JPH11266020A - 液晶表示装置製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の液晶表示装置の製造方法では、熱処理に
伴う収縮が原因となり絶縁ガラス基板が変形して、基板
中央部と周辺部とでは形成パターンのずれが発生し、且
つ基板が反って平坦性を失い、アレイ基板の作製が困難
になっていた。 【解決手段】本発明は、絶縁ガラス基板上に薄膜トラン
ジスタを形成し、層間絶縁膜を積層する前に、４００〜
５００℃の熱処理を行い、引き続き、−６〜−１０℃／
分の冷却処理を行うことで、ガラス基板の収縮と反りを
抑制する液晶表示装置の製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）からなるスイッチング素子を用いたアクティ
ブマトリクス型液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に液晶表示装置は、ブラウン管等
の表示装置に比べて、薄型軽量、低消費電力という大き
な利点を持つため、テレビジョンや携帯型のパーソナル
コンピュータ等のＯＡ機器の表示装置として積極的に用
いられている。これらのうち、多結晶シリコンを活性層
に使用した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）若しくは、薄膜
トランジスタアレイを応用した液晶表示装置の開発が表
示装置の向上を目的として活発になされている。

【０００３】従来の多結晶シリコンを活性層に使用した
薄膜トランジスタは、その液晶表示装置の表示領域の画
素部に設けたスイッチング素子や薄膜トランジスタを集
積し、画素部スイッチング素子の駆動回路へ応用されて
いる。すなわち、画素中で液晶への電圧印加用の画素部
薄膜トランジスタと、この画素部薄膜トランジスタを駆
動するための駆動回路部薄膜トランジスタヘの応用であ
る。

【０００４】この多結晶シリコンを用いた薄膜トランジ
スタは、製造工程（以下、プロセス若しくは製造プロセ
スと称する）の熱処理における温度が、８００℃〜１１
００℃程度と高いため、合成石英などを基板に使用せざ
るを得なかった。

【０００５】しかし、近年のプロセス技術の進歩によ
り、プロセスの低温下が実現され、絶縁ガラス基板上に
多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタが低温で形成
可能となった。但し、従来のアモルファスシリコンによ
るトランジスタ製造プロセスと比較すると、まだ高い処
理温度による熱処理プロセスが要求されている。例え
ば、レーザの照射によって、多結晶シリコンを得るプロ
セスにおいては、その前処理として、脱水素用熱処理や
ゲート酸化膜と多結晶シリコンの界面特性を安定させる
ための熱処理、さらには、ソース／ドレイン部の抵抗を
下げるための熱処理等である。

【０００６】これらの熱処理の温度としては、４００℃
〜６００℃程度が要求されている。特に、多結晶シリコ
ンを用いた薄膜トランジスタの特性は、これらの熱処理
条件に大きく影響される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した絶縁ガラス基
板を４００℃〜６００℃で熱処理すると、ガラスの収縮
が発生し、ＰＥＰ工程間でのパターンずれが発生してし
まう。その例として、絶縁ガラス基板（例えば、ＮＨテ
クノ社のＮＡ３５やコーニング社の＃１７３７）を６０
０℃で５時間に及ぶ熱処理を実施し、通常の速度（−２
℃／ｍｉｎ〜−５℃／ｍｉｎ）で冷却した場合、発明者
らの評価では、約１１ｐｐｍの収縮が観察された。

【０００８】このような収縮が原因となり、パターンず
れが発生している。そこで、このようなパターンずれの
発生を抑制した技術として、本出願人は、特願平８−２
３０１５２号に薄膜トランジスタ上に層間絶縁膜を積層
した後で、ソース／ドレイン部の低抵抗化を図るための
熱処理工程において、処理温度を５００℃で熱処理した
後、−６〜−１０℃／分の冷却速度で冷却する方法を提
案している。この製造法によれば、ガラス基板の収縮の
影響を軽減することにより、パターンずれを防止するこ
とができる。

【０００９】しかし提案される方法により、実際にソー
ス／ドレイン部の抵抗を下げるための熱処理を施した際
には、プロセス条件にもよるが絶縁ガラス基板が反って
しまう場合があり、製造装置における搬送エラーや吸着
エラー等の問題を引き起こす原因になる。この反りによ
って、対向基板との貼り合わせが出来なくなるといった
問題点が発生する。

【００１０】この反りの原因としては、層間絶縁膜形成
後に熱処理を行った場合、熱が加わることによって、ゲ
ート電極配線となる金属配線は、熱膨張によって伸びよ
うとするが、その上方に形成された層間絶縁膜では、内
部に存在する水分が蒸発するため、膜の縁密化がおこり
収縮する。この相反する２つの相互作用により、ガラス
基板全体的には、下方にへこむ凸状態の大きな反りが発
生する。

【００１１】よって、熱処理後にはガラス基板が変形し
て反ってしまい、平坦性を失っているため、アレイ基板
の作製が困難になる。そこで本発明は、必要な多結晶シ
リコン薄膜トランジスタの特性を得るために絶縁ガラス
基板を熱処理しつつ、且つガラスの収縮と反りを抑制
し、搬送エラー等の工程不良を低減し、形成パターンの
ずれが小さいアレイ基板を形成して、その多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタアレイ基板を使用することで高品位
な画像表示を実現する液晶表示装置製造方法を提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、絶縁ガラス基板上に、多結晶シリコンを活
性層に使用したスイッチング素子として用いられる薄膜
トランジスタを含む画素電極の形成工程を具備する液晶
表示装置の製造方法において、前記多結晶薄膜トランジ
スタ上に層間絶縁膜を積層する工程の前に、少なくとも
１回の４００〜５００℃の熱処理工程を行い、この熱処
理工程に引き続き、−６〜−１０℃／分の冷却速度の冷
却工程を行う液晶表示装置の製造方法を提供する。

【００１３】以上のような液晶表示装置の製造方法によ
り、絶縁ガラス基板上に形成されたスイッチング用の多
結晶シリコンを活性層に使用したスイッチング素子とな
る薄膜トランジスタ上に層間絶縁膜を形成する前に、少
なくとも１回の４００〜５００℃の熱処理した後、引き
続き−６〜−１０℃／分の急速な冷却を実施することに
より、ガラス基板は収縮する充分な時間が与えられず収
縮の小さい段階で保持され、ガラス基板の反り量を低減
し、高品位な画像表示を実現する液晶表示装置の製造が
可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の液
晶表示装置製造方法によって得られた液晶表示装置にお
ける薄膜トランジスタアレイ基板の断面構造を示し、図
２には、その製造方法を説明するための製造工程のフロ
ーチャートを示し説明する。

【００１５】本実施形態の液晶表示装置の絶縁基板材料
として、無アルカリガラス、アルカリガラス等が使用で
きる。このガラス基板１上にプラズマＣＶＤ装置等の成
膜装置により、膜厚５００〜１０００オングストローム
の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）膜を成膜す
る（Ｓ１）。この膜は、減圧ＣＶＤ装置を用いて、シシ
ランの熱分解法で非晶質シリコン膜を成膜してもよい。

【００１６】続いて、４５０℃、６０分のアニール処理
を行い、非晶質シリコン中の水素を脱離させる（Ｓ
２）。この熱処理は、非晶質シリコンを結晶化させる工
程において、使用するレーザの照射時に容発（ａｂｌａ
ｔｉｏｎ）を発生させないためである。

【００１７】この容発を発生させないために、非晶質シ
リコン内の水素濃度が、５．５×１０²⁰／cm³ 以下にし
なければならず、その水素濃度を達成するためには、４
５０℃〜４８０℃の熱処理が望ましい。

【００１８】例えば、４００℃で６０分の熱処理では、
水素濃度が６．２×１０²⁰／cm³ となり、前述した条件
を満たさない。また、熱処理時間を長くすることで、
５．５×１０²⁰／cm³ 以下にすることは、達成できる
が、その反面、処理時間が長くなくなるため、スループ
ットが落ちることになる。一方、５００℃以上の温度で
熱処理を行うと、ガラス基板にクラックが発生若しく
は、他工程で発生した微少クラックが熱処理工程で増大
したり、冷却時の熱衝撃が原因だと思われる割れ不良等
が増加する。

【００１９】以上のような理由から非晶質シリコン内部
の水素を脱離させるには、４５０〜４８０℃の熱処理が
望ましい。また冷却時においては、この段階ではまだパ
ターンが形成されていないことと、この熱処理において
絶縁ガラス基板を無収縮的な面で安定化させる、つま
り、４００℃以下程度の比較的低温の熱工程での収縮を
防ぐという理由で、通常冷却（約−４℃／ｍｉｎ）を実
施する（Ｓ３）。

【００２０】次に、レーザの照射による結晶化により、
多結晶シリコン膜２を形成した後、所定の形状に素子分
離する（Ｓ４）。次に、プラズマＣＶＤ法によって酸化
膜を堆積させ、ゲート絶縁膜３を形成する（Ｓ５）。

【００２１】続いて、ゲート電極５を形成する（Ｓ
６）。このゲート電極５をマスクとして自己整合的に多
結晶シリコン層２にソース６、ドレイン７のイオン打ち
込みをＰ型、Ｎ型に応じて行う（Ｓ７）。

【００２２】以上の工程を終了した薄膜トランジスタに
ソース・ドレイン部の抵抗を下げる目的で熱処理（活性
化処理）を実施する（Ｓ８）。この時、熱処理温度は高
いほどソース・ドレイン部は低抵抗になり、薄膜トラン
ジスタの特性が向上するが、絶縁ガラス基板のクラック
不良・割れ不良が増加することを考慮すると、４３０〜
４８０℃が望ましい。

【００２３】本実施形態では、４８０℃、３時間の熱処
理を施し、ソース・ドレイン部の抵抗（シート抵抗）を
２ｋΩ／口まで低減し、トランジスタの動作が良好であ
ることを確認している。この熱処理は、層間絶縁膜の形
成前に行うことでガラス基板の反り量を抑制することが
できる。

【００２４】そして従来では層間絶縁膜成膜後での熱処
理では、ガラス基板の反り増加量が０．３ｍｍだった
が、本実施形態により、層間絶縁膜形成前に熱処理を実
施した場合には、反り増加量は０．０６ｍｍとなること
を確認した。

【００２５】ここで、図３には、本実施形態の製造プロ
セスを実施した反り推移を示す際に発生する基板のこの
反り増加重抑制のモデルとして次のようなことが考えら
れる。

【００２６】第１に、層間絶縁膜形成後の熱処理の場
合、熱処理によってゲート電極配線材料である金属配線
は、熱膨張によって伸びようとする。一方、その上方に
存在する層間絶縁膜は、内部に存在する水分が蒸発する
ため、膜の縁密化がおこり収縮する。この相反する２つ
の相互作用により、ガラス基板全体として下方にへこむ
凸状態の大きな反りが発生する。

【００２７】第２に、層間絶縁膜形成前の熱処理の場
合、熱処理によって、ゲート電極配線材料である金属配
線は、熱膨張によって伸びようとするが、他の作用を受
けないため反り増加量は小さいものとなる。

【００２８】しかし、この層間絶縁膜形成前の熱処理
は、アレイ基板の構造としてゲート配線金属が露出して
いる状態で実施されるため、ゲート配線が酸化してしま
う危険性がある。これを避けるため熱処理は、真空中で
行うか、窒素やアルゴン雰囲気で行うなど酸素濃度を十
分に低くする必要がある。

【００２９】通常ならば、この熱処理においてガラス基
板の収縮発生に伴い、熱処理前後のパターンずれが発生
し、微細な構造をもつアレイ基板の作製は困難であっ
た。さらに対向基板との大きさが異なるものとなり、合
わせずれが発生し液晶パネルとしての光の透過率（開口
率）を低くしていた。

【００３０】また本実施形態において、この熱処理工程
後の冷却を急激に行うことで、基板の収縮を抑制できる
ことを確認した。この熱処理を４８０℃、３時間で実施
した場合に、冷却は通常よりも、速い速度（−７℃／ｍ
ｉｎ）で施す。この結果、通常の冷却速度で降温したガ
ラス基板では、収縮量として４ｐｐｍと想定されるが、
本実施形態により実際に急速冷却を実施したガラス基板
の収縮量は１ｐｐｍ程度に抑制されることを確認した。

【００３１】そして、第２の層間絶縁膜を形成した後
（Ｓ９）、所定の箇所にコンタクトホールを形成し（Ｓ
１０）、このコンタクトホールを介して、ソース部分６
にはオーミック接合部とオーミック接触する金属配線９
を形成する（Ｓ１１）。そして２層目の層間絶縁膜を形
成した後（Ｓ１２）、所定の箇所にコンタクトホールを
形成する。そして、ドレイン部分７には透明電極１０を
接触させ、所定の形状に加工する（Ｓ１３）。

【００３２】このようにして製造された薄膜トランジス
タアレイ基板を対向基板と重ね合わせ、液晶を注入し、
張り合わせることで液晶表示装置が形成される。従っ
て、本実施形態を用いることにより、次のような効果が
得られる。

【００３３】（１）基板収縮の影響が軽減できたため、
熱処理温度を高く設定でき薄膜トランジスタにおけるソ
ース／ドレイン部の抵抗の低抵抗化が実現でき、さらに
高速動作を可能にすることができる。

【００３４】（２）薄膜トランジスタの閾値電圧が低下
し、駆動用電源電圧を低電圧化して駆動することが可能
になる。 （３）ガラス基板収縮が抑制されたため、パターンの合
わせずれが小さくなり微細設計が可能となる。

【００３５】（４）冷却速度を上げることで冷却時間が
短縮され、熱処理工程全体での処理時間が短縮され、製
造工程におけるスループットが向上する。 （５）アレイ基板の収縮が抑制されたため、対向基板と
の合わせ精度が向上し開口率の高い液晶パネルが作製可
能になる。

【００３６】（６）ガラス基板の反り量が低減されたた
め、製造装置における搬送エラー等の工程不良やセル工
程における対向基板との貼りあわせ不良がなくなり、歩
留まりが向上し、生産性が向上する。

【００３７】以上説明したように本実施形態の液晶表示
装置製造方法によれば、特性の優れたＴＦＴを画素部分
に微細な設計で作製することが可能となり、また対向基
板とほぼ同じ大きさのアレイ基板が作製可能となり、開
口率の増加に伴う明るさの増加など高品位な画像表示を
実現できる。

【００３８】その一例として、図３には、本実施形態の
方法により、例えば、厚さ０．７ｍｍｔ，３００ｍｍ×
４００ｍｍのガラス基板（コーニング＃１７３７）に液
晶表示装置を形成する際のプロセス条件において、実施
する熱処理及び冷却によるガラス基板の収縮量を求め、
ガラス基板量の推移について示し説明する。ここで、図
３の横軸には、それぞれの製造プロセスの項目を示し、
縦軸には、そのプロセス実施によるガラス基板の反り量
を示す。

【００３９】図３に示すように、製造プロセスにおい
て、初期状態からゲート形成工程での反り量は、ほとん
どなく、層間絶縁膜形成工程とその後の熱処理工程によ
って急激に反りが発生している。しかし、本実施形態を
適用することにより、急速冷却後は、プロセス開始時の
初期状態と同等となっている。その後の層間絶縁膜形
成、パシベーション膜形成の製造プロセスにより、反り
量は増加しているが、本実施形態を適用せず、従来の製
造プロセスの場合には、本実施形態を適用する場合の
１．５倍の反り量が発生することとなる。尚、層間絶縁
膜が２層の構成でも同等の効果が得られる。

【００４０】次に、図４には製造工程における熱処理の
プロセスにより発生するガラス基板の反り量を示し、本
実施形態の液晶表示装置製造方法による熱処理を施した
製造プロセス（プロセス２）と、従来の製造プロセス
（プロセス１）による反り量の変化を説明する。

【００４１】ここで、プロセス１、プロセス２の条件は
以下の通りである。 プロセス１：＜従来の熱処理（通常の冷却）＞ ・熱処理 ４５０℃−１０分、４８０℃−３時間、冷却
速度 −３℃／分 プロセス２：＜本発明による熱処理（急速冷却）＞ ・熱処理 ４５０℃−１０分 ４８０℃−３時間、冷却
速度 −７℃／分 図４に示すように、熱処理後に急冷するすることにより
収縮量が減少することがわかる。そして、収縮量が減少
し、対向基板とのほぼ同じ大きさのアレイ基板が製造で
きるため、貼りあわせ時のずれ量（ばらつきも含む）が
減少する。尚、下記の表に対向基板との合わせ精度を示
す。

【００４２】

【表１】

【００４３】尚、使用したガラス基板（コーニング＃１
７３７）の各温度における比熱は以下の通りである。 １）４００℃： ０．２３６ｃａ１／ｇ・℃ ２）４５０℃： ０．２４１ｃａ１／ｇ・℃ ３）５００℃： ０．２４６ｃａ１／ｇ・℃ ４）５５０℃： ０．２５０ｃａ１／ｇ・℃ ５）６００℃： ０．２５４ｃａ１／ｇ・℃

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、必
要な多結晶シリコン薄膜トランジスタの特性を得るため
に絶縁ガラス基板を熱処理しつつ、且つガラス基板の収
縮と反りを抑制し、搬送エラーなどの工程不良を低減
し、形成パターンのずれが小さいアレイ基板を形成し、
その多結晶シリコン薄膜トランジスタアレイ基板を使用
することで高品位な画像表示を実現する液晶表示装置製
造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液晶表示装置製造方法によって得
られた液晶表示装置における薄膜トランジスタアレイ基
板の断面構造を示す図である。

【図２】本発明の液晶表示装置製製造方法を説明するた
めの製造工程のフローチャートである。

【図３】本発明を適用した場合の製造プロセス項目別の
ガラス基板の反り量を示す図である。

【図４】本発明を適用した場合の熱処理条件とガラス基
板の収縮率を示す図である。

【符号の説明】

１…絶縁基板 ２…多結晶シリコン腹 ３…ゲート酸化膜 ５…ゲート電極 ６…ソース ７…ドレイン ８…層間絶縁膜 ９…金属配線 １０…透明電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁ガラス基板上に、多結晶シリコンを
   活性層に使用したスイッチング素子として用いられる薄
   膜トランジスタの形成を含む画素電極の形成工程を具備
   する液晶表示装置の製造方法において、 前記薄膜トランジスタ上に層間絶縁膜を積層する工程の
   前に、少なくとも１回の４００〜５００℃の熱処理工程
   を行い、この熱処理工程に引き続き、−６〜−１０℃／
   分の冷却速度の冷却工程を行うことを特徴とする液晶表
   示装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記熱処理工程の温度が、４３０〜４８
   ０℃であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示
   装置の製造方法。
3. 【請求項３】 絶縁ガラス基板上に、多結晶シリコンを
   活性層に使用したスイッチング素子として用いられる薄
   膜トランジスタを含む画素電極の形成工程を具備する液
   晶表示装置の製造方法において、 前記絶縁ガラス基板上に非晶質シリコン層を成膜する工
   程と、 前記非晶質シリコンを４００〜５００℃の処理温度で熱
   処理した後、引き続き−４℃／分で冷却する第１の熱処
   理工程と、 前記非晶質シリコン層を結晶化して多結晶シリコン層を
   形成する工程と、 前記多結晶シリコン層上に酸化膜を積層し、ゲート酸化
   膜を形成する工程と、 前記ゲート酸化膜上に金属膜を積層し、所定形状に加工
   しゲート電極を形成する工程と、 前記ゲート電極をマスクとして、自己整合的にソース／
   ドレインのオーミック接合部を形成する工程と、 真空中若しくは脱酸素雰囲気中で、４００〜５００℃の
   処理温度で熱処理し、引き続き、前記第１の熱処理工程
   における冷却速度より大きい速度で冷却する第２の熱処
   理工程と、 形成された素子を含む前記ガラス基板の全面上に第１の
   層間絶縁膜を形成し、該第１の層間絶縁膜上から前記オ
   ーミック接合部に通じる箇所に第１のコンタクトホール
   を形成する工程と、 前記第１のコンタクトホールを介して前記オーミック接
   合部にオーミック接触する金属配線を形成し、加工する
   工程と、 前記金属配線を含む前記ガラス基板の全面上に第２の層
   間絶縁膜を形成し、所定の箇所に第２のコンタクトホー
   ルを形成する工程と、 前記第２のコンタクトホールを介して前記金属配線に接
   続する透明電極を形成し、加工する工程と、 前記透明電極が形成されたガラス基板と対向電極が形成
   された対向基板とを間隙を有して張り合わせる工程と、 前記間隙に液晶を注入し射止する工程と、を具備し、 前記第２の熱処理工程を第１の層間絶縁膜の形成前に実
   施し、且つ前記第２の熱処理工程における冷却処理温度
   が前記第１の冷却速度よりも速いことを特徴とする液晶
   表示装置製造法。
4. 【請求項４】 前記液晶表示装置製造法において、 前記第１の熱処理工程の熱処理温度が４５０〜４８０
   ℃、冷却温度が−４℃／分で行われ、前記第２の熱処理
   工程の熱処理温度が４３０〜４８０℃、冷却温度が−７
   ℃／分に設定され、前記第２の熱処理工程が第１の層間
   絶縁膜の形成前に実施されることを特徴とする請求項３
   に記載の液晶表示装置製造法。