JP2006024736A

JP2006024736A - 多結晶シリコン系薄膜の形成方法、及び、表示装置の製造方法

Info

Publication number: JP2006024736A
Application number: JP2004201383A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Senbonmatsu; 茂千本松; Mitsuru Suginoya; 充杉野谷; Shuhei Yamamoto; 修平山本; Hideki Matsumura; 英樹松村; Atsushi Masuda; 淳増田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】絶縁性基板上に形成した非晶質シリコン系薄膜にパルスレーザーをスキャンして多結晶シリコン系薄膜を形成する方法では、パルスレーザースキャンの前に、高温で数時間の脱水素処理を施す必要があるため、タクトタイムが長い課題があった。
【解決手段】絶縁性基板上に触媒ＣＶＤ法により７Atomic％以下の水素含有量の非晶質シリコン系薄膜を形成し、パルスレーザーを照射して脱水素処理を行い、次いでパルスレーザーを照射して非晶質シリコン系薄膜を結晶化して多結晶シリコン系薄膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜トランジスタのシリコン系薄膜の結晶化方法、及びこの薄膜トランジスタを用いた液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示装置の製造方法に関する。

従来の薄膜トランジスタ用シリコン膜の結晶化方法においては、ガラス基板上に形成したアモルファスシリコン膜を６００℃程度の高温で数時間アニールして脱水素処理を施した後、ラインビーム状のパルスレーザーを一方向に（照射）走査することによってアモルファスシリコン膜を結晶化させる方法が一般的である（例えば、非特許文献１を参照）。また、プロセスに負担のかかる高温の脱水素処理の代換え手段としてパルスレーザー照射による脱水素処理も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
エキシマレーザアニール法によるアモルファスシリコンの結晶化、日本製鋼所技術報Ｎｏ．５４（１９９８年８月発行）特開２００２−６４０６０号公報（第２−３頁、第１図）

液晶ディスプレイの低コスト化のためにガラス基板上に画素領域と周辺回路領域を設けてそれらの領域で画素及び周辺回路を並行して形成することが一般に行われている。パルスレーザー照射により良好なポリシリコン膜を得るためには２８０ｍｊ／ｃｍ^２程度以上の比較的高いエネルギー密度のパルスレーザー照射が必要であり、照射前にアモルファスシリコン膜に含まれる水素を低減するために、非特許文献１に記載のように、６００℃程度の高温雰囲気に数時間放置し水素含有量を低減させる必要があった。その理由はパルスレーザー照射によって生じる水素の突沸によるポリシリコン膜の膜面荒れを防止するためである。この脱水素プロセスは高温放置のため昇温（数時間）−放置（数時間）−降温（数時間）を要し、タクトタイムの増大によりプロセス上の負担があった。このプロセス上の負担を低減させる方法として、特許文献１に記載のようにパルスレーザー照射による脱水素処理も提案されているが、特許文献１に記載のアモルファスシリコン膜はシランガスを主原料としたプラズマＣＶＤにより成膜されているため、膜中の水素含有量は１０Atomic％〜２０Atomic％程度であり、水素含有量のバラツキやパルスレーザーのエネルギー密度のバラツキにより、パルスレーザー照射による脱水素処理条件の最適なエネルギー密度、ステップ、送り量等の条件設定が困難であった。すなわち、脱水素用のパルスレーザーのアモルファスシリコン膜に与えるエネルギーが大き過ぎると突沸が起こり、小さ過ぎるとアモルファス膜中の水素が十分に低減しないことがあった。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、液晶ディスプレイに用いる薄膜トランジスタのシリコン膜の結晶化方法に関し、量産時のタクトタイムを縮小すると共に安定したポリシリコン膜の結晶化方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の多結晶シリコン系薄膜の形成方法は、絶縁性基板上に触媒ＣＶＤ法により７Atomic％以下の水素含有量の非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、パルスレーザーを照射して脱水素する工程と、パルスレーザーを照射して結晶化する工程とを備えることとした。ここで、非晶質シリコン系薄膜を２５０℃以下で形成することとした。また、絶縁性基板として高分子基板を用いることとした。

また、本発明による表示装置の製造方法は、絶縁性基板上に触媒ＣＶＤ法により７Atomic％以下の水素含有量の非晶質シリコン系薄膜を形成する第一の工程と、パルスレーザーを照射して非晶質シリコン系薄膜を脱水素する第二の工程と、パルスレーザーを非晶質シリコン系薄膜に照射して結晶化する第三の工程と、このようにして結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する第四の工程と、絶縁性基板を用いて表示素子を形成する第五の工程を備えている。

本発明による多結晶シリコン系薄膜の形成方法によれば、薄膜トランジスタの特性を変えることなく製造時のタクトタイムを大幅に削減できる。また、２５０℃以下の工程に条件設定することにより、高分子基板または高分子フィルムへの多結晶シリコン系薄膜の形成が可能となる。

本発明の多結晶シリコン系薄膜の形成方法では、絶縁性基板上に触媒ＣＶＤ法により低水素含有量（７Atomic％以下）の非晶質シリコン系薄膜を形成し、パルスレーザーを照射して脱水素処理を施す。低水素含有量（７Atomic％以下）の非晶質シリコン系薄膜ため幅広いパルスレーザー条件での脱水素処理が可能となる。すなわち、非晶質シリコン系薄膜の水素含有量のバラツキやパルスレーザーエネルギー密度や均一性のバラツキに対して安定な脱水素処理が可能となり、さらにパルスレーザーを照射して、非晶質シリコン系薄膜が突沸を起こすことなく結晶化して多結晶シリコン系薄膜を形成することが可能となる。

また、本発明による表示装置の製造方法は、絶縁性基板上に触媒ＣＶＤ法により７Atomic％以下の水素含有量の非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、パルスレーザーを照射して前記非晶質シリコン系薄膜を脱水素する工程と、パルスレーザーを前記非晶質シリコン系薄膜に照射して結晶化する工程と、このようにして結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、絶縁性基板を用いて表示素子を形成する工程を備えている。

表示装置として、例えば、液晶表示装置の場合には、絶縁性基板上に触媒ＣＶＤ法により７Atomic％以下の水素含有量の非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、パルスレーザーを照射して前記非晶質シリコン系薄膜を脱水素する工程と、パルスレーザーを前記非晶質シリコン系薄膜に照射して結晶化する工程と、このようにして結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、薄膜トランジスタの電極に接続する画素電極を設ける工程と、第二の基板に対向電極を形成する工程と、第一の絶縁性基板と第二の基板との間隙に液晶層を設ける工程を備えている。また、ＥＬ表示装置の場合には、絶縁性基板上に触媒ＣＶＤ法により７Atomic％以下の水素含有量の非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、パルスレーザーを照射して前記非晶質シリコン系薄膜を脱水素する工程と、パルスレーザーを前記非晶質シリコン系薄膜に照射して結晶化する工程と、このようにして結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、薄膜トランジスタの電極に接続する画素電極を設ける工程と、画素電極が形成された第一の絶縁性基板上にＥＬ層を設ける工程と、ＥＬ層の上に第二の電極を形成する工程を備えている。

本発明による多結晶シリコン系薄膜の形成方法の実施例を図１〜図３、図５に基づいて詳細に説明する。まず、本実施例で非晶質シリコン系薄膜を形成する手段として用いた触媒ＣＶＤ法について、図２を用いて説明する。図２は、触媒ＣＶＤ法の一例を模式的に示している。真空チャンバー１６内は真空ポンプによる排気１５によって高真空に保たれ、真空度は真空計１９によって計測される。また、マスフローコントローラを介して精密に流量コントロールされた原料ガス１０がシャワーヘッド１１から真空チャンバー１６内に供給される。チャンバー１６内のガス圧力を真空計１９でモニターしながら排気速度を制御してチャンバー１６内の圧力を一定に保つ自動圧力制御機構１８が排気系に設けられている。また、原料ガス１０を熱分解するための触媒体１２がシャワーヘッド１１の噴出し部近傍に設けられ、触媒体１２には電源部１７から触媒体１２を加熱するための電力が供給される。さらに、基板１３を支持するための基板ホルダー１４は６００℃の温度まで任意の温度に制御できる機構が設けられている。図３に本実施例で用いた触媒体１２の形状の模式図を示す。本実施例では、触媒体１２として直径０．５ｍｍの高純度タングステン（例えば純度９９．９９９％）を基板面に平行かつ均一に加工したタングステンワイヤー２１を用いた。尚、タングステンワイヤー２１の形状を保つためのテンション機構は記載を省略した。また、本実施例の一例として単位面積（１ｃｍ^２）当り０．０９ｃｍ２の表面積になるように（以下０．０９ｃｍ^２／ｃｍ^２と記載）、タングステンワイヤー２１を所望の形状に加工したものを図３に示す。ここで、タングステンワイヤーの形状は図３に示したようなコの字状の繰り返しに限られるわけではなく、また一筆書きの必要もない。すなわち、基板上へ堆積した膜の膜厚が概ね均一になるようにタングステンワイヤーを加工すれば良い。次ぎに、図５を用いてパルスレーザースキャンの装置を説明する。図５に示すようにパルスレーザー３０を光学系によりスキャン方向に対して直角方向に長辺を有する長方形に整形し、絶縁性基板１に対して任意のステップでパルスレーザー３０をスキャンできる駆動系が設けられている。

まず、図１（ａ）の絶縁性基板１に、上述の触媒体ＣＶＤ法を用いて原料ガスにＳｉＨ_４とＨ_２を用いて、図１（ｂ）に示すように非晶質シリコン系薄膜としてアモルファスシリコン膜２を絶縁性基板１上に５００Å堆積した。本実施例では絶縁性基板１の一例として３７０ｃｍ×４７０ｃｍ×０．７ｍｍｔのガラス基板を用いた。本実施例での堆積条件は、真空チャンバー１６の到達真空度＜１．０×１０^−６torr、触媒体１２の単位面積当りの表面積約０．０９ｃｍ^２／ｃｍ^２、触媒体１２の表面温度１８００℃、基板ホルダー１４の温度５００℃、原料ガス１０として流量５０ｓｃｃｍのＳｉＨ_４・流量１０ｓｃｃｍのＨ_２、自動圧力制御機構１８によりチャンバー内圧力を１Ｐａに保持し、触媒体１２と基板ホルダー１４の距離を４０ｍｍ、とした。この条件により、約３０Å／ｓｅｃの堆積速度で５００Åのアモルファスシリコン膜２を得ることができた。また、上述の条件により得られたアモルファスシリコン膜２の水素含有量は２．５Atomic％であった。上述の成膜条件は一例であり、上述の条件を変えても容易に水素含有量が７．０Atomic％以下のアモルファスシリコン膜の形成が可能であった。

上述した触媒ＣＶＤ法を用いて７．０Atomic％以下の低水素含有量アモルファスシリコン膜２を、第一のパルスレーザースキャンにより脱水素処理を行い、次いで第二のパルスレーザースキャン４を用いて結晶化させて多結晶シリコン系薄膜３を得た（図１ｃ）。ここで、多結晶シリコン系薄膜３の評価方法にはラマン分光法を用いた。ラマン分光法による結晶性の評価は一般的であり、ラマンシフトの半値幅計測することにより結晶性を評価できる。本実施例の多結晶シリコン膜３を評価したところ、半値幅は４．０ｃｍ^−１で、結晶性の高い膜で有ることがわかった。ここで用いた第一のパルスレーザーには、長さ４００ｃｍ×幅１８０μｍ、エネルギー密度が２００ｍｊ／ｃｍ^２、パルス周波数３００Ｈｚのエキシマレーザーを用い、９３％のオーバーラップ率でガラス基板上のアモルファスシリコン膜にスキャンして照射した。また、第ニのパルスレーザーには、長さ４００ｃｍ×幅１８０μｍ、エネルギー密度が３２０ｍｊ／ｃｍ^２、パルス周波数３００Ｈｚのエキシマレーザーを用い、９３％のオーバーラップ率でガラス基板上のアモルファスシリコン膜にスキャンして照射した。本実施例では第一及び第二のパルスレーザーを上述の照射条件としたが、非晶質シリコン系薄膜として７．０Atomic％以下の低水素含有量のアモルファスシリコン膜を用いたため、第一のパルスレーザースキャンにより脱水素を行うための条件範囲が広く、第一のパルスレーザーの照射条件のうち、エネルギー密度を１００ｍｊ／ｃｍ^２〜２５０ｍｊ／ｃｍ^２の範囲の条件で脱水素処理が可能であった。すなわち、非晶質シリコン系薄膜２として７．０Atomic％以下の低水素含有量のアモルファスシリコン膜を用いたため、脱水素用第一のパルスレーザースキャンの条件設定が容易になり、第一のパルスレーザースキャンによりアモルファスシリコン膜に与えるエネルギーが大き過ぎると突沸が起こり、小さ過ぎるとアモルファス膜中の水素が十分に低減しない問題点が改善され、安定的な多結晶シリコン系薄膜の形成が可能となった。

本実施例の多結晶シリコン系薄膜の形成方法を図１と図２を用いて説明する。尚、実施例１で説明した内容と重複する説明は適宜省略する。本実施例の堆積時の温度を図２に示す基板１３に熱電対を埋め込み計測したところ、主に触媒体１２の単位面積当りの表面積と表面温度、基板ホルダー１４の表面温度と触媒体１２と基板１３の距離に依存することがわかった。この触媒体ＣＶＤ法の温度依存性の実験結果から、（１）触媒体１２の単位面積当りの表面積を小さくする、（２）触媒体１２の表面温度を下げる、（３）基板ホルダー１４の表面温度を下げる、（４）触媒体１２と基板１３の距離を長くする、ことにより堆積時の基板１３の表面温度を下げることが可能であった。

本実施例の成膜条件は、真空チャンバー１６の到達真空度＜１．０×１０^−６torr、触媒体１２の単位面積当りの表面積約０．０９ｃｍ^２／ｃｍ^２、触媒体１２の表面温度１８００℃、基板ホルダー１４の温度５００℃、原料ガス１０として流量５０ｓｃｃｍのＳｉＨ_４・流量１０ｓｃｃｍのＨ_２、自動圧力制御機構１８によりチャンバー内圧力を１Ｐａに保持し、触媒体１２と基板ホルダー１４との距離を４０ｍｍ、とした。この条件により、約３０Å／ｓｅｃの堆積速度で５００Åのアモルファスシリコン膜を得ることができた。また、上述の条件で堆積されたアモルファスシリコン膜の水素含有量は２．５Atomic％であり、堆積時の基板１３の温度は３５０℃であった。

ここで、例えば触媒体１２の単位面積当りの表面積約０．０９ｃｍ^２／ｃｍ^２、触媒体１２の表面温度１８００℃を固定として、基板ホルダー１４の温度を室温〜５００℃、触媒体１２と基板ホルダー１４との距離を３０ｍｍ〜２７０ｍｍで堆積時の基板１３の温度計測を行ったところ約１００℃〜約４００℃の範囲で基板１３の温度制御が可能であることがわかった。

本実施例２で用いた成膜条件は、真空チャンバー１６の到達真空度＜１．０×１０^−６torr、触媒体１２の単位面積当りの表面積約０．０９ｃｍ^２／ｃｍ^２、触媒体１２の表面温度１８００℃、基板ホルダー１４温度の２００℃、原料ガス１０としてＳｉＨ_４：２０ｓｃｃｍ、Ｈ_２：４０ｓｃｃｍ、チャンバー内の圧力は自動圧力制御機構１８により１Ｐａに保持し、触媒体１２と基板ホルダー１４との距離は１００ｍｍとした。この条件により、図１に示すような５００Åのアモルファスシリコン膜２を約１３Å／ｓｅｃの堆積速度で得ることができた。また、上述の条件で形成したアモルファスシリコン膜２の水素含有量は４．０Atomic％であり、堆積時の基板１３の温度は約１５０℃であった。次いで、第一のパルスレーザースキャンにより脱水素処理を行い、次いで第二のパルスレーザースキャンを用いて結晶化させて多結晶シリコン系薄膜３を得た。ここで、ラマン分光法により結晶性を評価したところラマンシフトの半値幅の計測値は４．１ｃｍ^−１であり、結晶性の高い膜で有ることがわかった。上述の条件では堆積時の基板１３の温度は１５０℃であったが、条件を適当に選択することにより、堆積時の基板１３の温度を２５０℃以下に制御することは容易であった。

また、上述の２５０℃以下の成膜条件により基板１３として高分子基板を用いたところガラス基板と同等の多結晶シリコン系薄膜が得られた。

次に、上述の実施例で得られた多結晶シリコン膜を用いて構成した薄膜トランジスタについて図４を参照しながら説明する。まず、絶縁性基板１０１上に形成した多結晶シリコン薄膜１０３を周知の如く素子分離した後、ゲート絶縁膜１０７およびゲート電極１０６を形成した後、層間絶縁膜１０２およびこの層間絶縁膜１０２に形成したコンタクトホール１０５を介して多結晶シリコン薄膜１０３に接続されるソース・ドレイン電極１０４を形成すると、薄膜トランジスタが完成する。尚、多結晶シリコン薄膜１０３への不純物拡散工程は本発明とは直接関係が無く、また説明が煩雑になるため省略した。上述の薄膜トランジスタのチャンネルをガラス基板４１上の長辺方向と短辺方向に有する同形状の２種類の薄膜トランジスタを形成して閾値電圧を比較したところ、従来のチャンネル方向に依存した閾値電圧のバラツキは低減され、またガラス基板面内に形成した薄膜トランジスタの閾値電圧のバラツキも大幅に改善できた。

このように作製された薄膜トランジスタを用いて液晶表示装置を作製した。薄膜トランジスタのドレイン電極にＩＴＯよりなる透明画素電極を設け、さらにその上に配向膜を作製し、この配向膜を配向処理してアレイ基板とする。次にガラス基板上にカラーフィルターを設け、その上にＩＴＯよりなるコモン電極を形成し、同様に配向膜を形成、配向処理をして対向基板とする。このアレイ基板と対向基板を相対向させ、間隙に液晶を狭持し、周囲をシール剤で保持して液晶表示装置を作製した。

このように作製された液晶表示装置は、簡便な方法で作製されたにもかかわらず、トランジスタ特性のバラツキが抑えられているために、表示の均一性に優れたものであった。液晶表示装置の表示方式には、液晶の初期配向状態により、ＴＮモード、ＩＰＳモード、ＶＡモード、ＥＣＢモード等があるが、本発明はこれら液晶の表示方式にかかわらず、同様の効果を得ることが出来る。

また、上述したように作製された薄膜トランジスタを用いて有機ＥＬ表示装置を作製した。薄膜トランジスタのドレイン電極にＩＴＯよりなる透明画素陽極を設け、さらにその上に銅フタロシアニン等よりなる正孔注入層を蒸着法により形成する。同様に蒸着法を用いて、α−ＮＰＤよりなる正孔輸送層、Ａｌｑ３よりなる発光層を積層させる。次に、やはり蒸着法を用いて、ＬｉＦとＡｌよりなる陰極を形成し、素子を保護するために封止基板をシール剤により接着接合し、有機ＥＬ表示装置とした。

このように作製された有機ＥＬ表示装置は、簡便な方法で作製されたにもかかわらず、トランジスタ特性のバラツキが抑えられているために、表示の均一性に優れたものであった。

また、本実施例では薄膜トランジスタ１個で駆動する例を示したが、有機ＥＬ表示装置は電流駆動にする場合が見られ、複数のトランジスタで定電流回路を形成し、表示装置を構成する場合がある。このような場合は、回路を構成する複数のトランジスタの均一性が要求されることは言うまでもなく、本実施例で示されたトランジスタの高い均一性が高い効果をもたらす。

本発明により、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等に用いる薄膜トランジスタのシリコン系薄膜が２５０℃以下の低温プロセスで形成できるようになり、タクトタイムが大幅に短縮されると共に、高分子基板上への薄膜トランジスタの形成が可能となり、堅牢かつ軽量な携帯情報端末が実現できる。

本発明による多結晶シリコン薄膜の形成方法を模式的に示す概略図である。本発明で用いる堆積装置を模式的に示す概略図である。実施例で用いた触媒体を表す概要図である。本発明による薄膜トランジスタの断面構造を表す概略図である。実施例で用いたパルスレーザースキャン装置の概要を示す模式図である。

符号の説明

１絶縁性基板
１０原料ガス
１１シャワーヘッド
１２、２１触媒体
１３基板
１４基板ホルダー
１５真空排気
１６真空チャンバー
１７電源部
１８自動圧力制御機構
１９真空計
３０パルスレーザー

Claims

絶縁性基板上に触媒ＣＶＤ法により７Atomic％以下の水素含有量の非晶質シリコン系薄膜を形成する第一の工程と、パルスレーザーを照射して前記非晶質シリコン系薄膜を脱水素する第二の工程と、パルスレーザーを前記非晶質シリコン系薄膜に照射して結晶化する第三の工程と、を備えることを特徴とする多結晶シリコン系薄膜の形成方法。
前記非晶質シリコン系薄膜の形成工程が２５０℃以下で行われることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン系薄膜の形成方法。
前記絶縁性基板が高分子基板からなることを特徴とする請求項１または２に記載の多結晶シリコン系薄膜の形成方法。
絶縁性基板上に触媒ＣＶＤ法により７Atomic％以下の水素含有量の非晶質シリコン系薄膜を形成する工程と、パルスレーザーを照射して前記非晶質シリコン系薄膜を脱水素する工程と、パルスレーザーを前記非晶質シリコン系薄膜に照射して結晶化する工程と、前記結晶化されたシリコン系薄膜を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、前記絶縁性基板を用いて表示素子を形成する工程と、を備えることを特徴とする表示装置の製造方法。