JPH07506910A - 単結晶半導体層中に集積された駆動装置を含む反射型液晶ディスプレイおよびディスプレイ製造方法 - Google Patents

単結晶半導体層中に集積された駆動装置を含む反射型液晶ディスプレイおよびディスプレイ製造方法

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JPH07506910A JP6517070A JP51707094A JPH07506910A JP H07506910 A JPH07506910 A JP H07506910A JP 6517070 A JP6517070 A JP 6517070A JP 51707094 A JP51707094 A JP 51707094A JP H07506910 A JPH07506910 A JP H07506910A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 単結晶半導体層中に集積された駆動装置を含む反射型液晶ディスプレイおよびデ ィスプレイ製造方法発明の背景 [発明の分野] 本発明は一般に液晶装置の分野、特に高速反射型液晶ディスプレイおよび電極駆 動装置が透明な単結晶シリコン半導体層中に集積される製造方法に関する。
[関連技術の説明] 典型的な反射型液晶ディスプレイは、液晶材料で満たされた密閉された空間を含 む。透明な前面電極および背面電極のアレイはこの空間の反対側に配置され、液 晶材料に電界を与えて、その方向を局部的に変化させ、結果的に通過する光の空 間的に変化した擾乱を生じさせるように選択的に励起される。キャパシタは、電 荷蓄積のために各背面電極と並列に接続される。
異なる液晶材料は、可変的な複屈折性、散乱等の異なるメカニズムによって通過 する光に影響を与える。ディスプレイはディスクリートな黒および白レベルだけ 、或は連続した中間調を提供する。いずれの場合でも、液晶材料はそれが透明で あり、入射した光が背面電極によって観察者から外れた方向に反射されるように 偏光された場合は暗く見え、それが不透明であり、入射光を散乱するように偏光 された場合は明るく見える。
背面電極は、計算機または時計に文字数字表示を提供するためにセグメントで構 成されるか、或はテレビジョン、コンピュータまたはその他の適用に連続したグ ラフィックイメージを提供するために方形マトリクスで構成されることができる 。
R,Lloyd氏による米国特許第4.239.346号明細書(”COMPA CT LIQUID CRYSTAL DISPLAY SYSTEM”、19 80年12月160出願)には、液晶材料で満たされたその間の密閉された空間 を限定する透明な前面電極および背面電極を含む反射型能動マトリクス液晶ディ スプレイ(AMLCD)が記載されている。
riij面電極は前面プレートの内面に形成され、半導体層および背面電極は背 面プレートの内面に形成されている。
背面電極は、液晶と接触している半導体層の内面に方形マトリクスパターンで反 射性金属から形成される。多結晶シリコンパスラインによって相互接続されたM O3FET電極駆動トランジスタはまた半導体層に形成され、電極に接続されて 動作する。電位はパスラインおよび駆動トランジスタを介して個々の背面電極と 前面電極との間に選択的に与えられ、液晶材料を局部的に偏光し、中間調が加わ ったイメージを形成する。
前面および背面プレートに対して好ましい材料は、液晶材料との反応が僅かであ り、低費用および透明度を有することによりガラスである。単結晶(単一の結晶 またはバルク)シリコンのエピタキシャル付着はサファイヤ等の種々の材料に関 して可能であるが、付着のために必要とされる温度はI、 000℃程度であり 、それはガラスの融点をはるかに越えている。
さらに、ガラスの原子構造は、エピタキシャルシリコン層の成長に対して高度に 不規則的で非導電性である。
これらの理由のために、LIo7d氏のディスプレイの背面プレートのシリコン 層は標準方式のシリコンウェハによって形成されている。別のディスプレイは、 アモルファスまたは多結晶シリコンの化学蒸着(CVD)によって形成されたシ リコン層を使用している。これらの材料のCVDは低温で実行されることが可能 であり、プレートのガラス材料の不規則的な結晶構造によって悪影響を与えられ ない。
しかしながら、多結晶シリコンのキャリア移動度は単結晶シリコンの1/8であ り、アモルファスシリコンの移動度はl/100である。マイクロ電子装置の動 作速度は、移動度に正比例する。多結晶およびアモルファスシリコンの低い移動 度は電極駆動トランジスタおよびそれによってそれらが含まれているディスプレ イの動作速度を制限し、それによってディスプレイの動作速度を制限する。これ らの装置は一般に通常のビデオ表示速度である60Hz以下で動作する。60H zの動作のためにポリシリコンで製造されたトランジスタの漏洩電流およびリフ レッシュ時間を適合するために、2つのトランジスタが十分に高いインピーダン スおよび低い電流を得るために直列に接続される。
発明の要約 本発明によると、二酸化シリコンエツチング停止層が単結晶シリコン半導体層の 内面に形成され、シリコン支持体ウェハはエツチング停止層に結合される。
半導体層の露出された外面は、はぼ4マイクロメートルに均一に薄くされる。垂 直な相互接続または貫通路は半導体層を通って形成され、マイクロ電子トランジ スタ駆動装置および蓄積キャパシタは各貫通路と接続して半導体層の外面に形成 される。基体は半導体層の外面に結合され、支持体ウエノ1は除去される。金属 背面電極は、各貫通路と接続して絶縁体層上に形成される。前面電極が表面に形 成された透明なプレートは、密閉された空間が液晶材料で満たされて前面および 背面電極間において限定されるように絶縁体層に接着される。
大規模集積駆動回路は、プレートの横方向の外側の層の周辺部分に形成され、貫 通路孔およびワイヤボンドによって外部的に接続される。
この単結晶シリコン層に形成された電極駆動トランジスタは、上記のような多結 晶およびアモルファスシリコンに形成された匹敵したトランジスタよりはるかに 高いキャリア移動度を有する。さらに高い移動度は1接合面積当りのさらに高い 電流を可能にし、トランジスタの寸法が減少され、解像度および充填係数(ディ スプレイの全面積に対する活動面積の比)を増加させることを可能にする。
本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明、および同 じ参照符号が同じ素子を示す添付図面から当業者に明らかになるであろう。
図面の簡単な説明 図1は、本発明を使用した液晶ディスプレイを示した簡単な断面図である。
図2は、ディスプレイの背面電極、電極駆動トランジスタおよびパスラインの構 造を示した図である。
図3は、ディスプレイの単位セルの等価回路を示した概略回路図である。
図4は、図3の単位セルの単一電極駆動トランジスタ装置の構造を示した図であ る。
図5は、図3の単位セルを拡大して示した簡単な断面図である。
図6乃至図11は、本発明によるディスプレイの製造方法を示した簡単な断面図 である。
発明の詳細な説明 図1乃至図5に示されているように、本発明を使用する液晶ディスプレイIOは 、背面または外面12!および前面または内面12.bを備えた基体12、およ び背面または内面141および前面または外面14bを備えた透明なガラス前面 プレート14を含む。ディスプレイIOは前面ブL/−ト14を通して観察され る。
透明な前面電極16は前面プレート14の内面141上に形成され、一方反射性 金属背面電極20を含む複数の単位セル18は、基体12の内面12bに隣接し て配置されている。基体12およびプレート14はそれらの間の予め定められた 間隔で一緒に挟まれ、液晶材料26で満たされた密閉された空間24を限定する ようにプレー[4の周辺エツジにおいて密閉される。
前面電極16およびセル18は、本発明の技術的範囲内において任意の所望の構 造に構成されることができる。図2に示されているような好ましい構造において 、セル18は方形グリッドアレイに配列され、能動マトリクス液晶ディスプレイ (AMLCD)を形成する。その代りとして、示されていないが、電極は選択的 に切替えられ、数字または文字を形成するセグメントとして、或は行および列で はなく、煉瓦壁が並べられているようなブリック等の別のパターンで配列された 方形プレートのアレイとして構成されることができる。
電極20は、電極20と電極16との間の電界が液晶材料26の局部的な配向を 2つのディスクリートな状態間で連続的に切替えさせるように、電圧範囲に個々 におよび選択的に切替えられる。複屈折性の液晶材料の場合、材料26が与えら れた電界に応答して明るくまたは暗く見えるように、1以上の偏光板(示されて いない)が材料26を通過した光を偏光するために設けられている。
本発明によると、単結晶(単一の結晶またはバルク)の半導体層28は、接着剤 22によって基体12の内面12bに接着された外面28aおよび前面または内 面28bを有する。半導体層28にとって好ましい材料はシリコンであるが、ヒ 化ガリウム、セレン化カドミウムまたはテルル化カドミウム等のその他の半導体 材料が本発明の技術的範囲内で使用されることができる。
半導体@28は、前面プレート14の横方向の外側に延在する周辺部分28cを 有する。二酸化シリコンまたは窒化シリコン等の絶縁体層30は、半導体層28 の内面28a上に形成される。
半導体層28および絶縁体層30は、最初に以下図6を参照して詳細に説明され るように結合されたシリコンウェハ構造の一部分として形成される。背面電極2 0は、絶縁体層30上に形成される。前面プレート14は、エポキシ樹脂等から 成る周辺シール32によって半導体F@28に接着され、それから間隔を隔てら れている。所望ならば、半導体層28とプレート14との間の所望の間隔に等し い直径を有する透明なマイクロボール(示されていない)等の付加的なスペーサ が液晶材料26中に分散されることができる。
空間24は半導体層28(その上に形成された絶縁体層30および電極20を備 えた)の内面28bと前面プレート+4 (さの上に形成された前面電極16を 備えた)の内面14sとの間に限定され、液晶材料24は電極16と20との間 に配置される。
図2に示されているように、単位セル18は方形マトリクス構造で構成される。
16個のセル1g (、その1つのセル18が図3乃至図5に示されている)は 、4×4マトリクスで構成されている。セル18の数は本発明の技術的範囲内で 限定されない。
実際のディスプレイは、例えば512 X512マトリクスで構成された262 .144個の単位セルを含む。
図2において観察されるようなディスプレイlOは、半導体層28の外面28晶 上に形成された4行の選択パスライン34および4列の選択パスライン36を含 む。ライン34および36は、示されているようにアルミニウムまたはその他の 適切な金属であるか、或はその代りとして半導体層28の材料中の多量にドープ された導電性のラインとして形成されてもよい。
外部の行駆動回路38は、行選択ライン34に選択信号を連続的に供給する。列 駆動回路40は、選択された行中の個々のセル18に対する偏光状態および対応 した光伝送特性を示す列選択ライン36に信号を供給する。この方法において、 行は順次に走査され、画素化されたグラフィックイメージを生成する。
単位セル18の等両回路が図3に示されている。各行選択ライン34は、マイク ロ電子薄膜MO3FET電極駆動装置トランジスタ42のゲートに接続され、− 万両列選択ライン36はトランジスタ42のソースに接続されている。トランジ スタ42のドレインは、各電極20に接続されている。
半導体層28および前面電極16は、接地または別の信号基準点に接続されてい る。トランジスタ42のドレインは、電極プレートを構成する電極16および2 0、並びに誘電体を構成する液晶材料26を含むキャパシタ43を通して接地に 接続されている。このディスモレ伺0が少なくとも60Hzのビデオ表示速度に おいて中間調で動作することを可能にする付加的な電荷蓄積部は、キャパシタ4 3と並列に接続されるトレンチキャlくンタ47によって提供される。
この電気的なレイアウトは本質的に良く知られており、文献(Lechnet氏 他による”LIQUID CIIYSTAL MATRIX DISPLAYS ’、Proceedings ol lbs IEEE 、Vol、59. N o、11 、 1971年11月。
1566乃至1579頁)およびB、D山氏他による米国特許第3.862゜3 60号明細書(’LIQtllD CRYSTAL DISPLAY SYST EM WITHINTEGRATED 5IGNAL 5TORAGE CIR CυITRY”、 1975年1月21日出願)に記載されている。
行選択信号はトランジスタ42をオンにし、このトランジスタはソースからドレ インに、それによって電極2oに列選択信号をゲートする。列選択信号は、電極 16および20にそれらの間に局部電界を生成させる表示されるべき中間調レベ ルに比例した可変値を示す。この電界は、それが列選択信号の値にしたがって伝 送された光に影響を与える対応した状態に液晶材料26を偏光する。
電極駆動トランジスタ42は、薄膜エンファンスメントMOSFETまたは別の タイプのトランジスタ装置として半導体層28の外面28a上に形成され、トレ ンチキャパシタ47および選択ライン34および36と一体のマイクロ電子構造 を構成する。
トランジスタ42の構造例は図4に示されており、イオン注入のような適切なプ ロセスによってNまたはP導電型にドープされたチャンネル42aを含んでいる 。
絶縁性ゲート酸化層42bは、チャンネル421上に付着されトランジスタ42 のゲートを構成する。タブ361は列選択ライン36からチャンネル42!の左 端(図4に示されるように)上に延在し、それと電気的に相互接続され、ソース を構成する。
タブ20aは電極20からチャンネル42Mの右端上に延在し、同様にして電気 的に相互接続されてドレインを構成する。
図5において最も良く示されているように、各トレンチキャパシタ47は半導体 層28の外面28!に形成されたトレンチ47aおよびトレンチ47!の壁を被 覆する例えば二酸化シリコンの絶縁体層47bを含む。ポリシリコン導電層47 cは絶縁体層47b上に形成され、トランジスタ42のドレインとオーミックに 接触するように横方向に延在する。図3に示されているように、導電層47eお よび半導体層28はトレンチキャパシタ47のプレートを構成し、一方絶縁体層 47bは誘電体を構成する。
垂直な相互接続または貫通路49は、トランジスタ42およびキャパシタ47を 電極20に接続するために半導体層28を通って延在する。貫通路49は、半導 体層28を通って形成された開口49!を含む。二酸化シリコン等の絶縁体層4 9bは、開口49Mの壁土に被覆される。別の開口49cは、F@49bの内側 で開口49Mと相互接続する絶縁体層30を通って形成される。
アルミニウム等の金属49dは絶縁体層49b上に形成され、開口49bを満た し、電極20とのオーミック接触を形成する。
金属49dはまた横方向に延在して、ポリシリコン導電層47cとオーミックに 接触する。このようにして、トランジスタ42のドレインは、トレンチキャパシ タ47の導電層47cおよび貫通路490金属49dを通って電極20に接続さ れ、トレンチキャパシタ47は電極20と並列に接続されている。
本発明によると、行駆動回路38および列駆動回路40は半導体If!1280 周辺部分28cにおいて外面28mのマイクロ電気回路として製造される。回路 38および40は同時に、トランジスタ42、トレンチキャパシタ47および貫 通路49と同じシリコン処理技術を使用して製造される。
再び図1を参照すると、絶縁された貫通路開口28dおよび28eは半導体層2 8の絶縁体層30および周辺部分28cを通って、半導体I@28の外面28a 上に形成された結合バッド46および48上に開いて形成される。結合バッド4 6および48は、明らかに示されてはいないが回路38および40にそれぞれ相 互接続される。
説明を簡単にするために2つの貫通路開口28dおよび28+並びに結合バッド 46および48だけが示されているが、実際の一適用では非常に多数の貫通路開 口および結合バッドが設けられている。結合バッド46および48への外部接続 は、延在してパッド46および48とオーミックに接続するワイヤボンド44お よび45またはその他の適切な導体によってそれぞれ行われる。
行および列駆動装置を本質的に含んでいることに加えて、駆動回路38および4 0はクロック、区分、管理およびその他の機能を実施する大規模集積マイクロ回 路であることが好ましい。これは、駆動装置トランジスタ42およびトレンチキ ャパシタ47を含むディスプレイlO用の実質的に全てのマイクロ電子回路が半 導体層28の外面28!に集積して製造されることを可能にする。
この単結晶シリコン半導体層28に形成された電極駆動装置トランジスタ42は 、従来技術のように多結晶およびアモルファスシリコンまたはガラスに形成され た匹敵するトランジスタよりはるかに高い移動度を有する。高い移動度は単位接 合面積当りのさらに高い電流を可能にし、トランジスタの寸法が減少され、解像 度を増加させ、充填係数(ディスプレイの全面積に対する活動面積の比)を増加 することを可能にする。
ディスプレイ10の製造方法は、図6乃至図11に示されている。図6において 、結合された構造50は単結晶シリコン半導体層28を含むものとして与えられ 、二酸化シリコン層30はその内面28b上に形成される。犠牲的な支持体ウェ ハ52は酸化層30に結合される。
半導体層28は、技術的に良く知られているように液晶の電気・光特性を最適化 するように選択された2乃至8マイクロメートルの厚さを有する。支持体ウェハ 52はシリコンから形成され、525マイクロメートルの厚さを有し、標準的な シリコン処理ステップにより半導体層28を支持するようにそれを十分に堅牢に することが好ましい。二酸化シリコン層30は典型的に1マイクロメートルの厚 さである。
構造50は、最初に支持体ウェハ52の厚さ程度の厚さを有するウェハの形態の 半導体層28を提供することによって製造される。半導体層28は酸化され、二 酸化シリコン層30を形成する。その後、ウェハは接着剤を介在し、或は接着剤 を介在させずにプレス加工され、外面28gはエツチングされるか、そうでなけ れば所望の厚さに半導体層28を薄くするように処理される。
単結晶シリコン半導体層28を薄くする好ましい方法は、外面28aが平坦にさ れ、半導体層28の厚さが高度に均一にされることを可能にするC、 Xa+o win氏による米国特許第4.668.366号明細書(”0PTICAL F IGυRING BY PLASMA ASSISTED CHEMIcAL  TRANSPORT AND ETCBING APPARATUS TIIE REFOR”、 1987年5月260)に記載されているようなプラズマ補助 化学エツチング(PAGE)である。本発明を実施するのに適した構造50は、 例えば信越半導体社(SEH)(東京1日本)から入手できる。半導体層28は 、PACE処理を使用して3.0乃至6.0、好ましくは4.0マイクロメート ルの厚さに平坦にされる。
図7のステップにおいて、貫通路開口28d 、 28eおよび491は半導体 層28を通して形成される。これは、半導体層28の外面28!をパターン化し 、通常のフォトリソグラフ処理を使用して貫通路開口をエツチングすることによ って達成される。
その後、外面28!は熱的に酸化され、絶縁体層49bにより開口491の壁を 被覆し、同様に貫通路開口28dおよび28eの壁を被覆する。その後、熱酸化 物はパターン化され、エツチングされて、トランジスタ42およびキャパシタ4 7の製造のhめに開口を形成する。
図8に示されているように、トランジスタ42および駆動回路38および40は 、例えばイオン注入およびアニールを使用して半導体層28の外面28aにおい て製造される。キャパシタ47用のトレンチ471はパターン化されてエツチン グされ、絶縁体層47bは通常のフォトリソグラフ技術を使用して成長され、パ ターン化される。
図9において、外面281はポリシリコンで被覆され、パターン化され、エツチ ングされ、トレンチキャパシタ47用のポリシリコン層47cを形成する。選択 ライン34および36、結合パッド46および48並びに貫通路49用の金属4 9dは、金属49dが開口49aを満たすように付着される。図9のステップは 、明示されていないが、トランジスタ42用の光遮蔽シールド等の付加的なマイ クロ電子装置または構造の形成を含む。
図10は、構造50が図9の方向から反転され、接着剤22を使用して構造12 に結合される状態を示す。
図1]において、支持体ウェハ52は絶縁体層30 (二酸化シリコンまたは別 の絶縁材料)が抵抗力があるエツチング剤を使用して除去される。二酸化シリコ ンの場合に好ましいエツチング剤は水酸化カリウム(K OH)であり、層3o はエツチング停止層として作用する。貫通路49の開口49cおよび貫通路開口 28dおよび28rの延在部は、絶縁体層3oを通して形成される。
電極20は、その材料が開口49cを満たし、貫通路49において金属49dと オーミックに接触するように付着、パターン化およびエツチングによって絶縁体 層3o上に形成される。ワイヤボンド44および45は、結合パッド46および 48にそれぞれ接続される。
前面電極16は前面プレート14の内面14!に付着され、プレート14は周辺 シール32によって絶縁層30.およびそれによって半導体層28の内面28b に接着される。空間24は液晶材料26で満たされ、図1に示されているように ディスプレイ1oを生成する。
本発明の示された実施例が図示され、説明されているが、当業者は本発明の技術 的範囲を逸脱することなく多数の変形および別の実施例を認識するであろう。し たがって、本発明は特に記載された実施例にのみ限定されるものではない。種々 の修正が考慮され、添付された請求の範囲により限定されるような本発明の技術 的範囲を逸脱することなく行われることができる。
FIG、 2゜ 平成 6年11月 日

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.基体と、 基体に接着される外面と、内面とを有する単結晶半導体層と、 前記半導体層上に形成された背面電極と、半導体層の前記外面上に形成され、背 面電極に動作的に接続されたマイクロ電子駆動装置と、 透明なプレートと、 このプレート上に形成された透明な前面電極と、密閉された空間がそれらの間で 限定されるように、基体にプレートを結合し、前面電極が前記空間に配置された 密閉および離隔手段と、 前記空間に設けられた液晶材料とを具備している反射型液晶ディスプレイ。
  2. 2.背面電極が半導体層の前記内面に形成され、ディスプレイがさらに駆動装置 に背面電極を接続するために半導体層を通って延在する垂直な相互接続手段を含 んでいる請求項1記載のディスプレイ。
  3. 3.さらに、半導体層の前記外面上に形成され、駆動装置および背面電極に動作 的に接続された蓄積キャパシタ手段を具備している請求項1記載のディスプレイ 。
  4. 4.キャパシタ手段は、背面電極と並列に接続されている請求項3記載のディス プレイ。
  5. 5.キャパシタ手段は、トレンチキャパシタを含んでいる請求項4記載のディス プレイ。
  6. 6.背面電極が半導体層の前記内面上に形成され、ディスプレイがさらに背面電 極への接続のために半導体層を通って延在する垂直な相互接続手段を含み、キャ パシタ手段が駆動装置と前記垂直な相互接続手段との問に接続されている請求項 3記載のディスプレイ。
  7. 7.キャパシタ手段は、トレンチキャパシタを含んでいる請求項6記載のディス プレイ。
  8. 8.半導体層は、ほぼ300乃至600オングストロームの厚さである請求項1 記載のディスプレイ。
  9. 9.半導体層はシリコンから形成されている請求項1記載のディスプレイ。
  10. 10.基体がプレートの横方向の外側に延在する周辺部分を含み、 半導体層が基体の前記周辺部分に接着された外面を有する周辺部分を含み、 ディスプレイがさらに駆動装置を制御するためのマイクロ電子回路手段を含み、 この回路手段が半導体層の前記周辺部分の前記外面上に形成されている請求項1 記載のディスプレイ。
  11. 11.さらに、前記回路手段との相互接続のために半導体層の前記周辺部分を通 って垂直に延在する相互接続手段を含んでいる請求項10記載のディスプレイ。
  12. 12.垂直な相互接続手段は、 半導体の前記周辺部分を通って形成された開口と、半導体層の前記周辺部分の前 記外面上に形成された結合パッド手段と、 前記開口を通って延在し、結合パッド手段とオーミック接続する導体手段とを具 備している請求項11記載のディスプレイ。
  13. 13.導体手段はワイヤボンドを含んでいる請求項12記載のディスプレイ。
  14. 14.(a)支持体と、 内面および外面を有し、前記内面が前記支持体に結合されている単結晶半導体層 とを含む材料を供給し、(b)半導体層を貫通して垂直な相互接続を形成し、( c)垂直な相互接続と動作的に接続している半導体層の前記外面上に駆動装置を 形成し、 (d)半導体層の前記外面を基体に接着し、(e)半導体層の前記内面から支持 体を除去し、(f)垂直な相互接続と動作的に接続している半導体層の前記内面 上に背面電極を形成するステップを含んでいる反射型液晶駆動装置の製造方法。
  15. 15.ステップ(a)は半導体層の前記内面上に形成されたエッチング停止層を さらに含むように材料を供給し、ステップ(e)はエッチング停止層が耐えるエ ッチング剤を使用してキャリアをエッチングする請求項14記載の方法。
  16. 16.ステップ(a)は、シリコンから形成されるキャリアを供給し、エッチン グ停止層は二酸化シリコンから形成される請求項15記載の方法。
  17. 17.ステップ(c)は、水酸化カリウムを使用してキャリアをエッチングする 請求項16記載の方法。
  18. 18.(g)透明なプレートの表面上に透明な前面電極を形成し、 (h)前面電極が基体に面し、密閉された空間が基体とプレートとの間で限定さ れるように基体にプレートを結合し、(i)液晶材料で前記密閉された空間を満 たすステップをさらに含んでいる請求項14記載の方法。
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