JP5499529B2 - 薄膜トランジスタ搭載基板、その製造方法及び画像表示装置 - Google Patents
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Description
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本発明に係る薄膜トランジスタ素子搭載基板1(1A〜1C)は、図1(B)、図2(B)及び図3(B)に示すように、プラスチック基板10と、ゲート電極15gと、ゲート絶縁膜14と、活性層13と、ソース電極15sと、ドレイン電極15dとを少なくとも有している。そして、本発明は、活性層13が、プラスチック基板10に該プラスチック基板のガラス転移温度以上の温度を一定時間与えないレーザー照射処理によって処理されてなるアモルファス酸化物薄膜であることに特徴がある。
プラスチック基板10は、TFT基板1の支持基板をなす絶縁性のものであり、耐熱性に乏しい非耐熱性基板である。言い換えると、プラスチック基板10は、そのプラスチック基板10のガラス転移温度以上の温度が一定時間加わることを一般的に嫌う基板である。具体的には、例えば、ポリエチレンナフタレート(ガラス転移温度:120℃)、ポリブチレンテレフタレート(75℃)、ポリエチレンテレフタレート(75℃)、ポリフェニレンサルファイド(90℃)、ポリエーテルエーテルケトン(143℃)、ポリカーボネート(145℃)、ポリサルホン(190℃)、ポリアリレート(193℃)、ポリエーテルサルホン(225℃)、ポリアミド(200℃)、ポリエーテルイミド(215℃)、ポリアミドイミド(280℃)、熱可塑性ポリイミド(280℃)等からなるプラスチック基板、又はそれらの複合基板を挙げることができる。また、液晶ポリマー、フッ素樹脂、ポリノルボルネン系樹脂も、基本的には高温が加わることを避けたいので、本願でいうプラスチック基板10に概念として含めることができる。
第1下地膜11と第2下地膜12は、プラスチック基板10上に必要に応じて形成される膜であり、その機能や目的に応じて必要な領域のみに形成されてもよいし全面に形成されてもよい。第1下地膜11と第2下地膜12は、クロム、チタン、アルミニウム、ケイ素、酸化クロム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸窒化ケイ素の群から選択されるいずれかの材料で形成される。例えば密着膜として用いる場合には、クロム、チタン、アルミニウム、又はケイ素等からなる金属系の無機膜が好ましく用いられ、応力緩和膜やバッファ膜(熱緩衝膜)として用いる場合には、酸化クロム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化ケイ素、又は酸窒化ケイ素等からなる化合物膜が好ましく用いられ、バリア膜として用いる場合には、酸化ケイ素又は酸窒化ケイ素等からなる化合物膜が好ましく用いられる。これらの膜は、その機能や目的に応じて、単層で設けてもよいし、2層以上を積層してもよい。
本発明で適用するアモルファス酸化物薄膜13は、TFT基板1を構成する活性層(チャネル膜)として使用できる程度の移動度を有するものであって、レーザーの照射前後でアモルファス状態(アモルファス相)を維持し、且つレーザーの照射前よりも照射後の方が比抵抗が安定化し且つ移動度が高くなるものである。こうした特徴を有するアモルファス酸化物薄膜13であればその種類は特に限定されず、現在知られているアモルファス酸化物薄膜であっても、今後発見される酸化物で成膜してなるアモルファス酸化物薄膜であってもよい。なお、「比抵抗の安定化」とは、TFT基板1に多数形成されるTFTの活性層であるアモルファス酸化物薄膜13の比抵抗のバラツキを小さくする(例えば±5%以内)ことを意味する。
.2〜12の範囲にあるように表すことができる。なお、ZnOに近い組成とIn2O3に近い組成で結晶質を示す。
保護膜18は、図1(B)(C)、図2(B)及び図3(B)に示すように、TFT基板1を構成するTFTを保護するように作用する膜である。保護膜18を設けることにより、TFTの動作が雰囲気(例えば、水分、真空、温度)による影響を受けず、雰囲気の変化による不安定動作が生じずに、安定に動作させることができるという効果が得られる。したがって、保護膜18は、TFTの基本構造が形成された後にその全体を覆うように設けられている。
図1〜図3に示すゲート絶縁膜14gと図3に示す絶縁膜14の形成材料としては、絶縁性が高く、誘電率が比較的高く、ゲート絶縁膜として適しているものであれば各種の材料を用いることができる。例えば、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化スカンジウムのうち少なくとも1種又は2種以上を挙げることができる。また、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素等のケイ素の酸化物、窒化物、酸窒化物等も好ましく挙げることができる。また、チタン酸バリウムストロンチウム等の複合酸化物であってもよい。
本発明の薄膜トランジスタ素子搭載基板(TFT基板)の製造方法は、プラスチック基板10の上又はその上方に活性層となるアモルファス酸化物薄膜13を形成する工程と、少なくとも活性層となる部分のアモルファス酸化物薄膜13に向けてレーザーを照射する工程と、を少なくとも有する。以下に、各工程について説明する。
レーザー照射工程は、プラスチック基板10に該プラスチック基板のガラス転移温度以上の温度を一定時間加えず、且つアモルファス酸化物薄膜13をアモルファス相のままでその比抵抗を所定の比抵抗に制御する工程である。こうした工程を経たアモルファス酸化物薄膜13は、比抵抗が安定化し且つ高い移動度を示したことから、得られたTFT基板1は、安定で高品質な駆動素子基板として利用できる。しかも、このレーザー照射工程は、レーザーの照射部に局部的に高いエネルギーが与えられるが、レーザーをパルス状に照射するため、高温になり難く、プラスチック基板10にガラス転移温度以上の温度を一定時間加えない工程である。そのため、耐熱性に乏しいプラスチック基板等を問題なく用いることができる。
レーザー照射工程の前には、アモルファス酸化物薄膜13の形成工程を備える。このアモルファス酸化物薄膜13の形成工程は、プラスチック基板10の上又はその上方に活性層となるアモルファス酸化物薄膜13を形成する工程である。ここで、アモルファス酸化物薄膜13を、プラスチック基板10の上又はその上方としているのは、アモルファス酸化物薄膜13をプラスチック基板10上に直接成膜する場合があるためである。なお、通常は、図1〜図3に示すように、プラスチック基板10上に、第1下地膜11や第2下地膜12が形成され、その上にアモルファス酸化物薄膜13が形成されることが望ましい。
本発明では、レーザー照射時の熱を広く均一に分布させるための金属層19を設けることができる。例えば図1(C)に示すボトムゲートボトムコンタクト構造のTFTにおいては、アモルファス酸化物薄膜13の形成工程後で、レーザー照射工程の前に、金属膜19の形成工程を備える。この金属膜19の形成工程は、アモルファス酸化物薄膜13上又はその上方に金属膜19を形成する工程である。ここで、金属膜19を、アモルファス酸化物薄膜13の上又はその上方としているのは、金属膜19をアモルファス酸化物薄膜13上に直接成膜する可能性があるためであるが、通常は、金属膜19をアモルファス酸化物薄膜13上に直接形成するのではなく、図1(C)に示すように、アモルファス酸化物薄膜13上に保護膜18を形成し、その保護膜18の上に金属膜19を形成する。
本発明のTFT基板の製造方法は、上記の工程の他、図1〜図3に示す各膜の形成工程を含む。例えば、第1下地膜11の形成工程、第2下地膜12の形成工程、ゲート電極15gの形成工程、ゲート絶縁膜14gの形成工程、ソース電極15sとドレイン電極15dの形成工程、絶縁膜14の形成工程(図3参照)、及びそれらのパターニング工程、洗浄工程、イオン注入工程等を、製造するTFT基板の構造形態にしたがって任意に含む。これらの各工程は、上述の「TFT基板」の欄で説明した構成材料と成膜手段を用いて行う。
本発明の画像表示装置は、上述した本発明に係る薄膜トランジスタ搭載基板を、液晶表示装置、有機EL発光表示装置、電子ぺーパー等のアクティブマトリックス型スイッチング素子基板として用いる。本発明の画像表示装置として有機EL発光表示装置で説明すれば、マトリクス状に配置された本発明に係る多数のTFT基板1を有し、例えば、ゲート電極15gのゲートバスラインとソース電極15sのソースバスラインが縦横に延び、各TFTのドレイン電極15dには出力素子が接続される。この出力素子は有機EL素子であり、抵抗とコンデンサからなる等価回路で構成される。出力素子毎の領域は、有機EL発光表示装置の画素を構成する。
(TFT基板の作製)
一例として、図1に示すボトムゲートボトムコンタクト構造のTFTをプラスチック基板上に複数(72個)のTFTを形成したTFT基板を製造した。先ず、厚さ100μmでガラス転移温度が150℃のポリエチレンナフタレート(PEN)をプラスチック基板10として準備し、そのプラスチック基板10上の全面に厚さ5nmのクロム膜(密着膜)を第1下地膜11としてスパッタ法で形成し、さらにその第1下地膜11上の全面に厚さ300nmの酸化ケイ素膜(バッファ膜)を第2下地膜12としてスパッタ法で形成した。次に、その第2下地膜12上の全面に厚さ200nmのアルミニウム膜をゲート電極膜として蒸着した後、レジストパターンをフォトリソグラフィで形成した後に燐酸溶液でウェットエッチングし、アルミニウム膜を所定パターンにパターニングしてゲート電極15gを形成した。次に、そのゲート電極15gを覆うように厚さ100nmの酸化ケイ素をゲート絶縁膜14として全面に形成した。このゲート絶縁膜14は、RFマグネトロンスパッタリング装置を用い、8インチのSiO2ターゲットに投入電力:1.0kW(=3W/cm2)、圧力:1.0Pa、ガス:アルゴン+O2(50%)の成膜条件で形成した。次に、ゲート絶縁膜14上の全面に厚さ200nmのアルミニウム膜をソース電極15s及びドレイン電極15dとするために蒸着した後、レジストパターンをフォトリソグラフィで形成した後に燐酸溶液でウェットエッチングし、アルミニウム膜を所定パターンにパターニングしてソース電極15s及びドレイン電極15dを形成した。このとき、ソース電極15s及びドレイン電極15dは、ゲート絶縁膜14上であってゲート電極15gの中央部直上以外に離間したパターンとなるように形成した(図1を参照)。
実施例1において、パルスレーザーの照射条件を変えた他は、実施例1と同様にして、実施例2,3のTFT基板を作製した。
実施例1においては、アモルファス酸化物薄膜13を成膜した後、パターニングするまでの間にパルスレーザー照射を行っているが、この実施例4では、保護膜18が全面に形成された後にパルスレーザー照射を行った。パルスレーザー照射の条件を含め、それ以外は実施例1と同様にして、実施例4に係るTFT基板1を作製した。
実施例1においては、アモルファス酸化物薄膜13を成膜した後、パターニングするまでの間にパルスレーザー照射を行っているが、この実施例5では、保護膜18が全面に形成された後、さらにその保護膜18上の全面に厚さ20nmのSi膜をスパッタリング法で成膜した後にパルスレーザー照射を行った。パルスレーザー照射の条件を含め、それ以外は実施例1と同様にして、実施例5に係るTFT基板1を作製した。なお、パルスレーザー照射後においては、ドライエッチングによってSi膜をエッチングして除去した。
実施例5において、Si膜の代わりに、厚さ20nmのAl膜、Mo膜、MoW膜、Ti膜、Cr膜をそれぞれスパッタリング法で成膜した後にパルスレーザー照射を行った。パルスレーザー照射の条件を含め、それ以外は実施例5と同様にして、実施例6〜10に係るTFT基板1を作製した。なお、パルスレーザー照射後のエッチングは、Al膜、Mo膜、MoW膜は燐酸系の溶液を用いたウェットエッチングで行い、Ti膜は過酸化水素水と水酸化カリウムを混合した溶液を用いてウェットエッチングで行い、Cr膜は硝酸第二セリウムアンモニウムの溶液を用いたウェットエッチングで行い、それぞれ除去した。
実施例1においては、アモルファス酸化物薄膜13を成膜した後、パターニングするまでの間にパルスレーザー照射を行っているが、この実施例11では、アモルファス酸化物薄膜13を成膜した後、そのアモルファス酸化物薄膜13上の全面に厚さ20nmのSi膜をスパッタリング法で成膜した後にパルスレーザー照射を行った。パルスレーザー照射の条件を含め、それ以外は実施例1と同様にして、実施例11に係るTFT基板1を作製した。なお、パルスレーザー照射後においては、ドライエッチングによってSi膜をエッチングして除去し、その後に実施例1と同様にアモルファス酸化物薄膜13をパターニングし、保護膜18を形成した。
実施例1においては、アモルファス酸化物薄膜13を成膜した後、パターニングするまでの間にパルスレーザー照射を行っているが、この実施例12では、プラスチック基板10上の全面に形成するクロム膜の厚さを20nmとし、パルスレーザー照射の条件を含め、それ以外は実施例1と同様にして、実施例12に係るTFT基板1を作製した。
実施例1においては、アモルファス酸化物薄膜13を成膜した後、パターニングするまでの間にパルスレーザー照射を行っているが、この実施例13では、保護膜18を酸化ケイ素から、熱伝導性のよいSiNに代えて厚さ20nmで全面に形成した後にパルスレーザー照射を行った。パルスレーザー照射の条件を含め、それ以外は実施例1と同様にして、実施例13に係るTFT基板1を作製した。
実施例1において、パルスレーザー照射を行う代わりに300℃のアニールを行った他は、実施例1と同様にして、比較例1のTFT基板を作製した。
実施例1において、パルスレーザー照射を行う代わりに300℃のアニールを行った他は、実施例1と同様にして、比較例1のTFT基板を作製した。
得られたTFT基板について、以下の各特性を評価した。その結果を表1に示した。
10 プラスチック基板
11 第1下地膜
12 第2下地膜
13 アモルファス酸化物薄膜
13s ソース側拡散領域
13c チャネル領域
13d ドレイン側拡散領域
14 絶縁膜
14g ゲート絶縁膜
15s ソース電極
15g ゲート電極
15d ドレイン電極
18 保護膜
19 金属膜
20 パルスレーザー
Claims (5)
- プラスチック基板の上又はその上方に活性層となるアモルファス酸化物薄膜を形成する工程と、
少なくとも活性層となる部分のアモルファス酸化物薄膜に向けてパルスレーザーを照射する工程と、を少なくとも有し、
前記パルスレーザー照射工程は、前記アモルファス酸化物薄膜をアモルファス相のままで所定の比抵抗に制御する工程であり、
前記アモルファス酸化物薄膜がInGaZnO系酸化物薄膜であり、
前記パルスレーザーは、パルス幅が10〜50nsec(FWHM)でデューティー比が0.1〜0.5で照射密度が150〜400mJ/cm 2 のパルスレーザーであることを特徴とする薄膜トランジスタ搭載基板の製造方法。 - 前記アモルファス酸化物薄膜の形成工程後で前記レーザー照射工程前に、前記アモルファス酸化物薄膜上又はその上方に金属膜を形成する工程をさらに有し、
前記レーザーを照射した前記金属膜の熱伝導により、前記アモルファス酸化物薄膜をアモルファス相のままで所定の比抵抗に制御する、請求項1に記載の薄膜トランジスタ搭載基板の製造方法。 - 前記アモルファス酸化物薄膜の形成工程後で前記レーザー照射工程前に、前記アモルファス酸化物薄膜上又はその上方に保護膜と金属膜とをその順で形成する工程をさらに有し、
前記レーザーを照射した前記金属膜の熱伝導により、前記アモルファス酸化物薄膜をアモルファス相のままで所定の比抵抗に制御する、請求項1に記載の薄膜トランジスタ搭載基板の製造方法。 - 前記アモルファス酸化物薄膜の形成工程前に、前記プラスチック基板上又はその上方に金属膜を形成する工程をさらに有し、
前記レーザーを照射した前記金属膜の熱伝導により、前記アモルファス酸化物薄膜をアモルファス相のままで所定の比抵抗に制御する、請求項1に記載の薄膜トランジスタ搭載基板の製造方法。 - 前記プラスチック基板のガラス転移温度が200℃未満である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ搭載基板の製造方法。
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