專利名稱：藍寶石硅上的超高分辨率液晶顯示器的制作方法
發(fā)明的背景液晶顯示器已廣泛應用于包括便攜式(膝上)計算機、手表、攝錄一體機、大屏幕電視等商業(yè)應用。用作空間光調制器的液晶光閥可用于投影系統及光計算應用。現有技術中固有的局限是由于必須在不適于作高質量電子材料的透明玻璃或石英基板上制造顯示器。在體硅上制造顯示器，盡管具有高晶體質量，但由于基板不透明不必要地將顯示器限定為反射模式，無法應用于透射應用。集成利用薄膜晶體管(TFT)的驅動電路與液晶顯示器的能力提高了可靠性，允許該技術應用于輕重的便攜式應用。然而，到目前為止，顯示器驅動電路的集成基本上局限在利用淀積于玻璃或石英基板上的非晶(α-Si)或多晶(p-Si)硅的薄膜晶體管技術。例如硅層與基板間的晶格和熱失配等固有特性和用于α-Si和p-Si技術的低溫淀積技術會造成硅層具有很差的電荷載流子遷移率和結晶缺陷。與體硅相比，這些局限直接導致了很差的電子器件性能和局限。
對于集成顯示系統來說，特別重要的一點是希望超高分辨率顯示器和光閥應用具有較高的電路密度，以及顯示驅動電路與芯片上有關信號處理電路的單片集成。與常規(guī)的超大規(guī)模集成(VLSI)處理相比，α-Si和p-Si材料的低特征(電和結晶學)質量造成了很低的制造成品率。要解決這個質量較差的非晶或多晶材料固有的問題，需要在每個像素中使用冗余電路元件，以確保α-Si和p-Si的充分功能顯示。這種冗余需要圖像單元(像素)尺寸相應地增大，因而妨礙了顯示器和光閥變?yōu)槌叻直媛实哪芰?。附加的電路元件還會減小孔徑比，即允許透射光的像素區(qū)比例，因而降低了顯示器或光閥的亮度。
另外，低載流子遷移率、低速度、低成品率的α-Si和p-Si材料與VLSI設計和制造技術不兼容，而VLSI設計和制造技術在其它情況下容易在芯片上集成視頻驅動器、數字邏輯和其它計算機電路，可以為設計者提供更強的功能、更高的可靠性和改進的性能?，F有技術試圖利用新的結晶硅工藝在顯示器上實現驅動電路，克服與α-Si和p-Si有關的材料問題。P.M.Zavracky等人的題為“LiquidCrystal Display Having Essentially Single Crystal Transistors Pixelsand Driving Circuits”的美國專利5206749教導了一種方法，其中電子器件制造在不透明的再結晶硅層上。這種絕緣材料上的硅是利用所謂的隔離硅外延(ISE)工藝制備的。然后，將顯示電路剝離并轉移到透明基板上。World Scientific(New Jersey)1990年第1卷，第448-451頁的Liquid CrystalApplication and Uses的編輯B.Bahadur回顧了用于投影顯示應用的有源矩陣顯示器的技術狀態(tài)。有源矩陣顯示器采用一個或多個非線性電路元件，例如TFT或二極管，開關每個像素中的液晶電容器。關于這些應用討論的材料中包括藍寶石硅(SOS)。作者在第450頁記載了已認識到的SOS局限，“盡管SOS器件具有驅動電流和速率等方面的優(yōu)異性能，但它們具有對于有源矩陣顯示應用來說太高的漏電流。”第451頁的表16.3和

圖16.9進一步證明了這些局限，示出了SOS TFT器件的過大漏電流。過大的漏電造成了液晶電容器上電壓的下降，在采用向列液晶的情況下，會導致取向的改變和灰度改變。已證明SOS的這些已知和已認識到的局限已是所屬領域眾所周知的，顯然，所屬領域的技術人員不會將SOS應用于采用向列液晶的有源矩陣顯示器，不會引起顯示器中照明度的不良變化。
所以根據本發(fā)明的思想，已認識到所屬領域一直需要一種單片集成有源矩陣顯示器與其有關驅動和圖像處理電路的電可尋址超高分辨率向列液晶顯示器或光閥系統，及制造電可尋址超高分辨率液晶顯示器的設備和方法，所說電可尋址超高分辨率液晶顯示器可以包括形成于允許VLSI制造技術的超薄藍寶石硅結構(UTSOS)上的向列或鐵電液晶電容器，具有透明基板，采用高性能、低漏電電路元件(MOSFET)，允許整個顯示器或光閥系統單片制造。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種制造在藍寶石硅結構上單片集成液晶陣列顯示器與控制電路的方法，包括以下步驟a)在藍寶石基板上形成外延硅層，從而形成藍寶石硅結構；b)離子注入外延硅層；c)退火藍寶石硅結構；d)氧化外延硅層，由部分外延硅層形成二氧化硅層，留下減薄的外延硅層；e)去掉所說二氧化硅層，暴露減薄的外延硅層；f)用減薄的外延硅層制造像素陣列，其中每個像素包括一個液晶電容器；g)由減薄的外延硅層制造工作上耦合成調節(jié)各像素的集成電路。減薄的外延硅支持在藍寶石硅結構上制造用于控制像素工作的器件質量電路。可利用本發(fā)明制造的液晶電容器可以是鐵電液晶電容器和向列液晶電容器。
本發(fā)明還提供一種包括藍寶石硅結構的液晶顯示器。藍寶石硅結構包括外延硅層，氧化該外延硅層可以由部分外延硅層形成二氧化硅層。從未被氧化物消耗的外延硅層上去掉二氧化硅層，從而留下減薄的外延硅層。本發(fā)明還包括形成于減薄的藍寶石硅結構上的液晶電容器陣列和工作上耦合成調節(jié)液晶電容器的集成電路。所說集成電路由減薄的外延硅層形成。減薄的外延硅層是可以在藍寶石硅結構上制造器件質量電路的重要特征。
從以下包括權利要求書和各附圖的介紹中可以更清楚本發(fā)明的其它優(yōu)點。
附圖簡介圖1示意性示出了與有關電路單片集成于改進的UTSOS晶片上的向列液晶顯示器。
圖2示出了單個圖像單元(像素)的電示圖。
圖3是單個像素的布局圖。
圖4示意性示出了構成顯示器的多個圖像單元。
圖5A-5H示意性示出了向列液晶顯示器及其相關電路的集成制造工藝。
圖6示出了單個像素的另一布局圖。
圖7示意性示出了與相關電路單片集成于改進的UTSOS晶片上的鐵電液晶顯示器。
圖8示出了單個圖像單元(像素)的電示圖。
圖9是單個像素的布局圖。
圖10示意性示出了構成顯示構成顯示器的多個圖像單元。
圖11A-11H示意性示出了鐵電液晶顯示器及其相關電路的集成制造工藝，圖11H等比例示意性示出了所制造的典型顯示器。
圖12A和12B分別示出了用于鐵電液晶的非手性和手性摻雜材料的例子。
圖13示出了改進的UTSOS晶片上的1000個像素×1000個像素有源矩陣鐵電液晶顯示器的等效電路。
圖14示出了鐵電液晶顯示器的每個像素中的晶體管元件的測量和模擬數據。
圖15示出了鐵電液晶像素電路的電壓瞬態(tài)變化。
優(yōu)選實施例參見圖1，本發(fā)明要求與有關驅動電路和圖像處理電子電路單片集成于改進的超薄藍寶石硅(UTSOS)晶片11上的向列液晶顯示器的顯示系統10及制造該集成結構的方法。以下介紹將指出與現有技術相比本發(fā)明的突出特點和其優(yōu)點。首先是基本構件圖像單元(像素)的改進，然后是整個集成結構的改進，它們可以單獨和結合在起顯示出本發(fā)明的優(yōu)點。因此，本發(fā)明提供的協同作用的組合對于現有技術來說是非顯而易見的和具有顯著進步的。從說明書和附圖中可以更清楚這里所述的本發(fā)明優(yōu)于現有技術的突出優(yōu)點。這里所公開和所要求的創(chuàng)造性工藝的一個優(yōu)點是能夠在較薄的硅層(超薄藍寶石硅或UTSOS)上制造器件和電路。電子器件和電路可按完全耗盡模式工作，不需要本體改進性能和設計。這里所公開和要求的發(fā)明的較薄結晶硅層對于投影應用來說也非常重要，是由于較薄的硅吸收很少光，器件的光誘生漏電流低。另外，這里所公開和要求的發(fā)明的超薄硅層可以確保比類似尺寸的體硅或ISE硅層降低的載流子壽命和減小的光誘生漏電。另外，根據這里所公開和所要求的發(fā)明的藍寶石的熱傳導性遠高于現有技術預見的玻璃、石英或環(huán)氧，因此，這里所公開和所要求的發(fā)明飽和區(qū)的電流不會下降，沒有稱作自熱的現象。本發(fā)明提供一種液晶陣列顯示器，利用鐵電液晶(FLC)避免了SOS器件中固有的漏電問題。由于驅動這些雙穩(wěn)態(tài)FLC材料的電路結構，SOS電路中沒有嚴格的低漏電需要。本發(fā)明的另一實施例改進了SOS電路元件的器件性能和像素結構，所以由于避免了使用雙穩(wěn)態(tài)FLC的要求，常規(guī)的向列液晶可用于高密度顯示的集成。
圖1示意性示出了具有與有關電路14和16單片集成于改進的UTSOS晶片上的俯視向列液晶顯示器12的顯示系統10。顯示器或光閥系統10中的顯示區(qū)12具有圖像單元(像素)陣列，用于顯示或投影圖像。在優(yōu)選實施例中，介紹了1000個像素×1000個像素的背光顯示器或投影光閥，然而，可以也制造超過HDTV的超高分辨率顯示器(例如EWS)。在顯示區(qū)的外圍，與像素陣列電連接的是顯示驅動電路14，用于給像素的顯示行和列提供合適的電壓，以便尋址各像素進行圖像顯示。這種位置和互連允許顯示器或光閥的充分電尋址和提高了可靠性和性能的單片集成。
顯示驅動電路14采用互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術，并利用這些的教導制造于改進的UTSOS晶片上。根據手邊工作的需要，還可以在顯示器的外圍區(qū)集成附加的VLSI信號處理、緩沖、數據壓縮電路16等。還提供用于從芯片(晶片)外接點17將數據(圖像)信號傳輸到單片集成晶片的裝置，例如合適的引線、連接器和波導18等，從而完成顯示器或光閥系統。如果需要還可以實施無限通信。無限通信包括任何形成的信息電磁輸入或輸出，包括但不限于射頻(RF)、微波和光數據聯系。
圖2示出了單個圖像單元或像素20的電路圖。本發(fā)明中，像素包括一個非線性電路元件22，這種情況下是MOSFET，和一個向列液晶電容器24。金屬列線26和多晶硅化物行線28適當地連接成偏置MOSFET，以改變電容器中向列液晶上的電壓，從而得到希望的灰度。
實際上，由于現有技術的，不采用一個非線性元件(TFT、MOSFET或二極管等)，需要具有冗余電路以提供滿意的成品率。改進的UTSOS材料提供一種單晶硅材料，利用其可以制造高可靠的MOSFET，避免對冗余電路的需要。所以與現有技術相比每個像素單元的實際尺寸極大減小，因而顯著提高了顯示密度和亮度。另外，可以在UTSOS硅層上制造小非線性電路元件(MOSFET)，由于改進的單晶結構，所以可以得到與較大TFT相同的輸出電流特性，因而可以提高像素的可測量性和孔徑比。
另外。現有技術還已證明由于高漏電，藍寶石硅(SOS)上的光閥或顯示應用不能采用向列液晶。需要對器件結構和器件設計進行改進，以便可以使向列液晶與UTSOS技術一起使用。根據本發(fā)明的思想，為了阻止來自每個像素的MOSFET的漏電，以便在向列液晶電容器處幾乎不或不損失電壓和相應的灰度(或顏色)，對器件的改進涉及采用厚柵氧化層、設計為利用單或雙輕摻雜漏(LDD和DLDD)的漏、摻雜的邊緣、無邊界器件或器件隔離的硅局部氧化(LOCOS)的組合。較厚的氧化層可以禁止驅動MOSFET中電荷漏電的潛在路徑。氧化層厚度增大到大于250埃還可用于希望的漏電減小。采用LDD或DLDD可以通過減少漏處的電場使撞擊電離最少。這也可以用于希望的漏電減小。摻雜的邊緣和LOCOS隔離可以防止來自器件邊緣外圍的漏電。或者，可以引進無邊界器件，將漏電減小到令人滿意的程度。令人滿意的程度限定為漏電流低于1pA/μm。例如，在柵寬為1微米的MOSFET時，對于令人滿足的性能來說，必須具有等于或低于1pA的漏電流。根據這里公開的工藝在UTSOS上制造的柵寬為1微米的MOSFET，可以滿足這些要求。
圖3詳細示出了根據本發(fā)明的單個像素200的布局。示出的電容器結構240的總面積小于53平方微米，而MOSFET 220覆蓋少于70平方微米的面積。2微米寬的多晶硅化物柵線280電連接MOSFET的柵結構226，以便根據需要導通或截止晶體管。2微米寬的金屬數據線260電連接MOSFET的源222，而MOSFET的漏224電連接向列液晶電容器結構240。用兩個微米的接觸孔230將這些結構電連接在一起。向列液晶電容器結構240含有向列液晶材料(圖中未示出)，所說向列液晶材料響應于加在隨后形成于結構的薄層間的電容結構上的電壓可變地轉換。
一般說，整個像素200的大小形成為12微米乘12微米，具有37％的孔徑經。例示的尺寸可以是尺寸A和B等于12.0微米，尺寸C、D和E等于2.0微米，尺寸F和G等于3.6微米，尺寸H等于8.8微米，尺寸I等于5.8微米，尺寸J等于5.2微米，尺寸K和L等于0.6微米。這種實用的簡化結構的優(yōu)點在于對于手邊工作來說結構的容易測量性。表Ⅱ示出了改變像素尺寸對孔徑比的影響，這是選擇或使顯示亮度和分辨率最大所需要的。對于投影顯示應用來說，希望孔徑比大于0.70，以便提高投影圖像的亮度。利用所公開的技術容易實現這種大孔徑比，表現出優(yōu)于透射顯器示或光閥的現有技術的主要優(yōu)點。
表Ⅲ示出了Takafuji等人在1993 SID International SymposiumDigest of Technical Papers第24卷，第383-386頁(1993)中的題為“A 1.9 in.1.5Mpixel Driver Fully-Integrated Poly-Si TFT-LCD forHDTV Projection”的文章中，和Ohshima等人在1993 SIDInternational Symposium Digest of Technical Papers第24卷，第387-390頁(1993)中的題為“Fully-Color LCD’s with CompletelyIntegrated Drivers Utilizing Low-Temperature Poly-Si TFT”的論文中報道的利用現有多晶硅TFT技術的典型顯示器的孔徑比和像素尺寸。由于允許采用較小像素MOSFET的UTSOS器件的較高驅動電流緣故，UTSOS具有相當高的孔徑比。
圖4示意性示出了構成顯示器(或光閥)120的多個圖像單元。在該實施例中，一百萬個像素排列成1000×1000陣列122，行驅動電路124和列驅動電路126與陣列的各像素電連接。行和列驅動電路功能上與現有技術的類似，只是高速移位寄存器可以利用改進的UTSOS材料制造，以便將數據快速鎖定到顯示器或光閥上。這要求利用更高性能的UTSOS器件，以便消除來自用于控制向列液晶材料的像素MOSFET的漏電。高速UTSOS器件可用于像素陣列的快速刷新，以防止尺寸調節(jié)了的顯示器的灰度(顏色)損失。
高性能UTSOS電子電路、低漏電UTSOS MOSFET和向列液晶的適當結合所產生的協同作用優(yōu)點包括時間多路復用(timemultiplex)液晶電容器的開/關狀態(tài)。結果，除利用中間電壓的標準灰度外，可以在標準“開/白”或“關/黑”狀態(tài)間產生明顯的“灰”或中間照明度。高速工作的單片集成的高能性UTSOS電路可以提供比用TFT或甚至用于單色顯示應用的體硅技術獲得的更寬的灰度范圍。
利用高性能的UTSOS電路提供的另一突出特點是利用本發(fā)明提供的高速時間多復用系統的多色顯示器所提供的改進。在某些應用中，三個(或更多)相鄰像素可以功能上耦合，以便利用紅、綠和藍色染料或濾色器產生彩色圖像。利用高性能的UTSOS電路的主要突出優(yōu)點在于能夠通過單個像素時間多路復用彩色信號。這可以通過例如旋轉合適的濾色器插在白光源間的色輪，或通過開關用于這里所介紹的帶有相關電路的單片集成的顯示器或光閥即圖1中的顯示系統10的照明的彩色激光源，加一系列紅、綠和藍光(根據原色的照明度標準)完成。
時間多路復用的顯示器/光閥與合適定時和相位的三色光源的適當結合，消除了在顯示器/光閥上安裝濾色器的需要，因而降低了制造成本，提高了亮度。本發(fā)明還將顯示多色圖像需要的像素數減少(至少)三倍。由于改進的UTSOS材料提供的優(yōu)異像素布局實現的尺寸減小，可以實現顯示器或光閥的基本尺寸減小和簡化。累積的優(yōu)點是能夠制造超高分辨率顯示器和光閥，并能提高顯示器或光閥的有效陣列面積。
應注意，利用UTSOS和這里所公開的教導可以實現對現有技術的主要改進。由于吸收入射光的截面小，所以超薄硅層耐光誘發(fā)的漏電。與現有技術比較，小截面產生了少光生電荷載流子。該特點允許用比現有技術更亮的光源照明。該特點及其附加的優(yōu)點可應用于透射和反射模式顯示器/光閥。或許會忽視的突出優(yōu)點在于對所照明光的不敏感性允許較大孔徑比設計，如果需要可以去掉保護光(掩蔽)層。超薄單晶硅層的厚度可以為100nm或更薄。
圖5A-5H示意性示出了用于向列液晶顯示器或光閥及其有關電路的集成制造工藝。利用UTSOS制造超高分辨率顯示器或光閥系統的一般方法允許顯示器及所有有關電子電路同時單片制造，如圖1所示。
為清楚和展示的目的，只示出最簡單的圖像單元或像素，包括一個非線性電路元件、一個低漏電MOSFET和一個向列液晶電容器。在以下詳細介紹各工藝步驟時，可以利用適當設計的光刻掩模，構成這樣的多個像素，并將它們與驅動和圖像處理電路互連。
起始材料是晶片形式的藍寶石(Al2O3)基板30，基板上可以有器件質量硅薄層40，見圖5A。得到這樣晶片的一種方法是通過熱分解硅烷和隨后的離子注入及固相再生長技術，外延淀積硅。該方法利用將28Si原子離子注入(劑量為1014cm-2，能量為185keV)到硅-藍寶石界面的近界面區(qū)，同時晶片的溫度保持在-20℃?？梢噪x子注入質量約為28Si的質量的任何離子，同時基本上不改變其余的工藝參數。通過適當地改變注入參數，也可以使用質量明顯不同的物質，例如錫(Sn)、鍺(Ge)或碳(C)離子或配合物。然后適當地去掉多余的硅。在550℃放置約30分鐘，并用1小時時間從550℃直線升高到900℃后，在氮氣中，在900℃下熱退火硅1小時。然后，在1000℃氧化硅，消耗部分硅層。然后腐蝕氧化物，留下厚度減小的硅層?？梢灾貜脱趸透g工藝，在藍寶石上得到厚度小于100nm的硅層(標稱值為30-100nm)，即超薄單晶器件質量硅。該起始材料構成優(yōu)于現有技術的光、機械、電和熱方面優(yōu)點的基礎。具體說，源于利用藍寶石上的硅的厚小于100nm的硅膜而不是如現有技術所教導的厚膜(大于100nm)制造顯示器的突出特點是對吸收性(即提高的亮度)、耐熱性和寄生光激發(fā)載流子等方面的改進。
接著，在薄膜硅層上，在每個像素中制造一個非線性電路元件，MOSFET。在優(yōu)選實施例中，像素MOSFET的寬度形成為實現希望的低漏電，以便利用向列液晶得到令人滿意的灰度。同時，利用合適設計的光刻掩模，制造多個MOSFET和相關電路元件，構成相關電路。采用作為MOSFET的常規(guī)自對準薄膜晶體管制造工藝的改進的一系列制造步驟。所說一系列步驟包括構圖薄膜硅層的第一部分(利用光刻和腐蝕技術)，通過在升高的溫度下將晶片暴露于氧氣氛生長柵氧化層，利用化學汽相淀積(CVD)淀積多晶硅(即多晶硅)，淀積期間現場摻雜多晶硅，利用高溫摻雜劑從所淀積的玻璃注入摻雜劑離子或擴散，構圖多晶硅(利用與上述所用類似的光刻和腐蝕技術)，通過離子注入和在升高的溫度下退火，選擇性摻雜MOSFET的源和漏區(qū)，淀積并構圖氧化層，形成側壁氧化層，于是形成圖5B所示的自對準結構。摻雜的多晶硅是構成柵極的導電材料。該MOSFET結構含有柵氧化層41、源區(qū)42、漏區(qū)44、溝道區(qū)45。柵極46和側壁氧化層47。
在該階段，如果需要，可以利用硅化技術形成改進的接觸。這包括淀積例如鈦等合適的金屬，并快速熱退火晶片，在金屬與多晶硅和柵極接觸的區(qū)域(MOSFET的源和漏區(qū))形成低電阻率金屬硅化物。不與多晶硅和柵極接觸的金屬不反應，隨后從晶片上腐蝕掉。該工藝后利用CVD繼續(xù)淀積鈍化氧化層50，并在氧化層中構圖接觸孔55(利用與上述相同的方法)，以便接觸源區(qū)42、漏區(qū)44和柵區(qū)(通過柵極46)，見圖5C。
淀積并構圖互連金屬，然后得到圖5D所示的結構。互連金屬自己可以是多步驟工藝的產物。例如，可以淀積鋁合金(99％Al∶1％Si)，并針對包括源接觸60a、柵接觸60b和與硅MOSFET的互連及相關器件和電路的所有接觸構圖。然后，淀積例如氧化銦錫(ITO)等透明導電材料，并構圖成也延伸作為透明向列液晶電容器接觸或將介紹的向列液晶電容器的電極62的透明漏接觸62a，(互連金屬也形成MOSFET到像素電極62的輸出電極)。在顯示系統10按透射模式使用時，需要透明向列液晶電容器電極62。然而，對于反射模式顯示器或光閥系統，在其構成系統的背反射器時，該向列液晶電容器電極可以是不透明的金屬(例如Al或99％Al∶1％Si)。該實施例中，適當地改變向列液晶電容器電極間的空間，以便在液晶介質中容納希望的路徑長度。調節(jié)電容器電極的該空間在液晶顯示器技術中是實用的。
在工藝的此階段，制造完成了單片集成電路和每個像素中的MOSFET，如果需要，在某些應用中，可以用附加鈍化、屏蔽或平面化層覆蓋之。如果需要，還可以用透明金屬對電極72覆蓋相應的透明基板70例如藍寶石、石英、熔融硅砂或玻璃，并適當地構圖，見圖5E。該對電極一般是整個像素陣列公用。參見圖5F，如果需要，例如通過在對電極(或者在帶有電路的基板上)附著濾色器或引入著色染料等，可以包括用于彩色顯示的裝置73。然后，如果需要，在像素電極上形成校準層80。這可以通過淀積聚酰亞胺薄層實現，然后機械磨擦，得到液晶介質的優(yōu)選取向。形成校準層的工藝是液晶領域公知的，通過該制造工藝，容易允許偏差。
例如利用玻璃纖維隔墊棒或珠81等，提供適當間隔每個像素電極62與對電極72的裝置，見圖5H，如現有技術那樣。該間隔裝置一般設于芯片的外圍。最后的組件需要在各基板合適預定部分適當地結合基板30與基板70，形成腔82，用希望的液晶材料90真空填充該腔，并氣密密封或堵塞該腔，如平頭塞96所示，應理解，這種結構只用于展示，見圖5G和5H。與本發(fā)明相關領域的技術人可以獲得合適的塞結構和實現該結構的技術。用于填充所說腔的向列液晶材料是所屬領域實際應用的任何材料。在正面和背面固定適當地取向的偏振器95，完成單片顯示系統的制造，參見圖5H的局部切割的平面圖，該圖示出了顯示形式排列的多個像素。
上述顯示器可用于例如頭戴式系統等直接觀看應用或作為攝錄一體機的取景器。關于投影系統，該陣列可用作光閥?？梢栽陂_關晶體管上制造光阻擋層或阻擋光的其它裝置，以屏蔽晶體管與多數光，從而減少光誘生漏電流。然而，如果手邊工作不需要高亮度圖像，則可以取消之。利用這里的教導可以容易制造透射和反射模式顯示器或光閥，并且如上所述，它們可以適應特定的手邊工作。
上述教導將本發(fā)明具體為背光或投影顯示器，光99從顯示器的一側來。顯示區(qū)為利用與HDTV和其它超高分辨率顯示器(1000×1000像素或更多)兼容的陣列形式的多個像素的有源矩陣顯示器。每個像素使用一個利用UTSOS制造的MOSFET作為非線性元件和利用MOSFET開關的相鄰向列液晶電容器。使用時間多路復用系統得到彩色信號或附加的灰度，可以利用UTSOS器件的高速性能驅動非常大顯示器，開發(fā)出高速液晶的未來先進性?？梢愿鶕景l(fā)明的思想在超薄單晶SOS上制造小尺寸可靠的MOSFET，可以消除對冗余非線性元件的需要，因而可以減小像素尺寸，進而增大顯示亮度。注意圖1，行和列驅動器14集成在UTSOS晶片11上與顯示區(qū)12相鄰，以便尋址顯示區(qū)中的源和柵部分。這些驅動器由隨后將信號電壓鎖定到合適選擇的像素上的移位寄存器構成。移位寄存器的設計和結構已是電路設計領域的技術人員公知的，然而，由于消除了器件與基板間的寄生電容，所以UTSOS的優(yōu)點提供了非常高的速度性能。芯片上(晶片上)可以單片包括附加VLSI電路，以便例如在使用帶外部時間信號多路復用系統的彩色設計時，控制驅動和同步/定時的外部元件。由于高質量材料和采用UTSOS的高速器件的緣故，這是可能的。
盡管這里所公開的教導提供了漏電流等于或小于利用向列液晶的有源矩陣工作要求的標準1pA/微米，但可以預見，這所公開的教導可應用于無源顯示器與它們的相關信號處理或有源尋址電路的集成。這里所介紹的本發(fā)明的替代實施例可以在像素中使用薄膜電容器，存儲電荷，并減輕從向列液晶電容器電荷漏電的效應。利用微電子制造中需要的且實際的附加淀積、構圖和金屬化步驟，可以將該薄膜電容器與上述制造工藝合為一。參見圖6所示的示意像素布局。
圖6具體示出了根據本發(fā)明的一個像素200’的布局。示出的電容器結構240’的總面積小于53平方微米，而MOSFET 220’覆蓋少于70平方微米的面積。2微米寬的多晶硅化物柵線280’電連接MOSFET的柵結構226’，以便根據需要導通或截止晶體管，2微米寬的金屬數據線260電連接MOSFET的源222’，而MOSFET的漏224’電連接向列液晶電容器結構240’。用兩個微米的接觸孔230’將這些結構電連接在一起。向列液晶電容器結構240’含有向列液晶材料(圖中未示出)，該向列液晶材料響應于加在隨后形成于結構的薄層間的電容結構上的電壓可變地轉換。該像素結構改型在有源矩陣陣列的每個像素中采用了附加的薄膜電容器290’。該薄膜電容器用于存儲大量電荷，以便即便有源矩陣中的非線性電元件(MOSFET)泄漏電荷時，也能保持向列液晶電容器的灰度或(顏色)。該存儲電容器設計成具有高電容，但尺寸上沒有限制，因而對顯示器或光閥的孔徑比產生不利用影響。該設計中，薄膜存儲電容器的大小為8.8微米×2微米。存儲電容器可使用例如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等高介質材料、例如鈦酸鍶鋇(BST)等陶瓷鐵電體。該優(yōu)點采用了高速向列液晶材料的未來先進性。注意，圖6所示的MOSFET 220’的寬度為3微米。這是一個較大尺寸，相應地比圖3的MOSFET具有更大的電泄漏(與器件寬度成正比)。利用圖7中的薄膜電容器290’提供的改進像素結構允許在手邊的工作希望較寬MOSFET提供高驅動電流時進行設計改進，但一種改進必須是減少向列液晶應用的漏電。
本發(fā)明提供透明基板和類體硅單晶器件質量半導體材料用于高密度電路的制造。除通過單片集成包括視頻驅動器、模-數轉換器、數字邏輯等VLSI電路增強顯示系統功能外，由于較少的接點和布線鍵合，所以可靠性提高?？梢詫崿F較高制造成品率，降低系統成本。使用這里所介紹的CMOS技術，也可以提供對于靠電池工作的顯示系統來說重要的低功耗。另外，UTSOS構成的高速電子裝置可適應不斷追求更快開關和容易利用的液晶化學的未來先進性。根據本發(fā)明的思想，芯片上接收的電信號電壓在單片相鄰的利用UTSOS制造的低漏電VLSI電路中經過數據壓縮和相關的圖形處理，并與向列液晶材料匹配，用于通過各組合技術的協同作用得到最佳性能，從而產生利用現有顯示技術無法得到的突出優(yōu)點。
參見圖7，所公開的發(fā)明要求與相關驅動電路和圖像處理電子電路單片集成于改進的超薄藍寶石硅(UTSOS)晶片11’上的鐵電液晶(FLC)顯示器構成的顯示系統10’及制造該集成結構的方法。以下的介紹指出了本發(fā)明與現有技術教導相比的突出特點和其優(yōu)點。從基本構件圖像單元(像素)的改進開始，直至充分改進集成結構，將單獨和結合顯示本發(fā)明的優(yōu)點。因此，表明我們的教導的協同用作組合與現有技術相比是非顯然的和相當先進的。從以下說明書和附圖中可以更清楚這里所介紹的發(fā)明優(yōu)于現有技術的突出優(yōu)點。這里所公開和所要求的發(fā)明工藝的一個優(yōu)點是允許利用較薄硅層(超薄藍寶石硅或UTSOS)制造器件和電路。利用該較薄硅層制造的電子器件和電路可以完全按耗盡模式工作，不需要本體改進性能和設計。這里所公開和要求的發(fā)明的較薄結晶硅層對于投影應用來說是重要的，是由于較薄硅可以吸收較少光，器件可以具有較低光誘生漏電流。另外，這里所公開和要求的發(fā)明的超薄硅層可以確保比體硅或ISE硅層降低的載充子壽命和減小的光誘生漏電。另外，根據這里所公開和所要求的發(fā)明的藍寶石的熱傳導性遠高于現有技術預見的玻璃、石英或環(huán)氧，因此，這里所公開和所要求的發(fā)明飽和區(qū)的電流不會下降，沒有稱作自熱的現象。
圖7示意性示出了顯示系統10’，該系統具有與相關電路單片集成于改進的UTSOS晶片11’上的俯視鐵電液晶顯示器。顯示系統10’的顯示區(qū)12’具有圖像單元(像素)陣列，用于顯示圖像。在優(yōu)選實施例中，介紹了1000個像素×1000個像素的背光顯示器，然而，可以也制造超過HDTV的超高分辨率顯示器。在顯示區(qū)的外圍，與像素陣列電連接的是顯示驅動電路14’，用于給像素的顯示行和列提供合適的電壓，以便尋址各像素進行圖像顯示。
顯示驅動電路14’采用互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術，并利用這里的教導制造于改進的UTSOS晶片上。根據手邊工作的需要，還可以在顯示器的外圍區(qū)集成附加的VLSI信號處理、緩沖、數據壓縮電路16’等。還提供用于從芯片(晶片)外接點17’將數據(圖像)信號傳輸到單片集成晶片的裝置，例如合適的引線、連接器和波導18等，從而完成所說顯示系統。如果需要還可以實施無限通信。無限通信包括任何形成的信息電磁輸入或輸出，包括但不限于射頻(RF)、微波和光數據聯系。
圖8示出了單個圖像單元或像素20’的電路圖。本發(fā)明中，像素包括一個非線性電路元件22’，這種情況下是MOSFET，和一個鐵電液晶電容器24’。金屬列線26’和多晶硅化物行線28’適當地連接成偏置MOSFET，以轉換電容器中鐵電液晶的狀態(tài)。盡管圖8的電路圖是示意性等效于現有技術，但實際上，由于現有技術的需要，不用一個非線性元件(TFT、MOSFET、二極管等)，具有冗余電路以提供令人滿意制造成品率。改進的UTSOS材料提供一種單晶硅材料，利用該材料可以制造高可靠的MOSFET，避免了對冗余的需要。與現有技術相比，這種能力使得每個像素單元的實際尺寸可以減小，于是顯示密度和亮度可以顯著提高。
圖9具體示出了根據本發(fā)明的一個像素200”的布局。示出的電容器結構240”的總面積小于53平方微米，而MOSFET 220”覆蓋少于70平方微米的面積。2微米寬的多晶硅化物柵線280”電連接MOSFET的柵結構226”，以便根據需要導通或截止晶體管，2微米寬的金屬數據線260”電連接MOSFET的源222”，而MOSFET的漏224”電連接向列液晶電容器結構240”。用兩個微米的接觸孔230”將這些結構電連接在一起。鐵電液晶電容器結構240”含有鐵電液晶材料(圖中未示出)，該鐵電液晶材料響應于加在隨后形成于結構的薄層間的電容結構上的電壓可變地轉換。
一般說，整個像素200”的大小形成為12微米乘12微米，具有37％的孔徑比。例示的尺寸可以是尺寸A”和B”等于12.0微米，尺寸C”、D”和E”等于2.0微米，尺寸F”和G”等于3.6微米，尺寸H”等于8.8微米，尺寸I”等于5.8微米，尺寸J”等于5.2微米，尺寸K”和L”等于0.6微米。這種實用的簡化結構的優(yōu)點在于對于手邊工作來說結構的容易測量性。表Ⅱ’示出了改變像素尺寸對孔徑比的影響，這是選擇或使顯示亮度最大所需要的。
表Ⅲ’示出了Takafuji等人在1993 SID InternationalSymposium Digest of Technical Papers第24卷，第383-386頁(1993)中的題為“A 1.9 in.1.5Mpixel Driver Fully-Integrated Poly-SiTFT-LCD for HDTV Projection”的文章中，和Ohshima等人在1993SID International Symposium Digest of Technical Papers第24卷，第387-390頁(1993)中的題為“Fully-Color LCD’s with CompletelyIntegrated Drivers Utilizing Low-Temperature Poly-Si TFT”的論文中報道的利用現有多晶硅TFT技術的典型顯示器的孔徑比和像素尺寸。由于允許采用較小像素MOSFET的UTSOS器件的較高驅動電流緣故，UTSOS具有相當高的孔徑比。
圖10示意性示出了構成顯示器120’的多個圖像單元。在該實施例中，一百萬個像素排列成1000×1000陣列122’，行驅動電路124’和列驅動電路126’與陣列的各像素電連接。行和列驅動電路功能上與現有技術的類似，只是高速移位寄存器可以利用改進的UTSOS材料制造，以便將數據快速鎖定到顯示器上。這要求最好是利用高開關速度鐵電液晶材料的UTSOS器件(與扭曲向列相反)，現有技術沒有建議這樣做。
高性能UTSOS電子電路、和鐵電液晶的適當結合所產生的協同作用優(yōu)點包括能夠時間多路復用鐵電液晶電容器的開/關狀態(tài)。結果，可以在標準雙穩(wěn)態(tài)“開/白”或“關/黑”狀態(tài)間產生明顯的“灰”或中間照明度。高速工作的單片集成的高能性UTSOS電路可以提供比用TFT或甚至用于單色顯示應用的體硅技術獲得的更寬的灰度范圍。
另外，單片集成的高性能UTSOS電路的FLC雙穩(wěn)態(tài)(數字)開關避免了利用向列液晶的有源矩陣顯示器的問題。利用向列液晶，在截止態(tài)或通過非線性電路元件的反偏漏電導致向列液局部旋轉，引起灰度不希望的改變。由于只有超過完全轉換的閾值的大漏電會通過FLC像素影響照明度，所以器件漏電對FLC只有很小的影響。
高開關速度的鐵電液晶和高性能UTSOS電路所提供的另一突出特點是利用本發(fā)明提供的高速時間多路復用系統的多色顯示器提供的改進。這些應用中，三個(或更多)相鄰像素可以功能上耦合在一起，利用紅、綠和藍色染料或濾色器產生彩色圖像。利用高開關速度鐵電液晶和高性能UTSOS電路提供的主要協同作用優(yōu)點在于通過一個像素時間多路復用彩色信號的能力。這可以通過例如旋轉濾色器插在用于背側照明的白光源和這里所介紹的帶有相關電路的單片集成的顯示器即圖7中的顯示系統10’間的合適色輪，加一系列紅、綠和藍光(根據原色的照明度標準)完成。因此本發(fā)明可以使顯示多色圖形需要的像素數減少(至少)三倍。由于改進的UTSOS材料提供的優(yōu)異像素布局實現的尺寸減小，可以實現顯示器的基本尺寸減小和簡化。累積的優(yōu)點是能夠制造超高分辨率顯示器，并能提高顯示器的有效陣列面積。
圖11A-11H示意性示出了鐵電液晶顯示器及其相關電路的集成制造工藝。利用UTSOS制造超高分辨率顯示系統的一般方法允許顯示器及所有有關電子電路同時單片制造，如圖7所示。
為清楚和展示的目的，只示出最簡單的圖像單元或像素，包括一個非線性電路元件MOSFET和一個鐵電液晶電容器。在以下詳細介紹各工藝步驟時，可以利用適當設計的光刻掩模，構成這樣的多個像素，并將它們與驅動和圖像處理電路互連。
起始材料是晶片形式的藍寶石(Al2O3)基板，基板上可以有器件質量硅薄層40’，見圖11A。得到這樣晶片的一種方法是通過熱分解硅烷和隨后的離子注入及固相再生長技術，外延淀積硅。該方法利用將28Si原子離子注入(劑量為1014cm-2，能量為185keV)到硅-藍寶石界面的近界面區(qū)，同時晶片的溫度保持在-20℃。在550℃放置約30分鐘，然后溫度從550℃直線高到900℃后，在氮氣中，在900℃下熱退火硅1小時。然后，在1000℃氧化硅，消耗部分硅層。然后腐蝕氧化物，留下厚度減小的硅層?？梢灾貜脱趸透g工藝，在藍寶石上得到厚度標稱為30-100nm的硅層，即薄膜器件質量硅層。該起始材料構成優(yōu)于現有技術的光、機械、電和熱方面優(yōu)點的基礎。具體說，源于利用藍寶石上的硅的厚度為30nm-100nm的硅膜而不是如現有技術所教導的厚膜(大于100nm)制造顯示器的突出特點是對吸收性(即提高的亮度)、耐熱性和寄生光激發(fā)載流子等方面的改進。
接著，在薄膜硅層上，在每個像素中制造一個非線性電路元件，MOSFET。同時，利用合適設計的光刻掩模，制造多個MOSFET和相關電路元件，構成相關電路。采用作為MOSFET的常規(guī)自對準薄膜晶體管制造工藝的改進的一系列制造步驟。所說一系列步驟包括構圖薄膜硅層的第一部分(利用光刻和腐蝕技術)，通過在升高的溫度下將晶片暴露于氧氣氛生長柵氧化層，利用化學汽相淀積(CVD)淀積多晶硅(即多晶硅)，淀積期間現場摻雜多晶硅，利用高溫摻雜劑從所淀積的玻璃注入摻雜劑離子或擴散，構圖多晶硅(利用與上述所用類似的光刻和腐蝕技術)，通過離子注入和在升高的溫度下退火，選擇性摻雜MOSFET的源和漏區(qū)，淀積并構圖氧化層，形成側壁氧化層，于是形成圖11B所示的自對準結構。摻雜的多晶硅是構成柵極的導電材料。該MOSFET結構含有柵氧化層41’、源區(qū)42’、漏區(qū)44’、溝道區(qū)45’、柵極46’和側壁氧化層47’。
在該階段，如果需要，可以利用硅化技術形成改進的接觸。這包括淀積例如鈦等合適的金屬，并快速熱退火晶片，在金屬與多晶硅和柵極接觸的區(qū)域(MOSFET的源和漏區(qū))形成低電阻率金屬硅化物。不與多晶硅和柵極接觸的金屬不反應，隨后從晶片上腐蝕掉。
該工藝后利用CVD繼續(xù)淀積鈍化氧化層50’，并在氧化層中構圖接觸孔55’(利用與上述相同的方法)，以便接觸源區(qū)42’、漏區(qū)44’和柵區(qū)(通過柵極46’)，見圖11C。淀積并構圖互連金屬，然后得到圖11D所示的結構?；ミB金屬自己可以是多步驟工藝的產物。例如，可以淀積鋁合金(99％Al∶1％Si)，并針對包括源接觸60a’、柵接觸60b’和與硅MOSFET的互連及相關器件和電路的所有接觸構圖。然后，淀積例如氧化銦錫(ITO)等透明導電材料，并構圖成也延伸作為透明鐵電液晶電容器接觸或將介紹的鐵電液晶電容器的電極62’的透明漏接觸62a’，(互連金屬也形成MOSFET到像素電極62’的輸出電極)。在工藝的該階段，完成了單片集成電路和每個像素中的MOSFET的制造，如果需要，在某些應用中，可以用附加鈍化、屏蔽或平面化層覆蓋之。如果需要，還可以用透明金屬對電極72’覆蓋相應的透明基板70’，例如藍寶石、石英、熔融硅砂或玻璃，并適當地構圖，見圖11E。該對電極一般是整個像素陣列公用。注意圖11F，如果需要，例如通過在對電極上附著濾色器或引入著色染料等，可以包括用于彩色顯示的裝置73’。然而，在優(yōu)選實施例中，如上所述，為顯示器提供彩色，允許超高像素密度。然后，如果需要，在像素電極上形成校準層80’，這可以通過淀積聚酰亞胺薄層實現，然后機械磨擦，得到優(yōu)選取向。形成校準層的工藝是液晶領域公知的，通過該制造工藝，容易允許偏差。
見圖11H，例如利用玻璃纖維隔墊棒或珠81’等，提供適當間隔每個像素電極62’與對電極72’的裝置，如現有技術那樣。該間隔裝置一般設于芯片的外圍。最后的組件需要在各基板合適預定部分適當地結合基板30’與基板70’，形成腔82’，用希望的液晶材料90’真空填充該腔，并氣密密封或堵塞該腔，如平頭塞96’所示。應理解，這種結構只用于展示，見圖11G。與本發(fā)明相關領域的技術人員可以獲得合適的塞結構和實現該結構的技術。
用于填充所說腔的鐵電液晶材料是利用非手性(即非手性)近晶C*化合物作為基本材料的一般混合物。非手性材料的例子包括苯甲酸苯酯、苯基嘧啶化合物和其它雙環(huán)化合物。也可以用例如環(huán)己烷腈(cyclohexane carbonitrile)衍生物和苯基噻重氮(phenyl-thiadiazols)等三環(huán)化合物。圖12A示出了現有技術用于FLC混合物的某些非手性化合物，它們與這里所介紹的發(fā)明兼容。圖12B示出了用于現有技術的FLC混合物的某些手性摻雜劑化合物，它們也與這里介紹的發(fā)明兼容。
在正面和背面固定適當地取向的偏振器95’，完成單片顯示系統的制造，參見圖11H的局部切割的平面圖，該圖示出了顯示器形式排列的多個像素。
圖13示出了在改進的UTSOS晶片上的1000個像素×1000個像素有源矩陣鐵電液晶顯示器的電路圖400’，用于計算這里公開的發(fā)明的電性能優(yōu)點。鐵電液晶(FLC)電容器440’的典型電容為4.5nF/cm2。給定圖9所示的幾何形狀，具有57.6平方微米的電極面積，FLC電容器具有0.0026pF的電容。顯示器中MOSFET行的總串聯電容420’等于晶體管數(1000)乘以柵寬度(3.0微米)乘以結電容(250pF/m)，得到1.0pF。利用UTSOS制造的MOSFET行的總柵電容460’由晶體管數(1000)乘以柵氧化層電容(1.4×10- 3pF/微米2)乘以柵寬度(3.0微米)乘以柵長度(3.0微米)給出，得數約為13pF。圖9所示的多晶硅化物線和金屬線的電阻由式R=ρL/W計算，其中ρ為電阻率，L是線長度，W是線寬度。對于電阻率為1.5Ω/□，L/W等于6.0mm/2.0微米的多晶硅化物線來說，所得電阻430為4.5kΩ。類似地，對于電阻率為0.01Ω/□，L/W等于6.0mm/2.0微米的金屬(鋁)線來說，所得電阻450’為30Ω。隨后將這些參數代入電路模擬程序，評估還包括可以通過合適的集成電路和導體集成在所說晶片上的MOSFET 470’和電壓源480’的電路400’的電路性能。
圖14示出了利用上述參數對鐵電液晶顯示器的每個像素中的晶體管元件的測量結果500’和模擬結果550’。該圖示出了漏電流與漏電壓的特性曲線族。圖15示出了鐵電液晶像素電路的模擬電壓瞬態(tài)變化。首先將Vs610’從0變到14V，模擬設定像素列電壓為高。然后，Vin620’從14V降到0V，模擬存取像素行。由于必須設置為并聯的1000個柵電容負載和6.0mm多晶硅化物線的電阻負載的緣故，Vg630’下降得更慢。在Vg630’降低到開關晶體管的閾值以下時，像素電容器上的電壓V1640’開始轉換，并利用18納秒完成轉換。這種模擬顯示出，該設計能夠用少于20納秒的時間尋址整個1000×1000像素顯示器。這表明了利用具有FLC的UTSOS的協同作用優(yōu)點，是由于FLC’s需要這種高速尋址，以充分利用它們的優(yōu)點。
以上介紹的顯示器是例如頭戴系統等直接觀看應用或作為攝錄一體機的取景器的優(yōu)選實施例。關于投影系統，該陣列可用作光閥。在優(yōu)選實施例中，可以在開關晶體管上制造阻擋光元件，從而屏蔽晶體管與多數光，從而以減少光誘生漏電流。
上述教導將本發(fā)明具體為背光或投影顯示器，光99’從顯示器的一側來，見圖11H。顯示區(qū)為利用與HDTV和其它超高分辨率顯示器(1000×1000像素或更多)兼容的陣列形式的多個像素的有源矩陣顯示器。每個像素使用一個利用UTSOS制造的MOSFET作為非線性元件和利用MOSFET開關的相鄰鐵電液晶電容器。為了快速驅動顯示器，使用高開關速度的鐵電液晶(與扭曲向列相反)，采用了UTSOS器件的高速性能，以便驅動非常大的顯示器。可以在超薄單晶SOS上制造制造小尺寸可靠的MOSFET，可以消除對冗余非線性元件的需要，因而可以減小像素尺寸，進而增大顯示亮度。注意圖7，行和列驅動器14’集成在UTSOS晶片11’上與顯示區(qū)12’相鄰，以便尋址顯示區(qū)中的源和柵部分。這些驅動器由隨后將信號電壓鎖定在合適選擇的像素上的移位寄存器構成。移位寄存器的設計和結構已是電路設計領域的技術人員公知的，然而，由于消除了器件與基板間的寄生電容，所以UTSOS的優(yōu)點提供了非常高的速度性能。芯片上(晶片上)可以單片包括附加VLSI電路，以便例如在使用帶外部時間多路復用系統的彩色設計時，控制驅動和同步/定時的外部元件。由于高質量材料和采用UTSOS的高速器件的緣故，這是可能的。
本發(fā)明提供透明基板和類體硅單晶器件質量半導體材料用于高密度電路的制造。除通過單片集成包括視頻驅動器、模-數轉換器、數字邏輯等VLSI電路增強顯示系統功能外，由于較少的接點和布線鍵合，所以可靠性提高。可以實現較高制造成品率，降低系統成本。使用這里所介紹的CMOS技術，也可以提供對于靠電池工作的顯示系統來說重要的低功耗。另外，UTSOS構成的高速電子裝置可適應不斷追求更快開關FLC和容易利用的液晶化學的未來先進性。
在優(yōu)選實施例中，芯片上接收的電信號電壓在單片相鄰的利用與鐵電液晶材料匹配的UTSOS制造的低漏電VLSI電路中經過數據壓縮和相關的圖形處理以實現最佳性能，從而所組合的技術的協同作用可以產生利用現有顯示技術無法得到的突出優(yōu)點。顯然，在上述教導下，可以對本發(fā)明做出許多改進和變化。因此，應理解，在所附權利要求書的范圍內，可以在除這里所具體介紹的其它情況下實施本發(fā)明。
權利要求
1.一種在藍寶石硅結構上制造單片集成鐵電液晶陣列顯示器和控制電路的方法，包括以下步驟a)在藍寶石基板上形成外延硅層，從而形成藍寶石硅結構；b)離子注入所說外延硅層；c)退火藍寶石硅結構；d)氧化外延硅層，由部分外延硅層形成二氧化硅層，留下減薄的外延硅層；e)去掉所說二氧化硅層，暴露減薄的外延硅層；f)用減薄的外延硅層制造像素陣列，其中每個像素包括一個鐵電液晶電容器；g)由減薄的外延硅層制造工作上耦合成調節(jié)各像素的集成電路。
2.根據權利要求1的方法，其中步驟b)包括向所說外延硅層注入硅離子。
3.根據權利要求1的方法，其中所說減薄的外延硅層具有不大于約100nm的均勻厚度。
4.根據權利要求1的方法，其中所說像素每個都包括非線性電路元件。
5.根據權利要求1的方法，其中所說像素每個都包括一個耦合到所說鐵電液晶電容器的晶體管。
6.根據權利要求5的方法，其中所說晶體管具有漏電流IL，IL≤1pA/w，w表示所說晶體管的寬度微米數。
7.根據權利要求1的方法，其中所說集成電路分別調節(jié)每個像素。
8.根據權利要求1的方法，還包括在所說藍寶石硅結構上制造偏振器。
9.根據權利要求8的方法，還包括在所說藍寶石硅結構上形成濾光器。
10.根據權利要求1的方法，還包括使光透過所說像素陣列。
11.根據權利要求2的方法，包括以下步驟以約1014cm-2的劑量，以約185keV的能量，在約-20℃的溫度下，注入所說硅離子；將所說藍寶石硅結構放入溫度約為550℃的氮氣氛中約30分鐘；升高所說氮氣氛的溫度，其中所說藍寶石硅結構經過從約550℃到約900℃的升溫過程約1小時；在900℃的溫度下，在所說氮氣氛中退火所說藍寶石硅結構約1小時；及在溫度約為1000℃的氧氣氛中，氧化所說外延硅層。
12.一種在藍寶石硅結構上制造單片集成液晶陣列顯示器和控制電路的方法，包括以下步驟a)在藍寶石基板上形成外延硅層，從而形成藍寶石硅結構；b)以約1014cm-2的劑量，以約185keV的能量，在約-20℃的溫度下，向所說外延硅層離子注入硅離子；c)將所說藍寶石硅結構放入溫度約為550℃的氮氣氛中約30分鐘；d)升高所說氮氣氛的溫度，其中所說藍寶石硅結構經過從約550℃到約900℃的升溫過程約1小時；e)在900℃的溫度下，在所說氮氣氛中退火所說藍寶石硅結構約1小時；f)在溫度約為1000℃的氧氣氛中，氧化所說外延硅層，由部分所說外延硅層形成二氧化硅層，留下減薄的外延硅層；g)去掉所說二氧化硅層，暴露所說減薄的外延硅層；h)用所說減薄的外延硅層制造像素陣列，其中每個所說像素包括一個液晶電容器；及i)由所說減薄的外延硅層制造工作上耦合成調節(jié)所說各像素的集成電路。
13.根據權利要求12的方法，其中所說減薄的外延硅層具有不大于約100nm的均勻厚度。
14.根據權利要求12的方法，其中所說像素每個都包括非線性電路元件。
15.根據權利要求12的方法，其中每個像素都包括一個晶體管，所說液晶電容器是與所說晶體管耦合的鐵電液晶電容器。
16.根據權利要求12的方法，其中每個像素都包括一個晶體管，所說液晶電容器是向列液晶電容器。
17.根據權利要求16的方法，其中所說晶體管具有漏電流IL，IL≤1pA/w，w表示所說晶體管的寬度微米數。
18.根據權利要求12的方法，其中所說集成電路分別調節(jié)每個像素。
19.根據權利要求12的方法，還包括在所說藍寶石硅結構上制造偏振器。
20.根據權利要求19的方法，還包括在所說藍寶石硅結構上形成濾光器。
21.根據權利要求12的方法，還包括使光透過所說像素陣列。
22.一種液晶顯示器，包括藍寶石硅結構，該結構包括厚度不大于約100nm的外延硅層；形成于所說藍寶石硅結構上的液晶電容器陣列；及由所說外延硅層形成的集成電路，所說集成電路工作上耦合成調節(jié)所說液晶電容器。
23.根據權利要求22的液晶顯示器，其中所說外延硅層的電子遷移率至少為380(cm2/Vs)。
24.根據權利要求22的液晶顯示器，其中每個所說液晶電容器都耦合到形成于所說藍寶石硅結構上的一個晶體管。
25.根據權利要求22的液晶顯示器，其中所說液晶電容器是向列液晶電容器。
26.根據權利要求25的液晶顯示器，其中所說液晶電容器提供反射像素單元。
27.根據權利要求25的液晶顯示器，其中所說液晶電容器提供透射像素單元。
28.根據權利要求25的液晶顯示器，其中所說晶體管具有漏電流IL，IL≤1pA/w，w表示所說晶體管的寬度微米數。
29.根據權利要求22的液晶顯示器，其中所說液晶電容器是鐵電液晶電容器。
30.根據權利要求29的液晶顯示器，其中所說鐵電液晶電容器是反射像素單元。
31.根據權利要求29的液晶顯示器，其中所說鐵電液晶電容器提供透射像素單元。
32.一種液晶顯示器，包括藍寶石硅結構，該結構包括外延硅層，氧化所說外延硅層，由部分所說外延硅層形成二氧化硅層，從而留下減薄的外延硅層；形成于所說減薄的藍寶石硅結構上的液晶電容器陣列；及由所說減薄的外延硅層形成的集成電路，所說集成電路工作上耦合成調節(jié)所說液晶電容器。
33.根據權利要求32的液晶顯示器，其中所說外延層的厚度不大于約100nm。
34.根據權利要求32的液晶顯示器，其中所說外延硅層的電子遷移率至少為380(cm2/Vs)。
35.根據權利要求32的液晶顯示器，其中每個所說液晶電容器都耦合到形成于所說藍寶石硅結構上的一個晶體管。
36.根據權利要求32的液晶顯示器，其中所說液晶電容器是向列液晶電容器。
37.根據權利要求36的液晶顯示器，其中所說液晶電容器提供反射像素單元。
38.根據權利要求36的液晶顯示器，其中所說液晶電容器提供透射像素單元。
39.根據權利要求36的液晶顯示器，其中所說晶體管具有漏電流IL，IL≤1pA/w，w表示所說晶體管的寬度微米數。
40.根據權利要求32的液晶顯示器，其中所說液晶電容器是鐵電液晶電容器。
41.根據權利要求40的液晶顯示器，其中所說鐵電液晶電容器提供反射像素單元。
42.根據權利要求40的液晶顯示器，其中所說鐵電液晶電容器提供透射像素單元。
43.根據權利要求36的液晶顯示器，其中所說外延硅層通過以下步驟形成a)以約1014cm-2的劑量，以約185keV的能量，在約-20℃的溫度下，注入所說硅離子；b)將所說藍寶石硅結構放入溫度約為550℃的氮氣氛中約30分鐘；c)升高所說氮氣氛的溫度，其中所說藍寶石硅結構經過從約550℃到約900℃的升溫過程約1小時；d)在900℃的溫度下，在所說氮氣氛中退火所說藍寶石硅結構約1小時；及e)在溫度約為1000℃的氧氣氛中，氧化所說外延硅層，由部分所說外延硅層形成二氧化硅層，從而留下減薄的外延硅層；及f)去掉所說二氧化硅層，露出所說減薄的外延硅層。
44.根據權利要求43的液晶顯示器，其中所說外延硅層的厚度不大于約100nm。
全文摘要
在藍寶石硅結構上單片形成液晶陣列和相關驅動電路,并所說制造方法包括以下步驟:a)在藍寶石基板上形成外延硅層,從而形成藍寶石硅結構;b)離子注入外延硅層;c)退火藍寶石硅結構;d)氧化外延硅層,由部分外延硅層形成二氧化硅層,留下減薄的外延硅層;e)去掉所說二氧化硅層,暴露減薄的外延硅層;f)用減薄的外延硅層制造像素陣列,其中每個像素包括一個液晶電容器;g)由減薄的外延硅層制造工作上耦合成調節(jié)各像素的集成電路。減薄的外延硅支持在藍寶石硅結構上制造用于控制像素工作的器件質量電路。
文檔編號H01L21/8238GK1299515SQ99805743
公開日2001年6月13日 申請日期1999年3月24日 優(yōu)先權日1998年3月25日
發(fā)明者蘭迪·L·希馬布庫羅, 斯蒂芬·D·拉塞爾, 布魯斯·W·奧福德 申請人:蘭迪·L·希馬布庫羅, 斯蒂芬·D·拉塞爾, 布魯斯·W·奧福德