矽基液晶器件及其製作方法
2023-05-27 16:23:01
專利名稱：矽基液晶器件及其製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，具體而言，本發明涉及一種矽基液晶器件及其製作方法。
背景技術：
近年來，電子顯示技術得到了迅速的發展，傳統技術的陰極射線管顯示器已逐漸被例如液晶顯示器(LCD)的新型顯示設備所取代。許多計算機終端以及小型的便攜數碼產品均依賴於液晶顯示器來輸出視頻、文本等內容。但遺憾的是，液晶面板的成品率較低，特別是大尺寸的液晶面板製作仍較為困難，生產成本較高。除了液晶顯示器，其他形式的顯示技術也得到了長足的發展，例如投影顯示設備。 這種投影顯示設備內置有液晶顯示模塊，其通過透鏡將液晶顯示模塊中的特定像素單元投影到較大的顯示屏上，進而顯示運動畫面、文本等內容。此外，還有一種稱為「數字光處理」(DLP)的顯示技術也得到了廣泛的應用。所述 DLP顯示技術又被稱為「微鏡」技術，其核心器件是一個包含有由幾十萬個微鏡組成的微鏡陣列，所述微鏡陣列以固定數目的行、列排列，例如800行、600列的微鏡陣列。所述微鏡陣列中的每個微鏡單元都連接有鉸鏈結構，以及對應的驅動器。在與所述鉸鏈結構連接的執行器的靜電驅動作用下，對應的微鏡以較高頻率進行傾斜運動。而所述微鏡的傾斜運動可以調節透過透鏡的光線，最終影響顯示屏上的光強變化。儘管DLP技術相當成功，但其仍存在成品率較低等諸多問題。與此同時，另一種新型液晶顯示技術矽基液晶(LCOS，Liquid Cristal onSilicon)器件則由於生產成本及工藝的優勢，得到了較為廣泛的研究。所述矽基液晶器件是一種反射式液晶顯示裝置，其採用與常規集成電路相同的矽基襯底來製作液晶面板， 並利用類似CMOS工藝的技術製作具體的器件結構，這一方面降低了生產成本，另一方面還可以實現顯示器件與驅動電路的集成，從而實現高密度及高解析度的顯示面板。現有技術的矽基液晶顯示晶片像素單元由開關電晶體、存儲電容器及反射電極構成。其中，所述存儲電容器的兩個極板分別由半導體襯底中的有源區及半導體襯底上的多晶矽層構成，而反射電極由沉積在所述存儲電容器上的金屬薄膜構成。這種存儲電容器與反射電極分開製作的結構工藝複雜。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種矽基液晶器件及其製作方法，所述矽基液晶器件中，存儲電容器上極板同時作為反射電極使用，這有效簡化了器件結構，降低了製作工藝的複雜度。為解決上述問題，本發明提供了一種矽基液晶器件，包括半導體襯底，自下而上依次位於所述半導體襯底上的開關電晶體、存儲電容器及反射控制結構；所述開關電晶體採用MOS電晶體結構，包括柵極、源極及漏極；所述存儲電容器包括第一極板與第二極板，所述反射控制結構包括反射電極、透明電極以及所述反射電極與透明電極之間的液晶薄膜；其中所述第二極板與反射電極為同一極板，並與所述開關電晶體的源極電連接，所述第二極板的上表面為反射鏡面結構。相應的，本發明還提供了一種矽基液晶器件的製作方法，包括提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成開關電晶體，所述開關電晶體包括柵極、柵極兩側半導體襯底中的源極與漏極；在所述開關電晶體上形成存儲電容器，所述存儲電容器自下而上依次包括第一極板、第三介電層以及第二極板，所述第二極板與源極相連，所述第二極板上表面為反射鏡面結構；在所述第二極板上依次形成液晶薄膜與透明電極。與現有技術相比，本發明具有以下優點1.存儲電容器與反射電極共用同一金屬極板，有效簡化了器件結構；2.採用互連結構的製作工藝製作所述矽基液晶器件的存儲電容器及反射電極，利於與現有工藝集成。
圖1是本發明的矽基液晶器件一個實施例的剖面結構示意圖。圖2是本發明的矽基液晶器件一個實施例的等效電路示意圖。圖3是本發明的矽基液晶器件製作方法一個實施例的流程圖。圖4至圖13是本發明的矽基液晶器件製作方法一個實施例的剖面結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。正如背景技術部分所述，現有技術矽基液晶器件的存儲電容器採用多晶矽層作為導電極板，所述多晶矽層的反射率較低，不能作為反射電極使用，必須在所述多晶矽層上繼續澱積金屬材料，以所述金屬材料作為反射外界光線的反射電極使用。這種存儲電容器與反射電極分開製作的結構複雜，不利於工藝集成。本發明的發明人發現，對於所述存儲電容器，如果採用反射率較高的金屬材料而非多晶矽層作為該存儲電容器的上極板，那麼，這種反射率較高的金屬極板可以同時作為反射電極使用，這大大簡化了器件結構。而對於所述金屬極板，可以採用類似集成電路互連結構製作工藝中金屬層的製作方法來進行加工，從而實現了與現有工藝的兼容，降低了製作成本。圖1是本發明的矽基液晶器件一個實施例的剖面結構示意圖。如圖1所示，本發明的矽基液晶器件一個實施例包括半導體襯底101，半導體襯底101上的柵極102，所述柵極102兩側半導體襯底101中的漏極103及源極105，所述漏極103、源極105以及柵極102共同構成了開關電晶體，所述開關電晶體用於控制矽基液晶器件的數據輸入狀態。所述半導體襯底101及柵極102上形成有第一介電層111，所述第一介電層111上形成有位線108，所述位線108位於漏極103上方，通過第一介電層111中的第一插塞107 與漏極103相連。所述位線108作為矽基液晶器件的數據輸入端，用於接收數據信號。所述第一介電層111及位線108上依次形成有第二介電層113、第一極板117、第三介電層114以及第二極板115。其中，所述第一極板117、第二極板115以及其間的第三介電層114共同構成了存儲電容器，所述第一極板117與公共電壓端相連，例如所述公共電壓端為地電位(圖中未示出)。在具體實施例中，所述存儲電容器的電容值為50飛法至90 飛法(Fempto Farads)。所述第一介電層111、第二介電層113以及第三介電層114中形成有第二插塞 109，所述第二插塞109的一端與源極105相連，另一端與第二極板115的下表面相連，同時，所述第二插塞109與第一極板117通過第三介電層114隔離。所述第二插塞109將開關電晶體接收的數據信號提供給存儲電容器。所述第二極板115的上表面為光滑的反射鏡面116，所述反射鏡面116不包含有化學機械拋光工藝形成的下陷及劃痕，具備較高的反射率，用於反射入射光線。在具體實施例中，所述第二極板115採用金屬材料構成，包括鋁、銀等，厚度為2000埃至4000埃。在所述第二極板115上還依次形成有液晶薄膜119、透明電極121以及玻璃極板 123。所述透明電極121、液晶薄膜119與第二極板115共同構成了反射控制結構，其中，所述透明電極121與公共電壓端相連。所述玻璃極板123用於封閉並保護所述矽基液晶器件的內部結構。圖2是本發明的矽基液晶器件一個實施例的等效電路示意圖。如圖2所示，所述矽基液晶器件的等效電路包括開關電晶體201、存儲電容器203 以及反射控制結構205。其中，所述開關電晶體201的柵極與字線207相連，所述字線207的信號用於確定開關電晶體201的開關狀態；所述開關電晶體201的漏極與位線209相連，用於接收數據信號。所述存儲電容器203包括第一極板117及第二極板115，以及其間的第三介電層 (圖中未示出)。所述反射控制結構205包括第二極板115、透明電極121，以及第二極板 115與透明電極121之間的液晶薄膜(圖中未示出)；其中，所述存儲電容器203與反射控制結構205共用第二極板115。所述第一極板117連接於公共電壓端，所述第二極板115與開關電晶體201的源極相連。本發明的矽基液晶器件的工作原理為所述開關電晶體201被字線207選擇開啟後，接收由位線209提供的數據信號，所述數據信號通過開關電晶體201對存儲電容器203進行充電。所述存儲電容器203中存儲的電荷在第二極板115上形成一定的電壓，並在第二極板115與透明電極121之間建立感應電場。在所述第二極板115與透明電極121之間的感應電場作用下，液晶薄膜中的液晶分子取向發生變化，不同的感應電場值對應於不同的分子取向，從而使得反射光線的強度不同，這就實現了被顯示的圖像的亮度變化。
圖3是本發明的矽基液晶器件製作方法一個實施例的流程圖。如圖3所示，本發明的矽基液晶器件製作方法一個實施例的流程包括執行步驟S302，提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有開關電晶體，所述開關電晶體包含有柵極、所述柵極兩側半導體襯底中的源極與漏極；執行步驟S304，在所述半導體襯底及開關電晶體上形成第一介電層；執行步驟S306，在所述第一介電層中分別形成第一插塞與第二插塞，所述第一插塞位於漏極上方，所述第二插塞位於源極上方；執行步驟S308，在所述第一插塞上形成位線；執行步驟S310，在所述第一介電層及位線上依次形成第二介電層與第一金屬層；執行步驟S312，圖形化所述第一金屬層，移除第二插塞上方的第一金屬層，形成第一開口 ；執行步驟S314，在所述第一金屬層上形成第三介電層，圖形化所述第三介電層及
第二介電層，形成第二開口，露出第二插塞；執行步驟S316，在所述第三介電層及第二插塞上形成第二金屬層，所述第二金屬層填充滿所述第二開口；執行步驟S318，對所述第二金屬層進行化學機械拋光，在所述第二金屬層的上表面形成反射鏡面；執行步驟S320，在所述第二金屬層上依次形成液晶薄膜、透明電極及玻璃極板。以下結合附圖對本發明的矽基液晶器件的製作方法進行詳細的說明。圖4至圖13是本發明的矽基液晶器件製作方法一個實施例的剖面結構示意圖。如圖4所示，提供半導體襯底401，所述半導體襯底401中形成有開關電晶體，所述開關電晶體包含有柵極402、所述柵極402兩側半導體襯底401中的漏極403與源極405。 在具體實施例中，所述柵極402為摻雜的多晶矽。如圖5所示，在所述半導體襯底401及開關電晶體上形成第一介電層411。在具體實施例中，所述第一介電層411為磷矽玻璃(PSG)或硼磷矽玻璃(BPSG)等介電材料。所述第一介電層411將半導體襯底401完全覆蓋，這使得後續形成在所述開關電晶體上的存儲電容器及反射電極可以具備較大的器件面積，以便提高晶片的集成度。依據具體實施例的不同，在形成所述第一介電層411之後，可以對所述半導體襯底401進行刻蝕或回流工藝，所述刻蝕及回流工藝可以使得第一介電層411表面平坦化，以便後續器件結構的製作。如圖6所示，圖形化所述第一介電層411，移除漏極403以及源極405上的第一介電層411，形成介電層開口。在所述介電層開口中填滿導電材料，之後平坦化所述導電材料， 在所述第一介電層411中分別形成第一插塞407與第二插塞409，所述第一插塞407位於漏極403上方，所述第二插塞409位於源極405上方。在具體實施例中，所述第一插塞407與第二插塞409可以由鎢、鋁或摻雜的多晶矽等導電材料構成。如圖7所示，在所述第一插塞407上形成位線408。在具體實施例中，所述位線408 採用摻雜的多晶矽等導電材料構成。如圖8所示，在所述第一介電層411及位線408上形成第二介電層413以及第一金屬層412。在具體實施例中，所述第二介電層413為磷矽玻璃(PSG)或硼磷矽玻璃(BPSG)
7等介電材料，所述第一金屬層412為鎢、鋁等金屬材料。依據具體實施例的不同，所述第一金屬層412及第二介電層413之間還形成有擴散阻擋層，所述擴散阻擋層可以採用氮化鈦、 氮化鈦/鈦複合層等結構，以防止第一金屬層412中的金屬原子擴散到第二介電層413中， 影響第二介電層413的絕緣性能。如圖9所示，圖形化所述第一金屬層，移除第二插塞409上方的第一金屬層，形成第一開口 418，所述第一開口 418與第二插塞409對準。所述剩餘的第一金屬層形成第一極板 417。如圖10所示，在所述第一極板417上形成第三介電層414，圖形化所述第三介電層 414及第二介電層413，形成第二開口 420，露出第二插塞409的上表面。在具體實施例中， 所述第三介電層414可以為氧化鋁、氧化矽、氮化矽或高k介電材料(例如氧化鉭)。如圖11所示，在所述第三介電層414及第二插塞409上形成第二金屬層422，所述第二金屬層422填充滿所述第二開口。所述第二開口中的第二金屬層422與第二插塞409 相連，共同連接源極405與第二介電層414上方的第二金屬層422。依據具體實施例的不同，在形成所述第二金屬層422之前，可以在所述第二開口 420中形成擴散阻擋層，所述擴散阻擋層可以防止第二金屬層422的金屬材料擴散到第三介電層414中。如圖12所示，對所述第二金屬層進行化學機械拋光，形成第二極板415。所述第二極板415的上表面構成反射鏡面416。在具體實施例中，經過所述化學機械拋光處理後，所述第二極板414的厚度為2000埃至4000埃。如圖13所示，在所述第二極板415上依次形成液晶薄膜419、透明電極421及玻璃極板423。在具體實施例中，所述透明電極421由氧化銦或氧化錫的透明導電薄膜構成。所述矽基存儲器件在工作時，液晶薄膜419的透射率隨著所述透明電極421與第二極板415間電場強度的不同而發生變化，因此，所述透明電極421與第二極板415基於電勢差的不同，對液晶薄膜419的投射率進行控制，從而構成了反射控制結構。而所述玻璃極板423用於封閉並保護所述矽基液晶器件的內部結構。基於上述工藝步驟實施後，本發明的矽基存儲器件製作形成。本發明的矽基存儲器件的製作工藝與動態隨機存儲器的製作工藝有很多相似的工藝步驟，因此，特別適合將所述矽基存儲器件與動態隨機存儲器集成於同一晶片中。本發明的矽基存儲器件的存儲電容器與反射電極共用同一金屬極板，有效簡化了器件結構；同時，所述矽基存儲器件的製作方法採用互連結構製作工藝形成存儲電容器及反射電極，利於與現有工藝集成，特別可以將矽基存儲器件與動態隨機存儲器集成在同一晶片上，這大大降低了生產成本。應該理解，此處的例子和實施例僅是示例性的，本領域技術人員可以在不背離本申請和所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍的情況下，做出各種修改和更正。
權利要求
1.一種矽基液晶器件，其特徵在於，包括半導體襯底，自下而上依次位於所述半導體襯底上的開關電晶體、存儲電容器及反射控制結構；所述開關電晶體採用MOS電晶體結構， 包括柵極、源極及漏極；所述存儲電容器包括第一極板與第二極板，所述反射控制結構包括反射電極、透明電極以及所述反射電極與透明電極之間的液晶薄膜；其中所述第二極板與反射電極為同一極板，並與所述開關電晶體的源極電連接，所述第二極板的上表面為反射鏡面結構。
2.如權利要求1所述的矽基液晶器件，其特徵在於，還包括所述開關電晶體和存儲電容器間的第一介電層及所述第一介電層上的位線，所述位線位於開關電晶體的漏極上方， 並通過第一介電層中的第一插塞與所述漏極相連。
3.如權利要求1所述的矽基液晶器件，其特徵在於，還包括所述開關電晶體和存儲電容器間的第一介電層、所述第一介電層上的第二介電層及第二介電層上的第三介電層，所述第一介電層中具有第二插塞，所述第二插塞的一端與源極相連，另一端與第二極板的下表面相連，通過所述第二插塞，第二極板與開關電晶體的源極電連接。
4.如權利要求1所述的矽基液晶器件，其特徵在於，所述反射控制結構上形成有玻璃極板。
5.如權利要求1或3所述的矽基液晶器件，其特徵在於，所述第二極板為鋁或銀。
6.如權利要求1或3所述的矽基液晶器件，其特徵在於，所述第二極板的厚度為2000埃至4000埃。
7.如權利要求1所述的矽基液晶器件，其特徵在於，所述存儲電容器的電容值為50飛法至90飛法。
8.—種矽基液晶器件的製作方法，其特徵在於，包括提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成開關電晶體，所述開關電晶體包括柵極、柵極兩側半導體襯底中的源極與漏極；在所述開關電晶體上形成存儲電容器，所述存儲電容器自下而上依次包括第一極板、 第三介電層以及第二極板，所述第二極板與源極相連，所述第二極板上表面為反射鏡面結構；在所述第二極板上依次形成液晶薄膜與透明電極。
9.如權利要求8所述的矽基液晶器件的製作方法，其特徵在於，還包括在所述開關電晶體上形成存儲電容器之前，在所述開關電晶體上形成與漏極相連的位線。
10.如權利要求9所述的矽基液晶器件的製作方法，其特徵在於，在所述開關電晶體上形成與漏極相連的位線包括在所述開關電晶體上形成第一介電層；圖形化所述第一介電層，移除漏極上方的第一介電層，形成介電層開口，露出漏極表在所述第一介電層上形成導電材料；平坦化所述導電材料，露出第一介電層表面，所述第一介電層開口中的導電材料形成第一插塞；在所述第一插塞上形成位線。
11.如權利要求8所述的矽基液晶器件的製作方法，其特徵在於，在所述開關電晶體上形成存儲電容器包括在所述開關電晶體上形成第一介電層；在所述第一介電層中形成第二插塞，所述第二插塞位於源極上方；在所述第一介電層上依次形成第二介電層與第一金屬層；圖形化所述第一金屬層，移除第二插塞上方的第一金屬層，形成第一開口，所述第一開口與第二插塞對準，所述第一金屬層用於形成第一極板；在所述第一金屬層上形成第三介電層，圖形化所述第三介電層及第二介電層，形成貫穿第三介電層及第二介電層的第二開口，露出所述第二插塞；在所述第三介電層上形成第二金屬層，所述第二金屬層填充滿第二介電層及第三介電層的第二開口；對所述第二金屬層進行化學機械拋光，所述第二金屬層的上表面形成反射鏡面，所述第二金屬層用於形成第二極板。
12.如權利要求11所述的矽基液晶器件的製作方法，其特徵在於，所述第二金屬層採用鋁或銀。
13.如權利要求11所述的矽基液晶器件的製作方法，其特徵在於，所述第二金屬層經過化學機械拋光後，厚度為2000埃至4000埃。
14.如權利要求11所屬的矽基液晶器件的製作方法，其特徵在於，所述第一金屬層採用鎢或鋁。
15.如權利要求8所述的矽基液晶器件的製作方法，其特徵在於，還包括在所述第二極板上依次形成液晶薄膜與透明電極之後，在所述透明電極上形成玻璃極板。
16.如權利要求8所述的矽基液晶器件的製作方法，其特徵在於，所述透明電極採用氧化銦或氧化錫。
全文摘要
一種矽基液晶器件及其製作方法。所述矽基液晶器件包括半導體襯底，自下而上依次位於半導體襯底上的開關電晶體、存儲電容器及反射控制結構；所述開關電晶體採用MOS電晶體結構，包括柵極、源極及漏極；所述存儲電容器包括第一極板與第二極板，所述反射控制結構包括反射電極、透明電極以及所述反射電極與透明電極之間的液晶薄膜；其中所述第二極板與反射電極為同一極板，與開關電晶體的源極電連接，所述第二極板的上表面為反射鏡面結構。本發明的矽基液晶器件的存儲電容器上極板同作為反射電極使用，這有效簡化了器件結構，降低了工藝複雜度。
文檔編號G02F1/1368GK102221761SQ20101015483
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月16日 優先權日2010年4月16日
發明者李衛民, 黃河 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司