JP3392325B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、液晶表示装置に
関し、特に、絶縁表面を有する基板上に設けられた薄膜
トランジスタ等に用いられる半導体薄膜を用いたアクテ
ィブマトリクス型の液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、大型で高解像度の液晶表示装置、
高速で高解像度の密着型イメージセンサ、三次元ＩＣ等
の実現に向けて、ガラス等の絶縁基板上や絶縁膜上に高
性能な半導体素子を形成する試みがなされている。これ
らの装置に用いられる半導体素子には、ケイ素半導体薄
膜を用いるのが一般的である。上記ケイ素半導体薄膜と
しては、非晶質ケイ素半導体(ａ−Ｓi)からなる薄膜と
結晶性を有するケイ素半導体からなる薄膜の２つに大別
される。

【０００３】上記非晶質ケイ素半導体からなる薄膜は、
作製温度が低く、気相法で比較的容易に作製することが
可能で量産性に富むため、最も一般的に用いられてい
る。しかしながら、上記非晶質ケイ素半導体からなる薄
膜は、結晶性を有するケイ素半導体からなる薄膜に比べ
て導電性等の物性が劣るため、より高速な特性を得るた
めには、結晶性を有するケイ素半導体からなる薄膜の製
造方法の確立が強く求められている。なお、結晶性を有
するケイ素半導体としては、多結晶ケイ素、微結晶ケイ
素等が知られている。

【０００４】これら結晶性を有するケイ素半導体薄膜の
製造方法としては、次の(１)〜(３)がある。

【０００５】(１) 成膜時に結晶性を有する膜を直接成
膜する方法。

【０００６】(２) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、
熱エネルギーを加えることにより結晶性化する方法。

【０００７】(３) 非晶質の半導体膜を成膜しておき、
レーザー光等の強光のエネルギーにより結晶化する方
法。

【０００８】上記(１)の方法では、成膜工程と同時に結
晶化が進行するので、大粒径の結晶性ケイ素膜を得るこ
とが難しく、結晶粒径を大きくするには、ケイ素膜の厚
膜化が不可欠となる。しかしながら、例え厚膜化したと
しても、基本的には膜厚と同程度の結晶粒径しか得られ
ず、この(１)の方法により良好な結晶性を有するケイ素
膜を作製することは原理的にほとんど不可能である。

【０００９】また、(２)の方法は、結晶化のときに６０
０℃以上の高温で数十時間にわたって加熱処理を行う必
要があるため、生産性に非常に乏しい。また、固相結晶
化現象を利用するため、結晶粒は基板面に平行に拡がり
数μmの粒径を有するものも現れるが、成長した結晶粒
同士がぶつかり合って粒界が形成され、その粒界がキャ
リアに対するトラップ準位として働き、薄膜トランジス
タの移動度を低下させる大きな原因となっている。さら
に、それぞれの結晶粒は双晶構造を示し、一つの結晶粒
内においても、いわゆる双晶欠陥と呼ばれる結晶欠陥が
多量に存在している。

【００１０】このため、現在は(３)の方法が主流となっ
ている。この(３)の方法では、溶融固化過程を利用して
結晶化するので、個々の結晶粒内の結晶性は非常に良好
である。また、照射光の波長を選ぶことで、アニールの
対象であるケイ素膜のみを効率的に加熱し、下層のガラ
ス基板等への熱的損傷を防ぐことができると共に、(２)
の方法のような長時間にわたる加熱処理が不要である。
また、製造に用いられる装置面でも、高出力のエキシマ
レーザーアニール装置等が開発され、大面積基板に対し
ても対応可能になりつつある。

【００１１】この(３)の方法を利用して、結晶性ケイ素
薄膜を形成する方法が、特開平６−１６３５８８公報に
示されている。上記結晶性ケイ素薄膜を形成する方法で
は、結晶化された結晶性ケイ素膜に対して、研磨剤を用
いてその表面を研磨して、結晶性ケイ素膜表面の凹凸を
低減している。

【００１２】また、特開平７−３８１１０号公報に示さ
れている結晶性ケイ素薄膜を形成する方法では、５×１
０²⁰atoms／cm³以下の低水素濃度の非晶質ケイ素膜を形
成した後、エキシマレーザーや連続発振Ａrレーザー等
のレーザー光を照射し、上記非晶質ケイ素膜を溶融固化
過程において結晶化している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】現在の技術において、
高性能な薄膜半導体装置を実現するためには、その活性
領域を構成するケイ素半導体薄膜の作製において、少な
くとも上記(３)の方法を用いざるをえない。ところが、
上記(３)の方法で得られる結晶性ケイ素膜では、その表
面ラフネスの大きさに大きな問題がある。すなわち、上
記(３)の方法では、非晶質ケイ素膜は、強光のエネルギ
ーにより、その融点１４１４℃以上まで瞬時に加熱さ
れ、数十nsec程度の冷却時間で室温付近まで冷却されて
固化する。このとき、あまりにも固化速度が速いので、
ケイ素膜は過冷却状態となり、一瞬にして固化される結
果、一般的に結晶粒径は１００〜２００nm程度と非常に
小さくなると共に、結晶粒がぶつかり合った点、すなわ
ち結晶粒界は山状に盛り上がる。この現象は、特に３つ
の結晶粒がぶつかり合った三極点で顕著となる。この結
晶成長に起因する山状の盛り上がりを以後「リッジ」と
呼ぶ。

【００１４】図７は実際に強光照射により結晶化された
結晶性ケイ素膜の表面状態の原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)像
を示している。図７において、Ｘ−Ｙ方向のフルスケー
ルは１μmであり、Ｚ方向のフルスケールは１００nmで
ある。図７に示すように、結晶性ケイ素膜の表面には、
多くのリッジが存在する。このような結晶性ケイ素膜に
より、ＭＯＳ型トランジスタ等の薄膜半導体装置の活性
領域を作製すると、結晶性ケイ素膜表面のリッジに電界
集中が起こるため、上層の絶縁膜の耐圧低下やリーク電
流の原因となる。したがって、薄膜半導体装置としての
信頼性が大きく低下し、実用に耐える薄膜半導体装置を
得ることは非常に困難である。

【００１５】また、液晶表示装置等のアクティブマトリ
クス基板においては、液晶容量と並列に補助容量が設け
られているが、画素用薄膜トランジスタのチャネル部と
共にその補助容量の電極として、上記結晶性ケイ素膜を
用いた場合、そのリッジによる表面積率の変化のため、
容量は設計値からずれて、表示むらやフリッカ等の表示
不良を引き起こす原因となる。

【００１６】上述の特開平６−１６３５８８号公報およ
び特開平７−３８１１０号公報は、上記問題点に対して
の一つの解決策として提案されているが、実際にはこれ
らの技術を用いても上記問題点の解決にはならない。

【００１７】なぜなら、特開平６−１６３５８８号公報
の半導体薄膜の製造方法では、研磨剤により結晶性ケイ
素膜の表面凹凸を研磨しているが、上記結晶性ケイ素膜
は薄膜半導体装置の活性領域であり、ＭＯＳトランジス
タにおいてはその表面はチャネル面を構成するため、こ
の面に対してダメージを与えることは、好ましくない。
上記研磨工程においては、結晶性ケイ素膜表面はかなり
の研磨ダメージを受け、このようなケイ素膜を活性領域
を用い薄膜半導体装置を製造したとしても、高品質な半
導体薄膜およびそれを用いた高信頼性および高性能な薄
膜半導体装置は全く得られない。

【００１８】また、特開平７−３８１１０号公報の半導
体薄膜の製造方法は、薄膜トランジスタにおける電界効
果移動度の向上に注目したものであり、結晶性ケイ素膜
の表面ラフネス(リッジ)について考慮されたものではな
い。実際に、本出願人が特開平７−３８１１０号公報に
従って薄膜トランジスタを作製し、評価を行ったとこ
ろ、その活性領域となる結晶性ケイ素膜表面のラフネス
は従来法に比べて大差なく、トランジスタ特性において
は、高信頼性と高性能は両立できず、トレードオフの関
係を示すことがわかっている。したがって、特開平７−
３８１１０号公報の技術だけでは、この発明の目的とす
る高品質な半導体薄膜を用いた高信頼性を有する高性能
な液晶表示装置を得ることはできない。

【００１９】そこで、この発明の目的は、表面ラフネス
を低減できる高品質な半導体薄膜を用いて、表示品位の
高い液晶表示装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明は、より大型で
より高解像度のアクティブマトリクス液晶表示装置、同
一基板上に液晶駆動用のドライバを作り込むドライバモ
ノリシック型アクティブマトリクス液晶表示装置を実現
することを目的とする。すなわち、この発明は、上述の
ようにレーザー光等の強光照射により得られる高品質な
半導体薄膜における従来の問題点を解決するものであ
る。具体的には、この発明は以下の特徴を有する。

【００２１】上記請求項１の液晶表示装置は、絶縁表面
を有する基板上に構成された画素電極を駆動する薄膜ト
ランジスタを有し、上記薄膜トランジスタに上記画素電
極による液晶容量と並列に補助容量が接続された液晶表
示装置において、上記薄膜トランジスタのチャネル領域
とその薄膜トランジスタに接続された上記補助容量を構
成する一方の電極は、膜中水素濃度が２×１０ ¹⁹ atoms
／cm ³ 以下の非晶質または微結晶状態のケイ素膜にエネ
ルギービームを照射することによって平均結晶粒径２５
０〜４００nmに結晶化させたケイ素膜であり、かつ、上
記エネルギービーム照射後のケイ素膜表面の平均面粗さ
Ｒaが５nm以下である半導体薄膜を用いて形成されてい
ることを特徴としている。

【００２２】本出願人は、エネルギービーム照射により
結晶化された結晶性ケイ素半導体薄膜において、上述の
問題点を解決することで、高性能な薄膜半導体装置や高
表示品位の液晶表示装置等様々な分野に応用される高品
質な結晶性ケイ素膜について研究した。その結果、つい
に、上記ケイ素膜表面のリッジによる問題点が解決で
き、目的とする高品質な結晶性ケイ素膜である半導体薄
膜およびそれを用いた高信頼性で高性能な薄膜半導体装
置を実現できることがわかった。

【００２３】本出願人による実験では、エネルギービー
ム照射後におけるケイ素膜の表面ラフネスすなわちリッ
ジの大きさは、エネルギービーム照射前のケイ素膜(出
発膜)の水素濃度に大きく左右され、水素含有量が多い
ほど表面ラフネスも大きくなった。これだけなら、一般
的にも考えられていることであるが、さらに膜中の水素
濃度が極めて低くなったときに、全く考えられなかった
ような表面ラフネスの減少傾向を示すことがわかった。

【００２４】図１はケイ素膜を結晶化するときのエネル
ギービームに波長３０８nmのＸeＣlエキシマレーザーを
用いた場合のレーザー光の照射エネルギー密度に対する
結晶化後のケイ素膜表面の平均面粗さＲaの変化を示し
ている。なお、図１の横軸は結晶化のときにケイ素膜に
照射されるレーザーの照射エネルギー密度を表し、縦軸
はレーザー照射後のケイ素膜表面の平均面粗さＲaを表
している。

【００２５】従来法でレーザー照射の出発膜として用い
られている非晶質ケイ素膜は、一般的にプラズマＣＶＤ
法により基板上に堆積させたものであり、膜中水素濃度
は１×１０²²atoms／cm³程度と非常に高濃度である。こ
のような膜にレーザー光を照射すると、その照射エネル
ギー密度に対する結晶化後のケイ素膜表面の平均面粗さ
Ｒaは、照射エネルギー密度に対して図１のＡで表され
るような関係を示している。すなわち、ある照射エネル
ギー密度ａより急激に表面ラフネスが大きくなり、それ
以上の照射エネルギー密度では膜自身が飛散する。この
原因としては、結晶化工程におけるリッジの発生に加え
て、膜中水素の突沸が考えられる。

【００２６】このため、上記のプラズマＣＶＤにより得
られた非晶質ケイ素膜に対して、４５０℃程度の熱処理
を行って、脱水素化してからレーザー光照射を行うのが
望ましい。上記熱処理後に得られたａ−Ｓi膜の膜中水
素濃度は、５×１０²⁰atoms／cm³程度である。この膜に
レーザー光を照射したとき、その照射エネルギー密度に
対するケイ素膜表面の平均面粗さＲaは、図１のＢのよ
うな関係を示している。すなわち、急激に表面ラフネス
が大きくなる点が、照射エネルギー密度ｂで示されるよ
うに、照射エネルギー密度のより高い側にシフトし、結
果としてＡに比べて、より高い照射エネルギー密度でレ
ーザー光照射が行えるようになる。

【００２７】上記膜中水素濃度が２×１０¹⁹atoms／cm³
以下のケイ素膜を出発膜としてレーザー照射した場合
が、図１におけるＣである。上記Ｂに比べ、急激なケイ
素膜表面ラフネスの増大が全く見られないことがわか
る。明らかに、ＢからＣへの過程で大きな変化が生じて
いることが予想される。

【００２８】図２は、図１における照射エネルギー密度
がｂ以上の大きさとなる点(具体的には照射エネルギー
密度３５０mJ／cm²)において、出発膜の膜中水素濃度
と、レーザー照射後のケイ素膜表面の平均面粗さＲaと
の関係を示している。なお、図２の横軸は出発膜の膜中
水素濃度、縦軸はレーザー照射後のケイ素膜表面の平均
面粗さＲaを表している。

【００２９】図２に示すように、出発膜における膜中水
素濃度が減少するに従って、レーザー照射後の表面ラフ
ネスも減少するが、膜中水素濃度が１×１０²⁰atoms／c
m³より小さくなったときに、表面ラフネスを表す平均面
粗さＲaが急激に減少し、さらに、膜中水素濃度が２×
１０¹⁹atoms／cm³以下では、平均面粗さＲaが飽和して
安定している。

【００３０】したがって、出発膜の膜中水素濃度を２×
１０¹⁹atoms／cm³以下とすることで、レーザー照射後の
ケイ素膜において、劇的に表面ラフネスが低減できる。
これにより、レーザー照射工程における処理マージンが
拡大すると共に、結晶化後のケイ素膜において膜質の均
一性が向上する。さらに当然のことながら、表面ラフネ
スが低減でき、半導体素子における信頼性低下を防ぐこ
とができ、また、結晶化のためのエネルギーを大きくす
ることができるため、より高品質な結晶性を有するケイ
素膜が得られ、それを利用してより高性能な薄膜半導体
装置を実現することが可能となる。

【００３１】また、膜中水素濃度２×１０¹⁹atoms／cm³
以下とすることで、図１のＣに見られるようにエネルギ
ービーム照射時の照射エネルギー密度に依存せず、ケイ
素膜の表面ラフネスを一定値以下に抑えることができ
る。

【００３２】また、例えば、トップゲート型の電界効果
薄膜トランジスタにこの半導体薄膜を用いた場合では、
活性領域表面(チャネル面)の平均面粗さＲaが５nmを境
として、それ以上の値となった場合には、急激な素子の
信頼性低下(例えばゲート絶縁膜を介したりーク電流増
大等)が生じる。しかしながら、活性領域であるケイ素
膜の結晶性が向上するにつれて、素子性能が向上するた
め、従来法においては、ケイ素膜表面の平均面粗さＲa
が５nm程度となるようにしていた。これでは、ケイ素膜
の結晶性を、ある程度以上に向上することはできず、ま
た、ケイ素膜表面の平均面粗さＲaを５nm程度となるよ
うにしても、エネルギービーム照射工程におけるばらつ
きのため、局所的にケイ素膜表面の平均面粗さＲaが大
きくなる領域が存在し、そこに形成された薄膜トランジ
スタは、信頼性が他の薄膜トランジスタに比べて劣って
いる。この発明の半導体薄膜では、例えエネルギービー
ム照射工程において照射エネルギーがばらついても、ケ
イ素膜表面の平均面粗さＲaを５nmにするので、全ての
半導体素子において同様の高い信頼性が得られると共
に、表面ラフネスにかかわらず、ケイ素膜の結晶化エネ
ルギーを最適化できるため、所望の高品質な結晶性ケイ
素膜である半導体薄膜およびそれを用いた高性能な薄膜
半導体装置を得ることができる。

【００３３】そして、液晶表示用のアクティブマトリク
ス基板では、ゲートパルス信号がオフされたときに発生
する画素電極部における電圧降下現象を緩和するため、
液晶画素容量と並列に補助容量を設けている。この補助
容量が大きいほど上記電圧降 下を小さくできるため、ま
た、製造プロセス簡略の面からも、薄膜トランジスタの
ゲート絶縁膜と同一層により構成するのが最も望まし
い。しかしながら、上記補助容量のばらつきは、画面上
にフリッカ等の表示むらを引き起こす原因となる。従来
のエネルギービーム照射により得られる結晶性ケイ素膜
を用い補助容量電極を作製した場合には、リッジによる
表面ラフネスのため補助容量がばらつき、良好な表示品
位の液晶表示装置を得ることは難しかった。これに対し
て、上記液晶表示用のアクティブマトリクス基板におい
て、上記半導体薄膜を用いて、画素用薄膜トランジスタ
のチャネル領域に加え、液晶画素容量と並列に接続され
た補助容量の一方の電極を構成することによって、表面
ラフネスの絶対値およびばらつきが大きく低減されるた
め、補助容量のばらつきを抑え、表示むらのない表示品
位の高い液晶表示装置が得られる。したがって、基板上
に複数の薄膜トランジスタが配置された液晶表示装置に
おいて、上記半導体薄膜を用いることによってさらにこ
の発明の効果が発揮できる。

【００３４】また、請求項２の液晶表示装置は、絶縁表
面を有する基板上に構成された画素電極を駆動する薄膜
トランジスタを有し、上記薄膜トランジスタに上記画素
電極による液晶容量と並列に補助容量が接続された液晶
表示装置において、上記薄膜トランジスタのチャネル領
域とその薄膜トランジスタに接続された上記補助容量を
構成する一方の電極は、膜中水素濃度が２×１０ ¹⁹ atom
s／cm ³ 以下の非晶質または微結晶状態のケイ素膜にエネ
ルギービームを照射することによって平均結晶粒径２５
０〜４００nmに結晶化させたケイ素膜であって、上記エ
ネルギービーム照射後のケイ素膜表面の平均面粗さＲa
が５nm以下である半導体薄膜を用いて形成され、上記ケ
イ素膜表面の平均面粗さＲaは、原子間力顕微鏡によっ
て１０μm□以下の測定エリアに対して測定された値で
あることを特徴としている。

【００３５】上記請求項２の液晶表示装置によれば、上
記半導体薄膜を用いて、画素用薄膜トランジスタのチャ
ネル領域に加え、液晶画素容量と並列に接続された補助
容量の一方の電極を構成することによって、表面ラフネ
スの絶対値およびばらつきが大きく低減されるため、補
助容量のばらつきを抑え、表示むらのない表示品位の 高
い液晶表示装置が得られる。したがって、基板上に複数
の薄膜トランジスタが配置された液晶表示装置におい
て、上記半導体薄膜を用いることによってさらにこの発
明の効果が発揮できる。また、上記ケイ素膜表面の平均
面粗さＲaとは、基準面(指定面の高さの平均値となるフ
ラット面)から指定面までの偏差の絶対値を平均した値
であり、 Ｒa＝１／Ｓ₀∫∫｜Ｆ(Ｘ，Ｙ)−Ｚ₀｜ｄＸｄＹ で表される。なお、Ｓ₀は基準面の面積、Ｚ₀は基準面の
高さ、Ｆ(Ｘ，Ｙ)は座標(Ｘ，Ｙ)における指定面の高さ
を表している。この発明の半導体薄膜において定義され
る平均面粗さＲaが、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)で１０μm
□以下の測定エリアに対して測定された値であれば、サ
ブnmオーダーまでの測定信頼性があり、この発明の主旨
を損なうことはない。

【００３６】また、請求項３の液晶表示装置は、絶縁表
面を有する基板上に構成された画素電極を駆動する薄膜
トランジスタを有し、上記薄膜トランジスタに上記画素
電極による液晶容量と並列に補助容量が接続された液晶
表示装置において、上記薄膜トランジスタのチャネル領
域とその薄膜トランジスタに接続された上記補助容量を
構成する一方の電極は、膜中水素濃度が２×１０ ¹⁹ atom
s／cm ³ 以下の非晶質または微結晶状態のケイ素膜にエネ
ルギービームを照射することによって平均結晶粒径２５
０〜４００nmに結晶化させたケイ素膜であって、上記エ
ネルギービーム照射後のケイ素膜表面の平均面粗さＲa
が５nm以下である半導体薄膜を用いて形成され、上記非
晶質または微結晶状態のケイ素膜の厚さが２０nmから６
０nmの範囲内であることを特徴としている。

【００３７】上記請求項３の液晶表示装置によれば、上
記半導体薄膜を用いて、画素用薄膜トランジスタのチャ
ネル領域に加え、液晶画素容量と並列に接続された補助
容量の一方の電極を構成することによって、表面ラフネ
スの絶対値およびばらつきが大きく低減されるため、補
助容量のばらつきを抑え、表示むらのない表示品位の高
い液晶表示装置が得られる。したがって、基板上に複数
の薄膜トランジスタが配置された液晶表示装置におい
て、上記半導体薄膜を用いることによってさらに この発
明の効果が発揮できる。また、厚さ６０nm以下にケイ素
膜を薄膜化することによって、レーザー光等のエネルギ
ービームを照射し、溶融固化過程で結晶化するときに、
ケイ素膜全体(表面から下層界面にわたって)が均一に溶
融し、結晶粒が大きく成長すると共に、結晶粒径のばら
つきも小さく抑えることができる。さらに、上記ケイ素
膜を６０nm以下に薄膜化することによって、上述のよう
にエネルギービーム照射後に得られる結晶性ケイ素膜表
面の平均面粗さＲaを、その照射エネルギーによらず、
５nm以下に抑えることが可能となる。しかし、上記非晶
質または微結晶状態のケイ素膜の厚さが２０nm以下にな
ると、エネルギービームの照射エネルギーが低い領域で
も、ケイ素膜の膜飛びや膜剥がれが発生するようにな
り、半導体薄膜として用いるのは困難となる。

【００３８】また、上記液晶表示装置に用いられる半導
体薄膜の製造方法としては、膜中水素濃度が２×１０¹⁹
atoms／cm³以下の非晶質または微結晶状態のケイ素膜を
堆積する工程と、上記ケイ素膜に対してエネルギービー
ムを照射することによって、上記ケイ素膜を結晶化さ
せ、その表面の平均面粗さＲaを５nm以下にする工程と
を有することが望ましい。

【００３９】上記半導体薄膜の製造方法によれば、出発
膜の膜中水素濃度を２×１０¹⁹atoms／cm³以下とするこ
とで、エネルギービーム照射後のケイ素膜において、劇
的に表面ラフネスが低減できる。これにより、エネルギ
ービーム照射工程における処理マージンが拡大すると共
に、結晶化後のケイ素膜において膜質の均一性が向上す
る。さらに当然のことながら、表面ラフネスが低減で
き、半導体素子における信頼性低下を防ぐことができる
と共に、結晶化のためのエネルギーを大きくすることが
できるため、より高品質な結晶性ケイ素膜が得られ、そ
れを利用してより高性能な薄膜半導体装置を実現するこ
とが可能となる。

【００４０】また、膜中水素濃度２×１０¹⁹atoms／cm³
以下とすることで、エネルギービーム照射時の照射エネ
ルギーに依存せず、ケイ素膜の表面ラフネスを一定値以
下に抑えることができる。

【００４１】また、例えば、トップゲート型の電界効果
薄膜トランジスタにこの半導体薄膜を用いた場合では、
活性領域表面(チャネル面)の平均面粗さＲaが５nmを境
として、それ以上の値となった場合には、急激な素子の
信頼性低下(例えばゲート絶縁膜を介したりーク電流増
大等)が生じる。しかしながら、活性領域であるケイ素
膜の結晶性が向上するにつれて、素子性能が向上するた
め、従来法においては、ケイ素膜表面の平均面粗さＲa
が５nm程度となるようにしていた。これでは、ケイ素膜
の結晶性を、ある程度以上に向上することはできず、ま
た、ケイ素膜表面の平均面粗さＲaを５nm程度となるよ
うにしても、エネルギービーム照射工程におけるばらつ
きのため、局所的にケイ素膜表面の平均面粗さＲaが大
きくなる領域が存在し、そこに形成された薄膜トランジ
スタは、信頼性が他の薄膜トランジスタに比べて劣って
いる。この発明の半導体薄膜では、例えエネルギービー
ム照射工程において照射エネルギーがばらついても、ケ
イ素膜表面の平均面粗さＲaを５nmにするので、全ての
半導体素子において同様の高い信頼性が得られると共
に、表面ラフネスにかかわらず、ケイ素膜の結晶化エネ
ルギーを最適化できるため、所望の高品質な結晶性ケイ
素膜である半導体薄膜およびそれを用いた高性能な薄膜
半導体装置を得ることができる。

【００４２】また、上記半導体薄膜の製造方法におい
て、上記非晶質または微結晶状態のケイ素膜を結晶化す
るためのエネルギービームは、波長５００nm以下のレー
ザー光とするのが望ましい。

【００４３】上記半導体薄膜の製造方法によれば、膜中
水素濃度が所定値の非晶質または微結晶状態のケイ素膜
を絶縁性基板等に堆積し、その後にエネルギービームを
照射して結晶化させるとき、上記非晶質または微結晶状
態のケイ素膜を結晶化するためのエネルギービームに波
長５００nm以下のレーザー光を用いる。そうすると、上
記波長５００nm以下のレーザー光は、ケイ素膜に対する
吸収係数が極めて高いため、絶縁性基板に熱的ダメージ
を与えることなく、ケイ素膜のみを瞬時に加熱すること
ができる。また、上記レーザー光を用いることで、非晶
質ケイ素膜を瞬時に、融点１４１４℃に加熱するだけの
高出力化が可能となる。

【００４４】また、上記半導体薄膜の製造方法におい
て、上記波長５００nm以下のレーザー光は波長３０８nm
のＸeＣlエキシマレーザー光であって、上記ケイ素膜に
対して照射エネルギー密度が２５０〜４００mJ／cm²の
範囲内の上記ＸeＣlエキシマレーザー光を照射すること
によって、上記ケイ素膜を結晶化させるのが望ましい。

【００４５】上記半導体薄膜の製造方法によれば、上記
波長３０８nmのＸeＣlエキシマレーザー光は、出力が大
きいため、ケイ素膜を形成する基板に照射するときのビ
ームサイズを大きくでき、大面積基板に対応しやすく、
また出力も比較的安定しており、量産装置に適用する上
で最も望ましい。また、上記エキシマレーザー光をケイ
素膜に照射して結晶化するとき、２５０mJ／cm²以上の
照射エネルギー密度であれば、薄膜ケイ素膜がほぼ完全
に下層まで溶融し、高品質な結晶性ケイ素膜が得られ
る。しかしながら、４００mJ／cm²以上の照射エネルギ
ー密度においては、ケイ素膜の膜飛びや膜剥がれが発生
するため、これ以上エネルギーアップしても良好な状態
の結晶性ケイ素薄膜は得られない。

【００４６】また、上記半導体薄膜の製造方法におい
て、上記膜中水素濃度を有する非晶質または微結晶状態
のケイ素膜を堆積する工程において、シリコンターゲッ
トを用いたスパッタリング法により上記ケイ素膜を堆積
するのが好ましい。

【００４７】上記半導体薄膜の製造方法によれば、堆積
段階において膜中に取り込まれた水素原子は、その後に
熱処理を行っても、所望の低濃度までは低減することは
できないので、結晶化の出発膜としての非晶質ケイ素膜
の形成は、堆積段階において十分に低水素濃度化してお
く必要がある。上記シリコンターゲットを用いたスパッ
タリング法では、水素を用いることなく膜形成が行える
ため、極めて低水素濃度の非晶質ケイ素膜が得られる。
なお、このシリコンターゲットを用いたスパッタリング
法では、ソースとなるシリコンターゲット自身の純度
と、成膜前の装置チャンバー内の到達真空度の高さがポ
イントであり、ターゲットに高純度単結晶シリコンを用
いて、成膜前の到達真空度を１×１０^-7Torr以下にする
ことによって、膜中の水素濃度をさらに低減できると共
に、より緻密な非晶質あるいは微結晶状態のケイ素膜が
得られる。この場合、結晶成長に悪影響を与える酸素等
の不純物も低減できる。

【００４８】また、上記半導体薄膜の製造方法におい
て、上記膜中水素濃度を有する非晶質または微結晶状態
のケイ素膜を堆積する工程を、ＳiＨ₄ガスを用いて、温
度５５０℃以上の化学気相成長法により上記ケイ素膜を
堆積するのが好ましい。

【００４９】上記半導体薄膜の製造方法によれば、極低
水素濃度のケイ素薄膜の形成するには、ＳiＨ₄ガスを用
いて、温度５５０℃以上の化学気相成長(ＣＶＤ)法が有
効である。このＣＶＤ法は、その成膜過程において水素
が存在するため、スパッタリング法に比べて膜中の膜中
水素濃度は必然的に多くなる。したがって、Ｓi₂Ｈ₆に
比べ、反応性の低いＳiＨ₄ガスを用いることによって、
成膜温度を高めると共に成膜速度を低減し、得られるケ
イ素膜の膜中濃度を低減できる。また、所望の極低水素
濃度のケイ素膜を得るためには、成膜時の温度が５５０
℃以上である必要がある。また、熱ＣＶＤ法は、常圧状
態と減圧状態で行うものに大別できるが、膜中の水素濃
度低減とケイ素膜の繊密性を高める意味から、減圧状態
でのＣＶＤ法がより望ましい。このようにして形成した
ケイ素膜は、より低水素濃度という面ではスパッタリン
グ法により形成されたケイ素膜には及ばないが、その他
の不純物元素濃度は低くなる。

【００５０】また、絶縁表面を有する基板上に構成され
たトップゲート型薄膜トランジスタを有する薄膜半導体
装置において、上記薄膜トランジスタの活性領域を、上
記半導体薄膜を用いて形成するのが好ましい。

【００５１】上記薄膜半導体装置によれば、上記トップ
ゲート型薄膜トランジスタでは、活性領域表面に存在す
るリッジは、電界集中が生じるウィークポイントとな
り、ゲート絶縁膜の耐圧特性を大きく損なわせ、また、
リッジが存在する活性領域表面がトランジスタ動作にお
けるチャネル面となるため、キャリアに対する散乱中心
ともなり、電界効果移動度の低下を招く。ところが、上
記半導体薄膜を、ＭＯＳ構造を有するトップゲート型薄
膜トランジスタの活性領域として利用することによっ
て、そのような耐圧不良や電界効果移動度の低下を防止
できる。上記トップゲート型薄膜トランジスタは、この
発明の半導体薄膜の効果を最も享受することができる薄
膜半導体装置である。また、従来のレーザー結晶化の問
題点である照射エネルギーのばらつきによる複数の薄膜
トランジスタ間での特性ばらつきに対して、そのマージ
ンを広げ、複数の薄膜トランジスタ間での特性ばらつき
を最低レベルに抑えることができる。上記高品質な結晶
性ケイ素膜である半導体薄膜は、上記トップゲート型薄
膜トランジスタを初めとする薄膜半導体装置全般におい
て、その活性領域に利用できる。

【００５２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の液晶表示装置を
図示の実施の形態により詳細に説明する。

【００５３】（第１実施形態） この発明の第１実施形態の液晶表示装置について説明す
る。この第１実施形態では、ガラス基板上に高品質な結
晶性を有するケイ素膜を作製し、さらにそのケイ素膜を
用いて、液晶表示装置用のアクティブマトリクス基板を
作製する工程について説明する。なお、上記アクティブ
マトリクス基板には、各画素電極をスイッチングするた
めの素子としてＮ型薄膜トランジスタを形成している。
また、実際のアクティブマトリクス基板では、数十万個
以上の薄膜トランジスタが配列しているが、この第１実
施形態では、説明を簡略化するために、任意の画素用薄
膜トランジスタ一つに注目して説明を行う。

【００５４】図３はこの第１実施形態のアクティブマト
リクス基板の画素用薄膜トランジスタの作製工程を示す
図であり、(Ａ)から(Ｅ)の順に作製工程が順次進行す
る。また、図４はこの発明による結晶性ケイ素薄膜を形
成するときの、レーザー光照射工程における概略図であ
る。そして、図３および図４において、３aで示される
のがこの発明により得られる高品質な半導体薄膜として
の結晶性ケイ素膜であり、完成した画素用薄膜トランジ
スタ１７の断面を図３(Ｅ)に示している。

【００５５】まず、図３(Ａ)に示すように、ガラス基板
１上に例えばスパッタリング法等によって厚さ３００nm
程度の酸化ケイ素からなる下地膜２を形成する。この酸
化ケイ素膜は、ガラス基板からの不純物の拡散を防ぐた
めに設けられる。次に、同じくスパッタリング法によっ
て、厚さ２０〜６０nm(例えば３０nm)の非晶質ケイ素
(以下、ａ−Ｓiという)膜３を成膜する。上記下地膜２
とａ−Ｓi膜３は、マルチチェンバー型スパッタリング
装置を用い、大気中に出すことなく連続して形成するの
がより望ましい。このようにすることで、上記下地膜２
とａ−Ｓi膜３の界面特性が向上し、より安定した特性
の薄膜トランジスタを得ることができる。上記ａ−Ｓi
膜３の成膜条件としては、基板全体を２００℃に加熱
し、成膜前の到達真空度を１×１０^-7Torr以下としてか
ら、アルゴンガス雰囲気中にて成膜を行う。上記成膜ソ
ースとしては、単結晶シリコンを用いた。このようにし
て得られたａ−Ｓi膜３の膜中水素濃度は、二次イオン
質量分析法(ＳＩＭＳ)により測定した結果、５×１０¹⁸
〜１×１０¹⁹atoms／cm³であった。なお、上記ａ−Ｓi
膜３の膜中水素濃度は、二次イオン質量分析法により測
定されて、定義される値であるので、データの再現性も
良好で、この発明に適用するのに十分な測定精度(測定
下限は、１×１０¹⁸atoms／cm³程度)を有しており、膜
中水素濃度の値としての信頼性が高い。

【００５６】次に、図３(Ｂ)に示すように、レーザー光
４をａ−Ｓi膜３に照射し、ａ−Ｓi膜３を結晶化して、
高品質な結晶性ケイ素膜３aを形成する。このときのレ
ーザー光として、ＸeＣlエキシマレーザー(波長３０８n
m、パルス幅４０nsec)を用いる。上記レーザー光４の照
射条件は、照射時に基板を２００〜５００℃(例えば４
００℃)に加熱し、照射エネルギー密度２５０〜４００m
J／cm²(例えば３２０mJ／cm²)とした。実際には、図４
に示すように、長尺型ビーム形状を有するパルスレーザ
ー光を順次走査することで、基板全面にわたってａ−Ｓ
i膜３を結晶化する。上記レーザー光は、図４におい
て、基板表面におけるビームサイズが長辺Ｗ×短辺Ｌ
(具体的には例えば１５０mm×ｌmm)の長尺矩形状となる
ように、ホモジナイザーによって成型されており、その
短辺方向２０に順次走査される。また、上記レーザー光
は、走査方向２０に対して台形状の強度プロファイル１
９を有しており、ａ−Ｓi膜３に対する溶融しきい値の
強度が２１のラインで示されている。したがって、その
強度値でのビーム幅２２が実際に結晶化に寄与する範囲
であり、レーザー光の１パルスにて結晶化されるケイ素
膜３aの幅は、ビーム幅２２となる。

【００５７】そして、上記レーザー光１９を走査ピッチ
２３にて２０の方向に走査しながら照射し、目的とする
高品質な結晶性ケイ素膜３aを基板１全面に形成する。
上記レーザー光１９では、走査ピッチを０．１mmと設定
したため、ケイ素膜３の任意の一点につき計１０回のレ
ーザー照射が行われる。このようにして得られた結晶性
ケイ素膜３a表面の平均面粗さＲaを原子間力顕微鏡(Ａ
ＦＭ)にて、５μm□以下のエリアに対して測定すると
３．５〜４．５nm程度と、従来に比べ非常にスムースな
表面となった。また、上記結晶性ケイ素膜３aを構成す
る各結晶粒をＴＥＭ(透過型電子顕微鏡)にて観察する
と、平均結晶粒径は２５０〜３００nm程度であり、結晶
粒内の結晶欠陥が低く抑えられていた。また、上記結晶
性ケイ素膜３aにおいて、ガラス基板１全面にわたる膜
質の均一性を評価するため、ラマン分光法により結晶Ｓ
ｉのフォノンピークを基板内の任意の１００点で測定
し、その均一性を評価した。その結果、そのピーク半値
全幅は４．６〜４．８cm^-1の範囲内であり、非常に良好
な均一性を示した。これに対して、従来の結晶性ケイ素
膜では、同様の測定にてピーク半値全幅は４．６〜５．
１cm^-1程度を示している。以上の工程により、高品質な
結晶性ケイ素膜３aが得られる。

【００５８】次に、上記結晶性ケイ素膜３aの不要な部
分を除去することで、図３(Ｃ)に示すような素子間分離
を行って、後に薄膜トランジスタの活性領域(ソース／
ドレイン領域、チャネル領域)を構成する島状のケイ素
膜５を形成する。

【００５９】引き続き、図３(Ｄ)に示すように、上記の
活性領域となる島状のケイ素膜５を覆うように厚さ２０
〜１５０nm、ここでは１００nmの酸化ケイ素膜をゲート
絶縁膜７として成膜する。上記酸化ケイ素膜の形成に
は、ここではＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silicate)
を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００℃
(好ましくは３００〜４５０℃)で、ＲＦ(高周波)プラズ
マＣＶＤ法で分解・堆積した。あるいは、ＴＥＯＳを原
料としてオゾンガスとともに減圧ＣＶＤ法または常圧Ｃ
ＶＤ法によって、基板温度を３５０〜６００℃(好まし
くは４００〜５５０℃)として形成してもよい。

【００６０】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３００〜６００nm(例えば４００nm)のアルミニウム
膜を成膜する。そして、上記アルミニウム膜をパターニ
ングして、ゲート電極８を形成する。上記ゲート電極８
は、同層で形成されるゲートバスライン(図示せず)に接
続されており、このゲートバスラインを介してゲート信
号がゲート電極８に入力される。さらに、このアルミニ
ウムのゲート電極８の表面を陽極酸化して、表面に酸化
物層９を形成する。この状態が図３(Ｄ)に相当する。上
記ゲート電極８の陽極酸化は、酒石酸が１〜５％含まれ
たエチレングリコール溶液中で行い、最初一定電流で２
２０Ｖまで電圧を上げ、その状態で１時間保持して終了
させる。このようにして得られた酸化物層９の厚さは２
００nmである。なお、上記酸化物層９は、後のイオンド
ーピング工程において、オフセットゲート領域を形成す
る厚さとなるので、オフセットゲート領域の長さを上記
陽極酸化工程で決めることができる。上記オフセットゲ
ート領域によって、薄膜トランジスタのオフ動作時のリ
ーク電流を低減する。

【００６１】次に、図３(Ｄ)に示すように、イオンドー
ピング法によって、ゲート電極８とその周囲の酸化物層
９をマスクとして活性領域に不純物(リン)１０を注入す
る。このときのドーピングガスとして、フォスフィン
(ＰＨ₃)を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ(例えば８０
ｋＶ)、ドーズ量を１×１０¹⁵〜８×１０¹⁶cm^-2(例えば
２×１０¹⁵cm^-2)とする。この工程により、不純物が注
入された領域１２,１３は、後に薄膜トランジスタのソ
ース／ドレイン領域となり、ゲート電極８およびその周
囲の酸化層９にマスクされ不純物が注入されない領域１
１は、後に薄膜トランジスタのチャネル領域を形成す
る。

【００６２】その後、レーザー光の照射によってアニー
ルを行って、イオン注入した不純物の活性化を行うと同
時に、上記の不純物導入工程で結晶性が劣化した部分の
結晶性を改善する。このとき、使用するレーザーとして
ＸeＣlエキシマレーザー(波長３０８nm、パルス幅４０n
sec)を用い、照射エネルギー密度１５０〜４００mJ／cm
²(好ましくは２００〜２５０mJ／cm²)で照射を行う。こ
うして形成されたＮ型不純物(リン)領域１２,１３のシ
ート抵抗は、２００〜８００Ω／□であった。

【００６３】そして、図３(Ｅ)に示すように、厚さ６０
０nm程度の酸化ケイ素膜を層間絶縁膜１４として形成す
る。上記酸化ケイ素膜は、ＴＥＯＳを原料として、これ
と酸素とのプラズマＣＶＤ法またはオゾンとの減圧ＣＶ
Ｄ法あるいは常圧ＣＶＤ法によって形成すると、段差被
覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。

【００６４】次に、上記層間絶縁膜１４にコンタクトホ
ールを形成して、ソース電極１５と画素電極１６を形成
する。上記ソース電極１５は、金属材料、例えば窒化チ
タンとアルミニウムの二層膜によって形成する。上記室
化チタン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを
防止する目的のバリア膜として設けられる。また、上記
ソース電極１５と同層でソースバスライン(図示せず)を
形成し、そのソースバスラインを介してソース電極１５
に映像信号を入力する。上記画素電極１６は、ＩＴＯ等
の透明導電膜により形成される。

【００６５】そして最後に、１気圧の水素雰囲気中で３
５０℃で１時間程度のアニールを行い、図３(Ｅ)に示す
Ｎ型薄膜トランジスタ１７を完成させる。上記アニール
処理には、薄膜トランジスタ１７の活性領域／ゲート絶
縁膜の界面に水素原子を供給し、薄膜トランジスタ特性
を劣化させる不対結合手を低減する効果がある。なお、
さらに薄膜トランジスタ１７を保護する目的で、必要な
箇所のみＳiＨ₄とＮＨ₃を原料ガスとしたプラズマＣＶ
Ｄ法により形成された室化ケイ素膜でカバーしてもよ
い。

【００６６】上記第１実施形態に従って作製された薄膜
トランジスタ１７は、電界効果移動度で８０〜１００cm
²／Ｖs、しきい値電圧１．５〜２Ｖという良好な特性を
示した。また、パネル内の薄膜トランジスタの均一性は
電界効果移動度で±８％程度、しきい値電圧で±０．２
Ｖ程度と非常に良好であり、繰り返し測定しても特性の
劣化は全く見られず、信頼性も非常に高いものであっ
た。その結果、この第１実施形態にて作製されたアクテ
ィブマトリクス基板を用いて、液晶表示パネルを作製
し、全面表示を行った結果、薄膜トランジスタ特性の不
均一性に起因する表示むらは大きく低減され、信頼性の
高い高表示品位の液晶表示装置ができた。

【００６７】このように、出発膜の膜中水素濃度を２×
１０¹⁹atoms／cm³以下とすることで、レーザー照射後の
結晶性ケイ素膜３aにおいて、劇的に表面ラフネスが低
減することができる。これによって、レーザー照射工程
における処理マージンが拡大すると共に、結晶化後の結
晶性ケイ素膜３aにおいて膜質の均一性が向上する。ま
た、表面ラフネスが低減でき、半導体素子における信頼
性低下を防止できると共に、結晶化のための照射エネル
ギーを大きくすることができるため、より高品質な結晶
性ケイ素膜３aである半導体薄膜を得ることができる。
そうして、その半導体薄膜を利用して、より高性能な薄
膜半導体装置を実現することができる。また、図２に示
すように、出発膜における膜中水素濃度が２×１０¹⁹at
oms／cm³以下では、平均面粗さＲaが飽和して安定する
ので、膜中水素濃度を２×１０¹⁹atoms／cm³以下とする
ことによって、レーザー照射時の照射エネルギー密度に
依存せず、ケイ素膜の表面ラフネスを一定値以下に抑え
ることができる。

【００６８】また、レーザー照射工程において照射エネ
ルギーがばらついても、ケイ素膜表面の平均面粗さＲa
が一定値の５nmを越えないので、全ての半導体素子にお
いて同様の高い信頼性が得られると共に、表面ラフネス
にかかわらず、ケイ素膜の結晶化エネルギーを最適化で
きるため、所望の高品質な結晶性ケイ素膜およびそれを
用いた高性能な薄膜半導体装置を得ることができる。

【００６９】また、定義される平均面粗さＲaは、原子
間力顕微鏡(ＡＦＭ)にて、５μm□以下の測定エリアに
対して測定された値であるので、サブnmオーダーまでの
測定信頼性がある。

【００７０】また、上記非晶質ケイ素膜３を厚さ３０nm
に薄膜化して、厚さ２０nm〜６０nmの範囲内にすること
によって、ＸeＣlエキシマレーザーを照射し、溶融固化
過程で結晶化するときに、ケイ素膜全体(表面から下層
界面にわたって)が均一に溶融し、結晶粒が大きく成長
すると共に、結晶粒径のばらつきも小さく抑えることが
できる。さらに、上記ＸeＣlエキシマレーザー照射後に
得られる結晶性ケイ素膜３a表面の平均面粗さＲaを、そ
の照射エネルギーによらず、５nm以下に抑えることがで
きる。

【００７１】また、上記非晶質ケイ素膜３を結晶化する
ためのエネルギービームに波長５００nm以下のＸeＣlエ
キシマレーザー(波長３０８nm)を用いると、非晶質ケイ
素膜３に対する吸収係数が極めて高いため、ガラス基板
１に熱的ダメージを与えることなく、非晶質ケイ素膜３
のみを瞬時に加熱することができる。また、上記レーザ
ー光を用いることで、非晶質ケイ素膜３を瞬時に、融点
１４１４℃に加熱するだけの高出力化が可能となる。

【００７２】また、上記シリコンターゲットを用いたス
パッタリング法では、水素を用いることなく膜形成が行
えるため、極めて低水素濃度の非晶質ケイ素膜３を得る
ことができる。

【００７３】また、上記ＭＯＳ構造を有するトップゲー
ト型薄膜トランジスタ１７の活性領域を結晶性ケイ素膜
３aにより形成したので、活性領域表面がなめらかにな
り、電界集中が生じてゲート絶縁膜の耐圧特性を大きく
損うリッジを低減でき、薄膜トランジスタの電界効果移
動度が大きくなる。また、照射エネルギー密度のばらつ
きによる複数の薄膜トランジスタ間での特性ばらつきを
最低レベルに抑えることができる。したがって、このよ
うなガラス基板１上に複数の薄膜トランジスタ１７が配
置された液晶表示装置において、さらにこの発明の効果
を発揮することができる。

【００７４】（第２実施形態） この発明の第２実施形態の液晶表示装置について説明す
る。この第２実施形態でも、ガラス基板上に液晶表示装
置用のアクティブマトリクス基板を作製するときの工程
について説明する。上記アクティブマトリクス基板は、
各画素電極をスイッチングするための素子としてＮ型薄
膜トランジスタを形成し、そのドレイン領域側には画素
液晶容量と並列に補助容量を設けている。

【００７５】図５はこの第２実施形態の半導体薄膜を用
いたアクティブマトリクス基板の任意の一画素部分を示
す平面図である。図６(Ａ)〜(Ｅ)は画素用薄膜トランジ
スタの製造工程を示し、図６(Ａ)から(Ｅ)の順に工程が
順次進行する。図６(Ｅ)は図５のVI_E−VI_E線から見た断
面図を示し、４７は画素スイッチング用のＮ型薄膜トラ
ンジスタ、４８は補助容量である。また、この発明によ
る高品質な半導体薄膜としての結晶性ケイ素膜は、図６
(Ｂ)において示される３５である。

【００７６】まず、図６(Ａ)に示すように、ガラス基板
３１上に減圧ＣＶＤ法によって厚さ３００nm程度の酸化
ケイ素膜からなる下地膜３２を形成する。そして、酸化
ケイ素膜３２上に、減圧ＣＶＤ法によって、厚さ４０nm
程度の真性(Ｉ型)の非晶質ケイ素膜(ａ−Ｓi膜)３３を
成膜する。このときの成膜条件としては、成膜材料とし
てＳiＨ₄ガスを用い、基板温度(反応温度)５５０〜６０
０℃(例えば５８０℃)として、ガス圧が０．０５〜０．
３Torr(例えば０．１５Torr)として、ａ−Ｓi膜３３の
堆積を行った。このようにして得られたａ−Ｓi膜３３
の膜中水素濃度をＳＩＭＳにより分析した結果、２×１
０¹⁹〜７×１０¹⁹atoms／cm³程度であった。水素濃度の
絶対値としては、第１実施形態のスパッタリング法に比
較して大きいが、水素以外の元素として、結晶成長に悪
影響を与える酸素の膜中濃度は、５×１０¹⁷〜１×１０
¹⁸atoms／cm³と非常に低濃度であった。

【００７７】次に、第１実施形態で述べた方法と同様の
方法を用い、ａ−Ｓi膜３３にＸeＣlエキシマレーザー
(波長３０８nm、パルス幅４０nsec)光３４を順次走査し
ながら照射し、ａ−Ｓi膜３３の結晶化を行う。この工
程により、ケイ素膜は溶融・固化され、基板全面にわた
って膜質の均一性の良好な高品質な結晶性ケイ素膜とな
る。ここで、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)により、結晶性ケ
イ素膜表面の平均面粗さＲaを測定すると、４〜５nm程
度の値であり、基板全体においてほぼ同様の値を示し
た。同様のレーザー照射条件にて作製された従来の結晶
性ケイ素膜では、表面の平均面粗さＲaが４〜９nmの範
囲内にわたって、特に絶対値が大きくなる方向に対して
大きくばらつく。この主なばらつきは局所的なばらつき
であり、この発明では、こういった局所的な特異点・異
常点等に起因するばらつきが大きく低減される。この第
２実施形態で得られた結晶性ケイ素膜の結晶粒径は３０
０〜４００nm程度であり、第１実施形態のスパッタリン
グ法により得られた結晶性ケイ素膜に比べて、若干大き
くなっている。

【００７８】次に、上記結晶性ケイ素膜の不要な部分を
除去することで、図６(Ｂ)に示すような素子間分離を行
って、後に薄膜トランジスタの活性領域(ソース／ドレ
イン領域、チャネル領域)および補助容量の下部電極を
構成する島状の結晶性ケイ素膜３５を形成する。このと
きの状態を基板上方より見ると、図５において３５で示
されるような形状にケイ素膜が形成されている。

【００７９】次に、図６(Ｃ)に示すように、上記結晶性
ケイ素膜３５の島状領域上にフォトレジストを塗布し、
露光・現像してマスク３６とする。上記マスク３６によ
り、後に薄膜トランジスタのチャネル領域となる部分の
みが覆われた状態となっている。そして、イオンドーピ
ング法によって、フォトレジスト３６をマスクとして不
純物(リン)４０を注入する。このときのドーピングガス
として、フォスフィン(ＰＨ₃)を用い、加速電圧を５〜
３０ｋＶ(例えば１５ｋＶ)、ドーズ量を１×１０¹⁵〜８
×１０¹⁵cm^-2(例えば２×１０¹⁵cm^-2)とする。この工程
により、不純物が注入された領域４２は、後の薄膜トラ
ンジスタ４７のソース領域となると共に、不純物が注入
された領域４３は、薄膜トランジスタ４７のドレイン領
域と補助容量４８の下部電極４３を形成する。上記フォ
トレジスト３６にマスクされ不純物が注入されない領域
４１は、後に薄膜トランジスタ４７のチャネル領域とな
る。

【００８０】次に、図６(Ｄ)に示すように、フォトレジ
スト３６を除去し、島状の結晶性ケイ素膜３５を覆うよ
うに厚さ２０〜１５０nm(ここでは１００nm)の酸化ケイ
素膜をゲート絶縁膜３７として成膜する。この酸化ケイ
素膜の形成には、ＴＥＯＳ(Tetra Ethoxy Ortho Silica
te)を原料とし、酸素とともに基板温度１５０〜６００
℃(好ましくは３００〜４００℃)で、ＲＦプラズマＣＶ
Ｄ法で分解・堆積した。そして、成膜後、ゲート絶縁膜
３７自身のバルク特性および結晶性ケイ素膜とゲート絶
縁膜との界面特性を向上するために、不活性ガス雰囲気
下で４００〜６００℃で数時間のアニールを行う。それ
と同時に、このアニール処理により、領域４２および４
３にドーピングされた不純物が活性化され、領域４２お
よび４３が低抵抗化された結果、そのシート抵抗は８０
０〜２０００Ω／□となる。

【００８１】引き続いて、スパッタリング法によって、
厚さ３００〜５００nm(例えば４００nm)のアルミニウム
膜を成膜する。そして、アルミニウム膜をパターニング
して、ゲート電極３８ａと補助容量４８の上部電極３８
ｂを形成する。ここで、ゲート電極３８ａは平面的に見
れば、図５に示すように、Ｎo.ｎのゲートバスラインを
構成しており、補助容量４８の上部電極３８ｂはＮo.ｎ
＋１のゲートバスラインを構成する。

【００８２】そして、図６(Ｅ)に示すように、厚さ５０
０nm程度の酸化ケイ素膜を層間絶縁膜４４として形成す
る。上記酸化ケイ素膜は、ＴＥＯＳを原料として、これ
と酸素とのプラズマＣＶＤ法またはオゾンとの減圧ＣＶ
Ｄ法あるいは常圧ＣＶＤ法により形成することによっ
て、段差被覆性に優れた良好な層間絶縁膜が得られる。

【００８３】次に、層間絶縁膜４４にコンタクトホール
を形成して、ソース電極４５と画素電極４６を形成す
る。ソース電極４５は、金属材料、例えば窒化チタンと
アルミニウムの二層膜によって形成する。上記窒化チタ
ン膜は、アルミニウムが半導体層に拡散するのを防止す
る目的のバリア膜として設けられる。上記画素電極４６
は、ＩＴＯ等の透明導電膜により形成される。このとき
の状態を基板上方より見れば、図５に示すように、ソー
ス電極４５は、薄膜トランジスタ４７に映像信号を伝達
するソースバスラインを構成しており、各バスライン間
に画素電極４６が配置されている。

【００８４】そして最後に、１気圧の水素雰囲気中で３
５０℃で１時間程度のアニールを行い、図６(Ｅ)に示す
薄膜トランジスタ４７および補助容量４８を完成させ
る。上記アニール処理により、薄膜トランジスタ４７の
活性領域とゲート絶縁膜との界面へ水素原子を供給し、
薄膜トランジスタ特性を劣化させる不対結合手を低減す
る効果がある。さらに、上記薄膜トランジスタ４７を保
護する目的で、必要な箇所のみプラズマＣＶＤ法により
形成された窒化ケイ素膜でカバーしてもよい。

【００８５】上記第２実施形態に従って作製された薄膜
トランジスタは、第２実施形態と同様の良好な特性を示
すのに加えて、そのチャネル領域４１とその補助容量４
８の下部電極４３の表面平均粗さＲaを共に４〜５nm程
度の範囲内に全て抑えて、ゲート絶縁膜３７を介したリ
ーク電流はほとんどなく、それぞれの容量の不均一性も
小さく抑えられる。その結果、この第２実施形態にて作
製されたアクティブマトリクス基板を用い、液晶表示パ
ネルを作製し、全面表示を行った結果、信頼性が高く、
表示むらの無い高表示品位の液晶表示装置ができた。

【００８６】このように、出発膜の膜中水素濃度を１×
１０²⁰atoms／cm³以下とすることで、レーザー照射後の
結晶性ケイ素膜３５において、劇的に表面ラフネスを低
減することができる。これによって、レーザー照射工程
における処理マージンが拡大すると共に、結晶化後の結
晶性ケイ素膜３５において膜質の均一性が向上する。ま
た、表面ラフネスが低減でき、半導体素子における信頼
性低下を防止できると共に、結晶化のためのエネルギー
を大きくすることができるため、より高品質な結晶性ケ
イ素膜３５である半導体薄膜を得ることができる。そう
して、その半導体薄膜を利用して、より高性能な薄膜半
導体装置を実現することができる。

【００８７】また、レーザー照射工程において照射エネ
ルギーがばらついても、ケイ素膜表面の平均面粗さＲa
が一定値の５nmを越えないので、全ての半導体素子にお
いて同様の高い信頼性が得られると共に、表面ラフネス
にかかわらず、ケイ素膜の結晶化エネルギーを最適化で
きるため、所望の高品質な半導体薄膜としての結晶性ケ
イ素膜およびそれを用いた高性能な薄膜半導体装置を得
ることができる。

【００８８】また、定義される平均面粗さＲaは、原子
間力顕微鏡(ＡＦＭ)にて、５μm□以下の測定エリアに
対して測定された値であるので、サブnmオーダーまでの
測定信頼性がある。

【００８９】また、上記非晶質ケイ素膜３３を厚さ４０
nmに薄膜化して、厚さ２０nm〜６０nmの範囲内にするこ
とによって、ＸeＣlエキシマレーザーを照射し、溶融固
化過程で結晶化するときに、ケイ素膜全体(表面から下
層界面にわたって)が均一に溶融し、結晶粒が大きく成
長すると共に、結晶粒径のばらつきも小さく抑えること
ができる。さらに、上記ＸeＣlエキシマレーザー照射後
に得られる結晶性ケイ素膜３５表面の平均面粗さＲa
を、その照射エネルギーによらず、５nm以下に抑えるこ
とができる。

【００９０】また、上記非晶質ケイ素膜３３を結晶化す
るためのエネルギービームに波長５００nm以下のＸeＣl
エキシマレーザー(波長３０８nm)を用いると、非晶質ケ
イ素膜３３に対する吸収係数が極めて高いため、ガラス
基板３１に熱的ダメージを与えることなく、非晶質ケイ
素膜３３のみを瞬時に加熱することができる。また、上
記レーザー光を用いることで、非晶質ケイ素膜３３を瞬
時に、融点１４１４℃に加熱するだけの高出力化が可能
となる。

【００９１】また、極低水素濃度の非晶質ケイ素膜３３
を化学気相成長法により形成するとき、反応性の低いＳ
iＨ₄ガスを用いることで、成膜温度を高めると共に成膜
速度を低減し、非晶質ケイ素膜３３の膜中水素濃度を低
減することができる。また、成膜時の基板温度が５５０
℃以上にすることによって、極低水素濃度の非晶質ケイ
素膜３３を得ることができる。このようにして形成され
た非晶質ケイ素膜３３は、より低水素濃度という面では
スパッタリング法により形成された非晶質ケイ素膜には
及ばないが、その他の不純物元素濃度を低くすることが
できる。

【００９２】また、上記高品質な結晶性ケイ素膜３５で
ある半導体薄膜は、上記トップゲート型薄膜トランジス
タを初めとする薄膜半導体装置全般において、その活性
領域に利用できる一方、液晶表示用のアクティブマトリ
クス基板において、上記半導体薄膜を用いて、画素用薄
膜トランジスタ４７のチャネル領域と共に、液晶画素容
量と並列に接続された補助容量４８の一方の電極を構成
するので、その補助容量４８の一方の電極の表面ラフネ
スの絶対値およびばらつきが大きく低減され、補助容量
４８のばらつきを抑えて、表示むらのない表示品位の高
い液晶表示装置が得られる。

【００９３】以上、この発明に基づく第１,第２実施形
態について具体的に説明したが、この発明は上述の実施
形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想
に基づく各種の変形が可能である。

【００９４】例えば、上記第１,第２実施形態におい
て、低水素濃度の非晶質ケイ素膜の形成方法として、ス
パッタリング法と５５０℃以上の熱ＣＶＤ法を用いた
が、その他の方法でも、この発明における膜中水素濃度
を満足する方法であれば、特に問題なく、この発明の効
果が得られる。

【００９５】また、非晶質ケイ素膜以外に微結晶成分を
有するケイ素膜を用いても、同様の効果が得られる。特
に、微結晶成分を有するケイ素膜を用いた場合には、レ
ーザー照射工程における溶融固化過程において微結晶成
分を核とした結晶化が行われ、結晶粒径がより大きく、
結晶粒径が揃った均一な結晶性ケイ素膜が得られる。

【００９６】また、ａ−Ｓi膜の結晶化工程におけるエ
ネルギービームとしてＸeＣlエキシマレーザーを用いた
が、その他のエネルギービームも勿論、利用可能であ
る。例えば、赤外光、フラッシュランプを使用して短時
間に１０００〜１２００℃まで上昇させて加熱するＲＴ
Ａ(ラピッド・サーマル・アニールまたはＲＴＰ(ラピッ
ド・サーマル・プロセスともいう))等のいわゆるレーザ
ー光と同等の強光を用いてもよい。さらに、レーザー光
としては、波長２４８nmのＫrＦエキシマレーザーや、
波長４８８nmの連続発振Ａrレーザー等も同様に適用可
能であり、同様の効果が得られる。

【００９７】また、上記第１,第２実施形態では、薄膜
トランジスタを用いた液晶表示装置用のアクティブマト
リクス基板についての説明を行ったが、上記薄膜トラン
ジスタは、アクティブマトリクス基板以外に薄膜集積回
路全般に利用できる。すなわち、アクティブマトリクス
部の周辺に駆動用回路を同一形成するドライバモノリシ
ック型のアクティブマトリクス基板も同様に実現可能で
ある。勿論、上記Ｎ型薄膜トランジスタに加えて、Ｐ型
薄膜トランジスタを相補的に構成し、ＣＭＯＳ回路を作
製することも可能である。このように薄膜集積回路に上
記薄膜トランジスタを利用する場合は、第１実施形態に
おいて、画素電極１６を金属による電極・配線とし、ゲ
ート電極８上にもコンタクトホールを形成して必要とす
る配線を施せばよい。また、ＣＭＯＳ回路を作製する場
合には、それぞれの不純物のドーピング工程において、
不必要な領域をフォトレジストで覆うことにより、Ｎ型
領域、Ｐ型領域を選択形成すればよい。さらに、液晶表
示用のアクティブマトリクス型基板以外に、例えば、密
着型イメージセンサ、ドライバ内蔵型のサーマルヘッ
ド、有機系ＥＬ等を発光素子としたドライバ内蔵型の光
書き込み素子や表示素子、三次元ＩＣ等にこの発明を適
用してもよい。この場合、これらの素子の高速化、高解
像度化等の高性能化を実現することができる。さらにこ
の発明は、上述の第１,第２実施形態で説明したＭＯＳ
型トランジスタに限らず、結晶性半導体を素子材料とし
たバイポーラトランジスタや静電誘導トランジスタをは
じめとして幅広く半導体プロセス全般に応用することが
できる。

【００９８】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１の発
明の液晶表示装置は、絶縁表面を有する基板上に構成さ
れた画素電極を駆動する薄膜トランジスタを有し、上記
薄膜トランジスタに画素電極による液晶容量と並列に補
助容量が接続された液晶表示装置において、上記薄膜ト
ランジスタのチャネル領域とその薄膜トランジスタに接
続された補助容量を構成する一方の電極は、膜中水素濃
度が２×１０ ¹⁹ atoms／cm ³ 以下の非晶質または微結晶状
態のケイ素膜にエネルギービームを照射することによっ
て平均結晶粒径２５０〜４００nmに結晶化させたケイ素
膜であり、かつ、上記エネルギービーム照射後のケイ素
膜表面の平均面粗さＲaが５nm以下である半導体薄膜を
用いて形成されたものである。

【００９９】したがって、請求項１の発明の液晶表示装
置によれば、レーザー光等のエネルギービーム照射によ
り結晶化された結晶性ケイ素膜において、表面のラフネ
スを大幅に低減することができると共に、表面ラフネス
に制限されることなく、最適な照射エネルギーを加えて
結晶化できるようになり、従来法では得ることができな
かった高品質な結晶性ケイ素膜を得ることができる。ま
た、パルスレーザー順次走査により結晶化された結晶性
ケイ素膜においては、従来の課題であった膜質の不均一
性を改善することができる。そして、高性能でかつ信頼
性、安定性が高く、複数の素子間の特性均一性の高い薄
膜半導体装置を実現することができ、液晶表示装置にお
いては、高信頼性を有し、結晶性ケイ素膜の不均一性に
よる表示不良のない表示品位の高い液晶表示装置が、簡
単な製造プロセスにて得られる。さらに、周辺駆動回路
部を構成する薄膜トランジスタに要求される高性能化・
高集積化・特性均一化が図れ、同一基板上にアクティブ
マトリクス部と周辺駆動回路部を構成するフルドライバ
モノリシック型のアクティブマトリクス基板を実現で
き、モジュールのコンパクト化、高性能化、低コスト化
が図れる。

【０１００】また、上記非晶質または微結晶状態のケイ
素膜の膜中水素濃度が２×１０¹⁹atoms／cm³以下である
ので、エネルギービーム照射時の照射エネルギー密度に
依存せず、結晶化されたケイ素膜の表面ラフネスを一定
値以下に抑えることができる。

【０１０１】また、上記エネルギービーム照射後のケイ
素膜表面の平均面粗さＲaは、５nm以下であるので、例
えエネルギービーム照射工程において照射エネルギー密
度がばらついても、ケイ素膜表面の平均面粗さＲaが一
定値以上にはならないので、全ての半導体素子において
同様の高い信頼性が得られると共に、表面ラフネスにか
かわらず、ケイ素膜の結晶化エネルギーを最適化でき、
所望の高品質な半導体薄膜としての結晶性ケイ素膜およ
びそれを用いた高性能な薄膜半導体装置を得ることがで
きる。

【０１０２】したがって、液晶表示用のアクティブマト
リクス基板において、上記高品質な結晶化されたケイ素
膜である半導体薄膜を用いて、画素用薄膜トランジスタ
のチャネル領域と共に、液晶画素容量と並列に接続され
た補助容量の一方の電極を構成するので、その補助容量
の一方の電極の表面ラフネスの絶対値およびばらつきが
大きく低減され、補助容量のばらつきを抑えて、表示む
らのない表示品位の高い液晶表示装置が得られる。

【０１０３】また、請求項２の発明の液晶表示装置は、
請求項１の液晶表示装置において、上記ケイ素膜表面の
平均面粗さＲaは、原子間力顕微鏡によって１０μm□以
下の測定エリアに対して測定された値であるので、サブ
nmオーダーまでの測定信頼性があり、この発明の主旨を
損なうことはない。

【０１０４】また、請求項３の発明の液晶表示装置は、
請求項１または２の液晶表示装置において、上記非晶質
または微結晶状態のケイ素膜の厚さが２０nmから６０nm
の範囲内であるので、厚さ６０nm以下にケイ素膜を薄膜
化することによって、レーザー光等のエネルギービーム
を照射し、溶融固化過程で結晶化するときに、ケイ素膜
全体(表面から下層界面にわたって)が均一に溶融し、結
晶粒が大きく成長すると共に、結晶粒径のばらつきも小
さく抑えることができる。さらに、上記ケイ素膜を６０
nm以下に薄膜化することによって、エネルギービーム照
射後に得られる結晶性ケイ素膜表面の平均面粗さＲa
を、その照射エネルギーによらず、５nm以下に抑えるこ
とが可能となる。なお、上記ケイ素膜の厚さが２０nm以
下になると、エネルギービームの照射エネルギーが低い
領域でも、ケイ素膜の膜飛びや膜剥がれが発生し、半導
体薄膜として利用することが困難になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１はレーザー照射エネルギー密度とケイ素
膜表面の平均面粗さとの関係を示す図である。

【図２】 図２はレーザー照射前のケイ素膜の膜中水素
濃度とケイ素膜表面の平均面粗さとの関係を示す図であ
る。

【図３】 図３は第１実施形態の半導体薄膜の製造方法
を示す工程図である。

【図４】 図４は第１実施形態におけるレーザー照射工
程の概要を示す図である。

【図５】 図５は第２実施形態の半導体薄膜の製造方法
を用いた液晶表示装置のアクティブマトリクス基板の平
面図である。

【図６】 図６は第２実施形態の半導体薄膜の製造方法
を示す工程図である。

【図７】 図７はケイ素膜表面おける原子間力顕微鏡
(ＡＦＭ)像を示す図である。

【符号の説明】

１,３１…基板、２,３２…下地膜、３,３３…非晶質ケ
イ素膜、４,３４…レーザー光、５,３５…活性領域、３
６…マスク、７,３７…ゲート絶縁膜、８,３８…ゲート
電極、９…陽極酸化層、１０,４０…不純物イオン、１
１,４１…チャネル領域、１２,４２…ソース領域、１
３,４３…ドレイン領域、１４,４４…層間絶縁膜、１
５,４５…ソース電極、１６,４６…画素電極、１７,４
７…画素用Ｎチャネル型薄膜トランジスタ、４８…補助
容量。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 29/786 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６２７Ｅ Ｇ０２Ｆ 1/136 ５００ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/268 H01L 21/336 H01L 27/12 H01L 29/786 G02F 1/136

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁表面を有する基板上に構成された画
   素電極を駆動する薄膜トランジスタを有し、上記薄膜ト
   ランジスタに上記画素電極による液晶容量と並列に補助
   容量が接続された液晶表示装置において、 上記薄膜トランジスタのチャネル領域とその薄膜トラン
   ジスタに接続された上記補助容量を構成する一方の電極
   は、膜中水素濃度が２×１０ ¹⁹ atoms／cm ³ 以下の非晶質
   または微結晶状態のケイ素膜にエネルギービームを照射
   することによって平均結晶粒径２５０〜４００nmに結晶
   化させたケイ素膜であり、かつ、上記エネルギービーム
   照射後のケイ素膜表面の平均面粗さＲaが５nm以下であ
   る半導体薄膜を用いて形成されていることを特徴とする
   液晶表示装置。
2. 【請求項２】 絶縁表面を有する基板上に構成された画
   素電極を駆動する薄膜トランジスタを有し、上記薄膜ト
   ランジスタに上記画素電極による液晶容量と並列に補助
   容量が接続された液晶表示装置において、 上記薄膜トランジスタのチャネル領域とその薄膜トラン
   ジスタに接続された上記補助容量を構成する一方の電極
   は、膜中水素濃度が２×１０ ¹⁹ atoms／cm ³ 以下の非晶質
   または微結晶状態のケイ素膜にエネルギービームを照射
   することによって平均結晶粒径２５０〜４００nmに結晶
   化させたケイ素膜であって、上記エネルギービーム照射
   後のケイ素膜表面の平均面粗さＲaが５nm以下である半
   導体薄膜を用いて形成され、 上記ケイ素膜表面の平均面粗さＲaは、原子間力顕微鏡
   によって１０μm□以下の測定エリアに対して測定され
   た値であることを特徴とする液晶表示装置。
3. 【請求項３】 絶縁表面を有する基板上に構成された画
   素電極を駆動する薄膜トランジスタを有し、上記薄膜ト
   ランジスタに上記画素電極による液晶容量と並列に補助
   容量が接続された液晶表示装置において、 上記薄膜トランジスタのチャネル領域とその薄膜トラン
   ジスタに接続された上記補助容量を構成する一方の電極
   とは、膜中水素濃度が２×１０ ¹⁹ atoms／cm ³ 以下の非晶
   質または微結晶状態のケイ素膜にエネルギービームを照
   射することによ って平均結晶粒径２５０〜４００nmに結
   晶化させたケイ素膜であって、上記エネルギービーム照
   射後のケイ素膜表面の平均面粗さＲaが５nm以下である
   半導体薄膜を用いて形成され、 上記非晶質または微結晶状態のケイ素膜の厚さが２０nm
   から６０nmの範囲内であることを特徴とする液晶表示装
   置。