(57)【要約】第１の態様において、本発明は、基板と、基板上に直接堆積させた多孔質シリカ（ＳｉＯ２）の障壁層と、障壁層上に直接堆積する多結晶シリコンの薄膜とを備えるシリコン薄膜トランジスタを提供する。本発明は、そのようなトランジスタを製造する方法、そのようなトランジスタを含むディスプレイスクリーン、およびそのようなディスプレイスクリーンを製造する方法も提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に直接堆積する多孔質シリカの障壁層と、
前記障壁層上に直接堆積する多結晶シリコンの薄膜と
を備えることを特徴とするシリコン薄膜トランジスタ。
【請求項２】
前記障壁層の空隙率が約２０％〜約９０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のシリコン薄膜トランジスタ。
【請求項３】
前記障壁層の空隙率が約３０％〜約６０％の範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載のシリコン薄膜トランジスタ。
【請求項４】
前記障壁層の厚さが約１５０ｎｍ〜約１，０００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のシリコン薄膜トランジスタ。
【請求項５】
前記障壁層の厚さが約４００ｎｍ〜約６００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項４に記載のシリコン薄膜トランジスタ。
【請求項６】
前記薄膜の厚さが約２０ｎｍ〜約８０ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のシリコン薄膜トランジスタ。
【請求項７】
前記薄膜の厚さが約５０ｎｍ〜約８０ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項６に記載のシリコン薄膜トランジスタ。
【請求項８】
前記薄膜の多結晶シリコンの粒の粒径が１μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン薄膜トランジスタ。
【請求項９】
前記基板がガラス製であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン薄膜トランジスタ。
【請求項１０】
ａ）多孔質シリカ障壁層を基板上に直接堆積させる工程と、
ｂ）アモルファスシリコン薄膜を前記障壁層上に直接堆積させる工程と、
ｃ）多結晶シリコン薄膜を得るためにレーザを使用して前記アモルファスシリコン薄膜に照射を行う工程と
を有してなることを特徴とする、シリコン薄膜トランジスタを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本件は２００２年９月２４日に出願された仏国特許出願第０２−１１７９３号の優先権の利益を主張するものであり、参照によって上記出願明細書の内容を本願明細書に編入したものとする。
【技術分野】
【０００２】
本発明はシリコン薄膜トランジスタ、その製造法、およびシリコン薄膜トランジスタを含む表示画面に関する。
【背景技術】
【０００３】
シリコン薄膜トランジスタは、有機発光層を有する、アクティブマトリクス型液晶ディスプレイスクリーンおよびアクティブマトリクス型表示画面など、フラットディスプレイスクリーンの分野を含む数多くの分野で使用されている。そのような画面では、各画素すなわち光の点がシリコン薄膜トランジスタによって制御され、そのため「アクティブマトリクス」という用語が使用される。現在、アクティブマトリクス型液晶フラットディスプレイスクリーンの大部分が、画素をオン／オフするデバイスとして、ａ−Ｓｉ：Ｈとも書かれる水素化アモルファスシリコンを使用している。しかしながら、水素化アモルファスシリコンのキャリア移動度は限られており、そのため、スクリーンの起動、停止およびアドレス指定回路を確実に製造するのに使用できない。
【０００４】
そのため、当業者は、アモルファスシリコンを使用する薄膜トランジスタアクティブデバイスのキャリア移動度の大きさより２桁高いキャリア移動度を有する、多結晶シリコンを使用する薄膜トランジスタの使用を提案してきた。それ故、多結晶シリコンを使用する薄膜トランジスタは、周囲制御回路をスクリーンに一体化することを可能とするだけでなく、解像度の向上を可能とするものでもある。
【０００５】
現在、多結晶シリコンを使用する薄膜トランジスタは、アモルファスシリコン層を基板上に堆積させ、続いてこれにエキシマレーザを照射することによりその薄膜を構成するシリコンを結晶化することによって製造される。しかしながら、この方法にはいくつかの欠点がある。第１に、レーザ光エネルギーは量が限られており、非常に高価である。現在、例えば工業用レーザは３００Ｈｚあたり１ジュール未満のエネルギーに限定されている。この欠点は面積の大きい基板の場合に特に重大である。大面積の結晶化に必要とされる同一のレーザ光密度（すなわち、単位面積あたりのレーザエネルギー）を維持するには、もっと大量のエネルギーを供給できなくてはならない。第２に、優れた一体化を図るためにシリコン粒の粒径を大きくする必要がある。残念なことに、シリコン粒径を大きくするにはシリコンの凝固速度を遅くする必要があり、これを行うためには、シリコン融液の膜から冷えた基板へ熱エネルギーが流れないようにする必要がある。
【０００６】
これらの問題を解消するために、いくつかの方策が提案されているが、残念なことに、満足のいくものであるとい立証がなされていない。基板を加熱するという提案は、一般に基板はガラス製で、そのような基板の加熱はわずか約４００℃までに限定されることによって制限を受ける。あるいは、基板両面にエキシマレーザからの光ビームを照射した状態で、二重パルスおよび二重ビームを供給するためのレーザを使用することを提案したものもいる。別の着想は、理論密度に近い密度を有する結晶シリカの障壁層を使用し、この障壁層を基板とシリコン薄膜との間に挟持するというものである。このような高密度結晶シリカ層の断熱効果は不十分である。そのため、満たされない必要がまだ存在するが、本発明はその必要を満足させることが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる実情に鑑み、従来の欠点を解消したシリコン薄膜トランジスタ、その製造法、それを含むディスプレイスクリーンを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの方策の欠点を克服するために、本発明は、
基板と、
基板上に直接堆積する多孔質シリカの障壁層と、
障壁層上に直接堆積する、多結晶シリコンの薄膜と
を備える多結晶シリコン薄膜トランジスタを提供する。このシリコン薄膜トランジスタは、大型化された均一な粒径の粒を有し、その上、その薄膜を構成するシリコン融液からシリコン薄膜トランジスタの基板への熱エネルギーの流れが解消される。この目的のために、本発明は、基板とシリコン薄膜との間に障壁層を配置することを記載するものであり、この障壁層は、基板の熱伝導率より低い熱伝導率を有する多孔質材料で作られる。シリコン薄膜の厚さは約５０ｎｍ〜約８０ｎｍの範囲内にある。薄膜の多結晶シリコン粒の粒径は約１マイクロメートル（１μｍ）で、基板はガラス製である。障壁層の厚さは１５０ナノメートル（ｎｍ）〜約１，０００ｎｍの範囲内であり、好ましくは、約４００ｎｍ〜約６００ｎｍの範囲内にある。障壁層の空隙率は２０％〜９０％の範囲内であり、好ましくは、約３０％〜約６０％の範囲内にある。
【０００９】
本発明は、上術のシリコン薄膜トランジスタを製造する方法を提供するものでもある。本方法は、
ａ）多孔質シリカ障壁層を基板上に直接堆積させる工程と、
ｂ）多孔質シリカを障壁層上に直接堆積させる工程と、
ｃ）多結晶シリコン薄膜を得るためにレーザを使用してアモルファスシリコン薄膜に照射を行う工程と
を有してなる。
【００１０】
本方法は、工程ｂ）と工程ｃ）との間に、アモルファスシリコン薄膜のシリコンを脱水素化する工程を必要に応じてさらに含む。
【００１１】
工程ｂ）において、アモルファスシリコンの障壁層を堆積させるためにゾル−ゲル法を使用し、アモルファスシリコンの薄膜を堆積させるためにプラズマ支援化学的気相堆積法を使用することが好ましい。ステップｃ）において、シリコン薄膜に照射を行うためのエキシマレーザは、２４８ｎｍまたは３０８ｎｍで作動し、好ましくは３０８ｎｍで作動するものが使用される。シリコン薄膜の厚さは約２０ｎｍ〜約８０ｎｍの範囲内にある。
【００１２】
本発明は、本発明にしたがうシリコン薄膜トランジスタか、または本発明にしたがって作られたシリコン薄膜トランジスタを少なくとも１つ含むディスプレイスクリーンに関するものでもある。本発明は、また、本発明のシリコン薄膜トランジスタ製造方法を含むことを特徴とするディスプレイスクリーン製造方法を提供する。
【００１３】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明で明らかになるであろう。上記の概要ならびに下記の詳細な説明および実施例は本発明の代表例に過ぎず、請求される本発明を理解するための概略を示すことを目的とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
添付図面を参照しながら作成された下記の説明を閲読することによって、本発明がさらに深く理解され、本発明の他の目的および利点がさらに明らかになるであろう。
【００１５】
本発明によるシリコン薄膜トランジスタの製造において、第１工程は、基板１の熱伝導率より低い熱伝導率を有する多孔質材料の障壁層２を基板１上に図面に示されているように堆積させることを含む。基板はガラス基板であることが好ましく、アルミノケイ酸塩、ホウケイ酸塩またはアルミノホウケイ酸塩で作られた、コーニング１７３７（商標）ガラスのような基板であることがさらに好ましい。
【００１６】
障壁層２を形成するのに特に適した材料は、空隙率が約２０％〜約９０％の範囲内にあるシリカ（ＳｉＯ２）である。空隙率が２０％未満であると、障壁層２の断熱効果が悪く、障壁層２を厚くする必要がある。空隙率９０％超の場合、断熱効果には優れているが、空隙率が９０％を超えると障壁層２が脆くなって取り扱い難くなる。前記障壁層２の空隙率は、好ましくは、約３０％〜約６０％の範囲内にある。そのような範囲において障壁層２の断熱効果、脆性、および厚さの間のバランスが最良となる。
【００１７】
障壁層２の空隙率は次式を使って計算される。
【数１】
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【００１８】
ここでｎは多孔質材料の屈折率であり、ｎｄは高密度材料の屈折率である。材料の屈折率は、Ｆ．ホロウィッツ（Ｆ．  Ｈｏｒｏｗｉｔｚ）著「光学装置用途向けのゾル−ゲル法による膜処理の管理向上を目指して（Ｔｏｗａｒｄｓ  ｂｅｔｔｅｒ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｓｏｌ−ｇｅｌ  ｆｉｌｍ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、第６巻、ＮＯ．  １（１９９７年）ｐ．７−１３に記載されている分子プローブ楕円偏光法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｐｒｏｂｅ  ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）によって測定する。
【００１９】
障壁層２はゾルーゲル法にしたがって堆積させることが有利であり、アモルファスシリカで構成されることが好ましい。障壁層２の厚さは約４００ｎｍ〜約６００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。
【００２０】
障壁層２の厚さが約１５０ｎｍ〜約１，０００ｎｍの範囲にあるとき、驚いたことに、障壁層２が熱伝導に対する障壁としても作用し得ることを本発明の発明者らは見出した。障壁層のこの貢献は、特にフラットスクリーンを製造するときに格段に有利である。
【００２１】
同じように驚いたのは、障壁層２は多孔質であるにもかかわらず、熱バリヤとしてだけでなく化学バリヤとしても作用し得ることである。障壁層２により、基板または前記障壁層の上もしくは下にある他の層を構成する元素が電界または熱の影響を受けて別の層に移るのを防止できる。
【００２２】
本発明の薄膜トランジスタ製造法の第２工程は、図１の４で示されるアモルファスシリコン層を障壁層２上に直接堆積させることを含む。アモルファスシリコンの薄膜４の厚さは約２０ｎｍ〜約８０ｎｍの範囲内にあることが有利であり、５０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。
【００２３】
本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスタ製造法の任意の第３工程は、このようにして得られた積層構造物を、特にアモルファスシリコンの脱水素化で脱水素化することを含む。この工程は、この構造物を１時間、窒素ガス中で４５０℃に加熱することによって実施されることが有利である。
【００２４】
本発明の多結晶シリコン薄膜トランジスタ製造法の第４工程は図１に示されており、図１において５で示されているレーザ光を使用し、図１において４で示されているアモルファスシリコン薄膜に、シリコンを結晶化するように照射を行うことに関するものである。
【００２５】
本発明のトランジスタは、基板１と、基板上に堆積する障壁層２と、障壁層２上に直接堆積する多結晶シリコン薄膜３とを含む積層によって構成されているが、既に多結晶となっている結晶層の形態の多結晶シリコン層３を障壁層２上に直接堆積させるのではなく、アモルファスシリコン層の形態で障壁層２上に堆積させ、後から多結晶化させる。
【００２６】
この結晶化は、アモルファス層の表面だけでシリコンを溶融させることができ、よって障壁層２の厚さ減少を可能とするという利点を有するエキシマレーザを使用して実施することが有利である。
【００２７】
エキシマレーザの中には、使用される気体に応じて５種類の波長で作動するタイプのものがある。詳細は、フッ素（Ｆ２）−１５７ｎｍ、フッ化アルゴン（ＡｒＦ）−１９３ｎｍ、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）−２４８ｎｍ、塩化キセノン（ＸｅＣｌ）−３０８ｎｍ、およびフッ化キセノン（ＸｅＦ）−３５１ｎｍである。ＫｒＦの波長（２４８ｎｍ）およびＸｅＣｌの波長（３０８ｎｍ）がシリコンの吸光係数に最も近い波長であるので、本発明の状況ではこれらを使用することが好ましい。
【００２８】
３０８ｎｍレーザでシリコンを結晶化させる２つの手法は、シングルショット法と、マルチショット法とも呼ばれる表面走査法である。
【００２９】
シングルショット法は、単一回のショットで５センチの正方形（５ｃｍ×５ｃｍ）を処理できる超高出力レーザを使用することによって可能となる。このようなレーザは、詳細には、ソプラ社（Ｃｏｍｐａｎｙ  ＳＯＰＲＡ）が販売している。一般的にそのようなレーザのパルス幅は２００ナノメートル（ｎｍ）である。この種のレーザでは、シリコンを結晶化するのに必要な光密度が非常に高い。
【００３０】
マルチショット法すなわち表面走査法は、パルス幅が約２０ｎｓ〜３０ｎｓの範囲にある状態でＸｅＣｌレーザを用いる場合に使用可能である。このようなレーザはソプラ社が販売するレーザほど強力ではない。表面走査は、処理されるべきプレートを長さ３０ｃｍ〜４０ｃｍ、幅１ミリメートル（ｍｍ）の光の帯で走査できる特殊な光学装置を用いて実施される。
【００３１】
したがって、本発明では、アモルファスシリコンの薄膜を結晶化するために２４８ｎｍまたは３０８ｎｍで作動するエキシマレーザを使用することが好ましい。
【００３２】
しかし、３０８ｎｍで作動するエキシマレーザを使用することがさらに好ましい。
【００３３】
マルチショット照射法を採用することが好ましい。
【００３４】
障壁層２が存在しているので、このようなマルチショット照射を実施することができる。また、障壁層２により、アモルファスシリコン層４のすべての熱を保存することができ、よってレーザが必要とする光密度（単位面積あたりの所要光エネルギー）が減少し、結果として、そのような多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造費用を削減できる。
【００３５】
それにもかかわらず、可視域で作動するレーザをシリコン薄膜の照射に使用することも可能であるが、そのような環境下では障壁層２の厚さを増加させる必要がある。
【００３６】
エキシマレーザには、高額な保守費用、ビーム安定性の問題、光学系の寿命など、さまざまな課題がある。
【００３７】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザなど、主として緑色の波長の可視域で作動するレーザを使用することも可能である。しかしながら、そのような環境下では、シリコンが緑色光を吸光するため、例えば厚さ約２５０ｎｍの膜など、より厚いシリコン膜を使用することが一般に好ましいが、２４８ｎｍまたは３０８ｎｍで作動するエキシマレーザでは、シリコン膜の厚さは一般に２０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内にある。
【００３８】
アモルファスシリコン薄膜４はいずれの方法で堆積させることも可能であるが、プラズマ支援化学的気相堆積法によって堆積させることが好ましい。
【００３９】
照射後、図２に示されている構造、すなわち、コーニング１７３７ガラスで作られることが好ましい、図２において１で示されている基板が、多孔質でアモルファス状態のシリカで作られることが好ましい、この基板上に直接堆積する、２で示される障壁層を有し、図２において３で示される多結晶シリコン薄膜が前記障壁層自体を直接被覆している構造、が得られる。
【００４０】
層３のシリコン粒の粒径は１μｍ以上であるが、本発明では、驚くべきことに、非多孔質シリカで作られた障壁層を使用する従来技術の方法によって同粒径のシリコン粒を得るのに必要な光密度より少なくとも３０％少ない光密度を用いてこれが得られる。
【００４１】
以下に記載する本発明の製造法の各工程は、多結晶シリコン薄膜トランジスタ製造法において従来通りに実施される各工程であり、所望のトランジスタを得るために必要な各層を堆積させることから成る。
【実施例】
【００４２】
本発明の理解を深めるために、純粋に説明を目的とする非限定的な実施例を以下に説明する。
【００４３】
実施例１
図１に示されるように、基板１はコーニング１７３７ガラス基板で、厚さ１ｍｍとした。空隙率５０％のアモルファスシリコンの障壁層２を、ゾルーゲル法を用いて基板１上に堆積させた。障壁層２の厚さは１５０ｎｍであった。このようにして得られた層２は、取り扱いにすこぶる適したものであり、これにより、わずか１５０ｎｍの厚さを使って、卓越した熱バリヤおよび化学バリヤを得ることができた。その後、障壁層２の自由表面上にアモルファスシリコンの層４を堆積させるためにプラズマ支援化学的気相堆積法を使用した。このアモルファスシリコン層４は厚さ５５ｎｍとした。
【００４４】
その後、アモルファスシリコンの層４を１時間、温度４５０℃の窒素ガス中で脱水素化した。
【００４５】
その後、パルス幅２０ｎｓのパルスで２４８ｎｍで作動するＫｒＦエキシマレーザを使用して前記アモルファスシリコンの層４にマルチショット照射を実施し、それによって層４のシリコンを結晶化させた。単位面積当たりのレーザーに必要な光エネルギー、すなわち光密度は、１平方センチメートルあたり１６０ミリジュール（１６０ｍＪ／ｃｍ２）であった。
【００４６】
これにより、粒径が１μｍの粒を有する多結晶シリコンの薄膜３が得られた。粒の粒径は均一であった。その後、それに続く各層を堆積させた。
【００４７】
比較例１
従来技術による薄膜トランジスタを作成した。この目的のため、空隙率２％未満の結晶シリカ層を厚さ１ｍｍのコーニング１７３７ガラス基板上に堆積させた。層の厚さは１５０ｎｍとした。その後、実施例１のように、この高密度シリカ層の自由表面上にアモルファスシリコン層を堆積させた。アモルファスシリコンを１時間、温度４５０℃の窒素ガス中で脱水素化した。その後、パルス幅２０ｎｓのパルスで２４８ｎｍで作動するＫｒＦエキシマレーザを使用してマルチショット照射することによって、このアモルファスシリコンを結晶化させた。
【００４８】
粒径が均一に１μｍであるシリコン粒を得るためにレーザが要した光密度は２２０ｍＪ／ｃｍ２であった。その後、それに続く各層を堆積させた。
【００４９】
実施例２
手順は実施例１と同じであったが、アモルファスシリコン層４のシリコンを結晶化させるために、３０８ｎｍで作動するＸｅＣｌレーザを使用した。
【００５０】
実施例１のように、約１μｍの均一な粒径の粒を備えた多結晶シリコンの層３が得られた。しかし、使用ＸｅＣＬレーザがこの粒径の粒を得るために要した光密度は２１０ｍＪ／ｃｍ２であった。
【００５１】
比較例２
障壁層２が非多孔質シリカ層であったこと、すなわち空隙率２％未満で厚さ１５０ｎｍであったことを除き、手順は実施例２と同一とした。使用ＸｅＣｌレーザが約１μｍの均一な粒径を有する多結晶シリコンの層３を得るために要した光密度は３００ｍＪ／ｃｍ２であった。
【００５２】
上述の両実施例および両比較例から、本発明の障壁層を使用することによって、特定の粒径の多結晶シリコン粒を得るため必要なレーザ光密度が、非多孔質シリコンの障壁層使用時に必要なレーザ光密度よりも小さくなることが分かる。
【００５３】
一般に、他タイプのレーザ、特にエキシマレーザを使用して実施された他の実施例では、本発明の障壁層の存在により、アモルファスシリコン薄膜のシリコンを結晶化させるためにレーザが必要とする光密度が少なくとも３０％減少する。
【００５４】
実施例１と実施例２から、光密度の点でＫｒＦレーザがより有利であることも分かる。
【００５５】
それにもかかわらず、工業的観点から、本発明ではＸｅＣｌレーザを使用することが好ましい。他を上回る信頼性と寿命のため、ＸｅＣｌレーザがより広く用いられているからである。
【００５６】
本発明は記載および図示された実施形態になんら限定されるものでないことは当然である。障壁層を形成するために多孔質のアモルファスシリカ以外のいかなる材料を使用することも可能であり、この層に要求される唯一の条件は、この層が基板材料と本発明のトランジスタの薄膜を構成するシリコンとの両方に適合した材料で作られる必要があり、該材料の熱伝導率が基板の熱伝導率より低くなくてはならない、ということである。
【００５７】
同様に、障壁層が多孔質のアモルファスシリカで作られる場合は、ゾルーゲル法による堆積以外の、当業者に適していると思われるあらゆる堆積法を本発明の範囲を逸脱せずに使用することもできる。すなわち、本発明は、本発明の範囲内ならば、上述手段のすべての技術的均等物およびその組み合わせを網羅する。しかし、薄膜トランジスタの基板はガラスである必要はない。
【００５８】
例えば、基板はプラスチックまたは金属材料とすることも可能で、唯一の条件はトランジスタの製造工程で使用される温度に耐えられることである。
【００５９】
以上、いくつかの実施例を通して本発明の概要および詳細の両方を説明した。当業者であれば、本発明が必ずしも上に開示された特定の実施形態に限定されるものでないことが分かるであろう。添付されている請求項、および、本発明の範囲内で使用できる、現在公知であるかまたはこれから開発される同等構成要素を含む請求項の均等物によって定められる本発明の範囲から逸脱せずに変更および変形を行うこともできよう。したがって、ある変更が本発明の範囲から逸脱していなければ、そのような変更は本発明に含まれるものと解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】照射中のシリコン薄膜トランジスタの構造を示す図である。
【図２】照射後に得られた多結晶シリコン薄膜トランジスタを示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１    基板
２    障壁層
３    多結晶シリコン薄膜
４    アモルファスシリコン薄膜
５    レーザ光線
【図１】
2006517727.tif 000004
【図２】
2006517727.tif 000005
【国際調査報告】
2006517727.tif 000006
2006517727.tif 000007
2006517727.tif 000008