(57)【要約】【課題】  必要とするスペースを小さくでき、コストを低減できるようにする。【解決手段】  まず、ガラス基板を撥液処理１０してパターン形成領域以外の部分を撥液化する。撥液処理１０は、ガラス基板に撥液膜を形成する撥液膜形成工程１０ａと撥液膜をパターニングするパターニング工程１０ｂとからなる。次に、非酸化雰囲気において溶液塗布工程１２を行ない、アモルファスシリコンの粉末を溶媒に分散させた溶液を、ガラス基板のパターン形成領域に塗布する。その後、非酸化雰囲気において乾燥工程１４を行ない、溶液を乾燥させてアモルファスシリコン膜を形成する。次に、非酸化雰囲気においてアニール工程１６を行ない、アモルファスシリコン膜にレーザを照射してアモルファスシリコン膜を加熱してポリシリコン膜にする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファスシリコンの粉末を分散させた溶液を基板に塗布する塗布工程と、
前記塗布した溶液中の溶媒を除去してアモルファスシリコン膜を形成する乾燥工程と、
前記アモルファスシリコン膜を加熱してポリシリコン膜にするアニール工程と、
を有することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載のポリシリコン膜の形成方法において、
前記塗布工程と前記乾燥工程と前記アニール工程とは、非酸化雰囲気中において行なうことを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のポリシリコン膜の形成方法において、
前記各工程のうち、少なくとも前記アニール工程は、還元雰囲気中において行なうことを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のポリシリコン膜の形成方法において、
前記溶液は、単結晶シリコンの粉末を含んでいることを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のポリシリコン膜の形成方法において、
前記塗布工程は、前記基板の予め定めたパターン形成領域以外の部分を撥液化する撥液処理をしたのち、前記パターン形成領域に前記溶液を塗布することを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項６】
請求項５に記載のポリシリコン膜の形成方法において、
前記塗布工程は、前記パターン形成領域に選択的に前記溶液を供給可能な液体吐出装置により行なうことを特徴とするポリシリコン膜の形成方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のポリシリコン膜の形成方法より形成したポリシリコン膜からなることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリシリコン（多結晶シリコン）の薄膜を形成する方法に係り、特にガラス基板などの絶縁性基板の表面にポリシリコン膜を形成するのに好適なポリシリコン膜の形成方法およびその方法により形成したポリシリコン膜からなる薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶パネルは、液晶からなる画素が形成されるガラス基板に、液晶を駆動するドライブ回路が形成される。このドライブ回路は、多数の薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）によって構成されている。薄膜トランジスタは、ガラス基板の表面に薄いアモルファスシリコンまたはポリシリコン（多結晶シリコン）の膜を形成し、これらのシリコン膜をトランジスタに加工する。そして、近年は、ポリシリコン膜の電気的特性がアモルファスシリコン膜より優れているところから、ポリシリコン膜による薄膜トランジスタが用いられるようになっている。
【０００３】
従来、基板の表面にポリシリコン膜を形成する場合、熱ＣＶＤが利用されていた。この熱ＣＶＤは、モノシランなどの原料ガスを高温雰囲気において分解し、基板の表面にポリシリコンの薄膜を成長させる方法である。しかし、熱ＣＶＤは、基板を１０００℃以上の高温に晒す必要があるため、使用できる基板が石英などに限定される。
【０００４】
そこで、基板を高温にすることなしにポリシリコン膜を得る方法が考えられた。その方法は、まず、プラズマＣＶＤなどによりモノシランなどの原料ガスをプラズマ化し、基板をプラズマに晒すことによって基板の全面にアモルファスシリコン膜を成膜する。その後、レーザをアモルファスシリコン膜に照射してアニールし、アモルファスシリコンを多結晶化する。この方法によりえられたポリシリコンは、低温ポリシリコンと呼ばれ、基板をそれほど高温にする必要がなく、液晶パネルのガラス基板にポリシリコン膜を形成することができる。
【０００５】
また、本願出願人は、減圧ＣＶＤによってポリシリコン膜を基板の全面に成膜したのち、ポリシリコン膜をレーザアニールしてポリシリコン再結晶化し、ポリシリコン膜の電気的特性のばらつきを小さくする方法を開発した（特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２７４３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したように、従来のポリシリコン膜を形成方法は、いずれもＣＶＤを利用している。また、ポリシリコン膜からなる薄膜トランジスタを形成する場合、基板の全面に形成したポリシリコン膜の表面にレジスト膜を設けてパターニングし、レジスト膜をマスクにしてポリシリコン膜をエッチングして多数のアイランド状に区画する。そして、不要となったレジスト膜は、酸素プラズマなどによってアッシングして除去している。このため、従来のポリシリコン膜の形成方法においては、次のような欠点を有する。
【０００８】
（１）ＣＶＤ装置（真空装置）による成膜、エッチング装置（真空装置）によるエッチング、アッシング装置（真空装置）によるアッシングと、各種の真空装置が不可欠である。このため、液晶パネルのガラス基板が大きくなると、各真空装置を大きくしなければならず、クリーンルームも大きく作る必要があり、大きな設置スペースを必要とする。
（２）高価で大型の真空装置が必要であるとともに、成膜やエッチング、アッシングのために大きなエネルギーを投入する必要があり、多額の設備資金とランニングコストがかかる。また、真空装置内を減圧するため、各工程における処理に多くの時間を必要とする。
（３）液晶パネルのドライバ回路などにおいては、ガラス基板内に占めるトランジスタの面積が１％程度である。ところが、従来は、ガラス基板の全面にポリシリコン膜を形成し、エッチングによってそのほとんどを捨てており、材料の使用効率が非常に悪い。
（４）エッチングガスは、地球温暖化係数の大きなパーフルオロカーボン（ＰＦＣ）を用いて行なわれるため、環境への負荷が大きい。また、真空装置群を運転するのに大電力が必要であり、エネルギー的な課題を有する。
【０００９】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、必要とするスペースを小さくでき、コストを低減できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、材料の使用効率を向上させることを目的としている。
さらに、本発明は、環境への負荷を小さくすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明に係るポリシリコン膜の形成方法は、アモルファスシリコンの粉末を分散させた溶液を基板に塗布する塗布工程と、前記塗布した溶液中の溶媒を除去してアモルファスシリコン膜を形成する乾燥工程と、前記アモルファスシリコン膜を加熱してポリシリコン膜にするアニール工程と、を有することを特徴としている。
【００１１】
このようになっている本発明は、液体（溶液）を塗布して乾燥し、乾燥してできたアモルファスシリコン膜をアニールして多結晶化するようになっているため、高価な真空装置を必要としない。このため、基板が大型化したとしても、必要とするスペースを比較的小さくすることができ、コストを低くすることができる。
【００１２】
なお、アニールは、レーザやフラッシュランプのように、基板を加熱せずに、基板表面に形成したアモルファスシリコン膜だけを高温にできる方法が望ましい。これにより、ガラス基板などの変形を防ぐことができる。また、アモルファスシリコンの粉末を分散させる溶媒は、シリコンと反応せず、しかも水がほとんど溶け込まないようなもの、例えばヘキサデカンやキシレンなどが望ましい。
【００１３】
前記塗布工程と前記乾燥工程と前記アニール工程とは、非酸化雰囲気中において行なうとよい。シリコンは、活性な物質であり、酸素や水分が存在すると容易に酸化されてしまう。そこで、アモルファスシリコンの粉末を含む溶液の塗布や、乾燥、形成したアモルファスシリコン膜のアニールは、酸素や水蒸気などが存在しない窒素雰囲気などの非酸化雰囲気中で行なうようにする。また、本発明のポリシリコン膜の形成方法においては、各工程のうち、少なくともアニール工程は水素などが存在する還元雰囲気で行なうとよい。これにより、溶液の調整の際に、溶液中に酸素が溶解してシリコンが酸化された場合に、還元雰囲気中でアニールすることにより、シリコンと結合した酸素を除去することができる。
【００１４】
また、溶液には、適宜の量の単結晶シリコン粉末を添加することができる。単結晶シリコンは、電気伝導度が大きく、スイッチング速度が速い。したがって、アモルファスシリコンをアニールして多結晶化したときに、単結晶シリコンの粒子間がポリシリコンによって連絡された状態となるため、ポリシリコン膜の電気的特性を向上することができる。
【００１５】
塗布工程は、基板の予め定めたパターン形成領域以外の部分を撥液化する撥液処理をしたのち、パターン形成領域に溶液を塗布するようにできる。これにより、溶液がパターン形成領域に選択的に付着し、不要な部分にアモルファスシリコン膜が形成されることがなく、材料の使用効率が向上して省資源を図ることができる。また、塗布工程は、パターン形成領域に選択的に溶液を供給可能な塗布装置、例えばインクジェットプリンタのプリンタヘッドのような液体吐出装置により行なうとよい。このようにすると、パターン形成領域にだけ選択的に溶液を供給するようになっているため、材料の使用効率をさらに向上することができ、大きな塗布装置を必要としない。
【００１６】
そして、本発明に係る薄膜トランジスタは、上記のポリシリコン膜の形成方法を用いて形成したポリシリコン膜からなることを特徴としている。これにより、上記の作用効果を有する薄膜トランジスタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係るポリシリコン膜の形成方法およびその方法により形成したポリシリコン膜からなる薄膜トランジスタの好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るポリシリコン膜の形成方法を示す工程フローチャートである。実施形態に係るポリシリコン膜の形成方法においては、まず、洗浄した絶縁基板（実施形態ではガラス基板）に対して、パターン形成領域以外の部分に対する撥液処理１０を行なう。この撥液処理１０は、ガラス基板の全面に撥液膜を形成する撥液膜形成工程１０ａと、撥液膜の一部を除去するパターニング工程１０ｂとからなっている。撥液膜は、実施形態の場合、プラズマ重合により形成された撥液性のフッ素樹脂重合膜からなっている。このフッ素樹脂重合膜の形成は、次のようにして行なう。
【００１８】
ガラス基板を成膜処理室に配置する。そして、成膜処理室を減圧し、Ｃ8Ｆ18などの直鎖状ＰＦＣからなる液体有機物を加熱して気化させ、アルゴンなどのキャリアガスとともに成膜処理室内に導入する。同時に、ＣＦ4ガスを導入し、成膜処理室内に設けた電極に高周波電力を供給する。これにより、成膜処理室内のガスがプラズマ化し、直鎖状有機物の結合が一部切断されて活性となり、ガラス基板の表面に到達した活性な直鎖状有機物が重合し、図２に示すように、ガラス基板５０の表面全体に、フッ素樹脂の重合膜からなる撥液膜５２が形成される。撥液膜５２の厚さは、１００オングストローム程度でよい。
【００１９】
次に、撥液膜５２のパターニング工程１０ｂを行なう。すなわち、図３に示すように、撥液膜５２の上方に金属などからなるマスク５４を配置し、マスク５４を介して撥液膜５２に紫外線５６を照射する。マスク５４は、パターン形成領域であるトランジスタの形成領域に対応した部分が開口しており、パターン形成領域以外の部分を覆うようになっている。このため、トランジスタ形成領域（パターン形成領域）の撥液膜５２は、紫外線５６が照射されることにより、図４に示したように、重合膜の結合が切断されて分解除去される。しかも、撥液膜５２を除去されたパターン形成領域５８は、紫外線５６が照射されることにより、付着していた有機物も分解されて除去される。このため、パターン形成領域５８は、親液性が付与される。
【００２０】
次に、図１に示したように、溶液塗布工程１２が行なわれる。溶液塗布工程１２は、アモルファスシリコンの粉末を有機溶媒に分散させて予め調整した溶液６０を、図５に示したように、パターン形成領域５８に塗布する。アモルファスシリコン粉末の粒径は、特に制限されないが、微細なパターンを形成するために、ナノメータのオーダであることが望ましい。また、アモルファスシリコン粉末を分散させる溶媒は、シリコンと反応しないものであって、水分がほとんど溶解しないもの、例えばヘキサデカンやキシレンなどが望ましい。そして、溶液塗布工程１２は、シリコンが活性であって容易に酸化されるため、非酸化雰囲気、特に水素雰囲気などの還元雰囲気で行なうことが望ましい。
【００２１】
溶液６０の塗布は、ディップコートやスピンコート、スリットコートなど任意の方法によって行なうことができる。このような方法によって溶液６０をガラス基板５０の表面に塗布すると、パターン形成領域５８以外の部分が撥液膜５２によって撥液化されているため、パターン形成領域５８に選択的に溶液６０が付着し、撥液膜５２の上には溶液６０がほとんど付着しない。したがって、材料である溶液６０の使用効率を向上することができる。なお、溶液６０は、図５に示したように、インクジェットプリンタのプリンタヘッドのような液体吐出装置６２によって、パターン形成領域５８に選択的に供給するとよい。これにより、溶液６０の使用効率が大幅に向上し、省資源を図ることができる。
【００２２】
その後、図１に示したように、乾燥工程１４を行ない、パターン形成領域５８に塗布した溶液６０を適宜の温度に加熱する。これにより、溶液６０は、含まれていた溶媒が蒸発し、図６に示したようにアモルファスシリコン膜６４となる。この乾燥は、シリコンが酸化されるのを防止するため、非酸化雰囲気、望ましくは還元雰囲気中にて行なう。また、乾燥温度は、溶媒の沸点より低い温度において行なう。溶媒の沸点以上の温度で乾燥した場合、アモルファスシリコン膜６４中に気泡が形成されるおそれがあり、好ましくない。
【００２３】
次に、図１に示したアニール工程１６を行ない、アモルファスシリコンを多結晶化（ポリシリコン化）する。アモルファスシリコンのポリシリコン化は、アモルファスシリコン膜６４を溶融して徐冷することにより行なうことができる。そして、アニール工程１６は、ガラス基板５０の変形などを避けるため、アモルファスシリコン膜６４のみを溶融できるように加熱することが望ましい。そこで、実施形態においては、図７に示したように、アモルファスシリコン膜６４にレーザ６６を照射してアニールを行なう。アニールは、非酸化雰囲気、望ましくは還元雰囲気において行なう。これにより、アモルファスシリコン膜６４のみを加熱することが可能で、ガラス基板５０が高温とならずにアモルファスシリコン膜６４が溶融してポリシリコン膜６８になる。そして、アニールを水素雰囲気などの還元雰囲気において行なうと、アモルファスシリコン膜６４が酸化されている場合であっても、アモルファスシリコン膜６４が溶融した際に、シリコンに結合している酸素が水素と結合して除去されるため、シリコンを還元することができる。
【００２４】
なお、アモルファスシリコン膜６４のアニールは、ガラス基板５０の表層部のみを瞬間的に加熱可能なフラッシュランプを用いて行なってもよい。また、アニール工程１６は、ガラス基板５０に変形が生じない程度の温度、例えば２００〜３００℃程度にガラス基板５０を加熱して行なうことができる。これのより、アモルファスシリコン膜６４のアニールに必要とするエネルギーを少なくすることができる。
【００２５】
次に、図１に示した撥液膜除去工程１８を非酸化雰囲気、望ましくは還元雰囲気において行なう。この撥液膜除去工程１８は、図８に示したように、ガラス基板５０の全面に紫外線７０や電子線などの高エネルギー線を照射して行なう。これにより、撥液膜５２が分解して除去され、ガラス基板５０の表面にポリシリコン膜６８がアイランド状に残される。
【００２６】
このように、実施形態のポリシリコン膜の形成方法においては、アモルファスシリコンの粉末を分散させた溶液６０を塗布し、これを乾燥してアモルファスシリコン膜６４にしたのち、アモルファスシリコン膜６４をアニールしてポリシリコン膜６８にするため、高価な真空装置を必要とせず、装置の設置面積を小さくできてコストの削減を図ることができる。しかも、ガラス基板５０のパターン形成領域５８にのみ溶液を塗布するため、材料の使用効率が向上し、省資源を図ることができる。また、実施形態においては、地球温暖化係数の大きなＰＦＣを用いてエッチングする必要がなく、環境への負荷を小さくすることができる。
【００２７】
なお、前記実施形態においては、プラズマ重合により撥液膜５２を形成してパターニングし、ガラス基板５０の所定領域を撥液化する場合について説明したが、ガラス基板５０の撥液処理は、ガラス基板５０にフッ素系レジスト膜を塗布し、これをパターニングしてもよい。さらに、ガラス基板５０の撥液処理は、通常のレジスト膜をパターニングしたのち、レジスト膜の表面を大気圧プラズマで生成した活性なフッ素によってフッ化して撥液化させてもよい。
【００２８】
このようにしてガラス基板５０に形成したポリシリコン膜６８は、図９に示したような薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）８０にすることができる。この薄膜トランジスタ８０は、通常の薄膜トランジスタの製造工程と同様にして形成することができる。すなわち、まず、アイランド状のポリシリコン膜６８の表面に二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）などからなるゲート酸化膜８２を形成する。次に、ゲート酸化膜８２を介して、ポリシリコン膜６８にイオンを注入して不純物を拡散させる。
【００２９】
その後、ゲート酸化膜８２の上にアルミニウムなどの金属などからなるゲート電極８４を形成する。さらに、ゲート電極８４をマスクにして再びポリシリコン膜６８にイオンを注入し、高濃度不純物拡散領域からなるソース８６とドレイン８８とを形成する。次に、ゲート電極８４とゲート酸化膜８２とを覆って二酸化ケイ素などからなる層間絶縁膜９０を形成する。その後、ソース８６とドレイン８８とに対応した位置に、層間絶縁膜９０とゲート酸化膜８２とを貫通したビアホールを形成する。さらに、層間絶縁膜９０の表面に、ソース８６とドレイン８８とにビアホールを介して接続した配線９２を形成する。これにより、薄膜トランジスタ８０が完成する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施の形態に係るポリシリコン膜の形成方法の工程フローチャートである。
【図２】実施の形態に係るガラス基板に撥液膜を形成した状態を示す図である。
【図３】実施の形態に係る撥液膜のパターニング方法を説明する図である。
【図４】実施の形態に係る撥液膜がパターニングされた状態を示す図である。
【図５】実施の形態に係る溶液の塗布方法の一例を示す図である。
【図６】実施の形態に係るアモルファスシリコン膜が形成された状態を示す図である。
【図７】実施の形態に係るアモルファスシリコン膜をアニールする方法の説明図である。
【図８】実施の形態に係る撥液膜の除去方法を説明する図である。
【図９】実施の形態に係る薄膜トランジスタを模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０………撥液処理、１０ａ………撥液膜形成工程、１０ｂ………パターニング工程、１２………溶液塗布工程、１４………乾燥工程、１６………アニール工程、５０………基板（ガラス基板）、５２………撥液膜、５４………マスク、５６、７０………紫外線、５８………パターン形成領域、６０………溶液、６２………液体吐出装置、６４………アモルファスシリコン膜、６６………レーザ、６８………ポリシリコン膜、８０………薄膜トランジスタ、８２………ゲート酸化膜、８４………ゲート電極、８６………ソース、８８………ドレイン。
【図１】
2005123355.tif 000003
【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】
2005123355.tif 000008
【図７】
2005123355.tif 000009
【図８】
2005123355.tif 000010
【図９】
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