(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上の犠牲層上に作製した薄膜素子を第２の基板上に転写する薄膜素子の転写方法において、アモルファスシリコン膜またはゲルマニウム膜からなる前記犠牲層に電圧を印加した状態で該犠牲層に光照射した後、前記第１の基板と前記第２の基板とを接着剤を介して接着させ、その後該犠牲層を剥離することにより該犠牲層上の前記薄膜素子を前記第２の基板上に転写することを特徴とする薄膜素子の転写方法。
【請求項２】
前記犠牲層の厚みは１０から５００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の薄膜素子の転写方法。
【請求項３】
前記犠牲層に印加する電圧は、該犠牲層を流れる電流密度が１００００Ａ／ｃｍ2以上となるように設定することを特徴とする請求項１または２記載の薄膜素子の転写方法。
【請求項４】
前記犠牲層の剥離状態を、光照射後の犠牲層の抵抗値変化によって測定し、光照射を繰り返す最適条件をモニターすることを特徴とする請求項１、２または３記載の薄膜素子の転写方法。
【請求項５】
前記犠牲層に電圧を印加する電極は、第１の基板上の所望の転写領域を挟む位置に対向して設置されてなることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の薄膜素子の転写方法。
【請求項６】
前記光照射は犠牲層に電圧を印加する対向した電極を両端とする領域に対しておこなうことを特徴とする請求項５記載の薄膜素子の転写方法。
【請求項７】
前記光照射はエキシマレーザーによって行われることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の薄膜素子の転写方法。
【請求項８】
前記薄膜素子は薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載の薄膜素子の転写方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置の表示画素または液晶駆動回路の構成素子として利用される薄膜トランジスタ等の薄膜素子を、転写によって他の基板に貼り付ける薄膜素子の転写方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン（ ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等の半導体膜は薄膜トランジスタ（以下本願明細書中ではＴＦＴと称する）や太陽電池に広く利用されている。とりわけｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは高移動度化が可能でありながらガラス基板のように透明で絶縁性の基板上に作成できるという特徴を生かして、液晶表示装置（ＬＣＤ）や液晶プロジェクターなどの光変調素子あるいは液晶駆動用内蔵ドライバーの構成素子として広く用いられ、新しい市場の創出に成功している。
【０００３】
ガラス基板上に高性能なＴＦＴを作成する方法としては高温プロセスと呼ばれる製造方法がすでに実用化されている。ＴＦＴの製造方法として工程最高温度が１０００℃程度の高温を用いるプロセスを一般的に高温プロセスと呼んでいる。高温プロセスの特徴は、シリコンの固相成長により比較的良質のｐｏｌｙ−Ｓｉを作成する事ができることと、熱酸化により良質のゲート絶縁膜（一般的に二酸化珪素）および清浄なｐｏｌｙ−Ｓｉとゲート絶縁膜の界面を形成できることである。高温プロセスではこれらの特徴により、高移動度でしかも信頼性の高い高性能ＴＦＴを安定的に製造することができる。しかし、高温プロセスを用いるためにはＴＦＴを作成する基板が１０００℃以上の高温の熱工程に耐え得る必要がある。この条件を満たす透明な基板は現在のところ石英ガラスしかない。このため昨今のｐｏｌｙ−Ｓｉ  ＴＦＴは総て高価で小さい石英ガラス基板上に作成されており、コストの問題上大型化には向かないとされている。また、固相成長法では十数時間という長時間の熱処理が必要であり、生産性が極めて低いとの課題がある。また、この方法では基板全体が長時間加熱されている事に起因して基板の熱変形が大きな問題と化し実質的に安価な大型ガラス基板を使用し得ないとの課題が生じており、これもまた低コスト化の妨げとなっている。
【０００４】
一方、高温プロセスが持つ上記欠点を解消し、尚且つ高移動度のｐｏｌｙ−Ｓｉ  ＴＦＴを実現しようとしているのが低温プロセスと呼ばれる技術である。比較的安価な耐熱性ガラス基板を使うために、工程最高温度としておおむね６００℃以下のｐｏｌｙ−Ｓｉ  ＴＦＴ製造プロセスを一般的に低温プロセスと呼ぶ。低温プロセスでは発振時間が極短時間のパルスレーザーを用いてシリコン膜の結晶化をおこなう技術が広く使われている。レーザー結晶化とは、ガラス基板上のアモルファスシリコン膜に高出力のパルスレーザー光を照射することによって瞬時に溶融させ、これが凝固する過程で結晶化する性質を利用する技術である。最近ではガラス基板上のアモルファスシリコン膜にエキシマレーザービームをくり返し照射しながらスキャンすることによって大面積のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を作成する技術が広く使われるようになった。また、ゲート絶縁膜としてはプラズマＣＶＤをもちいた成膜方法で比較的高品質の二酸化珪素（ＳｉＯ２）膜が成膜可能となり実用化への見通しが得られるほどになった。これらの技術によって、現在では一辺が数十センチほどもある大型のガラス基板上にｐｏｌｙ−Ｓｉ  ＴＦＴが作成可能となっている。
【０００５】
以上のようにして作製したＴＦＴは、低温プロセスといえどもプロセス温度として４００℃程度の温度が必要なため、たとえば樹脂基板やプラスティック基板などの耐熱性の低い基板上に作製することは現状では不可能である。従って、ＴＦＴはガラスなどの基板上に作製し、しかる後にこれらの素子を任意の基板に転写することができると任意の基板上に薄膜トランジスタを形成することができるようになる。レーザーを利用して素子を転写する方法に関しては様々な技術が報告されているが、例えばJapanese Journal of Applied Physics Vol.38 (1999)pp.L217はごく最近報告された転写技術の一つである。これは図３に示すように窒化ガリウム１０２の表面にレーザー照射１０６をし、レーザーを吸収した最表面の熱励起による分解（窒素ガス１０８が発生）を利用して、素子を基板から分離する方法である。しかしながら、熱分解を促すために基板をホットプレート１０１で600℃に加熱する必要があり耐熱性の低い転写先基板を使うことができない。また、窒化ガリウムという特殊な材料を用いなければならないためこの犠牲層の上にＴＦＴなどのシリコン系素子を作製するのはプロセスの制約上、困難であるといわざるを得ない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上述の諸課題を鑑み、基板温度を上げること無くＴＦＴ等のシリコン薄膜素子を任意の基板上に転写する薄膜素子の転写方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜素子の転写方法は、第１の基板上の犠牲層上に作製した薄膜素子を第２の基板上に転写する薄膜素子の転写方法において、アモルファスシリコン膜またはゲルマニウム膜からなる前記犠牲層に電圧を印加した状態で該犠牲層に光照射した後、前記第１の基板と前記第２の基板とを接着剤を介して接着させ、その後該犠牲層を剥離することにより該犠牲層上の前記薄膜素子を前記第２の基板上に転写することを特徴とする。
【０００８】
上記課題を解決する為に請求項２記載の発明は請求項１記載の薄膜素子の転写方法で、前記光照射をおこなったのち前記第１の基板と前記第２の基板を接着させ素子の転写をおこなうことを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決する為に請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の薄膜素子の転写方法で、前記犠牲層の厚みは１０から５００ｎｍの範囲であることを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する為に請求項４記載の発明は、請求項１、２、または３記載の薄膜素子の転写方法で、前記犠牲層に印加する電圧は、該犠牲層を流れる電流密度が１００００A/cm2以上となるように設定することを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する為に請求項５記載の発明は、請求項１、２、３または４記載の薄膜素子の転写方法で、前記犠牲層の剥離状態を、光照射後の犠牲層の抵抗値変化によって測定し、光照射を繰り返す最適条件をモニターすることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する為に請求項６記載の発明は、請求項１、２、３、４、または５記載の薄膜素子の転写方法で、前記犠牲層に電圧を印加する電極は、第１の基板上の所望の転写領域を挟む位置に対向して設置されてなることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する為に請求項７記載の発明は、請求項６記載の薄膜素子の転写方法において前記光照射は犠牲層に電圧を印加する対向した電極を両端とする領域に対しておこなうことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する為に請求項８記載の発明は請求項１、２、３、４、５、６または７記載の薄膜素子の転写方法において、前記光照射はエキシマレーザーによって行われることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する為に請求項９記載の発明は請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の薄膜素子の転写方法において、前記薄膜素子は薄膜トランジスタであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態の一例を図１に基づいて詳述する。
【００１８】
第1の基板２０７としては、石英ガラスや高融点ガラス、プラスティック基板など、転写時に照射するレーザー２０８に対して透明で、素子作製プロセスに耐えるものが望ましい。この基板２０７の上に犠牲層２０６を形成する。犠牲層はレーザー光２０８を効率的に吸収する材料が望ましい。たとえば、アモルファスシリコンやゲルマニウム、その他光分解型の有機物なども有効である。この上にバッファ層２０５を形成する。これは素子転写時の熱あるいは光の影響が上の素子に及ぶのを防止する役割を果たすもので、二酸化珪素、窒化シリコン、金属酸化物などが有効である。この上に転写したい素子を形成する。この素子は例えば薄膜トランジスタや、半導体レーザー、フォトダイオード、太陽電池などの半導体デバイスをはじめ、有機ＥＬ素子、液晶表示装置等任意の素子を形成して良い。しかる後に犠牲層２０６に電気的に接続する電極２０４を形成する。この電極２０４を介して犠牲層２０６にバイアス電圧を印加する。次にバイアス電圧を印加した状態でレーザー光２０８を照射する。ここでレーザー光源としては二酸化炭素レーザー、エキシマレーザーをはじめとする高出力のガスレーザー、ＹＡＧレーザー、半導体レーザーなどの固体レーザーが利用できるが、特にパルスレーザーは犠牲層を瞬時に溶融させながら、素子に熱的ダメージを与えないので有効である。レーザー光２０８の照射によって犠牲層２０６は温度上昇し、融点を超えると溶融する。溶融すると犠牲層２０６はより電気を流しやすくなるので、溶融と同時に犠牲層２０６を電流が流れる。この電流の値が十分大きいと、ジュール発熱によって犠牲層２０６の温度は更に上昇する。この電流値を適当に設定すると、犠牲層２０６は急激な温度上昇によって構造的な乱れが極めて大きくなり、ついには薄膜としての密着力を失う。このために、この犠牲層２０６を境にして上部の素子部分は容易に基板２０７から剥離することができるようになる。
【００１９】
【実施例】
本発明の実施例として、ＴＦＴ素子を転写する方法を図２にそって説明する。本実施例で用いられる基板及び下地保護膜に関しては前述の説明に準ずるが、ここでは基板の一例として４インチφの石英基板３０７を用いる。まず基板３０７上に犠牲層であるアモルファスシリコン３０６を１００ｎｍ成膜する。本実施例では高真空型ＬＰＣＶＤ装置を用いて、原料ガスで有るジシラン（Ｓｉ２  Ｈ６  ）を２００ＳＣＣＭ流し、４２５℃の堆積温度で堆積する。次に絶縁性物質である下地保護膜３０５を形成する。ここでは基板温度を１５０゜ＣとしてＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ法にて２００ｎｍ程度の膜厚を有する酸化硅素膜を堆積する。次に薄膜トランジスタの能動層となる真性シリコン膜等の半導体膜３００を堆積する。半導体膜３００の厚みは５０ｎｍ程度で有る。この半導体層は前記アモルファスシリコン３０６とまったく同様の方法により形成する。次にＴＦＴのチャネル部分となるレーザー結晶化を行うのであるが、これに先立って非晶質シリコン膜を弗酸溶液に浸し、半導体膜３００上の自然酸化膜をエッチングする。次にレーザー光の照射をおこなう。本実施例ではキセノン・クロライド（ＸｅＣｌ）のエキシマ・レーザー（波長：３０８ｎｍ）を照射する。レーザーパルスの強度半値幅（時間に対する半値幅）は２５ｎｓである。基板３０７をレーザー結晶化チャンバーにセットした後、真空排気をおこなう。基板３０７を加熱した状態でレーザー照射することでｐ−Ｓｉ膜の結晶性を向上することができるので、真空排気後基板温度を２５０度℃まで上昇させる。一回のレーザー照射面積は１０ｍｍ角の正方形状で、照射面でのエネルギー密度は１６０ｍＪ／ｃｍ２  である。このレーザー光を９０％ずつ重ねつつ（つまり照射するごとに１ｍｍづつ）相対的にずらしながら照射を繰り返す（図１参照）。こうして４インチφの基板３０７全体のアモルファスシリコンを結晶化する。同様な照射方法を用いて２回目のレーザー照射を行う。２回目のエネルギー密度は１８０ｍＪ／ｃｍ２で有る。これをくり返し、３回目、４回目と約２０ｍＪ／ｃｍ２づつ照射エネルギー密度を上昇させながら最終的にはのエネルギー密度４４０ｍＪ／ｃｍ２の照射をおこないレーザー照射を終了する。ここで４５０ｍＪ／ｃｍ２の照射レーザーエネルギー密度を超えた高いエネルギーを照射すると、ｐ−Ｓｉのグレインが微結晶化を起こすため、これ以上のエネルギー照射を避けた。次にゲート絶縁膜成膜チャンバーでＣＶＤ法やＰＶＤ法などでゲート絶縁膜を形成する。本実施例では平行平板型ｒｆ放電ＰＥＣＶＤ法で基板温度を３５０℃として１２０ｎｍの酸化硅素膜を堆積する。原料ガスとしてはＴＥＯＳ（Ｓｉ−（Ｏ−ＣＨ２−ＣＨ３）４）と酸素（Ｏ２）の混合ガスをもちいた。引き続いてゲート電極３０１となる薄膜をＰＶＤ法或いはＣＶＤ法などで堆積する。通常はゲート電極とゲート配線は同一材料にて同一工程で作られる為、この材質は電気抵抗が低く、３５０℃程度の熱工程に対して安定である事が望まれる。本実施例では膜厚が６００ｎｍのタンタル薄膜をスパッタ法により形成する。ゲート電極となる薄膜を堆積後パターニングを行い、引き続いて半導体膜３００に不純物イオン注入を行ってソース・ドレイ��領域３０２及びチャンネル領域を形成する。この時ゲート電極３０１がイオン注入のマスクとなっているため、チャンネルはゲート電極３０１下のみに形成される自己整合構造となる。次に層間絶縁膜をＣＶＤ法或いはＰＶＤ法で形成する。本実施例ではＴＥＯＳ（Ｓｉ−（Ｏ−ＣＨ２−ＣＨ３）４）と酸素（Ｏ２）、水（Ｈ２Ｏ）を原料気体とし、希釈気体としてアルゴンを用いて基板表面温度３００℃で５００ｎｍの膜厚に成膜する。イオン注入と層間絶縁膜形成後、３５０℃程度以下の適当な熱環境下にて数十分から数時間の熱処理を施して注入イオンの活性化及び層間絶縁膜の焼き締めを行う。この熱処理温度は注入イオンを確実に活性化する為にも２５０℃程度以上が好ましい。又層間絶縁膜を効能的に焼き締めるには３００℃以上の温度が好ましい。層間絶縁膜形成後ソース・ドレイン領域３０２上および犠牲層３０６上にコンタクトホールを開孔し、ソース・ドレイン取り出し電極３０３とバイアス印加電極３０４配線をＰＶＤ法やＣＶＤ法などで形成して薄膜トランジスタおよび転写構造が完成する。
【００２０】
上記構造の犠牲層および薄膜トランジスタ素子を形成した後、この素子を第二の基板に転写するプロセスをおこなう。犠牲層３０６に接続したバイアス印加電極３０４に５０Ｖのバイアスを印加する。この状態で基板３０７側からエキシマレーザー３０８を照射する。ここでレーザー光はギャップ状のバイアス印加電極３０４が照射領域の両端に位置するように照射する。これによって照射領域全体に一様な電流が流せるので剥離工程での歩留まりを上げることができる。犠牲層であるアモルファスシリコン３０６は３００mJ/cm2程度のエネルギー密度で照射したエキシマレーザー光をすべて吸収し溶融する。アモルファスシリコンは固体では極めて抵抗が高いが、一旦溶融すると金属的な性質を示し８０μΩcmという大変低い抵抗体に成る。このためバイアス印加電極３０４を通して溶融状態のシリコンに極めて大きな電流密度で電流が流れる。このときの電流密度はおおむね１００００A/cm2となるようにバイアス電圧を調節すると後の剥離が容易となる。この大電流のため溶融シリコン膜はジュール発熱するので、溶融シリコンの温度をバイアス電圧によって制御することができる。レーザー照射のみでは犠牲層３０６の温度コントロールができないため、剥離し易さをコントロールするのは極めて困難であったが、電流制御で温度コントロールをする本発明の方法によって剥離しやすさを容易に制御できるように成った。また、レーザー照射をおこなった後犠牲層３０６の抵抗値を測定することで犠牲層３０６の構造を反映した電気特性が評価できる。したがって、犠牲層３０６の抵抗値の変化をモニターしながらレーザー照射回数やエネルギーおよびバイアス電圧を適当な値に調整することで間違いなく転写可能な犠牲層３０６の状態を再現することができる。このようにして十分に剥離可能な状態になった第1の基板に、転写先となる第2の基板３１１を接着剤３１０によって接着する。接着剤が十分に固化した後、第1の基板３０７と第2の基板３１１をお互いに逆方向に引っ張ることによって、素子は犠牲層３０６を境にして容易に第2の基板３１１に転写される。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、ＴＦＴ作製プロセスと整合性の良い犠牲層をつくるには、ＴＦＴの能動層であるアモルファスシリコン膜を用いることが重要である。これによって、素子形成プロセスは従来とまったく同じで、犠牲層を作製することができるし、不純物による素子への悪影響もまったく与えずに済む。また、犠牲層を溶融させるレーザーとしてＴＦＴ作製プロセスで用いるエキシマレーザーが利用できるため、装置コストを低く抑えることが可能となる。
【００２２】
以上のように本発明の薄膜素子の転写方法を用いることによって、制御性および再現性のよい素子転写が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をＴＦＴに用いた場合の転写方法を説明するための図。
【図２】本発明の薄膜素子転写方法を説明するための図。
【図３】従来の薄膜転写方法を説明するための図。
【符号の説明】
２０７．．．基板
２０５．．．下地絶縁膜
３００．．．半導体膜
１０６、３０８．．．レーザー光
３０６．．．犠牲層
３０１．．．ゲート電極
３０２．．．ソース、ドレイン領域
３０３．．．ソース、ドレイン電極
３０４．．．バイアス印加電極
【図１】
0003994593.tif 000002
【図２】
0003994593.tif 000003
【図３】
0003994593.tif 000004