JP6086394B2 - 薄膜トランジスタ基板、表示パネル、レーザーアニール方法 - Google Patents

薄膜トランジスタ基板、表示パネル、レーザーアニール方法 Download PDF

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Description

本発明は、薄膜トランジスタ基板、その薄膜トランジスタ基板を備える表示パネル、薄膜トランジスタ基板を形成するためのレーザーアニール方法に関するものである。
薄膜トランジスタ基板は、アクティブマトリクス駆動方式の液晶パネルや有機ELパネルなどの表示パネル基板として、一般に知られており、ドットマトリク状に複数並列された画素電極毎に配置される薄膜トランジスタ(TFT:thin film transistor)を備えている。特に、カラー表示を行う表示パネルの場合には、RGBのサブピクセルが集まって1つの画素になるので、薄膜トランジスタ基板は、画素数の3倍のサブピクセル毎に薄膜トランジスタが配置されている。
薄膜トランジスタ(以下、TFTという)としては、近年、スイッチング特性に優れたアモルファスシリコンTFTが用いられている。アモルファスシリコンTFTは、基本的には、ゲート電極上に絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介して半導体層であるアモルファスシリコン層が形成され、アモルファスシリコン層上に、ドレイン電極とソース電極が配置され、アモルファスシリコン層上のソース電極とドレイン電極の間にチャネル領域が形成されており、ドレイン電極とソース電極の一方が、透明導電膜によって形成される画素電極に接続されている。
アモルファスシリコンTFTは、良好なスイッチング特性を有するものの、チャネル領域における電荷移動度が0.5cm/Vsと低いのが難点であり、今後更に高密度・高精細化される表示パネルで要求される高電荷移動度には対応しきれない。これに対応するために、TFT基板の製造工程において、チャンネル領域になる予定箇所のアモルファスシリコン層にレーザ光を照射して、アモルファスシリコン層を溶融・再結晶化させて、高電荷移動度が得られる多結晶シリコン(ポリシリコン)層を形成するレーザーアニールが行われている。
レーザーアニールの従来技術としては、下記特許文献1に記載の方法が知られている。これによると、基板上に設定されたTFT形成領域の縦横いずれか一方の配列方向に基板を搬送しながら、複数のTFT形成領域に対応して基板の搬送方向と交差する方向に複数のレンズを配置したマイクロレンズアレイを、基板の搬送方向と交差方向に移動して、マイクロレンズアレイのレンズと基板のTFT形成領域とを位置合わせし、基板が移動してTFT形成領域がレンズアレイにおける対応レンズの真下に到達したときに、レンズアレイにレーザ光を照射し、複数のレンズによりレーザ光を集光して各TFT形成領域のアモルファスシリコン層をアニール処理している。
特開2010−283073号公報
前述した従来技術では、レーザ光源として50Hz程度の繰り返し周波数で発振するパルスレーザが用いられており、高密度又は大画面の基板全面をレーザーアニールするには、相当の作業時間が掛かり、スループットの向上が課題になっている。これに対しては、6000Hz程度の高周波数で発振するパルスレーザを用いて、スループット向上を図ることが考えられているが、その場合には、基板の搬送速度(スキャン速度)が速くなり、基板の特定位置に精度良くレーザ光を照射するための位置制御が困難になる。
一方、レーザーアニールは、ドットマトリクス状に複数並列される画素電極又はサブピクセル毎に配置されるTFT領域の中で、チャネル領域を選択してレーザ光を照射している。しかしながら、チャネル領域全体のアモルファスシリコン層をポリシリコン化すると、電荷移動度が高くなることに加えて、逆方向電流が低く抑えられなくなり、オフ電流が高くなる。このため、電位保持特性が低くなり、漏洩する電流が多くなるため、消費電力が高くなる問題が生じる。これに対して、チャネル領域内の特定箇所をレーザーアニールすると、レーザ光の照射位置がチャネル幅方向に沿ってばらつくと、TFT毎の動作特性にばらつきが生じることになるので、4μm程度のチャネル幅内に高い精度でレーザ光のパターンを照射することが必要になる。
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、レーザーアニールのスループット向上を図ること、TFTのチャネル幅内に高い精度でレーザ光のパターンを照射してレーザーアニールすることで、電荷移動度が高く、且つ動作特性のばらつきが少ないTFTを得ること、などが本発明の目的である。
このような目的を達成するために、本発明による薄膜トランジスタ基板は、以下の構成を具備するものである。
基板上の縦列と横列に沿ってそれぞれ複数の薄膜トランジスタを配列した薄膜トランジスタ基板であって、各薄膜トランジスタは、チャネル領域を形成するアモルファスシリコン層をレーザーアニールしてポリシリコン層としたレーザーアニール部を備え、該レーザーアニール部は、レーザーアニールを行うレーザ光と前記基板とが相対的に移動するスキャン方向に沿った設定ピッチで配置され、前記スキャン方向に直交する方向に形成されたチャネル幅内に該チャネル幅よりも狭い前記レーザーアニール部を有し、前記レーザーアニール部は、前記スキャン方向の長さが前記スキャン方向に沿った前記チャネル幅の長さより長いことを特徴とする薄膜トランジスタ基板。
このような特徴を有する薄膜トランジスタ基板は、レーザーアニールにおいて照射されるレーザ光のパルス周波数を高めて、レーザ光と基板とのスキャン速度を高めた場合に、スキャン方向に沿ってレーザーアニール部に若干の位置がずれが生じたとしても、スキャン方向と直交する方向にチャネル幅が形成されていることで、チャネル幅内に位置精度良くレーザーアニール部を形成することができる。これによって、スキャン速度とレーザ光のパルス周波数を高めてスループット向上を図りながら、電荷移動度が高く、且つ、動作特性のばらつきが少ないTFT基板を得ることができる。
TFT基板の概略構成を示した説明図である。 レーザーアニールの概要を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るTFT基板の構成を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るTFT基板におけるTFT構造を示した説明図((a)は平面図、(b)が(a)におけるX−X断面図)である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図1に示すように、TFT基板1は、基板上の縦列及び横列に、データ線2とゲート線3がそれぞれ複数形成されており、データ線2とゲート線3との交差部近傍にTFT10が形成され、TFT10毎に透明電極形成部4が配置されている。このように、TFT基板1は、基板1A上の縦列と横列に沿ってそれぞれ複数のTFT10が配列されている。図示の例では、データ線2が幅P1のピッチを有し、ゲート線3が幅P2のピッチを有しており、TFT10は、それに応じて、縦列に幅P1のピッチを有し横列に幅P2のピッチを有してドットマトリクス状に配列されている。
TFT基板1の製造におけるレーザーアニールは、図1に示すように、基板1A上にゲート線3のパターンを形成し、ゲート線3上をゲート絶縁膜で覆い、その上にアモルファスシリコン層を積層した後、TFT10のチャネル領域が形成される予定の特定箇所に対してレーザ光を照射してアニール処理を行う。
図2は、レーザーアニールの概要を示している。レーザ光Lの照射は、レーザ光照射装置20によって行われる。レーザ光照射装置20は、設定されたパルス周波数でレーザ光Lを出射するレーザ光源21と、出射されたレーザ光Lを所定の空間に均一照射するためのビームホモジナイザ22、ミラー等の照射光学系23、マスク24、マイクロレンズアレイ25を備えている。ここでのマスク24とマイクロレンズアレイ25は、基板1A上のTFT10におけるチャネル領域が形成される予定の特定箇所に応じてた配列パターンを備えている。
レーザーアニールは、図2に示すように、アモルファスシリコン層が形成された基板1Aを、基板搬送装置26によって一軸方向(スキャン方向S)に沿って搬送しながら、レーザ光源21からレーザ光Lを設定されたパルス周波数で照射して、基板1Aとレーザ光Lを一軸方向に沿ってスキャンする。これにより、マイクロレンズアレイ25によって集光されたレーザ光Lが、基板1A上に複数配列される特定箇所に選択的に照射される。ここでは、基板1Aを一軸方向に搬送してスキャンする例を示したが、基板1Aとレーザ光Lとは相対的に一軸方向に移動すれば良く、基板1Aを搬送する換わりにレーザ光Lを移動させるようにしてもよい。
図1に示すように、縦列と横列にマトリクス状に配列されるTFT10の特定箇所にレーザ光Lを照射するには、マイクロレンズアレイ25の各レンズ25Lは、1つのTFT10における特定箇所に対応するように複数配列されており、基板1Aとレーザ光Lとを一軸方向(スキャン方向S)に沿ってスキャンしながら、一軸方向に直交する方向(図示N方向)に沿って、マイクロレンズアレイ25を移動させ、レーザ光Lを、レンズ25Lを通して特定箇所に集光させる。
図3及び図4は、前述したレーザーアニールを経て形成されたTFT基板1の構成例を示している。前述したように、TFT10は、データ線2とゲート線3との交差部近傍に形成されており、基本構成として、ゲート電極11、ゲート絶縁膜12、チャネル領域を形成するアモルファスシリコン層13、ソース・ドレイン電極14,15、保護層16を備えており、ソース・ドレイン電極14が画素又はサブピクセルを形成する透明導電パターン17に接続されている。このように、TFT10は、基板1A上の縦列と横列に沿ってそれぞれ複数配列された透明導電パターン17毎に配置されている。
このTFT10は、前述したレーザーアニールによって形成されるレーザーアニール部10Aを備えている。このレーザーアニール部10Aは、チャネル領域を形成するアモルファスシリコン層13をレーザーアニールしてポリシリコン層とした部位であり、アモルファスシリコン層13に対して部分的にポリシリコン層を形成している。
レーザーアニール部10Aは、レーザーアニールを行うレーザ光Lと基板1Aとが相対的に移動するスキャン方向Sに沿った設定ピッチP0で配置されており、スキャン方向Sに直交する方向Nに形成されたチャネル幅W内にレーザ光照射のパターンを有している。スキャン方向Sに対して直交する方向Nに沿ってチャネル幅Wを形成し、そのチャネル幅W内にレーザーアニール部10Aを形成することで、スキャン方向Sに沿ってレーザーアニール部10の形成位置にずれが生じたとしても、チャネル幅W方向におけるレーザーアニール部10の位置精度を確保することができる。
レーザーアニール部10Aのスキャン方向Sに沿った位置は、スキャンの速度とレーザ光Lのパルス周波数で設定される設定ピッチP0によって決められるが、スループット向上を目指して、スキャン速度を高くし、パルス周波数を高くすると、パルス信号出力に対するレーザー発振の時間遅れなどが影響して、スキャン方向Sに沿って位置誤差が生じやすくなる。これに対して、スキャン方向Sに対してチャネル幅Wの方向を直交させることで、このようなスキャン方向Sに沿った位置誤差がチャネル幅Wの方向に沿ったレーザーアニール部10Aの位置精度には影響しなくなる。
レーザーアニール部10Aのチャネル幅W方向の位置精度は、スキャン速度やレーザ光Lのパルス周波数とは無関係に、マイクロレンズアレイの機械的な位置調整で高い精度を得ることができる。これによって、レーザーアニール部10Aは、スループット向上のために、スキャン速度を高めて、パルス周波数を高めたとしても、それに影響することなく、チャネル幅W内での位置精度を確保することができる。
レーザーアニール部10Aは、図4に示すように、スキャン方向Sに沿った幅M1がスキャン方向Sに直交する方向の幅M2より長くなるようにし、また、スキャン方向Sの長さ(幅M1)がスキャン方向Sに沿ったチャネル幅Wの長さ(ソース・ドレイン電極14,15の幅Ws)より長くしている。これにより、スキャン方向Sに沿ったレーザーアニール部10Aの位置誤差を幅M1の長さで吸収して、レーザーアニール部10Aをチャネル幅W内に位置することができる。この際、レーザーアニール部10Aは、チャネル領域全体を結晶化してポリシリコン層を得ても良いし、チャネル領域内の特定のパターンで結晶化してポリシリコン層を得ても良い。
このようなレーザーアニール部10Aを有するTFT基板1は、高スキャン速度・高パルス周波数の許容幅を拡げることが可能になり、スループット向上を目指すことができ、その際に形成されるレーザーアニール部10Aにチャネル幅方向の位置精度を確保して、TFT毎の動作特性のばらつきを抑えることができる。
以上説明したように、本発明の実施形態に係るTFT基板1は、TFT10におけるアモルファスシリコン層13のチャネル領域にポリシリコン層となるレーザーアニール部10を形成しているので、電荷移動度の高いTFT10を得ることができる。
また、レーザーアニール部10Aを形成する際のスキャン方向SをTFT10のチャネル幅Wの方向と直交する方向に設定しているので、レーザーアニールにおいて照射されるレーザ光Lのパルス周波数を高めて、レーザ光Lと基板1Aとのスキャン速度を高めた場合に、スキャン方向Sに沿ってレーザーアニール部10Aに若干の位置がずれが生じたとしても、レーザーアニール部10Aのチャネル幅W方向の位置を高い精度で設定することができる。これによって、スキャン速度とレーザ光のパルス周波数を高めてスループット向上を図りながら、高電位保持特性を有し低消費電力のTFT基板を得ることができ、TFT10毎の特性のばらつきも抑えることができる。
このTFT基板1をアクティブマトリクス基板とする液晶パネルや有機ELパネルなど表示パネルは、高精細化・高密度化されたパネルにおいて、高い生産性と低消費電力を実現することができる。
1:薄膜トランジスタ基板(TFT基板),1A:基板,
2:データ線,3:ゲート線,4:透明電極形成部,
10:薄膜トランジスタ(TFT),10A:レーザーアニール部,
11:ゲート電極,12:ゲート絶縁膜,13:アモルファスシリコン層,
14,15:ソース・ドレイン電極,16:保護層,17:透明導電パターン,
20:レーザ光照射装置,21:レーザ光源,22:ビームホモジナイザ,
23:照射光学系,24:マスク,
25:マイクロレンズアレイ,25L:レンズ,
26:基板搬送装置,
L:レーザ光,W:チャネル幅,S:スキャン方向,

Claims (7)

  1. 基板上の縦列と横列に沿ってそれぞれ複数の薄膜トランジスタを配列した薄膜トランジスタ基板であって、
    各薄膜トランジスタは、チャネル領域を形成するアモルファスシリコン層をレーザーアニールしてポリシリコン層としたレーザーアニール部を備え、
    該レーザーアニール部は、レーザーアニールを行うレーザ光と前記基板とが相対的に移動するスキャン方向に沿った設定ピッチで配置され、
    前記スキャン方向に直交する方向に形成されたチャネル幅内に該チャネル幅よりも狭い前記レーザーアニール部を有し、
    前記レーザーアニール部は、前記スキャン方向の長さが前記スキャン方向に沿った前記チャネル幅の長さより長いことを特徴とする薄膜トランジスタ基板。
  2. 前記設定ピッチは、前記レーザ光と前記基板とが相対的に移動するスキャンの速度とレーザ光のパルス周波数で設定されることを特徴とする請求項1記載の薄膜トランジスタ基板。
  3. 前記レーザーアニール部は、前記スキャン方向に沿った幅が前記スキャン方向に直交する方向の幅より長いことを特徴とする請求項1又は2記載の薄膜トランジスタ基板。
  4. 各薄膜トランジスタは、前記基板上の縦列と横列に沿ってそれぞれ複数配列された透明電極パターン毎に配置され、
    前記透明電極パターンは、前記スキャン方向に沿った幅が前記スキャン方向に直交する方向の幅より短いことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ基板。
  5. 請求項1〜のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ基板を備えた表示パネル。
  6. 基板とレーザー光とを一軸方向に沿ってスキャンしながら、前記一軸方向に直交する方向に沿って、複数のレンズを配列したマイクロレンズアレイを移動させ、前記レーザ光を、前記レンズを通して、薄膜トランジスタのチャネル領域となる特定箇所に集光させ、前記特定箇所に前記基板上のアモルファスシリコン層をポリシリコン層とするレーザーアニール部を形成する方法であって、
    前記レーザーアニール部は、前記一軸方向に沿って設定ピッチで配列され、
    前記スキャンの方向に直交する方向に形成予定のチャネル幅内に所定形状の前記レーザーアニール部が形成され
    前記レーザーアニール部は、前記スキャンの方向の長さが前記スキャンの方向に沿った前記チャネル幅の長さより長いことを特徴とするレーザーアニール方法。
  7. 前記設定ピッチは、前記スキャンの速度と前記レーザ光のパルス周波数で設定されることを特徴とする請求項記載のレーザーアニール方法。
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