Dünnfilm-Transistor und eine Crossover-Struktur für eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung beschrieben, die ein transparentes Substrat enthält, das eine transparente Elektrodenschicht trägt, die in Pixelelektroden, Treiberleitungen und Datenleitungen unterteilt ist. Über ausgewählten Bereichen der transparenten Elektrodenschicht wird eine dotierte Schicht vorgesehen, um Source- und Drainzonen für den Dünnfilm-Transistor zu bilden. Über der dotierten Schicht befindet sich eine undotierte Schicht zur Bildung einer Kanalzone zwischen Sourceund Drainzone. Die dielektrische Schicht über der undotierten Schicht bildet eine Gateelektrode für den Dünnfilm-Transistor, und eine erste leitende Schicht über ausgewählten Bereichen der dielektrischen Schicht stellt elektrische Kontakte zu der Pixelelektrode, den Treiberleitungen und den Datenleitungen her. Eine zweite leitende Schicht über ausgewählten Bereichen der ersten leitenden Schicht steht in elektrischer Verbindung mit dieser, um Crossover-Elektroden zu bilden und die Pixelelektroden mit der Treiberschaltung zu verbinden. Auch die US-A- 4 680 085 befaßt sich mit einem Dünnfilm-Halbleiterelement und bezieht sich auf die Ausbildung eines dielektrischen Kantenüberzugs.
• Bei der Herstellung von TFTs für Flüssigkristallanzeigen verwendet man typischerweise verschiedene Photomasken, wobei verschiedene Teile der TFTs und die Flüssigkristallelektroden in verschiedenen Schritten des Verfahrens gebildet werden. Ferner benutzt man ebenfalls typischerweise vier Masken für die Herstellung der TFTs. Wie bekannt ist, ändert sich die Ausbeute hergestellter Elemente bei der Verwendung mehrfacher Masken umgekehrt mit der Anzahl der Masken. Dementsprechend ist es vorteilhaft, die Anzahl der zur Ausbildung der TFTs benutzten Masken zu verringern. Um dies zu erreichen, kann man die TFTs für Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen mit nur zwei Masken herstellen. Dieses Zwei-Masken-Verfahren ist vorteilhaft, wenn die zur Ansteuerung der Treiber- und Datenleitungen benutzte Treiberschaltuna getrennt von den Festkörper-Schalterelementen der Flüssigkristallanzeige hergestellt werden. Jedoch sei bemerkt, daß eine wesentliche Kosteneinsparung erreicht werden kann, wenn man die TFTs und die Treiberschaltung gleichzeitig auf dem Substrat ausbildet, welches die Flüssigkristallmatrix trägt. Das Zwei-Masken-Verfahren hat verschiedene Nachteile, wenn die Treiberschaltung so hergestellt werden soll. Erstens wird ein parasitärer Transistor gebildet und verbindet die Pixeltransistoren mit der Datenleitung; dieser parasitäre Transistor kann die Ein/Aus-Schalteigenschaften des benachbarten TFTs nachteilig beeinflussen oder kann ein Übersprechen zwischen benachbarten Datenleitungen verursachen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Datenleitungen einen hohen Widerstand haben. Nachteilig ist schließlich auch der Mangel einer elektrischen Verbindung zwischen den Gates der TFTs und den Source- oder Drainleitungen.
• Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines kostensparenden Dünnfilm-Transistors mit Crossover-Struktur für eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung, welche keine parasitären Transistoren und keinen hohen Datenleitungswiderstand hat und eine elektrische Verbindung zwischen den Gates der Dünnfilm- Transistoren und den Source- und Drainleitungen erlaubt. Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein billiges Verfahren zur Herstellung solcher Transistoren und Crossover-Strukturen zu schaffen.
• Diese Aufgaben werden gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 6, wobei spezielle Ausführungsformen der Erfindung in den Unteransprüchen beschrieben sind.
• Gemäß der Erfindung enthält ein Dünnfilm-Transistor (TFT) und eine Crossover-Struktur für ein Flüssigkristall-Anzeigeelement eine transparente Elektrodenschicht, die von einem transparenten Substrat getragen wird. Die transparente Elektrodenschicht ist in Form von Pixelelektroden, Treiberleitungen und Datenleitungen ausgebildet. Eine dotierte Schicht über ausgewählten Teilen der transparenten Elektrodenschicht bildet Source- und Drainzonen für den TFT. Eine undotierte Schicht über der dotierten Schicht bildet eine Kanalzone zwischen Source- und Drainzone. Eine dielektrische Schicht über der undotierten Schicht bildet eine Gateelektrode für den TFT. Eine erste leitende Schicht über ausgewählten Bereichen der dielektrischen Schicht stellt elektrische Kontakte zur Pixelelektrode, den Treiberleitungen und den Datenleitungen her. Eine zweite leitende Schicht über ausgewählten Bereichen der ersten leitenden Schicht steht in elektrischem Kontakt zur ersten leitenden Schicht und zu Teilen der transparenten Elektrodenschicht, um Elektrodenüberkreuzungen (Crossovers) zu bilden und die Pixelelektrode mit der Treiberschaltung zu verbinden. Die vorliegende Erfindung ergibt ein 3-Masken-Verfahren, welches die Verbindung der Gate- und Source/Drainzonen der verschiedenen Transistoren erlaubt. Die Erfindung schafft auch eine Crossover- Struktur, welche eine Ausbildung der Treiberschaltung auf demselben Substrat wie die Anzeigevorrichtung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil liegt in der Schaffung einer dielektrischen Trennwand, welche die Bildung eines parasitären Widerstandes zwischen Gate- und Kanalzonen der TFTs verhindert.
• In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1a bis ie nacheinander die Schritte eines bevorzugten 3-Masken-Verfahrens zur Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform des TFT,
• Fig. 2 die Verbindung des TFT mit der Steuerelektrode eines Flüssigkristallelements,
• Fig. 3 eine andere bevorzugte Ausführungsform des TFT,
• Fig. 4 ein Beispiel einer Peripherieschaltung, die gleichzeitig mit den TFTs einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung hergestellt werden können, und
• Fig. 5 eine äquivalente Schaltung der Anordnung nach Fig. 4.
• Die Figuren 1a bis ie zeigen aufeinanderfolgend ein 3-Masken- Verfahren zur Ausbildung von TFTs und einer Crossover-Struktur für eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung. In diesen Figuren ist die auftretende Kreuzschraffur als solche nicht beabsichtigt. Jede Schicht ist unterschiedlich schraffiert und die einzelnen Schichten sind in allen Figuren gleich schraffiert, um sie leichter auseinanderhalten zu können. Die Schraffuren oder Schattierungen, welche die verschiedenen Schichten kennzeichnen, sind in der unter Figur 1e zu findenden Legende gezeigt.
• Gemäß Figur 1a ist eine Oberfläche eines transparenten Substrats 11 mit einer transparenten Elektrodenschicht 12 bedeckt. Gemäß Figur 1b ist eine dotierte Schicht 13, die vorzugsweise durch amorphes Silizium gebildet wird, auf der transparenten Elektrode 12 abgelagert. Figur 1c zeigt, wie ausgewählte Bereiche 14, 15 und 16 übrigbleiben, nachdem die erste Maske in einem Photoätzprozess benutzt worden ist, um diejenigen Teile der transparenten Elektrodenschicht 12 und der amorphen Siliziumschicht 13 zu entfernen, die nicht zur Bildung des Bauelementes benötigt werden. Gemäß Figur 1d wird eine undotierte Schicht 17, welche vorzugsweise durch undotiertes amorphes Silizium gebildet wird, auf der gesamten Struktur abgelagert. Die undotierte Schicht 17 erstreckt sich somit zwischen den Zonen 14 und 15 und dient als Kanalzone zwischen diesen Zonen 14 und 15, welche als Source- bzw. Drainzone eines TFT wirken. Eine dielektrische Schicht 18 wird auf der gesamten undotierten amorphen Siliziumschicht 17 abgelagert. Die dielektrische Schicht 18 dient als Gateschicht für den TFT. Eine erste leitende Schicht 19, welche vorzugsweise durch Metall gebildet wird, wird auf der gesamten dielektrischen Gateschicht 18 abgelagert. Zahlreiche Techniken zur Ablagerung der Schichten 17, 18 und 19 auf dem Substrat 11 sind für sich bekannt. Die zweite Maske des 3-Masken-Verfahrens wird benutzt, um ausgewählte Bereiche der Schichten 13, 17, 18 und 19 zu entfernen. Gemäß Figur 1e wird eine zweite leitende Schicht 21, die ebenfalls vorzugsweise aus Metall besteht, über ausgewähllen Teilen des Bauelementes unter Verwendung der dritten Maske des Verfahrens abgelagert. Wie Figur 1e zeigt, erstreckt sich die zweite leitende Schicht 21 zwischen der Drainzone 15 des TFT und demjenigen Teil der Elektrodenschicht 12, der als Steuerelektrode für das Flüssigkristallelement dient. Einige Teile, so wie 21a, der zweiten Metallschicht 21 befinden sich isoliert im Abstand von der zweiten Elektrodenschicht 12, so daß effektiv Crossoverstrukturen erhalten werden. Außerdem kontaktieren andere Teile, wie 21b, der zweiten Metallschicht 21 die leitende Elektrodenschicht 12 und stehen somit zur Verfügung für die Verbindung ausgewählter Teile der leitenden Elektrodenschicht 12 mit einer externen Treiberschaltung oder Ausgangseinheiten.
• Figur 2 zeigt einen Teil einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Verschiedene Leiter 22, 22a und 23 werden aus der transparenten Elektrodenschicht 12 geformt. Der Leiter 22 ist die Steuerelektrode für eine Flüssigkristallzelle. Der Leiter 22a stellt eine Verlängerung der Steuerelektrode 22 dar und verbindet diese mit der Drainzone 24 eines TFT, der auch eine Sourcezone 28 und einen Kanal 31 aufweist. Der Leiter 23 verläuft unter einem Leiter 27, der aus der ersten und zweiten Metallschicht 19 und 21 gebildet ist. Die Breiten der Schichten 19 und 21 sind zu Veranschaulichungszwecken unterschiedlich; bei einem realen Bauelement haben sie ziemlich genau die gleiche Breite. Der Leiter 23 ist vom Leiter 27 durch Schichten 13, 17 und 18 getrennt und bildet somit eine Überkreuzung oder ein Crossover 30. Diese Überkreuzung 30 erlaubt die Verbindung des Leiters 27 mit der Treiberschaltung 32, die ebenfalls hergestellt wird, wenn der TFT und die Überkreuzung 30 gebildet werden. Die Sourcezone 28 des TFT wird dort gebildet, wo ein anderer Teil 29 der transparenten Elektrode 12 unter dem Leiter 27 verläuft. Ein Kanal 31 des TFT verbindet die Sourcezone 28 und die Drainzone 24 des TFT; in den Figuren 1d und 1e ist dies veranschaulicht, wo die Schicht 27 in Verbindung mit der Sourcezone 14 und der Drainzone 15 steht. Wegen der Fähigkeit Überkreuzungen zu bilden, so wie den Crossover 30, können die zur Betätigung der Steuerelektrode 22 benötigten Daten und Treiberleitungen gleichzeitig mit den TFTs, den anderen Leitern und der Treiberschaltung 32 ausgebildet werden. Auf diese Weise lassen sich erhebliche Einsparungen an Fabrikationskosten und eine bedeutende Erhöhung der Ausbeute erreichen.
• Bei dem anhand der Figuren 1a bis 1e erläuterten Verfahren kann ein Problem auftreten. Wie Figur 1e zeigt, berührt das Metall bei der Aufbringung der zweiten leitenden Schicht 21 auf das Element die Kanten der undotierten amorphen Siliziumschicht 17 und der dielektrischen Gateschicht 18. Dies kann zur Bildung eines parasitären Widerstands zwischen Gate- und Kanalzonen des Transistors führen. Der Wert dieses Widerstandes kann sehr hoch sein. Jedoch können unter bestimmten Umständen dennoch Probleme auftreten. Figur 3 zeigt eine Lösung für dieses Problem des parasitären Widerstands. Über den freiliegenden Kanten des amorphen Siliziums werden dielektrische Trennwände 33 gebildet, um zu verhindern, daß die zweite Metallschicht 21 die Kanten der undotierten amorphen Siliziumschicht 17 kontaktieren. Die Trennwände 33 werden gebildet durch Ablagerung einer dielektrischen Schicht über der gesamten Oberfläche des Bauelementes und durch anisotropes Entfernen der Schicht von den planaren Oberflächen unter Verwendung eines Plasmaätzsystems. Die dielektrische Schicht ist an den Kanten der Schicht von Haus aus dicker als über der planaren Oberfläche der Schicht und wird daher während des Abtragprozesses entlang den Kanten nicht vollständig entfernt. Die Trennwandbildung erfordert daher nur einen Ablagerungs- und einen Atzschritt; ein photographischer Schritt unter Verwendung einer Maske ist nicht erforderlich.
• Figur 4 zeigt ein Beispiel einer Treiberschaltung, die zusammen mit den TFTs und den Elektroden einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung gemäß dem beanspruchten Verfahren hergestellt werden kann. Auf der Elektrodenschicht 12 gemäß Figur 1a wird eine Mehrzahl transparenter Leiter 34, 35, 36 und 37 ausgebildet. Eine weitere Mebrzahl von Leitern 38, 39, 40 und 41 wird aus der zweiten leitenden Schicht 21 gemäß Figur 1e hergestellt.
• Ein weiterer Satz Leiter 42, 43 und 44 wird aus der ersten leitenden Schicht 19 gemäß den Figuren 1d und 1e gebildet. Der Leiter 38 ist elektrisch mit den Leitern 34 und 42 verbunden. Jedoch befinden sich die Leiter 34 und 35 teilweise unterhalb des Leiters 42 und sind elektrisch vom Leiter 42 durch die Schicht 17 und 18 gemäß Figur 1e isoliert, so daß auf diese Weise ein TFT 45 gebildet wird, dessen Drainzone elektrisch mit dem Leiter 34 verbunden ist und dessen Sourcezone elektrisch mit dem Leiter 35 verbunden ist. Der Leiter 39 ist elektrisch mit den Leitern 35 und 37 verbunden. Die Leiter 35 und 36 sind vom Leiter 43 durch die Schichten 17 und 18 gemäß Figur 1e getrennt, so daß ein weiterer TFT 46 gebildet wird, dessen Drainzone elektrisch mit dem Leiter 35 verbunden ist und dessen Sourcezone elektrisch mit dem Leiter 36 verbunden ist. Der Leiter 40 ist elektrisch mit den Leitern 36 und 44 verbunden und vom Leiter 37 durch die Schichten 13, 17 und 18 gemäß Figur 1e getrennt, so daß eine Überkreuzungs- oder Crossover-Struktur 47 entsteht. Die Schaltung gemäß Figur 4 bildet daher eine Inverterschaltung mit zwei Transistoren, deren Äguivalentschaltung in Figur 5 gezeigt ist. Bei Figur 2 wären diese Transistoren in der Treiberschaltung 32 enthalten.

Claims (10)

1. Dünnfilmtransistor mit Überkreuzungsstruktur für ein Flüssigkristalldisplay, mit

einer transparenten Elektrodenschicht (12), die von einem transparenten Substrat (11) getragen wird und photographisch geätzt und in Steuerelektroden (22,22a), Treiberleitungen und Datenleitungen (29) strukturiert ist,

einer über ausgewählten Teilen der transparenten Elektrodenschicht liegenden dotierten Schicht zur Bildung von Source(14,28) und Drainzonen (15,24) für den Dünnfilmtransistor,

einer auf der dotierten Schicht angeordneten undotierten Schicht (17) zur Bildung einer Kanalzone (31) zwischen der Source- (28) und der Drainzone (24);

einer auf der undotierten Schicht befindlichen dielektrischen Schicht (18) zur Bildung einer Gateelektrode für den Dünnfilmtransistor,

einer auf ausgewählten Teilen der dielektrischen Schicht (18) befindlichen ersten leitenden Schicht (19) zur Bildung elektrischer Verbindungen zu den Steuerelektroden, den Treiberleitungen und den Datenleitungen, und

einer auf ausgewählten Teilen der ersten leitenden Schicht (19) befindlichen zweiten leitenden Schicht (21), die mit der ersten leitenden Schicht (19) in elektrischer Verbindung steht und erste Teile (21a) enthält, welche isoliert und im Abstand von der transparenten Elektrodenschicht sind und Elektrodenkreuzungen (30) bilden,

daduch gekennzeichnet, daß die zweite leitende Schichte (21)

(i) zweite Teile (21; Fig. 1e), die sich von jeweils den Drainzonen zur Kontaktierung von Steuerelektrodenzonen der transparenten Elektrodenschicht erstrecken, und

(ii) dritte Teile (21b) aufweist, die mit den Steuerelektrodenzonen verbunden sind und zum Anschluß an eine äußere Treiberschaltung ausgebildet sind.

2. Struktur nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch einen entlang der Kanten der undotierten Schicht (17) und der dielektrischen Schicht (18) verlaufenden dielektrischen Überzug (33) zur Isolierung dieser Kanten von der zweiten leitenden Schicht (21).

3. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite leitende Schicht (19,21) aus Metall bestehen.

4. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Schicht (13) aus dotiertem amorphem Silizium besteht.

5. Struktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die undotierte Schicht (17) aus undotiertem amorphem Silizium besteht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilmtransistors und einer Überkreuzungsstruktur für ein Flüssigkristalldisplay, mit den Schritten:

a) Aufbringen einer transparenten leitenden Elektrodenschicht (12) auf einer Oberfläche eines isolierenden Substrates (11),

b) Aufbringen einer dotierten Schicht (13) auf der Elektrodenschicht und Verwendung einer ersten Maske zur selektiven Entfernung von Teilen der dotierten Schicht und der Elektrodenschicht zur Bildung von Steuerelektroden, Treiberleitungen und Datenleitungen aus der Elektrodenschicht und zur Bildung von Source- und Drainzonen (14,28 bzw. 15,24) aus der dotierten Schicht,

c) Aufbringen einer undotierten Schicht (17) auf den Steuerelektroden, den Leitungen und dem Substrat zur Bildung einer Kanalzone (31) zwischen der Source- und der Drainzone (28 bzw. 24),

d) Aufbringen einer dielektrischen Schicht (18) auf der undotierten Schicht,

e) Aufbringen einer ersten leitenden Schicht (19) auf der dielektrischen Schicht und Verwendung einer zweiten Maske zur wahlweisen Entfernung der undotierten Schicht, der dielektrischen Schicht und der ersten leitenden Schicht derart, daß letztere elektrische Verbindungen zu den Steuerelektroden, den Treiberleitungen und den Datenleitungen bildet, und

f) Aufbringen einer zweiten leitenden Schicht (21) auf der ersten leitenden Schicht und Verwendung einer dritten Maske zur wahlweisen Entfernung von Teilen der zweiten leitenden Schicht, welche mit ersten Teilen (21a) gebildet ist, die isoliert und im Abstand von der transparenten Eletrodenschicht sind und Elektrodenüberkreuzungen bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt f) die zweite leitende Schicht (21) gebildet wird und mit

(i) zweiten Teilen (21; Fig. 1e), die sich von jeweils den Drainelektroden zur Kontaktierung von Steuerelektrodenzonen der transparenten Elektrodenschicht erstrecken und

(ii) dritten Teilen (21b), die mit den Steuerelektrodenzonen verbunden sind und zum Anschluß an eine externe Treiberschaltung ausgebildet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin gekennzeichnet durch den Schritt des Aufbringens eines isolierenden Überzugs auf der ersten leitenden Schicht (19) und des Entfernens des isolierenden Überzugs von der ebenen Oberfläche der ersten leitenden Schicht zur Bildung isolierender Wände (33) entlang den Kanten der Schichten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Schicht (13) aus dotiertem amorphem Silizium besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die undotierte Schicht (17) aus undotiertem amorphem Silizium besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite leitende Schicht (19,21) eine erste bzw. zweite Metallschicht sind.