JP2001057432A - 薄膜素子の転写方法 - Google Patents
薄膜素子の転写方法Info
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Abstract
る。 【解決手段】 レーザー照射によって引き起こされる溶
融をトリガーとして、犠牲層に大電流を流し犠牲層の温
度を制御する。
Description
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。
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。
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−Ｓ
ｉ 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。
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ｐｏ
ｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴが作成可能となっている。
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１０
２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１
０１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。
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。
請求項１記載の発明は、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、該犠牲層に電圧を印加した状態で該犠牲
層に光照射することによって犠牲層上の薄膜素子を前記
第2の基板上に転写することを特徴とする。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
明は請求項６または７記載の薄膜素子の転写方法におい
て、前記犠牲層はアモルファスシリコン膜であることを
特徴とする。
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。
発明は請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９
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。
一例を図１に基づいて詳述する。
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２
０６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２０
８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２
０６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。
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３０
０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：３０８ｎ
ｍ）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４
４０ｍＪ／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−Ｓ
ｉ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・ドレイン
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ＰＶ
Ｄ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。
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８０μ
Ωcm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３
０６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３０
６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。
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。
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。
するための図。
図。
Claims (10)
- 【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、該犠牲層に電圧を印加した状態で該犠牲層に光照射
することによって犠牲層上の薄膜素子を前記第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、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、３
または４記載の薄膜素子の転写方法。 - 【請求項６】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、４または
５記載の薄膜素子の転写方法。 - 【請求項７】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６記載の薄膜素子の転写方法。 - 【請求項８】前記犠牲層はアモルファスシリコン膜であ
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。 - 【請求項９】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、
６、７または８記載の薄膜素子の転写方法。 - 【請求項１０】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、７、
８または９記載の薄膜素子の転写方法。
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