Brevet FR2533072A1 — publié le 19840316

La présente invention a pour objet un procé- dé de fabrication de circuits électroniques à base de transistors en couches minces et de condensateurs. Elle trouve une application notamment dans la réalisa- tion de Circuits d'affichage à cristaux liquides, de rétines photosensibles, de cellules solaires 9 etco Les circuits à transistors en couches minces ( tion d'écrans d'affichage à matrice active Dans ce 1 O type d'écran, une mémoire électronique formée de points mémoire répartis sur toute la surface de l'écran, stocke le signal video pendant, toute la durée de llimage Le transducteur électrooptique (par exem- ple un cristal liquide) est, en óontaàt avec chaque point mémoire, et est excité pendant toute la durée d'une image, alors que, dans les systèmes dépourvus de mémoire électronique, le transducteur n'est excité que pendant la durée d'une ligne L'effet optique et le taux de multiplexage autorisé sont donc beaucoup plus importants. Le TCM permet de réaliser une telle mémoire électronique sur un substrat de verre Chaque point mémoire est situé au croisement d'une ligne et d'une colonne de connexion et il est constitué d'un transis- tor et d'un condensateur Danl le cas o le transduc- teur est un cristal liquide, les armatures du conden- sateur peuvent être constituées par les électrodes de lacellule à cristal liquide elle-méme Le point mé- moire se ramène donc à un TCM et à un condensateur dont l'une des armatures est constituée par l'électro- de disposée sur la paroi de la cellule qui contient le -TCM, l'autre armature étant constituée par la contre- électrode disposée sur l'autre paroi de la cellule. Une telle structure est représentée sur la figure 1 On y voit, d'une part, une paroi inférieure 2 2533072 portant des colonnes conductrices 12 et des-lignes conductrices 14, un TCM 20 et une électrode transpa- rente 22, et d'autre part, une paroi supérieure 24 recouverte d'une contre-électrode 26 également trans- parente. A c 6 té des matrices actives, d'autres cir- cuits peuvent être réalisés avec des TCM et par exem- ple, tout ou partie de registres à décalage De tels circuits peuvent être utilisés dans le registre verti- cal à cadence basse, qui permet la commutation ligne à ligne de l'écran d'affichage. On connaît déjà des procédés de fabrication de circuits à base de TCM et de condensateurs La fi- gure 2 (a, b) illustre une technique décrite par A J SNELL et al dans un article intitulé "Application of Amorphous Silicon Field Effect Transistors in Adressable Liquid Crystal Display Panels" publié dans "Applied Physics" 24, 357-362 ( 1981) Le TCM est formé d'une grille G en chrome déposée sur un substrat iso- lant 30, d'une couche isolante 32 en nitrure de sili- cium (Si 3 N 4), d'une couche de silicium amorphe 34 (a Si), d'un drain D et d'une source S en aluminium. L'armature inférieure du condensateur est formée d'une couche 38 d'oxyde d'étain et d'indium La connexion entre le TCM et l'armature se fait par le drain D prolongé par une patte 40 qui emprunte un trou de con- tact 42 pratiqué dans la couche isolante 32 L'ensem- ble du circuit est constitué d'une pluralité de telles structures rangées sous forme matricielle Les grilles G sont constituées par des lignes de connexion 44 et les sources par des colonnes 46. Le procédé de réalisation d'une telle struc- ture comprend cinq niveaux de masquage: le premier pour la gravure de la couche conductri- ce 38, le deuxième pour la gravure des grilles (G) et la gravure des lignes 44, le troisième pour l'ouverture des fenêtres 42 dans l'isolant 32, le quatrième pour la gravure du semiconducteur 3 '4, le cinquième enfin pour la gravure des contacts source-drain. Un tel procédé présente, deux inconv- nients: tout d'abord il nécessite de nombrxeux mas- ques; ensuite il exige que la gravure des sources et des drains soit sélective et non polluante vis-à-vis du silicium amorphe, lequel doit être protégeé par une passivation adéquate qui ne doit pas créer une zone d'accumulation à l'interface supérieur. On connaît une autre technique de fabrica-' tion de TCM, dans laquelle, à la différence de la pré- cédente, le TCM présente ses contacts de source et de drain à la partie inférieure et sa grille à la partie supérieure Cette technique est décrite par M MATSUMURA et al dans l'article intitulé "Amorphous- Silicon Integrated Circuit" publié dans "Proceedings of the IEE", vol 68, N O 10, octobre 1980, pages 1349-1350 Elle est illustrée par la figure 3 Sur un support en verre 50 est déposée une couche 52 de sili- cium amorphe, puis une couche de silicium dopé n+ laquelle est ensuite gravée pour former les contacts de source 54 et de drain 56; une couche isolante 58 de silice est déposée sur l'ensemble; des ouvertures , 62 sont pratiquées dans cette couche isolante pour donner accès à la source et au drain; une couche d'aluminium forme la grille 64 L'armature du conden- sateur est formée par une couche 66 d'oxyde conducteur transparent, recouverte par la couche 58 de silice g une ouverture 68 est pratiquée dans cette couche et une connexion 70 relie la source 54 à l'électrode 66. Une telle structure nécessite six niveaux de masquage: le premier pour la gravure de l'électrode transpa- rente 66, le deuxième pour la gravure de la couche 52 de a Si, le troisième pour la gravure des contacts Si H 54 et 56, le quatrième pour l'ouverture des fenêtres 6:0 et 62. dans l'isolant 58, le cinquième pour la gravure des métallisations de drain et de source, le sixième enfin pour la gravure des métallisations de grilles. Une telle technique est donc encore très complexe. Un troisième procédé de fabrication de TCM en silicium sur substrat isolant est décrit dans la demande de brevet français 81/24118 déposée le 31.12 81 Ce procédé est illustré sur la figure 4 (a, b, c) Sur un substrat en verre 80 est déposée une couche de métal (en Ni O 2 par exemple), laquelle est ensuite gravée pour former une source 82 et un drain 84 (a); sur l'ensemble est déposée une couche de si- licium 86 par plasma en phase gazeuse réactive (CVD- plasma) à une température comprise entre 400 C et 600 C, puis une couche de silice 88 (b); pour obtenir du silicium polycristallin, l'échantillon est soumis; un rayonnement lumineux 90; une couche métallique est ensuite déposée, puis l'ensemble est gravé pour cons- tituer la grille 92 et délimiter le transistor; le composant est soumis ensuite à une post-hydrogéna- tion; -l'ensemble peut être passive par une couche de Si O 2. Si l'on voulait utiliser cette technique, valable pour la réalisation d'un TCM, afin de réaliser 2533072 un circuit à TCM et à condensateurs, il faudrait avoir recours à 5 niveaux de masquage: le premier niveau pour la gravure des armatures en oxyde conducteur, le deuxième pour la gravure des sources des drains et- des colonnes de connexion le troisième pour la gravure des grilles, le quatrième pour l'ouverture des fenetres dans le cinquième enfin pour la métallisation des lignes de connexion. Ce procédé comme les precédents, condui- rait donc encore à un nombre excessif de gravures et il supposerait à nouveau l'ouverture-de fenêtres dans la couche d'isolanto La présente invention a pour but d W'éviter ces inconvénients en réduisant le nombre de niveaux de masquages de 5 (ou 6) à 2 o Grâce à l'invention, de meilleurs rendements de fabrication sont donc obtenus et la cadence de production des circuits est augmen- tée; Par ailleurs, le procédé de la présente invention ne suppose pas nécessairement que le silicium $soit déposé par CVD-plasma à haute temperature, et d'autres techniques sont possibles, notamment celles qui opè- rent à plus basse température ( 2500 C-300 e C)} Ces -buts sont atteints, selon l'invention, par un procédé qui-comprend, pour l'essentiel, les opérations suivantes: dép 8 t sur un substrat isolant d'une couche d'un pre- mier matériau conducteur transparent, première photogravure appliquée à cette première couche pour constituer des pavés formant l'une des deux armatures des futurs condensateurs ainsi que des sources et des drains pour les futurs transis- tors, dépôt d'une couche de silicium amorphe hydrogéné, dépôt d'une couche isolante, dépôt d'une couche d'un second matériau conducteur, seconde photogravure appliquée à l'ensemble couche de silicium-couche isolante-couche conductrice, pour délimiter des grilles de commande pour les transistors. Ce procédé s'applique de préférence, mais non exclusivement à la réalisation de circuits' pour des cellules d'affichage à cristaux liquides Dans ce cas, la première photogravure laisse subsister des co- lonnes conductrices reliées aux drains ou aux sources des TCM et la seconde photogravure des lignes de con- nexion reliées aux grilles de commande desdits TCM Le transistor est alors situé aux intersections des li- gnes et des colonnes. Mais le procédé peut aussi s'appliquer à la réalisation d'autres circuits comme des dispositifs à transfert de paquets charges, désignés en terminologie -anglosaxonne par 'Bucket Brigade Devices" ou, en abré- gé, BBD. Les caractéristiques de l'invention appa- raîtront mieux après la description qui suit, d'exem- ples de réalisation donnés à titre explicatif et nul- lement limitatif Cette description se réfère a des dessins annexés, qui font suite aux dessins représen- tant les figures 1 à 4 déjà décrites, et sur les- quels: la figure 5 représente diverses étapes du procédé selon l'invention appliqué à la fabrication d'un écran, d'affichage à cristaux liquides, la figure 6 montre un détail du TCM obte- nu, la figure 7 (a, b) illustre une variante du procédé en question, la figure 8 montre schématiquement la structure d'un dispositif à transfert de paquets de charge, la figure 9 (a, b) montre le mode de réa- lisation de ce dispositif selom Ie proc'dé de l'inven ' tion. Les différentes opérations que comprend le procédé de l'invention apparaissent en, détail sur la figure 5 qui montre différents états intermédiafres'du circuit obtenu Ces operations sont les suivantes t Opération 1: Préparation d'un substrat de verre , par exemple de la marque Corning 7059, par nettoyage physico- chimique; Opération 2: Opération 3: Opérations 4, dép 8 t d'une couche 102 de matériau con- ducteur transparent, par exemple en oxyde d'étain et d'indium (a); première photogravure, pour donner à la couche 102 la forme de colonnes 104 et de paves 106 munis d'un appendice rectangulaire 108 (b); , 6: dépôts d'une couche de silicium amor- phe hydrogéné 110, d'une couche de si- lice 112 et d'une couche d'aluminium 114, chaque dép 8 t à environ 2500 C (ou plus si on utilise la technique de CVD- plasma) (c) - Opération 7: seconde photogravure, pour définir des lignes 116 chevauchant les appendices 108 et définissant les TCM (d); la structure vue en coupe selon une ligne est représentée sur la figure (e) et vue en coupe à travers un pavé 106 sur la -figure (f); Opération 8: passivation générale par dépôt d'une couche 116 de Si O 2. La figure 6 montre, de manière;: agrandie,? la constitution des TCM dans la zone de chevauchement d'une ligne 116 et d'une colonne 104 La source et le drain sont respectivement constitués par l'appendice 108 et la partie de la colonne 104 située sous la ligne 116; la grille de commande est constituée par la partie de la ligne 116 qui est située entre l'ap- pendice 108 et là colonne 104 On voit qu'il existe nécessairement, dans une telle structure, un transis- tor parasite TCM' situé de l'autre c 8 té de la colonne 104 Mais l'écartement L' entre le drain et la source de ce transistor étant très important, la couche de a Si E se comporte en fait comme un isolant du fait de sa résistivité élevée En revanche, pour le transistor TCM, le canal défini par l'appendice 108 et la colonne 104 est court et possède une longueur L très faible qu'il s'agit d'une couche diélectrique supplémentai- re. On notera également que si la hauteur W' de l'appendice 108 est largement supérieure à la largeur W des lignes 116 définissant les grilles de commande, il existe une tolérance assez grande sur la position à donner à ces lignes Ainsi, le deuxième masque peut être placé, par rapport au premier, avec une marge d'erreur qui autorise la mise en oeuvre d'un aligne- ment automatique Cette faculté simplifie encore le procédé de l'invention O Si l'on veut améliorer le contact entre l'oxyde 102 et la couche 110 de a Si H, on peut déposer, apres l'oxyd une couche de silicium amorphe forte- ment dopé N (en ajoutant par exemple du PH 3 dans Si R 4 au moment du dép 8 t O C'est ce qui est illustré sur la figure 7 c O cette couche porte la référence 120 o La gravure du premier niveau est réalisée à laide du mime masque et cette gravure affecte alors la couche de silicium dopé 120 et celle de l'oxyde 1020 Les au- tres operations sont identiqueso Au cours de la secon- de gravure de la structure 5 le silicium dopé est atta- gué à la suite du silicium semiconducteuro Le silicium dopé ne subsiste donc que sous la grille, au-dessus de l'oxyde (figure 7 b). Les figures 8 et 9 illustrent maintenant la réalisation d'un registre à décalage du type Bucket- Brigade-Device (BBD) par le procédé de l'invention La figure 8, tout d'aborde illustre la structure connue d'un tel registre, avec ses transistors à couches min- ces TCM 1, TCM 21 TCM 3 o O O possédant des grilles de commande Gl, G 2 t G 3 ooo des sources 51, 52 Q 3500. des drains Dl D 2, D 3 F o et avec ses condensateurs C 1, C 21, C 3 Deux lignes de commande 130 et 130, re- cevant des signaux complémentaires E et B, sont re- liées alternativement aux grilles des TCM o L'entrée du dispositif est désignée par Eo La figure 9 illustre le mode de réalisation correspondant à l'invention Les sources et les drains des TCM ainsi que l'une des armatures des condensa- teurs sont obtenus par une couche conductrice 102, la- quelle fait l'objet de la première gravure Puis, sont déposées les couches de a Si E 110, d'isolant 112 et de métal 114 Ces couches font l'objet de la seconde pho- 2533072 togravure, ce qui permet de délimiter les grilles des TC Mt la seconde armature des condensateurs et les deux lignes de commande 130 et 130. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de circuits élec- troniques à base de transistors en couches minces et. de condensateurs, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: dép 8 t sur un substrat isolant ( 100) d'une couche ( 102) d'un premier matériau conducteur transparent, première photogravure appliquée a cette première,. couche pour constituer des pavés ('106) formant une des armatures des futurs condensateurs ainsi que des sources et des drains pour les futurs transistors,. dép 8 t d'une couche ( 110) de silicium amorphe hydro- géné, dép 8 t d'une couche isolante ( 112), dép 8 t d'une couche ( 114} d'un second matériau con- ducteur, seconde photogravure appliquée à l'ensemble couche de siliciumcouche isolante-couche conductrice, pour délimiter les grilles de commande des transis- tors. 02 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la première photogravure laisse sub- sister des colonnes ( 104) du premier matériau conduc- teur et la seconde des lignes ( 116) du second matériau conducteur, chaque transistor se trouvant à 1 'inter- section desdites lignes et colonnes, le circuit pré- sentant un caractère matriciel. 3 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que, après la pre- mitre opération de dép St de la couche ( 102) du premier matériau conducteur, et avant la première photogravu- re, on effectue un dép 8 t d'une couche ( 120) de sili- cium amorphe fortement dopé n, la première photogravu- re affectant à la fois cette couche de silicium dopé 12 2533072 ( 120) et la couche ( 102) du premier matériau conduc- teur, les autres opérations restant identiques. 4 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier ma- tériau conducteur transparent est de l'oxyde d'étain et d'indium. Pr Océdé selon l'une quelconque des reven- dications 1 -à 4, caractérisé en ce que le second maté- riau conducteur est l'aluminium. 6 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que le second maté- riau conducteur est du silicium dopé. 7 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche iso- lante ( 112) est en silice. 8 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche iso- lante ( 112) est en nitrure de silicium. L,