TWI291718B - Active matrix display devices and the manufacture thereof - Google Patents

Description

1291718 玖、發明說明： 技術領域 田曰矽薄膜電晶體之主動矩陣顯示 本發明係關於包含有多 裝置及其製造方法。 先前技術 多晶石夕⑽y-s獅於非晶外_S1)而言具有較高之載予 曰曰 綱，_使其成為大面積電子裝置(諸如主動矩陣液 晶觸不益(AMLCD)和主冑去巨陣聚合物&晶顯示器 (AMPLED))中吸引人之材料。按慣例’已藉由固相結 (SPC)來製備poly__，例如，可用於薄膜電晶體(tf 丁） 此包括在-絕緣基板上沈積— a.SlM，以及藉由將其曝露於 高溫下較長時間（典型為超過咖。c溫度下長達24小時）而使 a-Si月吴結晶。 作為曰代’ US-A_5147826中揭示一使^以膜結晶之較低 度方法，其包括步騾有，例如在該心以膜上沈積一鎳薄膜 ，亚使孩退火。該金屬可在低於溫度6001時催化晶體生 長，並且返可獲得比不使用該金屬時更快之晶體生長。例 如，採用US_A-5 147826中方法之一典型退火可於55(rc下1〇 小時7〇成。相比先前方法，此法至少有兩個理由說明其有 所汉良.第一，其可使用低成本之非驗玻璃基板（諸如硼矽 fe〇 ’琢等破璃基板通常在溫度6〇0^或更高時會產生破璃 壓縮和餐曲；第二，由於退火時間縮短，其可提高生產率 ’並從而減少相關生產成本。本文中以引用方式併入 US-A-5 147826之内容。 85452 1291718 多晶矽材料在形成過程中，要採用一金屬元素來增強社 晶過程，如Us-A_5147826所述，該多晶碎在此後稱:金i 奋乃導結晶poly-Si或MIC p〇ly-Si 〇 在已知 < 王動矩陣顯示裝置中，所要顯示之影像係由一 像素陣列所產生，該像素陣列在該裝置基板之"像素區域，， 中以多行和多列之形式分佈。在每個像素中提供有一或多 個TFT來控制各個像素。在同—基板中，環繞該像素區域之 ’’驅動電路區域，，中設置有包括TFT之積體驅動電路。用於定 義所要顯示之影像的信號被饋送到驅動電路，驅動電路依 順序將信號送往像素以產生影像。如在US-A-5756364中所 述，希望該驅動電路區域之TFT具有較高之遷移率，然而在 該像素區域，該TFT具有較小之漏電流，並且在整個顯示器 中該TFT漏電流之變化被最小化，此點更為重要。本文中以 引用方式併入US-A_5756364之内容。 US-A-5756364中揭示可藉由用雷射光照射來改良Mic p〇ly-Si之結晶度。其中陳述由此方法所形成之TFT具有超 k 10 0 c m /V s相對較尚之遷移率，此使其適用於一主動矩陣 顯示之驅動電路。但是此等TFT據稱具有較大漏電流，其在 電晶體之間變化很大，此使得它們不適合用於顯示器之像 素區域。建議只在該驅動電路區域形成MIC p〇ly-Sl，隨後 分別用不同雷射能量密度之雷射光照射該驅動電路和像素 區域’此將在4像素區域形成p〇ly_Sl。在該驅動電路區域 I孩TFT具有上面所提到之合適屬性，然後在該像素區域所 產生之泫TFT具有小於2〇 cm2/vs相對小之遷移率，但其漏 85452 1291718 電流變化小。為限定在驅動電路區域形成咖⑽…，在 添加含有金屬元素（其用來增強結晶過程）溶液之前，在該像 素區域上要形成二氧化碎光罩。 發明内容 本發明之-項目標㉟供—種改良之主動矩陣顯示裝置 ，該裝置之驅動電路和像素區域中包含有不同電特性之 poly-Si，並且提供一種製造此種裝置之方法。 本發明提供-種適用於主動矩陣顯示裝置的主動板極， 孩王動板極包括-基板、—像素區域和—相鄰之驅動電路 區域，該等兩個區域都包括有MICpQly_Si，但只有在該麟 動電路區域之MIC p〇ly-Sl受過—採用能量射束實現之一退 火過程。 本發明進一步提供一種製造用於主動顯示裝置之主動板 極之方法’該主動板極具有一像素區域和一相鄰驅動電路 區域，該方法包括以下步驟： (a) 在一基板上沈積一非晶硬膜； (b) 將一金屬元素添加到該像素和驅動電路區域以加速 非晶石夕之結晶； (C)加熱該基板，以使膜中之非晶矽結晶，而形成MIC poly-Si ;以及 (d)用一能量射束輻照位於驅動電路區域之MIC poly_Si。 使用MIC技術生產的TFT受限於其”關斷，，狀態下具有相 對較高之泄漏電流的問題，因而不適合用於諸如AMLCD2 像素區域之應用。本申請人已經確定可以MIC p〇ly_Sl為材 85452 1291718 料來製造該TFT，其在關斷狀態τ具有足夠低之泄漏電流， 以使匕們可用作矩Ρ車顯示裝置之像素區域之開關元件。 本申叫人已經確定，某些過程參數之組合會使裝置產生 :外好疋操作特性。咸信以24小時或更長之退火時間結合 多晶矽材料中之平均鎳濃度為1〇18到5 X 1019 atoms/cm3特 別有利。該退火時間為36小時或更長較佳。而i，在該多 晶材料中之平均鎳濃度較佳範圍為2.5 X 10u到2.5 x 1〇m atoms/cm3。 此外’考慮以24小時或更長之退火時間結合多晶石夕材料 中之平均钕/辰度為1〇18到5 x 1〇19 at〇ms/cm3，並且採用離子 佈植在該“1中添加鎳，將產生實質上改良之結果。在此過 秋中知用36小時或更長之退火時間及/或該多晶材料中之 鎳濃度為範圍2.5X1018到2.5x1019 at〇ms/cm3也很有利。 在荊面已經出，在由MIC過程所形成之p〇iy_si TFT中 /、不可取之車父向泄漏電流係由於觸媒離子（例如鎳）存在而 產生。但疋’本申請人已經發現泄漏電流產生之一明顯原 Ώ係來自於在MIC過程後所剩餘之未結晶a-Sl區。如果採用 更長 < 退火時間，以兩種方式進行結晶，以至於減少或甚 土去除該等a-Si區。在結晶初始階段，mic係主要過程。藉 由轉向一NiSh矽化物階段，該^以膜被結晶為針形顆粒。 但是，當到達其他顆粒邊界、其他針形矽或該a_Sl+面之上 下部時’該NiSi2沈澱物會停止。從而，此階段結束，只在 針形顆粒結構之間留下少量a-Sl。如果繼續退火，可藉由 spc來增加該針形顆粒之厚度，從而減少a-Si之剩餘量。 85452 1291718 如上所述，已經發現，更县+ Q火時間與其他預先確定 之參數相結合可為P〇ly_Si材料裎视&、

竹扼供改艮之特性。在AMLCD 製造中，趨向於生產更小之顯千I4 ‘肩不基板，並在該基板上設置 有更高級之特殊化積體電路（伽1 / 兒谷（、例如在個人數位助理和行動 電話中），此趨勢可補償更長之退女 k人時間，因為此等裝置之 高產量需求不甚大。而且在退火過程中，彳間隔地對匹量 之較小顯示器退火，以提供基板之所需供應量，而不需用 到不實際之大而昂貴之炫爐。 本申請人返發現金屬原子濃度範圍13 χ 1〇18到7 5 X 1〇18 atomsW可使多晶半導體TFT具有可用於主動矩陣顯示裝 置之像素區域之可接受泄漏屬性，且其退火過程持續時間 _著小於原以為之必要時間。此等TFT及其製造方法在申請 中心英國專利申請第〇215566.1號（吾人之ref pHGB 020 109)中有描述，其内容以引用方式將併入本文中。雖然 採用退火時間20小時在溫度550。(：下可得到所需要屬性，還 已經認識到，上面所揭示之該金屬濃度可使此時間減少到 1 〇小時或者甚至8小時或更少（在溫度6 〇 〇下或者更低）。此 將導致在生產過程中實質上增加生產量和效率。 多晶半導體材料中金屬原子之平均濃度在1.9 X ίο18 atoms/cm到5 X 1 〇18 atoms/cm3範圍内較佳。金屬原子之平 均/辰度為約2 · 5 X 1018 atoms/cm〕更佳。 另外’已經發現，在該MIC退火過程中對基板施加一電 場(通常稱為場增強之MIC或FEMIC)可加速該過程，減少其 持續時間。FEMIC 之一示例在"Electric-field-enhanced 85452 -10 - 1291718 crystallization of amorphous silicon，，（by Jln jang et &1’!^1：111^，\^〇1.395，口481-483)文中描述，其内容以引用方式 併入本文中。 可理解在MIC過程中其他金屬可替代或結合鎳使用。例 如，可採用選自由下列元素所組成之群組中之一或多個元 素：Ni、Cr、Co、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Pb、As 及sb。更佳地，可採用選自群組Nl、c〇&Pd中的一或多個 元素。 在MIC過程中較佳可·使用離子佈植為心81添加金屬，因為 其可精確控制劑量、均勻性及離子深度。而且，可針對此 目的採用其他方法。例如，該金屬原子可以一溶液，典型 地藉由一旋轉塗佈過程塗佈於該a-Sl。其他方法包括在該 a-S;i CVD過程中濺鍍或溶膠_凝膠（sohgei)塗佈一層鎳，並 使用一鎳前驅物。 、在本發明中，由於MlCp〇ly_Si在像素區域和驅動電路區 域二者中形成，所以此可避免需要沈積一二氧化矽光罩以 及對其形成圖案，從而限制在MiC過程中引入金屬元素， 此有如US-A-5756364中方法之情形。從而可簡化該製造過 程並產生更多之成本績效。 進步，因為只有驅動電路區域中之]vnC p〇ly_Si受到一 採用一能量射束之退火過程，所 i入i狂听以可賴耆縮短此步驟所需 時間。 . 典型地’可藉由雷射產生該能量射束，但可理解也可採 用其他類型無照，諸如紅外輕照等。 85452 -II - 1291718 如在US-A-5756364中所提到，該雷射退火過程可採用脈 衝振盈雷射。採用短期間脈衝可有助於在結晶過程中使顯 不基板足雙熱最少。本發明人已經認識到，當採用脈衝振 見辑射時’由雷射所產生能量脈衝之強度變化足以導致 MIC P〇ly-Sl質量出現顯著之非均勻性。如上所述，為避免 頭π衫像降級，要求使顯示裝置之像素區域中該TFT之特性 變化最小，此尤為重要。本發明提供另一優點係MIC p〇ly_Si 之形成可不需要雷射退火處理（指在該裝置中之易受到採 用脈衝雷射而造成變化之區域，諸如該像素區域）。此在 AMPLED情形中很有利，其中該位於像素中之丁？丁在控制饋 送到每個PLED之電流量過程中具有一類比功能。 該裝置之該驅動電路區域可同時包含數位和類比電路。 例如，可同時提供數位處理電路和類比到數位轉換器。較 佳地，/、有k於該驅動電路區域之數位電路中之多晶矽材 料受到過一雷射退火處理。此因為該類比電路更容易受到 組件TFT特性變化之影響，該變化來自雷射退火處理時脈衝 之間之變化。 實施方式 現將以示例方法描述本發明之具體實施例，並參照所 原理圖。 應注意附圖為概略圖，並未按比例繪製。 圖1中之主動板極2包括一用於一主動矩陣顯示器之基 4,其依例由玻璃製成。在其上表面上界定一矩形像素= 6以及一鄰近之周邊驅動電路區域8，該周邊驅動電路區知 85452 -12 - I291718 2料驅動組成該像素區域之像素的電路所組成，其。 區:晰起見’目中名略連接到該基板以及該驅動和該像素 2 <間相連 < 引線。細長之周邊驅動電路區域係沿著像 έ域兩邊延伸，其寬度W典型約為5 _。像素區域對角 、'·泉長度d可變化自⑼随（料手持裝置之較小顯示器）到約 4: mm或更大(用於桌上型UC_TV顯示器)。目此可看出 驅動％路區域8為該像素和驅動電路區域總和之一小部 刀根據本發明，由於只有該驅動電路區域或其一部分需 要文到-雷射退火處理，所以可得到性縮短此步驟所 需要之時間。 在圖1中所顯示之該驅動電路區域包括區8a和區8b，在其 成品顯示裝置中’在18a和區8b處分別提供類比電路和數 位電路。在一較佳具體實施例中，只有數位電路區8b受到 一雷射退火處理，如前面所述。 現在描述在圖1顯示之該結構中之一基板上形成p〇ly_Si 之一種方法。首先，在該基板上沈積一厚度約為2〇〇 ^^之 一氧化矽層，例如可採用電漿加強化學氣體沈積（PECVd) 。然後藉由PEC VD沈積一非晶矽膜，其厚度約為4〇 nm。 然後在一佈植能量典型為20 keV下將一面積密度約為1 X10 atoms/cm之鎳植入心以層。在此厚度層中已經成功 使用咼達30 keV之能量，以產生具有如需要之泄漏特性之 TFT。因此可明白，在該40 nm厚度a_Sl層中，產生自此劑 量之錄原子?辰度約為2.5xl〇i8 atoms/cni0。 藉由退火使該半導體材料結晶，較佳為在从2氣體中於55〇 85452 -13 - 1291718 C下經過約8小時之退火過程。 然後例如可採用一KrF激生分子雷射(其發射—矩形射束) 輻照該驅動電路區域8中之該MIC P〇ly-Sl。 圖2頌π沿圖1中A_A線之剖面圖。其顯示採用一雷射射束 照數位電路區⑽’但該像素區域6和類比電路區^不 受到射束輻照。 在該基板表面之該雷射射束1〇之長度較佳至少與該L形 狀驅動電路區域之較長分支長度等長。由於只對該驅動電 路區域採用雷射退火輕照可如下進行，先用射束掃描該L ^驅^電路區域分支之—1後在射束掃描該區域其餘 4刀心則，將孩基板或雷射射束旋轉9〇度。或者，在輻照 過：驅動電路區域分支之-後，減少該射束寬度，從：: 更烈、更笮之射束繼續在同—方向上更快掃描該 1 餘部分。 ” 應可理解，可藉由將該驅動電路設置於一更密集區域而 進一步縮短該雷射退火過程所用時間。只需要在—個方向 上以不變之寬度進行單-掃描操作。例如，如圖3所示，只 沿該像素區域6之一邊設置該驅動電路區域8。藉由提供一 附加電極组（其自該驅動區域8伟置’穿越該像素區域6 ^ 該等列電極平行，且每個附加電接連接到—各自之行電杯) ’行和列電減二者都可從該顯示器之—邊以該方式被驅 動。 以在該驅動電路 。然後可以習知 然後將產生之MIC poly-Si材料圖案化， 和像素區域8、6中界定該TFT之半導體主#f 85452 -14 - 1291718 之方式進行微影蝕刻、佈植、沈積和蝕刻等處理步驟以形 成單個poly-Si TFT結構。 在製造該等TFT之後較佳可進行―電衆氫化過程以改良 其性能。纟發明人相信其對於此處描述方法（其導致很少非 晶材料或沒有非晶材料存在)所製造之材料特別有利。典型 地，此過程在約35(TC下進行約丨小時。 可使用已知万式來形成圖4中㈣面圖所示之八紙⑶K， 即精由在一疋整〈王動板極2和被動板極12之間夾入一層 液晶材料14。 · 雖然本文中參照矽材料來說明本發明之具體眚施，很明 顯可按本發明使用化合物半導體膜（例如包含有錯之石夕膜）。 在w述之該實施例中，本發明體現為―胤⑶。 應理解本發明也可有利地運料其他主動 (諸如AMPLED)中，在該顯示裝置 〜取且 關矩陣和積體電路。 α i反上包括有開 本發明說明’熟習此項技術者將明白其 =改。此等變化和修改中包括本領物 充。 所作私述特徵作替代使用或加以補 雖然在此中請書中每丨今Υ & θ . ^ 了申請專利範圍以包括多個特作 徵之— = 她 概括中揭示該等特徵及組:其:^ 請專利範圍條款中申明士 n g "疋《與*丽在任何令 〜同—發明相關，亦不管其是否如 85452 • 15 - 1291718 本發明那樣解決了任何或所有 、 4 乂听百相同技術問題。 本申請人據此說明，在眚 i隹半南、主# /、本申請或從其中作出之任何 進一步申請期間，新的申 .τ明寻利乾圍可闡明此等特徵和/或 此寺特徵之組合。 圖式之簡單說明 圖1顯示根據本發明之第—夏 示斯荽士、 A随男犯例（一王動矩陣顧 π衣置中王動板極之平面圖； 平… 圖2顯示圖1中沿Α-Α線之剖面圖； 圖3顯示根據本發明之第 示裝置中主動板打、； 、眩貝她例心一王動矩陣顯 丁王勒板極炙平面圖；及 圖4顯示體現本發 、 罢、， 括一王動板極之一主動铝咕# 置 < 侧面圖。 勒矩陣裝 式代表符 號說明 2 主動板極 4 基板 6 像素區域 8a 數位電路區 8b 類比電路區 10 能量射束 12 被動板極 14 液晶顯示材料 16 AMLCD(主動矩陣液晶顯 85452 -16 -

Claims (1)

1291718 拾、申請專利範圍： 1 一種用於一主動矩陣顯示裝置（16)之主動板極（2)，該主 動板極（2)包括一基板（4)、一像素區域（6)以及一相鄰驅 動電路區域（8)，該等兩個區域都包括MIC p〇iy_Si，只 有位於驅動電路區域（8)中之MIC p〇ly-Si受過一採用一 能量射束（10)之退火處理。 2.如申請專利範圍第1項之主動板極（2)，其中該驅動電路 區或（8)中包括一數“電路區（a)和一類比電路區（8a) ’一者都包含MIC· poly-Si，只有位於數位電路區中之 MIC p〇ly-Si會受到一採用一能量射束（1〇)之退火處理。 r如申請專利範圍第i項或第2項之主動板極（2)，其中該 驅動電路區域（8)之幾乎所有MIC poly-Si都位於該像素 區域（6)之一侧。 4. 如申請專利範圍第！項或第2項之主動板極（2)，其中該 MIC poly-Sl中包含濃度範圍為1 3 X 1〇18到7 5 X 1〇18 atoms/cm3之錄。 5. 如申請專利範圍第4項之主動板極（2)，其中該MIC poly Si 中，包含;^度為 2.5xi〇18at〇ms/cm。之錄。 6. 種包括如申睛專利範圍第1項或第2項之主動板極（2) 的主動矩陣顯示裝置（16)。 7. 一種用於製造適用於一矩陣顯示裝置（1 6)之一主動板 極（2)的方法，該主動板極具有一像素區域（6)和一相鄰 驅動電路區域（8 )，該方法包括以下步驟： (a)在一基板（4)上沈積一非晶矽膜； 1291718 ㈨為該像素和驅動電路區域(6、8)添 以加速非晶矽之結晶； 里屬兀素， (C)加熱該基板⑷，以使膜中 0日曰，以形成 MIC poly-Sl ;以及 (d)用一能量射束（1〇) MIC p〇ly-Si 〇 輻照位於驅動電路區域（8)中 之 8· 9. 如申請專利範圍第7項之方法’ 動電路區域(8) 中包括—數位電路區和—類比電路區，二者都包本MIC poiy-Si，且在步驟⑷中只有該成型板極⑺之該^位電 路區（8b)巾使用的遞pQly_Sl會受職量射束（I。)声卜 如申請專利範圍第7項或第8項之方法，其中步驟:b;中 之該金屬元素為鎳，其以濃度範圍5xi〇is atoms/cm3被添加到該非晶矽膜中。 10.如申請專利範圍第9項之方法，其中在步驟（b)中該金屬 元素為I，其以濃度約2.5 X 1〇18 at〇ms/cm3被添加到兮 非晶碎膜中。 85452