Brevet FR2593631A1 — publié le 19870731

ECRAN D'AFFICHAGE A MATRICE ACTIVE A RESISTANCE DE GRILLE ET PROCEDES DE FABRICATION DE CET ECRAN La présente invention a pour objet un écran d'affichage à matrice active et à résistance de grille et des procédés de fabrication de cet écran. Un écran d'affichage à matrice active comprend généralement deux plaques entre lesquelles est intercalé un matériau électrooptique comme un cristal liquide. Sur l'une des plaques, on trouve une matrice de pavés conducteurs transparents, des transistors en couches minces, une famille de Lignes conductrices d'adressage et une famille de colonnes conductrices d'adressage. Chaque transistor possède une grille re- liée à une ligne, une source reliée à un pavé et un drain relié à une colonne. Sur la seconde plaque, on trouve une contre-électrode. Une telle structure est 'représentée sur la figure 1. On y a représenté de manière simplifiée une plaque inférieure 10 portant des colonnes conductrices 2fl 12, des Lignes conductrices 14, des transistors 20 et des pavés conducteurs 22, et une plaque supérieure 24 recouverte d'une contre-électrode 26. Pour obtenir une telle structure, on peut mettre en oeuvre un procédé dont les principales étapes sont illustrées sur la figure 2. Ce procédé comprend les opérations suivantes: - préparation d'un substrat de verre 30 par nettoyage physico-chimique, - dép6t d'une couche 32 de matériau conduc- teur transparent, par exemple en oxyde d'étain et d'in- dium (ITO) (partie a), - première photogravure, pour donner à la couche 32 la forme de colonnes 34 et de pavés 36 munis d'un appendice rectangulaire 38 (partie b), - dépôts d'une couche de silicium amorphe hydrogéné 40, d'une couche de silice 42 et d'une couche d'aluminium 44, chaque dépôt étant effectué à environ 250 C (ou plus si on utilise la technique de CVD- plasma) (partie c), - seconde photogravure, pour définir des lignes 46 chevauchant les appendices 38 et croisant les colonnes, ce qui définit les transistors (partie d), - passivation générale par dépôt d'une couche de SiO2 (non représentée). Un tel procédé, à deux niveaux de masquage, est décrit dans la demande de brevet français FR-A-2 533 072. Malgré sa simplicité, ce procédé présente des inconvénients: - tout d'abord, en cas de court-circuit drain-grille d'un transistor, une colonne entière se trouve en court-circuit avec une ligne, - ensuite, la largeur d'une Ligne, dans la zone o celle-ci croise une colonne, est déterminée par la largeur du canal du transistor, de sorte qu'on ne peut la réduire à volonté dans le but de diminuer les risques de court-circuit ligne-colonne, - enfin, l'épaisseur de l'isolant qui sépare une ligne et une colonne est, par construction même, la même que celle de l'isolant situé sous la grille du transistor, de sorte que, là non plus, on n'est pas maître de l'accroissement de cette épaisseur si l'on veut réduire les risques de court-circuit. Le but de l'invention est justement de remé- dier à ces inconvénients. A cette fin, l'invention préconise l'utilisation d'une couche de maté- riau résistif placée sous la grille des transistors. Ainsi, en cas de défaut (par exemple en cas de perce- ment) dans l'isolant du transistor, il n'y a pas court- circuit franc entre la ligne et La colonne correspondaente. Par ailleurs, selon l'invention le drain du transistor n'est pas constitué par la colonne propre- ment dite, mais par un segment relié à cette colonne. De cette manière, il y a relative indépendance entre les transistors et les zones de croisement lignes- colonnes, de sorte que l'épaisseur de l'isolant de croisement peut être rendue supérieure à celle de l'isolant du transistor. De façon précise, l'invention a pour objet un écran d'affichage à matrice active comprenant une première paroi revêtue d'une matrice de pavés conduc- teurs, de transistors en couches minces, d'une famille de lignes conductrices d'adressage et d'une famille de colonnes conductrices d'adressage, chaque transistor ayant une grille reliée à une ligne, une source reliée à un pavé et un drain relié à une colonne, cet écran comportant encore une seconde paroi comprenant une contre-électrode et un matériau étectro-optique inséré entre les deux parois, cet écran étant caractérisé par le fait que la grille est séparée de sa Ligne de com- mande par une couche de matériau résistif. La présente invention a également pour objet des procédés de fabrication d'un écran tel qu'il vient d'être défini. De toutes façons, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la des- cription qui va suivre, d'exemples de réalisation don- nés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexes sur les- quels: - la figure 1, déjà décrite, montre la struc- ture d'un écran d'affichage à matrice active selon l'art antérieur, - la figure 2, déjà décrite, illustre un procédé de fabrication connu utilisé pour fabriquer un écran d'affichage à matrice active, - La figure 3 représente un schéma électrique équivalent d'un élément d'affichage selon L'invention, - la figure 4 montre les principales étapes d'un procédé de fabrication selon l'invention utilisant trois niveaux de masquage, - La figure 5 montre une coupe obtenue dans la zone du canal d'un transistor, la figure 6 montre une coupe obtenue sur une colonne, - la figure 7 montre une coupe obtenue sur une ligne, - la figure 8 montre une coupe obtenue au croisement d'une ligne et d'une colonne, - la figure 9 montre un détail des deux cou- ches métalliques supérieures, - la figure 10 illustre un autre procédé de réalisation de l'écran d'affichage de l'invention, uti- lisant seulement deux niveaux de masquage. La figure 3 représente un schéma électrique équivalent d'un point d'affichage d'un écran conforme à l'invention. On y voit un point d'affichage (ou "eldim" ou "pixel") Pij formé d'un condensateur dont l'une des armatures est portée à un potentiel de référence et l'autre reliée à un transistor Tij. Celui-ci comprend une grille G, une source S et un drain D. On voit, par ailleurs, une ligne d'adressage Li et une colonne d'adressage Cj. La grille G du transistor est reliée à la ligne Li par une résistance Rij, la source S au condensateur, et le drain D à la colonne Cj. La valeur R de la résistance de grille doit être très supérieure à l'impédance de sortie des circuits de commande de l'écran et telle que la constante de temps RC ou C désigne la capacité delagritedu transistor, soit très inférieure au temps de balayage d'une ligne. Par exemple, ce temps T peut être de 64 ps et C peut être égal à 5.10-13 F. On pourra alors prendre une résistance R dans la plage allant de 105 à 2.107.. Pour obtenir une telle résistance on peut utiliser une couche résistive de silicium amorphe for- tement dopé n ayant une épaisseur de un dixième de mi- cron, ou plus. Pour une grille de 2 pm par 7 pm, cela correspond à une résistance transverse de l'ordre de R 1,4.104 1I 10 1' s = 2x7.10-6 La figure 4 montre trois étapes (parties a, b, c) d'un procédé de fabrication à trois niveaux de masquage. On pourra se reporter aussi aux figures 6, 7 et 8 qui montrent en coupe les différentes couches dé- posées. Les opérations effectuées sont les suivantes: - dépôt sur un support isolant 50, en verre par exemple, d'une couche d'un matériau conducteur transparent 52, par exemple en oxyde d'étain et d'indium ITO, et éventuellement d'une couche 54 de si- licium amorphe dopé n, (voir en particulier les figu- res 6, 7 et 8), - première photogravure de cette ou ces cou- ches pour former des pavés 51 reliés à un segment 53, des colonnes 55 reliées à un autre segment 57 parallèle au premier (partie a de la figure 4), - dépôt d'un empilement constitué par une couche 60 de silicium amorphe hydrogéné aSi:H, d'une couche 62 d'un premier isolant (par exemple en SiO2), puis d'une couche 63 de silicium amorphe fortement dopé n (aSin) constituant la future résistance de grille, d'une couche 64 d'un second isolant, non nécessairement identique au premier mais pouvant l'être, et d'une cou- che 65 d'un premier métal (figures 6, 7, 8), - deuxième photogravure appliquée à cet empi- lement pour dégager Les pavés et les zones o auront Lieu Les croisements avec les lignes, mais Laissant subsister cet empilement le long de lignes 61 interca- Lées entre les pavés, ces Lignes chevauchant les deux segments 53 et 57, cette deuxième photogravure laissant subsister également cet empilement sur les colonnes, sauf naturellement à l'endroit o ces colonnes croisent Les lignes. Cette deuxième photogravure n'est que par- tielle entre les deux segments et fait disparaître la couche de métal 65 et ceLLtte du second isolant 64 et fait apparaître ainsi la couche 63 de silicium amorphe fortement dopé, constituant La future résistance de grille; le second niveau de gravure est représenté en traits pleins sur la partie b de La figure 4, le pre- mier niveau de masquage étant représenté en tireté, - dép6t d'une couche 66 d'un second métal, - troisième photogravure appliquée à cette dernière couche pour ne la Laisser subsister que sur Les Lignes, ce qui établit Le contact entre la couche 63 de silicium amorphe fortement dopé et les lignes déjà formées, cette troisième photogravure Laissant également subsister le second métal sur ce qui reste du premier métal 65 sur les colonnes (les parties obtenues après cette troisième photogravure sont repésentées en traits pleins sur la partie c de la figure 4). Une meilleure compréhension de La structure finale peut être obtenue en examinant La figure 5, qui est une coupe à travers le canal du transistor (coupe aa de la figure 4c), la figure 6, qui est une coupe en travers d'une colonne (coupe bb), la figure 7, qui est une coupe en travers d'une ligne (coupe cc) et la figu- re 8 qui est une coupe dans La zone de croisement ligne-colonne (coupe dd). On observera que le second isolant 64 subsis- te au croisement Ligne-colonne alors qu'il est supprimé sous la grille du transistor o seul le premier isolant 62 est présent. On pourra donc donner à l'isolant 62 l'épaisseur requise pour assurer de bonnes performances au transistor tout en employant un isolant 64 assez épais pour assurer l'isolement lignes-colonnes. Sur les figures 7 et 8, on notera que la largeur des lignes du second métal 66 est inférieure à la largeur des lignes du premier métal 65. Cela corres- pond au cas o ces deux métaux sont différents et o le premier n'est pas attaqué par la troisième photogravu- re. Si ces deux métaux sont identiques, les lignes auront même largeur dans Les deux niveaux, comme indi- qué sur la figure 9. Cette largeur commune sera infé- rieure à celle de l'isolant 64 qui les supporte, ceci pour réduire les risques de court-circuit par la tranche. Lorsque les deux métaux 65 et 66 sont diffé- rents, la superposition de ces deux couches métalliques produit une redondance qui évite les risques de coupure de ligne: il est en effet quasi-impossible que ces deux couches soient coupées au même endroit. On notera encore que: - la marche obtenue au croisement d'une ligne et d'une colonne ne dépend pas de l'épaisseur du second isolant 64, puisqu'elle correspond uniquement à l'épaisseur des couches 52 et 54 obtenues apres premiè- re photogravure, - la grille du transistor est définie par masquage; il n'y a donc pas de transistor parasite entre la grille et la colonne comme dans l'art anté- rieur, - l'interface entre la couche de silicium amorphe hydrogéné 60 et la couche de premier isolant 62, ainsi que l'interface entre cette dernière couche et la couche 63 de silicium fortement dope, ne voient jamais l'air. Le procédé à trois niveaux de masquage qui vient d'être décrit n'est pas le seul possible. La figure 10 illustre un autre procédé qui fait l'économie d'une photogravure. Les opérations à accomplir commencent, comme pour le premier procédé, par un dé- pot, sur un substrat isolant, d'une couche d'un conduc- teur transparent, ITO par exemple, surmontée d'une couche de silicium amorphe dopé n. Puis est effectuée une première photogravure pour former des pavés 51, avec un appendice 53, des colonnes 55 avec un appendice 57 (en trait plein sur la figure 10). Est déposé ensui- te un empilement constitué par une couche de silicium amorphe hydrogéné, une couche d'un premier isolant, une + couche épaisse de silicium amorphe fortement dopé n (qui constitue la couche résistive) et une couche mé- tallique. Autrement dit, on ne dépose plus la couche du second isolant, ni la couche du premier métal, mais on intercale directement la couche résistive entre le métal de grille et le premier isolant. Cet empilement fait l'objet d'une seconde photogravure pour laisser subsister des lignes 61 et une grille au-dessus des deux appendices 53, 57 (en tirets sur la figure 10). Par rapport à un procédé à deux niveaux de masquage tel que celui qui est décrit dans le document FR-A-2 533 072, le procédé qui vient d'être décrit présente les avantages suivants: - un court-circuit ponctuel dans l'isolant du transistor se trouve placé en série avec la résistance formée par la couche de aSi:n et qui est de l'ordre de 1075, de sorte que ce défaut ne perturbe pas la ligne ni la colonne au croisement desquelles il se situe. Si le court-circuit est sur le drain du transistor, il ne l'empêche de fonctionner que très localement, - l'interface isolantgrille ne voit pas l'air, - la forme particulière de l'appendice 57 élimine Le transistor parasite qui existait entre l'appendice 53 et la colonne suivante, - une forte épaisseur (supérieure à 0,3 pm) + de aSi:n peut adoucir la marche au passage du niveau 1, ce qui réduit d'autant les risques de coupure du métal de grille. Pour terminer, on peut indiquer que l'inven- tion qui vient d'être décrite peut être combinée avec une disposition qui fait l'objet d'une autre demande de brevet déposée le jour même du dép6t de la présente demande et qui préconise l'utilisation d'une bande ré- sistive entre le drain et la colonne. Si ces deux dis- positions sont combinées, on obtient donc deux résis- tances de protection en série, qui protègent efficace- ment l'écran contre les courts-circuits grille-drain. REVENDICATIONS 1. Ecran d'affichage à matrice active compre- nant une première paroi (10) revêtue d'une matrice de pavés conducteurs (22), de transistors en couches min- ces (20), d'une famille de lignes conductrices d'adres- sage (14) et d'une famiLle de colonnes conductrices d'adressage (12), chaque transistor ayant une grille avec une couche d'isoLant de grille (62) La grille étant reliée à une ligne, une source reliée à un pavé et un drain relié à une colonne, cet écran comportant encore une seconde paroi (24) comprenant une contre- électrode (26) et un matériau électro-optique inséré entre les deux parois, cet écran étant caractérisé par le fait que l'isolant de grille (62) est séparé de la ligne (65-66) par une couche de matériau résistif (63). 2. Ecran d'affichage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche de matériau résistif (63) est en silicium amorphe fortement dopé n. 3. Procédé de fabrication d'un écran d'affi- chage à matrice active selon la revendication 1, ce procédé consistant à réaliser une paroi inférieure (10) portant des premières armatures (22) de condensateurs et des transistors à couches minces (20), des Lignes (14) et des colonnes (12) conductrices d'adressage, et une paroi supérieure (24) revêtue d'une contre-électro- de (26) formant seconde armature des condensateurs, ce procédé étant caractérisé par le fait, que pour réali- ser la paroi inférieure (10), on effectue tes opéra- tions suivantes: - dépôt sur un substrat isolant (50) d'une couche d'un premier matériau conducteur transparent (52), éventuellement surmontée d'une couche de silicium amorphe dopé n (54), - première photogravure pour constituer des pavés (51) formant une des armatures des futurs conden- sateurs et des colonnes (55), cette première photogra- vure laissant subsister également à côté de chaque pavé deux segments parallèles (53, 57), l'un (57) consti- tuant le futur drain du transistor et relié à la colonne adjacente (55) et l'autre (53) constituant la future source du transistor et relié au pavé en ques- tion (51), - dépôt d'un empilement constitué par une couche de silicium amorphe hydrogéné (60), une couche d'un premier isolant (62), une couche de silicium amorphe fortement dopé n (63) constituant la future résistance de grille, une couche d'un second isolant (64), une couche d'un premier métal (65), - deuxième photogravure appliquée à l'empi- lement précédent pour dégager les pavés (51) mais laisser subsister cet empilement le long de lignes in- tercalées entre les pavés, ces lignes chevauchant les deux segments parallèLes (53, 57) et laisser subsister cet empilement sur les colonnes sauf à l'endroit o ces colonnes croisent les lignes, cette seconde photogravu- re n'étant que partielle dans la zone située entre les deux segments et faisant disparaître La couche du premier métal (65) et du second isoLant (64) et faisant apparaître la couche de silicium amorphe fortement dopé (63) constituant la résistance de grille, - dépôt d'une couche d'un second métal (66), - troisième photogravure appliquée à cette couche de second métal (66) pour laisser subsister les lignes, ce qui établit le contact entre la couche de silicium amorphe fortement dopé (63) et Les lignes, cette troisième photogravure laissant également sub- sister le second métal sur ce qui reste du -premier métal sur les colonnes. 4- Procédé selon la revendication 3, caracté- risé par le fait que le premier métal (65) et le second métal (66) sont différents, la largeur des bandes du second métal (66) qui subsistent après la troisième gravure étant plus faible que la largeur des bandes du premier métal (65) qui subsistent après la deuxième photogravure. 5. Procédé selon La revendication3, caracté- risé par le fait que le premier métal (65) et le second métal (66) sont identiques et que les bandes de ces métaux qui subsistent après les deuxième et troisième photogravures ont même largeur, celle-ci étant infé- rieure à la largeur des bandes du second matériau isolant (64) qui subsistent après deuxième photogravu- re. 6. Procédé de fabrication d'un écran d'affi- chage à matrice active selon la revendication 1, ce procédé consistant à réaliser une paroi inférieure (10) portant des premières armatures (22) de condensateur et des transistors à couches minces (20), des lignes (14) et des colonnes (12) conductrices d'adressage, et une paroi supérieure (24) revêtue d'une contre-éLectrode (20) formant seconde armature des condensateurs, ce procédé étant caractérisé par le fait que, pour réali- ser la paroi inférieure (10) on effectue les opérations suivantes: - dépôt sur un substrat isolant (50) d'une couche d'un premier matériau conducteur transparent (52) éventuellement surmontée d'une couche de silicium amorphe dopé n (54), - première photogravure pour constituer des pavés (51) formant des armatures des futurs condensa- teurs, des colonnes (55) et deux segments parallèles (53, 57) l'un (57) constituant Le futur drain du tran- sistor et relié à la colonne adjacente (55) et L'autre (53) constituant la future source du transistor et re- lié au pavé (51), - dépôt d'un empilement constitué par une couche de silicium amorphe hydrogéné (60), d'une couche d'un premier isolant (62), d'une couche de silicium + amorphe fortement dopé n (63) constituant la future résistance de grille et d'une couche métallique (66), - seconde photogravure appliquée à l'empile- ment précédent pour laisser subsister des lignes (61) et des grilles au-dessus des deux segments (53, 57).