以下、発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、各図面において共通の部分は同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
(実施の形態1)
本実施の形態においては、発光素子を駆動する素子として結晶性半導体膜を有する逆スタガ型のTFTを用いるアクティブマトリクス基板の作製工程を、図1〜図3、図26、及び図51を用いて説明する。本実施の形態では、発光素子を駆動する素子として、スイッチング用のTFTと駆動用のTFTを代表例として示す。図3は、スイッチング用のTFTと駆動用のTFTの断面図及び上面図であり、図1及び図2は、スイッチング用のTFTのゲート電極及びゲート配線の接続部、駆動用のTFT、並びに発光素子を示す断面図である。
図1(A)に示すように、基板101上に第1の導電層102を形成し、第1の導電層上に感光性材料103、104を塗布し乾燥焼成する。次に、感光性材料103、104にレーザ光(以下、レーザビームとも示す。)105、106を照射して、図1(B)に示すような第1のマスク111、112を形成する。
基板101としては、ガラス基板、石英基板、アルミナなどのセラミック等の絶縁物質で形成される基板、シリコンウェハ、金属板等を用いることができる。また、基板101にガラス基板を用いる場合、320mm×400mm、370mm×470mm、550mm×650mm、600mm×720mm、680mm×880mm、1000mm×1200mm、1100mm×1250mm、1150mm×1300mmのような大面積基板を用いることができる。
第1の導電層102は、膜厚500〜1000nmの液滴吐出法、印刷法、電界メッキ法等により所定の領域に形成する。また、PVD法(Physical Vapor Deposition)、CVD法(Chemical Vapor Deposition)、蒸着法等により基板全面に形成しても良い。なお、ここで、液滴吐出法、印刷法、電界メッキ法を用いることにより、所定の領域に形成するため、後のエッチング工程により除去する領域が少なく、原料を削減することが可能である。また、工程数を削減することが可能である。なお、液滴吐出法とは、調製された組成物を、電気信号に応じてノズルから吐出して微少な液滴を作り、所定の位置に付着させる方法である。
第1の導電層102は、高融点材料を用いて形成することが好ましい。高融点材料を用いることにより、後の結晶化工程、ゲッタリング工程、活性化工程等の加熱工程が可能となる。高融点材料としては、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)等の金属又はその合金、若しくはその金属窒化物を適宜用いることができる。また、これら複数の層を積層して形成しても良い。代表的には、基板表面側から窒化タンタル膜及びその上に形成されるタングステン膜、窒化タンタル膜及びその上に形成されるモリブデン、窒化チタン膜及びその上に形成されるタングステン膜、窒化チタン膜及びその上に形成されるモリブデン膜等の積層構造としてもよい。また、リンを含有する珪素膜(非晶質半導体膜、結晶性半導体膜を含む)、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化インジウム亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛、又は酸化珪素を含む酸化インジウムスズを用いることもできる。
更には、後の加熱工程が、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプから選ばれた一種または複数種からの輻射により行うLRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal)法、窒素やアルゴンなどの不活性気体を加熱媒質として用いるGRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)法を用いる場合、短時間による熱処理が可能なため、比較的融点の低いアルミニウム(Al)、銀(Ag)、金(Cu)を用いて第1の導電膜を形成しても良い。このとき、これらの膜の表面に、窒化チタン膜、チタン膜、窒化アルミニウム膜、窒化タンタル膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜等のバリア膜を設けることが好ましい。代表的には、チタン膜、窒化チタン膜、アルミニウム膜、及び窒化チタン膜の積層構造や、チタン膜、窒化チタン膜、アルミニウム−シリコン合金膜、及び窒化チタン膜の積層構造等が挙げられる。
感光性材料103、104の材料としては、紫外光から赤外光に感光するネガ型感光性材料又はポジ型感光性材料を用いる。感光性材料の代表例としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂等の感光性を示す有機樹脂材料を用いる。また、ベンゾシクロブテン、パリレン、フレア、ポリイミドなどの感光性を示す有機材料等を用いることができる。また、代表的なポジ型感光性樹脂として、ノボラック樹脂と感光剤であるナフトキノンジアジド化合物を有する感光性樹脂が挙げられ、代表的なネガ型感光性樹脂として、上記に示す有機樹脂、ジフェニルシランジオール及び酸発生剤を有する感光性樹脂が挙げられる。ここでは、ネガ型感光性材料を用いる。
次に、感光性材料103、104にレーザビーム直接描画装置を用いてレーザ光105、106を照射する。
レーザビーム直接描画装置について、図51を用いて説明する。図51に示すように、レーザビーム直接描画装置1001は、レーザビームを照射する際の各種制御を実行するパーソナルコンピュータ(以下、PCと示す。)1002と、レーザビームを出力するレーザ発振器1003と、レーザ発振器1003の電源1004と、レーザビームを減衰させるための光学系(NDフィルタ)1005と、レーザビームの強度を変調するための音響光学変調器(AOM)1006と、レーザビームの断面の拡大又は縮小をするためのレンズ、光路の変更するためのミラー等で構成される光学系1007、Xステージ及びYステージを有する基板移動機構1009と、PCから出力される制御データをデジタルーアナログ変換するD/A変換部1010と、D/A変換部から出力されるアナログ電圧に応じて音響光学変調器1006を制御するドライバ1011と、基板移動機構1009を駆動するための駆動信号を出力するドライバ1012とを備えている。
レーザ発振器1003としては、紫外光、可視光、又は赤外光を発振することが可能なレーザ発振器を用いることができる。レーザ発振器としては、ArF、KrF、XeCl、Xe等のエキシマレーザ発振器、He、He−Cd、Ar、He−Ne、HF等の気体レーザ発振器、YAG、GdVO4、YVO4、YLF、YAlO3などの結晶にCr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti又はTmをドープした結晶を使った固体レーザ発振器、GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAsP等の半導体レーザ発振器を用いることができる。なお、固体レーザ発振器においては、基本波の第2高調波〜第5高調波を適用するのが好ましい。
次に、レーザビーム直接描画装置を用いた感光性材料の感光方法について述べる。基板1008が基板移動機構1009に装着されると、PC1002は図外のカメラによって、基板に付されているマーカの位置を検出する。次いで、PC1002は、検出したマーカの位置データと、予め入力されている描画パターンデータとに基づいて、基板移動機構1009を移動させるための移動データを生成する。この後、PC1002が、ドライバ1011を介して音響光学変調器1006の出力光量を制御することにより、レーザ発振器1003から出力されたレーザビームを、光学系1005によって減衰した後、音響光学変調器1006によって所定の光量になるように制御する。一方、音響光学変調器1006から出力されたレーザビームは、光学系1007で光路及びビーム形が変形され、レンズで集光した後、基板上に塗布された感光性材料に該ビームを照射して、感光性材料を感光する。このとき、PC1002が生成した移動データに従い、基板移動機構1009はX方向及びY方向への移動が制御される。この結果、所定の場所にレーザビームを照射し、感光性材料の露光を行うことができる。
この結果、図1(B)に示すように、レーザビームが照射された領域に第1のマスク111、112が形成される。ここでは、感光性材料としてネガ型を用いているため、レーザビームが照射された領域が第1のマスクとなる。レーザ光のエネルギーの一部は、レジストで熱に変換され、レジストの一部を反応するため、レジストマスクの幅は、レーザビームの幅より若干大きくなる。また、短波長のレーザ光のほど、ビーム径を短く集光することが可能であるため、微細な幅のレジストマスクを形成するためには、短波長のレーザビームを照射することが好ましい。
また、レーザビームの感光性材料表面でのスポット形状は、点状、円形、楕円形、矩形、または線状(厳密には細長い長方形状)となるように光学系で加工される。なお、スポット形状は円形であっても構わないが、線状にした方が、幅が均一なレジストマスクを形成することができる。
また、図51に示した装置は、基板の表面側からレーザ光を照射して感光性材料を露光する例を示したが、光学系や基板移動機構を適宜変更し、基板の裏面側からレーザ光を照射して露光するレーザビーム直接描画装置としてもよい。
なお、ここでは、基板を移動して選択的にレーザビームを照射しているが、これに限定されず、レーザビームをX−Y軸方向に移動してレーザビームを照射することができる。この場合、光学系1007にポリゴンミラーやガルバノミラーを用いることが好ましい。
次に、図1(C)に示すように、第1のマスクを用いて、第1の導電層102をエッチングして、第2の導電層121、122aを形成する。第2の導電層121は、駆動用のTFTのゲート電極として機能し、第2の導電層122aは、スイッチング用のTFTのゲート電極として機能する。
次に、第1のマスクを除去した後、膜厚10〜200nm、好ましくは50〜100nmの第1の絶縁膜123を形成し、第1の絶縁膜上に膜厚50〜250nmの第1の半導体膜124を形成し、第1の半導体膜上に触媒元素を有する層125を形成する。
第1の絶縁膜123は、ゲート絶縁膜として機能する。第1の絶縁膜123は、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化窒化珪素(SiOxNy)(x>y)、窒化酸化珪素(SiNxOy)(x>y)などを適宜用いることができる。更には、第2の導電層121、122aを陽極酸化して、第1の絶縁膜の代わりに、陽極酸化膜を形成しても良い。なお、基板側から不純物などの拡散を防止するため、基板側に接する絶縁膜として、窒化珪素(SiNx)、窒化酸化珪素(SiNxOy)(x>y)などを用い、後に形成される第1の半導体膜との界面特性から、酸化珪素(SiOx)、酸化窒化珪素(SiOxNy)(x>y)を第1の半導体膜側に形成して、積層構造の第1の絶縁膜を形成することが望ましい。しかしながら、該構造に限定されず、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化窒化珪素(SiOxNy)(x>y)、窒化酸化珪素(SiNxOy)(x>y)等のいずれかを適宜組み合わせて積層構造としてもよい。なお、酸化珪素(SiOx)膜には、水素が含まれている。第1の絶縁膜123は、CVD法、PVD法等の公知の手法により形成する。
第1の半導体膜124としては、非晶質半導体、非晶質状態と結晶状態とが混在したセミアモルファス半導体(SASとも表記する)、非晶質半導体中に0.5nm〜20nmの結晶粒を観察することができる微結晶半導体、及び結晶性半導体から選ばれたいずれかの状態を有する膜で形成する。特に、0.5nm〜20nmの結晶を粒観察することができる微結晶状態はいわゆるマイクロクリスタル(μc)と呼ばれている。いずれも、シリコン、シリコン・ゲルマニウム(SiGe)等を主成分とする膜厚は半導体膜を用いることができる。
なお、後の結晶化で良質な結晶構造を有する半導体膜を得るためには、第1の半導体膜124の膜中に含まれる酸素、窒素などの不純物濃度を5×1018/cm3(以下、濃度はすべて二次イオン質量分析法(SIMS)にて測定した原子濃度として示す。)以下に低減させておくと良い。これらの不純物は、触媒元素と反応しやすく、後の結晶化を妨害する要因となり、また、結晶化後においても捕獲中心や再結合中心の密度を増加させる要因となる。
また、第1の絶縁膜と第1の半導体膜とを連続成膜することで、第1の半導体膜中の酸素濃度を低減することが可能である。例えば、シラン及びアンモニアガスを原料としたCVD法により窒化珪素膜を成膜し、次にアンモニアガスから酸化窒素(N2O)に切り替えてCVD法により酸化珪素膜を成膜して、第1の絶縁膜を形成する。次に、プラズマを発生させずにシランガスのみをチャンバー内に流す。このことにより、チャンバー内の酸素濃度を低減することが可能である。この後、シランガスを原料としてCVD法により第1の半導体膜を形成することで、酸素濃度の低い第1の半導体膜を形成することが可能となる。
触媒元素を有する層125の形成方法としては、PVD法、CVD法、蒸着法等により第1の半導体膜124表面に、触媒元素又は触媒元素の珪化物の薄膜を形成する方法、第1の半導体膜124表面に触媒元素を含む溶液を塗布する方法などがある。触媒元素としては、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)等の一つ又は複数を用いて形成することができる。また、イオンドープ法又はイオン注入法により、上記触媒元素を直接半導体膜中に添加しても良い。また、上記触媒元素で形成される電極を用いて、半導体膜表面をプラズマ処理してもよい。ここでは、1〜200ppm、10〜150ppmのニッケルを含む溶液を塗布する。なお、ここでは触媒元素とは半導体膜の結晶化を促進又は助長させる元素(金属触媒)のことである。
次に、第1の半導体膜を加熱して、図1(D)に示すように、第1の結晶性半導体膜131を形成する。この場合、結晶化は半導体の結晶化を助長する金属元素が接した半導体膜の部分でシリサイドが形成され、それを核として結晶化が進行する。ここでは、脱水素化のための熱処理(400〜550℃、0.5〜2時間)の後、結晶化のための熱処理(550℃〜650℃で1〜24時間)を行う。また、RTA、GRTAにより結晶化を行っても良い。ここで、レーザ光照射を行わず結晶化することで、結晶性のばらつきを低減することが可能であり、後に形成されるTFTの特性のばらつきを抑制することが可能である。また、結晶表面で突起上に結晶成長するリッジ(凸凹部)が形成されにくいため、半導体領域表面が比較的平坦であり、ゲート絶縁膜と介して結晶性半導体膜とゲート電極との間に流れるリーク電流を抑制することが可能である。
次に、TFTのチャネル領域となる領域に3族元素(13族元素、以下、アクセプタ型元素と示す。)、または5族元素(15族元素、以下、ドナー型元素と示す。)を低濃度に添加するチャネルドープ工程を全面または選択的に行う。このチャネルドープ工程は、TFTのしきい値電圧を制御するための工程である。なお、ここではジボラン(B2H6)を質量分離しないでプラズマ励起したイオンドープ法でボロンを添加する。なお、質量分離を行うイオン注入法を用いてもよい。なお、チャネルドープ工程は、結晶化工程の前に行っても良い。
次に、第1の結晶性半導体膜131上に、ドナー型元素が含まれる膜厚80〜250nmの第2の半導体膜132を形成する。ここでは、珪化物気体にリン、ヒ素のようなドナー型元素を有する気体を用いたプラズマCVD法で成膜する。このような手法により第2の半導体膜を形成することで、第1の結晶性半導体膜と第2の半導体膜との界面が形成される。また、ドナー型元素が含まれる第2の半導体膜132としては、第1の半導体膜と同様の半導体膜を形成した後、ドナー型元素をイオンドープ法又はイオン注入法により添加して形成することができる。第2の半導体膜132におけるリンの濃度が1×1019〜3×1021/cm3であることが好ましい。
さらには、第2の半導体膜132は、上記プラズマCVD法、又はイオンドープ法、イオン注入法を用いて、第1の結晶性半導体膜131に接する側に、低濃度領域(以下、n-領域と示す。)を形成し、その上に高濃度領域(以下、n+領域と示す。)を形成した積層構造としても良い。このとき、n-領域のドナー型元素の濃度を、1×1017〜3×1019/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3とし、n+領域のドナー型元素の濃度を、n-領域のドナー型元素の10〜100倍とすることが好ましい。また、n-領域の膜厚は50〜200nmとし、n+領域の膜厚は30〜100nm好ましくは40〜60nmとすることが好ましい。ここでは、第2の半導体膜132として、波線より第1の結晶性半導体膜131側の領域をn-領域とし、その表面側をn+領域と示す。
このときのドナー型元素が含まれる第2の半導体膜の不純物のプロファイルを図26に示す。図26(A)は、第1の結晶性半導体膜131上に、プラズマCVD法によりドナー型元素が含まれる第2の半導体膜132aを形成した時の、ドナー型元素のプロファイル150aを示す。ここでは、第2の半導体膜132aとして、濃度の異なる2つの層を用いて形成している。即ち、第2の半導体膜132aは、表面からn+領域144a及びn-領域144bの界面までは、膜の深さ方向に対して一定の濃度(第1の濃度)のドナー型元素が分布している。また、n+領域144a及びn-領域144bの界面から、第1の結晶性半導体膜131の界面までは、膜の深さ方向に対して一定の濃度(第2の濃度)のドナー型元素が分布している。このとき、第1の濃度は第2の濃度より高い。
一方、図26(B)は、第1の結晶性半導体膜131上に、非晶質半導体、SAS、微結晶半導体、及び結晶性半導体から選ばれたいずれかの状態を有する膜の半導体膜を形成し、イオンドープ法又はイオン注入法により該半導体膜にドナー型元素を添加して第2の半導体膜を形成した時の、ドナー型元素のプロファイル150bを示す。図26(B)に示すように、第2の半導体膜132bの表面付近は、ドナー型元素濃度が比較的高い。この領域をn+領域144aと示す。一方、第2の半導体膜132bは、第1の結晶性半導体膜131に近づくにつれ、ドナー型元素濃度が比較的濃度が減少している。ドナー型元素濃度が1×1017〜3×1019/cm3の領域、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の領域をn-領域144bと示す。また、n+領域144aのドナー型元素の濃度は、n-領域のドナー型元素の10〜100倍である。
図26(A)、(B)において、n+領域144aは後にソース領域及びドレイン領域として機能し、n-領域144bはLDD領域として機能する。なお、n+領域とn-領域それぞれの界面は存在せず、相対的なドナー型元素濃度の大小によって変化する。また、図26に示すようにイオンドープ法又はイオン注入法により形成されたドナー型元素が含まれる第2の半導体膜132bは、添加条件によって濃度プロファイルを制御することが可能であり、n+領域とn-領域の膜厚を適宜制御することが可能である。
なお、ドナー型元素が含まれる第2の半導体膜132、132a、132bは、希ガス元素、代表的にはアルゴンが添加されることにより、結晶格子の歪が形成される。このため、後に行われるゲッタリング工程で、より触媒元素をゲッタリングすることが可能である。
次に、第1の結晶性半導体膜131及び第2の半導体膜132を加熱して、図1(E)の矢印で示すように、第1の結晶性半導体膜131に含まれる触媒元素を第2の半導体膜132に移動させて、触媒元素をゲッタリングする。この工程により、第1の結晶性半導体膜中の触媒元素がデバイス特性に影響を与えない濃度、即ち膜中のニッケル濃度が1×1018/cm3以下、望ましくは1×1017/cm3以下とすることができる。このような膜を第2の結晶性半導体膜141と示す。また、ゲッタリング後の触媒元素が移動した第2の半導体膜も同様に結晶化されているため、第3の結晶性半導体膜142と示す。なお、本実施の形態においては、ゲッタリング工程と共に、第3の結晶性半導体膜142中のドナー型元素の活性化を行っている。
次に、図1(F)に示すように、第3の結晶性半導体膜142上に第2のマスク143を形成し、該第2のマスクを用いて第3の結晶性半導体膜142及び第2の結晶性半導体膜141をエッチングして、図2(A)に示すような第1の半導体領域152及び第2の半導体領域151を形成する。
第2のマスク143は、液滴吐出法、印刷法等により、有機樹脂を所定の領域に形成する。また、第1のマスクのように、感光性材料を塗布した後、レーザ光を感光性材料に照射して露光した後、現像して形成することができる。該手法により第2のマスクを形成することで、後に形成される半導体領域の面積を縮小することが可能であり、半導体素子の高集積化や透過型表示装置の開口率を高めることが可能である。
なお、以下の実施の形態及び実施例のマスク形成工程において、半導体膜又は半導体領域上に感光性材料を塗布する前には、半導体膜又は半導体領域表面に、膜厚が数nm程度の絶縁膜を形成することが好ましい。この工程により半導体膜又は半導体領域と感光性材料とが直接接触すること回避することが可能であり、不純物が半導体膜中に侵入するのを防止できる。なお、絶縁膜の形成方法としては、オゾン水等の酸化力のある溶液を塗布する方法、酸素プラズマ、オゾンプラズマを照射する方法等が挙げられる。
第3の結晶性半導体膜及び第2の結晶性半導体膜は、Cl2、BCl3、SiCl4もしくはCCl4などを代表とする塩素系ガス、CF4、SF6、NF3、CHF3などを代表とするフッ素系ガス、あるいはO2を用いてエッチングすることができる。第3の結晶性半導体膜をエッチングして、第1の半導体領域152を形成し、第2の結晶性半導体膜をエッチングして第2の半導体領域151を形成する。
次に、第2のマスクを除去した後、膜厚500〜1500nm、好ましくは500〜1000nmの第3の導電層を成膜する。次に、第3の導電層上に感光性材料を塗布又は吐出し、レーザビーム直接描画装置を用いて感光性材料にレーザ光を照射し露光した後、現像して、図2(B)に示すような第3のマスク161を形成する。ここでは、感光性材料として、ポジ型感光性材料を用いる。
第3の導電層153の材料としては、導電体を溶媒に溶解又は分散させた組成物を用いる。導電体としては、Ag、Au、Cu、Ni、Pt、Pd、Ir、Rh、W、Al、Ta、Mo、Cd、Zn、Fe、Ti、Si、Ge、Zr、Ba等の金属、ハロゲン化銀の微粒子等、又は分散性ナノ粒子を用いることができる。また、これらの材料からなる導電層を積層して第3の導電層を形成することができる。第3の導電層は配線として機能する。配線抵抗を低下させるため、低抵抗材料を用いることが好ましい。
なお、吐出口から吐出する組成物は、比抵抗値を考慮して、金、銀、銅のいずれかの材料を溶媒に溶解又は分散させたものを用いることが好ましい。より好ましくは、低抵抗且つ安価な銀又は銅を用いるとよい。但し、銅を用いる場合には、不純物対策のため、第3の導電層153を形成する前にバリア膜を設けるとよい。溶媒は、酢酸ブチル、酢酸エチル等のエステル類、イソプロピルアルコール、エチルアルコール等のアルコール類、メチルエチルケトン、アセトン等の有機溶剤等を用いればよい。
ここで、銅を配線として用いる場合のバリア膜としては、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タンタルなど窒素を含む絶縁性又は導電性の物質を用いると良く、これらを液滴吐出法で形成しても良い。
なお、液滴吐出法に用いる組成物の粘度は5〜20mPa・sが好適であり、これは、乾燥が起こることを防止し、吐出口から組成物を円滑に吐出できるようにするためである。また、表面張力は40mN/m以下が好ましい。なお、用いる溶媒や用途に合わせて、組成物の粘度等は適宜調整するとよい。銀を溶媒に溶解又は分散させた組成物の粘度は5〜20mPa・s、金を溶媒に溶解又は分散させた組成物の粘度は10〜20mPa・sである。
組成物を吐出する工程は、減圧下で行っても良い。これは、組成物を吐出して被処理物に着弾するまでの間に、該組成物の溶媒が揮発し、後の乾燥と焼成の工程を省略又は短くすることができるためである。組成物の吐出後は、溶媒の材料により、常圧下又は減圧下で、レーザ光の照射や瞬間熱アニール、加熱炉等により、乾燥と焼成の一方又は両方の工程を行う。乾燥と焼成の工程は、両工程とも加熱処理の工程であるが、例えば、乾燥は100度で3分間、焼成は200〜350度で15分間〜120分間で行うもので、その目的、温度と時間が異なるものである。乾燥と焼成の工程を良好に行うためには、基板を加熱しておいてもよく、そのときの温度は、基板等の材質に依存するが、100〜800度(好ましくは200〜350度)とする。本工程により、溶液中の溶媒を揮発し、周囲の樹脂が硬化収縮することで、導電体の融合と融着を加速する。雰囲気は、酸素雰囲気、窒素雰囲気又は空気で行う。但し、金属元素を分解又は分散している溶媒が除去されやすい酸素雰囲気下で行うことが好適である。
レーザ光の照射は、連続発振またはパルス発振の気体レーザ又は固体レーザを用いれば良い。前者の気体レーザとしては、エキシマレーザ、YAGレーザ等が挙げられ、後者の固体レーザとしては、Cr、Nd等がドーピングされたYAG、YVO4等の結晶を使ったレーザ等が挙げられる。なお、レーザ光の吸収率の関係から、連続発振のレーザを用いることが好ましい。また、パルス発振と連続発振を組み合わせた所謂ハイブリッドのレーザ照射方法を用いてもよい。但し、基板の耐熱性に依っては、レーザ光の照射による加熱処理は、数マイクロ秒から数十秒の間で瞬間に行うとよい。瞬間熱アニール(RTA)は、不活性ガスの雰囲気下で、紫外光乃至赤外光を照射する赤外ランプやハロゲンランプなどを用いて、急激に温度を上昇させ、数マイクロ秒から数分の間で瞬間的に熱を加えて行う。この処理は瞬間的に行うために、実質的に最表面の薄膜のみを加熱することができ、下層の膜には影響を与えないという利点がある。
ここでは、Agを含む組成物(以下「Agペースト」という。)を選択的に吐出し、上記に示すようなレーザビーム照射又は熱処理による乾燥及び焼成を適宜行い膜厚600〜800nmの第3の導電層を形成する。このとき導電層は、導電体である微粒子が3次元に不規則に重なり合って形成されている。即ち、3次元凝集体粒子で構成されている。このため、表面は微細な凹凸を有する。また、導電層の熱及びその加熱時間により、微粒子が焼成され、粒子の粒径が増大するため、導電層の表面の高低差が大きい層となる。
なお、微粒子が溶融した領域は、多結晶構造となる場合もある。
なお、この焼成をO2雰囲気中で行うと、Agペースト内に含まれているバインダ(熱硬化性樹脂)などの有機物が分解され、有機物をほとんど含まないAg膜を得ることができる。また、プレス機等を用いて膜表面を平滑にすることができる。
なお、以下実施の形態及び実施例の導電膜形成工程において、感光性樹脂の塗布又は吐出工程時に半導体膜表面に絶縁膜を形成した場合は、コンタクト抵抗を下げるため、導電膜を成膜する前に該絶縁膜をエッチングすることが好ましい。
次に、第3のマスク161を用いて第3の導電層を所望の形状にエッチングして、第4の導電層162、163、図3(B)及び(C)に示す第4の導電層167、169を形成する。第4の導電層162は電源線及び容量配線として機能し第4の導電層163は、駆動用のTFTのソース電極又はドレイン電極として機能する。また、図3(C)に示す、第4の導電層167はソース配線として機能し、第4の導電層169はスイッチング用のTFTのソース電極又はドレイン電極として機能する。このとき、第3の導電層を分断して、各配線及び各電極を形成すると共に、ソース配線又はドレイン配線の幅が細くなるようにエッチングすることで、後に形成される透過型表示装置の開口率を高めることが可能である。
次に、第3のマスク161を用いて、第1の半導体領域152の露出部をエッチングして、ソース領域及びドレイン領域として機能する第3の半導体領域164、165を形成する。このとき、第2の半導体領域151の一部がオーバーエッチングされても良い。このときのオーバーエッチングされた第2の半導体領域を第4の半導体領域166と示す。第4の半導体領域166は、駆動用のTFTのチャネル形成領域として機能する。また、同様の工程により、図3(B)に示すスイッチング用のTFTのチャネル形成領域として機能する第4の半導体領域168も形成する。
次に、第3のマスクを除去した後、図2(C)に示すように、第4の導電層162、163及び第4の半導体領域166表面上に、パッシベーション膜として機能する膜厚100〜300nmの第2の絶縁膜171を成膜することが好ましい。パッシベーション膜は、プラズマCVD法又はスパッタリング法などの薄膜形成法を用い、窒化珪素、酸化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、酸化窒化アルミニウム、または酸化アルミニウム、ダイアモンドライクカーボン(DLC)、窒素含有炭素(CN)、その他の絶縁性材料を用いて形成することができる。なお、パッシベーション膜は単層でも積層構造でもよい。ここでは、第4の半導体領域166との界面特性から酸化珪素、又は酸化窒化珪素を形成し、その上に窒化珪素膜、又は窒化酸化珪素膜を成膜することが好ましい。
この後、第4の半導体領域を水素雰囲気又は窒素雰囲気で加熱して水素化することが好ましい。なお、窒素雰囲気で加熱する場合は、第3の絶縁膜に水素を含む絶縁膜を形成することが好ましい。
以上の工程により、結晶性半導体膜を有する逆スタガ型のTFTを形成することができる。
次に、第2の絶縁膜171上に、膜厚500〜1500nmの第3の絶縁膜172を形成する。第3の絶縁膜としては、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウムその他の無機絶縁性材料、又はアクリル酸、メタクリル酸及びこれらの誘導体、又はポリイミド(polyimide)、芳香族ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール(polybenzimidazole)などの耐熱性高分子、又はシリカガラスに代表されるシロキサンポリマー系材料を出発材料として形成された珪素、酸素、水素からなる化合物のうちSi−O−Si結合を含む無機シロキサンポリマー、アルキルシロキサンポリマー、アルキルシルセスキオキサンポリマー、水素化シルセスキオキサンポリマー、水素化アルキルシルセスキオキサンポリマーに代表される珪素に結合する水素がメチルやフェニルのような有機基によって置換された有機シロキサンポリマー系の絶縁材料を用いることができる。形成方法としては、CVD法、塗布法、印刷法等公知の手法を用いて形成する。なお、塗布法で形成することにより、第4の絶縁層の表面を平坦化することが可能である。ここでは、塗布法によりアクリル樹脂を塗布し焼成して、第4の絶縁膜を形成する。
なお、後に形成される第6の導電層175と第4の導電層162、163との間に寄生容量が生じない程度の膜厚を有する場合、第3の絶縁膜172は必ずしも必要ではない。
次に、第3の絶縁膜172上に第4のマスク(図示しない。)を形成した後、第3の絶縁膜172及び第2の絶縁膜171の一部をエッチングして、スイッチング用のTFTのゲート電極として機能する第2の導電層122aを露出する。次に、第4のマスクを除去した後、膜厚500〜1500nm、好ましくは500〜1000nmの第5の導電層173を形成する。第5の導電層173は、ゲート配線として機能する。
第4のマスクは、第2のマスク143と同様の手法及び材料を適宜用いることが可能である。第5の導電層173の材料及び形成方法は、第3の導電層153と同様の材料及び形成方法を適宜選択すればよい。なお、配線抵抗を抑制するため、低抵抗材料を用いることが好ましい。また、第5の導電層173を、第1の導電層のようにレーザビーム直接描画装置を用いて形成したマスクによりエッチングして、線幅を細くしても良い。この工程により、画素内に占める配線面積を低減することが可能であり、透過型表示装置において開口率を向上させることが可能である。ここでは、Agペーストを吐出し、乾燥焼成させて第5の導電層を形成する。
以上の工程により、図3(A)及び図3(C)に示すような、第2の導電層121、ゲート絶縁膜として機能する第1の絶縁膜123、チャネル形成領域として機能する第4の半導体領域166、ソース領域又はドレイン領域として機能する第3の半導体領域164、165、電源線として機能する第4の導電層162、及びソース電極又はドレイン電極として機能する第4の導電層163を有する駆動用のTFT191を形成することができる。
また、図3(B)及び図3(C)に示すような、第2の導電層122a、ゲート絶縁膜として機能する第1の絶縁膜123、チャネル形成領域として機能する第4の半導体領域168、ソース領域又はドレイン領域として機能する第3の半導体領域、ソース配線として機能する第4の導電層167、及びソース電極又はドレイン電極として機能する第4の導電層169を有するスイッチング用のTFT192を形成する。
なお、図3に示すように、スイッチング用のTFT192のソース電極又はドレイン電極として機能する第2の導電層169は、駆動用のTFT191のゲート電極として機能する第2の導電層121と接続している。また、スイッチング用のTFT192のゲート電極として機能する第2の導電層122aは、ゲート配線機能する第5の導電層173と接続している。
次に、第5の導電層173及び第3の絶縁膜172上に第4の絶縁膜174を形成する。第4の絶縁膜174としては、第3の絶縁膜172と同様の材料を適宜用いることが可能である。
次に、第4の絶縁膜174上に第5のマスク(図示しない。)を形成した後、第4の絶縁膜174、第3の絶縁膜172及び第2の絶縁膜171の一部をエッチングして、第4の導電層163の一部を露出する。次に、第5のマスクを除去した後、画素電極として機能する膜厚100〜200nmの第6の導電層175を形成する。第5のマスクは、第2のマスク143と同様の手法及び材料を適宜用いることが可能である。
第6の導電層175の形成方法としては、液滴吐出法、スパッタリング法、蒸着法、CVD法、塗布法等を適宜用いる。液滴吐出法を用いることで、選択的に第6の導電層を形成することが可能である。また、スパッタリング法、蒸着法、CVD法、塗布法等を用いた場合、第2の導電層と同様にマスクを形成した後、該マスクを用いて導電膜をエッチングして第6の導電層を形成する。
なお、ここでは第5の導電層173としてはゲート配線として機能する導電層を形成し、第6の導電層175としては第1の画素電極として機能する導電層を形成したが、これに限定されない。画素電極として機能する導電層を形成した後、ゲート配線として機能する導電層を形成してもよい。
以上の工程により、アクティブマトリクス基板を形成することが可能である。
次に、図2(D)に示すように、第6の導電層175及び第4の絶縁膜174上に第5の絶縁層181を形成する。第5の絶縁層181は、第6の導電層175の端部を囲む隔壁層(土手やバンクとも呼ばれる)として機能する。第5の絶縁層181としては、有機材料からなるが、感光性と非感光性のどちらを用いてもよい。但し、感光性の材料を用いると、その側壁は曲率半径が連続的に変化する形状となり、後に形成する発光物質を含む層が段切れすることなく、形成することができる。特に、ネガ型の感光性の材料を用いると、第6の絶縁層181の上端部に第1の曲率半径を有する曲面、第5の絶縁層181の下端部に第2の曲率半径を有する曲面が設けられる。第1及び第2の曲率半径は0.2〜3μm、第5の絶縁層181の断面における傾斜角度は35度以上とすることが好ましい。また、ポジ型の感光性の材料を用いると、第5の絶縁層181の上端部のみに曲率半径を有する曲面が設けられる。図示する断面構造では、ネガ型の感光性材料を用いたときの場合を示している。
次に、第6の導電層175及び第5の絶縁層181上に発光物質を含む層182及び第7の導電層183を形成する。第7の導電層183は、第2の画素電極として機能する。第1の画素電極として機能する第6の導電層175及び第2の画素電極として機能する第7の導電層183は、仕事関数を考慮して材料を選択する必要がある。但し第1の画素電極及び第2の画素電極は、画素構成によりいずれも陽極、又は陰極となりうる。駆動用のTFTの極性がpチャネル型である場合、第1の画素電極を陽極、第2の画素電極を陰極とするとよい。また、駆動用のTFTの極性がnチャネル型である場合、第1の画素電極を陰極、第2の画素電極を陽極とすると好ましい。
陽極の材料としては、仕事関数の大きい導電性材料を用いることが好ましい。陽極側を光の取り出し方向とするのであれば、透明導電材料(インジウム錫酸化物(ITO)、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2))、酸化インジウム亜鉛(IZO)、ガリウムを添加した酸化亜鉛(GZO)等を用いればよい。また、陽極側を遮光性とするのであれば、TiN、ZrN、Ti、W、Ni、Pt、Cr、Al等の単層膜の他、窒化チタンとアルミニウムを主成分とする膜との積層、窒化チタン膜とアルミニウムを主成分とする膜と窒化チタン膜との三層構造等を用いることができる。あるいは、上記の遮光性を有する膜の上に上述した透明導電性材料を積層する方法でもよい。
また、陰極の材料としては、仕事関数の小さい導電性材料を用いることが好ましく、具体的には、LiやCs等のアルカリ金属、およびMg、Ca、Sr等のアルカリ土類金属、およびこれらを含む合金(Mg:Ag、Al:Liなど)の他、YbやEr等の希土類金属を用いて形成することもできる。また、Au(金)、Cu(銅)、W(タングステン)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、タンタル(Ta)などの金属材料、又は該金属材料と化学量論的組成比以下の濃度で窒素を含む金属材料、若しくは該金属の窒化物である窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、若しくは1〜20%のニッケルを含むアルミニウムを用いて形成することもできる。
また、陰極側を光の取り出し方向とする場合は、LiやCs等のアルカリ金属、およびMg、Ca、Sr等のアルカリ土類金属を含む超薄膜と、透明導電膜(透明導電材料(インジウム錫酸化物(ITO)、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2))、酸化インジウム亜鉛(IZO)、ガリウムを添加した酸化亜鉛(GZO)等)との積層構造を用いればよい。あるいは、アルカリ金属またはアルカリ土類金属と電子輸送材料を共蒸着した電子注入層を形成し、その上に透明導電膜を積層してもよい。
なお、第6の導電層175または第7の導電層183として用いることが可能な、酸化珪素を含むITOは、通電、或いは熱処理によって結晶化しにくく表面の平坦性が高い材料である。
ここでは、駆動用のTFTとしてnチャネル型のTFTを用いているため、第6の導電層175は、窒化タンタル(TaN)からなる下層と、酸化珪素を含むITOからなる上層との積層構造で形成する。また、第7の導電層183酸化珪素を含むITOで形成する。
ここでは、駆動用のTFTとしてnチャネル型のTFTを用いているため、発光物質を含む層182は、第6の導電層175(陰極)側から順に、EIL(電子注入層、)ETL(電子輸送層)、EML(発光層)、HTL(ホール輸送層)、HIL(ホール注入層)の順に積層されている。なお、発光物質を含む層は、積層構造以外に単層構造、又は混合構造をとることができる。
また、水分や脱ガスによるダメージから発光素子を保護するため、第7の導電層183を覆う保護膜185を設けることが好ましい。保護膜185としては、PCVD法による緻密な無機絶縁膜(SiN、SiNO膜など)、スパッタ法による緻密な無機絶縁膜(SiN、SiNO膜など)、炭素を主成分とする薄膜(DLC膜、CN膜、アモルファスカーボン膜)、金属酸化物膜(WO2、CaF2、Al2O3など)などを用いることが好ましい。
なお、発光素子184は第1の画素電極として機能する第6の導電層175、発光物質を含む層182、及び第2の画素電極として機能する第7の導電層183で形成される。
本実施の形態で形成される逆スタガ型のTFTは、ゲート電極に耐熱性の高い材料を用いており、また活性化工程、ゲッタリング工程、結晶化工程等の加熱処理を行った後、低抵抗材料を用いてソース配線、ゲート配線等の配線を形成している。このため、結晶性を有し、不純物金属元素が少なく、配線抵抗の低いTFTを形成することが可能である。また、本発明の表示装置は、絶縁膜上に画素電極を形成することが可能であり、開口率を増加させることが可能である。
このため、結晶性半導体膜で形成されるため非晶質半導体膜で形成される逆スタガ型のTFTと比較して移動度が高い。また、ソース領域及びドレイン領域には、ドナー型元素に加え、触媒元素をも含む。このため、半導体領域との接触抵抗の低いソース領域及びドレイン領域が形成できる。この結果、高速動作が必要な半導体装置を作製することが可能である。
また、非晶質半導体膜で形成されるTFTと比較して、しきい値のずれが生じにくく、TFT特性のバラツキを低減することが可能である。このため、非晶質半導体膜で形成されるTFTをスイッチング素子として用いた表示装置と比較して、表示ムラを低減することが可能であり、信頼性の高い半導体装置を作製することが可能である。
更には、ゲッタリング工程により、成膜段階で半導体膜中に混入する金属元素をもゲッタリングするため、オフ電流を低減することが可能である。このようなTFTを表示装置のスイッチング素子に設けることにより、コントラストを向上させることが可能である。
また、本実施の形態では、このため、基板全面に薄膜を成膜せずとも、液滴吐出法を用いて所定の場所に薄膜原料やレジストを吐出すればよく、フォトマスクを用いずとも、TFTを形成することができる。このため、スループットや歩留まりを向上させると共に、コストダウンを図ることが可能となる。
(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で示したアクティブマトリクス基板の電源線、ソース配線、ソース電極又はドレイン電極、ゲート配線、及び画素電極の積層の構造について、図3を用いて説明する。以下の実施の形態では、発光素子を形成する前の図2(C)に対応する縦断面図及び上面図面を示す。
図3(A)は、駆動用のTFT191と、スイッチング用のTFT192のゲート配線として機能する第5の導電層との積層構造を示す図であり、図3(C)のA−Bの断面構造に相当する。
図3(B)は、スイッチング用のTFT192と駆動用のTFT191との接続構造を示す図であり、図3(C)のC−Dの断面構造に相当する。
以下、電源線及び容量配線として機能する第4の導電層を電源線162a、ソース配線として機能する第4の導電層をソース配線167、ソース電極又はドレイン電極として機能する第4の導電層をドレイン電極163、169、ゲート配線として機能する第5の導電層をゲート配線173、ゲート電極として機能する第2の導電層をゲート電極121、122a、及び画素電極として機能する第6の導電層を画素電極175と示す。
図3(A)に示すように、駆動用のTFT191のゲート電極121、及びスイッチング用のTFT192のゲート電極122a上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上に、ソース配線167、駆動用のTFT191のドレイン電極163、電源線162a、及び第4の半導体領域166が形成される。
また、ソース配線167、駆動用のTFT191のドレイン電極163、電源線162a、第4の半導体領域166、及び第1の絶縁膜123すべての上に第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172が形成され、第3の絶縁膜172上にスイッチング用のTFT192のゲート電極122aに接続するゲート配線173が形成される。即ち動用のTFT191の電源線162a、スイッチング用のTFTのソース配線167は、第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172を介してゲート配線173と交差している。
ゲート配線173及び第3の絶縁膜172全ての上に第4の絶縁膜174が形成され、第4の絶縁膜上に画素電極175が形成されている。即ち、第4の絶縁膜を介して、ゲート配線173と画素電極175が形成されている。画素電極175が形成される第4の絶縁膜174は、平坦化層で形成されているため、後に形成される発光物質を含む層の段切れを抑制することが可能であり、欠陥の少ない表示装置を形成することが可能である。
なお、電源線162a、第1の絶縁膜123、ゲート電極121で容量素子193を形成している。
図3(B)に示すように、スイッチング用のTFT192のゲート電極122a上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上には、第4の半導体領域168、ソース配線167、ドレイン電極169が形成されている。スイッチング用のTFT192のドレイン電極169は、第1の絶縁膜123を介して、駆動用のTFT191のゲート電極121に接続されている。また、駆動用のTFT191及びスイッチング用のTFT192は、第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172、第4の絶縁膜174を介して、画素電極175に覆われている。
(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態2と比較してゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図4を用いて説明する。
図4(A)は、駆動用のTFT191と、スイッチング用のTFT192のゲート配線との積層構造を示す図であり、図4(C)のA−Bの断面構造に相当する。
第1の絶縁膜123上には、実施の形態2と同様に、駆動用のTFT191のゲート電極121、及びスイッチング用のTFT192のゲート電極122aが形成され、それらの上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上に、ソース配線167、駆動用のTFT191のドレイン電極163、電源線162a、及び第4の半導体領域166が形成される。
また、本実施の形態では、ゲート配線1113が第1の絶縁膜123上に形成されている。
また、ソース配線167上に第2の絶縁膜1114が形成され、第2の絶縁膜1114上にゲート配線1113が形成される。即ち、ソース配線は、第2の絶縁膜1114を介してゲート配線1113と交差している。ここでは、第2の絶縁膜1114を液滴吐出法、又は印刷法で形成する。
本実施の形態では、ソース配線、容量配線と、ゲート配線とが交差する領域にのみ第2の絶縁膜1114を設けている。このため、実施の形態2と異なり、一部分にのみ形成しているため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
また、ソース配線167、駆動用のTFT191のドレイン電極163、電源線162a、第4の半導体領域166、第1の絶縁膜123、及びゲート配線1113上にはパッシベーション膜として機能する第3の絶縁膜1111が形成される。
また、第3の絶縁膜1111上に第4の絶縁膜1112が形成され、第4の絶縁膜1112を介して、ドレイン電極163に接続する画素電極175が形成されている。
図4(B)は、スイッチング用のTFT192と駆動用のTFT191との接続構造を示す図であり、図4(C)のC−Dの断面構造に相当する。
図4(B)に示すように、実施の形態2と同様に、スイッチング用のTFT192が形成されており、スイッチング用のTFT192のドレイン電極169は、第1の絶縁膜123を介して、駆動用のTFT191のゲート電極121に接続されている。また、駆動用のTFT191及びスイッチング用のTFT192は、第3の絶縁膜1111、第4の絶縁膜1112を介して、画素電極175に覆われている。
(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態2と比較してゲート配線の構造が異なるアクティブマトリクス基板について図5を用いて説明する。
図5(A)は、駆動用のTFT191と、スイッチング用のTFT192のゲート配線との積層構造を示す図であり、図5(C)のA−Bの断面構造に相当する。
図5(B)は、スイッチング用のTFT192と駆動用のTFT191との接続構造を示す図であり、図5(C)のC−Dの断面構造に相当する。
本実施の形態では、駆動用のTFT191、スイッチング用のTFT192、容量素子193の構造は、実施の形態2と同様である。なお、図5(C)に示すように、ゲート配線1123a、1123bは、画素ごとに形成されており、隣り合う画素に設けられたゲート電極122a、122bに接続されている。このため、ゲート配線1123a、1123bの材料は、特に低抵抗材料である必要はなく、材料の選択の幅が広がる。
また、ゲート配線1123a、1123b及び第3の絶縁膜172全ての上に第4の絶縁膜174が形成され、第4の絶縁膜上に画素電極175が形成されてもよい。即ち、第4の絶縁膜を介して、ゲート配線1123a、1123b一部を画素電極175が覆って形成されても良い。
(実施の形態5)
本実施の形態では、実施の形態3と比較してゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図6を用いて説明する。
図6(A)は、駆動用のTFT191と、スイッチング用のTFT192のゲート配線との積層構造を示す図であり、図6(C)のA−Bの断面構造に相当する。
図6(B)は、スイッチング用のTFT192と駆動用のTFT191との接続構造を示す図であり、図6(C)のC−Dの断面構造に相当する。
本実施の形態では、駆動用のTFT191、スイッチング用のTFT192、容量素子193の構造は、実施の形態3と同様である。なお、図6(C)に示すように、実施の形態4と同様に、ゲート配線1133a、1133bは、画素ごとに形成されており、隣り合う画素に設けられたゲート電極122a、122bに接続されている。このため、ゲート配線1133a、1133bの材料は、特に低抵抗材料である必要はなく、材料の選択の幅が広がる。
また、ソース配線167とゲート配線1133a、1133bとが交差する領域にのみ第2の絶縁膜1137を設けている。このため、ゲート配線1133a、1133bは、第2の絶縁膜1137及び第1の絶縁膜123上に形成されている。
本実施の形態では、実施の形態2及び実施の形態4と異なり、一部分にのみ第2の絶縁膜1137を形成しているため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
また、駆動用のTFT191、スイッチング用のTFT192、容量素子193上には、パッシベーション膜として第3の絶縁膜1131が設けられ、第3の絶縁膜上に第4の絶縁膜1112が形成されている。また、駆動用のTFT191のドレイン電極163は、第3の絶縁膜1111、第4の絶縁膜1112を介して、画素電極175に覆われている。
また、駆動用のTFT191及びスイッチング用のTFT192は、第3の絶縁膜1111、第4の絶縁膜1112を介して、画素電極175に覆われている。
(実施の形態6)
本実施の形態では、実施の形態2乃至実施の形態5と比較して、ゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図7を用いて説明する。
図7(A)は、駆動用のTFT191と、スイッチング用のTFT192のゲート配線との積層構造を示す図であり、図7(C)のA−Bの断面構造に相当する。
図7(B)は、スイッチング用のTFT192と駆動用のTFT191との接続構造を示す図であり、図7(C)のC−Dの断面構造に相当する。
本実施の形態では、駆動用のTFT191、スイッチング用のTFT192、容量素子193の構造は、実施の形態2と同様である。
本実施の形態は、実施の形態2乃至実施の形態5と異なり、電源線162a、162b、ソース配線167、ドレイン電極163、169と同時に、ゲート配線1141a、1141bが形成されている。
具体的には、図7(A)に示すように、ゲート電極121、122a上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上に、ソース配線167、駆動用のTFT191のドレイン電極163、電源線162a、162bと共に、ゲート配線1141a、1141bが形成されている。また、第4の半導体領域166が形成される。
なお、ゲート配線1141a、1141bは、各画素に設けられており、ソース配線と交差していない。このためこれらの電極及び配線を液滴吐出法で形成する場合、同時に形成できるため、量産性を向上させることが可能である。
また、ソース配線167、駆動用のTFT191のドレイン電極163、電源線162a、162b、ゲート配線1141a、1141bすべての上に、第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172が形成され、第3の絶縁膜172上に、ゲート配線1141a、1141bと接続する導電層1143aが形成されている。即ち、電源線162a、162b及びソース配線167は、第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172を介してゲート配線1141a、1141b及び導電層1143a、1143bと交差している。
また、導電層1143a、1143b及び第3の絶縁膜172の全面上に第4の絶縁膜174が形成され、第4の絶縁膜上に画素電極175が形成されている。
(実施の形態7)
本実施の形態では、実施の形態6と比較してゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図8を用いて説明する。
図8(A)は、駆動用のTFT191と、スイッチング用のTFT192のゲート配線との積層構造を示す図であり、図8(C)のA−Bの断面構造に相当する。
図8(B)は、スイッチング用のTFT192と駆動用のTFT191との接続構造を示す図であり、図8(C)のC−Dの断面構造に相当する。
本実施の形態では、駆動用のTFT191、スイッチング用のTFT192、容量素子193の構造は、実施の形態3と同様である。
ここでは、実施の形態6と同様に、ゲート配線1141a、1141bと、ソース配線167、駆動用のTFT191のドレイン電極163、電源線162a、162bそれぞれとは、交差していない。このため液滴吐出法で形成する場合、同時に形成できるため、量産性を向上させることが可能である。また、画素ごとにゲート配線1141a、1141bが形成されており、隣り合う画素に設けられたゲート電極122a、122bに接続されている。このため、ゲート配線1141a、1141bの材料は、特に低抵抗材料である必要はなく、材料の選択の幅が広がる。
本実施の形態では、ソース配線167、電源線162bとゲート配線1141a、1141bとが交差する領域にのみ第2の絶縁層1154を設けている。このため、実施の形態2、実施の形態4、及び実施の形態6と異なり、一部分にのみ形成しているため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
また、ゲート配線1141a、1141bと第2の絶縁層1154上に、導電層1153a、1153bが形成されている。なお、導電層1153a、1153bは、ゲート配線1141a、1141bと接続している。
また、駆動用のTFT191、スイッチング用のTFT192、容量素子193上には、パッシベーション膜として第3の絶縁膜1131が設けられ、第3の絶縁膜上に第4の絶縁膜1112が形成されている。また、駆動用のTFT191のドレイン電極163は、第3の絶縁膜1111、第4の絶縁膜1112を介して、画素電極175が接続している。
また、駆動用のTFT191及びスイッチング用のTFT192は、第3の絶縁膜1111、第4の絶縁膜1112を介して、画素電極175に覆われている。
(実施の形態8)
本実施の形態では、ゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図9を用いて説明する。
図9(A)は、駆動用のTFT191と、スイッチング用のTFT192のゲート配線との積層構造を示す図であり、図9(C)のA−Bの断面構造に相当する。
図9(B)は、スイッチング用のTFT192と駆動用のTFT191との接続構造を示す図であり、図9(C)のC−Dの断面構造に相当する。
図9(A)に示すように、スイッチング用のTFT192のゲート電極122a上の第1の絶縁膜を除去した後、ゲート電極122a上に第2の絶縁膜1162bを形成する。このとき、ゲート電極122aの両端部が露出するように、第2の絶縁膜1162bを形成することが好ましい。
また、ゲート電極122a上の第2の絶縁膜1162bをエッチングする際、駆動用のTFT191、スイッチング用のTFT192、及び容量素子193が形成される領域以外のゲート絶縁膜を除去することが好ましい。具体的には、図9(C)の波線1166a、1166bで囲まれる領域のゲート絶縁膜のみ残しておき、波線1166a、1166bの外側のゲート絶縁膜をエッチングすることが好ましい。この工程により、各導電層の接触面積が増加し、接触抵抗を抑制することが可能であり、高速動作が可能なスイッチング用のTFT、駆動用のTFTを形成できる。
次に、第2の絶縁膜1162b上に電源線162a、162b、ソース配線167を形成すると同時に、ゲート電極122aに接するゲート配線1161a、1161bを形成する。このような構造により、ゲート電極とゲート配線との接触抵抗を抑制することが可能である。また、これらの電源線、ソース配線、ゲート配線は、交差していない。このため液滴吐出法で形成する場合、同時に形成できるため、量産性を向上させることが可能である。
なお、本実施の形態のようなゲート電極122aとゲート配線1161a、1161bとの接続構造を、実施の形態2乃至実施の形態7それぞれに適用することが可能である。
本実施の形態では、画素ごとに形成されたゲート配線1161a、1161bがゲート電極122a、122bを介して電気的に接続されている。また、ゲート電極122a上に形成された第2の絶縁膜1162bを介して、ゲート配線とソース配線とが交差している。
本実施の形態では、ソース配線及び電源線と、ゲート配線とが交差する領域にのみ第2の絶縁膜1162bを設けている。このため、一部分にのみ形成しているため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
(実施の形態9)
本実施の形態においては、液晶素子を駆動する素子として結晶性半導体膜を有する逆スタガ型のTFTを用いるアクティブマトリクス基板の作製工程について、図10〜図12及び図26を用いて説明する。
図10(A)に示すように、実施の形態1と同様に基板101上に第1の導電層102を形成し、第1の導電層上に感光性材料103、104を塗布又は吐出し乾燥焼成する。次に、感光性材料103、104にレーザ光105、106を照射して、図10(B)に示すような第1のマスク111、112を形成する。ここでは、感光性材料103、104にレーザ光105、106を照射する手段としてレーザビーム直接描画装置を用いる。
次に、図10(C)に示すように、実施の形態1と同様に第1のマスクを用いて、第1の導電層102をエッチングして、第2の導電層121a、122aを形成する。第2の導電層121aは、ゲート電極として機能し、第2の導電層122aは、ゲート電極においてゲート配線と接続する領域(以下、ゲート電極の接続部と示す。)である。なお、図10(C)においては、第2の導電層121a、122aは分断された状態で表示されているが、実際には図12(C)に示すように、接続された同一の領域である。
次に、実施の形態1と同様に第1のマスクを除去した後、膜厚10〜200nm、好ましくは50〜100nmの第1の絶縁膜123を形成し、第1の絶縁膜上に膜厚50〜250nmの第1の半導体膜124を形成し、第1の半導体膜上に触媒元素を有する層125を形成する。
次に、実施の形態1と同様に、第1の半導体膜を加熱して、図10(D)に示すように、第1の結晶性半導体膜131を形成する。この場合、結晶化は半導体の結晶化を助長する金属元素が接した半導体膜の部分でシリサイドが形成され、それを核として結晶化が進行する。ここでは、脱水素化のための熱処理(400〜550℃、0.5〜2時間)の後、結晶化のための熱処理(550℃〜650℃で1〜24時間)を行う。また、RTA、GRTAにより結晶化を行っても良い。ここで、レーザ光照射を行わず結晶化することで、結晶性のばらつきを低減することが可能であり、後に形成されるTFTのばらつきを抑制することが可能である。また、結晶表面で突起上に結晶成長するリッジ(凸凹部)が形成されにくいため、半導体領域表面が比較的平坦であり、ゲート絶縁膜と介してゲート電極との間に流れるリーク電流を抑制することが可能である。
次に、実施の形態1と同様にTFTのチャネル領域となる領域に3族元素(13族元素、以下、アクセプタ型元素と示す。)、または5族元素(15族元素、以下、ドナー型元素と示す。)を低濃度に添加するチャネルドープ工程を全面または選択的に行う。このチャネルドープ工程は、TFTしきい値電圧を制御するための工程である。
次に、実施の形態1と同様に、第1の結晶性半導体膜131上に、ドナー型元素が含まれる膜厚80〜250nmの第2の半導体膜132を形成する。珪化物気体にリン、ヒ素のようなドナー型元素を有する気体を加えたプラズマCVD法で成膜する。このような手法により第2の半導体膜を形成することで、第1の結晶性半導体膜と第2の半導体膜との界面が形成される。また、ドナー型元素が含まれる第2の半導体膜132としては、第1の半導体膜と同様の半導体膜を形成した後、ドナー型元素をイオンドープ法又はイオン注入法により添加して形成することができる。このときの、第2の半導体膜132では、リンの濃度が1×1019〜3×1021/cm3であることが好ましい。
さらには、上記プラズマCVD法、又はイオンドープ法、イオン注入法を用いて、第1の結晶性半導体膜131に接する側に、低濃度領域(以下、n-領域と示す。)、その上に高濃度領域(以下、n+領域と示す。)の積層構造としても良い。このとき、n-領域のドナー型元素の濃度は、1×1017〜3×1019/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3とし、n+領域のドナー型元素の濃度は、n-領域のドナー型元素の10〜100倍とする。また、n-領域の膜厚は50〜200nmであり、n+領域の膜厚は30〜100nm好ましくは40〜60nmである。ここでは、第2の半導体膜132として、波線より第1の結晶性半導体膜131側の領域をn-領域とし、その表面にn+領域を示す。
このときのドナー型元素が含まれる第2の半導体膜の不純物のプロファイルは実施の形態1で示した図26と同様である。
なお、ドナー型元素が含まれる第2の半導体膜132は、希ガス元素、代表的にはアルゴンが添加されることにより、結晶格子の歪が形成され、後に行われるゲッタリング工程で、より触媒元素をゲッタリングすることが可能である。
次に、実施の形態1と同様に、第1の結晶性半導体膜131及び第2の半導体膜132を加熱して、図10(E)の矢印で示すように、第1の結晶性半導体膜131に含まれる触媒元素を第2の半導体膜132に移動させて、触媒元素をゲッタリングする。この工程により、第1の結晶性半導体膜中の触媒元素がデバイス特性に影響を与えない濃度、即ち膜中のニッケル濃度が1×1018/cm3以下、望ましくは1×1017/cm3以下とすることができる。このような膜を第2の結晶性半導体膜141と示す。また、ゲッタリング後の触媒元素が移動した第2の半導体膜も同様に結晶化されているため、第3の結晶性半導体膜142と示す。なお、本実施の形態においては、ゲッタリング工程と共に、第3の結晶性半導体膜142中のドナー型元素の活性化を行っている。
次に、実施の形態1と同様に、図11(A)に示すように、第3の結晶性半導体膜142上に第2のマスク143を形成し、該第2のマスクを用いて第3の結晶性半導体膜142及び第2の結晶性半導体膜141をエッチングして、図11(B)に示すような第1の半導体領域152及び第2の半導体領域151を形成する。
次に、第2のマスクを除去した後、実施の形態1と同様に、図11(C)に示すように、膜厚500〜1500nm、好ましくは500〜1000nmの第3の導電層153を成膜する。次に、第3の導電層上に感光性材料154を塗布又は吐出し、レーザビーム直接描画装置を用いてレーザ光155を感光性材料154に照射し露光した後、現像して、図11(D)に示すような第3のマスク161を形成する。ここでは、感光性材料154として、ポジ型感光性材料を用いる。
次に、実施の形態1と同様に、第3のマスク161を用いて第3の導電層153を所望の形状にエッチングして、第4の導電層162a、163を形成する。第4の導電層162a、163は、ソース電極及びドレイン電極として機能する。このとき、第3の導電層を分断して、ソース電極及びドレイン電極を形成すると共に、ソース配線又はドレイン配線の幅が細くなるようにエッチングすることで、後に形成される液晶表示装置の開口率を高めることが可能である。
次に、実施の形態1と同様に、第3のマスク161を用いて、第1の半導体領域152の露出部をエッチングして、ソース領域及びドレイン領域として機能する第3の半導体領域164、165を形成する。このとき、第2の半導体領域151の一部がオーバーエッチングされても良い。このときのオーバーエッチングされた第2の半導体領域を第4の半導体領域166と示す。第4の半導体領域166はチャネル形成領域として機能する。
次に、第3のマスクを除去した後、図11(E)に示すように、第4の導電層162、163及び第4の半導体領域166表面上に、パッシベーション膜として機能する膜厚100〜300nmの第2の絶縁膜171を成膜することが好ましい。
この後、第4の半導体領域を水素雰囲気又は窒素雰囲気で加熱して水素化することが好ましい。なお、窒素雰囲気で加熱する場合は、第3の絶縁膜に水素を含む絶縁膜を形成することが好ましい。
以上の工程により、結晶性半導体膜を有する逆スタガ型のTFTを形成することができる。
次に、実施の形態1と同様に、第2の絶縁膜171上に、膜厚500〜1500nmの第3の絶縁膜172を形成する。
次に、実施の形態1と同様に、第3の絶縁膜172上に第4のマスク(図示しない。)を形成した後、第3の絶縁膜172及び第2の絶縁膜171の一部をエッチングして、ゲート電極の接続部122aを露出する。次に、第4のマスクを除去した後、ゲート配線として機能する膜厚500〜1500nm、好ましくは500〜1000nmの第5の導電層173を形成する。
次に、第5の導電層173及び第3の絶縁膜172上に第4の絶縁膜174を形成する。第4の絶縁膜174としては、第3の絶縁膜172と同様の材料を適宜用いることが可能である。また、反射型液晶表示装置又は半透過型液晶表示装置を形成する場合、第4の絶縁膜は凹凸を有することで、光をより外部に反射することが可能となる。この場合、第3の絶縁膜を液滴吐出法、印刷法等を用いることで、凹凸を有する絶縁層を形成することが可能である。
次に、第4の絶縁膜174上に第5のマスク(図示しない。)を形成した後、第4の絶縁膜174、第3の絶縁膜172及び第2の絶縁膜171の一部をエッチングして、第4の導電層163の一部を露出する。次に、第5のマスクを除去した後、画素電極として機能する膜厚100〜200nmの第6の導電層175を形成する。第5のマスクは、第2のマスク143と同様の手法及び材料を適宜用いることが可能である。第6の導電層175の代表的な材料としては、透光性を有する導電膜、又は反射性を有する導電膜がある。透光性を有する導電膜の材料としては、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、ガリウムを添加した酸化亜鉛(GZO)、酸化珪素を含む酸化インジウムスズ等が挙げられる。また、反射性を有する導電膜の材料としては、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、銀(Ag)、タンタル(Ta)などの金属、又は該金属と化学量論的組成比以下の濃度で窒素を含む金属材料、若しくは該金属の窒化物である窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、若しくは1〜20%のニッケルを含むアルミニウムなどが挙げられる。さらには、半透過型液晶表示装置の場合、第6の導電層を透光性を有する導電膜と、反射性を有する導電膜とで形成すれば良い。
第6の導電層175の形成方法としては、液滴吐出法、スパッタリング法、蒸着法、CVD法、塗布法等を適宜用いる。液滴吐出法を用いることで、選択的に第6の導電層を形成することが可能である。また、スパッタリング法、蒸着法、CVD法、塗布法等を用いた場合、第2の導電層と同様にマスクを形成した後、該マスクを用いて導電膜をエッチングして第6の導電層を形成する。
なお、ここでは第5の導電層173としてはゲート配線として機能する導電層を形成し、第6の導電層175としては画素電極として機能する導電層を形成したが、これに限定されない。画素電極として機能する導電層を形成した後、ゲート配線として機能する導電層を形成してもよい。
以上の工程により、アクティブマトリクス基板を形成することが可能である。
本実施の形態で形成される逆スタガ型のTFTは、ゲート電極に耐熱性の高い材料を用いており、また活性化工程、ゲッタリング工程、結晶化工程等の加熱処理を行った後、低抵抗材料を用いてソース配線、ゲート配線等の配線を形成している。このため、結晶性を有し、不純物金属元素が少なく、配線抵抗の低いTFTを形成することが可能である。また、本発明の液晶表示装置は、絶縁膜上に画素電極を形成することが可能であり、開口率を増加させることが可能である。
このため、結晶性半導体膜で形成されるため非晶質半導体膜で形成される逆スタガ型のTFTと比較して移動度が高い。また、ソース領域及びドレイン領域には、ドナー型元素に加え、触媒元素をも含む。このため、半導体領域との接触抵抗の低いソース領域及びドレイン領域が形成できる。この結果、高速動作が必要な半導体装置を作製することが可能である。
また、非晶質半導体膜で形成されるTFTと比較して、しきい値のずれが生じにくく、TFT特性のバラツキを低減することが可能である。このため、非晶質半導体膜で形成されるTFTをスイッチング素子として用いた液晶表示装置と比較して、表示ムラを低減することが可能であり、信頼性の高い半導体装置を作製することが可能である。
更には、ゲッタリング工程により、成膜段階で半導体膜中に混入する金属元素をもゲッタリングするため、オフ電流を低減することが可能である。このようなTFTを液晶表示装置のスイッチング素子に設けることにより、コントラストを向上させることが可能である。
また、本実施の形態では、このため、基板全面に薄膜を成膜せずとも、液滴吐出法を用いて所定の場所に薄膜原料やレジストを吐出すればよく、フォトマスクを用いずとも、TFTを形成することができる。このため、スループットや歩留まりを向上させると共に、コストダウンを図ることが可能となる。
(実施の形態10)
本実施の形態では、実施の形態9で示したアクティブマトリクス基板のソース配線、ゲート配線、及び画素電極の積層の構造について、図12を用いて説明する。
図12(A)は、本実施の形態における逆スタガ型のTFTと、ゲート配線として機能する第5の導電層との積層構造を示す図であり、図11(E)の断面構造及び図12(C)のA−Bの断面構造に相当する。
図12(B)は、ソース配線として機能する第4の導電層、ゲート配線として機能する第5の導電層、ゲート電極の接続部として機能する第2の導電層、及び画素電極として機能のする第6の導電層の積層構造を示す図であり、図12(C)のC−Dの断面構造に相当する。以下、ソース配線として機能する第4の導電層をソース配線162a、162b、ゲート配線として機能する第5の導電層をゲート配線173a、173b、ゲート電極の接続部として機能する第2の導電層をゲート電極の接続部122a、122b、及び画素電極として機能する第6の導電層を画素電極175と示す。
図12(B)に示すように、ゲート電極の接続部122b上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上に、容量配線180、ソース配線162b、ドレイン電極163が形成される。また、容量配線180、ソース配線162b、ドレイン電極163、第1の絶縁膜123すべての上に第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172が形成され、第3の絶縁膜172上にゲート配線173が形成される。即ち、ソース配線、ドレイン電極は、第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172を介してゲート配線173と交差している。
図12(B)に示すように、ゲート配線173及び第3の絶縁膜172全ての上に第4の絶縁膜174が形成され、第4の絶縁膜上に画素電極175が形成されている。即ち、第4の絶縁膜を介して、ゲート配線173の一部を画素電極175が覆っている。画素電極175が形成される第4の絶縁膜174は、平坦化層で形成されているため、後に画素電極間に充填される液晶材料の配向の乱れを抑制することが可能であり、液晶表示装置のコントラストを向上させることが可能である。
なお、ここでは、第4の絶縁膜174を、ゲート配線173及び第3の絶縁膜172全ての上に形成したが、ゲート配線173及びその周辺の第3の絶縁膜172のみを覆うように設けてもよい。この場合、液滴吐出法や印刷法で部分的に第4の絶縁膜を形成する。この構造の場合、部分的に第4の絶縁膜を形成するため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
また、本実施の形態では、図12(C)のE−Fで示すように、ソース配線上に画素電極の端部が形成されている。このため、透過型液晶表示装置の場合、画素電極端部で液晶材料の配向乱れが生じたとしても、その領域をソース配線が覆っているため、表示ムラを低減することが可能である。
(実施の形態11)
本実施の形態では、ゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図13を用いて説明する。
図13(A)は、本実施の形態における逆スタガ型のTFTとゲート配線との積層構造を示す図であり、図13(C)のA−Bの断面構造に相当する。第1の絶縁膜123上には、第4の半導体領域、ソース配線162a、ドレイン電極として機能する第4の導電層(以下、ドレイン電極と示す。)163、画素電極1132、ゲート配線1113が形成される。ドレイン電極163と画素電極1132は絶縁膜を介さないで接続されている。また、ゲート電極の接続部122aとゲート配線1113とは、第1の絶縁膜123を介して接続されている。また、ソース配線162a、ドレイン電極163、画素電極1132、第1の絶縁膜123、及びゲート配線1113上にはパッシベーション膜として機能する絶縁膜1114が形成される。
図13(B)は、ソース配線162b、ゲート配線1113、ゲート電極の接続部122b、及び画素電極1132の積層構造を示す図であり、図13(C)のC−Dの断面構造に相当する。
図13(B)に示すように、ゲート電極の接続部122b上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上に、容量配線180、ソース配線162b、ドレイン電極163、ドレイン電極163に接続する画素電極1132が形成される。また、容量配線180、ソース配線162b、及び第1の絶縁膜123の一部上に第2の絶縁膜1111が形成され、第2の絶縁膜1111上にゲート配線1113が形成される。即ち、ソース配線、ドレイン電極は、第2の絶縁膜1111を介してゲート配線1113と交差している。ここでは、第2の絶縁膜1111を液滴吐出法、又は印刷法で形成する。
本実施の形態では、ソース配線、容量配線と、ゲート配線とが交差する領域にのみ第2の絶縁膜1111を設けている。このため、実施の形態10と異なり、一部分にのみ形成しているため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
また、ゲート配線1113と画素電極1132とが重なる領域に第3の絶縁膜を液滴吐出法又は印刷法で形成してもよい。この場合、画素電極が形成する領域を拡大することが可能であり、開口率を増加させることが可能である。
(実施の形態12)
本実施の形態では、ゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図14を用いて説明する。
図14(A)は、本実施の形態における逆スタガ型のTFTとゲート配線との積層構造を示す図であり、及び図14(C)のA−Bの断面構造に相当する。
図14(B)は、ソース配線162b、ゲート配線1121b、ゲート電極の接続部122b、及び画素電極1122の積層構造を示す図であり、図14(C)のC−Dの断面構造に相当する。
図14(B)に示すように、ゲート電極の接続部122a、122b上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上に、容量配線180、ソース配線162b、ドレイン電極163が形成される。また、容量配線180、ソース配線162b、ドレイン電極163、及び第1の絶縁膜123すべての上に第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172が形成され、第3の絶縁膜172上にゲート配線1121bが形成される。即ち、ソース配線162b、及び容量配線180は、第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172を介してゲート配線1121a、1121bと交差している。
なお、ここでは、図14(C)に示すように、ゲート配線1121bは、画素ごとに形成されており、隣り合う画素に設けられたゲート電極の接続部122a、122bに接続されている。このため、ゲート配線1121bの材料は、特に低抵抗材料である必要はなく、材料の選択の幅が広がる。
また、第3の絶縁膜172全ての上に第4の絶縁膜174が形成され、第4の絶縁膜上に画素電極1122が形成されている。即ち、第4の絶縁膜を介して、ゲート配線1121bの一部を画素電極175が覆っている。画素電極175が形成される第4の絶縁膜174は、平坦化層で形成されているため、後に画素電極間に充填される液晶材料の配向の乱れを抑制することが可能であり、液晶表示装置のコントラストを向上させることが可能である。
なお、ここでは、第4の絶縁膜174を、ゲート配線1121b及び第3の絶縁膜172全ての上に形成したが、ゲート配線1121b及びその周辺の第3の絶縁膜172のみを覆うように設けてもよい。この場合、液滴吐出法や印刷法で部分的に第4の絶縁膜を形成する。この構造の場合、部分的に第4の絶縁膜を形成するため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
(実施の形態13)
本実施の形態では、ゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図15を用いて説明する。
図15(A)は、本実施の形態における逆スタガ型のTFTとゲート配線との積層構造を示す図であり、図15(C)のA−Bの断面構造に相当する。第1の絶縁膜123上には、第4の半導体領域、ドレイン電極163、画素電極1132、ゲート配線1133aが形成される。ドレイン電極163と画素電極1132は絶縁膜を介さないで接続されている。
図15(B)は、ソース配線162b、ゲート配線1133b、ゲート電極の接続部122b、及び画素電極1132の積層構造を示す図であり、図15(C)のC−Dの断面構造に相当する。
図15(B)に示すように、ゲート電極の接続部122b上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上に、容量配線180、ソース配線162b、ドレイン電極163、ドレイン電極163に接続する画素電極1132が形成される。また、容量配線180、ソース配線162b及び第1の絶縁膜123の一部上に第2の絶縁膜1131が形成され、第2の絶縁膜1131上にゲート配線1133bが形成される。即ち、ソース配線162a、容量配線180は、第2の絶縁膜1131を介してゲート配線1133bと交差している。ここでは、第2の絶縁膜1131を液滴吐出法、又は印刷法で形成する。
本実施の形態では、ソース配線、容量配線と、ゲート配線とが交差する領域にのみ第2の絶縁膜1131を設けている。このため、実施の形態12と異なり、一部分にのみ形成しているため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
また、ゲート配線1133bと画素電極1132とが重なる領域に第3の絶縁膜を液滴吐出法又は印刷法で形成してよい。この場合、画素電極が形成する領域を拡大することが可能であり、開口率を増加させることが可能である。
(実施の形態14)
本実施の形態では、ゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図16を用いて説明する。
図16(A)は、本実施の形態における逆スタガ型のTFTとゲート配線として機能する第5の導電層との積層構造を示す図であり、図16(C)のA−Bの断面構造に相当する。
図16(B)は、ソース配線1148b、ゲート配線1145a、1145b、ゲート電極の接続部122b、及び画素電極1142の積層構造を示す図であり、図16(C)のC−Dの断面構造に相当する。
図16(B)に示すように、ゲート電極の接続部122a、122b上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上に、容量配線1144、ソース配線1148b、ドレイン電極1147、ゲート配線1145a、1145bが形成される。なお、ゲート配線1145a、1145bは、それぞれ第1の絶縁膜123を介してゲート電極の接続部122a、122bに接続されている。
また、図16(C)に示すように、ゲート配線1145a、1145bは、各画素にそれぞれ設けられている。ここでは、ゲート配線1145a、1145bとソース配線1148b、1148a、容量配線1144とはそれぞれは、交差していない。このためこれらの電極及び配線を液滴吐出法で形成する場合、同時に形成できるため、量産性を向上させることが可能である。
また、ゲート配線1145a、1145bとソース配線1148b、ドレイン電極1147、容量配線1144すべての上に第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172が形成され、第3の絶縁膜172上に導電層1146a、1146bが形成される。また、導電層1146a、1146bは、第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172を介して、それぞれゲート配線1145a、1145bと接続している。このため、各画素に設けられたゲート配線は、導電層1146a、1146bを介して電気的に接続している。また、ソース配線1148a、1148b、及び容量配線1144は、第2の絶縁膜171、第3の絶縁膜172を介してゲート配線1145a、1145b及び導電層1146a、1146bと交差している。
なお、ここでは、導電層1146a、1146bは、画素ごとに形成されており、隣り合う画素に設けられたゲート電極の接続部122a、122bに接続されている。このため、導電層1146a、1146bの材料の選択の幅が広がる。
また、及び第3の絶縁膜172全ての上に第4の絶縁膜174が形成され、第4の絶縁膜上に画素電極1142が形成されている。即ち、第4の絶縁膜を介して、導電層1146bの一部を画素電極1142が覆っている。画素電極175が形成される第4の絶縁膜174は、平坦化層で形成されているため、後に画素電極間に充填される液晶材料の配向の乱れを抑制することが可能であり、液晶表示装置のコントラストを向上させることが可能である。
なお、ここでは、第4の絶縁膜174を、導電層1146a、1146b及び第3の絶縁膜172全ての上に形成したが、ゲート配線1121b及びその周辺の第4の絶縁膜174を覆うように設けてもよい。
(実施の形態15)
本実施の形態では、ゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図17を用いて説明する。
図17(A)は、本実施の形態における逆スタガ型のTFTとゲート配線との積層構造を示す図であり、図17(C)のA−Bの断面構造に相当する。第1の絶縁膜123上には、ソース配線1150a、第4の半導体領域、ドレイン電極1157、画素電極1152、ゲート配線1155aが形成される。ドレイン電極163と画素電極1132は絶縁膜を介さないで接続されている。
図17(B)は、ソース配線1153b、ゲート配線1155a、1155b、ゲート電極の接続部122b、及び画素電極1152の積層構造を示す図であり、図17(C)のC−Dの断面構造に相当する。
図17(B)に示すように、ゲート電極の接続部122b上に第1の絶縁膜123が形成され、第1の絶縁膜123上に、容量配線1158、ソース配線1150b、ドレイン電極1158a、ドレイン電極1158aに接続する画素電極1152、ゲート配線1155a、1155bが形成される。また、容量配線1158、ソース配線1150b、及び第1の絶縁膜123の一部上に第2の絶縁膜1151が形成され、第2の絶縁膜1151上に導電層1156bが形成される。ゲート配線1155a、1155bは、各画素にそれぞれ設けられている。ここでは、ゲート配線1155a、1155bとソース配線1153b、及び容量配線1158それぞれは、交差していない。このため液滴吐出法で形成する場合、同時に形成できるため、量産性を向上させることが可能である。
また、導電層1156a、1156bは、第2の絶縁膜1151を介して、それぞれゲート配線1155a、1155bと接続している。このため、各画素に設けられたゲート配線は、導電層1156a、1156bを介して電気的に接続している。また、ソース配線、ドレイン電極は、第2の絶縁膜1151を介してゲート配線1155a、1155b及び導電層1156a、1156bと交差している。
本実施の形態では、ソース配線、容量配線と、ゲート配線とが交差する領域にのみ第2の絶縁膜1151を設けている。このため、実施の形態14と異なり、一部分にのみ形成しているため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
また、導電層1156bと画素電極1152とが重なる領域に第3の絶縁膜を液滴吐出法又は印刷法で形成してよい。この場合、画素電極が形成する領域を拡大することが可能であり、開口率を増加させることが可能である。
(実施の形態16)
本実施の形態では、ゲート配線とソース配線の積層構造の異なるアクティブマトリクス基板について図18を用いて説明する。
図18(A)は、本実施の形態における逆スタガ型のTFTとゲート配線との積層構造を示す図であり、図18(C)のA−Bの断面構造に相当する。第1の絶縁膜123上には、第4の半導体領域166、ドレイン電極1157、画素電極1152が形成される。ドレイン電極1157と画素電極1152は絶縁膜を介さないで接続されている。また、ゲート電極の接続部122a上の第1の絶縁膜は除去されており、その上にゲート配線1165aが形成されている。このような構造により、ゲート電極の接続部とゲート配線との接触抵抗を抑制することが可能である。また、本実施の形態のようなゲート電極の接続部122aとゲート配線1165との接続構造を、実施の形態10乃至実施の形態15それぞれに適用することが可能である。
図18(B)は、ソース配線1163b、ゲート配線1165a、1165b、導電層123b、及び画素電極1152の積層構造を示す図であり、図18(C)のC−Dの断面構造に相当する。
図18(B)に示すように、ゲート電極121a、ゲート電極の接続部122aと同様の工程で形成された導電層123bが基板表面には、形成されている。また、ゲート電極の接続部122a表面の第1の絶縁膜を除去するときに、導電層123bの表面上の第1の絶縁膜を除去する。この後、導電層123b上に第2の絶縁膜1161を形成する。このとき、導電層123bの両端部が露出するように、第2の絶縁膜1161を形成することが好ましい。
次に、第1の絶縁膜上にドレイン電極を形成すると同時に、導電層123a、123b上にゲート配線1165a、1165bを形成し、また同時に第2の絶縁膜1161上にソース配線1163b、容量配線1164を形成する。ここでは、これらの導電層は、交差していない。このため液滴吐出法で形成する場合、同時に形成できるため、量産性を向上させることが可能である。
また、本実施の形態では、画素ごとに形成されたゲート配線1165a、1165bが導電層123a、123bを介して電気的に接続されている。また、導電層123b上に形成された第2の絶縁膜1161を介して、ゲート配線1165a、1165bとソース配線1163a、1163bとが交差している。
本実施の形態では、ソース配線1163a、1163b、容量配線1164と、ゲート配線とが交差する領域にのみ第2の絶縁膜1161を設けている。このため、一部分にのみ形成しているため、原材料を削減することが可能であり、低コスト化が可能である。
また、ゲート配線1165a、1165b、容量配線1164、及びソース配線1163a、1163bと画素電極1152とが重なる領域に、第3の絶縁膜を液滴吐出法又は印刷法で形成してよい。この場合、画素電極を形成する領域を拡大することが可能であり、開口率を増加させることが可能である。
(実施の形態17)
本実施の形態では、ドナー型元素を有する半導体膜の代わりに、希ガス元素を有する半導体膜を用いて触媒元素をゲッタリングしてTFTを形成する工程について、図19を用いて説明する。
図19(A)及び図19(B)に示すように、実施の形態1と同様の工程により第1の結晶性半導体膜131を形成する。なお、この後チャネルドープ工程を行っても良い。次いで、第1の結晶性半導体膜表面に膜厚1〜5nmの酸化膜を形成してもよい。ここでは、結晶性半導体膜の表面にオゾン水を塗布して酸化膜を形成する。
次に、第1の結晶性半導体膜131上にPVD法、CVD法等の公知の手法により希ガス元素を有する第2の半導体膜232を形成する。第2の半導体膜232としては、非晶質半導体膜であることが好ましい。
次に、第1の結晶性半導体膜131及び第2の半導体膜232を実施の形態1と同様の手法により加熱して、図19(C)の矢印で示すように、第1の結晶性半導体膜131に含まれる触媒元素を第2の半導体膜232に移動させて、触媒元素をゲッタリングする。この工程により、実施の形態1と同様に第1の結晶性半導体膜中の触媒元素がデバイス特性に影響を与えない濃度、即ち膜中の触媒元素濃度が1×1018/cm3以下、望ましくは1×1017/cm3以下とすることができる。このような膜を第2の結晶性半導体膜241と示す。また、ゲッタリング後の触媒元素が移動した第2の半導体膜も同様に結晶化されているため、第3の結晶性半導体膜242と示す。
次に、図19(D)に示すように、第3の結晶性半導体膜242を除去した後、導電性を有する第2の半導体膜243を成膜する。ここで、第2の半導体膜としては、珪化物気体にボロン、リン、ヒ素のような13属又は15属の元素を有する気体を加えたプラズマCVD法で成膜する。なお、第2の半導体膜は、非晶質半導体、SAS、結晶性半導体、μcから選ばれたいずれかの状態を有する膜で形成すればよい。なお、第2の半導体膜が導電性を有する非晶質半導体膜、SAS、又はμcのいずれかである場合は、この後、不純物を活性化する加熱処理を行う。一方、第2の半導体膜が導電性を有する結晶性半導体である場合、加熱処理は行わなくとも良い。ここでは、プラズマCVD法により、膜厚100nmのリンが含まれる非晶質珪素膜を成膜した後、550度1時間で加熱して、不純物を活性化する。
次に、図19(E)に示すように、実施の形態1と同様の工程により第1の半導体領域252、第2の半導体領域251、第3の導電層153を形成する。次に、感光性材料254を塗布した後、感光性材料の一部にレーザ光255を照射して、図19(F)に示すようなマスク260を形成する。
次に、図19(F)に示すように、マスクを用いて第3の導電層153をエッチングして、ソース電極及びドレイン電極として機能する第4の導電層162、163を形成する。また、実施の形態1と同様の工程により、第1の半導体領域をエッチングしてソース領域及びドレイン領域として機能する第3の半導体領域262、及びチャネル形成領域として機能する第4の半導体領域261を形成することができる。
この後、実施の形態1と同様の工程により、逆スタガ型のTFT及びアクティブマトリクス基板を形成することができる。本実施の形態で形成されるTFTを用いることにより実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態1乃至実施の形態16のいずれかにも、本実施の形態を適用することが可能である。
(実施の形態18)
本実施の形態では、nチャネル型のTFTとpチャネル型のTFTとを同一基板に形成する工程を図20を用いて形成する。
図20(A)に示すように、実施の形態1と同様に基板101上に第2の導電層301、302を形成し、第2の導電層上に第1の絶縁膜123を形成する。次に、実施の形態1と同様の工程により、第1の結晶性半導体膜、及びその上にドナー型元素が含まれる第2の半導体膜を形成する。次に、液滴吐出法、又はレジストを塗布した後レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像して形成されたマスクを用いて、第1の結晶性半導体膜を所望の形状にエッチングして、第1の半導体領域を形成し、第2の半導体膜を所望の形状にエッチングして、第2の半導体領域を形成する。
次に、第1の半導体領域及び第2の半導体領域を加熱して、図20(A)の矢印で示すように、第2の半導体領域に含まれる触媒元素を第1の半導体領域に移動させて、触媒元素をゲッタリングする。ここでは、ゲッタリング後の触媒元素が移動した第1の半導体領域を第3の半導体領域311、312と示し、金属元素濃度が低減された第2の半導体領域を第4の半導体領域313、314と示す。なお、第3の半導体領域及び第4の半導体領域は、それぞれゲッタリング工程の加熱により結晶性化されている。
本実施の形態では、各半導体領域を形成した後ゲッタリング工程を行ったが、実施の形態1のように、各半導体膜のゲッタリング工程を行った後、半導体膜を所望の形状にエッチングして、各半導体領域を形成しても良い。
次に、第3の半導体領域311、312及び第4の半導体領域313、314表面に酸化膜を形成した後、液滴吐出法、又はレジストを塗布した後レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像して、図20(B)に示すように、第1のマスク321、322を形成する。第1のマスク321は、後にnチャネル型のTFTとなる第3の半導体領域311、第4の半導体領域313の全部を覆っている。一方、マスク322は、後にpチャネル型のTFTとなる第3の半導体領域312の一部を覆っている。このとき、第1のマスク322は、後に形成されるpチャネル型のTFTのチャネル長よりも狭いことが好ましい。
次に、第3の半導体領域312の露出部に、アクセプタ型元素を添加し、p型不純物領域324を形成する。このとき第1のマスク322に覆われる領域は、n型不純物領域325として残存する。このとき、ドナー型元素を有する第3の半導体領域312の2〜10倍の濃度となるようにアクセプタ型元素を添加することにより、p型不純物領域を形成することができる。
図27に、p型不純物領域の不純物元素のプロファイルを示す。
図27(A)は、CVD法により、n-領域濃度及びn+領域濃度を有する第2の半導体膜を形成した後、アクセプタ型元素を添加したときの、各元素のプロファイルを示す。ドナー型元素のプロファイル150aは図26(A)と同様に、第1の濃度及び第2の濃度を示す。また、アクセプタ型元素のプロファイル603は、第2の半導体膜表面付近では、濃度が高く、第4の半導体領域314に近づくにつれ、濃度が減少している。n+領域に含まれるドナー型元素の2〜10倍の濃度のアクセプタ型元素を有する領域をp+領域602aと示し、n-領域のドナー型元素の2〜10倍の濃度のアクセプタ型元素を有する領域をp-領域602bと示す。
図27(B)は、非晶質半導体、SAS、微結晶半導体、及び結晶性半導体から選ばれたいずれかの状態を有する膜の半導体膜を形成し、イオンドープ法又はイオン注入法により該半導体膜にドナー型元素を添加して、n-領域濃度及びn+領域濃度を有する第2の半導体膜を形成した後、アクセプタ型元素を添加したときの、各元素のプロファイルを示す。ドナー型元素のプロファイル150bは図26(B)のドナー型元素のプロファイル150bと同様である。また、アクセプタ型元素のプロファイル613は、図27(A)のアクセプタ型元素のプロファイル603と同様である。n+領域に含まれるドナー型元素の2〜10倍の濃度のアクセプタ型元素を有する領域をp+領域612aと示し、n-領域のドナー型元素の2〜10倍の濃度のアクセプタ型元素を有する領域をp-領域612bと示す。
なお、ドナー型元素が含まれる第2の半導体膜132は、希ガス元素、代表的にはアルゴンが添加されることにより、結晶格子の歪が形成され、後に行われるゲッタリング工程で、より触媒元素をゲッタリングすることが可能である。
つぎに、図20(B)に示すように、第1のマスク321、322を除去した後、第3の半導体領域311、p型不純物領域324、及びn型不純物領域325を加熱して、不純物元素を活性化する。加熱の方法としては、LRTA、GRTA、ファーネスアニール等を適宜用いることができる。ここでは、550度で1時間加熱する。
次に、図20(C)に示すように、実施の形態1と同様に、第3の導電層331、332を形成する。次に、レジストを塗布した後、レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像してマスク333を形成して、図20(D)に示すように、ソース電極及びドレイン電極として機能する第4の導電層341、342、及びソース領域・ドレイン領域として機能する第5の半導体領域343、344を形成する。次に、マスク333を除去した後、第4の導電層341、342及び第5の半導体領域343、344表面上に、パッシベーション膜を成膜することが好ましい。
以上の工程により、同一基板上にnチャネル型のTFTとpチャネル型のTFTとを形成することができる。本実施の形態で形成されるTFTを用いることにより実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、単チャネル型のTFTで形成される駆動回路と比較して、低電圧駆動が可能なCMOSを形成することが可能である。更には、ドナー型元素(例えば、リン)と比較してアクセプタ型元素(例えば、ボロン)は原子半径が小さいため、比較的低い加速電圧及び濃度で、半導体膜中にアクセプタ型元素を添加することが可能である。本実施の形態では、アクセプタ型元素のみ半導体膜に添加しているため、従来のCOMS回路の作製工程と比較して、短時間で、かつ省エネルギー作製することが可能であり、この結果低コスト化が可能である。
また、実施の形態1乃至実施の形態16のいずれかにも、本実施の形態を適用することが可能である。
(実施の形態19)
本実施の形態では、実施の形態18と異なるゲッタリング工程により形成された結晶性半導体膜を有するnチャネル型のTFT及びpチャネル型の作製工程について、図21を用いて説明する。
実施の形態1に従って、基板101上に第2の導電層301、302を形成する。次に、実施の形態1に従って、図1(C)に示すような、触媒元素を有する第1の結晶性半導体膜を形成した後、第1の結晶性半導体膜表面に数nmの絶縁膜を形成する。次に、液滴吐出法、又はレジストを塗布した後レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像して第1のマスクを形成し、第1の結晶性半導体膜を所望の形状にエッチングして、第1の半導体領域401、402を形成する。
次に、図21(B)に示すように、第1の半導体領域401、402上に、液滴吐出法、又はレジストを塗布した後レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像して、第2のマスクを形成した後、第1の半導体領域の露出部にドナー型元素405を添加する。このとき、ドナー型元素が添加された領域をn型不純物領域406、407と示す。ここでは、イオンドーピング法によりリンを添加する。なお、第2のマスクに覆われた第1の半導体領域には、リンは添加されないが触媒元素は含まれている。
次に、第1の半導体領域を加熱して、図21(C)の矢印で示すように、第1の半導体領域に含まれる触媒元素を、n型不純物領域406、407に移動させて、触媒元素をゲッタリングする。ここでは、ゲッタリング後の触媒元素が移動した第1の半導体領域をソース領域及びドレイン領域413、414と示し、金属元素濃度が低減された第1の半導体領域をチャネル形成領域411、412と示す。なお、第3の半導体領域及び第4の半導体領域は、それぞれゲッタリング工程の加熱により結晶性化されており、また、ソース領域及びドレイン領域413、414中に含まれるドナー型元素は活性化されている。
次に、液滴吐出法、又はレジストを塗布した後レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像して、図21(D)に示すように、第3のマスク421、422を形成する。第3のマスク421は、後にnチャネル型のTFTとなるチャネル形成領域411、ソース領域及びドレイン領域413の全部を覆っている。一方、第3のマスク422は、後にpチャネル型のTFTとなるチャネル形成領域412の一部又は全部を覆っている。このとき、第3のマスク422は、後に形成されるpチャネル型のTFTのチャネル長よりも狭いことが好ましい。
次に、ソース領域及びドレイン領域414及びチャネル形成領域412の露出部に、アクセプタ型元素423を添加し、p型を呈するソース領域及びドレイン領域424を形成する。このとき、ソース領域及びドレイン領域414の2〜10倍の濃度となるようにアクセプタ型元素を添加することにより、p型ソース領域及びドレイン領域を形成することができる。
つぎに、第3のマスク421、422を除去した後、n型を呈するソース領域及びドレイン領域414及びp型を呈するソース領域及びドレイン領域424を加熱して、不純物元素を活性化する。加熱の方法としては、LRTA、GRTA、ファーネスアニール等を適宜用いることができる。ここでは、550度で1時間加熱する。
次に、図21(D)に示すように、実施の形態18と同様に、第4の導電層341、342を形成する。この後、チャネル形成領域411、412の一部をエッチングしてもよい。次に、第4の導電層341、342及びチャネル形成領域411、412の表面上に、パッシベーション膜を成膜することが好ましい。
以上の工程により、同一基板上にnチャネル型のTFTとpチャネル型のTFTとを形成することができる。本実施の形態で形成されるTFTを用いることにより実施の形態1と同様の効果を得ることができる。更には、実施の形態18と比較して、成膜工程が削減できるため、スループットを向上させることが可能である。
なお、実施の形態1乃至実施の形態16のいずれかにも、本実施の形態を適用することが可能である。
(実施の形態20)
本実施の形態においては、実施の形態17を用いてゲッタリング工程を行った結晶性半導体膜を用いてnチャネル型のTFTとpチャネル型のTFTとを同一基板に形成する工程を図22を用いて形成する。
実施の形態1の工程にしたがって、基板101上に第2の導電層301、302を形成する。次に、実施の形態8の工程にしたがって第1の結晶性半導体膜と、希ガス元素を有する第2の半導体膜を形成する。次に、第1の結晶性半導体膜及び第2の半導体膜を実施の形態1と同様の手法により加熱して、図22(A)の矢印で示すように、第1の結晶性半導体膜に含まれる触媒元素を第2の半導体膜に移動させて、触媒元素をゲッタリングする。触媒元素がゲッタリングされた第1の結晶性半導体膜を第2の結晶性半導体膜501と示す。また、ゲッタリング後の触媒元素が移動した第2の半導体膜も同様に結晶化されているため、第3の結晶性半導体膜502と示す。
次に、図22(B)に示すように、第3の結晶性半導体膜502をエッチングした後、第2の結晶性半導体膜501表面に数nmの絶縁膜を成膜する。次に、液滴吐出法又はレジストを塗布した後レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像して、第1のマスクを形成して第2の結晶性半導体膜をエッチングして第1の半導体領域511、512を形成する。次に、液滴吐出法、又はレジストを塗布した後レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像して、第2のマスク513、514を形成する。第2のマスク513は、後にnチャネル型のTFTのチャネル形成領域となる部分を覆っている。一方、第2のマスク514は、後にpチャネル型のTFTとなる第1の半導体領域512の全部を覆っている。次に、第1の半導体領域511の露出部にドナー型元素515を添加する。このとき、ドナー型元素が添加された領域をn型不純物領域516と示す。また、第2のマスク513に覆われた領域はチャネル形成領域517として機能する。
次に、第2のマスク513、514を除去した後、新たに、又はレジストを塗布した後レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像して、第3のマスク521、522を形成する。第3のマスク521は、後にpチャネル型のTFTのチャネル形成領域となる半導体領域及びn型不純物領域を有する第1の半導体領域511の全てを覆っている。
次に、第1の半導体領域512の露出部に、アクセプタ型元素523を添加し、p型不純物領域524を形成する。また、第3のマスク522に覆われた領域はチャネル形成領域525として機能する。つぎに、第3のマスク521、522を除去した後、n型不純物領域516及びp型不純物領域524を加熱して、不純物元素を活性化する。加熱の方法としては、LRTA、GRTA、ファーネスアニール等を適宜用いることができる。
次に、図22(D)に示すように、実施の形態18と同様に、第4の導電層341、342を形成する。この後、チャネル形成領域517、525の一部をエッチングしてもよい。次に、第4の導電層341、342及びチャネル形成領域517、525の表面上に、パッシベーション膜を成膜することが好ましい。
以上の工程により、同一基板上にnチャネル型のTFTとpチャネル型のTFTとを形成することができる。本実施の形態で形成されるTFTを用いることにより実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
なお、実施の形態1乃至実施の形態16のいずれかにも、本実施の形態を適用することが可能である。
(実施の形態21)
本実施の形態では実施の形態18の変形例であり、nチャネル型のTFTとpチャネル型のTFTとを同一基板に形成する工程を、図23を用いて形成する。
実施の形態18にしたがって、図23(A)に示すように、触媒元素及びドナー型元素を有する第3の半導体領域311、312及び第4の半導体領域313、314を形成する。次に、図23(B)に示すように、第1のマスク321を形成した後、第3の半導体領域312にアクセプタ型元素323を添加してp型不純物領域601を形成する。このとき、第3の半導体領域312の2〜10倍の濃度となるようにアクセプタ型元素を添加することにより、p型不純物領域を形成することができる。また、アクセプタ型元素としてボロンを用いた場合、分子半径が小さいため、第4の半導体領域より深いところまで添加される。このため、添加条件によっては、第4の半導体領域の上部にボロンが添加される場合がある。この後、第3の半導体領域311及びp型不純物領域601を加熱して、アクセプタ型元素及びドナー型元素を活性化する。なお、ここでは、第4の半導体領域314のまでアクセプタ元素を添加しないように、ドーピング条件を制御する。
次に、実施の形態18にしたがって第3の導電層331、332を形成する。次に、又はレジストを塗布した後レーザビーム直接描画装置を用いて露光し現像して形成したマスク333により、第3の導電層331、332、第3の半導体領域313及びp型不純物領域601の露出部をエッチングして、図23(D)に示すような、ソース電極・ドレイン電極として機能する第4の導電層341、342ソース領域及びドレイン領域として機能する第5の半導体領域343、621、及びチャネル形成領域として機能する第6の半導体領域345、622を形成することができる。この後、第4の導電層341、342及び第6の半導体領域345、622の表面上に、パッシベーション膜を成膜することが好ましい。
以上の工程により、同一基板上にnチャネル型のTFTとpチャネル型のTFTとを形成することができる。本実施の形態で形成されるTFTを用いることにより実施の形態1と同様の効果を得ることができる。更には、実施の形態3と同様に、アクセプタ型元素のみ半導体膜に添加しているため、従来のCOMS回路の作製工程と比較して、短時間で、かつ省エネルギー作製することが可能であり、この結果低コスト化が可能である。
なお、実施の形態1乃至実施の形態16のいずれかにも、本実施の形態を適用することが可能である。
(実施の形態22)
本実施の形態では、上記実施の形態において、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極との端部の位置関係、即ちゲート電極の幅とチャネル長の大きさの関係について、図24及び図25を用いて説明する。
図24(A)に示すTFTは、ゲート電極121a上をソース電極及びドレイン電極の端部がz1だけ重なっている。ここでは、ゲート電極121aと、ソース電極及びドレイン電極とが重なっている領域をオーバーラップ領域と呼ぶ。即ち、ゲート電極の幅y1がチャネル長x1よりも大きい。オーバーラップ領域の幅z1は、(y1−x1)/2で表される。このようなオーバーラップ領域を有するnチャネル型のTFTは、ソース電極及びドレイン電極と、半導体領域との間に、n+領域とn-領域とを有することが好ましい。この構造により、電界の緩和効果が大きくなり、ホットキャリア耐性を高めることが可能となる。
図24(B)に示すTFTは、ゲート電極121aの端部と、ソース電極及びドレイン電極の端部が一致している。即ち、ゲート電極の幅y2とチャネル長x2とが等しい。
図24(C)に示すTFTは、ゲート電極121aとソース電極及びドレイン電極の端部とがz3だけ離れている。ここでは、ここでは、ゲート電極121aと、ソース電極及びドレイン電極とが離れている領域をオフセット領域と呼ぶ。即ち、ゲート電極の幅y3がチャネル長x3よりも小さい。オフセット領域の幅z3は、(x3−y3)/2で表される。このような構造のTFTは、オフ電流を低減することができるため、該TFTを表示装置のスイッチング素子として用いた場合、コントラストを向上させることができる。
図25(A)に示すTFTは、ゲート電極の幅y4は、チャネル長x4よりも大きい。また、ゲート電極121aの第1の端部とソース電極又はドレイン電極の一方の端部とが一致し、ゲート電極121aの第2の端部とソース電極又はドレイン電極の他方の端部とがz4だけ重なっている。オーバーラップ領域の幅z4は、(y4−x4)で表される。
図25(B)に示すTFTは、ゲート電極の幅y5は、チャネル長x5よりも小さい。また、ゲート電極121aの第1の端部とソース電極又はドレイン電極の一方の端部とが一致し、ゲート電極121aの第2の端部とソース電極又はドレイン電極の他方の端部とがz5だけ離れている。オフセット領域の幅z5は、(x5−y5)で表される。ゲート電極121aの第1の端部と端部が一致する電極をソース電極とし、オフセット領域を有する電極をドレイン電極とすることで、ドレイン電極付近での電界緩和が可能となる。
さらには、半導体領域が複数のゲート電極を覆ういわゆるマルチゲート電極構造のTFTとしても良い。この様な構造のTFTも、オフ電流を低減することができる。
なお、実施の形態1乃至実施の形態21のいずれかにも、本実施の形態を適用することが可能である。
(実施の形態23)
上記実施の形態において、チャネル形成領域表面に対して垂直な端部を有するソース電極及びドレイン電極を示したが、この構造に限定されない。図28に示すように、チャネル形成領域表面に対してソース電極及びドレイン電極の端部の断面が90度より大きく、180度未満、好ましくは135〜145度を有する端部であってもよい。また、ソース電極の端部の断面とチャネル形成領域表面との角度をθ1、ドレイン電極の端部の断面とチャネル形成領域表面との角度をθ2とすると、θ1とθ2が等しくてもよい。また、異なっていてもよい。このような形状のソース電極及びドレイン電極は、ドライエッチング法により形成することが可能である。
また、図29に示すように、ソース電極とドレイン電極2149a、2149bの端部が湾曲面2150a、2150bを有していても良い。
なお、実施の形態1乃至実施の形態22のいずれかにも、本実施の形態を適用することが可能である。
(実施の形態24)
本実施の形態では、上記実施の形態に適用可能な半導体膜の結晶化工程を図30及び図31を用いて説明する。図30(A)に示すように半導体膜124上に絶縁膜で形成されるマスク2701を形成し、選択的に触媒元素層2705を形成して、半導体膜の結晶化を行っても良い。半導体膜を加熱すると、図30(B)の矢印で示すように、触媒元素層と半導体膜との接触部分から、基板の表面に平行な方向へ結晶成長が発生する。なお、触媒元素層2705から、かなり離れた部分では結晶化は行われず、非晶質部分が残存する。
また、図31(A)に示すように、マスクを用いず、液滴吐出法により選択的に触媒元素層2805を形成して、上記結晶化を行ってもよい。図31(B)は、図31(A)の上面図である。また、図31(D)は、図31(C)の上面図である。半導体膜の結晶化を行うと図31(C)及び図31(D)に示すように、触媒元素層と半導体膜との接触部分から、基板の表面に平行な方向へ結晶成長が発生する。ここでも、触媒元素層2805から、かなり離れた部分では結晶化は行われず、非晶質部分2807が残存する。
このように、基板に平行な方向への結晶成長を横成長またはラテラル成長と称する。横成長により大粒径の結晶粒を形成することができるため、より高い移動度を有するTFTを形成することができる。
なお、実施の形態1乃至実施の形態23のいずれかにも、本実施の形態を適用することが可能である。
次に、アクティブマトリクス基板及びそれを有する表示装置の作製方法について図32〜図34を用いて説明する。図32〜図34は、アクティブマトリクス基板における縦断面構造図であり、駆動回路部A−A’、及び画素部の駆動用のTFTB−B’、スイッチング用のTFTのゲート電極とゲート配線の接続部C−C’を模式的に示す。
図32(A)に示すように、基板800上に膜厚100〜200nmの第1の導電膜(図示しない)を成膜する。ここでは、基板800にガラス基板を用い、その表面上に第1の導電膜として、膜厚150nmの酸化珪素を有する酸化インジウム膜をスパッタリング法により成膜する。次に、感光性材料を第1の導電膜上に吐出又は塗布し、レーザビーム直接描画装置を用いて感光性材料を露光、現像して、第1のマスクを形成する。次に、第1のマスクを用いて第1の導電膜をエッチングして第1の導電層801〜804を形成する。ここでは、ドライエッチング法によりタングステン膜をエッチングして、第1の導電層801〜804である酸化珪素を含む酸化インジウム層を形成する。なお、第1の導電層801、802は駆動回路を構成するTFTのゲート電極、第1の導電層803は駆動用のTFTのゲート電極として機能し、第1の導電層804はスイッチング用のTFTのゲート電極として機能する。
次に、基板800及び第1の導電層801〜804表面上に、第1の絶縁膜を形成する。ここでは、第1の絶縁膜805、806として、膜厚50nm〜100nmの窒化珪素膜及び膜厚50〜100nmの酸化窒化珪素膜(SiON(O>N)を、CVD法により積層させて形成する。なお、第1の絶縁膜はゲート絶縁膜として機能する。このとき、窒化珪素膜と酸化窒化珪素膜とを、大気に解放せず原料ガスの切り替えのみで連続成膜することが好ましい。
次に、第1の絶縁膜上に、膜厚10〜100nmの非晶質半導体膜807を形成する。ここでは、膜厚100nmのアモルファスシリコン膜をCVD法により成膜する。次に、非晶質半導体膜807表面上に、触媒元素を含む溶液808を塗布する。ここでは、20〜30ppmのニッケル触媒を含む溶液をスピンコーティング法により塗布する。次に、非晶質半導体膜807を加熱して図32(B)に示すような、結晶性半導体膜811を形成する。なお、結晶性半導体膜811には触媒元素が含まれる。ここでは、電気炉を用い、500度で1時間加熱して半導体膜膜中の水素出しを行った後、550度で4時間加熱してニッケルを含む結晶性シリコン膜を形成する。次に、後のTFTのチャネル領域となる領域にp型またはn型の不純物元素を低濃度に添加するチャネルドープ工程を全面または選択的に行う。
次に、触媒元素を含む結晶性半導体膜811表面上に、膜厚100nmのドナー型元素を含む半導体膜812を成膜する。ここでは、シランガスと、0.5%フォスフィンガス(流量比シラン/フォスフィンが10/17)とを用いて、リンを有するアモルファスシリコン膜を成膜する。
次に、結晶性半導体膜811及びドナー型元素を含む半導体膜812を加熱して、触媒元素をゲッタリングするとともに、ドナー型元素を活性化する。即ち、触媒元素を含む結晶性半導体膜811中の触媒元素を、ドナー型元素を含む半導体膜812へ移動させる。このときの触媒元素濃度が低減された結晶性半導体膜を図32(C)の813で示す。ここでは、結晶性シリコン膜となる。また、触媒元素が移動した、ドナー型元素を含む半導体膜も加熱により結晶性半導体膜となる。即ち、触媒元素及びドナー型元素を含む結晶性半導体膜となる。これを、図32(C)の814で示す。ここでは、ニッケル及びリンを含む結晶性シリコン膜となる。
次に、図32(D)に示すように、触媒元素及びドナー型元素を含む結晶性半導体膜814上に第2のマスクを形成した後、第2のマスクを用いて所望の形状にエッチングする。第2のマスク815〜817は、液滴吐出法によって、有機樹脂を滴下し乾燥・焼成して形成することができる。また、第1のマスクと同様、感光性材料をレーザビーム直接描画装置により露光現像して形成することができる。ここでは、液滴吐出法により、ポリイミドを選択的に吐出し、乾燥焼成して第2のマスクを形成する。エッチングされた触媒元素及びドナー型元素を含む結晶性半導体膜は、図33(A)に示す第1の半導体領域824〜826となり、エッチングされた結晶性半導体膜813は、第2の半導体領域821〜823となる。
次に、後のnチャネル型のTFTとなる領域に第3のマスク827を形成する。ここでは、液滴吐出法により、ポリイミドを吐出し、乾燥して、後のnチャネル型のTFTとなる第2の半導体領域821及び第1の半導体領域824を覆う第3のマスク827を形成する。また、図示しないが、スイッチング用のTFTとなる第1の半導体領域及び第2の半導体領域に、第3のマスク827を形成する。
次に、後にpチャネル型のTFTとなる第1の半導体領域825、826に、アクセプタ型元素828を添加し、図33(B)に示すように、p型半導体領域831、832を形成する。
次に、図示しないが駆動用のTFTのゲート電極として機能する第1の導電層803上に形成された第1の絶縁膜805、806の一部をエッチングして、ゲート電極として機能する第1の導電層803の一部を露出する。
次に、第1の半導体領域824、p型半導体領域831、832及び第2の半導体領域821〜823表面に、膜厚500〜1000nmの第2の導電層833、834を形成する。ここでは、液滴吐出法によりAgペーストを吐出し、焼成して第3の導電層を形成する。
次に、感光性材料835を塗布し、レーザビーム直接描画装置を用いて該感光性材料にレーザ光836照射して感光性材料を露光、現像して第4のマスクを形成した後、第3の導電層をエッチングして、図33(C)に示すような、ソース配線、ゲート配線、電源線、ソース電極又はドレイン電極として機能する第4の導電層841〜845を形成する。
ここで、画素のB−B’及びC−C’の上面図を図35に示すので、同時に参照する。上記工程により、後のスイッチング用のTFTのソース領域又はドレイン領域上に設けられ、ソース配線として機能する第4の導電層901、ドレイン電極として機能する第4の導電層902が形成される。また、後の駆動用のTFTのソース領域又はドレイン領域上に設けられ、電源線として機能する第4の導電層844、ドレイン電極として機能する第4の導電層845が形成される。
なお、スイッチング用のTFTのドレイン電極として機能する第4の導電層902と、駆動用のTFTのゲート電極として機能する第1の導電層803とは、コンタクトホール909において接続される。
また、駆動回路A−A’の上面図を図36に示すので、同時に参照する。
また、この工程において、第3の導電層を分断して、各ソース配線、電源線と、ゲート配線、ドレイン電極を形成すると共に、ドレイン配線の幅が細くなるようにエッチングすることで、後に形成される表示装置の開口率を高めることが可能である。ここでは、感光性材料835として、ポジ型感光性材料を用い、レーザ光830を照射して第4のマスクを形成する。
次に、第4のマスクを残したまま、第1の半導体領域824、831、832をエッチングして、ソース領域及びドレイン領域847〜852を形成する。このとき、第2の半導体領域821〜823の一部もエッチングされる。エッチングされた半導体領域を第3の半導体領域854〜856は、チャネル形成領域として機能する。
ここで、駆動回路を単チャネル構造、代表的にはnチャネル型のTFTで形成した場合について、図37を用いて説明する。図37は、nチャネル型のTFTと抵抗856とで形成されたインバータの上面図を示す。なお、抵抗856はnチャネル型のTFTのソース電極又はドレイン電極の一方と、ゲート電極とを接続して形成されている。
ゲート電極として機能する第1の導電層801、802それぞれの上には、ゲート絶縁膜を介して、半導体領域854、855が形成される。また、半導体領域それぞれにn型半導体領域が形成されており、その上にソース電極及びドレイン電極として機能する第4の導電層841〜843が形成されている。
半導体領域854及び半導体領域855上を覆うソース電極又はドレイン電極として機能する第4の導電層842が形成されている。
また、半導体領域854上にはソース電極又はドレイン電極として機能する導電層842が形成されている。さらには、半導体領域855上には、ソース電極及びドレイン電極として機能する第4の導電層843が形成されている。また、ソース電極及びドレイン電極を形成する前に、ゲート絶縁膜の一部をエッチングして、ゲート電極として機能する第1の導電層802を露出した後、ソース電極及びドレイン電極として機能する第4の導電層を形成することで、ソース電極及びドレイン電極として機能する第4の導電層843とゲート電極として機能する第1の導電層802とが、コンタクトホール850を介して接続される。このため、抵抗866を形成することが可能となる。このため、隣り合うTFT865と抵抗866とが接続されることで、インバータを形成することが可能である。
なお、nチャネル型のTFTの単チャネル構造でなく、pチャネル型のTFTの単チャネル構造によって、駆動回路を形成しても良い。
次に、図33(C)に示すように、第4のマスクを除去した後、第4の導電層及び第3の半導体領域表面上に第2の絶縁膜857及び第3の絶縁膜858を形成する。ここでは、第2の絶縁膜857として水素を含む膜厚の150nm酸化窒化珪素膜(SiON(O>N)をCVD法により形成する。また、第3の絶縁膜858として膜厚200nmの窒化珪素膜を、CVD法により成膜する。窒化珪素膜は、外部からの不純物をブロッキングする保護膜として機能する。
次に、第3の半導体領域854〜856を加熱して水素化する。ここでは、窒素雰囲気で410℃1時間の加熱を行うことで、第2の絶縁膜857に含まれる水素が第3の半導体領域854〜856に添加され、水素化される。
次に、図34(A)に示すように、第3の絶縁膜858上に第4の絶縁膜871を形成する。ここでは、アクリルを塗布し焼成して第4の絶縁膜871を形成する。次に、第4の絶縁膜871上に第5のマスクを形成した後、第4の絶縁膜871、第3の絶縁膜858、第2の絶縁膜857をそれぞれエッチングして、スイッチング用のTFTのゲート電極として機能する第1の導電層804の一部を露出する。次に、第1の導電層804に接続するゲート配線として機能する第5の導電層872を形成する。ここでは、液滴吐出法により、Agペースト吐出し焼成した後、レーザビーム直接描画装置で形成されるマスクを用いてAgペーストの一部をエッチングして配線幅を細くして、第5の導電層872を形成する。
以上の工程により、nチャネル型のTFT861、pチャネル型のTFT862とが接続されたCMOS回路で形成される駆動回路A−A’と、pチャネル型のTFT863で形成される駆動用のTFT、nチャネル型のTFTで形成されるスイッチング用のTFTを有する画素部を形成することができる。本実施例では、nチャネル型のTFT及びpチャネル型のTFTで駆動回路が形成されているが、nチャネル型のTFTのみで駆動回路及び画素部を形成しても良い。
次に、第5の絶縁膜873を形成する。第5の絶縁膜873も第4の絶縁膜と同様の材料を適宜用いることが可能である。ここでは、第5の絶縁膜873にアクリルを用いる。次に、第5の絶縁膜873上に第6のマスクを形成した後、第5の絶縁膜〜第2の絶縁膜をエッチングして、第4の導電層845の一部を露出する。
次に、第4の導電層845に接するように、膜厚100〜300nmの第6の導電層を成膜する。第6の導電層の材料としては、透光性を有する導電膜、又は反射性を有する導電膜があげられる。また、第6の導電層の形成方法としては、液滴吐出法、塗布法、スパッタリング法、蒸着法、CVD法等を適宜用いる。なお、塗布法、スパッタリング法、蒸着法、CVD法等を用いる場合、液滴吐出法、レーザビーム直接描画装置を用いた露光等によりマスクを形成した後、導電膜をエッチングして導電層を形成する。ここでは、反射率に優れたアルミニウムを主成分とし、ニッケル、コバルト、鉄、炭素及び珪素のうち少なくとも1つを含む合金材料を下層とし、その上に酸化珪素を含むインジウム錫酸化物(ITO)をスパッタリング法により成膜し、所望の形状にエッチングして画素電極として機能する第6の導電層874を形成する。
また、画素部B−B’の上面図を図35に示すので、同時に参照する。第5の導電層872は、コンタクトホール911において画素電極として機能する第6の導電層874と接続する。
以上の工程によりアクティブマトリクス基板を作製することができる。なお、静電破壊防止のための保護回路、代表的にはダイオードなどを、接続端子とソース配線(ゲート配線)の間または画素部に設けてもよい。この場合、上記したTFTと同様の工程で作製し、画素部のゲート配線層とダイオードのドレイン又はソース配線層とを接続することにより、静電破壊を防止することができる。
次に、図34(B)に示すように、第6の導電層874の端部を覆う第6の絶縁膜881を形成する。ここでは、ネガ型感光性材料を用いて、第6の絶縁膜881を形成する。
次に、蒸着法、塗布法、液滴吐出法などにより、第6の導電層874表面及び第6の絶縁膜881の端部上に発光物質を含む層882を形成する。この後、発光物質を含む層882上に、第2の画素電極として機能する第7の導電層883を形成する。ここでは、酸化珪素を含むITOをスパッタリング法により成膜する。この結果、第6の導電層、発光物質を含む層、及び第7の導電層により発光素子884を形成することができる。発光素子884を構成する導電層及び、発光物質を含む層の各材料は適宜選択し、各膜厚も調整する。
なお、発光物質を含む層882を形成する前に、大気圧中で200〜350℃の熱処理を行い第6の絶縁膜881中若しくはその表面に吸着している水分を除去する。また、減圧下で200〜400℃、好ましくは250〜350℃に熱処理を行い、そのまま大気に晒さずに発光物質を含む層882を真空蒸着法や、大気圧下又は減圧下の液滴吐出法、更には塗布法等で形成することが好ましい。
発光物質を含む層882は、有機化合物又は無機化合物を含む電荷注入輸送物質及び発光材料で形成し、その分子数から低分子系有機化合物、中分子系有機化合物(昇華性を有さず、連鎖する分子の長さが10μm以下の有機化合物、代表的にはデンドリマー、オリゴマー等が挙げられる。)、高分子系有機化合物から選ばれた一種又は複数種の層を含み、電子注入輸送性又は正孔注入輸送性の無機化合物と組み合わせても良い。
電荷注入輸送物質のうち、特に電子輸送性の高い物質としては、例えばトリス(8−キノリノラト)アルミニウム(略称:Alq3)、トリス(5−メチル−8−キノリノラト)アルミニウム(略称:Almq3)、ビス(10−ヒドロキシベンゾ[h]−キノリナト)ベリリウム(略称:BeBq2)、ビス(2−メチル−8−キノリノラト)−4−フェニルフェノラト−アルミニウム(略称:BAlq)など、キノリン骨格またはベンゾキノリン骨格を有する金属錯体等が挙げられる。
また、正孔輸送性の高い物質としては、例えば4,4’−ビス[N−(1−ナフチル)−N−フェニル−アミノ]−ビフェニル(略称:α−NPD)や4,4’−ビス[N−(3−メチルフェニル)−N−フェニル−アミノ]−ビフェニル(略称:TPD)や4,4’,4’’−トリス(N,N−ジフェニル−アミノ)−トリフェニルアミン(略称:TDATA)、4,4’,4’’−トリス[N−(3−メチルフェニル)−N−フェニル−アミノ]−トリフェニルアミン(略称:MTDATA)などの芳香族アミン系(即ち、ベンゼン環−窒素の結合を有する)の化合物が挙げられる。
また、電荷注入輸送物質のうち、特に電子注入性の高い物質としては、フッ化リチウム(LiF)、フッ化セシウム(CsF)、フッ化カルシウム(CaF2)等のようなアルカリ金属又はアルカリ土類金属の化合物が挙げられる。また、この他、Alq3のような電子輸送性の高い物質とマグネシウム(Mg)のようなアルカリ土類金属との混合物であってもよい。
電荷注入輸送物質のうち、正孔注入性の高い物質としては、例えば、モリブデン酸化物(MoOx)やバナジウム酸化物(VOx)、ルテニウム酸化物(RuOx)、タングステン酸化物(WOx)、マンガン酸化物(MnOx)等の金属酸化物が挙げられる。また、この他、フタロシアニン(略称:H2Pc)や銅フタロシアニン(CuPc)等のフタロシアニン系の化合物が挙げられる。
発光層は、発光波長帯の異なる発光層を画素毎に形成して、カラー表示を行う構成としても良い。典型的には、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色に対応した発光層を形成する。この場合にも、画素の光放射側にその発光波長帯の光を透過するフィルター(着色層)を設けた構成とすることで、色純度の向上や、画素部の鏡面化(映り込み)の防止を図ることができる。フィルター(着色層)を設けることで、従来必要であるとされていた円偏光版などを省略することが可能となり、発光層から放射される光の損失を無くすことができる。さらに、斜方から画素部(表示画面)を見た場合に起こる色調の変化を低減することができる。
発光層を形成する発光材料には様々な材料がある。低分子系有機発光材料では、4−(ジシアノメチレン)2−メチル−6−[2−(1,1,7,7−テトラメチルジュロリジン−9−イル)エテニル]−4H−ピラン(略称:DCJT)、4−(ジシアノメチレン)−2−tert−ブチル−6−[2−(1,1,7,7−テトラメチルジュロリジン−9−イル)エテニル]−4H−ピラン(略称:DCJTB)、ペリフランテン、2,5−ジシアノ−1,4−ビス[2−(10−メトキシ−1,1,7,7−テトラメチルジュロリジン−9−イル)エテニル]ベンゼン、N,N’−ジメチルキナクリドン(略称:DMQd)、クマリン6、クマリン545T、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム(略称:Alq3)、9,9’−ビアントリル、9,10−ジフェニルアントラセン(略称:DPA)や9,10−ジ(2−ナフチル)アントラセン(略称:DNA)等を用いることができる。また、この他の物質でもよい。
一方、高分子系有機発光材料は低分子系に比べて物理的強度が高く、素子の耐久性が高い。また塗布により成膜することが可能であるので、素子の作製が比較的容易である。高分子系有機発光材料を用いた発光素子の構造は、低分子系有機発光材料を用いたときと基本的には同じであり、陰極/発光物質を含む層/陽極となる。しかし、高分子系有機発光材料を用いた発光物質を含む層を形成する際には、低分子系有機発光材料を用いたときのような積層構造を形成させることは難しく、多くの場合2層構造となる。具体的には、陰極/発光層/正孔輸送層/陽極という構造である。
発光色は、発光層を形成する材料で決まるため、これらを選択することで所望の発光を示す発光素子を形成することができる。発光層の形成に用いることができる高分子系の発光材料は、ポリパラフェニレンビニレン系、ポリパラフェニレン系、ポリチオフェン系、ポリフルオレン系が挙げられる。
ポリパラフェニレンビニレン系発光材料には、ポリ(パラフェニレンビニレン) [PPV] の誘導体、ポリ(2,5−ジアルコキシ−1,4−フェニレンビニレン) [RO−PPV]、ポリ(2−(2’−エチル−ヘキソキシ)−5−メトキシ−1,4−フェニレンビニレン)[MEH−PPV]、ポリ(2−(ジアルコキシフェニル)−1,4−フェニレンビニレン)[ROPh−PPV]等が挙げられる。ポリパラフェニレン系発光材料には、ポリパラフェニレン[PPP]の誘導体、ポリ(2,5−ジアルコキシ−1,4−フェニレン)[RO−PPP]、ポリ(2,5−ジヘキソキシ−1,4−フェニレン)等が挙げられる。ポリチオフェン系発光材料には、ポリチオフェン[PT]の誘導体、ポリ(3−アルキルチオフェン)[PAT]、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)[PHT]、ポリ(3−シクロヘキシルチオフェン)[PCHT]、ポリ(3−シクロヘキシル−4−メチルチオフェン)[PCHMT]、ポリ(3,4−ジシクロヘキシルチオフェン)[PDCHT]、ポリ[3−(4−オクチルフェニル)−チオフェン][POPT]、ポリ[3−(4−オクチルフェニル)−2,2ビチオフェン][PTOPT]等が挙げられる。ポリフルオレン系発光材料には、ポリフルオレン[PF]の誘導体、ポリ(9,9−ジアルキルフルオレン)[PDAF]、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレン)[PDOF]等が挙げられる。
なお、正孔輸送性の高分子系有機発光材料を、陽極と発光性の高分子系有機発光材料の間に挟んで形成すると、陽極からの正孔注入性を向上させることができる。一般にアクセプタ材料と共に水に溶解させたものをスピンコート法などで塗布する。また、有機溶媒には不溶であるため、上述した発光性の発光材料との積層が可能である。正孔輸送性の高分子系有機発光材料としては、PEDOTとアクセプタ材料としてのショウノウスルホン酸(CSA)の混合物、ポリアニリン[PANI]とアクセプタ材料としてのポリスチレンスルホン酸[PSS]の混合物等が挙げられる。
また、発光層は単色又は白色の発光を呈する構成とすることができる。白色発光材料を用いる場合には、画素の光放射側に特定の波長の光を透過するフィルター(着色層)を設けた構成としてカラー表示を可能にすることができる。
白色に発光する発光層を形成するには、例えば、Alq3、部分的に赤色発光色素であるナイルレッドをドープしたAlq3、p−EtTAZ、TPD(芳香族ジアミン)を蒸着法により順次積層することで白色を得ることができる。また、スピンコートを用いた塗布法により発光層を形成する場合には、塗布した後、真空加熱で焼成することが好ましい。例えば、正孔注入層として作用するポリ(エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(スチレンスルホン酸)水溶液(PEDOT/PSS)を全面に塗布、焼成し、その後、発光層として作用する発光中心色素(1,1,4,4−テトラフェニル−1,3−ブタジエン(TPB)、4−ジシアノメチレン−2−メチル−6−(p−ジメチルアミノ−スチリル)−4H−ピラン(DCM1)、ナイルレッド、クマリン6など)ドープしたポリビニルカルバゾール(PVK)溶液を全面に塗布、焼成すればよい。
発光層は単層で形成することもでき、ホール輸送性のポリビニルカルバゾール(PVK)に電子輸送性の1,3,4−オキサジアゾール誘導体(PBD)を分散させてもよい。また、30wt%のPBDを電子輸送剤として分散し、4種類の色素(TPB、クマリン6、DCM1、ナイルレッド)を適当量分散することで白色発光が得られる。ここで示した白色発光が得られる発光素子の他にも、発光層の材料を適宜選択することによって、赤色発光、緑色発光、または青色発光が得られる発光素子を作製することができる。
さらに、発光層は、一重項励起発光材料の他、金属錯体などを含む三重項励起材料を用いても良い。例えば、赤色の発光性の画素、緑色の発光性の画素及び青色の発光性の画素のうち、輝度半減時間が比較的短い赤色の発光性の画素を三重項励起発光材料で形成し、他の発光性の画素を一重項励起発光材料で形成する。三重項励起発光材料は発光効率が良いので、同じ輝度を得るのに消費電力が少なくて済むという特徴がある。すなわち、赤色画素に三重項励起材料を適用した場合、発光素子に流す電流量が少なくて済むので、信頼性を向上させることができる。低消費電力化として、赤色の発光性の画素と緑色の発光性の画素とを三重項励起発光材料で形成し、青色の発光性の画素を一重項励起発光材料で形成しても良い。人間の視感度が高い緑色の発光素子も三重項励起発光材料で形成することで、より低消費電力化を図ることができる。
三重項励起発光材料の一例としては、金属錯体をドーパントとして用いたものがあり、第3遷移系列元素である白金を中心金属とする金属錯体、イリジウムを中心金属とする金属錯体などが知られている。三重項励起発光材料としては、これらの化合物に限られることはなく、上記構造を有し、且つ中心金属に周期表の8〜10属に属する元素を有する化合物を用いることも可能である。
以上に掲げる発光物質を含む層を形成する物質は一例であり、正孔注入輸送層、正孔輸送層、電子注入輸送層、電子輸送層、発光層、電子ブロック層、正孔ブロック層などの機能性の各層を適宜積層することで発光素子を形成することができる。また、これらの各層を合わせた混合層又は混合接合を形成しても良い。発光層の層構造は変化しうるものであり、特定の電子注入領域や発光領域を備えていない代わりに、もっぱらこの目的用の電極を備えたり、発光性の材料を分散させて備えたりする変形は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において許容されうるものである。
上記のような材料で形成した発光素子は、順方向にバイアスすることで発光する。発光素子を用いて形成する表示装置の画素は、単純マトリクス方式、若しくはアクティブマトリクス方式で駆動することができる。いずれにしても、個々の画素は、ある特定のタイミングで順方向バイアスを印加して発光させることとなるが、ある一定期間は非発光状態となっている。この非発光時間に逆方向のバイアスを印加することで発光素子の信頼性を向上させることができる。発光素子では、一定駆動条件下で発光強度が低下する劣化や、画素内で非発光領域が拡大して見かけ上輝度が低下する劣化モードがあるが、順方向及び逆方向にバイアスを印加する交流的な駆動を行うことで、劣化の進行を遅くすることができ、発光装置の信頼性を向上させることができる。
次に、発光素子を覆って、水分の侵入を防ぐ透明保護層を形成する。透明保護層としては、スパッタ法またはCVD法により得られる窒化珪素膜、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜(SiNO膜(組成比N>O)またはSiON膜(組成比N<O))、炭素を主成分とする薄膜(例えばDLC膜、CN膜)などを用いることができる。
以上の工程により、発光素子を有するアクティブマトリクス基板を作製することができる。なお、実施の形態1乃至実施の形態24のいずれをも本実施例に適用することができる。