JP3244518B2 - アクティブマトリクス基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示装置などのア
クティブマトリクス基板の製造方法に関するものであ
る。なお、本発明のアクティブマトリクス基板の製造方
法は液晶表示装置に限らず、駆動回路を絶縁基板上に構
成するラインセンサや平面センサ、あるいは液晶シャッ
ターなどの分野でも利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】近年、平面画像表示装置の中で特にアク
ティブマトリクス方式の液晶表示装置の研究が進みブラ
ウン管方式の画像表示装置と同等以上の画質を得られる
ようになっている。高精細な画質と製造コスト低減のた
め、画素の薄膜トランジスタの駆動回路を画素と同一の
絶縁基板上に構成する研究が盛んに行われている。Ｃ−
ＭＯＳの駆動回路を構成するためには移動度の高い薄膜
トランジスタを絶縁基板上に製造する必要がある。特開
昭５８−４１８０号に示すように薄膜トランジスタの活
性シリコン層を固相成長法あるいはレーザー照射法によ
って結晶化することにより移動度の高い薄膜トランジス
タを製造することが可能である。特に、レーザー照射に
よってシリコン層を結晶化する方法は、基板を室温に保
ったまま優れた薄膜トランジスタを製造することが可能
なため、歪点の低い安価なガラス基板上に駆動回路を構
成できる。

【０００３】シリコン薄膜をレーザビームの照射によ
り、結晶粒のグレンサイズの大きな、あるいはダングリ
ングボンドの少ないシリコン薄膜を製造する方法とし
て、特開昭６１−７８１１９号に示すように短波長レー
ザにより表面部だけをいったん再結晶化し、その後熱処
理によって固相成長を行わせることで結晶粒径を大きく
し、粒径を揃えて特性を向上させる方法や、特開昭６３
−３１１０８号に示すように、結晶化する半導体薄膜の
下に熱伝導率の小さい枠型絶縁膜を形成し、レーザ光を
照射することで枠型内部の多結晶シリコン膜の結晶化を
中心部から枠型方向に進め、結晶性を向上させ、その部
分に素子を形成することで特性を向上させる方法を検討
している。あるいは特開平３−３０４３３号に示すよう
に、レーザ光のエッジ部に起因する結晶性の不均一性
を、レーザ光の照射で、最初に結晶化させる部分と未結
晶部分のエッジ部となる半導体膜の基板側に、紫外光を
透過する絶縁膜を介して、この絶縁膜より融点が低く、
紫外光に対する吸収係数が結晶化した半導体薄膜より大
きい材質の膜を形成する方法を用いることにより、レー
ザ光の照射によって、結晶性の向上した均一な半導体薄
膜を得る試みが行われてきた。

【０００４】また、図１０に示す特開昭６４−４５１６
２号の方法では、レーザ照射する部分とレーザ照射しな
い部分の間のシリコン薄膜を除いて、これを分離帯とし
て、レーザ照射する部分からの熱伝導の影響を除いて、
レーザ照射して再結晶化した多結晶シリコン薄膜に駆動
回路を形成する試みがなされた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
ービームの照射によってシリコン層を基板全体にわたっ
て均一に結晶化することは困難である。ＰＥＣＶＤ法あ
るいは減圧化学気層成長法などにより形成したシリコン
薄膜をエキシマレーザのビームで結晶化すると、エネル
ギー強度を光学系により均一化されたレーザービームの
照射でも、最初のレーザビームによって結晶された部分
と未結晶化部分のエッジの照射後がその後レーザービー
ムをずらして照射しても残るという問題点があった。

【０００６】また一方、特殊な光学系をレーザービーム
の発振源とサンプルであるシリコン層の間に設けて、ビ
ームのエネルギー分布を均一化する試みが行われてき
た。

【０００７】しかしながら、この特殊な光学系によるビ
ーム強度分布の改良による結果は、ビーム全体に渡って
均一になっていることなく、ビームの縁ではなお依然と
して不均一が観測される。シリコン薄膜を融解するのに
不十分なエネルギー強度の部分では、レーザービームが
照射されたシリコン薄膜は微結晶シリコン薄膜となり、
次にこの微結晶シリコン層に、初期のシリコン層から大
粒径粒子を有するシリコン層を形成するために必要なエ
ネルギーを照射しても、微結晶状態のままで変化しな
い。したがって、従来のようにパルスレーザーのビーム
を重なり部分が生じるように照射する方法では、パルス
レーザのビームよりも広い面積のシリコン層を均一に高
品質化することができない。よってパルスレーザー照射
では、ビームより大きな大面積にわたって均一な特性の
結晶性のシリコン薄膜を得ることは極めて困難であっ
た。特開平３−３０４３３号では、格子状に紫外光の吸
収係数の大きい薄膜を形成することにより、レーザ照射
によるシリコン薄膜の均一化を試みているが、この方法
では、液晶表示体の画素トランジスタの配置は、格子状
に制約されることになり、画像表示のよりすぐれたデル
タ配置型のアクティブマトリクス基板ができない欠点が
あった。さらに、特開平３−３０４３３号の方法では、
レーザ照射によって駆動回路のための均一なシリコン薄
膜を形成することができない欠点があった。

【０００８】特開昭６４−４５１６２号では、アクティ
ブマトリクス基板にＸｅＣｌパルスレーザ照射により形
成された駆動回路を内蔵しているが、パルスレーザビー
ムのエッジ部分に起因するシリコン薄膜の微結晶化によ
る薄膜トランジスタの電気的特性のバラツキについて
は、全く対策が考慮されていないため、高性能の周辺回
路を内蔵できない欠点があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の薄膜ト
ランジスタを備えた画素領域と、これら複数の薄膜トラ
ンジスタを駆動する信号線側駆動回路および走査線側駆
動回路とが同一基板上に形成され、前記信号線側駆動回
路および走査線側駆動回路を複数に分割し、この分割さ
れた各回路の複数の薄膜トランジスタの半導体薄膜にレ
ーザービームを照射して結晶成長させてなるアクティブ
マトリクス基板の製造方法であって、前記複数に分割さ
れた各回路領域は画素側の辺の長さがこれに垂直な辺の
長さに比べ長い長尺状とされ、前記信号線側駆動回路お
よび走査線側駆動回路へのレーザービームの照射は、分
割された信号線側駆動回路同士および走査線側駆動回路
同士の間隙に前記レーザービームのエッジ部が存在する
ように且つ前記信号線側駆動回路ならびに走査線側駆動
回路と前記画素領域との間に前記レーザービームのエッ
ジ部が存在するように前記薄膜トランジスタの半導体層
をパターニングする前に照射し、前記分割された信号線
側駆動回路同士および走査線側駆動回路同士の薄膜トラ
ンジスタ間は、１００μｍから５ｍｍの距離に形成され
ていることを特徴とする。

【００１０】

【実施例】以下図面を参照して実施例を詳細に説明す
る。

【００１１】本発明の周辺駆動回路内蔵型のアクティプ
マトリックス基板の構成を図１に示す。

【００１２】画素トランジスタが配置されている画像の
表示領域の周辺部に表示領域と同一基板上に薄膜トラン
ジスタによって駆動回路が構成されている。駆動回路の
走査側駆動回路と信号側駆動回路の少なくとも一方が、
複数の領域に分割されて構成されている。領域の長辺方
向の長さは、駆動回路を構成する薄膜トランジスタのシ
リコン薄膜を結晶化するパルスレーザービームのビーム
面積によって変化する。

【００１３】例えば、駆動回路を構成する薄膜トランジ
スタの膜厚が２５ｎｍの活性シリコン薄膜を、減圧化学
気相成長法で製膜した多結晶シリコン薄膜を波長３０８
ｎｍのＦＷＨＭが５０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザー
の照射によって再結晶化する際には、レーザービームの
エネルギー強度が２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ²程度必要
である。上記のエキシマレーザービームの１パルスのエ
ネルギーが試料直前で５００ｍＪであり、上記駆動回路
の短辺の長さが２ｍｍであれば、上記の分割されたそれ
ぞれの駆動回路の長辺の長さは、５０ｍｍ〜１００ｍｍ
である。表示領域が長辺３００ｍｍ短辺が２２５ｍｍの
大きさであり、長辺に信号線側駆動回路があり、２２５
ｍｍの長さの短辺に走査線側の駆動回路があるアクティ
ブマトリクス型の液晶表示体の場合、長辺にある信号線
側駆動回路を３分割し、短辺の走査側駆動回路を３分割
した構成にする。３分割された信号線側駆動回路のそれ
ぞれの領域の大きさは２ｍｍ×１００ｍｍであり、また
３分割された走査線側駆動回路のそれぞれの領域の大き
さは２ｍｍ×７５ｍｍでよい。また、それぞれに分割さ
れた領域の間隔は、１００μｍ〜５ｍｍである。駆動回
路の分割する領域の数と、それぞれの領域の面積は上記
の例に限らない。さらに、信号線側駆動回路の分割され
たそれぞれの領域は、同じ面積でなくても構わない。上
記に述べた信号線側駆動回路の分割方法と同様に走査線
側駆動回路を分割することができる。

【００１４】図２に上記の様に分割された駆動回路の具
体的な構成例を示す。

【００１５】図２では、点順次型の駆動方法によるアク
ティブマトリクス型液晶表示体の基板の構成例を示して
おり、走査線側駆動回路を３分割し、信号線側駆動回路
を３分割した例を示す。図２において、ＤＤＣ１、ＤＤ
Ｃ２およびＤＤＣ３はそれぞれ信号線側駆動回路であ
る。ビデオ信号線をＶ１、Ｖ２およびＶ３の三本の線で
示しているが、必要によってビデオ信号線の増減が有り
得る。この例ではビデオ信号を画素トランジスタに点順
次方法で伝えるため、信号線側駆動回路によって、それ
ぞれの信号線をアナログスイッチＡＳＷによってスイッ
チングして、液晶表示体の表示領域ＰＡＲＩＡに構成さ
れている画素トランジスタに、ビデオ信号のデータをデ
ータラインＤＬを通じて伝える。

【００１６】また、ＳＤＣ１、ＳＤＣ２およびＳＤＣ３
は、走査線側駆動回路をそれぞれ示す。さらにＢ１、Ｂ
２およびＢ３は、上記分割された走査線側駆動回路ＳＤ
Ｃ１、ＳＤＣ２およびＳＤＣ３のそれぞれに接続したバ
ッファ回路である。バッファ回路からの信号は走査線Ｓ
Ｌを通じて画素トランジスタに伝えられる。信号線ＤＬ
と走査線ＳＬの交差点に画素を駆動するための薄膜トラ
ンジスタがそれぞれ形成されている。

【００１７】ＤＤＣ１、ＤＤＣ２、ＤＤＣ３、ＳＤＣ
１、ＳＤＣ２、およびＳＤＣ３の領域内に構成されたシ
フトレジスタは平面的に周期的に配置されているが、例
えばＤＤＣ１とＤＤＣ２の領域に構成された最近接の薄
膜トランジスタの間は、レーザービームのエッジの影響
の及ばない様に１００μｍから５ｍｍの距離がある。

【００１８】上記の実施例により、パルスレーザーを使
ったシリコン薄膜の結晶化による、優れた電気的特性の
周辺駆動回路を内蔵したアクティブマトリックス基板を
構成することができる。図２では点順次型の駆動回路例
を示したが、線順次でも他の方式の駆動方法の駆動回路
内蔵型のアクティブマトリクス基板の製造方法でも本発
明は適用できる。

【００１９】次に、上記実施例に示された構成の駆動回
路内蔵のアクティブマトリックス基板の製造方法を図３
〜図９に説明する。

【００２０】図３に示すように歪温度の低いガラス基板
などの絶縁基板上１にシリコン薄膜２を被着形成する。
シリコン薄膜は、減圧ＣＶＤ法により製膜された多結晶
シリコン薄膜である。上記シリコン薄膜の厚さは、２５
ｎｍ〜５０ｎｍである。上記シリコン薄膜２をレーザビ
ーム３を照射することにより再結晶化する。波長３０８
ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザを、上記絶縁基板１上
の、図２で示された駆動回路を構成する領域であるＡＲ
ＩＡ１、ＡＲＩＡ２、ＡＲＩＡ３、ＡＲＩＡ４、ＡＲＩ
Ａ５、およびＡＲＩＡ６を照射する。

【００２１】図３（ａ）は、図２のＸ−Ｙ方向のＡＲＩ
Ａ１とＡＲＩＡ２の、あるいはＡＲＩＡ２とＡＲＩＡ３
の間の断面図、図３（ｂ）はＷ−Ｚ方向の断面図を示
す。レーザビームは、駆動回路を構成する上記のそれぞ
れの領域を十分含む大きさであり、さらにそれぞれ分割
された駆動回路の領域の間にレーザビームのエッジ部が
存在するようにレーザビームの位置を調整してレーザ照
射する。上記多結晶シリコン薄膜２の厚みが２５〜５０
ｎｍであればレーザビームのエッジ部の影響による、微
結晶シリコンの発生領域は、１００μｍ〜５００μｍ程
度であるため、隣接する分割された駆動回路の間隔は５
００μｍ以上が望ましい。駆動回路の設計に支障がない
限り、この間隔は数ｍｍに及んでも構わない。また、Ｗ
−Ｚの方向では、レーザビームのエッジは駆動回路と画
素領域の間に存在するようにレーザービームを照射す
る。この方法により絶縁基板１上のシリコン薄膜は、基
板平面図である図４に示すように部分的に結晶化され
る。４はレーザビームの照射により形成された多結晶シ
リコン薄膜の領域、２はレーザビームが照射されないシ
リコン薄膜の領域である。ＡＲＩＡ１、ＡＲＩＡ２、Ａ
ＲＩＡ３、ＡＲＩＡ４、ＡＲＩＡ５、およびＡＲＩＡ６
は図２の指示と一致する。

【００２２】このように部分的なレーザ照射により結晶
化されたシリコン薄膜の断面図を図５（ａ）と（ｂ）に
示す。なお、図５の微結晶シリコン薄膜５は図４では省
略してある。図５（ａ）は図４のＸ−Ｙに沿った断面図
であり、図５（ｂ）は、Ｗ−Ｚに沿った断面図である。
図５において４はレーザ照射により結晶化された多結晶
シリコン薄膜であり、５はレーザビームのエッジ部の影
響により形成された微結晶なシリコン薄膜の領域であ
る。Ｌは分割された駆動領域の間隔であり１００μｍか
ら５ｍｍの距離がある。ＰＡＲＩＡは画素トランジスタ
が形成される領域、ＤＣＡは駆動回路が形成される領域
である。

【００２３】上記多結晶シリコン薄膜をレーザー照射す
るときの条件は、ＸｅＣｌエキシマレーザーの場合、例
えばエネルギー強度分布を均一に調整した３５０ｍＪ／
ｃｍ²の強度のビームを真空中で照射する。

【００２４】ＡＲＩＡ１〜３の走査線方向の長さが１０
ｃｍであり、信号線方向の長さが２ｍｍであれば、試料
直前のパルスのエネルギーは７００ｍＪでよい。レーザ
ー発振器の出力が１パルスあたり１Ｊであれば、レーザ
ビームの形状を特殊な光学系で上記の大きさに成形し
て、試料までの光学系の透過率をアッテネーターなどで
調節して０．７にすれば、レーザ照射の対象となる領域
のシリコン薄膜の再結晶化が可能となる。ＡＲＩＡ４〜
６の領域の面積がＡＲＩＡ１〜３と異なれば、光学系の
調整によって、必要な形状と透過率にしてレーザ照射す
ればよい。レーザ発振器の１パルスあたりの最大出力エ
ネルギーが自由に変更できないときには、液晶表示体の
表示面積の大きさに対応してレーザ照射が必要な駆動回
路の分割する面積と駆動回路の分割数を調節すればよ
い。例えば、表示部の大きさが信号線方向で１５０ｃｍ
であり、走査線方向で２００ｃｍであり、シリコン薄膜
の結晶化に必要なレーザ強度とレーザ発振器の出力が上
記の例と同じ条件ならば、信号線側の駆動回路を２０個
の領域に分割して形成し、さらに走査線側の駆動回路を
１５個の領域に分割して形成すればよい。次に、図６に
示すように、シリコン薄膜をリソグラフィー法によって
島状にパターニングする。さらにソースガスにＳｉＨ₄
とＯ₂を用いたＥＣＲ−ＣＶＤ法によって、厚さ１５０
ｎｍの酸化シリコン薄膜によるゲート絶縁膜を、上記島
状のシリコン薄膜を覆うように被着形成する。さらに、
上記ゲート絶縁膜に覆われた島状のシリコン薄膜に一部
分重なるように、ゲート電極９を形成する。ゲート電極
の材料は、金属薄膜、不純物が注入されたシリコン薄膜
などの電気抵抗の低い材質がよい。たとえば減圧ＣＶＤ
法で形成された厚さ３００ｎｍのリン原子を含んだ多結
晶シリコン薄膜を基板上に被着形成して、リソグラフィ
ー法によりパターニングしてゲート電極を形成する。

【００２５】次に、図７に示すように、上記島状のシリ
コン薄膜中に、ソース領域とドレイン領域を形成するた
め上記ゲート電極に対して自己整合的に不純物をイオン
注入する。駆動回路をＣ−ＭＯＳ回路で構成するため、
適宜イオン注入に対して阻止能力のある材料をマスクに
用いて不純物を注入する。たとえば、適宜にレジストを
マスクにして、ｐ型の薄膜トランジスタの構成のために
はホウ素イオンを、ｎ型の薄膜トランジスタの構成のた
めにはリンイオンを注入する。あるいは、駆動回路をｎ
型のみの薄膜トランジスタによって、あるいは、ｐ型の
みの薄膜トランジスタによって構成しても構わない。

【００２６】図７で１０はｐ型の不純物が注入された領
域、１１はｎ型の不純物が注入された領域である。次
に、６００℃の温度でアニールしてソース領域とドレイ
ン領域中の不純物を活性化する。次に、薄膜トランジス
タの活性領域に存在するダングリングボンド減少させる
ためにＥＣＲ−ＣＶＤ法により必要な量の水素粒子を注
入する。

【００２７】次に、図８で示すように、スパッタ法によ
り厚さ１５０ｎｍのＣｒ薄膜を被着形成してパターニン
グにより、走査線を形成する。次に、酸化シリコン膜に
よる層間絶縁膜１５を被着形成し、ソース領域、ドレイ
ン領域およびゲート電極に到達するスルーホールを形成
する。次に、ＩＴＯ薄膜をスパッタ法により被着形成し
て、リソグラフィー法により画素電極１６を被着形成す
る。さらに、スパッタ法によりシリコン原子と銅原子を
含んだＡｌ薄膜をスパッタ法により形成して、パターニ
ングにより信号線と駆動回路に必要な配線１７を形成す
る。さらに、薄膜トランジスタを外部環境から保護する
ため窒化珪素膜によってパッシベーション膜１８を形成
する。

【００２８】上記の例では、多結晶シリコン２のレーザ
照射による結晶化を、パターニングの前に行っている。
この場合も隣接する駆動回路の間に、レーザービームの
エッジ部が存在するようにレーザ照射する。この後のア
クティブマトリクス基板の製造工程は図６以下で示した
工程と同じである。

【００２９】上記の実施例では、自己整合型の例を示し
たが、非自己整合型の薄膜トランジスタによるアクティ
ブマトリクス基板の製造にも本発明は適用できる。

【００３０】上記の実施例では、多結晶シリコン薄膜を
レーザ照射したシリコン薄膜により駆動回路を構成した
アクティブマトリクス基板の製造方法を示したが、アモ
ルファスシリコン膜をレーザ照射することでも本発明は
適用できる。

【００３１】上記の例では、表示領域の画素電極を駆動
するための薄膜トランジスタはｎ型であるが、目的によ
ってはｐ型でもよく、さらには、ｎ型とｐ型の両タイプ
の薄膜トランジスタによって、画素電極を駆動してもよ
い。

【００３２】

【発明の効果】本発明の方法によって構成された駆動回
路は、レーザ照射により良質なシリコン薄膜によって製
造されているため移動度の高い薄膜トランジスタによっ
て構成されているため周波数特性が高くなる。

【００３３】この上記の方法により、高精細で、均一な
表示特性の表示領域を持ち、この表示領域の薄膜トラン
ジスタを駆動するための、電気的特性の優れた均一な駆
動能力ができる駆動回路内蔵型のアクティブマトリクス
液晶表示体を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の駆動回路内蔵のアクティブマトリク
ス基板の概略図。

【図２】 本発明の駆動回路内蔵型アクティブマトリク
ス基板の回路図。

【図３】 本発明のアクティブマトリクス基板の製造方
法の工程図。

【図４】 本発明のレーザ照射後のシリコン薄膜の分布
図。

【図５】 本発明のアクティブマトリクス基板の製造方
法の工程図。

【図６】 本発明のアクティブマトリクス基板の製造方
法の工程図。

【図７】 本発明のアクティブマトリクス基板の製造方
法の工程図。

【図８】 本発明のアクティブマトリクス基板の製造方
法の工程図。

【図９】 本発明のアクティブマトリクス基板の製造方
法の工程図。

【図１０】 従来例の図。

【符号の説明】

ＰＡＲＩＡ …アクティブマトリクス基板の表示領域 ＡＲＩＡ１、ＡＲＩＡ２、ＡＲＩＡ３ …信号線側駆動
回路領域 ＡＲＩＡ４、ＡＲＩＡ５、ＡＲＩＡ６ …走査線側駆動
回路領域 ＤＬ …信号線 ＳＬ …走査線 ＤＤＣ１、ＤＤＣ２、ＤＤＣ３ …信号線駆動回
路 ＳＤＣ４、ＳＤＣ５、ＳＤＣ６ …走査線駆動回
路 Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３ …バッファ回路 ＡＳＷ …アナログスイ
ッチ Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ …ビデオ信号 １ …絶縁基板 ２ …多結晶シリコ
ン薄膜 ３ …レーザ照射 ４ …再結晶化多結
晶シリコン ５ …微結晶シリコ
ン ６ …島状再結晶化
多結晶シリコン ７、１９ …島状多結晶シ
リコン ８ …ゲート絶縁膜 ９ …ゲート電極 １０、１２ …ｎ型ソース・
ドレイン領域 １１、１３、１４ …ｐ型ソース・
ドレイン領域 １５ …層間絶縁膜 １６ …画素電極 １７ …金属配線 １８ …パッシベーシ
ョン膜 １０１ …絶縁基板 １０２ …再結晶させる
半導体膜 １０３ …再結晶させな
い半導体膜

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の薄膜トランジスタを備えた画素領
   域と、これら複数の薄膜トランジスタを駆動する信号線
   側駆動回路および走査線側駆動回路とが同一基板上に形
   成され、前記信号線側駆動回路および走査線側駆動回路
   を複数に分割し、この分割された各回路の複数の薄膜ト
   ランジスタの半導体薄膜にレーザービームを照射して結
   晶成長させてなるアクティブマトリクス基板の製造方法
   であって、前記複数に分割された各回路領域は画素側の
   辺の長さがこれに垂直な辺の長さに比べ長い長尺状とさ
   れ、前記信号線側駆動回路および走査線側駆動回路への
   レーザービームの照射は、分割された信号線側駆動回路
   同士および走査線側駆動回路同士の間隙に前記レーザー
   ビームのエッジ部が存在するように且つ前記信号線側駆
   動回路ならびに走査線側駆動回路と前記画素領域との間
   に前記レーザービームのエッジ部が存在するように前記
   薄膜トランジスタの半導体層をパターニングする前に照
   射し、前記分割された信号線側駆動回路同士および走査
   線側駆動回路同士の薄膜トランジスタ間は、１００μｍ
   から５ｍｍの距離に形成されていることを特徴とするア
   クティブマトリクス基板の製造方法。