(57)【要約】【課題】シリコンなどの半導体膜に連続発振レーザを走査しながら照射して帯状の擬似単結晶を連続かつ方向制御して成長させる際の溶融半導体の凝集を抑制して、高性能の薄膜トランジスタを用いたシステムインパネル方式の表示装置を得る。【解決手段】絶縁基板１０１の上に形成されたシリコン窒化膜１０２と、シリコン窒化膜の上に形成されたシリコン酸化膜１０３と、シリコン酸化膜１０３の上に形成された半導体膜１０４と、半導体膜１０４を用いた薄膜トランジスタとを有する。シリコン酸化膜１０３を、ＳｉＨ4とＮ2Ｏとを原料ガスとして成膜した第１のシリコン酸化膜と、ＴＥＯＳガスを原料ガスとして成膜した第２のシリコン酸化膜とで構成し、前記半導体膜を、結晶粒が帯状の形状を有する擬似単結晶とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の上に形成されたシリコン窒化膜と、
前記シリコン窒化膜の上に形成されたシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸化膜の上に形成された半導体膜と、
前記半導体膜を用いた薄膜トランジスタとを有する表示装置であって、
前記シリコン酸化膜は、ＳｉＨ4とＮ2Ｏとを原料ガスとして成膜した第１のシリコン酸化膜と、ＴＥＯＳガスを原料ガスとして成膜した第２のシリコン酸化膜とを有し、
前記半導体膜は、結晶粒が帯状の形状を有する擬似単結晶であることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の上に形成されたシリコン窒化膜と、
前記シリコン窒化膜の上に形成されたシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸化膜の上に形成された半導体膜と、
前記半導体膜を用いた薄膜トランジスタとを有する表示装置の製造方法であって、
前記シリコン酸化膜を、ＳｉＨ4とＮ2Ｏとを原料ガスとして成膜した第１のシリコン酸化膜と、ＴＥＯＳガスを原料ガスとして成膜した第２のシリコン酸化膜とで構成し、
前記半導体膜に対して連続発振レーザを走査しながら照射することにより、前記半導体膜を溶融させてから結晶化させ、結晶粒が帯状の形状を有する擬似単結晶に改質す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、表示装置とその製造方法に係り、アクティブ・マトリクス方式のフラット・パネル型表示装置の製造に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などのアクティブ・マトリクス方式のフラット・パネル型表示装置では、二次元マトリクス状に画素を配置したガラス等の絶縁基板の主面に該画素をオン・オフするための薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた駆動回路や付帯回路を作り込むことで、高精細かつ高速表示を実現できる。
【０００３】
表示領域（画素領域）の画素回路と共に表示のための駆動回路を含む周辺回路をガラス基板を好適とする絶縁基板上に作り込むシステムインパネルを製作するとき、薄膜トランジスタの能動層であるチャネルには、より高機能なシリコン層を用いたほうが有利である。高機能なシリコン層を得る結晶化方法のひとつとして、連続発振レーザを使い、結晶成長を連続かつ方向制御する方法がある。これによって、結晶粒が帯状の形状をした擬似単結晶を得ることができる。
【特許文献１】特開２００６−１９４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の連続発振レーザを用いる方法では、シリコンの溶融時間が長いため、溶融シリコンの表面張力により、経験的には約１．４個／ｃｍ2の頻度でシリコンが凝集する。この凝集が起こると絶縁基板上にシリコン層がない部分ができるので、薄膜トランジスタは動作しなくなり、製造歩留の低下を引き起こす。
【０００５】
トップゲート型で薄膜トランジスタを形成する場合、シリコン層に接する下地膜としてシリコン酸化膜を用いる。シリコン酸化膜の成膜には、プラズマＣＶＤ装置にて、原料ガスとしてＳｉＨ4とＮ2Ｏガスで成膜するシリコン酸化膜（以下、シリコン酸化膜Ａ）と、ＴＥＯＳを原料ガスとして成膜するシリコン酸化膜（以下、シリコン酸化膜Ｂ）の２種類が考えられる。凝集を制御することを重視する場合には、シリコン酸化膜Ａの方がよく、薄膜トランジスタの特性（キャリア移動度、Ｉon）を重視する場合にはシリコン酸化膜Ｂの方がよい。
【０００６】
しかし、下地のシリコン酸化膜としては、ある程度の膜厚を確保しなければならず、シリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂの何れか一方のみでは凝集を抑制しつつ所望の特性を持った薄膜トランジスタを得ることが困難である。尚、シリコン膜の下地膜（シリコン酸化膜）に対する濡れ性を向上させて表面張力の影響を小さくし、溶融したシリコン膜の凝集の発生を抑制する方法として、下地膜にシリコン酸化膜に対し分極率の小さい膜を使うものが特許文献１に開示されている。
【０００７】
本発明の目的は、シリコンなどの半導体膜に連続発振レーザを走査しながら照射して帯状の擬似単結晶を連続かつ方向制御して成長させる際の溶融半導体の凝集を抑制して、高性能の薄膜トランジスタを用いたシステムインパネル方式の表示装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、絶縁基板の上にシリコン窒化膜（シリコンナイトライド）とシリコン酸化膜の下地膜を有し、シリコン酸化膜を、ＳｉＨ4とＮ2Ｏを原料ガスとして成膜するシリコン酸化膜と、ＴＥＯＳを原料ガスとして成膜するシリコン酸化膜の２層とすることで、凝集を抑制し、高性能な薄膜トランジスタを作り込んだシステムインパネルを得ることができる。
【０００９】
トップゲート型でトランジスタを形成する場合、凝集を制御することを重視する場合には、シリコン酸化膜Ａを上層とする方がよく、薄膜トランジスタの特性を（移動度）を重視する場合にはシリコン酸化膜Ｂを上層とする方がよい。本発明の代表的な構成を記述すれば、以下のとおりである。
【００１０】
本発明の表示装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板の上に形成されたシリコン窒化膜と、前記シリコン窒化膜の上に形成されたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜の上に形成された半導体膜と、前記半導体膜を用いた薄膜トランジスタとを有する。
【００１１】
そして、前記シリコン酸化膜を、ＳｉＨ4とＮ2Ｏとを原料ガスとして成膜した第１のシリコン酸化膜と、ＴＥＯＳガスを原料ガスとして成膜した第２のシリコン酸化膜とで構成し、前記半導体膜を、結晶粒が帯状の形状を有する擬似単結晶とした。
【００１２】
又、本発明の上記表示装置を製造する方法は、前記シリコン酸化膜を、ＳｉＨ4とＮ2Ｏとを原料ガスとして成膜した第１のシリコン酸化膜と、ＴＥＯＳガスを原料ガスとして成膜した第２のシリコン酸化膜とで構成し、前記半導体膜に対して連続発振レーザを走査しながら照射することにより、前記半導体膜を溶融させてから結晶化させ、結晶粒が帯状の形状を有する擬似単結晶に改質することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
シリコン酸化膜の合計膜厚を変えずに、シリコン酸化膜をシリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂの２層にすることで、凝集歩留とトランジスタ特性を制御し、所望の凝集歩留、トランジスタ特性を得られ、凝集の抑制とトランジスタ特性の向上を両立することが可能となり、高精細なシステムインパネル方式の表示装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を実施例の図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
実施例１では、実際の実験結果から得た以下の方法を説明する。すなわち、
（１）シリコン酸化膜を２層にすることで、凝集抑制効果、トランジスタ特性は、シリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂの単層の間となる。シリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂの膜厚を制御することで、凝集抑制とトランジスタ特性を制御できる。
（２）シリコン層に接するシリコン酸化膜の特性の方が効果大は大きい。シリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂを同膜厚で使う場合、凝集抑制を優先させるときはシリコン層に接する膜にシリコン酸化膜Ａ、トランジスタ特性を優先させるときはシリコン層に接する膜にシリコン酸化膜Ｂを選べばよい。
（３）以上のように、シリコン酸化膜の上層と下層の膜種、シリコン酸化膜ＡとＢの膜厚を任意に選ぶことで、所望の凝集歩留、トランジスタ特性を得ることができる。
【００１６】
図1は、連続発振レーザを使った結晶化の様子を説明する図である。図２は、凝集発生を説明する図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ｂ線に沿った断面図を示す。図１において、ガラス基板１０１上にガラスからのＮａ不純物湧き上がりを防止するために、シリコン窒化膜１０２及びシリコン酸化膜１０３を形成する。その上にプリカーサシリコン膜１０４を成膜する。プリカーサシリコン膜はＣＶＤで成膜したアモルファスシリコンやポリシリコン又はエキシマレーザにより結晶化した膜でもよい。
【００１７】
プリカーサシリコン膜に連続発振のレーザ光１０５を照射し、結晶をレーザ走査方向Ｓに長く、平坦なシリコン膜（帯状結晶シリコン膜、擬似単結晶シリコン膜）１０６を製作する。この走査は、レーザ照射位置とプリカーサシリコン膜１０４とが相対移動することを意味しており、レーザのみを動かしてもよいし、基板のみを動かしてもよく、また両方を動かしても良い。帯状結晶シリコン膜１０６の隣接間に結晶粒界１０７が形成される。
【００１８】
このとき、シリコン膜上の一点におけるレーザ滞在時間はおよそ数μｓから数百μｓとなる。シリコンの溶融時間も同程度となると考えられ、パルスレーザを使った結晶化よりもはるかに溶融時間が長い。このため、図２に示すような凝集が発生し、シリコン層が凝集した部分２０１と剥離した部分２０２ができる。剥離した部分２０２ではシリコン層が存在しないので、トランジスタが動作しなくなり、歩留が低下する。なお、符号１０６は、結晶粒が帯状の形状を有する擬似単結晶である。
【００１９】
図３は、シリコン酸化膜の種類による凝集の発生状態を説明する図である。シリコン酸化膜１０３の膜質は、凝集の抑制とトランジスタ特性に大きく寄与する。図３（ａ）には、前記シリコン酸化膜１０３にシリコン酸化膜Ｂを使ったときの凝集の様子を示し、図３（ｂ)には、シリコン酸化膜Ａを使ったときの凝集の様子を示す。図３（ｂ)に示すシリコン酸化膜Ａの方が、凝集エリアが小さく、凝集の抑制効果が大きいことがわかる。
【００２０】
図１に示す連続発振のレーザで結晶化した帯状結晶シリコン層の結晶粒界１０７はレーザ走査方向Ｓに揃っているのが特徴である。このため、薄膜トランジスタを作製する際、結晶粒界とソース―ドレインの方向が平行又は垂直とでトランジスタ特性が大きく異なる。
【００２１】
図４は、薄膜トランジスタの能動層における帯状結晶シリコンのチャネル方向と薄膜トランジスタの特性を説明する図である。図４に示すように、粒界とソース４０１、ドレイン４０２を結ぶ方向（チャネル４０３のキャリア移動方向）が帯状結晶シリコンの結晶粒界４０４の延在方向と略平行になるように薄膜トランジスタを作製することで、薄膜トランジスタの特性が大幅に向上する。
【００２２】
図５は、シリコン酸化膜１０３をシリコン酸化膜Ａ又はシリコン酸化膜Ｂで試作したＮチャネル型のシングルドレインの薄膜トランジスタのＶG―ＩD特性の説明図である。横軸にゲート電圧ＶG（Ｖ）を、縦軸にドレイン電流ＩD（Ａ）と相互コンダクタンスｇｍ(μｓ)を示す。図５中、実線はＴＥＯＳガスを用いたシリコン酸化膜Ｂ、点線はＳｉＨ4とＮ2Ｏガスで成膜したリコン酸化膜（シリコン酸化膜Ａ）のＶG―ＩD特性である。図５に示されたように、薄膜トランジスタのドレイン電流ＩD（Ａ）と相互コンダクタンスｇｍ(μｓ)は、シリコン酸化膜Ｂの方が良いことがわかる。また、このときの電界効果移動度はシリコン酸化膜Ａが２４０（Ｖｓ/ｃｍ2）、シリコン酸化膜Ｂが３７５（Ｖｓ/ｃｍ2）となり、シリコン酸化膜Ｂの方が良い。
【００２３】
次に、シリコン酸化膜の合計膜厚を変えずに、シリコン酸化膜をシリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂの２層にすることで、凝集とトランジスタ特性を制御し、所望の凝集、トランジスタ特性を得る方法を説明する。
【００２４】
先ず、凝集の評価方法について説明する。凝集の評価指標に「凝集の広がり角」を用いた。図６は、凝集の評価方法を説明する図である。凝集の広がり角は、図６（ａ）のθに示す角度である。通常の結晶化エネルギでは、図６（ｂ）に示すように凝集が広がらないサンプルもある。凝集の広がり角は，結晶化エネルギを上げることで広がる。そこで，結晶化エネルギを上げ、全てのサンプルで図６（ａ）の凝集が得られる条件で、凝集の広がり角を比較した。凝集の広がり角が小さいサンプルは、溶融シリコンの穴の広がり速度が遅いことを示し、凝集しにくい。通常のエネルギでは、凝集の広がり角が小さいほうが凝集の発生密度、凝集エリアのサイズ共に小さく、歩留に与える影響も小さいといえる。
【００２５】
次に、実際の実験結果について説明する。図７は、シリコン酸化膜をシリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂの２層にした場合の電界効果移動度を説明する図である。図７（ａ）に示すように、下地となるシリコン酸化膜は、上層をシリコン酸化膜Ａ６０１にし、シリコン酸化膜Ａ６０１とシリコン酸化膜Ｂ６０２の膜厚をそれぞれ変えて、シリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂの膜厚の和が１００ｎｍになるようにした。このときの凝集とトランジスタ特性について、図７（ｂ）（ｃ）に示す。図７（ｂ）で、横軸Ｔは上層のシリコン酸化膜Ａの膜厚（ｎｍ）、縦軸ＩDは電界効果移動度（ｃｍ2/Ｖｓ）である。また、図７（ｃ）で、横軸Ｔは上層のシリコン酸化膜Ａの膜厚（ｎｍ）、縦軸θは凝集の広がり角（°）である。
【００２６】
電界効果移動度ＩDは、シリコン酸化膜Ａの膜厚増加に伴って減少する。一方、凝集の広がり角θは、シリコン酸化膜Ａの膜厚Ｔの増加に伴って小さくなる。また、上層のシリコン酸化膜をシリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂにして、電界効果移動度と凝集を比較した結果を図８に示す。図８（ａ）で、横軸には上層に成膜したシリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂを、縦軸ＩDは電界効果移動度（ｃｍ2/Ｖｓ）を示す。また、図８（ｂ）において、横軸には上層に成膜したシリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂを、縦軸θは凝集の広がり角（°）を示す。
【００２７】
図８でのシリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂのそれぞれの膜厚は、５０ｎｍである。図８に示すように、上層がシリコン酸化膜Ａの場合、凝集の広がり角は小さく（凝集抑制効果は大きく）なり、電界効果移動度は低下する。このように、電界効果移動度と凝集の関係はトレードオフの関係となっている。
【００２８】
電界効果移動度を２６０（ｃｍ2／Ｖｓ）以上必要で、凝集も極力抑えたいときは、例えば、上層のシリコン酸化膜Ａを６０ｎｍ、下層のシリコン酸化膜Ｂを４０ｎｍにすればよい。また、凝集の広がり角が８０°以下必要で、電界効果移動度をできるだけ上げたいときは、上層のシリコン酸化膜Ａを４０ｎｍ、下層のシリコン酸化膜Ｂを６０ｎｍにすればよい。また、上層にシリコン酸化膜Ｂ、下層にシリコン酸化膜Ａを用いた場合も、同様の手法で膜厚を決めることが可能である。
【００２９】
図示していないが、上層にシリコン酸化膜Ｂを用いた場合も、シリコン酸化膜Ａの膜厚の増加に伴い、電界効果移動度は減少し、凝集の広がり角は小さくなる（凝集抑制効果は大きくなる）。すなわち、数値の大きさが変わるだけで、傾向としては図７（ｂ）（ｃ）に示したものと同様になる。
【００３０】
図９と図１０は、シリコン酸化膜形成及び連続発振レーザを使った結晶化を行ったトップゲートｎチャネル型（Ｎ−ＭＯＳ）およびｐチャネル型（Ｐ−ＭＯＳ）ＴＦＴの製造プロセスフローの説明図である。図９および図１０において、左側にＮ−ＭＯＳ、右側にＰ−ＭＯＳの製造プロセスを断面で示す。
【００３１】
先ず、ガラス基板１０１上にガラスからのＮａ不純物の湧き上がりを防御する為のシリコン窒化膜１０２および前記シリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂからんるシリコン酸化膜１０３を形成する（ａ）。さらにその上にアモルファスシリコン膜を成膜し、上記したエキシマレーザアニール（ＥＬＡ）装置および連続発振レーザにより擬似単結晶シリコン層１０６を形成した後、ホト・エッチングにより島状に加工する（ｂ）。その上にゲート絶縁膜７０１を成膜する（ｃ）。
【００３２】
自己整合ＬＤＤ層形成プロセスとして、ゲート電極７０２を成膜後、Ｎ−ＭＯＳのみ、レジスト７０５を残したまま１μｍ程度サイドエッチする。この状態で高濃度ｎ型不純物のインプラを実施することで、ポリシリコン層にソース・ドレイン領域７０３を形成する。一方、Ｐ−ＭＯＳの方はレジスト７０５が塗布されているため、ポリシリコン層にイオンは打ち込まれない（ｄ）。
【００３３】
レジスト除去後、サイドエッチの入ったゲート電極７０２を介して低濃度ｎ型不純物をインプラすることにより、ソース・ドレイン領域７０３よりも低濃度のＬＤＤ(Lightly Doped Drain)領域７０４が形成される。一方、Ｐ−ＭＯＳの方はゲート電極７０２で覆われているため、ポリシリコン層にイオンは打ち込まれない（ｅ）。
【００３４】
次に、Ｐ−ＭＯＳ形成のため、レジスト７０５を塗布後、Ｐ―ＭＯＳのみエッチングしてゲート電極７０２を形成する。この状態で高濃度ｐ型不純物のインプラを実施することで、ポリシリコン層にソース・ドレイン領域７０３を形成する。一方、Ｎ−ＭＯＳの方はレジスト７０５が塗布されているため、ポリシリコン層にイオンは打ち込まれない（ｆ）。図１０(ｇ)に層間膜および配線形成前までのＮ−ＭＯＳおよびＰ−ＭＯＳ ＴＦＴの断面図を示す。
【００３５】
さらに、層間絶縁膜７０６成膜（ｈ）後、ソース・ドレイン領域へのコンタクトホールをホト・エッチングにて加工し、ソース・ドレイン電極７０７を形成する（ｉ）。上記方法にて画素部および回路部にＴＦＴを形成する。そのトランジスタ回路構成は、図１０(ｇ)に示したＮ−ＭＯＳ ＬＤＤ ＴＦＴ単体、或いはＰ−ＭＯＳ シングルドレイン ＴＦＴ単体、或いは図１１に完成図を示したＮ−ＭＯＳ シングルドレインＴＦＴ単体、或いはＰ−ＭＯＳ ＬＤＤ ＴＦＴ単体、或いは上記Ｎ−ＭＯＳとＰ−ＭＯＳの組み合わせによるＣ−ＭＯＳとする。
【００３６】
上記方法で製作したシリコン酸化膜１０３には特徴がある。シリコン酸化膜をシリコン酸化膜Ｂ、シリコン酸化膜Ａの２層で成膜しているため、シリコン酸化膜中の窒素と炭素濃度に特徴がある。図１２は、シリコン酸化膜中の窒素と炭素濃度の一例を説明する図である。横軸はシリコン酸化膜の表面からの深さＤ（ｎｍ）、縦軸は不純物濃度ＩＭ(ａｔｏｍｓ/ｃｍ2)である。ＳｉＯは上層シリコン酸化膜Ａ（ＳｉＯ膜）、ＴＥＯＳは下層シリコン酸化膜Ｂ（ＴＥＯＳ膜）である。図１２において、シリコン酸化膜Ｂを８０ｎｍ、シリコン酸化膜Ａを２０ｎｍのサンプルを深さ方向に測定可能なＳＩＭＳで窒素と炭素の濃度を測定した結果を示す。シリコン酸化膜Ｂ中の炭素濃度Ｃは１Ｅ＋２０(ａｔｏｍｓ/ｃｍ2)、シリコン酸化膜Ａ中の窒素濃度Ｎは１Ｅ＋２０(ａｔｏｍｓ/ｃｍ2)以上という特徴がある。シリコン酸化膜はシリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂの２層に限られず、３層以上にしても可である。
【実施例２】
【００３７】
本発明は、薄膜トランジスタを構成する半導体をシリコン半導体として説明したが、これに限るものではなく、他の半導体を用いるものについても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】連続発振レーザを使った結晶化の様子を説明する図である。
【図２】凝集発生を説明する図である。
【図３】シリコン酸化膜の種類による凝集の発生状態を説明する図である。
【図４】薄膜トランジスタの能動層における帯状結晶シリコンのチャネル方向と薄膜トランジスタの特性を説明する図である。
【図５】シリコン酸化膜をシリコン酸化膜Ａ又はシリコン酸化膜Ｂで試作したＮチャネル型のシングルドレインの薄膜トランジスタのＶG―ＩD特性の説明図である。
【図６】凝集の評価方法を説明する図である。
【図７】シリコン酸化膜をシリコン酸化膜Ａとシリコン酸化膜Ｂの２層にした場合の電界効果移動度を説明する図である。
【図８】上層のシリコン酸化膜をシリコン酸化膜Ａにした場合とシリコン酸化膜Ｂにした場合とで電界効果移動度と凝集を比較した結果を示す図である。
【図９】シリコン酸化膜形成及び連続発振レーザを使った結晶化を行ったトップゲートｎチャネル型およびｐチャネル型ＴＦＴの製造プロセスフローの説明図である。
【図１０】シリコン酸化膜形成及び連続発振レーザを使った結晶化を行ったトップゲートｎチャネル型およびｐチャネル型ＴＦＴの製造プロセスフローの図１１に続く説明図である。
【図１１】Ｎ−ＭＯＳ シングルドレインＴＦＴ単体、或いはＰ−ＭＯＳ ＬＤＤ ＴＦＴ単体、或いは上記Ｎ−ＭＯＳとＰ−ＭＯＳの組み合わせによるＣ−ＭＯＳの完成図を示の断面図である。
【図１２】シリコン酸化膜中の窒素と炭素濃度の一例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１・・・絶縁基板（ガラス基板）、１０２・・・シリコン窒化膜、１０３・・・シリコン酸化膜、１０４・・・プリカーサシリコン膜、１０５・・・連続発振レーザ、１０６・・・帯状結晶シリコン膜、１０７・・・結晶粒界。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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