JP4577114B2 - 薄膜トランジスタの製造方法および表示装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、特性変動の小さな薄膜トランジスタの製造方法および長期間安定した表示品質が保てる表示装置の製造方法に関するものである。

有機エレクトロルミネッセンス（以下、「エレクトロルミネッセンス」を「ＥＬ」と略記する。）ディスプレイの駆動用薄膜トランジスタには、（ａ）長期に渡って駆動し続けてもしきい値電圧等の特性変動が少ないこと、（ｂ）表示画面にムラがないように電気特性のバラツキが少ないこと、（ｃ）ＭＰＥ（マルチフォトンエミッション）構造等の多段ＥＬ層を高電圧で駆動する場合でも十分な耐圧があること、等の性能が必要である。

既に液晶ディスプレイ用として量産化されている薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」と略記する。ＴＦＴはThin Film Transistorの略。）を大別すると、チャネル層が非晶質シリコンからなるアモルファスシリコンＴＦＴと多結晶シリコンからなる低温ポリシリコンＴＦＴ（無アルカリガラス基板）及び高温ポリシリコンＴＦＴ（石英ガラス基板）がある。

有機ＥＬ駆動用ＴＦＴを考えた場合、従来のアモルファスシリコンＴＦＴは、前記（ｂ）と（ｃ）の性能は満足するが前記（ａ）の性能が不十分である。また、ポリシリコンＴＦＴは前記（ａ）の性能を満足するが、前記（ｂ）と（ｃ）の性能が不十分である。前記（ａ）と（ｂ）の性能は有機ＥＬディスプレイ用ＴＦＴに限らず、液晶ディスプレイ用ＴＦＴにとっても改善されるべき性能であるため、これらを改善する目的で以下に示す様々な提案が出されている。しかしながら、これらの手法においても未だ十分な改善がなされてなく、これらを有機ＥＬ駆動用のＴＦＴとして使用する場合においても十分な性能は得られていない。

（１）液晶表示装置用として、多結晶Ｓｉと非晶質Ｓｉの２層チャネルからなる逆スタガー型の薄膜トランジスタを提案している（例えば、特許文献１、２参照。）。この提案では２層チャネル構造のＴＦＴによって前記（ａ）の性能の特性変動を抑えているが、周辺回路用のＴＦＴとしてのみ使われており、画素回路用のＴＦＴには非晶質Ｓｉの積層膜がチャネルとして使われている。これは２層チャネルのうちの多結晶Ｓｉチャネル層を出力安定性の悪いエキシマレーザ照射によって作製しているために特性のバラツキが大きく、上記（ｂ）の性能の点が問題となって画素回路用ＴＦＴとして使えないためである。

（２）チャネル層を微結晶シリコンあるいは多結晶シリコンと非晶質の水素化シリコンとの２層構造からなる構造体、薄膜トランジスタ、及びその製法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。そして、微結晶シリコンあるいは多結晶シリコンの作製方法としては非晶質シリコン上への結晶性シリコンのＣＶＤ成膜、あるいは非晶質シリコン膜の上面領域を熱アニーリングまたはフラッシュ・アニールすることで結晶性シリコン膜を作製する２層チャネル構造の作製方法が開示されている。しかしながら上記の手法で微結晶シリコンあるいは多結晶シリコンを作製する場合、非晶質シリコンの上方に結晶性シリコンが作製されるため、この発明にあるスタガー型の薄膜トランジスタの場合はチャネルとなるゲート絶縁膜近傍の半導体層が結晶性シリコンとなって狙いとしている安定性が得られる。しかしながら、逆スタガー型の薄膜トランジスタ構造をとる場合はチャネルとなるゲート絶縁膜近傍が非晶質シリコンになってしまうために安定性が低下し、（ａ）の性能が確保できない。

（３）レーザアニールでポリシリコンチャネル層を作製する低温ポリシリコンＴＦＴにおいて、非晶質あるいは微結晶シリコン膜上に光吸収膜を設け、これに安定した出力の連続発振レーザを照射することでシリコン膜を溶融、再結晶化させて大粒径シリコン層を作製する手法である（例えば、特許文献４、５参照。）。この手法においては出力の安定した連続発振レーザを用いることで欠陥の少ない大粒径シリコンを作製し、（ａ）の特性変動と（ｂ）の特性バラツキを低減するものである。しかしながら、ここで作製した大粒径シリコンや単結晶に近いシリコンをチャネル層に用いてＴＦＴを構成すると、移動度が大きく高いオン電流が得られるという特長がある反面、耐圧性能が低くオフ電流が高いという問題点も現れて、高電圧での駆動が必要な有機ＥＬ用ＴＦＴにとっては好ましくない。さらには逆スタガー型トランジスタ構造の場合、レーザアニールするシリコン膜の下方に熱伝導性の高いゲート配線が配置されるため、シリコン再結晶化時の冷却速度が配線パターンに影響されて粒径サイズにバラツキが生じ、ＴＦＴ特性もばらついてしまう。これによって（ｂ）の均一性が悪いものになってしまう。

（４）この手法においても前記（２）と同様に半導体膜上に光吸収層を設け、連続発振の半導体レーザ光を照射して半導体膜を大粒径シリコン膜に変換する手法が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。光源に出力が安定な半導体レーザを用いることで安定に大粒径ポリシリコン膜が作製でき、高移動度でバラツキの少ないＴＦＴが低コスト、高スループットで実現できている。しかしながら、この場合も前記（２）と同様にチャネル層に大粒径ポリシリコン膜を使用するため、移動度は高いが耐圧が低く、オフ電流の高いＴＦＴになってしまう。オフ電流を下げる手法としてマルチゲート構造やオフセット構造、ＬＤＤ構造などが一般的に用いられ、効果も確認されているが前記（ｃ）の性能の耐圧に関しては大粒径ポリシリコンがチャネル層に存在する限り、ＴＦＴ構造やプロセス条件を工夫しても大幅な改善は望めない。また、前記（３）の後半に示したように逆スタガー型トランジスタ構造の場合は前記（ｂ）の性能の問題も生じる。

特許第２８１４３１９号公報 特許第３１２１００５号公報 特開平６-３４２９０９号公報 特開２００２-５０５７６号公報 特開２００３-１６８６４６号公報 特開２００４-１３４５７７号公報

解決しようとする問題点は、長期駆動に対する特性変動がある点、耐圧が低い点を同時に解決することができない点である。

本発明は、薄膜トランジスタのチャネル層を改善して、長期に渡って駆動し続けてもしきい値電圧等の特性変動が少なく、表示画面にムラがないように電気特性のバラツキが少なく、ＭＰＥ（マルチフォトンエミッション）構造等の多段ＥＬ層を高電圧で駆動する場合でも十分な耐圧を有することを可能にすることを課題とする。

本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を被覆するように前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート電極上に前記ゲート絶縁膜を介してチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層の一方側にソース電極を形成するとともに他方側にドレイン電極を形成する工程とを備えた薄膜トランジスタの製造方法において、前記チャネル層を形成する工程は、前記ゲート絶縁膜上に非晶質シリコン膜、バッファー膜、光−熱変換膜の順に成膜する工程、前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程と、前記光−熱変換膜とバッファー膜とを除去する工程と、前記微結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を成膜する工程とを有することを特徴とする。

上記薄膜トランジスタの製造方法では、前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程を備えていることから、光−熱変換膜が照射レーザ光の多くを吸収することによって非晶質シリコン膜の膜厚が薄い場合であっても照射光のエネルギーの多くを吸収して有効に熱に変換する。そして融点に達して溶融した非晶質シリコン膜は照射光が通り過ぎることによって冷却固化して微結晶シリコンに変化する。このときに膜厚方向の空間的な距離（非晶質シリコン膜を挟む酸化シリコン膜からなるバッファー膜およびゲート絶縁膜中の酸化シリコン膜間のギャップ）を一定に保つ構造体として働く。これによって非晶質シリコンの体積変化が起き難くなり、ラテラル成長によるシリコンの大粒径化を抑制して微結晶シリコンのみの生成が促進される。また、半導体レーザ光を光源に用いていることから、高出力で安定したレーザ光照射が可能となり、光−熱変換膜の加熱を均一性よく高精度に行うことができるので、粒径の小さな微結晶シリコンを生成することが容易になる。

本発明の表示装置の製造方法は、複数の画素からなる表示パネルの画素を駆動する薄膜トランジスタを備えた表示装置の製造方法において、前記薄膜トランジスタの製造工程は、基板上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を被覆するように前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート電極上に前記ゲート絶縁膜を介してチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層の一方側にソース電極を形成するとともに他方側にドレイン電極を形成する工程とを備え、前記チャネル層を形成する工程は、前記ゲート絶縁膜上に非晶質シリコン膜、バッファー膜、光−熱変換膜の順に成膜する工程と、前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程と、前記光−熱変換膜とバッファー膜とを除去する工程と、前記微結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を成膜する工程とを有することを特徴とする。

上記表示装置の製造方法では、画素を駆動する薄膜トランジスタの製造工程に本発明の薄膜トランジスタの製造方法を採用することで、上記説明したように、粒径の小さな微結晶シリコン膜と非晶質シリコン膜とを有するチャネル層を備えた薄膜トランジスタの製造を可能にする。

本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、チャネル層を微結晶シリコン膜と非晶質シリコン膜の２層構造に形成することができるため、特性変動の小さい薄膜トランジスタを製造することができるので、駆動時間が長い表示装置、例えば有機ＥＬ表示装置であっても長期間安定した表示品質が保てるという利点がある。また特性バラツキの小さい薄膜トランジスタを製造することができるため、表示画面にムラのない表示装置、例えば有機ＥＬ表示装置を実現することができるという利点がある。また従来のアモルファスシリコンＴＦＴに比べて移動度の高いトランジスタを得ることができるため、画素内のトランジスタ数が多い表示装置、例えば有機ＥＬ表示装置においても小型・高解像度の表示装置が実現できる。

本発明の表示装置の製造方法は、本発明の薄膜トランジスタの製造方法により表示装置の駆動トランジスタを形成することができるため、上記薄膜トランジスタの製造方法で得られる作用、効果をえることができるという利点がある。よって、長期間安定した表示品質が保てて、表示画面にムラのない表示装置を得ることができる。

本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第１例を、図１の製造工程を示したフローチャートおよび図２の製造工程断面図によって説明する。

図１に示す工程１〜工程４を行う。まず工程１では図２（１）に示すように、基板１１を洗浄する。上記基板１１には、例えばガラス基板を用いる。洗浄後、上記基板１１上にゲート電極形成膜を成膜する。このゲート電極形成膜は、例えば、スパッタリング法によって、モリブデン膜を９０ｎｍの厚さに形成する。次いで、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、上記ゲート電極形成膜で所定の形状にパターニングしてゲート電極１２を作製する。

次に、図１に示す工程２を行う。工程２では図２（１）に示すように、上記ゲート電極１２を被覆する状態に上記基板１１上にゲート絶縁膜１３を形成する。このゲート絶縁膜１３は、例えば、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層膜で形成する。この窒化シリコン膜の膜厚は例えば５０ｎｍとし、上記酸化シリコン膜の膜厚は例えば１２０ｎｍとする。さらに、上記ゲート絶縁膜１３上にチャネル層を形成する膜として、例えば非晶質シリコン膜１４を、例えば１５ｎｍの厚さに形成する。その成膜方法は、例えばプラズマエンハンスメント−化学的気相成長法（ＰＥ−ＣＶＤ法）を用いることができる。

次に、図１に示す工程３を行う。工程３では図２（１）に示すように、上記非晶質シリコン膜１４上にバッファー膜３１を形成する。このバッファー膜３１は、例えば絶縁膜で形成され、例えば酸化シリコン膜を例えば２０ｎｍの厚さに成膜して形成する。次いで、上記バッファー膜３１上に光−熱変換膜３２を形成する。この光−熱変換膜３２は、例えばモリブデンを例えば１００ｎｍの厚さに堆積して形成する。この成膜方法としては、ＰＥ−ＣＶＤ法、スパッタリング法等を用いることができる。ここで、酸化シリコンからなる上記バッファー膜３１は、レーザ光照射時に高温となる光−熱変換膜３２のモリブデン（Ｍｏ）が上記非晶質シリコン膜１４の膜内に拡散してモリブデンシリサイドが生成されることを防止する役割を果たす。

次に、図１に示す工程４を行う。工程４では図２（１）に示すように、光−熱変換膜３２上にレーザ光１６を照射して光−熱変換膜３２を加熱し、この熱によって下層にある非晶質シリコン膜１４を微結晶シリコン膜１５に変化させる。

この時のレーザアニール工程を詳しく説明する。使用したレーザ光源は、波長８０８ｎｍのブロードエリア型高出力半導体レーザ装置で、連続発振にて約４Ｗの光出力が得られるものである。マイクロレンズアレイ等を用いた均一照明光学系に上記半導体レーザ装置（図示せず）から射出されたレーザ光１６を通し、長軸側の光強度プロファイルが平坦なトップハット型で、短軸側の光強度プロファイルがガウシアン型の矩形ビームに整形する。このビームを約２ｍＷ／μｍ²の光強度に集光して光−熱変換膜３２上に照射し、基板１１を約４０ｍｍ／sの一定速度で移動させる。高い光強度の半導体レーザ光の照射によってモリブデン膜が高温に加熱され、この熱が熱伝導によって下層の酸化シリコンからなるバッファー膜３１、非晶質シリコン膜１４に伝わり、非晶質シリコン膜１４が融点に達する。溶融した非晶質シリコン膜１４は照射光が通り過ぎることによって冷却固化して微結晶シリコンに変化し、上記微結晶シリコン膜１５が形成される。

この再結晶化プロセスで得られた微結晶シリコンを電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察すると、図３に示すように、粒径はおよそ１０ｎｍ〜５０ｎｍであることが観察された。このＳＥＭ写真は微結晶シリコン膜１５をセコエッチングした後に観察したものである。ここで光−熱変換膜３２はシリコンの結晶化プロセスにおいて２つの重要な役割を果たす。１つは光−熱変換膜３２が照射レーザ光の多くを吸収することで、これによって非晶質シリコン膜の膜厚が薄い場合であっても照射光のエネルギーの多くを吸収して有効に熱に変換する。もう１つは溶融した非晶質シリコン膜が結晶化するときに膜厚方向の空間的な距離（非晶質シリコン膜を挟む酸化シリコン膜からなるバッファー膜３１およびゲート絶縁膜１３中の酸化シリコン膜間のギャップ）を一定に保つ構造体として働くことである。この効果によって非晶質シリコンの体積変化が起き難くなり、ラテラル成長によるシリコンの大粒径化を抑制して微結晶シリコンのみの生成を促進する。

次に、図１に示す工程５を行う。工程５では、トランジスタを構成する上で不要となる光−熱変換膜３２およびバッファー膜３１を除去する。光−熱変換膜３２を構成するモリブデンはリン硝酢酸溶液中に浸漬することで除去する。また、酸化シリコンからなるバッファー膜３１はフッ酸溶液中に浸漬することで除去する。このエッチングでは、微結晶シリコンはフッ酸溶液にほとんど溶解しないため、図２（２）に示すように、上記微結晶シリコン膜１５が露出されるが、この微結晶シリコン膜１５は結晶化したままの膜厚で残存する。

次に、図１に示す工程６を行う。工程６では、図２（３）に示すように、上記微結晶シリコン膜１５上に非晶質シリコン膜１７を形成する。この非晶質シリコン膜１７は、例えば、１２０ｎｍの厚さに形成する。その成膜方法は、例えばＰＥ−ＣＶＤ法を用いることができる。このようにして、本発明の特長となる微結晶シリコン膜１５と非晶質シリコン膜１７とからなる２層チャネル構造のチャネル層１８が作製される。

次に、図１に示す工程７〜工程９を行う。まず工程７では図２（４）に示すように、一般的な非晶質シリコンＴＦＴの製造プロセスと同様な工程を行う。上記非晶質シリコン膜１７上にチャネル保護膜を形成する。このチャネル保護膜は、例えば窒化シリコン膜で形成する。その成膜方法は、例えば化学的気相成長法を用いることができる。その後、通常のフォトリソグラフィー工程およびエッチング工程により上記チャネル層１８の上部に上記チャネル保護膜を用いてストッパー層１９を形成する。

次に、図１に示す工程８を行う。工程８では図２（４）に示すように、上記非晶質シリコン膜１７上のソース・ドレインが形成される領域に、ｎ型不純物として、例えばリンをドープした非晶質シリコン層（以下、ｎ⁺ａ−Ｓｉ層と記す。）２０を形成する。このｎ⁺ａ−Ｓｉ層２０は、例えば化学的気相成長法によって成膜することができる。その後、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程によってアイランド構造を作製する。このドライエッチング工程では、例えば反応性イオンエッチング装置を用いることができる。

次に、図１に示す工程９を行う。工程９では図２（４）に示すように、上記ｎ⁺ａ−Ｓｉ層２０を被覆するように、ソース電極およびドレイン電極を形成するための電極膜を形成する。この電極膜は、例えばスパッタリングにより形成することができる。そして、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程によって、上記電極膜をパターニングしてソース電極２１およびドレイン電極２２を形成する。このドライエッチング工程では、例えば反応性イオンエッチング装置を用いることができる。本実施例では、上記電極膜として、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）の３層構造を用いた。以上の工程によりチャネル層１８が微結晶シリコン膜１５および非晶質シリコン膜１７の２層構造からなる逆スタガー型の薄膜トランジスタ１が形成された。

本実施例によるＴＦＴのトランジスタ特性を評価し、従来品ＴＦＴのトランジスタ特性と比較した。有機ＥＬディスプレイ用のＴＦＴにとって非常に重要な特性の１つが電流値の特性バラツキである。このバラツキが大きいと画質のムラとなって表示品質を悪くするため、小さい値が要求される。隣接する１６個のトランジスタのオン電流Ｉonバラツキ（Ｉonのσ／平均値）を基板内の複数箇所で測定し、その平均値を表１に示す。

表１に示すように、本実施の形態例によるＴＦＴの電流値バラツキは２．０％と小さく、液晶表示装置に通常用いられている非晶質（アモルファス）シリコンＴＦＴとほぼ同等のバラツキを示した。エキシマレーザアニールを用いる低温ポリシリコンＴＦＴのバラツキは５％以上と大きく、有機ＥＬディスプレイの駆動用ＴＦＴに用いるとレーザアニールに起因する筋状のムラが表示画面に存在する。これはエキシマレーザに代表されるパルスレーザはパルスごとのエネルギーバラツキが大きいためであり、通常のエキシマレーザのパルスバラツキはPeak to Peakで５％〜１０％ある。また、比較的安定な半導体レーザ励起のＹＡＧレーザであってもPeak to Peakで２％〜３％のパルスバラツキを持っており、本実施の形態例で使用した半導体レーザの出力変動がPeak to Peak で０．５％以下であることと比較すると大きな変動量を持っている。本実施の形態例によるＴＦＴを用いた有機ＥＬディスプレイでは表示画面にムラがなく、この点で低温ポリシリコンＴＦＴより優る特性を持つことがわかる。

もう１つの重要なトランジスタ特性としてしきい値電圧（Ｖth）の経時変動がある。上記表１にこのＶthの経時変動を評価した時のデータも併せて示した。

トランジスタの駆動方法、条件等によって各種評価方法があるが、ここではゲートに１５Ｖの電圧を印加し、５０℃の環境下で連続して約２８時間駆動したときのＶthの変化量を示した。本実施の形態例によるＴＦＴは０．３Ｖという小さな値を示し、低温ポリシリコン並みの高信頼性を示した。一方、通常の非晶質シリコンＴＦＴは１５Ｖという大きな変動量を示しており、長時間連続して駆動するとＶthの変動量が大きくなりすぎて正常なトランジスタ動作をしなくなることが容易に想像できる。有機ＥＬディスプレイは電流を連続的に流すことによって画面表示をするため、トランジスタにはＶth変動量の小さなものが要求される。この点で本実施例によるＴＦＴは非晶質シリコンＴＦＴに比べて大いに優る特性を持っていることがわかる。

本発明の大きな特徴はチャネル層１８が微結晶シリコン膜１５と非晶質シリコン膜１７の２層からなることである。ゲート電極１２側に微結晶シリコン膜１５を形成することによって電圧印加によるＶthの変動を起こり難くすると共に移動度を上げる効果によってトランジスタサイズを小さくできる。本実施例では移動度２ｃｍ²／Ｖ／sが得られており、従来の非晶質シリコンＴＦＴの移動度約０．５ｃｍ²／Ｖ／sの４倍の特性が得られている。

さらに、微結晶シリコン膜１５上に積層する非晶質シリコン膜１７はソースとドレイン間に均一な高抵抗層を導入した効果があり、オフ電流を下げると共に高い耐圧特性を示す。

次に、本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第２例を説明する。

この第２例では前記第１例とほぼ同様なプロセスを用いて微結晶シリコン膜１５と非晶質シリコン膜１７とからなる２層チャネル構造の薄膜トランジスタ１を作製した。前記第１例と異なる点は前記図１の工程３において、図４に示すように、光−熱変換膜３２上に反射低減膜３３を形成した点である。この反射低減膜３３は、例えば、厚さが１２０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜で形成することができる。この反射低減膜３３によってレーザ光を効率よくモリブデン膜からなる光−熱変換膜３２の温度上昇に利用することができる。このため、前記第１例と同様に、非晶質シリコン膜１４を結晶化する際のビーム走査速度を１２０ｍｍ／sまで高速化することができた。その後は、前記図１の工程５で反射低減膜を剥離するプロセスを追加するのみで、その他は、前記第１例と同一のプロセスで行うことができる。このようにして得られたＴＦＴの諸特性は、前記第１例のＴＦＴとほぼ同等のものが得られた。

光−熱変換膜３２として用いたモリブデン膜は、波長８０８ｎｍのレーザ光に対して約５６％の反射率を持っており、膜に吸収されてアニールに寄与するエネルギー量は４４％である。上記反射低減膜３３を用いることによってこの反射率を約３０％に低減することができる。つまりは入射光量の７０％を光−熱変換膜３２の加熱に利用することができる。出力が４Ｗのレーザ光を用いた場合、反射低減膜３３のない場合は１．７６Ｗのエネルギーをアニールに使うが、上記反射低減膜３３を形成することで２．８Ｗと、およそ１．６倍のエネルギーを利用することができる。

大型のガラス基板を用いてディスプレイ用のＴＦＴ基板を量産する場合、このレーザアニールプロセスの基板処理速度が生産量を決める重要なファクターとなる。上記第２例でわかるように、反射低減膜を用いることによってビームの走査速度を大幅に上げることができるため、装置１台あたりの生産量も大幅に増やすことができる。

上記第２例では、反射低減膜３３として酸化シリコン膜を用いたが、その他にも屈折率が１．５から２．５程度の透光性高融点膜であれば同様な効果が得られる。例えば、厚さが９０ｎｍの窒化シリコン（ＳｉＮ）膜をモリブデン膜上に成膜することで、反射率は約１５％まで低減することができ、酸化シリコン膜の場合よりさらにエネルギー利用効率を高めることができる。また、反射低減膜３３として、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜を用いることもできる。

次に、本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第３例を説明する。

この第３例では前記第１例とほぼ同様なプロセスを用いて微結晶シリコン膜１５と非晶質シリコン膜１７とからなる２層チャネル構造の薄膜トランジスタ１を作製した。前記第１例と異なる点は前記図１の工程２で成膜する非晶質シリコン膜１４の膜厚を４３ｎｍと厚くしたこと、前記図１の工程３で成膜する光−熱変換膜３２の厚さを５０ｎｍとしたこと、前記図１の工程４において、アニールに使用する半導体レーザ光を、波長が８０８ｎｍの赤外線半導体レーザ光ではなく、波長が４０５ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）系青色半導体レーザ光を用いた点である。

この第３例で用いたアニール装置は、前記第１例で使用したアニール装置の光源部と照明光学系部を波長が４０５ｎｍの半導体レーザ光およびこれに対応した均一照明光学系に変更したものである。照射する光エネルギー強度と走査速度を調整し、好適な微結晶シリコン膜１５が得られる照射条件にて結晶化プロセスを行なった。前記図１の工程５以降は前記第１例と同様なプロセスを用いてＴＦＴデバイスを製作し、電気特性を評価を行った。

その結果、電気特性は、前記第１例の結果と大きく変わらず、移動度が第１例の１．３倍、オン電流の隣接トランジスタ間バラツキが平均値で３％となり、有機ＥＬ用ＴＦＴとして十分な性能が得られた。このデバイスにおける微結晶シリコン膜１５の粒径サイズを観察した写真を図５に示した。粒径は、１０ｎｍ〜８０ｎｍであり、非晶質シリコン膜１４の膜厚が４３ｎｍと厚くなった分、第１例に比べてやや大きいが、ラテラル成長は見られなかった。このように、微結晶シリコンができていることによってオン電流のバラツキが小さく抑えられているといえる。

次に、比較例として、バッファー膜３１および光−熱変換膜３２を形成しない薄膜トランジスタの製造方法を説明する。

比較例では、前記第３例において、バッファー膜３１、光−熱変換膜３２を形成することなしに、４０５ｎｍ半導体レーザ光で非晶質シリコン膜１４をアニールした。その他のプロセスは、前記第３例とほぼ同様である。

この比較例では、非晶質シリコン膜１４はアニールの結果、図６の電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真に示すように、粒径が１００ｎｍから１μｍ程度と大きく成長したポリシリコン膜となった。このポリシリコン膜を用いて前記図１の工程６以降を、前記第１例と同様のプロセスを行ってＴＦＴデバイスを作製した。このデバイスの特性を評価したところ、移動度は第３例の約１０倍と非常に高い値を示したが、オン電流の隣接バラツキも約８％と高くなった。このバラツキの値はテレビ等のディスプレイ用途に使用すると画質のムラを生じるレベルである。従来技術の課題の部分に記述したように、チャネル層に大粒径シリコンができると耐圧が低下したり、ゲート配線パターンの影響を受けて粒径のバラツキが大きくなり、従って特性バラツキの増大が生じる。

第１例、第３例および比較例における特性バラツキと結晶粒径とを比較して、表２に示した。

表２に示すように、結晶粒径が１００ｎｍ以上まで成長してしまうプロセスでは特性バラツキ、特に電流値バラツキ（Ｉonのσ／平均値）が６．８％と大きくなることがわかる。また、前記第１例では結晶粒径が３０ｎｍ±２０ｎｍであり、電流値バラツキ（Ｉonのσ／平均値）は１．３％、前記第３例では結晶粒径が５０ｎｍ±４０ｎｍであり、電流値バラツキ（Ｉonのσ／平均値）は２．８％であった。このように、結晶粒径が１００ｎｍ以上になると、電流値バラツキが大きくなりすぎ、例えば有機ＥＬ表示装置の駆動トランジスタとしてこの薄膜トランジスタを用いることが困難になることがわかる。一方、本発明の製造方法により製造された薄膜トランジスタでは、結晶粒径が９０ｎｍ以下であり、電流値バラツキ（Ｉonのσ／平均値）が２．８％以下であることから、例えば有機ＥＬ表示装置の駆動トランジスタに採用することが可能であることが判る。

次に、図７のオン電流と電流値バラツキとの関係を説明する。図７では、黒塗りの菱形が第１例のデータであり、黒塗りの四角形が第３例のデータであり、白抜きの三角形が比較例のデータである。

図７に示すように、結晶粒径の大きい比較例では、最大１５．５％の電流値バラツキがあることがわかる。一方、第３例のように結晶粒径が１０ｎｍ〜９０ｎｍでは、電流値バラツキの最大値は４．８％であり、さらに第１例のように結晶粒径が１０ｎｍ〜５０ｎｍでは、電流値バラツキの最大値は３．０％であり、結晶粒径が小さくなるほど電流値バラツキの最大値も小さくなることが判る。このことからも、本発明の薄膜トランジスタを例えば有機ＥＬ表示装置の駆動トランジスタとして用いる場合には、でき得る限り結晶粒径の小さな、例えば１０ｎｍに近い結晶粒径の微結晶シリコン膜１５を形成することが有効であることが判る。

次に、上記各実施の形態例の変形例について説明する。

光源となる半導体レーザ装置は、発振波長が３５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の連続発振の半導体レーザ装置であり、上記実施の形態例ではＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体を活性層に用いた半導体レーザ装置を使用したが、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＳｉＣ等の化合物半導体を活性層に用いた半導体レーザ装置を用いることが可能である。特には、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓを用いた半導体レーザ装置は高出力で長寿命のものが安価に市販されており、プロセス装置用の光源として非常に適している。

上記バッファー膜３１は、図８のバッファー膜と薄膜トランジスタの移動度との関係図に示すように、上記実施の形態例では、１０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の膜厚があれば良好な移動度を有する薄膜トランジスタを製造することができる。例えば、バッファー膜３１が酸化シリコン膜で形成され、その膜厚が１０ｎｍ〜１６０ｎｍでは移動度が１．７０ｃｍ²／Ｖ／ｓ〜１．７７ｃｍ²／Ｖ／ｓであった。

光−熱変換膜３２は、上記実施の形態例では、酸化シリコン膜とモリブデン膜とを用いたが、その他にもシリコンの融点（１４１０℃）より高い温度での耐熱性を持つものを使用することができる。モリブデン（融点２６２３℃）以外の高融点金属として、チタン(Ｔｉ)（融点１６６６℃）、バナジウム(Ｖ)（融点１９１７℃）、クロム（Ｃｒ）（融点１８５７℃）、ジルコニウム（Ｚｒ）（融点１８５２℃）、ニオブ（Ｎｂ）（融点２４７０℃）、ハフニウム（Ｈｆ）（融点２２３０℃）、タンタル（Ｔａ）（融点２９８５℃）、タングステン（Ｗ）（融点３４０７℃）等の高融点金属、また、融点の高い金属化合物として、上記高融点金属の酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物等の高融点金属化合物、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化炭化シリコン（ＳｉＯＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等を挙げることができる。もしくは、上記金属膜の積層膜、上記金属化合物膜の積層膜、上記金属膜と上記金属化合物膜との積層膜を用いることができる。

また、本発明の薄膜トランジスタ（第１例の薄膜トランジスタ）と従来型のアモルファスシリコンＴＦＴについて、駆動時間によるしきい値電圧の変化量を調べた。その結果を図９に示す。図９では、縦軸にしきい値電圧の変化量ΔＶth（Ｖ）を示し、横軸に駆動時間（ｓ）を示す。

図９に示すように、薄膜トランジスタの駆動時間の経過とともにしきい値電圧が上昇していくが、本発明の薄膜トランジスタは、１０万秒駆動してもしきい値電圧は０．０７Ｖであったが従来型のアモルファスシリコンＴＦＴでは、１０秒の時点で０．１２２Ｖあり、１０万秒の駆動時間では１５．６９Ｖとなった。このように、本発明の薄膜トランジスタでは、駆動時間が長くなっても、しきい値電圧がほとんど変化しないことが判る。このように、本発明の製造方法により形成された薄膜トランジスタは、長期間安定した表示品質が保てるという特徴を有する。このため、表示装置、とりわけ、有機ＥＬ表示装置の駆動トランジスタとして用いることにより、有機ＥＬ表示装置を長期間、安定した画質で表示することが可能になる。

上記説明した本発明の薄膜トランジスタは、複数の画素を有する表示パネルの画素を駆動する駆動トランジスタとして用いることができる。したがって、表示装置の製造方法において、薄膜トランジスタを形成する工程では、前記説明した本発明の薄膜トランジスタの製造方法を採用することができる。

したがって、特性変動の小さい薄膜トランジスタを製造することができるため、駆動時間が長い表示装置であっても長期間安定した表示品質が保てるという利点がある。この利点は、有機ＥＬ表示装置のような薄膜トランジスタの駆動時間が長い表示装置に、特に有効である。また、特性バラツキの小さい薄膜トランジスタを製造することができるため、表示画面にムラのない表示装置が実現できる。この利点も、有機ＥＬ表示装置のような薄膜トランジスタの駆動時間が長い表示装置に有効である。また、従来のアモルファスシリコンＴＦＴに比べて移動度の高いトランジスタが得られるため、画素内のトランジスタ数が多い表示装置、例えば有機ＥＬ表示装置においては、小型・高解像度の表示装置を実現することができる。さらに、プロセス装置に使用する光源が小型、高出力、安価、長寿命な半導体レーザ装置であるため、プロセス装置自体が安価で高信頼性なものとなり、量産設備の初期投資、メンテナンスコストを低く抑えることができることによって、表示装置の生産コストを低減することが可能となる。

本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第１例を示した製造工程のフローチャートである。 本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第１例を示した製造工程断面図である。 第１例における再結晶化プロセスで得られた微結晶シリコン膜の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 本発明の薄膜トランジスタの製造方法に係る一実施の形態の第２例を示した製造工程断面図である。 第３例における再結晶化プロセスで得られた微結晶シリコン膜の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 比較例における再結晶化プロセスで得られたシリコン結晶の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 オン電流と電流値バラツキとの関係図である。 バッファー膜と薄膜トランジスタの移動度との関係図である。 しきい値電圧の変化量と薄膜トランジスタの駆動時間との関係図である。

符号の説明

１…薄膜トランジスタ、１１…基板、１２…ゲート電極、１３…ゲート絶縁膜、１４…非晶質シリコン膜、１５…微結晶シリコン膜、１６…半導体レーザ光、１７…非晶質シリコン膜、３１…バッファー膜、３２…光−熱変換膜

Claims (4)

1. 基板上にゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極を被覆するように前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート電極上に前記ゲート絶縁膜を介してチャネル層を形成する工程と、
   前記チャネル層の一方側にソース電極を形成するとともに他方側にドレイン電極を形成する工程と
   を備えた薄膜トランジスタの製造方法において、
   前記チャネル層を形成する工程は、
   前記ゲート絶縁膜上に非晶質シリコン膜、バッファー膜、光−熱変換膜の順に成膜する工程、
   前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程と、
   前記光−熱変換膜とバッファー膜とを除去する工程と、
   前記微結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を成膜する工程と
   を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
2. 前記微結晶シリコン膜の結晶粒径は１００ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタの製造方法。
3. 前記光−熱変換膜を形成した後で前記半導体レーザ光を照射する前に、前記光−熱変換膜上に反射低減膜を形成し、
   前記反射低減膜は前記光−熱変換膜及び前記バッファー膜を除去する際に除去する
   ことを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタの製造方法。
4. 複数の画素からなる表示パネルの画素を駆動する薄膜トランジスタを備えた表示装置の製造方法において、
   前記薄膜トランジスタの製造工程は、
   基板上にゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極を被覆するように前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート電極上に前記ゲート絶縁膜を介してチャネル層を形成する工程と、
   前記チャネル層の一方側にソース電極を形成するとともに他方側にドレイン電極を形成する工程とを備え、
   前記チャネル層を形成する工程は、
   前記ゲート絶縁膜上に非晶質シリコン膜、バッファー膜、光−熱変換膜の順に成膜する工程と、
   前記光−熱変換膜に半導体レーザ光を照射して前記非晶質シリコン膜を微結晶シリコン膜に結晶化する工程と、
   前記光−熱変換膜とバッファー膜とを除去する工程と、
   前記微結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を成膜する工程と
   を有することを特徴とする表示装置の製造方法。