(57)【要約】【課題】  絶縁性基板上に形成した非晶質シリコン系薄膜にパルスレーザースキャンして多結晶シリコン系薄膜を形成する方法では、高温での脱水素処理を施す必要の無い低水素含有量の非晶質シリコン系薄膜をパルスレーザースキャンの前に大気暴露すると非晶質シリコン系薄膜が酸化する課題があった。【解決手段】  絶縁性基板上に非晶質シリコン系薄膜を形成する工程とパルスレーザースキャンにより結晶化する工程を有する多結晶シリコン系薄膜の形成方法において、非晶質シリコン系薄膜を形成した絶縁性基板を真空中または不活性雰囲気で搬送し、少なくとも一回のパルスレーザースキャンにより結晶化する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、前記非晶質シリコン系薄膜を形成した絶縁性基板を真空中または不活性雰囲気で搬送し、パルスレーザースキャンにより前記非晶質シリコン系薄膜を結晶化する工程とを備えることを特徴とする多結晶シリコン系薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記非晶質シリコン系薄膜が触媒ＣＶＤ法により前記絶縁性基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン系薄膜の形成方法。
【請求項３】
前記非晶質シリコン系薄膜が１．０Atomic％以下の水素含有量であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多結晶シリコン系薄膜の形成方法。
【請求項４】
絶縁性基板上に非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、前記非晶質シリコン系薄膜を形成した絶縁性基板を真空中または不活性雰囲気で搬送し、パルスレーザースキャンにより前記非晶質シリコン系薄膜を結晶化する工程と、前記結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、前記絶縁性基板を用いて表示素子を形成する工程と、を備えることを特徴とする表示装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタ用多結晶シリコン系薄膜の形成方法、及びこの薄膜トランジスタを用いた液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の薄膜トランジスタ用非晶質シリコン系薄膜の結晶化方法では、ガラス基板上に形成したアモルファスシリコン膜を６００℃程度の高温で数時間アニールして脱水素処理を施した後、ラインビーム状のパルスレーザーを一方向に（照射）走査することによってアモルファスシリコン膜を結晶化させている（例えば、非特許文献１を参照）。また、プロセスに負担のかかる高温の脱水素処理の代換え手段として、触媒ＣＶＤ法により低水素含有量アモルファスシリコン膜を形成し、脱水素処理を施すことなくアモルファスシリコン膜を結晶化させる方法が提案さてれている（例えば、非特許文献２を参照）。
【非特許文献１】「エキシマレーザアニール法によるアモルファスシリコンの結晶化」日本製鋼所技術報Ｎｏ．５４（１９９８年８月発行）
【非特許文献２】余頃祐介、増田淳、松村英樹、共著「Ｃａｔ−ＣＶＤ法で作製した低水素含有量ａ−Ｓｉ：Ｈ膜のＥＬＡによる結晶化（２）」、第６３回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集第２分册７８０頁、講演日：２００２年９月２６日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
液晶ディスプレイの低コスト化のためにガラス基板上に画素領域と周辺回路領域を設けてそれらの領域で画素及び周辺回路を並行して形成することが一般に行われている。アモルファスシリコン膜へのパルスレーザー照射により良好なポリシリコン膜を得るためには２８０ｍｊ／ｃｍ２  程度以上の比較的高いエネルギー密度のパルスレーザー照射が必要であり、非特許文献1に記載のように、照射前にアモルファスシリコン膜に含まれる水素を低減するために６００℃程度の高温雰囲気に数時間放置し水素含有量を低減させる必要があった。その理由はパルスレーザー照射によって生じる水素の突沸によるポリシリコン膜の膜面荒れを防止するためである。この脱水素プロセスは高温放置のため昇温（数時間）−放置（数時間）−降温（数時間）を要し、タクトタイムの増大によりプロセス上の負担があった。このプロセス上の負担を低減させる方法として、例えば非特許文献２には、触媒ＣＶＤ法により低水素含有量アモルファスシリコン膜を形成し、脱水素処理を施すことなくシリコン膜を結晶化させる方法が提案さてれているが、アモルファスシリコン膜中の水素含有量が低下するにしたがってアモルファスシリコン膜が酸化しやすくなる課題があった。特に、１Atomic％以下になると著しい酸化がおこり、高いエネルギー密度を有するパルスレーザー照射により結晶性の高い多結晶シリコン系膜が得られても、多結晶シリコン薄膜トランジスタを形成した際に電子移動度が大きくならないという課題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、液晶ディスプレイに用いる薄膜トランジスタのシリコン膜の結晶化方法に関し、量産時のタクトタイムを縮小すると共に高移動度な薄膜多結晶シリコントランジスタを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、本発明の多結晶シリコン系薄膜の形成方法は、絶縁性基板上に非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、非晶質シリコン系薄膜を形成した絶縁性基板を真空中または不活性雰囲気で搬送し、パルスレーザースキャンにより結晶化する工程を備えることとした。ここで、非晶質シリコン系薄膜を触媒ＣＶＤ法により形成することとした。さらに、非晶質シリコン系薄膜が１．０A tomic％以下の水素含有量であることとした。
【０００６】
また、本発明による表示装置の製造方法は、絶縁性基板上に非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、非晶質シリコン系薄膜を形成した絶縁性基板を真空中または不活性雰囲気で搬送し、パルスレーザースキャンにより非晶質シリコン系薄膜を結晶化する工程と、このようにして結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、絶縁性基板を用いて表示素子を形成する工程と、を備えている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、量産時のタクトタイムを縮小すると共に高移動度な薄膜多結晶シリコントランジスタを形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の多結晶シリコン系薄膜の形成方法では、絶縁性基板上に非晶質シリコン系薄膜を形成する工程とパルスレーザースキャンにより結晶化する工程を有する多結晶シリコン系薄膜の形成方法において、非晶質シリコン系薄膜を形成した絶縁性基板を真空中または不活性雰囲気で搬送し、少なくとも一回のパルスレーザースキャンにより結晶化する。非晶質シリコン系薄膜を酸化させることなく結晶化できるので、高移動度の薄膜多結晶シリコントランジスタを形成することが可能となる。
【０００９】
また、触媒ＣＶＤ法により低水素含有量（特に１．０Atomic％以下）の非晶質シリコン系薄膜を形成し、パルスレーザースキャンにより結晶化して多結晶シリコン系薄膜を形成することにより、さらに高移動度の薄膜多結晶シリコントランジスタを形成することが可能となる。
【００１０】
また、本発明による表示装置の製造方法は、絶縁性基板上に非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、非晶質シリコン系薄膜を形成した絶縁性基板を真空中または不活性雰囲気で搬送し、パルスレーザースキャンにより非晶質シリコン系薄膜を結晶化する工程と、このようにして結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、絶縁性基板を用いて表示素子を形成する工程を備えている。
【００１１】
表示装置として、例えば、液晶表示装置の場合には、第一の絶縁性基板上に非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、非晶質シリコン系薄膜を形成した絶縁性基板を真空中または不活性雰囲気で搬送し、パルスレーザースキャンにより非晶質シリコン系薄膜を結晶化する工程と、このようにして結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、薄膜トランジスタの電極に接続する画素電極を設ける工程と、第二の基板に対向電極を形成する工程と、第一の絶縁性基板と第二の基板との間隙に液晶層を設ける工程を備えている。また、ＥＬ表示装置の場合には、第一の絶縁性基板上に非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、非晶質シリコン系薄膜を形成した絶縁性基板を真空中または不活性雰囲気で搬送し、パルスレーザースキャンにより非晶質シリコン系薄膜を結晶化する工程と、このようにして結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、薄膜トランジスタの電極に接続する画素電極を設ける工程と、画素電極が形成された第一の絶縁性基板上にＥＬ層を設ける工程と、ＥＬ層の上に第二の電極を形成する工程を備えている。
【実施例１】
【００１２】
本発明による多結晶シリコン系薄膜の形成方法の実施例を図１〜図４に基づいて説明する。まず、本実施例で非晶質シリコン系薄膜を形成する手段として用いた触媒ＣＶＤ法について、図２を用いて説明する。図２は触媒ＣＶＤ法の一例の模式図を示している。真空チャンバー１６内は真空ポンプによる排気１５によって高真空に保たれ、真空度は真空計１９によって計測される。またマスフローコントローラを介して精密に流量コントロールされた原料ガス１０がシャワーヘッド１１から真空チャンバー１６内に供給され、またチャンバー１６内のガス圧力を真空計１９でモニターしながら、排気速度を制御してチャンバー１６内の圧力を一定に保つ自動圧力制御機構１８が排気系に設けられている。また、原料ガス１０を熱分解するための触媒体１２がシャワーヘッド１１の噴出部近傍に設けられ、触媒体１２には電源部１７から触媒体１２を加熱するための電力が供給される。さらに、基板１３を支持する基板ホルダー１４は６００℃の温度まで任意の温度に制御できる機構が設けられている。図３に本実施例で用いた触媒体１２の形状を模式的に示す。本実施例では触媒体１２として直径０．５ｍｍの高純度タングステン（例えば純度９９．９９９％）を基板面に平行かつ均一に加工したタングステンワイヤー２１を用いた。尚、タングステンワイヤー２１の形状を保つためのテンション機構は記載を省略した。また、本実施例では単位面積（１ｃｍ２  ）当り０．０９ｃｍ２  の表面積になるように（以下０．０９ｃｍ２  ／ｃｍ２  と記載）、タングステンワイヤー２１を図３のような所望の形状に加工したものを用いた。ここで、タングステンワイヤーの形状は図３に示したようなコの字状の繰り返しに限られるわけではなく、また、一筆書きの必要もない。すなわち、基板上へ堆積した膜の膜厚が概ね均一になるようにタングステンワイヤーを加工すれば良い。次ぎに図５を用いてパルスレーザースキャンの装置を説明する。図５に示すようにレーザー３０を光学系によりスキャン方向に対して直角方向に長辺を有する長方形に整形し、絶縁性基板１に対して任意のステップでパルス状にレーザー３０をスキャンできる駆動系が設けられている。
【００１３】
まず、図１に示すように、上述の触媒ＣＶＤ法を用いてここでは非晶質シリコン系薄膜２の一例として原料ガスにＳｉＨ４  とＨ２  を用いてアモルファスシリコン膜を絶縁性基板１上に５００Å堆積した。本実施例では絶縁性基板１として３７０ｃｍ×４７０ｃｍ×０．７ｍｍｔのガラス基板を用いた。本実施例の堆積条件は、真空チャンバー１６の到達真空度＜１．０×１０−６torr、触媒体１２の単位面積当りの表面積約０．０９ｃｍ２  ／ｃｍ２  、触媒体１２の表面温度１８００℃、基板ホルダー１４の温度５００℃、原料ガス１０として流量５０ｓｃｃｍのＳｉＨ４  ・流量１０ｓｃｃｍのＨ２  、自動圧力制御機構１８によりチャンバー内の圧力を１Ｐａに保持し、触媒体１２と基板ホルダー１４の距離を５０ｍｍとした。この条件により、約３０Å／ｓｅｃの堆積速度で５００Åの非晶質シリコン系薄膜２を得ることができた。また、上述の条件により得られた非晶質シリコン系薄膜２の水素含有量は２．０Atomic％であった。この成膜条件は一例であり、条件を変えても容易に低水素含有量（例えば＜３．０Atomic％）の非晶質シリコン系薄膜２の形成が可能であった。
【００１４】
上述のような触媒ＣＶＤ法を用いて成膜した低水素含有量（３．０Atomic％以下）の非晶質シリコン系薄膜２を、図１（ｃ）に示すように成膜後大気暴露させることなく真空中にてパルスレーザースキャン４を用いて結晶化させて多結晶シリコン系薄膜３を得た。ここで、多結晶シリコン系薄膜の評価方法にはラマン分光法を用いた。ラマン分光法による結晶性の評価は一般的であり、ラマンシフトの半値幅計測することにより結晶性を評価できる。本実施例で得られた多結晶シリコン膜３を評価したところ、半値幅は４．３ｃｍ−１であり、結晶性の高い膜で有ることがわかった。ここでパルスレーザースキャン４には、長さ４００ｃｍ×幅２００μｍ、エネルギー密度が２８０ｍｊ／ｃｍ２  でパルス周波数３００Ｈｚのエキシマレーザーを用い、９０％のオーバーラップ率で絶縁性基板１上のアモルファスシリコン膜２にレーザー光をスキャンして照射した。
【００１５】
ここで、本実施例で得られた多結晶シリコン系薄膜３を用いて薄膜トランジスタを構成した一例について図４を参照しながら説明する。まず、絶縁性基板１０１上に形成した多結晶シリコン系薄膜１０３を周知の如く素子分離した後、ゲート絶縁膜１０７およびゲート電極１０６を形成した後、層間絶縁膜１０２およびこの層間絶縁膜１０２に形成したコンタクトホール１０５を介して多結晶シリコン薄膜１０３に接続されるソース・ドレイン電極１０４を形成すると、薄膜トランジスタが完成する。ここで多結晶シリコン系薄膜１０３への不純物拡散工程は本発明とは直接関係が無く、また説明が煩雑になるため省略した。本実施例１ではＮ型不純物（例えばＰ）を用いてＮチャンネル薄膜トランジスタを形成し、特性評価したところ高電子移動度（１７０ｃｍ２  ／Ｖｓｅｃ）が得られた。
【実施例２】
【００１６】
本実施例の多結晶シリコン系薄膜の形成方法を実施例１と同様に、図面を用いて説明する。尚、実施例１で説明した内容と重複する説明は適宜省略する。図２で示す基板１３の表面温度を基板に熱電対を埋め込み計測したところ、主に触媒体１２の単位面積当りの表面積と表面温度、基板ホルダー１４の表面温度と触媒体１２と基板１３の距離に依存することがわかった。この触媒ＣＶＤ法の温度依存性の調査実験結果から、（１）触媒体１２の単位面積当りの表面積を大きくする、（２）触媒体１２の表面温度を上げる、（３）基板ホルダー１４の表面温度を上げる、（４）触媒体１２と基板１３の距離を短くする、ことにより堆積時の基板１３の表面温度を上げることが可能であることがわかった。また、基板１３の表面温度を上げる条件にて非晶質シリコン系薄膜２を成膜して水素含有量を算出したところいずれも水素含有量が減少する傾向が見られた。すなわち、基板１３の表面温度と非晶質シリコン系薄膜２の水素含有量には相関関係があり、基板１３の表面温度を上げることにより非晶質シリコン系薄膜２の水素含有量が低下した。
【００１７】
本実施例では触媒体１２の単位面積当りの表面積を大きくすることにより、基板１３の表面温度を上げて水素含有量１Atomic％以下の非晶質シリコン系薄膜２を成膜した。ここで、本実施例で用いた成膜条件の一例を示す。真空チャンバー１６の到達真空度＜１．０×１０−６torr、触媒体１２の単位面積当りの表面積約０．１８ｃｍ２  ／ｃｍ２  、触媒体１２の表面温度１８００℃、基板ホルダー１４の温度５００℃、原料ガス１０としてＳｉＨ４  ：５０ｓｃｃｍ、Ｈ２  ：１０ｓｃｃｍ、チャンバー内の圧力は自動圧力制御機構１８により１Ｐａに保持し、触媒体１２と基板ホルダー１４との距離は４０ｍｍとした。この条件により、約４５Å／ｓｅｃの堆積速度で５００Åの非晶質シリコン系薄膜２を得ることができた。また、上述の条件の非晶質シリコン系薄膜２の水素含有量は０．６Atomic％であり、堆積時の基板１３の温度は４５０℃であった。
【００１８】
ここでは、触媒体１２の単位面積当りの表面積を大きくすることにより、基板１３の表面温度を上げて水素含有量１Atomic％以下のアモルファスシリコン膜を成膜したが、以下の（１）〜（４）の手法とその組み合わせにより、基板１３の表面温度を上げて水素含有量１Atomic％以下の非晶質シリコン系薄膜２を成膜することが可能であった。（１）触媒体１２の単位面積当りの表面積を大きくする。（２）触媒体１２の表面温度を上げる。（３）基板ホルダー１４の表面温度を上げる。（４）触媒体１２と基板１３の距離を短くする。
【００１９】
上述のような触媒体ＣＶＤ法を用いて成膜した低水素含有量（１．０Atomic％以下）の非晶質シリコン系薄膜２を、図１（ｃ）に示すように成膜後大気暴露させることなく真空中にてパルスレーザースキャン４を用いて結晶化させて多結晶シリコン系薄膜３を得た。本実施例で得られた多結晶シリコン膜３のラマンシフトの半値幅を計測したところ、半値幅は３．９ｃｍ−１であり、結晶性の高い膜で有ることがわかった。ここでパルスレーザー４には、長さ４００ｃｍ×幅２００μｍ、エネルギー密度が３６０ｍｊ／ｃｍ２  でパルス周波数３００Ｈｚのエキシマレーザーを用い、９３％のオーバーラップ率で絶縁性基板１上の非晶質シリコン系薄膜２にレーザー光をスキャンして照射した。本実施例では非晶質シリコン系薄膜２として１．０Atomic％以下の超低水素含有量のアモルファスシリコン膜を用いたため、比較的高いエネルギー密度でも突沸することなくパルスレーザースキャン４が可能であり、結晶性の高い多結晶シリコン系薄膜３が形成できた。
【００２０】
ここで、本実施例１と同様の工程でＮチャンネル薄膜トランジスタを形成し、特性評価したところ実施例１より高い電子移動度（２８０ｃｍ２  ／Ｖｓｅｃ）が得られた。
【実施例３】
【００２１】
上述のように作製された半導体膜を用いて図４で示したように薄膜トランジスタを形成し、さらに、この薄膜トランジスタが形成された基板を用いて液晶表示装置を作製した。薄膜トランジスタのドレイン電極にＩＴＯよりなる透明画素電極を設け、さらにその上に配向膜を作製し、この配向膜を配向処理してアレイ基板とする。次に、ガラス基板上にカラーフィルターを設け、その上にＩＴＯよりなるコモン電極を形成し、同様に配向膜を形成、配向処理をして対向基板とする。このアレイ基板と対向基板を相対向させ、間隙に液晶を狭持し、周囲をシール剤で保持して液晶表示装置を作製した。
【００２２】
このように作製された液晶表示装置は、簡便な方法で作製されたにもかかわらず、トランジスタ特性のバラツキが抑えられているために、表示の均一性に優れたものであった。液晶表示装置の表示方式には、液晶の初期配向状態により、ＴＮモード、ＩＰＳモード、ＶＡモード、ＥＣＢモード等があるが、本発明はこれら液晶の表示方式にかかわらず、同様の効果を得ることが出来る。
【実施例４】
【００２３】
上述のように作製された半導体膜を用いて図４で示したように薄膜トランジスタを形成し、さらに、この薄膜トランジスタが形成された基板を用いてＥＬ表示装置を作製した。薄膜トランジスタのドレイン電極にＩＴＯよりなる透明画素陽極を設け、さらにその上に銅フタロシアニン等よりなる正孔注入層を蒸着法により形成する。同様に、蒸着法を用いてα−ＮＰＤよりなる正孔輸送層、Ａｌｑ３よりなる発光層を積層させる。次に、やはり蒸着法を用いて、ＬｉＦとＡｌよりなる陰極を形成し、素子を保護するために封止基板をシール剤により接着接合し、有機ＥＬ表示装置とした。
【００２４】
このように作製された有機ＥＬ表示装置は、簡便な方法で作製されたにもかかわらず、トランジスタ特性のバラツキが抑えられているために、表示の均一性に優れたものであった。
【００２５】
また、本実施例では薄膜トランジスタ１個で駆動する例を示したが、有機ＥＬ表示装置は電流駆動にする場合が見られ、複数のトランジスタで定電流回路を形成し、表示装置を構成する場合がある。このような場合は、回路を構成する複数のトランジスタの均一性が要求されることは言うまでもなく、本発明で示されたトランジスタの高い均一性が高い効果をもたらす。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明により、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等に用いる薄膜トランジスタ用の結晶性の高い多結晶シリコン系薄膜がプロセス上の負担となる高温の脱水素工程を用いることなく形成可能となる。したがって、表示品位の高いディスプレイが生産性良く製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による多結晶シリコン薄膜の形成方法を模式的に示す概略図である。
【図２】本発明で用いた装置を模式的に示す概略図である。
【図３】実施例で用いた触媒体を表す概要図である。
【図４】本発明による薄膜トランジスタの断面構造を表す概略図である。
【図５】実施例で用いたパルスレーザースキャン装置の概要を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  絶縁性基板
２  非晶質シリコン系薄膜
３  多結晶シリコン系薄膜
４  パルスレーザー
１０  原料ガス
１１  シャワーヘッド
１２、２１  触媒体
１３  基板
１４  基板ホルダー
１５  真空排気
１６  真空チャンバー
１７  電源部  
１８  自動圧力制御機構
１９  真空計
１０２  層間絶縁膜
１０３  多結晶シリコン膜
１０４  ソース・ドレイン電極
１０５  コンタクトホール
１０６  ゲート電極
１０７  ゲート絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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