JP2001147446A - 液晶表示装置とその製造方法 - Google Patents

液晶表示装置とその製造方法

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JP2001147446A JP32972599A JP32972599A JP2001147446A JP 2001147446 A JP2001147446 A JP 2001147446A JP 32972599 A JP32972599 A JP 32972599A JP 32972599 A JP32972599 A JP 32972599A JP 2001147446 A JP2001147446 A JP 2001147446A
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敏夫 宮沢
Akio Mimura
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Abstract

(57)【要約】 【課題】多結晶シリコン半導体層の凹凸を小さくして、
絶縁層を薄くし、不純物濃度分布を平坦化して安定、低
電圧、かつ高速動作の薄膜トランジスタをもつアクティ
ブマトリクス基板を得る。 【解決手段】絶縁基板SUB1上に形成した多結晶シリ
コン半導体層PSの上にゲート絶縁膜GIを介して形成
したゲート電極GTと、絶縁膜PAS上に形成されると
共に、当該絶縁膜に形成したコンタクトホールで多結晶
シリコン半導体層PSにそれぞれ接続したドレイン電極
SD2,およびソース電極SD1とから構成し、多結晶
シリコン半導体層の表面凹凸を、当該多結晶シリコン半
導体層の形成膜厚の10%以下とし、当該多結晶シリコ
ン半導体層の不純物濃度のピーク値を絶縁基板SUB1
の水平面に対し20%以内とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置に係
り、特に、レーザーアニール技術を用いて形成した、多
結晶シリコン半導体を用いて形成した当該液晶表示装置
を構成するアクティブマトリクス基板の各種薄膜の平坦
度を向上させて低電圧かつ高速動作を可能とした液晶表
示装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】情報処理端末のディスプレイモニターや
テレビ受像機の映像表示デバイスとして液晶表示装置が
広く用いられている。この液晶表示装置は、基本的には
二枚の絶縁基板の間に液晶層を封入し、液晶層を構成す
る液晶分子の配向方向を変化させることで画像や映像を
表示するものである。
【0003】液晶表示装置は、その画素形成方式の違い
により、種々の形式が知られている。その中でも、一方
の絶縁基板の内面に画素毎にスイッチング素子(能動素
子)を形成し、このスイッチング素子を選択することで
画素を形成するアクティブマトリクス方式は広く採用さ
れている。
【0004】アクティブマトリクス方式の液晶表示装置
として最もポピュラーなものが、上記スイッチング素子
に薄膜トランジスタ(TFT)を用いた薄膜トランジス
タ型液晶表示装置である。
【0005】この薄膜トランジスタ型液晶表示装置を構
成する薄膜トランジスタ、駆動回路、等の回路素子の構
成材料である半導体層として、最近は、多結晶シリコン
半導体(所謂、ポリシリコン半導体)を用いたものが実
用化されている。
【0006】図12は多結晶シリコン半導体を用いた液
晶表示装置の一例を説明するアクティブマトリクス基板
の模式平面図である。SUB1は第1の基板(一方の基
板、下側基板、アクティブマトリクス基板)であり、表
示領域ARには走査信号線(ゲート線)GLと映像信号
線(ドレイン線)DLが縦方向と横方向に敷設されてお
り、その交差部に薄膜トランジスタTFTが形成され、
この薄膜トランジスタTFTで駆動される画素電極PT
で単位画素が構成される。
【0007】表示領域ARの周辺にはゲート線GLに走
査電圧を印加する垂直走査駆動回路(ゲート駆動回路)
V、水平走査駆動回路(ドレイン駆動回路)H、および
プリチャージ回路PGが当該基板上に作り込まれてい
る。
【0008】この基板SUB1の一縁には外部装置(ホ
ストコンピュータ、映像処理装置等の信号ソース)から
の表示信号を入力するための端子TMが形成されてい
る。なお、COMは図示しない他方の絶縁基板側に形成
した共通電極に駆動信号を印加するための接続端子を示
す。
【0009】多結晶シリコン半導体の薄膜をガラスある
いは石英の絶縁基板(以下、単に基板と言う)上に形成
する方法として、当該基板上にCVDなどの手段を用い
て非晶質シリコン膜を形成後、レーザービームを照射し
てガラスなどの耐熱温度の低い基板が溶解あるいは破壊
される前に非晶質シリコン薄膜のみを局所溶解して結晶
化させ、多結晶シリコン薄膜の半導体層を形成する方法
が従来から一般的に用いられている。
【0010】この方法は、比較的安価なガラスを基板と
して用いることが可能であり、その結果、液晶表示装置
の低価格化を図り、高品質の液晶表示装置を市場に適用
することができる。
【0011】なお、基板上にCVDなどの手段を用いて
非晶質シリコン膜を形成後、レーザービームを照射して
ガラスなどの耐熱温度の低い基板上に、多結晶シリコン
薄膜の半導体層を形成する方法が記載された公知文献と
しては、例えば、特開平10−41234号公報が上げ
られる。
【0012】しかし、特開平10−41234号公報に
示される従来技術では、1層の非晶質シリコン膜のみに
レーザー光を照射して多結晶シリコン薄膜を形成するも
のであり、1層目の多結晶シリコン膜上に2層目の非晶
質シリコン膜を形成し、2層目の非晶質シリコン膜にレ
ーザー光を照射して、1層目の多結晶シリコン膜を核に
2層目の非晶質シリコン膜を結晶成長させることまでは
記載されていなかった。
【0013】また、1層目の非晶質シリコン膜にレーザ
ー光を照射して1層目の多結晶シリコン薄膜を形成し、
1層目の多結晶シリコン薄膜の上に2層目の非晶質シリ
コン膜を積層し、2層目の非晶質シリコン膜にレーザー
光を照射して多結晶シリコン薄膜を形成する先行技術に
は特開平10−41234号公報がある。
【0014】しかし特開平10−41234号公報に開
示する技術では、1層目の多結晶シリコン薄膜表面の不
純物を取り除く思想がなかったので、1層目と2層目の
多結晶シリコン膜の境界に不純物濃度の濃い部分があ
り、その不純物が1層目の多結晶シリコン膜と2層目の
多結晶シリコン膜の融合を阻害していたので、1層目と
2層目の多結晶シリコン膜の境界のない、結晶性の良好
な、一体化した多結晶シリコン膜が出来にくかった。
【0015】なおここで、不純物とは大気の成分や、大
気中に浮遊する塵や埃を意味し、導電型を決定するため
に、意図的に、多結晶シリコン膜にドーピングするホウ
素、リン、ヒ素等の不純物はここでは含まれない。
【0016】また、1層目の多結晶シリコン膜形成後、
大気に晒すことなく2層目の非晶質シリコン膜を積層
し、2層目の非晶質シリコン膜にレーザを照射して多結
晶シリコン薄膜を形成する先行技術には特開平7−99
321号公報がある。
【0017】しかし特開平7−99321号公報は、多
結晶シリコン膜表面を平坦化する思想がないため、2層
目の非晶質シリコン膜を積層する前に、レーザ照射によ
り生じた1層目の多結晶シリコン膜の突起を除去するク
リーニング工程を行っていなかった。従って特開平7−
99321号公報に開示する技術では、本発明のごと
く、表面が極めて平坦な多結晶シリコン薄膜は得られ難
かった。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方法で形成した多結晶シリコン膜は、それを結晶化
させる際に、その結晶と結晶の間に大きな突起が発生す
る。通常、多結晶シリコンの薄膜は、20nm〜100
nmの間の膜厚に選ばれるが、この際、上記突起は形成
した膜厚の50〜200%に達することがあり、その表
面上に多数の突起を持つ多結晶シリコン膜となってしま
う。
【0019】図13は従来の液晶表示装置を構成するア
クティブマトリクス基板に形成された薄膜トランジスタ
の要部積層薄膜構造の断面の顕微鏡写真の模写図であ
る。この薄膜トランジスタはMOS型の電界効果型トラ
ンジスタである。
【0020】図中、SUB1は基板、PSは多結晶シリ
コン半導体層、GIはゲート絶縁層、GTはゲート電
極、PASは層間絶縁層を示す。図示したように、多結
晶シリコン半導体層PSには、その表面に大きな突起が
多数形成されている。したがって、その上層に成膜され
るゲート絶縁層GI、ゲート電極GTは、多結晶シリコ
ン半導体層PSに表面状態に倣った形状となっている。
【0021】上記従来の方法で形成された多結晶シリコ
ン半導体薄膜を半導体層に用いた薄膜トランジスタで
は、次のようなデバイス構造、トランジスタ動作の制約
を受け、結果としてトランジスタ特性の劣化、ひいては
表示特性の劣化をもたらしていた。
【0022】(1)多結晶シリコン半導体層と電界制御
層であるゲート電極との絶縁、更には所望の電界耐圧を
持たせるために、上記の突起を十分に被覆するように絶
縁層GIを厚く形成する必要がある。その結果、絶縁層
を薄くできず、通常は100nm前後の膜厚に選択され
る。
【0023】(2)上記(1)で説明したような絶縁膜
を成膜した後、薄膜トランジスタの閾値を制御するため
にインプランテーション等の方法で不純物を導入する場
合があるが、この不純物の濃度分布(例えば、ピーク濃
度を結んだ等濃度線)は、上記突起とそれを被覆するた
めに形成された絶縁膜の形状に依存し、例えば、絶縁層
が下地の多結晶シリコン半導体層に良く倣って、水平面
に対して(基板表面に対して)凹凸となった濃度分布に
なる。
【0024】なお、絶縁層が下地の多結晶シリコン半導
体層の凹凸を吸収して表面が平らになるようにすること
も可能だが、この場合は、上記(1)の要請事項によ
り、より厚い絶縁層となる場合が多いことと、場所によ
り絶縁層の厚みが大きく異なり(20%以上異なる)、
電界制御電極であるゲート電極による電界効果を局所的
に変調するという弊害をもたらす。 (3)上記(1)に記載したような絶縁層をつけ、更に
ゲート電極となる電極材料を成膜してパターニングした
後、インプランテーション等で不純物を導入してソース
領域とドレイン領域を形成する手法が一般的であるが、
この場合も(2)と同様に、不純物の等濃度線が基板表
面に対しでこぼこの突起をもつ濃度分布となる。
【0025】この突起の大きさが成膜膜厚の50%以上
になると、ソースあるいはドレイン領域内において電流
の流れる方向に局所的な不純物濃度の差が発生し、ソー
スあるいはドレイン領域内の抵抗値制御を難しくしてい
る。
【0026】本発明の目的は、上記従来技術における諸
問題を解消し、多結晶シリコン半導体層の凹凸を小さく
して、絶縁層を薄くし、不純物濃度分布を平坦化して安
定、低電圧、かつ高速動作の薄膜トランジスタをもつア
クティブマトリクス基板を具備した液晶表示装置とその
製造方法を提供することにある。
【0027】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の代表的な構成を記述すれば、次のとおりであ
る。本発明による液晶表示装置は下記の(1)〜(9)
に記載の構成とした。すなわち、 (1)絶縁基板上に互いに交差するように形成したゲー
ト配線、ドレイン配線を有し、前記ゲート配線、ドレイ
ン配線の交差部近傍に薄膜トランジスタを配置した画素
領域と、前記絶縁基板の周辺に前記薄膜トランジスタを
選択的に駆動するための駆動回路を形成した駆動回路領
域とを有するアクティブマトリクス基板を具備した液晶
表示装置であって、前記薄膜トランジスタは、前記絶縁
基板上に形成した多結晶シリコン半導体層と、この多結
晶シリコン半導体層の上にゲート絶縁膜を介して形成し
たゲート電極と、前記絶縁膜上に形成されると共に、当
該絶縁膜に形成したコンタクトホールで前記多結晶シリ
コン半導体層にそれぞれ接続したドレイン電極およびソ
ース電極とから構成され、前記多結晶シリコン半導体層
の表面凹凸が、当該多結晶シリコン半導体層の形成膜厚
の10%以下であり、当該多結晶シリコン半導体層の不
純物濃度のピークを示す位置と前記絶縁基板表面との距
離の変動が前記絶縁基板の水平面に対し10%以内であ
ることを特徴とする。
【0028】(2) 薄膜トランジスタと画素電極を有
する第1の基板と共通電極を有する第2の基板の貼り合
わせ間隙に液晶層を封入してなる液晶表示装置であっ
て、前記薄膜トランジスタは、前記第1の基板に形成し
た多結晶シリコン半導体層と、この多結晶シリコン半導
体層の上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極
と、前記絶縁膜上に形成されると共に、当該絶縁膜に形
成したスルーホールで前記多結晶シリコン半導体層にそ
れぞれ接続したドレイン電極およびソース電極とから構
成され、前記薄膜トランジスタを構成する多結晶シリコ
ン半導体層は、第1基板上に膜厚が50nm以下、かつ
その表面凹凸が10%以下であり、前記多結晶シリコン
半導体膜はレーザーアニールを施して形成した第1の多
結晶シリコン半導体膜と、前記第1の多結晶シリコン半
導体膜の上に膜厚が50nm以下に成膜した多結晶シリ
コン半導体膜にレーザーアニールを施して形成した第2
の多結晶シリコン半導体膜とから構成され、前記薄膜ト
ランジスタを構成する多結晶シリコン半導体層に含まれ
る酸素の濃度が、前記第1と第2の多結晶シリコン半導
体膜の境界付近で1019cm-3以下であることを特徴
とする。
【0029】(3)(2)において、前記ゲート絶縁層
の厚さが80nm以下であることを特徴とする。
【0030】(4)絶縁基板上に互いに交差するように
形成したゲート配線、ドレイン配線を有し、前記ゲート
配線、ドレイン配線の交差部近傍に薄膜トランジスタを
配置した画素領域と、前記絶縁基板の周辺に前記薄膜ト
ランジスタを選択的に駆動するための駆動回路を形成し
た駆動回路領域とを有するアクテブマトリクス基板を具
備した液晶表示装置であって、前記薄膜トランジスタ
は、前記第1の基板上に形成した多結晶シリコン半導体
層と、この多結晶シリコン半導体層の上にゲート絶縁膜
を介して形成したゲート電極と、前記絶縁膜上に形成さ
れると共に、当該絶縁膜に形成したスルーホールで前記
多結晶シリコン半導体層にそれぞれ接続したドレイン電
極およびソース電極とから構成され、前記薄膜トランジ
スタを構成する多結晶シリコン半導体層は、第1基板上
に膜厚が50nm以下、かつその表面凹凸が10%以下
であり、前記多結晶シリコン半導体膜はレーザーアニー
ルを施して形成した第1の多結晶シリコン半導体膜と、
前記第1の多結晶シリコン半導体膜の上に膜厚が50n
m以下に成膜した多結晶シリコン半導体膜にレーザーア
ニールを施して形成した第2の多結晶シリコン半導体膜
とから構成され、前記薄膜トランジスタを構成する多結
晶シリコン半導体層に含まれる窒素の濃度分布が、前記
第1と第2の多結晶シリコン半導体膜の境界付近で10
19cm-3以下であることを特徴とする。
【0031】(5)(4)において、前記ゲート絶縁層
の厚さが80nm以下であることを特徴とする。
【0032】(6) 薄膜トランジスタと画素電極を有
する第1の基板と共通電極を有する第2の基板の貼り合
わせ間隙に液晶層を封入してなる液晶表示装置であっ
て、前記薄膜トランジスタは、前記第1の板上に形成し
た多結晶シリコン半導体層と、この多結晶シリコン半導
体層の上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極
と、前記絶縁膜上に形成されると共に、当該絶縁膜に形
成したスルーホールで前記多結晶シリコン半導体層にそ
れぞれ接続したドレイン電極およびソース電極とから構
成され、前記薄膜トランジスタを構成する多結晶シリコ
ン半導体層は、第1基板上に膜厚が50nm以下、かつ
その表面凹凸が10%以下であり、前記多結晶シリコン
半導体膜はレーザーアニールを施して形成した第1の多
結晶シリコン半導体膜と、前記第1の多結晶シリコン半
導体膜の上に膜厚が50nm以下に成膜した多結晶シリ
コン半導体膜にレーザーアニールを施して形成した第2
の多結晶シリコン半導体膜とから構成され、前記薄膜ト
ランジスタを構成する多結晶シリコン半導体層に含まれ
る酸素の濃度が、前記第1と第2の多結晶シリコン半導
体膜の境界付近でピーク値を示さないことを特徴とす
る。
【0033】(7)絶縁基板上に互いに交差するように
形成したゲート配線、ドレイン配線を有し、前記ゲート
配線、ドレイン配線の交差部近傍に薄膜トランジスタを
配置した画素領域と、前記絶縁基板の周辺に前記薄膜ト
ランジスタを選択的に駆動するための駆動回路を形成し
た駆動回路領域とを有するアクテブマトリクス基板を具
備した液晶表示装置であって、前記薄膜トランジスタ
は、前記第1の板上に形成した多結晶シリコン半導体層
と、この多結晶シリコン半導体層の上にゲート絶縁膜を
介して形成したゲート電極と、前記絶縁膜上に形成され
ると共に、当該絶縁膜に形成したスルーホールで前記多
結晶シリコン半導体層にそれぞれ接続したドレイン電極
およびソース電極とから構成され、前記薄膜トランジス
タを構成する多結晶シリコン半導体層は、第1基板上に
膜厚が50nm以下、かつその表面凹凸が10%以下で
あり、前記多結晶シリコン半導体膜はレーザーアニール
を施して形成した第1の多結晶シリコン半導体膜と、前
記第1の多結晶シリコン半導体膜の上に膜厚が50nm
以下に成膜した多結晶シリコン半導体膜にレーザーアニ
ールを施して形成した第2の多結晶シリコン半導体膜と
から構成され、前記薄膜トランジスタを構成する多結晶
シリコン半導体層に含まれる窒素の濃度分布が、前記第
1と第2の多結晶シリコン半導体膜の境界付近でピーク
値を示さないことを特徴とする。
【0034】上記(1)〜(7)に記載の構成としたこ
とで、安定、低電圧、かつ高速動作の薄膜トランジスタ
をもつアクティブマトリクス基板を具備した液晶表示装
置が得られる。上記構成における個々の数値範囲は、本
発明者が多数の実験を行った結果知得したものである。
【0035】そして、本発明による液晶表示装置の製造
方法は、下記(8)〜(11)に記載の構成である。す
なわち、 (8)絶縁基板上に互いに交差するように形成したゲー
ト配線、ドレイン配線を有し、前記ゲート配線、ドレイ
ン配線の交差部近傍に薄膜トランジスタを配置した画素
領域と、前記絶縁基板の周辺に前記薄膜トランジスタを
選択的に駆動するための駆動回路を形成した駆動回路領
域とを有するアクテブマトリクス基板を具備した液晶表
示装置の製造方法であって、(a)絶縁基板上に第1の
非晶質シリコン半導体膜を成膜した後、レーザーアニー
ルにより多結晶化して第1の多結晶シリコン半導体膜を
形成する工程と、(b)前記第1の多結晶シリコン半導
体膜表面の意図しない不純物を1立方cm当たり1019
個以下とするクリーニング工程と、(c)第1の多結晶
シリコン半導体膜上に第2の非晶質シリコン半導体膜を
成膜した後、レーザーアニールにより第1の多結晶シリ
コン半導体膜の個々の結晶を核として第2の非晶質シリ
コン半導体膜が多結晶化した多結晶シリコン半導体膜を
形成する工程と、(d)多結晶シリコン半導体膜をパタ
ーニングして薄膜トランジスタの多結晶シリコン半導体
層を形成する工程と、(e)多結晶シリコン半導体層上
にゲート絶縁層を成膜する工程と、(f)ゲート絶縁層
上にゲート電極となる電極材料膜を成膜し、パターニン
グしてゲート電極を形成する工程と、(g)多結晶シリ
コン半導体層のソース電極とドレイン電極の領域に導電
型を決める不純物を導入する工程と、(h)ゲート電極
を覆って層間絶縁層を成膜する工程と、(i)多結晶シ
リコン半導体層のソース電極とドレイン電極の領域にお
けるゲート絶縁層と層間絶縁層を選択的に除去して多結
晶シリコン半導体コンタクトホールを形成する工程と、
(j)多結晶シリコン半導体コンタクトホールを通して
多結晶シリコン半導体層のソース電極領域とドレイン電
極領域に接して層間絶縁層を覆う電極材料膜を成膜する
工程と、(k)電極材料膜をパターニングしてソース電
極とドレイン電極を形成する工程と、(l)ソース電極
およびドレイン電極および層間絶縁層を覆って保護膜を
成膜する工程と、(m)保護膜を選択的に除去してソー
ス電極に達するソース電極コンタクトホールを形成する
工程と、(n)ソース電極コンタクトホールを通してソ
ース電極に接して保護膜を覆う画素電極材料膜を成膜す
る工程と、(o)画素電極材料膜をパターニングして画
素電極を形成する工程とを有する液晶表示装置の製造方
法。
【0036】(9)(8)において、前記(d)工程と
(e)工程の間に、多結晶シリコン半導体層にゲート閾
値電圧制御のための不純物を導入する工程を有すること
を特徴とする。
【0037】(10)(8)において、前記意図しない
不純物は酸素であることを特徴とする。
【0038】(11)(8)において、前記意図しない
不純物は窒素であることを特徴とする。
【0039】上記(8)、(9)、(10)及び(1
1)の構成とした製造方法により、多結晶シリコン半導
体層の凹凸が小さく、絶縁層が薄く、不純物濃度分布が
平坦化され、低電圧、かつ高速動作の薄膜トランジスタ
をもつアクティブマトリクス基板を具備した液晶表示装
置が得られる。
【0040】なお、本発明は上記の構成および後述する
実施例の構成に限定されるものではなく、本発明の技術
思想を逸脱することなく、種々の変更が可能である。
【0041】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、実施例の図面を参照して詳細に説明する。
【0042】図1は本発明による液晶表示装置の第1実
施例の要部構成を説明する断面図である。また、図2は
本発明による液晶表示装置を構成するアクティブマトリ
クス基板の第1実施例の一画素付近の構成を説明する平
面図である。図1と同一符号は同一機能部分に対応し、
図1は図2のA−A線に沿った断面図に相当する。
【0043】図1および図2において、SUB1はアク
ティブマトリクス基板(第1の基板)であり、ここでは
ガラス基板を用いている。この基板SUB1には、第1
層(下層)の多結晶シリコン半導体層PS1と第2層
(上層)の多結晶シリコン半導体層PS2との2層から
なる半導体層である多結晶シリコン層PSと、その上層
に順次形成されたゲート絶縁層GI、ゲート電極GT、
ソース電極SD1、ドレイン電極SD2、絶縁層PA
S、保護膜PSV、画素電極PT、および配向膜ORI
1が形成されている。
【0044】なお、ガラス基板SUB1の表面にSiO
2 またはSiNのバッファ層を成膜する場合もあるが、
本実施例では、これを省略してある。
【0045】以下の実施例の説明では、ガラス基板SU
B1の表面にバッファ層を設けた場合は、バッファ層も
含めて基板と呼ぶ。
【0046】多結晶シリコン半導体層PSには、ソース
電極SD1とドレイン電極SD2が絶縁層PASに形成
したコンタクトホールを通して形成されている。そし
て、ソース電極SD1には保護層PSVに形成したソー
ス電極コンタクトホールを通して画素電極PTが接続さ
れている。
【0047】多結晶シリコン半導体層PSは、後述する
製造方法で詳述するように、第1の多結晶シリコン半導
体層PS1と第2の多結晶シリコン半導体層PS2の成
膜とレーザーアニールで、第1層の溶融しない部分を核
として第2層部分にわたる大きな結晶をもつと共に、そ
の表面の凹凸が多結晶シリコン半導体PSの成膜膜厚の
10%以内、かつ不純物濃度がピークとなる位置のばら
つきが基板面に対して10%以内とした半導体層であ
る。
【0048】一方、同様にガラス基板を好適とする他方
の基板SUB2の内面には、ブラックマトリクスBMで
区画された複数のカラーフィルタFILと、その上に形
成された平坦化層(オーバーコート層)OCと、共通電
極COM、および配向膜ORI2がこの順で形成されて
いる。
【0049】本実施例は、カラー表示を可能としたもの
であるため、基板SUB2にカラーフィルタFILを形
成してあるが、モノクローム表示の液晶表示装置とする
場合は、このカラーフィルタは形成しない。
【0050】上記した2枚の基板SUB1とSUB2の
貼り合わせ間隙には液晶層LCが封入され、図12に示
した表示領域ARの周囲に、図示しないシール材をもっ
て封止してある。
【0051】図3は本発明による液晶表示装置を構成す
るアクティブマトリクス基板に形成された薄膜トランジ
スタの要部積層薄膜構造の断面の顕微鏡写真の模写図で
ある。図3におけるSUB1はアクティブマトリクス基
板であり、その上に多結晶シリコン半導体層PS、ゲー
ト絶縁層GI、ゲート電極GT、保護膜PASが順次形
成されている。
【0052】本発明においては、第2層の多結晶シリコ
ン半導体層を形成する時のレーザー照射により、第2層
の多結晶シリコンと第1層の多結晶シリコンが融けて融
合するため、図3に示す断面の顕微鏡写真では、半導体
層PSを構成する第1層の多結晶シリコン半導体層PS
1と第2層の多結晶シリコン半導体層PS2の境界は見
えない。 図3に示した薄膜トランジスタに使用した多
結晶シリコン半導体層PSの表面の、凹部分と凸部分の
高さの差を測定した結果、±10nm以内であった。
【0053】多結晶シリコン半導体層PSの表面の凹凸
は、原子間力顕微鏡(AFM)により測定することがで
きる。
【0054】本実施例のアクティブマトリクス基板にお
いては、その薄膜トランジスタを構成する多結晶シリコ
ン半導体層PSは、その表面の凹凸が少なくなってお
り、次のような効果が得られる。
【0055】(1)多結晶シリコン半導体層PSの凹凸
が小さくなった分、ゲート電極と多結晶シリコン層の間
に所望の電位耐圧を持たせるために、従来のように大き
な突起を被覆するために絶縁層(例えばゲート絶縁層G
I)の膜厚を厚く形成する必要がなくなる。従ってゲー
ト絶縁層の厚さを薄くでき、当該多結晶シリコン半導体
層PSに対する電界効果効率(電界)を高めるため、ゲ
ート電極に印加する電圧条件を同じにした場合、そのオ
ン/オフ特性が向上する。
【0056】この構成をもつ薄膜トランジスタを液晶表
示装置のアクティブ素子に用いる場合は、半導体層に高
い電界をかけることができるため、電界効果移動度が向
上し、オン特性の向上、および回路の高速化に寄与し、
ゲート電圧を下げた時のソース・ドレイン間のリーク電
流が少なくなるので、オフ特性が向上し、駆動回路の安
定化と共に、特に薄膜トランジスタのソース電極を液晶
駆動電極としてフローティング状態で使う画素駆動用ス
イッチング素子としたときの、オフ状態でのリーク電流
の抑制に大きな効果を有する。
【0057】(2)多結晶シリコン半導体層の凹凸を小
さくすることにより、後で導入される不純物濃度の分布
を基板面と平行(水平)な面に近づけることができ、結
果としてトランジスタ特性の安定化、および高性能化が
達成される。
【0058】図4は基板上に形成した多結晶シリコン半
導体層の凹凸の状態と不純物のインプランテーションの
ピークについて従来技術と本実施例を対比した説明図で
あり、(a)は従来の多結晶シリコン半導体層の模式断
面、(b)は本実施例の多結晶シリコン半導体層の模式
断面を示す。
【0059】同図中、SUB1は基板、PSは多結晶シ
リコン半導体層、GIはゲート絶縁層を示し、BIPは
ボロン(B)のインプランテーションの濃度のピーク位
置の分布、PIPはリン(P)のインプランテーション
の濃度のピーク位置の分布を示す。
【0060】ゲート絶縁層GIを成膜した後、このゲー
ト絶縁層GIをマスクとして多結晶シリコン半導体層P
Sに不純物をインプランテーションする場合、ゲート絶
縁層GIは下層の多結晶シリコン半導体層PSの表面凹
凸に倣った形で成膜される。
【0061】したがって、ゲート絶縁層GIの表面から
当該ゲート絶縁層GIと多結晶シリコン半導体層PSの
界面までの距離は上記凹凸に応じて変化している。すな
わち、凸部はこの距離が短く、凹部は長くなる。
【0062】一般に不純物として用いられるボロン
(B)やリン(P)のインプランテーション時の不純物
濃度分布のプロジェクションピーク位置の分布は、それ
ぞれ図中のBIP、PIPに示したようになる。
【0063】すなわち、ゲート絶縁層GIが、例えばS
iO2 であるとすると、ボロン(B)の場合はSiO2
とSiの平均飛行行程がほぼ同じなので、不純物のイン
プランテーション時の不純物濃度分布のプロジェクショ
ンピーク位置の分布は多結晶シリコン半導体層の凹凸を
反映した形で多結晶シリコン半導体層PS中に形成され
る。
【0064】一方、リン(P)では、Siの平均飛行行
程はSiO2 中の約1.2倍なので、凸部でSiO2
薄い場所ではSiの平均飛行行程が長くなるので、より
深いところにピークができ、凹部はSiO2 の平均飛行
行程が短くなるので、より浅いところにピークができ
る。
【0065】そのため、リン(P)の不純物インプラン
テーション時は、不純物のプロジェクション濃度のピー
ク位置は、多結晶シリコン半導体層PSの凹凸を上下方
向に反転したような不純物インプランテーション時のプ
ロジェクションピーク濃度の分布となる。このことは、
従来の多結晶シリコン半導体層の場合である同図(a)
において、顕著に示されている。
【0066】特に、リン(P)の場合には、薄い多結晶
シリコン半導体層PS内に不純物インプランテーション
により、不純物のプロジェクション濃度のピーク位置を
設定しようとすると、同図(a)のA部に示した大きな
凸部では、同B部に示したように当該不純物のプロジェ
クション濃度のピーク位置が多結晶シリコン半導体層P
Sの層から外れることもある。
【0067】絶縁基板SUB1の場所により、多結晶シ
リコン半導体層PSの当該不純物のプロジェクション濃
度のピーク位置が異なる場合は、多結晶シリコン半導体
層PSをレーザー照射等によりアニールして不純物を拡
散した時に、不純物濃度にばらつきが生じ安定した薄膜
トランジスタの特性が得られない問題がある。
【0068】これに対し、同図(b)に示した本実施例
では、多結晶シリコン半導体層PSの凹凸が小さいた
め、不純物のインプランテーション時の不純物のプロジ
ェクション濃度のピーク位置の分布は、ボロン(B)、
リン(P)共に基板SUB1と水平な方向に良く揃い、
前記したようなボロン(B)やリン(P)のインプラン
テーション時の不純物のプロジェクション濃度のピーク
位置の分布BIP、PIPが多結晶シリコン半導体層P
Sから外れるようなことは生じない。
【0069】また、電界効果型の薄膜トランジスタであ
るMOSトランジスタのチャネルが形成されるゲート電
極下においても、多結晶シリコン半導体層の凹凸が大き
い場合は多くの不都合が発生する。
【0070】図5は基板上に形成した多結晶シリコン半
導体層の凹凸の状態とポテンシャルの等電位線分布につ
いて従来技術と本実施例を対比した説明図であり、
(a)は従来の多結晶シリコン半導体層の模式断面、
(b)は本実施例の多結晶シリコン半導体層の模式断面
を示す。
【0071】図5では、ゲート電極GTに対してチャネ
ル形成方向に電圧が印加された場合の多結晶シリコン半
導体層PSにおけるポテンシャルの等電位線分布を示
す。ここでは、簡単のため、ゲート電極の下の不純物濃
度は均一とし、結晶粒界に関わるポテンシャルの変動は
無視できるものとしている。
【0072】図5の(a)では、ゲートGTに印加する
電圧を上げて行くと多結晶シリコン半導体層PSの凹凸
の大きなところから高ポテンシャル等電位線が現れ、凹
凸に影響されて多結晶シリコン半導体層PSの内部にも
基板SUB1の面に対して水平でなく、うねったポテン
シャル等電位線となる。
【0073】一方、(b)では、多結晶シリコン半導体
層PSの凹凸が10%以内に抑えられているため、ポテ
ンシャルの等電位線分布はほぼ基板面と水平になる。
【0074】図6の(a)は従来の多結晶シリコン半導
体層の形状を有する薄膜トランジスタのゲート電圧を上
げたときのポテンシャルの等電位線分布を説明する多結
晶シリコン半導体層の模式断面である。図6の(a)は
図6の(b)に示す薄膜トランジスタの断面図のaに示
す部分を拡大した図である。ゲート電圧を上げて行く
と、ドレインPS2からソースPS1へ通じるチャネル
CHが形成される。
【0075】ゲート電圧を上げて行くと、多結晶シリコ
ン半導体層PSの凹凸が大きいと、高ポテンシャル等電
位線のところから反転層RVが現れる。この反転層RV
により局所的な実電荷が蓄積され始める。この局所的な
実電荷の蓄積は多結晶シリコン半導体層PS内のポテン
シャル等電位線の分布を変え、徐々に当該等電位線の形
が多結晶シリコン半導体層PSの凹凸に沿った形にな
る。
【0076】この状態では、ゲート絶縁膜GIと多結晶
シリコン半導体層PSの界面近傍の多結晶シリコン半導
体層内にドレインPS2からソースPS1に通じる蓄積
実電荷の層すなわちチャネルCHができ、このチャネル
ができたところにドレインとソースに電位差がある場
合、MOSトランジスタがオン状態になり、電流が流れ
始める。
【0077】この場合、多結晶シリコン半導体層PSの
凹凸が大きい部分でチャネルCH上に局所的な実電荷の
溜る所があることになる。
【0078】このようなMOSトランジスタが動作する
場合、以下の特性上の不安定、構造的な特性劣化を誘発
し、結果として、不安定な製品、あるいは特性が落ちた
製品となる。
【0079】すなわち、(1)多結晶シリコン半導体層
の凹凸により閾値が大きく変動する。同一表示装置内で
も閾値のバラツキが非常に大きく、結果として液晶表示
装置の特性、画質の均一性の劣化を招く。
【0080】(2)多結晶シリコン半導体層の凹凸が大
きい部分で、チャネル上に溜った局所的な実電荷は、通
常のチャネル実電荷より高いポテンシャルで励起された
状態(ホットな状態)にあるので、通常のチャネル実電
荷がホットキャリアとしてゲート絶縁層GI中に捉えら
れるよりも、ゲート電圧が低いところでゲート絶縁層G
I中に注入され、閾値等の特性を変動させる原因となる
と共に、液晶表示装置の信頼性も劣化させる。
【0081】さらに、このことは、多結晶シリコン半導
体層の凹凸の大きさ、ゲート電極下部の位置に依存する
ため、非常にバラツキが大きくなる。
【0082】(3)多結晶シリコン半導体層の凹凸が大
きい部分で、チャネル上に溜った局所的な実電荷が高電
位端側(ドレイン側)に発生すると、ドレイン電圧に引
かれてドレインに移動する。このとき、ドレイン端での
電界が大きいと、インパクト電流となり、ドレインアバ
ランシェを引き起こす。
【0083】さらに、これがトリガとなって寄生バイポ
ーラトランジスタが、ゲート電圧が低い時点でオン状態
となり、ゲート電極で制御しているMOSトランジスタ
とは別のモードで電流が流れ出し、液晶表示装置全体と
しては上記の閾値不安定さに加え、見かけ上の閾値変動
を大きくする要因となる。
【0084】ここでNチャネルの薄膜トランジスタを例
に説明すると、図6の(b)に示す薄膜トランジスタの
ドレインPS2(N型)、チャンネル部PS(P型)、
ソースPS1(N型)の半導体層により寄生バイポーラ
トランジスタが形成される。図6の(c)は寄生バイポ
ーラトランジスタの等価回路を示す図である。ドレイン
アバランシェを引き起こすとドレインPS2とチャンネ
ル部PS間に電流Iaが流れる。この時ドレインPS2
は寄生バイポーラトランジスタのコレクタc、チャンネ
ル部PSはベースb、ソースPS1はエミッタeとして
働くので、電流Iaが引き金となってドレインPS2と
ソースPS1の間には、ゲートGTでは制御出来ない電
流Ibが流れる。
【0085】これと比較して、本実施例における多結晶
シリコン半導体層の凹凸が小さい薄膜トランジスタで
は、多結晶シリコン半導体層内でのポテンシャル等電位
線も20%の範囲で基板方面に揃っており、上記したよ
うな局所的な高ポテンシャル部分が起き難く、局所的な
実電荷の蓄積も生じ難い。
【0086】したがって、チャネル形成時も溜った局所
的な実電荷は少なく、上記した従来技術のような不都合
は起きないか、起きてもその程度が軽いので、より安定
で、性能の良い薄膜トランジスタを形成できる。その結
果、特性上の不安定がなく、構造的な特性劣化が誘発さ
れ難い安定で高性能の液晶表示装置を得ることができ
る。
【0087】次に、本発明による液晶表示装置の製造方
法の実施例について図7、図8、図9、図10及び図1
1を参照して説明する。
【0088】実施例1.図7、図8、図9、図10及び
図11は本発明による液晶表示装置を構成するアクティ
ブマトリクス基板の薄膜トランジスタ部分の製造方法の
第1実施例を説明する行程図である。本実施例の製造方
法は、下記の工程(1)〜(18)を含む。
【0089】図7、図8、図9、図10及び図11に示
す、アクティブマトリクス基板の薄膜トランジスタ部分
の製造方法の行程図は、左側にNチャネル型の薄膜トラ
ンジスタ(TFT1)の製造工程、右側にPチャネル型
の薄膜トランジスタ(TFT2)の製造工程を示す。本
発明では、Nチャネル型の薄膜トランジスタ(TFT
1)とPチャネル型の薄膜トランジスタ(TFT2)は
同一のガラス基板SUB1上に同時形成される。
【0090】工程(1):先ず、絶縁基板としてガラス
基板SUB1上にCVDにより第1の非晶質シリコン半
導体膜PS−aを成膜した後、レーザー光を照射するレ
ーザーアニールにより多結晶化し、第1の多結晶シリコ
ン半導体膜を形成する。上記の工程は、真空中または減
圧雰囲気中で行う。
【0091】工程(2):真空中または減圧雰囲気中か
ら基板SUB1を取り出した後、前記第1の多結晶シリ
コン半導体膜PS−aの表面XXから、不純物や、大気
の成分の含有量を減らすクリーニング工程を行う。この
時多結晶シリコン半導体膜PS−aの表面XXも少しエ
ッチング除去することにより、工程(1)のレーザーア
ニールで発生した突起もエッチングされ、第1の多結晶
シリコン半導体膜PS−aの表面がある程度平坦化され
るので、この後に工程(3)で堆積される第2の非晶質
シリコン半導体膜PS−bの表面も平坦になり、工程
(4)でレーザーアニールにより形成される多結晶シリ
コン半導体膜PSの表面は極めて平坦になる。多結晶シ
リコン半導体膜PS−aの表面XXをエッチング除去す
る量は、多結晶シリコン半導体膜PS−a表面の不純物
や大気成分との珪素化合物が1立方cm当たり1019
以下になるまで除去するのが好ましい。特に大気中の酸
素と珪素との化合物は、この後の工程(4)でレーザー
アニールにより第1の多結晶シリコン半導体膜PS−a
と第2の非晶質シリコン半導体膜PS−bが融合して、
粒が大きく、結晶性が良好な多結晶シリコン半導体膜P
Sを形成するのを阻害するので、第1の多結晶シリコン
半導体層PS−a表面の酸素の濃度は1立方cm当たり
1019個以下になるまで除去するのがより好ましい。ま
た第1の多結晶シリコン半導体膜PS−a表面に吸着し
た大気中の窒素も多結晶シリコン半導体膜PSの結晶成
長を阻害するので、1立方cm当たり1019個以下にな
るまで除去するのがより好ましい。
【0092】上記第1の多結晶シリコン半導体層膜PS
−a表面の各不純物の量は、二次イオン質量分析法(Se
condary Ion Mass Spectroscopy:SIMS) により測定する
ことが出来る。
【0093】多結晶シリコン半導体膜PS−aの表面を
クリーニングする方法としては、多結晶シリコン半導体
膜PS−aの表面をフッ化水素(HF)に晒す方法があ
る。多結晶シリコン半導体膜PS−aの表面をフッ化水
素に晒すことにより、多結晶シリコン半導体膜PS−a
の表面に形成された大気中の酸素と珪素の化合物を除去
することができる。
【0094】また多結晶シリコン半導体膜PS−aの表
面をアンモニア水に晒す方法でも、多結晶シリコン半導
体膜PS−aの表面をクリーニングすることができる。
【0095】工程(3):上記工程2を行った後、直ち
に基板SUB1を真空中または減圧雰囲気中に入れ、工
程(1)と同様にCVDにより第1の多結晶シリコン半
導体膜PS−a上に第2の非晶質シリコン半導体膜PS
−bを成膜する。クリーニング工程を行った後は第1の
多結晶シリコン半導体膜PS−a表面に大気の成分や不
純物が再付着し易いので、第1の多結晶シリコン半導体
膜PS−a表面の大気の成分や不純物の濃度が1立方c
m当たり1019個を超える前に真空中または減圧雰囲気
中に入れる必要がある。
【0096】工程(4):工程(1)と同様のレーザー
アニールにより生成した第1の多結晶シリコン半導体膜
PS−aの個々の結晶を核として第2の非晶質シリコン
半導体膜PS−bが多結晶化した多結晶シリコン半導体
膜を形成する。
【0097】このとき、レーザーアニール時のレーザー
照射条件を、第2の多結晶シリコン半導体膜PS−bを
完全に溶融させ、かつ第1層の多結晶シリコン半導体膜
に形成されている個々の結晶の周辺部分のみを溶融させ
るように設定する。
【0098】これは、結晶部のレーザー吸収による発熱
効率が、非晶質部のレーザー吸収による発熱効率より小
さいことに起因するという事実に基づく。レーザー照射
が終わり、冷却により結晶化する際に、第1層の多結晶
シリコン半導体膜PS−aの溶融しない部分を核とし
て、第1と第2層の多結晶シリコン半導体膜にわたる大
きな結晶で、かつ結晶間の突起が非常に小さい多結晶シ
リコン半導体膜が得られる。
【0099】工程(5):多結晶シリコン半導体膜PS
をパターニングして薄膜トランジスタを構成するための
多結晶シリコン半導体層PSを形成する。
【0100】工程(6):多結晶シリコン半導体層PS
上にゲート絶縁層GIを成膜する。
【0101】工程(7):Pチャネル型の薄膜トランジ
スタ(TFT2)となる多結晶シリコン半導体層PSの
上をフォトレジスト等のマスクRESで蔽い、Nチャネ
ル型の薄膜トランジスタ(TFT1)となる多結晶シリ
コン半導体層PSにゲート閾値電圧制御のための不純物
を導入する。ここではP型の導電型を形成するホウ素
(B)等のイオン種を導入する。
【0102】工程(8):Nチャネル型の薄膜トランジ
スタ(TFT1)となる多結晶シリコン半導体層PSの
上をフォトレジスト等のマスクRESで蔽い、Pチャネ
ル型の薄膜トランジスタ(TFT2)となる多結晶シリ
コン半導体層PSにゲート閾値電圧制御のための不純物
を導入する。ここではN型の導電型を形成するリン
(P)やヒ素(As)等のイオン種を導入する。
【0103】その後、Nチャネル型及びPチャネル型薄
膜トランジスタの多結晶シリコン半導体層PSにレーザ
ーを照射し、レーザーアニールを行い工程(7)及び工
程(8)で導入した不純物を拡散させると共に活性化さ
せる。
【0104】工程(9):ゲート絶縁層上にゲート電極
となる電極材料膜を成膜し、パターニングしてゲート電
極を形成する。
【0105】工程(10):Pチャネル型の薄膜トラン
ジスタ(TFT2)となる多結晶シリコン半導体層PS
の上をフォトレジスト等のマスクRESで蔽い、Nチャ
ネル薄膜トランジスタの多結晶シリコン半導体層のソー
ス電極とドレイン電極の領域に不純物を導入する。ここ
ではN型の導電型を形成するリン(P)やヒ素(As)
等のイオン種を導入する。この時の不純物の導入は低濃
度にする。
【0106】なお、この不純物の導入は省略することも
可能である。
【0107】工程(11):Nチャネル型の薄膜トラン
ジスタ(TFT1)となる多結晶シリコン半導体層PS
の上をフォトレジスト等のマスクRESで蔽い、Pチャ
ネル薄膜トランジスタの多結晶シリコン半導体層のソー
ス電極とドレイン電極の領域に不純物を導入する。ここ
ではP型の導電型を形成するホウ素(B)等のイオン種
を導入する。この時の不純物の導入はPチャネル薄膜ト
ランジスタの多結晶シリコン半導体層のソースPS1と
ドレインPS2が金属電極SD1及びSD2と、オーミ
ック接続が取れるだけの十分な濃度にする。
【0108】工程(12):Pチャネル型の薄膜トラン
ジスタ(TFT2)となる多結晶シリコン半導体層PS
の上をフォトレジスト等のマスクRESで蔽い、さらに
Nチャネル薄膜トランジスタ(TFT1)のゲート電極
GTの側壁付近をフォトレジスト等のマスクRESで蔽
い、Nチャネル薄膜トランジスタの多結晶シリコン半導
体層のソース電極とドレイン電極の領域に不純物を導入
する。ここではN型の導電型を形成するリン(P)やヒ
素(As)等のイオン種を導入する。この時の不純物の
導入はNチャネル薄膜トランジスタの多結晶シリコン半
導体層のソースPS1とドレインPS2が金属電極SD
1及びSD2と、オーミック接続が取れるだけの十分な
濃度にする。
【0109】その後、Nチャネル型及びPチャネル型薄
膜トランジスタの多結晶シリコン半導体層PSにレーザ
ーを照射し、レーザーアニールを行い工程(10)、工
程(11)及び工程(12)で導入した不純物を拡散さ
せると共に活性化させる。
【0110】本実施例では、Nチャネル薄膜トランジス
タの多結晶シリコン半導体層のソースPS1とドレイン
PS2の不純物導入を工程(10)と工程(12)の2
回に分けて行うので、ゲート電極GT端部の不純物の濃
度勾配が緩やかになり、Nチャネル薄膜トランジスタの
ソースPS1とドレインPS2間に高い電圧を印加して
も、薄膜トランジスタが破壊されることがない。特にN
チャネル薄膜トランジスタ(TFT1)は、第1図に示
す様に、画素電極を選択するスイッチとしても使われる
ので、画素欠陥不良を無くすために、高い信頼性が要求
される。
【0111】工程(13):ゲート電極を覆って層間絶
縁層PASを成膜する。
【0112】工程(14):多結晶シリコン半導体層の
ソース電極とドレイン電極の領域におけるゲート絶縁層
と層間絶縁層を選択的に除去して第1コンタクトホール
CTHを形成する。
【0113】工程(15):第1コンタクトホールCT
Hを通して多結晶シリコン半導体層のソース電極領域と
ドレイン電極領域に接して層間絶縁層を覆う電極材料膜
を成膜する。電極材料膜をパターニングしてソース電極
SD1とドレイン電極SD2を形成する。
【0114】工程(16):ソース電極およびドレイン
電極および層間絶縁層を覆って保護膜PSVを成膜す
る。
【0115】工程(17):保護膜を選択的に除去して
ソース電極に達する第2コンタクトホールを形成する。
【0116】工程(18):第2コンタクトホールを通
してソース電極に接して保護膜を覆う画素電極材料膜を
成膜する。画素電極材料膜をパターニングして画素電極
PTを形成する。
【0117】以下、保護膜を成膜し、さらにその上に配
向膜を成膜してアクティブマトリクス基板を得る。
【0118】この実施例の製造方法により、多結晶シリ
コン半導体層の凹凸が小さく、絶縁層が薄く、不純物濃
度分布が平坦化され、低電圧、かつ高速動作の薄膜トラ
ンジスタをもつアクティブマトリクス基板を具備した液
晶表示装置が得られる。
【0119】実施例2.本発明による液晶表示装置の製
造方法の実施例2は、実施例1の工程(2)で、基板S
UB1を大気中に出すことなく、クリーニング工程を行
うことに有り、実施例1の工程(1)から工程(4)迄
を、真空中または減圧雰囲気中で連続して行うものであ
る。その他の工程は実施例1と同じである。
【0120】実施例2では、多結晶シリコン半導体膜P
S−aの表面XXを、大気中に晒すことなく、ドライエ
ッチングにより除去することにより、工程(1)のレー
ザーアニールで発生した突起もエッチングされ、第1の
多結晶シリコン半導体膜PS−aの表面がある程度平坦
化されるので、この後の工程(3)で堆積される第2の
非晶質シリコン半導体膜PS−bの表面も平坦になり、
工程(4)でレーザーアニールにより形成される多結晶
シリコン半導体膜PSの表面は極めて平坦になる。
【0121】図14は実施例2の工程1から工程4迄を
基板SUB2を、大気に晒さずに、行うための、製造装
置の一例を示す概略図である。
【0122】11は基板搬送室、19は基板を保持する
ロボットアーム、20はロボットアーム19の搬送機
構、12は基板搬送室11を真空にするための、真空ポ
ンプ、13は基板を装置に搬入するための搬入室、24
は基板を搬入搬出する時に開け閉めする扉である。R1
は基板に半導体膜を堆積するための第1室、R2は基板
に絶縁膜を堆積するための第2室、R3は基板に形成さ
れた半導体膜表面をドライエッチングして、クリーニン
グする第3室、14は基板に形成された半導体膜表面を
レーザー光4を照射してアニールする第4室、15はレ
ーザー光源、16はレーザー光4を均一にするホモジナ
イザー、17は反射鏡、18は集光レンズである。レー
ザー光4は第4室に設けた透明な窓(図示せず)から第
4室内に導入される。搬入室13、第1室R1、第2室
R2、第3室R3及び第4室14は基板搬送室11に扉
21を介して接続される。各室は真空ポンプ12により
真空に引かれる。
【0123】実施例2の特徴部分を、図12に示す製造
装置の概略図と、図7に示す工程図を用いて説明する。
【0124】工程(1):先ず、絶縁基板SUB1は搬
入室13から取り入れられ、ロボットアーム19により
第1室R1内のステージ22上に配置され、固定され
る。第1室R1内に材料ガスを導入し、CVDにより絶
縁基板SUB1上に第1の非晶質シリコン半導体膜PS
−aを成膜する。
【0125】その後ロボットアーム19により基板SU
B1を第4室14に移動し、ステージ上に固定した後、
レーザー光を照射するレーザーアニールにより多結晶化
し、第1の多結晶シリコン半導体膜を形成する。上記の
工程は、基板SUB1を大気に晒さずに、連続して行
う。
【0126】工程(2):その後ロボットアーム19に
より基板SUB1を第3室R3に移動し、ステージ22
上に固定した後、エッチングガスを第3室R3内に導入
して、ドライエッチングにより前記第1の多結晶シリコ
ン半導体膜PS−aの表面XXに形成された珪素化合物
(例えば酸化珪素、窒化珪素等)や、不純物を除去する
クリーニング工程を行う。この時多結晶シリコン半導体
膜PS−aの表面XXも少しエッチング除去することに
より、工程(1)のレーザーアニールで発生した突起も
エッチングされ、第1の多結晶シリコン半導体膜PS−
aの表面がある程度平坦化されるので、この後の工程
(3)で堆積される第2の非晶質シリコン半導体膜PS
−bの表面も平坦になり、工程(4)でレーザーアニー
ルにより形成される多結晶シリコン半導体膜PSの表面
は極めて平坦になる。多結晶シリコン半導体膜PS−a
の表面XXをエッチング除去する量は、多結晶シリコン
半導体膜PS−a表面の意図しない不純物の濃度が1立
方cm当たり1019個以下になるまで除去するのが好ま
しい。特に酸素と珪素との化合物は、この後の工程
(4)でレーザーアニールにより第1の多結晶シリコン
半導体膜PS−aと第2の非晶質シリコン半導体膜PS
−bが融合して、粒が大きく、結晶性が良好な、多結晶
シリコン半導体膜PSを形成するのを阻害するので、酸
素の量は1立方cm当たり1019個以下になるまで除去
するのがより好ましい。また第1の多結晶シリコン半導
体膜PS−a表面に形成された窒化珪素も多結晶シリコ
ン半導体膜PSの結晶成長を阻害するので、窒素の量も
1立方cm当たり1019個以下になるまで除去するのが
より好ましい。
【0127】多結晶シリコン半導体膜PS−aの表面を
クリーニングする方法としては、エッチングガスにCF
4とO2の混合ガスを用い、プラズマを発生させ、多結晶
シリコン半導体膜PS−aの表面を、5〜10秒の極短
時間エッチングするだけでよい。上記の工程も、基板S
UB1を大気に晒さずに、連続して行う。
【0128】工程(3):上記工程2を行った後、ロボ
ットアーム19により、真空にされた搬送室11を通っ
て、基板SUB1を第3室R3に移動し、ステージ22
上に固定した後、工程(1)と同様にCVDにより第1
の多結晶シリコン半導体膜PS−a上に第2の非晶質シ
リコン半導体膜PS−bを成膜する。本実施例では、ク
リーニング工程を行った後、基板SUB1を大気に晒す
ことなく、第1の多結晶シリコン半導体膜PS−a上に
第2の非晶質シリコン半導体膜PS−bを成膜するの
で、第1の多結晶シリコン半導体膜PS−a表面に大気
の成分や不純物が再付着することがない。
【0129】工程(4): その後ロボットアーム19
により基板SUB1を第4室14に移動し、ステージ上
に固定した後、工程(1)と同様のレーザーアニールに
より生成した第1の多結晶シリコン半導体膜PS−aの
個々の結晶を核として第2の非晶質シリコン半導体膜P
S−bが多結晶化した多結晶シリコン半導体膜を形成す
る。
【0130】このとき、レーザーアニール時のレーザー
照射条件を、第2の多結晶シリコン半導体膜PS−bを
完全に溶融させ、かつ第1層の多結晶シリコン半導体膜
に形成されている個々の結晶の周辺部分のみを溶融させ
るように設定する。
【0131】これは、結晶部のレーザー吸収による発熱
効率が、非晶質部のレーザー吸収による発熱効率より小
さいことに起因するという事実に基づく。レーザー照射
が終わり、冷却により結晶化する際に、第1層の多結晶
シリコン半導体膜PS−aの溶融しない部分を核とし
て、第1と第2層の多結晶シリコン半導体膜にわたる大
きな結晶で、かつ結晶間の突起が非常に小さい多結晶シ
リコン半導体膜が得られる。
【0132】以降の工程は実施例1と同じである。
【0133】この実施例の製造方法によっても、多結晶
シリコン半導体層の凹凸が小さく、絶縁層が薄く、不純
物濃度分布が平坦化され、低電圧、かつ高速動作の薄膜
トランジスタをもつアクティブマトリクス基板を具備し
た液晶表示装置が得られる。
【0134】また実施例2の製造方法によれば、少なく
とも工程(1)から工程(4)迄を基板SUB2を、大
気に晒さずに、行うことができるので、第1層の多結晶
シリコン半導体膜PS−aと第2層の多結晶シリコン半
導体膜PS−bの境界付近で、大気の成分(例えば、酸
素や窒素等)の濃度分布がピークを示さない。
【0135】従って本実施例によれば、大気の成分に邪
魔されずに、第1層の多結晶シリコン半導体膜PS−a
と第2層の多結晶シリコン半導体膜PS−bを融合させ
ることができる。
【0136】上記第1と第2の多結晶シリコン半導体層
膜の間の各不純物の量は、二次イオン質量分析法により
測定することが出来る。
【0137】実施例3.本発明による液晶表示装置の製
造方法の実施例3は、実施例1の工程(2)のクリーニ
ング工程で、基板SUB1を大気中に出し、第1層の多
結晶シリコン半導体膜PS−aの表面を、研磨すること
により、第1層の多結晶シリコン半導体膜PS−aの表
面を平坦化し、第1層の多結晶シリコン半導体膜PS−
aの表面に形成された、酸化珪素や窒化珪素等の珪素化
合物も除去するものである。その他の工程は実施例1と
同じである。
【0138】実施例3では、多結晶シリコン半導体膜P
S−aの表面XXを研磨して除去することにより、工程
(1)のレーザーアニールで発生した突起も平坦化さ
れ、第1の多結晶シリコン半導体膜PS−aの表面が極
めて平坦になるので、この後工程(3)で堆積される第
2の非晶質シリコン半導体膜PS−bの表面も平坦にな
り、工程(4)でレーザーアニールにより形成される多
結晶シリコン半導体膜PSの表面も極めて平坦になる。
【0139】研磨の方法は、ケミカル・メカニカル・ポ
リッシング(CMP法)等がある。
【0140】具体的には、回転可能な台の上に、液体に
分散した研磨剤を展開し、基板SUB1の第1層の多結
晶シリコン半導体膜PS−aの表面を、研磨剤が設けら
れた台に当て、台を回転させて、第1層の多結晶シリコ
ン半導体膜PS−aの表面を平坦に研磨する。研磨剤と
してはダイヤモンド等の微少な粒を用いることができ
る。
【0141】以降の工程は実施例1と同じである。
【0142】上記製造方法の各実施例により、多結晶シ
リコン半導体層の凹凸が小さく、絶縁層が薄く、不純物
濃度分布が平坦化され、低電圧、かつ高速動作の薄膜ト
ランジスタをもつアクティブマトリクス基板を形成でき
る。
【0143】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多結晶シリコン半導体層の凹凸を小さくして、絶縁層を
薄くし、不純物濃度分布を平坦化して安定、低電圧、か
つ高速動作の薄膜トランジスタ構造をもつアクティブマ
トリクス基板を具備した液晶表示装置を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による液晶表示装置の第1実施例の要部
構成を説明する断面図である。
【図2】本発明による液晶表示装置を構成するアクティ
ブマトリクス基板の第1実施例の一画素付近の構成を説
明する平面図である。
【図3】本発明による液晶表示装置を構成するアクティ
ブマトリクス基板に形成された薄膜トランジスタの要部
積層薄膜構造の断面の顕微鏡写真の模写図である。
【図4】基板上に形成した多結晶シリコン半導体層の凹
凸の状態と不純物のインプランテーションのピークにつ
いて従来技術と本実施例を対比した説明図である。
【図5】基板上に形成した多結晶シリコン半導体層の凹
凸の状態とポテンシャルの等電位線分布について従来技
術と本実施例を対比した説明図である。
【図6】従来の多結晶シリコン半導体層の形状を有する
薄膜トランジスタのゲート電圧を上げたときのポテンシ
ャルの等電位線分布を説明する多結晶シリコン半導体層
の模式断面(a)と従来の多結晶シリコン薄膜トランジ
スタの断面図(b)および寄生バイポーラトランジスタ
の等価回路(c)である。
【図7】本発明による液晶表示装置を構成するアクティ
ブマトリクス基板の薄膜トランジスタ部分の製造方法の
第1実施例を説明する行程図である。
【図8】本発明による液晶表示装置を構成するアクティ
ブマトリクス基板の薄膜トランジスタ部分の製造方法の
第1実施例を説明する行程図である。
【図9】本発明による液晶表示装置を構成するアクティ
ブマトリクス基板の薄膜トランジスタ部分の製造方法の
第1実施例を説明する行程図である。
【図10】本発明による液晶表示装置を構成するアクテ
ィブマトリクス基板の薄膜トランジスタ部分の製造方法
の第1実施例を説明する行程図である。
【図11】本発明による液晶表示装置を構成するアクテ
ィブマトリクス基板の薄膜トランジスタ部分の製造方法
の第1実施例を説明する行程図である。
【図12】多結晶シリコン半導体を用いた液晶表示装置
の一例を説明するアクティブマトリクス基板の模式平面
図である。
【図13】従来の液晶表示装置を構成するアクティブマ
トリクス基板に形成された薄膜トランジスタの要部積層
薄膜構造の断面の顕微鏡写真の模写図である。
【図14】本発明による液晶表示装置の第2の実施例を
説明する製造装置の概略図である。
【符号の説明】
SUB1 アクティブマトリクス基板(第1の基板) PS1 第1層(下層)の多結晶シリコン半導体層 PS2 第2層(上層)の多結晶シリコン半導体層 PS 多結晶シリコン層 GI ゲート絶縁層 GT ゲート電極 SD1 ソース電極 SD2 ドレイン電極 PAS 絶縁層 PSV 保護膜 PT 画素電極 ORI1,ORI2 配向膜 LC 液晶層 SUB2 カラーフィルタ基板(第2の基板) BM ブラックマトリクス FIL カラーフィルタ OC 平坦化層(オーバーコート層) COM 共通電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/78 618F 627G Fターム(参考) 2H092 GA60 JA24 JA33 JA34 JA37 JA46 JA47 JB56 KA04 MA12 MA17 MA23 MA27 MA30 MA37 NA05 NA22 NA24 NA26 NA29 5C094 AA13 AA24 AA31 AA55 BA03 BA43 CA19 CA24 DA13 DB04 EA04 EA05 EA07 EB02 ED03 FA01 FA02 FB12 FB14 FB15 GB10 JA01 JA08 JA20 5F052 AA02 DA02 DB01 GC10 HA08 JA01 5F110 AA18 BB01 BB04 CC02 DD02 FF02 GG02 GG13 GG19 GG32 GG44 GG52 HJ13 HJ23 PP03 QQ19

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁基板上に互いに交差するように形成し
    たゲート配線、ドレイン配線を有し、前記ゲート配線、
    ドレイン配線の交差部近傍に薄膜トランジスタを配置し
    た画素領域と、 前記絶縁基板の周辺に前記薄膜トランジスタを選択的に
    駆動するための駆動回路を形成した駆動回路領域とを有
    するアクテブマトリクス基板を具備した液晶表示装置で
    あって、 前記薄膜トランジスタは、前記絶縁基板上に形成した多
    結晶シリコン半導体層と、この多結晶シリコン半導体層
    の上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極と、前
    記絶縁膜上に形成されると共に、当該絶縁膜に形成した
    コンタクトホールで前記多結晶シリコン半導体層にそれ
    ぞれ接続したドレイン電極およびソース電極とから構成
    され、 前記多結晶シリコン半導体層の表面凹凸が、当該多結晶
    シリコン半導体層の形成膜厚の10%以下であり、当該
    多結晶シリコン半導体層の導電型を決めるための不純物
    濃度のピーク値を示す位置と前記絶縁基板表面との距離
    の変動が前記絶縁基板の水平面に対し10%以内である
    ことを特徴とする液晶表示装置。
  2. 【請求項2】薄膜トランジスタと画素電極を有する第1
    の基板と共通電極を有する第2の基板の貼り合わせ間隙
    に液晶層を封入してなる液晶表示装置であって、 前記薄膜トランジスタは、前記第1の基板上に形成した
    多結晶シリコン半導体層と、この多結晶シリコン半導体
    層の上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極と、
    前記絶縁膜上に形成されると共に、当該絶縁膜に形成し
    たスルーホールで前記多結晶シリコン半導体層にそれぞ
    れ接続したドレイン電極およびソース電極とから構成さ
    れ、 前記薄膜トランジスタを構成する多結晶シリコン半導体
    層は、第1基板上に膜厚が50nm以下、かつその表面
    凹凸が10%以下であり、前記多結晶シリコン半導体膜
    はレーザーアニールを施して形成した第1の多結晶シリ
    コン半導体膜と、前記第1の多結晶シリコン半導体膜の
    上に膜厚が50nm以下に成膜した多結晶シリコン半導
    体膜にレーザーアニールを施して形成した第2の多結晶
    シリコン半導体膜とから構成され、 前記薄膜トランジスタを構成する多結晶シリコン半導体
    層に含まれる酸素の濃度が、前記第1と第2の多結晶シ
    リコン半導体膜の境界付近で1019cm-3以下であるこ
    とを特徴とする液晶表示装置。
  3. 【請求項3】絶縁基板上に互いに交差するように形成し
    たゲート配線、ドレイン配線を有し、前記ゲート配線、
    ドレイン配線の交差部近傍に薄膜トランジスタを配置し
    た画素領域と、 前記絶縁基板の周辺に前記薄膜トランジスタを選択的に
    駆動するための駆動回路を形成した駆動回路領域とを有
    するアクテブマトリクス基板を具備した液晶表示装置で
    あって、 前記薄膜トランジスタは、前記第1の基板に形成した多
    結晶シリコン半導体層と、この多結晶シリコン半導体層
    の上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極と、前
    記絶縁膜上に形成されると共に、当該絶縁膜に形成した
    スルーホールで前記多結晶シリコン半導体層にそれぞれ
    接続したドレイン電極およびソース電極とから構成さ
    れ、 前記薄膜トランジスタを構成する多結晶シリコン半導体
    層は、第1基板上に膜厚が50nm以下、かつその表面
    凹凸が10%以下であり、前記多結晶シリコン半導体膜
    はレーザーアニールを施して形成した第1の多結晶シリ
    コン半導体膜と、前記第1の多結晶シリコン半導体膜の
    上に膜厚が50nm以下に成膜した多結晶シリコン半導
    体膜にレーザーアニールを施して形成した第2の多結晶
    シリコン半導体膜とから構成され、 前記薄膜トランジスタを構成する多結晶シリコン半導体
    層に含まれる窒素の濃度が、前記第1と第2の多結晶シ
    リコン半導体膜の境界付近で1019cm-3以下であるこ
    とを特徴とする液晶表示装置。
  4. 【請求項4】絶縁基板上に互いに交差するように形成し
    たゲート配線、ドレイン配線を有し、前記ゲート配線、
    ドレイン配線の交差部近傍に薄膜トランジスタを配置し
    た画素領域と、 前記絶縁基板の周辺に前記薄膜トランジスタを選択的に
    駆動するための駆動回路を形成した駆動回路領域とを有
    するアクテブマトリクス基板を具備した液晶表示装置の
    製造方法であって、 (a)絶縁基板上に第1の非晶質シリコン半導体膜を成
    膜した後、レーザーアニールにより多結晶化して第1の
    多結晶シリコン半導体膜を形成する工程と、 (b)前記第1の多結晶シリコン半導体膜表面の意図し
    ない不純物の量を1立方cm当たり1019個以下とする
    クリーニング工程と、 (c)第1の多結晶シリコン半導体膜上に第2の非晶質
    シリコン半導体膜を成膜した後、レーザーアニールによ
    り第1の多結晶シリコン半導体膜の個々の結晶を核とし
    て第2の非晶質シリコン半導体膜が多結晶化した多結晶
    シリコン半導体膜を形成する工程と、 (d)多結晶シリコン半導体膜をパターニングして薄膜
    トランジスタの多結晶シリコン半導体層を形成する工程
    と、 (e)多結晶シリコン半導体層上にゲート絶縁層を成膜
    する工程と、 (f)ゲート絶縁層上にゲート電極となる電極材料膜を
    成膜し、パターニングしてゲート電極を形成する工程
    と、 (g)多結晶シリコン半導体層のソース電極とドレイン
    電極の領域に導電型を決定する不純物を導入する工程
    と、 (h)ゲート電極を覆って層間絶縁層を成膜する工程
    と、 (i)多結晶シリコン半導体層のソース電極とドレイン
    電極の領域におけるゲート絶縁層と層間絶縁層を選択的
    に除去して多結晶シリコン半導体コンタクトホールを形
    成する工程と、 (j)多結晶シリコン半導体コンタクトホールを通して
    多結晶シリコン半導体層のソース電極領域とドレイン電
    極領域に接して層間絶縁層を覆う電極材料膜を成膜する
    工程と、 (k)電極材料膜をパターニングしてソース電極とドレ
    イン電極を形成する工程と、 (l)ソース電極およびドレイン電極および層間絶縁層
    を覆って保護膜を成膜する工程と、 (m)保護膜を選択的に除去してソース電極に達するソ
    ース電極コンタクトホールを形成する工程と、 (n)ソース電極コンタクトホールを通してソース電極
    に接して保護膜を覆う画素電極材料膜を成膜する工程
    と、 (o)画素電極材料膜をパターニングして画素電極を形
    成する工程とを有する液晶表示装置の製造方法。
  5. 【請求項5】前記(d)工程と(e)工程の間に、多結
    晶シリコン半導体層にゲート閾値電圧制御のための不純
    物を導入する工程を有することを特徴とする請求項4に
    記載の液晶表示装置の製造方法。
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