Brevet FR2901372A1 — publié le 20071123

Un problème rencontré dans les afficheurs existants est le risque de réflexion que les espaceurs provoquent ; les espaceurs ne sont pas recouverts de cristal liquide et ils tendent à réfléchir de la lumière même si les électrodes voisines reçoivent des tensions correspondant à des pixels noirs. Cette réflexion propre des espaceurs contribue à empêcher l'afficheur d'apparaître bien noir là où il doit l'être. De manière générale, on peut dire que la présence des espaceurs distribués sur toute la surface de l'image réduit le contraste puisque le noir obtenu est imparfait. La réflectivité propre des espaceurs est liée en particulier à la surface qu'ils occupent. On réduit donc ce phénomène en minimisant leur surface, mais le problème subsiste quand même au moins partiellement. L'invention a pour but d'essayer de minimiser l'influence de la présence des espaceurs sur le contraste de l'image, et ceci à l'aide d'une structure d'espaceur qui soit simple à réaliser par des technologies de fabrication courantes. Pour y parvenir, l'invention propose un circuit intégré d'affichage matriciel à cristaux liquides comportant sur un substrat monolithique un réseau de lignes et colonnes d'électrodes élémentaires réfléchissantes définissant chacune un pixel d'affichage, et des circuit électroniques de commande de ces électrodes, situés sous le réseau d'électrodes, le circuit comportant en outre un cristal liquide recouvrant les électrodes, une plaque de confinement transparente retenant le cristal liquide, et des plots espaceurs répartis sur la surface du substrat pour maintenir constant l'espacement entre les électrodes et la plaque de confinement, les plots espaceurs étant localisés chacun à un point de jonction entre quatre électrodes adjacentes, caractérisé en ce qu'un plot espaceur comporte une plage conductrice composée du même matériau que les électrodes réfléchissantes, ce matériau étant recouvert d'une couche non réfléchissante et d'une couche électriquement isolante. On verra que cette constitution d'espaceur présente l'avantage de pouvoir être fabriquée très simplement. Le matériau des électrodes et de la plage conductrice est de préférence de l'aluminium ; son épaisseur est typiquement d'environ 2000 angstrôms (0,2 micromètre) ; la couche non réfléchissante est de préférence du nitrure de titane ; son épaisseur est de préférence d'environ 600 angstrôms. Dans une réalisation avantageuse, la plage conductrice recouverte par la couche non réfléchissante et la couche isolante est une portion de couche conductrice séparée des quatre électrodes adjacentes qui l'environnent, les électrodes ayant des coins coupés pour laisser une place suffisante pour la plage conductrice. Dans une autre réalisation avantageuse, la plage conductrice est constituée par les quatre coins (non coupés) des électrodes adjacentes. Les plots peuvent être carrés ou circulaires ou encore octogonaux. Les coins des électrodes, s'ils sont coupés, sont coupés de préférence à 45 . Les circuits de commande comportent en principe plusieurs niveaux de couches métalliques d'interconnexion au-dessous d'un niveau correspondant aux électrodes réfléchissantes, et on prévoit de préférence que les plots de connexion extérieure sont formés dans un niveau de couche métallique situé au-dessous du niveau correspondant aux électrodes réfléchissantes et non pas dans le même niveau que les électrodes réfléchissantes. Pour la fabrication de ce circuit intégré d'affichage matriciel, on réalise dans un substrat monolithique des circuits électronique de commande et on planarise le substrat par une couche isolante, puis on dépose une couche conductrice réfléchissante recouverte d'une couche non-réfléchissante, et on grave dans cette superposition de couches un motif comportant un réseau d'électrodes en lignes et en colonnes servant à l'affichage, on dépose une couche électriquement isolante, on grave cette couche selon le motif désiré pour laisser un plot espaceur au-dessus d'une zone se trouvant à un point de jonction entre quatre électrodes adjacentes, et on élimine la couche non réfléchissante là où elle n'est pas recouverte par le plot espaceur, pour définir des électrodes réfléchissantes correspondant chacune à un pixel d'image. Les étapes suivantes sont la définition de plots de contact pour la communication du circuit avec l'extérieur, puis la mise en place d'un cordon périphérique de scellement et d'une plaque de confinement, le remplissage par un cristal liquide et la fermeture étanche de l'espace rempli de cristal. Ces dernières opérations peuvent être effectuées sur une tranche semiconductrice collective ou sur les puces individuelles après découpage de la tranche en puces. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 5 à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue générale simplifiée, en coupe latérale, d'un circuit intégré d'affichage à cristaux liquides ; - la figure 2 représente en vue de dessus agrandie un groupe de 10 quatre électrodes adjacentes correspondant à quatre pixels d'image ; - la figure 3 représente en vue de dessus encore plus agrandie la disposition d'un plot espaceur au carrefour d'une ligne et d'une colonne d'électrodes ; - la figure 4 représente en coupe latérale la constitution du plot 15 espaceur; - les figures 5 à 9 représentent les différentes étapes de fabrication du plot espaceur ; - la figure 10 et la figure 11 représentent, en vue de dessus et en coupe latérale, une variante de réalisation du plot espaceur. 20 Sur la figure 1, on a représenté une puce de silicium 10 dans laquelle on a formé, par des technologies de microélectronique classique, les circuits électroniques de commande d'un afficheur matriciel à cristaux liquides ; les points d'image individuels, ou pixels, de l'afficheur sont définis 25 sur la surface supérieure de la puce par des électrodes réfléchissantes agencées en réseau de lignes et de colonnes. La surface supérieure de la puce est recouverte d'un cristal liquide 12. Ce cristal est enfermé entre la puce et une plaque transparente 14, en principe une plaque de verre revêtue d'une contre-électrode transparente ; la 30 plaque est placée au-dessus de la puce. La plaque est scellée à la puce par un cordon de colle périphérique 16 entourant toute la matrice d'électrodes. L'écartement entre la plaque et la puce définit l'épaisseur de cristal liquide présent entre les électrodes du réseau et la contre-électrode. Cet écartement est maintenu constant sur toute la surface de la matrice par des espaceurs 35 18 de hauteur constante, répartis sur cette surface. Les espaceurs sont intégrés sur la surface de la puce, c'est-à-dire qu'ils sont formés par des techniques de dépôt et photolithographie comme les autres éléments intégrés dans la puce. Ils sont disposés entre des groupes d'électrodes adjacentes, par exemple en chaque point où se jouxtent quatre électrodes adjacentes. La figure 2 représente quatre électrodes E1, E2, E3, E4, et un espaceur 18 placé au centre de ce groupe de quatre électrodes adjacentes. Deux variantes de réalisation vont être décrites : dans l'une, l'espaceur ne recouvre pas du tout les électrodes ; dans l'autre l'espaceur 10 recouvre les coins des quatre électrodes adjacentes. Dans la première variante, représentée aux figures 2 à 4, une zone centrale, entre quatre électrodes adjacentes, est réservée pour l'espaceur. A cet effet, pour ménager une place suffisante à l'espaceur, on prévoit que les électrodes ont leurs coins coupés, l'espace ménagé entre les 15 coins coupés des quatre électrodes étant utilisé pour placer l'espaceur. La figure 3 représente, en vue de dessus à grande échelle, cette disposition de l'espaceur 18 par rapport aux électrodes. La figure 4 représente une coupe latérale correspondante selon la ligne IV-IV de la figure 3. Les électrodes sont de préférence constituées par des portions 20 d'une couche d'aluminium. A titre indicatif, les électrodes peuvent avoir environ 10 micromètres de côté. Les électrodes en ligne El, E2 ou E3, E4 ainsi que les électrodes en colonne (E1, E3 ou E2, E4) sont séparées par la distance D minimale (0,4 micromètre par exemple, voire moins) que permettent les règles de photolithographie ; en effet les espaces entre 25 électrodes sont des espaces inutiles pour l'affichage et ils doivent être minimisés pour maximiser le contraste de l'image. L'espace ménagé par les quatre coins coupés des électrodes est un carré ou rectangle dont les côtés sont supérieurs à D (par exemple environ 4D), au centre duquel on trouve l'espaceur 18, constitué par un plot 30 de hauteur H bien définie (ordre de grandeur : 1 micromètre), de forme trapézoïdale compte-tenu des procédés de gravure utilisés. Dans l'exemple représenté, la forme de la base du plot est octogonale, mais elle pourrait aussi être carrée ou circulaire. La distance entre côtés opposés (ou le diamètre si c'est un cercle) est par exemple d'environ 1 micromètre. L'espaceur est formé de préférence à partir d'une couche isolante (de préférence de l'oxyde de silicium) qui recouvre une plage 20 de couche de matériau conducteur qui est constitué par le même matériau (en pratique de l'aluminium de faible épaisseur déposé à basse température) que la couche constituant les électrodes réfléchissantes El à E4. Entre la plage d'aluminium 20, à la base de l'espaceur, et la couche d'oxyde de silicium, il y a également une couche non-réfléchissante 22. La couche 22 peut être formée par une fine couche (environ 500 à 1000 angstrôms) de nitrure de titane déposée sur l'aluminium. L'oxyde étant transparent, la couche de nitrure de titane empêche la couche d'aluminium de recevoir et de renvoyer la lumière ambiante ; le coefficient de réflexion en lumière visible est typiquement divisé par un facteur d'au moins trois (et même beaucoup plus pour certaines gammes de longueurs d'onde) en présence d'une couche de 600 angstrbms de nitrure de titane, dans un espaceur ayant 1,3 micromètre d'épaisseur d'oxyde de silicium sur 0,2 micromètre d'épaisseur d'aluminium. La hauteur totale du plot espaceur 18 au-dessus de la surface des électrodes El à E4 est la somme de la hauteur d'oxyde de silicium et de la hauteur de la couche non-réfléchissante 22 (les électrodes recouvertes de cristal liquide ne sont pas recouvertes de nitrure de titane puisqu'elles doivent être aussi réfléchissantes que possible). La largeur de la plage conductrice 20 est de préférence d'environ 2D (0,8 micromètres), et elle est séparée des coins coupés des électrodes par une distance D. La dimension D et les autres distances sont choisies aussi faibles que possible compte-tenu des règles de dessin applicables à la technologie utilisée. On va maintenant décrire en référence aux figures 5 à 9 le procédé de fabrication des espaceurs. Les circuits de commande électronique sont fabriqués d'abord par des technologies microélectronique quelconques dans le détail desquelles il n'est pas nécessaire d'entrer. Les espaceurs sont réalisés ensuite. On ne représente pas sur les figures les différents circuits réalisés : la figure 5 représente uniquement, et schématiquement, les couches supérieures d'interconnexions réalisées à la fin de la fabrication. Ces couches supérieures comprennent classiquement plusieurs niveaux conducteurs séparés les uns des autres par des couches isolantes de planarisation. On peut considérer pour simplifier qu'il y a plusieurs niveaux de conducteurs, par exemple quatre niveaux, noyés dans une couche isolante globale planarisée 25 et interconnectés entre eux par des vias ponctuels à travers l'isolant. Les niveaux conducteurs inférieurs peuvent être tous réalisés par des couches d'aluminium revêtues d'une couche anti-réfléchissante (en nitrure de titane notamment) afin de minimiser les réflexions parasites dues aux couches enterrées. On a représenté uniquement un avant-dernier niveau conducteur M3, formé par exemple par une couche d'aluminium ou une couche d'aluminium revêtue d'une couche antiréfléchissante de nitrure de titane. Le dernier niveau de métallisation est un niveau M4 qui est formé à ce stade par une couche d'aluminium déposée à basse température et sous faible épaisseur (de l'ordre de 2 000 angstrôms alors que les couches inférieures peuvent être plus proche de 5 000 ou 10 000 angstrôms). Le dépôt à basse température, sur une couche isolante bien planarisée au préalable, présente l'avantage de minimiser les défauts de surface de l'aluminium et donc de lui conférer une qualité de réflectivité optimale. Le dernier niveau M4 est en effet celui dans lequel on réalise les électrodes réfléchissantes correspondant à chaque pixel. Avant de graver la couche M4 pour définir ces électrodes, on dépose selon l'invention une couche uniforme non-réfléchissante 22, de préférence du nitrure de titane. Le nitrure de titane peut ensuite être enlevé sélectivement sans dégrader la couche d'aluminium. A titre indicatif, l'épaisseur de nitrure de titane peut être de 600 angstrôms. Par une opération de photolithographie (figure 6) on définit le réseau d'électrodes (électrode El sur la figure 6) et simultanément les plages 20 qui formeront la base des espaceurs dans la variante de réalisation correspondant aux figures 2 à 4. La largeur de l'espace entre électrodes ou entre électrodes et plages 20 est la plus petite permise par la technologie. Dans cette opération, on attaque la couche de nitrure de titane et la couche d'aluminium par une seule opération de masquage, grâce à des produits de gravure adaptés à chacun de ces matériaux. On dépose ensuite (figure 7) une couche uniforme d'isolant 32, de préférence de l'oxyde de silicium, qui recouvre les électrodes et les plages 20. L'épaisseur déposée est déterminée en fonction de la hauteur désirée pour les espaceurs ; en effet, c'est cette couche qui formera l'essentiel de la hauteur du plot espaceur. Comme on le voit, un léger relief en creux apparaît en haut de la couche 32 du fait du relief sous-jacent créé par la gravure des électrodes et de l'espaceur ; cependant le haut de la couche 32 au-dessus de la plage 20 est globalement plan dès lors que la largeur de la plage 20 (0,8 micromètre par exemple) est suffisamment supérieure à la largeur des espaces entre électrodes et plage 20 (0,4 micromètre par exemple). On grave ensuite (figure 8) la couche isolante 32 à travers un masque qui définit les espaceurs, pour laisser subsister seulement les plots io espaceurs 18 tels que celui de la figure 4. La gravure de toute l'épaisseur de la couche d'isolant peut provoquer une légère surgravure de la couche isolante 25 là où elle n'est pas protégée par les électrodes. En effet, il n'y a pas de sélectivité de gravure entre la couche 25 et la couche 32 si elles sont toutes deux en oxyde de silicium. Cependant cette surgravure ne pose pas 15 de problème car elle ne modifie pas la hauteur de l'espaceur par rapport à la surface supérieure des électrodes. Sur la figure 8, on a considéré que le masque qui définit les espaceurs lors de cette gravure de la couche 32 est identique à celui qui définit les plages 20 d'aluminium recouvert de nitrure de titane, et on a considéré qu'il était parfaitement aligné avec ce dernier. Pour 20 éviter des risques de désalignement, on peut prévoir de préférence que le masque qui définit l'espaceur est légèrement plus grand que celui qui définit la plage 20, l'espaceur débordant alors de part et d'autre de la plage 20 comme représenté à la figure 4. On enlève ensuite la couche de nitrure de titane 22 là où elle n'est 25 pas protégée par les espaceurs, pour que les électrodes qui vont être recouvertes de cristal liquide ne comportent plus que la couche réfléchissante d'aluminium M4. L'élimination de la couche 22 se fait sans masque, par un produit de gravure qui n'attaque ni la couche isolante 32 ni la couche M4. 30 Les espaceurs ainsi formés ont une hauteur au-dessus de la surface supérieure des électrodes qui est la somme de la hauteur de la couche de nitrure de titane 22 et de la couche d'isolant 32. La figure 9 représente à titre d'exemple une étape supplémentaire pour la formation d'un plot de contact destiné à la soudure ultérieure d'un fil 35 de connexion extérieure. Plutôt que de former ce plot de contact dans la couche M4 comme c'est l'habitude (contact sur le dernier niveau de métallisation), on préfère former le plot dans le niveau métallique immédiatement inférieur M3 ; ceci permet d'adapter la constitution e la couche M3 en fonction de cette destination, plutôt que d'adapter la couche M4 qui doit répondre déjà à d'autres impératifs tels que la qualité de réflexion. On ouvre donc la partie supérieure de la couche isolante 25 pour former un puits d'accès à la couche conductrice inférieure M3 ; on dénude ainsi une plage conductrice pouvant constituer un plot de soudure d'un fil de io connexion extérieure. Dans une autre variante de réalisation, représentée aux figures 10 et 11, on ne coupe pas les coins des électrodes, ce qui veut dire que l'espace entre les électrodes adjacentes reste partout à une valeur minimale (0,4 micromètre par exemple) ; et on ne prévoit pas de plage centrale 20 au- 15 dessous de l'espaceur ; mais on prévoit un plot 18 d'oxyde de silicium suffisamment large pour recouvrir les quatre coins de quatre électrodes adjacentes. La largeur du plot est à peu près égale à la largeur du carré qui était défini à la figure 3 par les coins coupés des électrodes (environ 1,2 micromètre). Le procédé de fabrication est exactement le même que le 20 précédent ; lors de l'enlèvement de la couche de nitrure de titane 22, le nitrure de titane reste sous le plot espaceur, de sorte que les coins des électrodes (qui ne sont pas recouverts de cristal liquide et qui ne peuvent donc pas moduler la lumière en fonction de l'image) restent revêtus d'une couche non-réfléchissante et ils ne produisent donc pas de réflexion parasite. 25 REVENDICATIONS 1. Circuit intégré d'affichage matriciel à cristaux liquides comportant sur un substrat monolithique (10) un réseau de lignes et colonnes d'électrodes élémentaires réfléchissantes (El à E4) définissant chacune un pixel d'affichage, et des circuits électroniques de commande de ces électrodes, situés sous le réseau d'électrodes, le circuit comportant en outre un cristal liquide (12) recouvrant les électrodes, une plaque de confinement transparente (14) retenant le cristal liquide, et des plots espaceurs (18) répartis sur la surface du substrat pour maintenir constant l'espacement entre les électrodes et la plaque de confinement, les plots espaceurs étant localisés chacun à un point de jonction entre quatre électrodes adjacentes, caractérisé en ce qu'un plot espaceur comporte une plage conductrice (20) composée du même matériau que les électrodes réfléchissantes, ce matériau étant recouvert d'une couche non réfléchissante (22) et d'une couche électriquement isolante (32). 2. Circuit d'affichage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante (32) est en oxyde de silicium. 3. Circuit d'affichage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche non réfléchissante est en nitrure de titane. 4. Circuit d'affichage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau des électrodes et de la plage conductrice est de l'aluminium. 5. Circuit d'affichage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau des électrodes et de la plage conductrice a une épaisseur d'environ 2000 angstrôms. 30 6. Circuit d'affichage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la plage conductrice (20) recouverte par la couche non réfléchissante et la couche isolante est une portion de couche conductrice séparée des quatre électrodes adjacentes qui l'environnent, les électrodes25ayant des coins coupés pour laisser une place suffisante pour la plage conductrice. 7. Circuit d'affichage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la plage conductrice est constituée par les quatre coins non coupés des électrodes adjacentes. 8. Circuit d'affichage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les circuits de commande comportent plusieurs niveaux de couches métalliques d'interconnexion au-dessous d'un niveau (M4) correspondant aux électrodes réfléchissantes, et en ce que le circuit d'affichage comporte un plot de connexion extérieure constitué dans un niveau de couche métallique (M3) situé au-dessous du niveau correspondant aux électrodes réfléchissantes. 9. Procédé de fabrication d'un circuit intégré d'affichage matriciel à cristaux liquides, dans lequel on réalise dans un substrat monolithique (10) des circuits électroniques de commande et on planarise le substrat par une couche isolante (25), puis on dépose une couche conductrice réfléchissante (M4) recouverte d'une couche non- réfléchissante (22), et on grave dans cette superposition de couches un motif comportant un réseau d'électrodes en lignes et en colonnes servant à l'affichage, on dépose une couche électriquement isolante (32), on grave cette couche selon le motif désiré pour laisser un plot espaceur (18) au-dessus d'une zone se trouvant à un point de jonction entre quatre électrodes adjacentes, et on élimine la couche non réfléchissante (22) là où elle n'est pas recouverte par le plot espaceur, pour définir des électrodes réfléchissantes correspondant chacune à un pixel d'image. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche conductrice réfléchissante est en aluminium déposé à basse température.