专利名称：有源矩阵显示器件及其制作的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括多晶硅薄膜晶体管的有源矩阵显示器件及其制作。
多晶硅(poly-Si)相对于非晶硅(a-Si)所具有的高载流子迁移率，使其成为一种引人注目的材料而用于诸如有源矩阵液晶显示器(AMLCD)及有源矩阵聚合物LED显示器(AMPLED)等大面积电子器件。通常来讲，例如用于薄膜晶体管(TFT)的多晶硅膜采用固相结晶(SPC)来制作。这涉及在绝缘衬底上沉积非晶硅膜，通过使其长时间暴露在高温下使非晶硅膜结晶，这个过程的温度通常超过600℃，时间可长达24小时。
作为备选的方法，US-A-5147826公开了一种在较低温度下使非晶硅膜结晶的方法，该方法包括例如在非晶硅膜上沉积薄的镍膜，并将该膜退火。在温度低于600℃下，金属催化晶体生长，并且还提供了比其他方式更快的晶体生长。例如，使用US-A-5147826方法的典型退火可能在550℃左右保持10小时。出于至少下述两个原因，这种方法代表着对于现有方法的改进第一，它允许使用低成本的非碱性玻璃衬底例如硼硅酸盐，该衬底通常会在600℃或更高温度下经历玻璃压缩和弯曲；第二，由于退火时间缩短，加工生长速率被提高，因此可能降低相关的加工成本。US-A-5147826的内容在此被引用作为参考。
采用如US-A-5147826所描述的，使用金属元素来增强结晶过程的方法制成的多晶硅材料，在下文中称为金属诱导结晶多晶硅或MIC多晶硅。
在已知的有源矩阵显示器件中，被显示的图像通过在器件衬底的“像素区域”上沿各排各列分布的像素阵列来产生。每个像素中提供一个或多个TFT以控制各个像素。在相同衬底上围绕像素区域的“驱动电路区域”中，提供包含TFT的集成驱动电路。定义待显示图像的信号被传送到驱动电路，后者依次把信号传送到形成图像的像素。正如US-A-5147826所描述的，驱动电路区域的TFT具有高的迁移率是需要的，而在像素区域更为重要的是，TFT具有足够小的漏电流，且跨越显示器的TFT的漏电流变化被最小化。US-A-5756364的内容在此引入作为参考。
US-A-5756364公开了可以通过使用激光照射提高MIC多晶硅的结晶度。其中记载了以这种方式制作的TFT具有相对高的大于100cm2/Vs迁移率，使得它们适用于有源矩阵显示器的驱动电路。然而，这种TFT具有晶体管之间互相差别很大的漏电流，使得它们不适合用于显示器的像素区域。该专利提出，仅在驱动电路区域形成MIC多晶硅，随后分别用不同的激光照射能量密度来照射驱动电路和像素区域，从而在像素区域形成多晶硅。驱动电路区域的TFT具有上述提到的合适的性能，然而像素区域产生的TFT具有相对较小的小于20cm2/Vs的迁移率，漏电流变化较小。为了限制MIC多晶硅的形成以驱动电路区域，在添加一种含有用于增强结晶过程的金属元素的溶液之前，在像素区域上形成二氧化硅掩膜。
本发明的目标之一是提供一种改进的有源矩阵显示器件以及制作该器件的工艺，该有源矩阵显示器件在器件的驱动电路和像素区域包含具有不同电学性能的多晶硅。
本发明提供了一种用于有源矩阵显示器件的有源板，该有源板包含衬底、像素区域以及相邻的驱动电路区域，这两个区域都包括MIC多晶硅，只有驱动电路区域的MIC多晶硅经历使用能量束的退火过程。
本发明还提供了一种制作用于矩阵显示器件的有源板的方法，该有源板具有一个像素区域和相邻的驱动电路区域，该方法包括下述步骤(a)在衬底上沉积非晶硅膜；(b)给像素和驱动电路区域添加金属元素，用于加速非晶硅的结晶；(c)加热衬底，使薄膜中的非晶硅结晶，以形成MIC多晶硅；以及，(d)用能量束照射驱动电路区域内的MIC多晶硅。
使用MIC技术制作的TFT受到它们处于“截止”状态下的相对较高漏电流的困扰，使其不适用于诸如AMLCD的像素区域等的应用。本申请的申请人已经确定，可以使用MIC多晶硅制作出在截止状态下漏电流足够低的TFT，使其可被用作矩阵显示器件的像素区域中的开关元件。
本申请人已经确定，某些工艺参数的结合可以制作具有惊人的优良工作特性的器件。申请人相信，24小时或更长的退火时间与多晶硅材料中平均镍浓度为1018～5×1019原子/cm3这些条件的结合是特别有益的。优选地，退火时间为36小时或更长。此外，多晶材料中的平均镍浓度优选范围为2.5×1018～5×1019原子/cm3。
而且，据认为，24小时或更长的退火时间与多晶硅材料中平均镍浓度为1018～5×1019原子/cm3这些条件的结合，并使用离子注入往非晶硅中注入镍，可以导致基本上改进的结果。36小时或更长退火时间和/或多晶材料中的镍浓度为2.5×1018～2.5×1019原子/cm3可在这个工艺中有利地加以应用。
先前，人们认为，MIC过程形成的多晶硅TFT中无法接受的高漏电流是由例如镍的催化剂离子的存在所致。然而，本申请的申请人已经发现漏电流的一个重要起因是MIC过程之后残余的未结晶的非晶硅区域。如果使用更长的退火时间，结晶就以两种方式发生，从而减小甚至除去这些非晶硅区域。在结晶的初期阶段，MIC是主导的。非晶硅薄膜通过一个NiSi2硅化物相的迁移被结晶成针状的晶粒。然而，当遇到其它晶界、其它Si针、或者非晶硅表面的顶部和底部时，NiSi2的沉淀就停止。因而，这一阶段结束，在针状的晶粒结构之间留下少量的非晶硅。如果继续退火，针状晶粒的厚度由于SPC而增加，从而减小了残余的非晶硅的体积。
如前所述，已经发现，更长的退火时间结合其它预先决定的参数提供了具有改进特性的多晶硅材料。使用更长的退火时间可以由AMLCD加工中、在衬底上(例如个人数字助理和移动电话)生产具有较高专用集成度的电路的较小显示衬底的趋势来弥补，这是由于对这些器件的高生产能力的要求不是很强烈。还可以在没有使用不实用的大且昂贵的炉子的情况下，每隔一段时间将多批较小的显示器进行退火处理，以提供所需要的衬底。
本申请人还发现，采用金属原子浓度范围1.3×1018～7.5×1019原子/cm3，可形成漏电性能可接受的、用于有源矩阵显示器件像素区域的多晶半导体TFT，器件的退火过程时间明显少于先前认为必须的时间。这样的TFT及其制作方法在共同未决的英国专利申请号No.0215566.1(PHGB 020109)的申请中被描述，其内容在这里被引用作为参考。尽管在550℃附近退火20小时获得所要求的性能，但现在已经意识到上述公开的金属浓度，允许温度为600℃或更低时，时间被降低到10小时或8小时或更少。这导致在制作过程中生产速率及效率的巨大增加。
优选地，多晶半导体材料中的金属原子平均浓度范围为1.9×1018～5×1018原子/cm3。更为优选地，金属原子的平均浓度为大约2.5×1018原子/cm3。
此外，已经发现，在MIC退火过程(通常称为场增强MIC或FEMIC)中，在衬底上施加电场可加速该过程，减少其时间。FEMIC的一个例子在Jin Jang等人的Nature，Vol.395 p481-483“Electric-field-enhanced crystallization of amorphous silicon”中被描述，其内容在这里被引用作为参考。
将会发现，在MIC过程中可使用镍以外的其它材料或者其它材料与镍一起使用。例如，可以使用由包含Ni，Cr，Co，Pd，Pt，Cu，Ag，Au，In，Sn，Pb，As及Sb的组中选择一个或多个元素。更为优选地，使用从Ni，Co及Pd的组中选择的一个或多个元素。
由于离子注入提供了剂量、均匀性及离子深度的精确控制，因此离子注入在MIC过程中被优选用来往非晶硅中掺杂金属。然而，可以采用其它方法来达此目的。例如，金属原子可以在溶液中掺到非晶硅中，典型的是旋涂法。其它方法包括溅射或者溶胶-凝胶法涂敷一层镍，及在非晶硅化学气相沉积过程中使用镍的前驱体。
由于本发明中既在像素区域又在驱动电路区域中形成MIC多晶硅，这样就避免了二氧化硅的沉积及构图以限制引入在MIC过程中所使用的金属元素的需要，正如US-A-5756364的方法中的情况。从而制作过程被简化，更节省成本。
此外，由于只有驱动电路区域的MIC多晶硅经历使用能量束的退火过程，从而显著减少这一步所需要的时间。
典型地，能量束将由激光产生，但应当理解的是可以使用其它类型的照射，例如红外照射。
正如US-A-5756364中所记录的，脉冲振荡激光可以被用于激光退火过程。在结晶过程中，使用短周期脉冲有助于将显示衬底的发热最小化。本发明人已经意识到，当使用脉冲振荡激光时，由激光所产生的能量脉冲强度变化可能大得足以导致MIC多晶硅质量的相当大的不均匀。如前所述，使得显示器件像素区域内TFT性能的变化最小化，对于避免被显示图像的劣化是尤其重要的。本发明提供的另外的优点在于，可以不在器件的由于使用脉冲激光而容易发生变化的区域内(诸如像素区域)使用激光退火处理，也可制成MIC多晶硅。这对于AMPLED的情形是有利的，其中像素中的多个TFT在控制流到各个PLED的电流量上具有类似作用。
器件的驱动电路区域可以既包含数字电路，又包含模拟电路。例如，可以提供数字处理电路和模数转换器。优选地，只有驱动电路区域的数字电路内的多晶硅材料才经历激光退火过程。这是因为在激光退火过程中，模拟电路可能更容易发生由于脉冲到脉冲变化所引起的组成TFT的性能的变化。
现在将通过实例并参考附图，对本发明的实施方案进行描述，其中
图1为根据本发明第一实施方案的有源矩阵显示器件的有源板的平面图；图2示出了沿图1中A-A线的截面侧视图；图3示出了根据本发明第二实施方案的一个有源矩阵显示器件的有源板的平面图；图4示出了包括本发明的有源板的有源矩阵器件的侧视图。
应该注意的是，这些图为示意性的，没有按比例绘制。
图1中的有源板2包括一个用于有源矩阵显示器的、通常由玻璃制成的衬底4。在其上表面上，定义了矩形的像素区域6，以及由构成像素区域的、由驱动像素的电路所形成的相邻外围驱动电路区域8。为清楚起见，连接到衬底的引线以及驱动和像素区域互连的引线，在图中被省略。沿像素区域两侧扩展的延伸外围驱动电路区域宽度w通常为5毫米量级。像素区域的对角线的长度d，可以从在手持器件中所用的较小显示器的大约60毫米，一直变化到用于台式电脑或液晶电视显示的大约430毫米或更大。因此可以看出，驱动电路区域8为像素区域和驱动电路区域的结合区域中的一小部分。根据本发明，由于只有驱动电路区域或其一部分需要经历激光退火过程，所以可以基本上降低这一步骤所需要的时间。
图1所示驱动电路区域8包括在最终显示器件中用于分别提供模拟电路和数字电路的区域8a和8b。在优选实施方案中，如前所述，只有数字电路区域8b内的材料经过激光退火处理。
现在将描述图1所示结构中，在衬底上形成多晶硅材料的方法。首先，使用诸如等离子体化学气相沉积(PECVD)方法，在衬底上沉积厚度约为200纳米的二氧化硅层。然后用PECVD法沉积厚度约40纳米的非晶硅薄膜。
然后在注入能量通常为20keV下往非晶硅层注入面密度约为1×1013原子/cm3的镍。高达30keV的能量已经被成功地用于这样厚度的层，以制作具有需要的漏电特性的TFT。可以看出，该剂量引起的40纳米厚的非晶硅层中的平均镍原子浓度为大约2.5×1018原子/cm3。
半导体材料通过优选在氮气氛围中，550℃下退火约8小时使其晶化。
接着，通过使用诸如发射矩形光束的KrF受激准分子激光器来照射驱动电路区域8内的MIC多晶硅薄膜。
图2示出了图1中沿A-A线的截面侧视图。它说明使用激光束10照射数字电路区域8b，而像素区域6和模拟电路区域8a没有被激光束照射。
优选地，激光束10在衬底表面的长度至少等于L形驱动电路区域较长肢(limb)的长度。由于只有驱动电路区域将被使用激光退火，因此在剩余区域上扫描射束之前，可以在L形驱动电路区域的其中一个肢上通过扫描射束来进行照射，然后，将衬底或激光束旋转90度。备选地，在照射驱动电路区域的一个肢之后，射束宽度可被减小，使得可以继续沿相同的方向，以更强更窄的射束更快地扫过剩余区域。
应当理解的是，通过使驱动电路位于更为紧凑的区域内，激光退火过程所需要的时间可以被进一步降低。这样可能只需要沿一个恒定宽度的方向进行一次扫描操作。例如，如图3所示，可以仅沿像素区域6的一个侧面提供驱动电路区域8。通过提供一个由驱动区域8开始，平行于列电极(column electrode)穿过像素区域6的附加电极组，且各个附加电极连接到一个各自的行电极(rowelectrode)，这样可以从显示器的一侧驱动行电极和列电极组。
由此而得的MIC多晶硅材料被构图，以定义驱动电路区域8和像素区域6内的TFT的半导体。然后按照已知的方式进行光刻、注入、沉积及刻蚀步骤，以形成单独的多晶硅TFT结构。
在制作TFT之后，优选执行等离子体氢化过程以改善其性能。本发明人认为，这对于采用本说明书内所描述的制作多晶硅材料薄膜而不产生或产生极少的非晶材料的方法所制作的材料特别有益。通常，这个过程在大约350℃下进行约1小时。
如图4所示侧视图的AMLCD，可以按照已知的方法，通过在完成的有源板2和无源板12之间夹入一个液晶材料层14而制成。
尽管本发明的实施方案在说明书中是结合硅材料来描述的，但依照本发明，显然可以使用化合物半导体薄膜(例如含锗的硅薄膜)。
在前面所描述的实例中，本发明是按AMLCD来实施的。应该理解的是，本发明还可以有利地用于其它诸如在相同衬底上包含开关矩阵和集成电路的AMPLED的有源矩阵显示器件。
通过阅读本发明公开内容，其它的变化和改变对于本领域的技术人员是明显的。这些变化和改变可能会涉及该技术领域内已知的等效表述及其它技术特征，这些等效表述及其它技术特征可以代替在此已经描述的技术特征或作为附加技术特征。
尽管权利要求构成了本申请的特定技术特征的组合，但应该理解的是，本发明公开内容的范围还包括在本说明书内明确或含蓄或广义上公开的任何新颖技术特征或任何新颖技术特征的组合，而无论它是否涉及前述权利要求的相同的发明，也无论它是否像本发明那样缓解了任一或者所有相同的技术难题。
本申请人因此提请注意的是，在进行本申请或由其派生的任何更多申请的过程中，可以根据这些特点和/或这些特点的组合构成新的权利要求。
权利要求
1.一种用于有源矩阵显示器件(16)的有源板(2)，有源板(2)包括衬底(4)、像素区域(6)和相邻的驱动电路区域(8)，两个区域都包括MIC多晶硅，只有驱动电路区域(8)内的MIC多晶硅经历使用能量束(10)的退火过程。
2.根据权利要求1的有源板(2)，其中驱动电路区域(8)包括数字电路区域(8b)和模拟电路区域(8a)，各个区域包括MIC多晶硅，只有数字电路区域的MIC多晶硅经历使用能量束(10)的退火过程。
3.根据权利要求1或2的有源板(2)，其中基本上所有驱动电路区域(8)的MIC多晶硅位于像素区域(6)的一个侧面。
4.根据任一前述权利要求的有源板(2)，其中MIC多晶硅包括浓度范围为1.3×1018到7.5×1018原子/cm3的镍。
5.根据权利要求4的有源板(2)，其中MIC多晶硅包括浓度大约2.5×1018原子/cm3的镍。
6.一种包括前述任一权利要求的有源板(2)的有源矩阵显示器件(16)。
7.一种制作用于矩阵显示器件(16)的有源板的方法，该有源板具有像素区域(6)及相邻的驱动电路区域(8)，该方法包含下述步骤(a)在衬底(4)上沉积非晶硅薄膜；(b)往像素区域(6)及驱动电路区域(8)添加用于加速非晶硅晶化的金属元素；(c)加热衬底(4)，使薄膜内的非晶硅结晶形成MIC多晶硅；以及(d)用能量束(10)照射驱动电路区域(8)内的MIC多晶硅。
8.根据权利要求7的方法，其中驱动电路区域包括数字电路区域和模拟电路区域，各个区域包括MIC多晶硅，在步骤(d)中只有在最终有源板(2)的数字电路区域(8b)中使用的MIC多晶硅才被能量束(10)照射。
9.根据权利要求7或8的方法，其中在步骤(b)中金属元素为镍，它按1.3×1018到7.5×1018原子/cm3的浓度范围被添加到非晶硅薄膜中。
10.根据权利要求9的方法，其中在步骤(b)中金属元素为镍，它按大约2.5×1018原子/cm3的浓度被添加到非晶硅薄膜中。
11.一种参照附图基本上如在此所描述的用于有源矩阵显示器件的有源板。
12.一种参照附图基本上如在此所描述的有源矩阵显示器件。
13.一种参照附图基本上如在此所描述的制作用于有源矩阵显示器件的有源板的方法。
全文摘要
一种用于有源矩阵显示器件(16)的有源板(2)，该有源板(2)包括衬底(4)，像素区域(6)和相邻的驱动电路区域(8)。两个区域都包括使用金属来增强结晶过程(MIC多晶硅)的方法制作的多晶硅材料，但是只有驱动电路区域(8)中的MIC多晶硅经历使用能量束(10)的照射过程。TFT使用MIC多晶硅来制作，其在截止状态下的漏电流足够低，可满足在矩阵显示器件的像素区域中作为开关元件。由于只有驱动电路区域(8)需要被照射，以提供具有所需要迁移率的多晶硅，所以可以显著降低照射所需要的时间。
文档编号G09F9/30GK1656602SQ03811497
公开日2005年8月17日 申请日期2003年5月15日 优先权日2002年5月22日
发明者P·J·范德扎亚格, S·Y·勇, N·D·杨 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司