JP4328518B2

JP4328518B2 - 結晶性薄膜の製造方法

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Publication number: JP4328518B2
Application number: JP2002343358A
Authority: JP
Inventors: 日出也雲見
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Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2009-09-09
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Also published as: JP2004179366A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラットパネルディスプレイやイメージセンサ、磁気記録装置、情報処理装置など高い空間的均質性を要する大規模集積回路に用いられる結晶性薄膜及びその製造方法、該結晶性薄膜を用いた素子、該素子を用いた回路、該素子もしくは該回路を含む装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
液晶ディスプレイ等に代表されるフラットパネルディスプレイは、画素駆動用の回路のパネルへのモノリシックな実装とその高性能化によって、画像表示の高精細化、高速化、及び多階調化を図ってきた。単純マトリクス駆動のパネルは画素毎にスイッチングトランジスタを備えたアクティヴマトリクス駆動に発展し、さらにそのアクティヴマトリクス駆動に用いるシフトレジスタ回路を同一パネル上周辺に作製することによって、今日、動画像にも対応するフルカラーの高精細液晶ディスプレイが提供されている。
【０００３】
このような周辺駆動回路まで含めたモノリシック実装が実用的な製造コストで可能となったのは、電気的特性に優れた多結晶シリコン薄膜の安価なガラス基体上への形成技術に負うところが大きい。即ち、ガラス基体上に堆積した非晶質シリコン薄膜をエキシマレーザーなどの紫外域の短時間パルス光によって、ガラス基体を低温に保ったままを溶融再固化させて多結晶シリコン薄膜を得る技術である。同じ非晶質シリコン薄膜を出発材料としてこれを固相で結晶化させた多結晶薄膜を構成する結晶粒に比べて、溶融再固化法によって得られる結晶粒は内部の結晶欠陥密度が低く、該薄膜を活性領域として用いて構成した薄膜トランジスタは高いキャリア移動度を示す。そのためサブミクロン程度の平均粒径を持つ多結晶シリコン薄膜でも、対角数インチ程のサイズで高々１００ｐｐｉ以下の精細度の液晶ディスプレイには十分な性能を示すアクティヴマトリクス駆動用モノリシック回路を製造することができる。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｈ．ＫｕｍｏｍｉａｎｄＴ．Ｙｏｎｅｈａｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６，１３８３（１９９７）
【非特許文献２】
Ｈ．ＫｕｍｏｍｉａｎｄＦ．Ｇ．Ｓｈｉ，”ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＴｈｉｎＦｉｌｍｓＭａｔｅｒｉａｌｓ ”Ｖｏｌｕｍｅ１，Ｃｈａｐｔｅｒ６，”Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ，Ｇｒｏｗｔｈ，ａｎｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＴｈｉｎＦｉｌｍｓ”ｅｄｉｔｅｄｂｙＨ．Ｓ．Ｎａｌｗａ（ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ，２００１）
【非特許文献３】
Ｐ．Ｃｈ．ｖａｎｄｅｒＷｉｌｔ，Ｂ．Ｄ．ｖａｎＤｉｊｋ，Ｇ．Ｊ．Ｂｅｒｔｅｎｓ，Ｒ．Ｉｓｈｉｈａｒａ，ａｎｄＣ．Ｉ．Ｍ．Ｂｅｅｎａｋｋｅｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．１２，１８１９（２００１）
【非特許文献４】
Ｒ．Ｉｓｈｉｈａｒａ, Ｐ．Ｃｈ．ｖａｎｄｅｒＷｉｌｔ，Ｂ．Ｄ．ｖａｎＤｉｊｋ，Ａ．Ｂｕｒｔｓｅｖ，Ｊ．Ｗ．Ｍｅｔｓｅｌａａｒ，ａｎｄＣ．Ｉ．Ｍ．Ｂｅｅｎａｋｋｅｒ，ＤｉｇｅｓｔｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒｓ, ＡＭ−ＬＣＤ０２, ５３（ＴｈｅＪａｐａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，２００２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、次世代に望まれるより大画面或いは高精細な液晶ディスプレイに対して、現行の溶融再固化多結晶シリコン薄膜を用いる薄膜トランジスタは性能が不足していることが明らかとなっている。また、液晶ディスプレイよりも高電圧或いは大電流での駆動を要するプラズマディスプレイやエレクトロルミネッセンスディスプレイの駆動回路用素子、或いは医療用大画面Ｘ線イメージセンサの高速駆動回路用の素子など、今後発展が期待されている用途においても上記多結晶シリコン薄膜は性能不足である。いかに結晶粒内の欠陥密度が低いとは言え、多結晶シリコン薄膜の平均粒径が高々サブミクロン程度ではこれらの高性能素子は得られない。なぜなら、ミクロン程度のサイズを有する素子の活性領域内に、電荷移動の大きな障害となる結晶粒界が多く含まれるからである。
【０００６】
このような多結晶薄膜における結晶粒界の密度とその空間分散を同時に小さくするための一般論が存在する。それは結晶粒の形成位置を制御することにより、結晶粒界の位置と粒径分布を制御するというアイデアであり、これまでに多結晶薄膜の化学気相堆積や薄膜の固相結晶化などにおいて実証されてきた〔例えば非特許文献１、２を参照のこと〕。
【０００７】
溶融再固化による結晶性薄膜形成においても、同じアイデアを実現しようとする試みがこれまでいくつか報告されている。それらのうちでこれまでに最も成功しているものは、Ｗｉｌｔら〔非特許文献３、４〕によって初めて報告された方法である。彼らは先ず、シリコン単結晶基板上のシリコン酸化膜層の表面から深さ１μｍに及ぶ直径０．１μｍ以下の細孔を設け、これを埋めるように膜厚９０−２７２ｎｍの非晶質シリコン薄膜を形成し、この表面から細孔の内部を除く薄膜が完全溶融するようにエキシマレーザーを照射した。これにより、細孔の位置を中心として結晶粒の位置が制御されたと報告されている。しかしながら、細孔における単一結晶粒の選択収率が不十分であるために結晶粒界の位置制御という所期の目的を十分には達成していない。また、深さ１μｍに及ぶ直径０．１μｍ以下の細孔を大面積に亙って均一に形成すること、及びそこに非晶質シリコンを埋めることは極めて困難であり、生産工程としての現実性に乏しい。
【０００８】
本発明の課題は、上記したように、ガラス基体等へも適用可能な汎用性の高い溶融再固化による結晶性薄膜の製造方法において結晶粒位置を高度に制御する新たな方法を実現し、該製造方法によって結晶粒位置を高度に制御した結晶性薄膜を提供し、さらには該薄膜を用いて高性能な素子、回路、並びに装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一は、非晶質薄膜に、特定位置とその周囲の領域に対して互いに異なる条件で質量を有する粒子を照射して、非晶質の出発薄膜を形成する工程と、前記出発薄膜の前記特定位置と前記周囲の領域の両方を溶融して、少なくとも前記周囲の領域を完全溶融させる工程と、前記特定位置において単一の結晶粒もしくは結晶性クラスターを前記周囲の領域に対して優先的に成長させる工程と、を有する非晶質薄膜を溶融再固化させる結晶性薄膜の製造方法である。ここで質量を有する粒子とは、光子のように質量が０である粒子以外の粒子を指す。すなわち電子、陽子、中性子のような素粒子、原子核、原子、分子、およびそれらのクラスターなどである。
【００１０】
上記本発明の結晶性薄膜の製造方法においては、上記特定領域とその周囲の領域に対する粒子の照射条件として、上記粒子の種類、状態、照射量のいずれかにおいて異なっていることを好ましい態様として含む。ここで粒子の状態とは、スピンなどの量子状態、電荷、励起状態、粒子の構成要素間の結合状態、運動エネルギーなどを指す。照射量とは、単位時間単位面積あたりに照射される粒子数である流束、および単位面積あたりに照射された総粒子数の双方またはいずれかを指す。
【００１２】
上記特定領域に所望の数の結晶粒もしくは結晶性クラスターが成長する態様においては、上記結晶粒もしくは結晶性クラスターが、上記薄膜の溶融時に該特定領域において融け残った結晶粒もしくは結晶性クラスターであることをより好ましい態様として含む。
【００１３】
上記特定領域に成長する所望の数の結晶粒もしくは結晶性クラスターが、上記薄膜の溶融時に該特定領域において融け残った結晶粒もしくは結晶性クラスターである態様においては、上記粒子の異なる条件での照射により、上記特定領域の内外で完全溶融の臨界エネルギーに相異が生じること、なかんずく、特定領域の完全溶融の臨界エネルギーが、その周囲の領域の完全溶融の臨界エネルギーより大きいことをさらに好ましい態様として含む。さらに，この態様において、上記溶融再固化工程における投入エネルギーが、特定領域の完全溶融の臨界エネルギーより小さく、その周囲の領域の完全溶融の臨界エネルギーより大きいことも好ましい態様である。
【００１４】
また、上記特定領域に成長する所望の数の結晶粒もしくは結晶性クラスターが、上記薄膜の溶融時に該特定領域において融け残った結晶粒もしくは結晶性クラスターである態様においては、上記粒子の異なる条件での照射により、上記特定領域の内外で巨視的な融点に相異が生じること、なかんずく特定領域の巨視的な融点がその周囲の領域の巨視的な融点よりも高いことをさらに好ましい態様として含む。
【００１５】
また、上記特定領域に成長する所望の数の結晶粒もしくは結晶性クラスターが、上記薄膜の溶融時に該特定領域において融け残った結晶粒もしくは結晶性クラスターである態様においては、上記粒子の異なる条件での照射により、上記特定領域の内外で結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布に相異が生じること、なかんずく、特定領域の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度が、その周囲の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度よりも大きいこと、または、特定領域の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布の平均値が、その周囲の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布の平均値よりも大きいことをさらに好ましい態様として含む。ここで「結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布」とは、あるサイズ、ｇ、の結晶粒もしくは結晶性クラスターの単位体積当たりの個数、ｆ（ｇ）をｇの関数として定義する物理量である。従って、二つの「結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布」を比較するに際して、サイズ空間全域（ｇ＞０）にわたる全てのｇにおいてｆ（ｇ）が等しくない限り、それらは異なる「結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布」である。言い換えれば、薄膜中の二つの領域について、単位体積当たりに含まれる結晶粒もしくは結晶性クラスターについて、その粒径、及び、各粒径における結晶粒もしくは結晶性クラスターの個数の絶対値が一致して初めてこれら領域は「結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布」が同じである。
【００１６】
また、上記特定領域に成長する所望の数の結晶粒もしくは結晶性クラスターが、上記薄膜の溶融時に該特定領域において融け残った結晶粒もしくは結晶性クラスターである態様においては、上記粒子の異なる条件での照射により、上記所定領域の内外で固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさに相異が生じること、なかんずく、特定領域の固相結晶化における核形成自由エネルギー障壁が、その周囲の領域の固相結晶化における核形成自由エネルギー障壁よりも低いことをさらに好ましい態様として含む。
【００１７】
さらに、上記本発明の結晶性薄膜の製造方法は、上記特定領域の空間的位置によって、結晶性薄膜における連続した結晶構造を有する結晶粒の少なくとも一部の空間的位置を定めることを好ましい態様として含む。
【００１８】
上記特定領域に所望の数の結晶粒もしくは結晶性クラスターが成長する態様においては、該結晶粒もしくは該結晶性クラスターが、上記薄膜の溶融後の再固化工程において溶融相から核形成した結晶粒もしくは結晶性クラスターであることをより好ましい態様として含む。
【００１９】
上記特定領域に成長する所望の数の結晶粒もしくは結晶性クラスターが、上記薄膜の溶融後の再固化工程において溶融相から核形成した結晶粒もしくは結晶性クラスターである態様においては、上記粒子の異なる条件での照射により、上記特定領域の内外で溶融相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさに相異が生じることをさらに好ましい態様として含む。
【００２０】
上記特定領域の内外で結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさが異なる態様においては、上記粒子の局所的な照射により、上記特定領域の内外で上記薄膜の元素組成比、含有不純物濃度、表面吸着物質、薄膜が接している基体との界面状態のいずれかに相異が生じることをさらに好ましい態様として含む。
【００２１】
さらに、上記本発明の結晶性薄膜の製造方法は、上記薄膜における上記特定領域の空間的位置によって、結晶性薄膜における連続した結晶構造を有する結晶粒の少なくとも一部の空間的位置を定めることを好ましい態様として含む。
【００２２】
本発明の第二は、上記本発明の結晶性薄膜の製造方法によって製造されたことを特徴とする結晶性薄膜である。
【００２３】
本発明の第三は、上記本発明の結晶性薄膜を用いてなることを特徴とする素子であり、好ましくは、該結晶性薄膜において、連続した結晶構造を有する結晶粒の少なくとも一部の空間的位置が、上記薄膜における特定領域の空間的位置制御によって制御され、該空間的位置を制御された結晶粒を活性領域に用いた素子であり、さらに望ましくは、その活性領域が、上記結晶性薄膜の単一の結晶粒の内部に形成されている素子である。
【００２４】
さらに、本発明の第四は、上記本発明の素子を用いて構成したことを特徴とする回路であり、第五は、該本発明の素子もしくは回路を含むことを特徴とする装置である。
【００２５】
本発明の発明者は、発明に先立ち「質量を有する粒子の照射が薄膜の溶融再固化に影響を及ぼす現象」を発見した。以下本発明と発明に到る経緯の理解の補助として、その現象について簡単に説明する。
【００２６】
薄膜の溶融再固化においては、溶融のために投入するエネルギーに応じて最大溶融時における薄膜の相構成が変化し、延いては固化後の多結晶粒構造に変化をきたす。投入するエネルギーが十分大きければ最大溶融時に薄膜全体が溶融し（完全溶融）、その後薄膜が冷却し過冷却度が大きくなった時点で急速な液相中の結晶核形成が生じて微細な結晶粒からなる多結晶構造となる。完全溶融の場合の結晶粒平均粒径は主として結晶核形成の自由エネルギー障壁、Ｗ_＊、の大きさによって決定される。一方、投入するエネルギーが小さいと、最大溶融時薄膜には溶融相中に未溶融の結晶粒が高密度で残留し（不完全溶融）、その後薄膜が冷却すると同時にこれら未溶融結晶粒を種結晶として結晶化が進むため、結果としてこれも微細な結晶粒からなる多結晶構造となる。したがって、不完全溶融の条件からエネルギーを増していくにつれて最大溶融時に融け残る結晶粒の密度が低下し、固化後の多結晶平均粒径は増大するが、ある臨界エネルギー、Ｅｃ、を境に完全溶融に至り再び平均粒径が小さくなる。換言すれば、Ｅｃを与えたときの薄膜の最高到達温度がこの薄膜の巨視的な融点である。Ｅｃを越える直前（近完全溶融）には、未溶融で残留する結晶粒の密度が極めて小さくなるために、薄膜の大半の領域では完全溶融と同じく溶融相からの結晶核形成により固化するが、未溶融で残留した結晶粒は上記結晶核形成が生じるまでの時間に大きく横方向成長（ＳｕｐｅｒＬａｔｅｒａｌＧｒｏｗｔｈ：ＳＬＧ）するために、結果として微細な多結晶粒領域のなかにＳＬＧ結晶粒が点在する粒構造となる。不完全溶融および近完全溶融の場合、未溶融で残留する結晶粒の濃度は、薄膜が最大溶融に至るまでの固相結晶化過程に強く依存する。出発薄膜が結晶粒もしくは結晶性クラスターを含み、固相結晶化過程が主としてこれら結晶粒もしくは結晶性クラスターの固相成長に支配される場合、未溶融で残留する結晶粒の濃度は出発薄膜に含まれる結晶粒もしくは結晶性クラスターの濃度で決定される。出発薄膜がほとんど非晶質からなり、固相結晶化過程が主として非晶質からの固相結晶核形成過程に支配される場合、未溶融で残留する結晶粒の濃度は固相核形成の自由エネルギー障壁、Ｗ_＊、の大きさで決定される。
【００２７】
本発明の発明者はまず、上記の臨界エネルギー、Ｅｃ、が溶融再固化に先立つ薄膜への質量を有する粒子の照射によって変化する現象を発見した。たとえばシリコン薄膜にイオン化シリコン原子を照射した場合、イオン化シリコン原子の加速エネルギーや照射量に応じてＥｃが小さくなった。他の系においては質量を有する粒子の照射によりＥｃが大きくなる場合もある。本発明の発明者はまた、薄膜が完全溶融した後の結晶核形成自由エネルギー障壁、Ｗ_＊、の大きさが、溶融再固化に先立つ薄膜への質量を有する粒子の照射によって変化する現象も発見した。たとえば、シリコン薄膜に酸素原子を照射した場合、その照射量に応じてＷ_＊が増大した。他の系においては質量を有する粒子の照射によりＷ_＊が小さくなる場合もある。さらにこれら現象の起源を調べたところ、対象とする系によって上記手段の項に記載のとおり様々な機構が起因となっていることも分かった。
【００２８】
本発明は、上記現象を利用したものである。それぞれの現象がどのように利用されるかは、以下の実施の形態において説明する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の最も基本的な実施形態を図１に、そのひとつの発展形態を図２に示す。図中、薄膜はその表面もしくは界面に鉛直な方向に薄膜の一部を切り出した断面によって模式的に表されている。尚、本発明にかかる薄膜はその上下に設けた別の層と接していてもよいが、図１および図２においては便宜上それらを省略し、薄膜のみを図示する。尚、図１および図２中、１は成膜直後の一様な状態にある薄膜、２は質量を有する粒子の第一の条件による照射、３は質量を有する粒子の第二の条件による照射、４はあらかじめ空間位置を定めた小領域、５は小領域の周囲の領域、６は溶融再固化のためのエネルギー、７は結晶粒もしくは結晶性クラスター、８は未再固化領域、９は結晶粒、１０はランダムな結晶性クラスター群、１１は結晶粒界である。
【００３０】
はじめに、図１（ａ）に示すように、薄膜１に対して、質量を有する粒子を、特定の小さな領域に局所的に第一の条件２で照射し、その他の領域に第二の条件３で照射することにより、小領域４およびその周囲の領域５を形成する〔図１（ｂ）〕。第一の条件による照射２および第二の条件による照射３は同時に行ってもよいし、それぞれ独立した工程において順次行ってもよい。後者の場合、２種の照射粒子が異なる種類の粒子であってもよく、また、２種の照射の順も問わない。第一の条件による照射２および第二の条件による照射３は必ずしも共に局所的である必要はなく、いずれかひとつが局所的であればよい。たとえば、第一の条件による均一な照射を行った後に第二の条件による局所的な照射を行う、あるいはその逆であっても、小領域４とその周囲の領域５に対して互いに異なる条件で質量を有する粒子を照射することができる。局所的な照射は、走査粒子ビームのブランキング、あるいは薄膜１の上方に設けたマスクを用いる均一粒子照射により行うことができる。また、第一の条件による照射２および第二の条件による照射３の照射量に関して、何れかひとつの照射が照射量０、すなわち「照射を行わない」条件であってもよい。
【００３１】
次にこの薄膜に溶融再固化のためのエネルギー６を投与し、薄膜を溶融させる〔図１（ｃ）〕。このとき周囲の領域５は必ず完全溶融する。一方小領域４は近完全溶融する場合と完全溶融する場合がある。
【００３２】
小領域４が近完全溶融する場合、局所的な第一の条件による照射２および第二の条件による照射３によって、小領域の周囲の領域５の臨界エネルギーＥｃ＜エネルギー６＜小領域４の臨界エネルギーＥｃなる関係が成立するように小領域の内外のＥｃが調整されている。これにより、溶融再固化のためのエネルギー６の投与終了後に、小領域４には結晶粒もしくは結晶性クラスター７が未溶融で残留する〔図１（ｄ）〕。
【００３３】
小領域４も完全溶融する場合、局所的な第一の条件による照射２および第二の条件による照射３によって、小領域４の結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ_＊＜小領域の周囲の領域５の結晶核形成自由エネルギー障壁Ｗ_＊なる関係が成立するように小領域内外のＷ_＊が調整されている。これにより、溶融再固化のためのエネルギー６の投与終了後に、小領域４には結晶粒もしくは結晶性クラスター７が優先的に発生する〔図１（ｄ）〕。
【００３４】
いずれの場合も、この後薄膜の冷却が進むにつれて結晶粒もしくは結晶性クラスター７が成長して結晶粒７となる〔図１（ｅ）〕。結晶粒７はさらに成長して薄膜１の表面に届き、小領域４を越えてその周囲の領域５へ専ら横方向に成長する〔図１（ｆ）〕。やがて薄膜が冷却し、小領域の外部の未再固化領域８の過冷却度が増大すると、ここにランダムな結晶核９が高速発生する〔図１（ｇ）〕。そして、結晶粒７と衝突してそこに結晶粒７の粒界１１が形成される。結果として、本実施形態においては、小領域４を中心として結晶粒７の位置が制御された溶融再固化による結晶性薄膜を形成することができる。
【００３５】
図１では結晶粒７の形成位置を規定する特定小領域４を中心として単一の結晶粒７を成長させる例を示したが、小領域４に２個以上の所望の数だけ結晶粒７を成長させることも可能である。
【００３６】
また図１では、特定領域４が、周囲の領域５に囲まれた単一のドメインである場合の実施形態を示した。本発明においては、当該形態に限らず、特定領域４を不連続且つ離散的に複数設けてもよい。この場合、隣接する特定領域４が十分離れていれば、それぞれの特定領域４に成長した結晶粒８の間にランダムな結晶性クラスター群１０が挟まれることになる。逆に隣接する特定領域４が十分近接していれば、それぞれの特定領域４に成長した結晶粒７は間に結晶性クラスター群１０を挟むことなく直接接し、結晶粒界１１をなすこともできる。さらにそのような間隔で特定領域４を周期的に配せば、薄膜全体を位置制御された結晶粒７で構成することも可能である。
【００３７】
また、図１に示した実施形態では、特定領域４及び周囲の領域５を薄膜１の面内方向に二次元的に設けた例を示した。本発明においては、薄膜１の厚さ方向の次元も加えた三次元的な構成も可能である。
【００３８】
また、図１に示した実施形態では、薄膜１がその面内方向に連続している範囲が、少なくとも小領域４もしくは結晶粒７或いは複数の小領域４の間隔より遥かに広い場合の例を示した。一方、両者を比較し得る大きさに設定することも可能である。例えば、図２に示すとおり、図１の結晶粒７ほどの広さの薄膜１において周囲の領域５に囲まれた小領域４を設け〔図２（ｂ）〕るならば、未再固化領域８においてランダムな結晶核９が高速発生する前に、結晶粒７の成長が薄膜１全域に及び、結晶粒７のみからなる再固化薄膜を得ることも可能である〔図２（ｈ）〕。図２に示した薄膜１は、図中では省略されている基体上もしくは基体中に離散的に複数設けられていてもよい。
【００３９】
次に、以上のような溶融再固化工程によって形成された結晶性薄膜を用いる、本発明の素子、回路、および装置の実施形態の典型的一例を、図３を用いて説明する。図３は、半導体材料からなる結晶性薄膜に設けたＭＯＳ型薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を主たる構成要素とするスイッチング回路を有する画像表示装置の一部断面を示している。ここで、１００１はスイッチング回路の範囲、１００２および１００３はそれぞれ１００１のスイッチング回路を構成する第一および第二のＴＦＴ、１００は基体、４および１０４は図１および図２の４に対応する特定領域、７および１０７は図１および図２の７に対応する特定領域に成長した結晶粒、１２および１１２はゲート絶縁膜、１３および１１３はゲート電極、１４および１１４はソース電極、１５は第一のＴＦＴ１００２のドレイン電極兼第二のＴＦＴ１００３のゲート配線電極兼前二者間の電極配線、１６は第一のＴＦＴ１００２のゲート配線電極、１７は層間絶縁層、１８は画素電極、１９は発光層もしくは光透過度可変層、２０は上部電極である。結晶粒７および１０７は、図１に示した工程において基体１００上に複数の特定領域４を設けて得られる結晶性薄膜を、位置制御した結晶粒７の領域内を残すようにパターニングすることか、あるいは図２に示した工程において複数の薄膜１を基体１００上に設けることにより形成することができる。
【００４０】
本発明の結晶性薄膜では、結晶粒７の位置が小領域４を設ける位置によって決定され、そのサイズもまた既知である。従って、結晶粒７を活性領域とする素子を形成するに際して、結晶粒７を用いる素子の活性領域を結晶粒６の位置と容易に関係させることができる。すなわち図３に例示するように、本装置の素子であるＴＦＴ１００２の活性領域を結晶粒７の内部に限定することが可能である。この場合、ＴＦＴ１００２の活性領域内に結晶粒界は含まれないために、素子特性が向上するばかりでなく、複数の素子間のバラツキを抑制することができる。
【００４１】
図３のスイッチング回路では、ゲート電極１３により制御される第一のＴＦＴ１００２のドレイン電極１５は配線を介して第二のＴＦＴ１００３のゲート電極１１３に接続され、それら電極や配線は層間絶縁層１７によって互いに絶縁されている。即ちゲート電極１１３により制御される第二のＴＦＴ１００３は、第一のＴＦＴ１００１のドレイン電圧によって制御される。このような回路では、第一及び第二のＴＦＴの素子特性が精密に制御されていることが肝要であり、活性領域に結晶粒界を含まない素子からなる本回路はその条件を満たすことができる。
【００４２】
図３の画像表示装置では、画素電極１８及び上部電極２０によって発光層もしくは光透過度可変層１９に印加される電圧もしくは注入される電流は、第一のＴＦＴ１００２のドレイン電圧によって制御される第二のＴＦＴ１００３のドレイン電圧もしくは電流によって決定される。そして、発光層もしくは光透過度可変層１９の発光強度もしくは光透過度は、そこに印加される電圧もしくは注入される電流によって制御される。本例の画像表示装置は、このような素子構成を一画素の表示単位とし、これを格子状に複数個配することで構成されている。画像表示装置として均一な光強度及び時間応答を得るためには、各画素間の特性のバラツキを抑制することが肝要であり、活性領域に結晶粒界を含まない素子からなる回路を用いる本装置はその条件を満たすことができる。
【００４３】
【実施例】
［実施例１］
本発明第一の実施例として、図１に示した工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第一の例を記す。
【００４４】
はじめに、非晶質酸化シリコン表面を有するガラス基体上に、プラズマ化学気相堆積法により結晶性シリコンクラスターを含む膜厚１００ｎｍの水素化非晶質シリコン薄膜を堆積し、熱処理により脱水素処理を行った。この非晶質シリコン薄膜表面にスパッタ法で厚さ１５０ｎｍの非晶質酸化シリコン膜を堆積し、これをフォトリソグラフィー工程でパターニングして、５μｍ間隔の正方格子点に１μｍ角の非晶質酸化シリコン島を残した。この表面から非晶質酸化シリコン島をマスクにして、シリコンイオンを加速エネルギー４０ｋｅＶ、電流密度１０μＡ、ドーズ４×１０^１５ｃｍ^−２の条件にて注入した。その後マスクである非晶質酸化シリコン島を除去し、これを出発薄膜とした。この出発薄膜の結晶性を調べたところ、非晶質酸化シリコン島マスクを設けた５μｍ間隔の正方格子点にある１μｍ角の領域では脱水素処理後の結晶性シリコンクラスターを含む非晶質シリコン薄膜から変化がなかったのに対して、それ以外のシリコンイオンが注入された領域では結晶性シリコンクラスターは観察されず、完全な非晶質であった。すなわち、シリコンイオン注入により、マスクされていない領域の結晶性クラスターが消失した結果、上記マスク部は、その周囲の領域に比べて結晶性クラスター濃度が高く、かつサイズ分布の平均値も大きい領域になっている。
【００４５】
次に、これを出発薄膜として、ＫｒＦエキシマレーザー光を約４００ｍＪ・ｃｍ^−２のエネルギー密度で照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００４６】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、５μｍ間隔の各正方格子点に配した１μｍ角の領域を中心として、直径約３μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００４７】
本実施例の出発薄膜において、マスクされていた１μｍ角の領域では、シリコンイオンが注入された周囲の領域より結晶性クラスター濃度のサイズ分布の平均値と濃度が高く、それぞれ図１における「特定領域４」と「周囲の領域５」をなしている。また溶融再固化後の結晶性薄膜においては、直径約３μｍの単一結晶粒が図１における結晶粒７に、その周囲の微結晶粒が図１における結晶性クラスター郡１０に対応する。ちなみにシリコンイオンを注入した薄膜と注入しない薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、上記溶融再固化条件において前者は完全溶融したのに対して、後者では不完全溶融であることが確認された。これは、シリコンイオン注入により、上記マスクされていた以外の領域の巨視的な融点がマスクされていた領域の巨視的な融点よりも低くなったこと、すなわち、上記シリコンイオンの異なる条件での照射により、上記特定領域の内外で完全溶融の臨界エネルギーに相異が生じ、特定領域の完全溶融の臨界エネルギーが、その周囲の領域の完全溶融の臨界エネルギーより大きくなったことを示している。
【００４８】
また、上記観察により、上記溶融再固化工程におけるエキシマレーザー光の投入エネルギーは、特定領域の完全溶融の臨界エネルギーより小さく、その周囲の領域の完全溶融の臨界エネルギーより大きく設定されていることも確かめられた。
【００４９】
即ち本実施例は、質量を有する粒子がシリコンイオン（イオン化シリコン原子）であり、粒子の照射がイオン注入であり、特定領域およびその周囲の領域が非晶質酸化シリコン島のマスクによって設定され、両領域に対する照射条件が粒子の種類（シリコン原子か何もないか）、状態（イオン化されているか、運動エネルギーが４０ｋｅＶか０か、電流密度１０μＡか０か）、照射量（ドーズが４×１０^１５ｃｍ^−２か０か）の点において異なっており、特定領域に所望の数（１）の結晶粒が成長し、特定領域に成長する所望の数（１）の結晶粒が薄膜の溶融時に特定領域において融け残った結晶粒もしくは結晶性クラスターであり、特定領域の内外で巨視的な融点に相異が生じ、出発薄膜の特定領域の内外で結晶性クラスター濃度のサイズ分布に相異が生じた結果、結晶性薄膜における連続した結晶構造を有する結晶粒の少なくとも一部の空間的位置が制御された例である。
【００５０】
［実施例２］
本発明第二の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第二の例を記す。
【００５１】
はじめに、溶融石英からなる基体上に、低圧化学気相堆積法により厚さ１００ｎｍの非晶質シリコン薄膜を堆積し、この表面から薄膜全域に亙って均一に１価のシリコンイオンを加速エネルギー４０ｋｅＶ、ドーズ２×１０^１４ｃｍ^−２の条件にて注入した。次いで集束イオンビーム描画法を用いて、２価のシリコンイオンを加速エネルギー８０ｋｅＶ、ドーズ２×１０^１５ｃｍ^−２の条件にて注入した。このとき、集束イオンビームのブランキングにより、２．５μｍ間隔の六方格子点毎に０．５μｍ角の領域には集束イオンビームが照射されないように注入を行った。
【００５２】
次に、これを出発薄膜として、ＸｅＣｌエキシマレーザー光を約３６０ｍＪ・ｃｍ^−２のエネルギー密度で照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００５３】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、薄膜は形状がほぼ六角形で大きさもほぼ揃った結晶粒によって六方稠密に埋め尽くされていた。最近接結晶粒の重心間距離はちょうど２．５μｍであり、これら結晶粒は２価のシリコンイオンの集束イオンビームが照射されなかった０．５μｍ角の領域から成長したことが判明した。
【００５４】
低圧化学気相堆積法により堆積した非晶質シリコン薄膜では、イオン注入などによって弾性粒子が下地との界面近傍に達すると、界面近傍の改質により固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁、Ｗ_＊、が増大することが知られている。したがって、本実施例の薄膜において、２価のシリコンイオンの集束イオンビームが照射されなかった０．５μｍ角の領域では、その周囲の領域より下地との界面近傍の改質が軽度でありＷ_＊が小さいと推測され、それぞれ図１における「特定領域４」と「周囲の領域５」をなしている。ちなみに同じ薄膜に等温アニールにて固相結晶化を施したところ、０．５μｍ角の領域に結晶粒が選択成長した。また均一イオン注入の後に２価のシリコンイオンの集束イオンビームを照射した薄膜と照射しない薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、前者は完全溶融したのに対して、後者では不完全溶融であることが確認された。
【００５５】
即ち本実施例は、質量を有する粒子がシリコンイオン（イオン化シリコン原子）であり、粒子の照射がイオン注入および集束イオンビームの照射であり、特定領域およびその周囲の領域が集束イオンビームの照射パターンによって設定され、両領域に対する照射条件が状態（イオン化の価数が１価か２価か、運動エネルギーが４０ｋｅＶか８０ｋｅＶか）、照射量（ドーズが２×１０^１４ｃｍ^−２か４×１０^１５ｃｍ^−２か）の点において異なっており、特定領域に所望の数（１）の結晶粒が成長し、特定領域に成長する所望の数（１）の結晶粒が薄膜の溶融時に特定領域において融け残った結晶粒もしくは結晶性クラスターであり、特定領域の内外で巨視的な融点に相異が生じ、特定領域の内外で薄膜が接している基体との界面状態に相異が生じ、出発薄膜の特定領域の内外で固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさに相異が生じた結果、結晶性薄膜における連続した結晶構造を有する全ての結晶粒の空間的位置が制御された例である。
【００５６】
［実施例３］
本発明第三の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第三の例を記す。
【００５７】
はじめに、プラスチック基体上に、スパッタ法により厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン薄膜を堆積し、次いで集束イオンビーム描画法を用いて、２価の錫イオンを加速エネルギー１１０ｋｅＶ、ドーズ１×１０^１５ｃｍ^−２の条件にて１０μｍ間隔の正方格子点毎に０．５μｍ角の領域にのみ注入した。
【００５８】
次に、この出発薄膜に対して、ＡｒＦエキシマレーザー光を約２５０ｍＪ・ｃｍ^−２のエネルギー密度で照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００５９】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、１０μｍ間隔の各正方格子点に配した０．５μｍ角の領域を中心として、直径約２μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００６０】
本実施例の薄膜において、０．５μｍ角の領域にのみ錫が含まれ、これが図１における「特定領域４」をなしている。錫のような不純物は、シリコンの溶融再固化における結晶核形成自由エネルギー障壁を低下させる。ちなみに錫イオンを注入した薄膜と注入しない薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、上記溶融再固化条件において両者とも完全溶融したが、その後の再固化過程においては前者のほうが急速に固化することが確認された。
【００６１】
この結果、本実施例においては、薄膜の特定領域に成長する所望の数の結晶粒もしくは結晶性クラスターが、薄膜の溶融後の再固化工程において溶融相から核形成した結晶粒もしくは結晶性クラスターであること、特定領域への錫イオンの照射により、上記特定領域の内外で溶融相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさに相異が生じること、すなわち、特定領域の溶融再固化における結晶核形成自由エネルギー障壁が、それ以外の領域の溶融再固化における結晶核形成自由エネルギー障壁より小さいことが示された。
【００６２】
即ち本実施例は、質量を有する粒子が錫イオン（イオン化錫原子またはクラスター）であり、粒子の照射が集束イオンビームの照射であり、特定領域およびその周囲の領域が集束イオンビームの照射パターンによって設定され、両領域に対する照射条件が粒子の種類（錫原子またはクラスターかなにもないか）、状態（運動エネルギーが１１０ｋｅＶか０か）、照射量（ドーズが１×１０^１５ｃｍ^−２か０か）の点において異なっており、特定領域に所望の数（１）の結晶粒が成長し、特定領域に成長する所望の数（１）の結晶粒が薄膜の溶融後の再固化工程において溶融相から核形成した結晶粒もしくは結晶性クラスターであり、特定領域の内外で元素組成比もしくは含有不純物濃度に相異が生じ、特定領域の内外で溶融相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさに相異が生じた結果、結晶性薄膜における連続した結晶構造を有する結晶粒の少なくとも一部の空間的位置が制御された例である。
【００６３】
［実施例４］
本発明第四の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第四の例を記す。
【００６４】
はじめに、ガラス基体上に、電子ビーム蒸着法により厚さ８０ｎｍの非晶質シリコン薄膜を堆積し、次いでマスク蒸着法を用いて、２０μｍ間隔の正方格子点毎に３μｍ角の領域にのみニッケルを１０原子層ほどの厚さまで真空蒸着した。
【００６５】
次に、これを出発薄膜として、ＫｒＦエキシマレーザー光を約３００ｍＪ・ｃｍ^−２のエネルギー密度で照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００６６】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、２０μｍ間隔の各正方格子点に配した３μｍ角の領域を中心として、直径約５μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００６７】
本実施例の出発薄膜において、３μｍ角の領域にのみニッケルが吸着しており、これが図１における「特定領域４」をなしている。ニッケルのような金属が表面吸着した場合、非晶質シリコンの固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁が低下する。ちなみにニッケルを蒸着しない薄膜と蒸着した薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、上記溶融再固化条件において前者は完全溶融したのに対して、後者では不完全溶融であることが確認された。
【００６８】
この結果は、特定領域へのニッケルの吸着により、上記特定領域の巨視的な融点がその周囲の領域の巨視的な融点よりも高くなったこと、すなわち、上記ニッケル粒子の異なる条件での照射により、上記特定領域の内外で完全溶融の臨界エネルギーに相異が生じ、特定領域の完全溶融の臨界エネルギーが、その周囲の領域の完全溶融の臨界エネルギーより大きくなったことを示している。
【００６９】
また、上記観察により、上記溶融再固化工程におけるエキシマレーザー光の投入エネルギーは、特定領域の完全溶融の臨界エネルギーより小さく、その周囲の領域の完全溶融の臨界エネルギーより大きく設定されていることも確かめられた。
【００７０】
即ち本実施例は、質量を有する粒子が蒸気状ニッケル原子またはクラスターであり、粒子の照射が真空蒸着であり、特定領域およびその周囲の領域がマスク蒸着パターンによって設定され、両領域に対する照射条件が粒子の種類（ニッケル原子またはクラスターかなにもないか）、照射量（蒸着膜厚が１０原子層か０か）の点において異なっており、特定領域に所望の数（１）の結晶粒が成長し、特定領域に成長する所望の数（１）の結晶粒が薄膜の溶融時に特定領域において融け残った結晶粒もしくは結晶性クラスターであり、特定領域の内外で巨視的な融点に相異が生じ、薄膜の特定領域の内外で表面吸着物質に相異が生じ、出発薄膜の特定領域の内外で固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさに相異が生じた結果、結晶性薄膜における連続した結晶構造を有する結晶粒の少なくとも一部の空間的位置が制御された例である。
【００７１】
［実施例５］
本発明第五の実施例として、図１の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の第五の例を記す。
【００７２】
はじめに、非晶質酸化シリコン表面を有するガラス基体上に、プラズマ化学気相堆積法により結晶性シリコンクラスターを含まない膜厚１００ｎｍの水素化非晶質シリコン薄膜を堆積し、熱処理により脱水素処理を行った。この非晶質シリコン薄膜表面にＴＥＯＳ法で厚さ３μｍの非晶質酸化シリコン膜を堆積し、これをフォトリソグラフィー工程でパターニングして、１０μｍ間隔の正方格子点に２μｍ角の開口を形成した。この表面から非晶質酸化シリコン層をマスクにして、Ｘｅイオンを加速エネルギー１ＭｅＶ、ドーズ１×１０^１６ｃｍ^−２の条件にて注入した。その後マスクである非晶質シリコン層を除去し、これを出発薄膜とした。この出発薄膜の結晶性を調べたところ、１０μｍ間隔の正方格子点にある３μｍ角の開口部ではイオンビーム誘起結晶化による結晶性クラスターが観察されたのに対して、それ以外の領域では結晶性シリコンクラスターは観察されず、完全な非晶質であった。
【００７３】
次に、この出発薄膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザー光を約３８０ｍＪ・ｃｍ^−２のエネルギー密度で照射し、出発薄膜を溶融再固化させ、結晶性薄膜を得た。
【００７４】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、１０μｍ間隔の各正方格子点に配した２μｍ角の領域を中心として、直径約３μｍに達する単一の結晶粒が成長していた。その周囲は平均直径約５０ｎｍの様々なサイズの微結晶粒で埋め尽くされており、且つ、それらの位置は全くランダムであった。
【００７５】
本実施例の出発薄膜において、非晶質酸化シリコン膜に設けた２μｍ角の開口部では、周囲の領域より結晶性クラスター濃度のサイズ分布の平均値と濃度が高く、それぞれ図１における「特定領域４」と「周囲の領域５」をなしている。また溶融再固化後の結晶性薄膜においては、直径約３μｍの単一結晶粒が図１における結晶粒７に、その周囲の微結晶粒が図１における結晶性クラスター郡１０に対応する。ちなみにＸｅイオンを注入した薄膜と注入しない薄膜に関して溶融再固化過程を実時間観察したところ、上記溶融再固化条件において前者は不完全溶融したのに対して、後者では完全溶融であることが確認された。
【００７６】
即ち本実施例は、質量を有する粒子がＸｅイオン（イオン化Ｘｅ原子）であり、粒子の照射がイオン注入であり、特定領域およびその周囲の領域が非晶質シリコン膜の開口部によって設定され、両領域に対する照射条件が粒子の種類（Ｘｅ原子か何もないか）、状態（イオン化されているか、運動エネルギーが１ＭｅＶか０か）、照射量（ドーズが１×１０^１６ｃｍ^−２か０か）の点において異なっており、特定領域に所望の数（１）の結晶粒が成長し、特定領域に成長する所望の数（１）の結晶粒が薄膜の溶融時に特定領域において融け残った結晶粒もしくは結晶性クラスターであり、特定領域の内外で巨視的な融点に相異が生じ、出発薄膜の特定領域の内外で結晶性クラスター濃度のサイズ分布に相異が生じた結果、結晶性薄膜における連続した結晶構造を有する結晶粒の少なくとも一部の空間的位置が制御された例である。
【００７７】
［実施例６］
本発明第六の実施例として、図２の工程によって形成される結晶性シリコン薄膜の例を記す。
【００７８】
実施例１に記した結晶性シリコン薄膜の例における薄膜を、非晶質シリコン島マスクを設けた５μｍ間隔の正方格子点にある１μｍ角の領域を中心とした３μｍ角の領域のみを残してパターンニングし、他は実施例１と同様にして出発薄膜の溶融再固化を行い、結晶性薄膜を得た。
【００７９】
得られた結晶性薄膜を構成する結晶粒形状を観察したところ、３μｍ角の薄膜全域が単一の結晶粒によって占められており、結晶粒界は存在しなかった。
【００８０】
本実施例における、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御の過程は実施例１と同様である。また、本実施例のような単一の結晶粒からなる薄膜を形成する溶融再固化は、実施例２〜５の結晶性薄膜にも適用可能である。
【００８１】
［実施例７］
本発明第７の実施例として、図３に示した構造を有するＭＯＳ型ＴＦＴ素子、ＴＦＴ集積回路、およびＥＬ画像表示装置の例を記す。
【００８２】
はじめに、実施例６に記した工程により、表面にシリコン窒化膜及び酸化膜を積層したガラス基板上に、３μｍ角の単一シリコン結晶粒を設けた。次に、通常のシリコン薄膜トランジスタの低温形成工程に従って、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜とゲート電極膜を堆積し、単一結晶粒中央部の幅１μｍの領域を除いてゲート電極膜層を除去した。次に残されたゲート電極膜をマスクとするセルフアライン方式で、それ以外の領域にボロンをドープし、ゲート領域、ソース領域及びドレイン領域を形成した。これにより、ゲート領域は全域単一結晶粒の内部に含まれることとなった。その後、絶縁膜からなるパッシベーション層を堆積し、各領域上のパッシベーション層に開口部を設けた。最後に、アルミ配線層を堆積し、これをパターニングすることによってゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を形成し、ＭＯＳ型ＴＦＴを得た。
【００８３】
得られたＭＯＳ型ＴＦＴの動作特性を計測したところ、本発明における「特定領域４」を設けないランダムな多結晶薄膜に同一工程、同一形状で形成した素子に比べて、移動度の平均値で２倍以上高速に動作することが確認された。また、素子特性のバラツキの比較では、移動度は約半分、閾値電圧に至っては約１／４に低減した。
【００８４】
次にこれらＭＯＳ型ＴＦＴの隣接する２素子に対して各電極を次のように接続した。即ち、第一のＴＦＴのドレイン電極は第二のＴＦＴのゲート電極と接続した。また、第二のＴＦＴのゲート電極はコンデンサ素子を介して自らのソース電極に接続した。これにより、ＴＦＴ２素子及びコンデンサ素子からなる集積回路が構成された。本回路では、第二のＴＦＴのソースに供給された電源電流がそのドレインから出力される量がコンデンサ素子の蓄積容量で制御され、一方、コンデンサ素子の蓄積容量及び蓄積のスイッチングは第一のＴＦＴのゲート電圧によって制御される。本回路は、例えばアクティブマトリクス型表示装置において各画素のスイッチングと電流量制御を担う要素回路などに用いることができる。
【００８５】
本実施例にて形成した回路の基本動作特性を計測し、本発明における「特定領域４」を設けないランダムな多結晶薄膜に同一工程、同一形状で形成した回路の特性と比較した。その結果、動作可能なスイッチング周波数に関して３倍以上高速に動作すること、そして第二のＴＦＴのドレイン電極から出力される電流量の制御可能な範囲が２倍ほど拡大することが確認された。また、複数形成した同一回路の特性バラツキの比較では、それぞれ約半分以下に低減した。これは、各回路における第一のＴＦＴ間のバラツキ、第二のＴＦＴ間のバラツキのみならず、一回路における第一のＴＦＴと第二のＴＦＴの相対特性が比較対象に対してより均一であることを意味する。
【００８６】
次に、ガラス基板上１００μｍ間隔の正方格子点の各点に位置するこれらＴＦＴ集積回路を要素回路として、それら正方格子の単位胞を画像表示装置の画素とすべく、要素回路に接続する配線を次のように設けた。先ず、正方格子の一軸方向を貫く走査線を一格子毎に設け、各要素回路における第一のＴＦＴのゲート電極をこれに接続した。一方、走査線と直交する方向には一格子毎に信号線及び電源線を配線し、それぞれを各要素回路における第一のＴＦＴのソース電極、及び第二のＴＦＴのソース電極に接続した。次に、これら要素回路の集積回路上に絶縁層を積層し、これに各要素回路における第二のＴＦＴのドレイン電極が露出する開口部を設けた。次いで、金属電極を積層し、この金属電極を各画素毎に絶縁分離した。最後にエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）発光層と上部透明電極層を積層した。これにより、上記ＴＦＴ集積回路により各画素のスイッチングと注入電流量制御を行う、アクティブマトリクス型多階調ＥＬ画像表示装置が構成された。
【００８７】
即ち、本画像表示装置では、走査線の電圧に応じた第一のＴＦＴの起動によって信号線に与える電流値に対応した電荷容量が電源線からコンデンサ素子に蓄積され、この蓄積容量に応じた第二のＴＦＴのゲート電圧に制御された電流が電源線からＥＬ発光層に注入される。
【００８８】
本実施例にて形成した画像表示装置の基本動作特性を計測し、本発明における「特定領域４」を設けないランダムな多結晶薄膜に同一工程、同一形状で形成した画像表示装置の特性と比較した。その結果、静的特性として最大輝度及び最大コントラストが２倍程度向上し、階調再現域は約１．５倍拡大していること、そして画素欠損率及び明度ムラがそれぞれ１／３及び１／２まで低減していることが確認された。また、動的特性としては、最大フレームレートが２倍ほど向上した。これら動作特性の向上は全て、上記記した要素回路特性の向上とバラツキの低減に由来し、さらにそれらは各要素回路を構成する薄膜トランジスタ特性の向上とバラツキの低減に起因し、従って、それら薄膜トランジスタの活性領域が単一の結晶粒内に形成されていることの効果である。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、溶融再固化によって形成する結晶性薄膜において、薄膜に、特定領域とその周囲の領域に対して互いに異なる条件で質量を有する粒子を照射した後に、該薄膜を溶融再固化させることにより、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御を容易に実現する。
【００９０】
即ち、本発明において、薄膜に特定領域を設け、質量を有する粒子を特定領域とその周囲の領域に対して互いに異なる条件で照射すること、さらには、粒子の照射に際して特定領域の内外で粒子の種類、状態、照射量の何れかの条件が異なっていることによって、特定領域の内外で上記薄膜の元素組成比、含有不純物濃度、表面吸着物質、薄膜が接している基体との界面状態のいずれかに相異が生じ、これにより特定領域の内外で結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布に相異が生じるか、あるいは、特定領域の内外で固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさに相異が生じ、その結果、特定領域の内外で巨視的な融点に相異が生じ、溶融後の再固化工程において溶融相から核形成した結晶粒もしくは結晶性クラスターが特定領域に成長するか、もしくは、特定領域の内外で溶融相からの固化における結晶核形成自由エネルギー障壁の大きさに相異が生じることによって、溶融後の再固化工程において溶融相から核形成した結晶粒もしくは結晶性クラスターが特定領域に成長することで、結晶性薄膜を構成する結晶粒の空間的位置制御することができる。
【００９１】
本発明の結晶性薄膜は、これを構成する結晶粒の位置を素子の所定位置に空間的に関係づけるか、或いは、素子を位置制御された単一結晶粒の内部に形成することにより、従来のランダムな結晶粒のみからなる結晶性薄膜を用いる場合に比べて、当該素子の動作特性を著しく向上させ、そのバラツキを低減することができる。
【００９２】
さらに、上記本発明の素子を用いて構成した回路は、従来の、位置制御されないランダムな結晶粒のみからなる結晶性薄膜を用いた素子からなる回路に比べて、その動作特性を著しく向上させ、そのバラツキを低減することができる。
【００９３】
さらにまた、本発明の素子もしくは回路を含む本発明の装置においては、当該素子もしくは回路の動作特性の向上及びバラツキの低減によって、動作特性を著しく向上することができる。然して、本発明の装置は、位置制御されないランダムな結晶粒のみからなる結晶性薄膜を用いる場合では実現できない、高性能な装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第一の基本的な実施形態を説明するための製造工程図である。
【図２】本発明の結晶性薄膜及びその製造方法の第二の基本的な実施形態を説明するための製造工程図である。
【図３】本発明の素子、回路、および装置の一実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
１薄膜
２第一の条件による質量を有する粒子の照射
３第二の条件による質量を有する粒子の照射
４特定領域
５特定領域の周囲の領域
６溶融のためのエネルギー
７結晶粒もしくは結晶性クラスター
８未固化領域
９ランダムな結晶性クラスター
１０ランダムな結晶性クラスター群
１１結晶粒界
１２，１１２ゲート絶縁膜
１３，１１３ゲート電極
１４，１１４ソース電極
１５第一のＴＦＴのドレイン電極兼第二のＴＦＴのゲート配線電極
１６第一のＴＦＴのゲート配線電極
１７層間絶縁層
１８画素電極
１９発光層もしくは光透過度可変層
２０上部電極
１００基体
１００１ＴＦＴ集積回路
１００２第一のＴＦＴ
１００３第二のＴＦＴ

Claims

非晶質薄膜に、特定位置とその周囲の領域に対して互いに異なる条件で質量を有する粒子を照射して、非晶質の出発薄膜を形成する工程と、
前記出発薄膜の前記特定位置と前記周囲の領域の両方を溶融して、少なくとも前記周囲の領域を完全溶融させる工程と、
前記特定位置において単一の結晶粒もしくは結晶性クラスターを前記周囲の領域に対して優先的に成長させる工程と、
を有する非晶質薄膜を溶融再固化させる結晶性薄膜の製造方法。
前記特定位置と前記周囲の領域に対する粒子の照射条件として、前記記粒子の種類、状態、照射量のいずれかにおいて異なっていることを特徴とする請求項１に記載の結晶性薄膜の製造方法。
前記特定位置において優先的に成長させる前記単一の結晶粒もしくは結晶性クラスターは、前記溶融時に前記特定位置において未溶融で残留した単一の結晶粒もしくは結晶性クラスターであることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶性薄膜の製造方法。
前記異なる条件での照射により、前記特定位置を、前記周囲の領域より完全溶融の臨界エネルギーが大きな状態の非晶質領域にすることを特徴とする請求項３に記載の結晶性薄膜の製造方法。
前記異なる条件での照射により、前記特定位置の巨視的な融点が前記周囲の領域の領域の巨視的な融点よりも高くなることを特徴とする請求項３に記載の結晶性薄膜の製造方法。
前記異なる条件での照射により、前記特定位置の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度が、前記周囲の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度よりも大きくなること、または、前記特定位置の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布の平均値が、前記周囲の結晶粒もしくは結晶性クラスター濃度のサイズ分布の平均値よりも大きくなることを特徴とする請求項３に記載の結晶性薄膜の製造方法。
前記異なる条件での照射により、特定位置の固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁が、その周囲の領域の固相結晶化における結晶核形成自由エネルギー障壁よりも低くなることを特徴とする請求項３に記載の結晶性薄膜の製造方法。
前記特定位置において優先的に成長させる前記単一の結晶粒もしくは結晶性クラスターは、前記溶融後に核形成した単一の結晶粒もしくは結晶性クラスターであることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶性薄膜の製造方法。
前記異なる条件での照射により、前記特定位置の溶融再固化における結晶核形成自由エネルギー障壁が、前記周囲の領域の溶融再固化における結晶核形成自由エネルギー障壁よりも小さくなることを特徴とする請求項８に記載の結晶性薄膜の製造方法。