JPS60257171A - 薄半素子の製造方法およびその素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ＣＲ１明の利用分野〕 本発明は絶縁体基体上に単結晶を形成した基板を利用し
た薄膜トランジスタに係り、特に、アクティブマトリク
ス型液晶ディスプレイに好適な薄膜トランジスタ基体と
その製造方法に関する。

「発明の背景〕 絶縁体基体上のシリコン単結晶島にＭＯＳ−ＦＥＴを形
成し、ＭＯＳ−ＦＥＴのマトリクスにより順次、各画素
電極の電圧を制御して液晶を駆動する、いわゆる、薄膜
トランジスターアクティブマトリクス型液晶表示素子は
、ｌＥ精細で高コントラストにできる。薄膜トランジス
タの形成には、半導体層として、アモルファスシリコン
、ポリシを用いると、キャリヤ移動度が高いため周辺回
路を同時に同一基板上に形成できる。しかし、貼結晶を
形成した石英基板に薄膜トランジスタを形成する場合、
石英基板上に単結晶が島状に形成されているために、島
状単結晶に形成した各半導体領域から配線用の電極や画
素表示用の透明電極を形成する工程で単結晶島の端の段
差部分で、上部に形成した配線や透明電極が切れること
が多い。これは、配線用導体膜や透明電極膜の形成時に
、単結晶島の端の側面への膜のつきまわりが悪いことや
、これらの導体膜をホトエツチングする際に、単結晶島
の端でホトレジストが薄くなり、エツチングが局部的に
進行するなどのプロセス上の要因によっている。

次に、薄膜トランジスタを液晶表示素子に適用した場合
、薄膜トランジスタを形成したシリコンの島の上面と表
示部の画素電極の面が従来の構造では異なっており、こ
のため、以下のような問題が生じる。すなわち、従来の
薄膜トランジスタアン学会技術報告ＶＯＬ、６．Ｎｎ４
４のＩＰＤ７５−１〜ＩＰＤ７５−６　（１９８３）　
、あるいはＪａｐａｎ　Ｄｉｓｐｌａｙ　’　８３０ｃ
ｔｏｂｅｒ　３−５　（１９８３）のｐ２．１４などに
記されているように１、いずれも、アモルファスシリコ
ンやポリシリコン、あるいは、昨結晶シリコンの島の上
に配線用の金属薄膜、金属配線の層間絶縁膜、および画
像表示用の透明導電膜および液晶の配向制御膜などの薄
膜を順次重ねた構造となっている。すなわち、薄膜トラ
ンジスタを形成している半導体の島が、液晶層に突き出
た構造となっている。このため、従来の構造では、液晶
の配向制御膜をラビング（擦過）する工程で半導体の島
の端が損傷を受けやすいこと、また、薄膜トランジスタ
を形成したマトリクス基板とこれに対向する基板とによ
り液晶セルを組み立てる際に、基板間のギャップが不均
一になりやすい。基板間のギャップを均一にするために
、通常、基板間に約８μｍのファイバーやビーズを入れ
るが、薄膜トランジスタの層の厚さが１〜２μｍあり、
これらのスペーサの効果が半減する。

（４） また１、液晶セルに液晶を封入する際に液晶が入りにく
いこと、また液晶層中に気泡を生じやすい等の問題が生
じる場合がある。これはマトリクス基板に凹凸があるた
めに液晶が毛管現象で入りにくいためである。

一方、ＬＳＩの配線間の絶縁膜として有機樹脂を用いて
平坦にする方法が知られているが、この場合には表面の
凹凸は減少するが完全に平坦にはならない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、透明な基板上に、簡単なプロセスで半
導体領域、あるいは、配線の導体領域の上面と他の領域
の面を平坦にする方法を提供するにある。本発明の他の
目的は１石英基板上のシリコン単結晶島に形成した薄膜
トランジスタのマトリクスが平坦な面をもつような液晶
ディスプレイ用の薄膜トランジスタマトリクス基板を提
供するにある。

〔発明の概要〕

本発明では、半導体領域、あるいは、配線導体（５） を形成した透明基板にネガ型の感光性樹脂を塗布し、半
導体領域や配線が形成されていない透明基板の裏面から
ホトマスクを使わないで全面に露光する。これにより、
光が透過しない半導体領域や配線導体のパターンをマス
クとして作用させる。

これにより半導体領域や配線導体がない部分に感光性樹
脂の領域が形成され、感光性樹脂をそのまま配線の層間
絶縁膜、あるいは、半導体領域と配線導体の間の絶縁膜
として用いることができる。

この場合、裏面から露光するために基板は感光性樹脂の
感光波長域の光に対して透過性が必要である。通常の感
光性樹脂の感光波長は、水銀ランプ等のＵＶランプの強
い発光波長に合わせてあり、２５０〜４８０ｎｍに感光
波長域がある。このため、基板は硼硅酸ガラス基板や石
英基板が適している。一方、感光性樹脂はネガ型ホトレ
ジストを用いるが、絶縁膜として使用するため、感度や
解像性が良いことの他、耐熱性や電気的、機械的特性が
良いことが必要である。このため、ＬＳＩ用ホトレジス
トとして使われているゴム系ホトレジ（６） ストよりもポリイミドやポリイミド前駆体、あるいは、
ポリイミドアミド等の耐熱性を持つ高分子材料に感光性
を付与した感光性耐熱材料が適している。

また、基板の裏面から全面に霧光するので、半導体の島
や配線導体がマスクとして作用するように遮光性が必要
である。配線導体としてＡＱ。

Ａ　Ｑ　−Ｓ　ｉ　、　Ａ　Ｑ　−Ｃｕ　＝Ｓ　ｉ、あ
るいはＣｒ　。

Ｃｒ　−Ｎ　ｉ　、　Ｃｒ　−Ｃ１１−Ａ　ｕ　、　Ｔ
　ｉ　、　Ｔ　ｉ　−Ｎ　ｉ　、　Ｗ、　Ｍ　ｏ、さら
に、シリサイドを使用できるがこれらの金属薄膜は数十
オングストローム以上あれば十分遮光性があり問題はな
い。一方、半導体、特に、ポリシリコンや単結晶シリコ
ンは紫外から可視領域で吸収係数が大きいので、膜が薄
い場合には遮光性が不十分となる。このため、露光量を
調節する必要がある。

本発明により、感光性耐熱樹脂を塗布した透明な基板の
裏面から露光し、すでに形成しである不透光性の導体、
あるいは、半導体のパターンによるセルフアライメント
効果により表面を平坦にで（７） き、感光性耐熱樹脂を用いて表面を平坦にした薄膜１〜
ランジスタ基体が得られる。感光性耐熱樹脂ではなく、
ポリイミド系樹脂登用いて下地段差の平坦化を図る方法
は、ＬＳＩ等に適用されており、透明基板上に薄膜トラ
ンジスタマトリクスを形成する場合にも用いることがで
きる。しかし、この場合には、第５図に示すように、ポ
リイミド系樹脂をホトエツチングする際にポリイミド系
樹脂の下の導体、あるいは、半導体との面内の端部に図
のような隙間が生じてしまい、上部に絶縁膜を被覆して
も、この隙間で切れてしまう。第５図で、００は石英基
板０１の上にシリコン単結晶島０２を形成したＳＯＩ基
板である。ＳＯ■基板００の上にＬＳＩの層間絶縁膜と
して用いられているポリイミド系樹脂（ポリイミドイソ
インドロキナシリジオン）を形成し、ネガ型ホトレジス
ト０４を塗布して通常のホトリソグラフィ法によりホト
レジストをパターニングした。パターニングしたホトレ
ジストをマスクとしてポリイミド系樹脂をヒドラジンで
エツチングした。エツチングした後、（８） レジストを除去した結果、第５図の（５）のようであり
、シリコン単結晶島０２とポリイミド系樹脂０３との間
に隙間０５を生じた。これはホトレジストをマスクとし
てエツチングするとポリイミド系樹脂膜０３が摺り林状
の断面形状にエツチングされるためである。このように
、ポリイミド系樹脂を通常のホトエツチング法で形成し
ても本発明の目的とする完全に平坦な構造とすることは
できない。

本発明により感光性耐熱樹脂を用いて石英基板の裏面か
ら露光すると、感光性耐熱樹脂膜内で反射する光が若干
あるため、シリコン単結晶島の端部で未露光の部分は生
じない。これにより端部でシリコン単結晶島と感光性耐
熱樹脂の隙間は生じず完全に平坦な構造が可能である。

〔発明の実施例〕

第１図は、狭帯域溶融再結晶化法で形成したＳＯＩ基板
（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）に本発
明を適用した場合の原理的なプロセスを示す。ＳＯＩ基
板１００は、石英基板１００上にシリコン単結（９） 晶島１０２を形成した基板である。この上に、感光性ポ
リイミド１０３を全面に塗布し、窒素中に８０℃で２０
分間プリベークする。感光性ポリイミドは（株）日立化
成製の’Ｐｈｏｔｏ　−Ｐ　Ａ　Ｌ　”　（商品名）を
用いた。ＳＯＩ基板１００上のシリコン単結晶島１０２
の厚さは行０．７μｍ、感光性ポリイミドの塗膜の厚さ
は０．５〜１．２μｍである。

プリベーク後、市販のコンタクト露光装置でＳＯ工基板
の裏面から全面に露光した。露光量は約２０ｍ　Ｊ　／
　ａｌ、露光時間は５〜３０ｓｅｃであった。霧光後、
“Ｐｈｏｔｏ　−Ｐ　Ａ　Ｌ”の専用現像液（Ｎ−メチ
ル−２−ピロリドン主成分）をスプレーして現像し、さ
らに専用リンス液で３Ｑｓｅｃ間スピンナ法でリンスし
た。リンス後、ＮＱ中、３６０℃でキュアした。これに
より、Ｓ○■基板１００上のシリコン単結晶島１０２の
上の面と、感光性ポリイミド１０３で形成した絶縁膜の
上の面を同一面にすることができた。１０１は石英基板
である。

第２図は上記と同じ方法で、薄膜トランジスタ２００の
シリコン単結晶２０３の面に平坦になる（１０） ように感光性ポリイミド２０５により絶縁膜を形成した
例である。２０１はポリシリコンゲート電極、２０２は
ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート絶縁膜、２０４はシリコンＭＯ
８−ＦＥＴを保護するＰＳＧ絶縁膜、２０５は本発明の
方法で感光性ポリイミドで形成した絶縁膜、２０６はｎ
チャンネルＭＯ８−ＦＥＴのソース電極であるｎ”ｓｉ
とコンタクトしているＡＱ電極、２０７は、ＩＴ○（Ｉ
ｎｄｉｕ＋ｎ　Ｔｉｎ　０ｘｉｄｅ）透明電極、２０８
はＭＯＳ−ＦＥＴを保護するプラズマＳｉＯ絶縁膜、２
０９はＴＮ型液晶の配向を制御するためポリイミドイソ
インドロキナシリジオンをラビングして膜である。この
構造の薄膜トランジスタを形成した結果、欠陥がなく高
歩留りで形成できることがわかった。

第３図は、第１図で説明したのと同じ方法で薄膜トラン
ジスタアクティブマトリクス基板を形成した他の実施例
を示す。この実施例では、シリコン単結晶島３０３とと
もにＡＱ電極３０６のセルファライン効果を利用して感
光性ポリイミドの絶縁膜３０５を形成した例である６３
０１はボリン（１１） リコンゲート電極、３０２はＭＯＳ−ＦＥＴのゲート絶
縁膜、３０４は単結晶シリコンとその接合を保護するＰ
ＳＧ膜である。３０６はＰＳＧ膜３０４のソース電極コ
ンタクト孔３１１を介して単結晶シリコンと接している
Ａｆｉ電極である。

ＡＱ電極３０６を形成した後、感光性ポリイミド膜を全
面に塗布し薄膜トランジスタ基板３００の裏面より露光
して膜を形成した。これにより、単結晶シリコン３０４
およびＡＱ電極３０６の上の面と、感光性ポリイミド膜
３０５は同一となり平坦にすることができた。３１０は
、下からプラズマＳｉＯ膜、スピンオンガラス膜（ＳＯ
Ｇ膜）、ＰＳＧ膜からなる三層構造絶縁膜、３０７は液
晶表示素子の画素表示用のＩＴＯ透明電極、３０８はプ
ラズマＳｉ○膜、３０９はポリイミドイソインドロキナ
シリジオンの膜をラビングして形成した液晶配向制御膜
である。この構造の薄膜トランジスタを形成した結果、
欠陥がなく高歩留りで形成できることがわかった。

第４図は、薄膜トランジスタ基体３００と、ガ（１２） ラス基板４０４の上にＩＴＯ透明電極４０２およびポリ
イミドイソインドロキナシリジオンの液晶配向制御膜４
０３を形成した対向するガラス基板の間に、石英ファイ
バ４０５の細片を分散した後、薄膜トランジスタ基体３
００とガラス基板４０４の周辺をエポキシ系樹脂でシー
ルし、ＴＮ型（Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）　素
子用のネマチック液晶４０１を封入した薄膜トランジス
タマトリクス型液晶表示素子である。本実施例により、
液晶層４０１の厚さは、石英ファイバの細片４０５の位
置によらず、液晶表示素子全面に均一であった。

また、液晶層の厚さが均一なため、各画素電極上の液晶
層に印加される電圧のバラツキがなく、画像ムラのない
均質な表示ができた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ホトレジストおよびホトマスクを用い
ないで耐熱性樹脂膜のパターン形成ができるので、石英
基板等の透明な基板上に薄膜トランジスタ等の薄膜素子
を形成する工程を簡略化で

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の感光性耐熱性樹脂膜のパターンユング
法の工程を示す図、第２図はＳＯＩ基板に本発明の方法
を適用して薄膜トランジスタ基板を形成する工程と断面
構造図、第３図はＳＯＩ基板に薄膜トランジスタを形成
した他の実施例の工程と断面構造図、第４図は第３図の
薄膜トランジスタ基板を用いた薄膜トランジスタアクテ
ィブマトリクス型液晶表示素子の主要な断面図、第５図
は従来の耐熱性樹脂膜をホトエツチング法で形成する場
合の工程と構造の模式図である。 １００・・・ＳＯＩ基板、１０２・・・シリコン単結晶
島、１０３・・・感光性ポリイミド、２００・・・薄膜
トランジスタ基板、２０１・・・ポリシリコンゲート電
極、２０６・・・ＡＱ電極、２０７・・・ＩＴＯ透明電
極、２０９・・・液晶配向制御膜、４００・・・薄膜ト
ランジ゛スタマトリクス型液晶表示秦子、４０１・・・
ＴＮ型液晶、４０５・・・石英ファイバ。 代理人　弁理士　高橋明夫 （１４） 第　１　図 １１１１１ ７２０ 第３図 ０１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、透明な絶縁基板上の半導体の島あるいはこの半導体
   の島に接続された配線導体の上に、ネガ型の感光性耐熱
   樹脂を塗布し、前記透明な絶縁基板の裏側から全面に露
   光した後、現像液で前記半導体の島あるいは前記配線導
   体の上の前記ネガ型感光性耐熱樹脂を除去し、前記半導
   体の島あるいは前記配線導体がない部分に前記ネガ型感
   光性耐熱樹脂を残して耐熱性絶縁膜とすることを特徴と
   する薄膜素子の製造方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記ネガ型感光性耐熱樹脂が、感光性ポリイミド、感光
   性ポリイミド前駆体、および感光性ポリイミドアミドで
   あることを特徴とする薄膜素子の製造方法。 ３、透明な絶縁基体上に半導体の島あるいはこの半導体
   の島に接続された配線導体と、前記半導体（１） の島あるいは前記配線導体がない部分に、前記半導体の
   島、あるいは、配線導体と略同等の厚さのネガ型感光性
   耐熱樹脂が形成されたことを特徴とする薄膜素子。